腸道菌群與腦卒中后抑郁潛在機制的研究進(jìn)展

王穎佳，王凌霄綜述，邵宏元審校

腦卒中是全世界最常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病之一，腦卒中后抑郁(Post-stroke depression，PSD)是腦卒中后常見的神經(jīng)心理并發(fā)癥之一。在腦卒中后5 y內(nèi)，大約有1/3的腦卒中幸存者患有PSD[1]，且由于精神疾病相關(guān)的病恥感、較低的治療尋求率使得患病率可能被低估。PSD與腦卒中患者身體和認(rèn)知恢復(fù)、神經(jīng)功能結(jié)果和生活質(zhì)量的改善密切相關(guān)，抑郁和卒中之間存在雙向關(guān)系：腦卒中造成PSD，而抑郁增加了腦卒中和腦卒中后死亡風(fēng)險。早期識別有抑郁癥風(fēng)險的腦卒中患者有助于進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹委熀碗S訪。PSD的治療主要是基于5-羥色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)、去甲腎上腺素(noradrenaline，NE)和多巴胺(dopamine，DA)受體的異常表達(dá)假說而制定的抗抑郁療法，由于傳統(tǒng)的抗抑郁治療方法效果不佳，且患者依從性差，我們急需探尋新的治療方法。

在過去的幾十年里，人們對腸道菌群的功能也有了更全面的認(rèn)識。最近的研究揭示了腸道菌群變化對腦卒中、抑郁癥[2]、自閉癥[3]、癲癇[4]等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的重要性。本綜述旨在結(jié)合最新的研究進(jìn)展，探究腸道菌群與腦卒中后抑郁潛在機制，為腸道菌群在PSD的治療提供參考。

1 腸道菌群與微生物群-腸-腦軸的潛在機制

人類在母體子宮中是處于無菌環(huán)境的，最早期的腸道菌群來自嬰兒出生時母體陰道和肛周微生物群[5]，隨著年齡增長腸道菌群受到我們的飲食習(xí)慣和環(huán)境影響不斷變化并維持相對穩(wěn)定狀態(tài)。人類的腸道中含有近100萬億種微生物，包括細(xì)菌、病毒和真菌，厚壁菌門和擬桿菌門為腸道菌群最突出的兩個門屬[6]。腸道菌群是人體被忽略的“器官”，是維持人體內(nèi)環(huán)境平衡不可或缺的一部分，也被稱為“第二大腦”，它們的存在對健康至關(guān)重要。隨著研究的深入，我們發(fā)現(xiàn)大腦和腸道之間的聯(lián)系除了維持胃腸道的內(nèi)穩(wěn)態(tài)外，還會影響人類的情感、動機和更高的認(rèn)知功能，并提出了“微生物群-腸-腦軸(microbiota-gut-brain axis，MGBA)”這一概念[7]，揭示了腸道菌群在維持代謝穩(wěn)態(tài)、保護(hù)人類免受致病微生物的侵害以及腸道菌群與大腦之間的通信作用[8]。

2 腦梗死后抑郁作用機制與微生物群-腸-腦軸

胃腸道與中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)關(guān)系密切，腸道菌群通過影響CNS和神經(jīng)細(xì)胞來參與調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)功能，參與到CNS相關(guān)疾病的發(fā)病機制和進(jìn)展[6]。在過去的十幾年中，由于宏基因組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，允許對腸道菌群相關(guān)基因進(jìn)行詳盡分析，使得腸道菌群得到了越來越多的關(guān)注。目前關(guān)于PSD發(fā)病機制的假設(shè)包括：下丘腦-垂體-腎上腺(hypothalamic-pituitary-adrenocortical axis，HPA)軸的激活、神經(jīng)遞質(zhì)的改變、微生物代謝產(chǎn)物、迷走神經(jīng)通路、免疫及炎性反應(yīng)、神經(jīng)營養(yǎng)因子等。

2.1 下丘腦-垂體-腎上腺軸 HPA軸[9]是主要的神經(jīng)內(nèi)分泌應(yīng)激反應(yīng)系統(tǒng)，同時也是微生物群-腸-腦軸內(nèi)關(guān)鍵的非神經(jīng)元通信途徑之一，作為邊緣系統(tǒng)的一部分，它對調(diào)節(jié)大腦功能至關(guān)重要，涉及調(diào)節(jié)情緒、記憶、免疫和代謝。當(dāng)HPA軸因環(huán)境應(yīng)激或促炎細(xì)胞因子的增加而被激活時[10]，腎上腺皮質(zhì)合成和糖皮質(zhì)激素釋放增加，糖皮質(zhì)激素可調(diào)節(jié)腦中神經(jīng)元的存活和神經(jīng)發(fā)生。Sudo等人[11]研究顯示在應(yīng)激反應(yīng)中，無菌小鼠的類固醇皮質(zhì)激素和腎上腺激素水平高于含有正常菌群的小鼠，并首次提出腸道菌群與HPA軸相關(guān)性。腦卒中后，HPA軸被過度激活，由于負(fù)反饋機制受損而無法維持平衡，最終大量的皮質(zhì)醇的產(chǎn)生和積累[12]。慢性高皮質(zhì)醇血癥可通過降低腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的活性，導(dǎo)致神經(jīng)毒性產(chǎn)生，使得前額葉皮質(zhì)邊緣區(qū)域的體積損失，從而導(dǎo)致神經(jīng)可塑性現(xiàn)象的損害，這將維持抑郁狀態(tài)[13]。由此我們推測調(diào)節(jié)腸道菌群可以影響皮質(zhì)醇水平，負(fù)向調(diào)節(jié)HPA軸的活動，參與到對PSD的調(diào)節(jié)。

2.2 神經(jīng)遞質(zhì) 腸道菌群產(chǎn)生的最常見的神經(jīng)活性物質(zhì)是神經(jīng)遞質(zhì)，如γ-氨基丁酸 (γ-aminobutyric acid，GABA )、谷氨酸(glutamic acid，Glu)、DA、5-HT和NE等，通過激活腸道神經(jīng)系統(tǒng)，經(jīng)迷走神經(jīng)和脊神經(jīng)介導(dǎo)驅(qū)動腸道菌群和CNS之間的信息傳遞[8]。目前，關(guān)于抑郁癥與神經(jīng)遞質(zhì)有關(guān)的理論主要有兩種，即單胺能假說和谷氨酸介導(dǎo)的興奮性毒性。單胺能核主要位于腦干內(nèi)，腦卒中可中斷單胺類物質(zhì)向大腦皮質(zhì)和邊緣系統(tǒng)的投射，最終大腦情緒調(diào)節(jié)區(qū)單胺類遞質(zhì)減少會導(dǎo)致PSD[14]。大量的研究已經(jīng)證明抑郁癥患者腦中5-HT水平低于非抑郁癥患者[15]，在PSD患者中也觀察到類似的變化[16]。因此，血漿5-HT濃度的變化是預(yù)測卒中后精神疾病的一個重要的臨床指標(biāo)。動物實驗[17]顯示向大鼠注射雙歧桿菌后觀察到大鼠體內(nèi)色氨酸水平升高，提示雙歧桿菌可通過降低促炎因子水平，增加5-HT前體色氨酸，上調(diào)5-HT水平從而改善情緒。作為一種興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，Glu合成在急性腦卒中患者大腦和血漿中均會增加[18]。研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群變化與Glu代謝改變有關(guān)，空腸彎曲桿菌激活Glu合成，其在胃腸道中較低的豐度影響Glu的合成，間接影響Glu代謝[19]。一些腸道細(xì)菌，如谷氨酸棒桿菌、乳酸發(fā)酵短桿菌、枯草芽孢桿菌和短桿菌，通過谷氨酸消旋酶將L-Glu轉(zhuǎn)化為D-Glu，影響Glu代謝，從而在神經(jīng)精神疾病[20]中發(fā)揮作用。因此，我們推測腸道菌群失調(diào)參與到了腦卒中神經(jīng)遞質(zhì)的改變過程，特別是5-HT和Glu，從而觸發(fā)PSD。

2.3 微生物代謝產(chǎn)物 腸道菌群產(chǎn)生的代謝物如短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFAs)、三甲胺N-氧化物(trimethylamine N-oxide，TMAO)和脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)，因其參與了微生物群和宿主穩(wěn)態(tài)之間的相互作用而獲得了廣泛的關(guān)注[8]。SCFAs包括丁酸、醋酸和丙酸，可通過調(diào)控腸嗜鉻細(xì)胞對5-HT的分泌，在CNS相應(yīng)受體發(fā)揮作用以保護(hù)神經(jīng)元[21]。在強迫游泳試驗中[22]，使用醋酸、丙酸和丁酸的混合物降低了小鼠抑郁樣行為，顯示了SCFAs的重要意義，并間接顯示了腸道菌群在微生物群-腸-腦軸調(diào)節(jié)活動方面的影響。除了SCFAs，研究發(fā)現(xiàn)TMAO可直接促進(jìn)了血小板的高反應(yīng)性和增強血栓形成[23]，其與腦卒中等血栓性事件的發(fā)生風(fēng)險獨立相關(guān)。

2.4 迷走神經(jīng)通路 迷走神經(jīng)[8]通過腸道菌群產(chǎn)生的神經(jīng)活性物質(zhì)，驅(qū)動腸道菌群和CNS之間的通信。抑郁和焦慮行為的變化與用益生菌喂養(yǎng)的小鼠大腦中GABA受體表達(dá)的改變有關(guān)。鼠李糖乳桿菌JB-1治療可以降低大腦特定區(qū)域的GABA受體mRNA的表達(dá)，從而減少應(yīng)激誘導(dǎo)的皮質(zhì)酮和抑郁相關(guān)行為[24]。但這種效應(yīng)在迷走神經(jīng)切除的小鼠中未觀察到，提示迷走神經(jīng)傳入神經(jīng)在微生物群-腸-腦軸通信中起著重要作用。同樣地，通過研究[25]膈下迷走神經(jīng)切斷術(shù)(subdiaphragamatic vagotomy，SDV)對LPS給藥后抑郁樣小鼠腸道菌群異常組成的影響，我們發(fā)現(xiàn)LPS引起了假手術(shù)小鼠的抑郁樣表型的增加，相比之下行SDV后的小鼠中沒有產(chǎn)生抑郁樣表型，說明迷走神經(jīng)很可能在微生物群-腸-腦軸中起著至關(guān)重要的作用。

2.5 免疫及炎癥機制 腸道由高濃度的免疫細(xì)胞組成，提供了一層抵御病原體的額外防御層。腸道菌群對于大腦中駐留的免疫細(xì)胞和膠質(zhì)細(xì)胞的成熟和功能至關(guān)重要，這有助于調(diào)節(jié)神經(jīng)發(fā)生和神經(jīng)傳遞，從而影響宿主的各種行為[26]。小膠質(zhì)細(xì)胞是CNS的常駐髓系細(xì)胞，對大腦的穩(wěn)態(tài)功能至關(guān)重要，包括神經(jīng)發(fā)生、神經(jīng)傳遞、突觸重塑、神經(jīng)炎癥和損傷修復(fù)[9]。一項研究[27]顯示無菌動物或使用抗生素治療小鼠易導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞成熟、激活狀態(tài)和分化缺陷，小膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變，并對細(xì)菌的免疫反應(yīng)減弱，這進(jìn)一步證明腸道菌群的缺失導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育異常，從而影響神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育異常。在無菌小鼠與對照組小鼠共存6 w后，這些小膠質(zhì)細(xì)胞表型改變隨著腸道菌群的重新定居而發(fā)生逆轉(zhuǎn)[28]。這些發(fā)現(xiàn)表明來自腸道菌群的活躍信號是維持小膠質(zhì)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)所必需的。星形膠質(zhì)細(xì)胞是CNS中最豐富的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞類型。由于星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)去甲腎上腺素和血清素的轉(zhuǎn)運體，我們推測星形膠質(zhì)細(xì)胞可能控制5-羥色胺能和去甲腎上腺素能傳遞，而抗抑郁藥物可阻斷星形膠質(zhì)細(xì)胞對單胺類遞質(zhì)的再攝取[29]。腦卒中作為一種腦部創(chuàng)傷，可以在受傷的腦區(qū)引發(fā)強烈的炎癥反應(yīng)，炎癥誘導(dǎo)的谷氨酸攝取損傷可能有助于腦卒中后情緒障礙易感性的發(fā)展[30]。腸道菌群紊亂可導(dǎo)致細(xì)菌釋放到血液中產(chǎn)生大量LPS，導(dǎo)致外周免疫激活和炎癥反應(yīng)，引起血腦屏障改變、炎癥因子進(jìn)入CNS，然后通過NF-κB通路激活神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，促進(jìn)抑郁癥的發(fā)生[31]。已經(jīng)有動物研究報道過抑郁癥微生物群-腦-腸軸失調(diào)與炎癥因子的相關(guān)性，在社會挫敗應(yīng)激小鼠模型[32]發(fā)現(xiàn)IL-6通過改變腸道菌群的組成誘導(dǎo)抑郁發(fā)生，外周IL-6受體的阻斷顯著改善了易感小鼠中厚壁菌門/擬桿菌門比率的降低，并且可能具有快速起效和長效的抗抑郁作用。此外，研究已經(jīng)證明[33]SCFAs在發(fā)展大腦外周免疫系統(tǒng)和小膠質(zhì)細(xì)胞功能中的作用，腸道菌群的紊亂可導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥，導(dǎo)致神經(jīng)元、突觸和腦腸軸受損，調(diào)節(jié)腸道菌群組成的變化可能是改善神經(jīng)炎癥疾病和大腦功能一個新的治療手段。

2.6 營養(yǎng)因子 BDNF是CNS中含量最豐富、分布最廣泛的神經(jīng)營養(yǎng)因子，對神經(jīng)系統(tǒng)的生長和分化至關(guān)重要，它在認(rèn)知過程、情緒調(diào)節(jié)中起著關(guān)鍵作用。抑郁癥患者由于長期壓力和HPA的持續(xù)激活而導(dǎo)致皮質(zhì)醇水平升高，糖皮質(zhì)激素可以下調(diào)海馬中的BDNF[34]，這進(jìn)一步加劇了5-HT和BDNF的缺陷，這意味著神經(jīng)營養(yǎng)假說與HPA軸間接相關(guān)。動物實驗[35]顯示抑郁大鼠出現(xiàn)海馬和前額皮質(zhì)BDNF的缺陷，而抗抑郁藥物可以提升BDNF水平。與此一致的是抑郁癥患者血清BDNF水平低于健康人群，且入院時腦卒中患者低水平的BDNF與PSD的發(fā)生有很強的關(guān)聯(lián)性，提示血清BDNF是PSD的一個重要的生物學(xué)預(yù)測因子[36]。腸道菌群可以調(diào)節(jié)BDNF，相較于未處理的大鼠，植物乳桿菌IS-10506處理增強了海馬中的大腦BDNF表達(dá)[37]，這意味著補充益生菌可以增強大腦發(fā)育，腸道菌群的改變可以影響B(tài)DNF水平。

3 新型治療在腸道菌群與卒中后抑郁的研究進(jìn)展

近年來，益生菌和益生元在PSD的治療潛力已得到充分的證明。雙歧桿菌治療不僅可以逆轉(zhuǎn)5-HT和BDNF的缺陷，而且還可以降低血清皮質(zhì)酮水平。此外，益生菌治療上調(diào)了色氨酸的生物合成和谷氨酸能突觸[34]，這些發(fā)現(xiàn)提示益生菌具有抗抑郁作用和調(diào)節(jié)腸道菌群作用。臨床試驗證明抑郁癥患者服用嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌和雙歧桿菌的混合物8 w后貝克抑郁量表評分明顯下降[38]。益生元對心理健康的益處包括影響大腦功能的代謝物，降低血腦屏障通透性，減少神經(jīng)炎癥等。研究表明[39]益生元的補充可以減少應(yīng)激反應(yīng)性、焦慮和抑郁樣行為，增加BDNF的表達(dá)，并改善認(rèn)知能力。糞便微生物群移植(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT)通過將供體微生物群轉(zhuǎn)移到受體來操縱腸道菌群，是目前最有效的腸道菌群干預(yù)措施。動物實驗[40]發(fā)現(xiàn)FMT改善了慢性不可預(yù)測的輕度壓力大鼠模型中引起的快感缺乏樣行為，并降低了促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生和抑制NLRP3炎癥小體的產(chǎn)生。

4 總結(jié)與展望

到目前為止，在描述、診斷和尋找PSD治療方法方面已經(jīng)做出了巨大的努力。腸道菌群在PSD相關(guān)作用已被動物模型和人類的各種實驗證實，并提出了許多潛在的途徑來解釋PSD患者的微生物群-腸-腦軸連接。盡管已經(jīng)探索了迷走神經(jīng)、HPA軸、神經(jīng)遞質(zhì)、微生物代謝產(chǎn)物、免疫以及炎癥與PSD有關(guān)腸道菌群失調(diào)的關(guān)系，但仍需要不斷努力了解這種多因素疾病的原因和作用機制。仍有許多問題需要回答：腸道菌群組成的最初改變是疾病表現(xiàn)的原因還是助推器？哪種腸道菌群的化學(xué)種類與疾病有很強的聯(lián)系？腸道菌群生態(tài)系統(tǒng)的重編程是否是一種很好的治療策略？回答這些問題可能會使腸道菌群與PSD的聯(lián)系得出有意義的結(jié)論，包括有益的治療和個性化醫(yī)學(xué)。

目前已知關(guān)于PSD的治療有抗抑郁藥物、飲食、運動和FMT，益生菌/益生元由于其可防止腸道菌群的改變和提高自然免疫力也逐漸應(yīng)用于臨床。然而益生菌/益生元的副作用還需要進(jìn)行深入的研究。此外，F(xiàn)MT治療是一種新的治療精神疾病的潛力，或可以作為當(dāng)前方法的輔助手段。由于微生物治療領(lǐng)域還處于起步階段，對其副作用知之甚少，因此不能排除通過FMT移植目前未知的致病性微生物。此外，微生物組治療研究的主要障礙之一是尚未定義可測量的臨床相關(guān)腸道菌群終點以預(yù)測治療的成功。總之，腸道菌群研究是一個繁榮的領(lǐng)域，關(guān)于腸道菌群在健康和疾病中的作用經(jīng)常有新的和令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。雖然微生物群-腸-腦軸的概念現(xiàn)在已經(jīng)建立，但仍然需要研究去闡述腸道菌群的變化和PSD之間的機制聯(lián)系。