多模態(tài)MRI研究腸道微生態(tài)失衡導(dǎo)致2型糖尿病相關(guān)腦損傷研究進(jìn)展

朱貞洋，陳晴晴，伍建林

(大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院放射科，遼寧 大連 116001)

據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟(international diabetes federation, IDF)第9版《IDF全球糖尿病概覽》統(tǒng)計(jì)，2019年中國糖尿病患者超過1億，位居全球第一，且呈持續(xù)增長趨勢；其中2型糖尿病(diabetes mellitus type 2, T2DM)占絕大多數(shù)。長期T2DM可致多系統(tǒng)受累，腦損傷為其嚴(yán)重并發(fā)癥之一，但其病理機(jī)制尚未清楚[1]。隨著腸道微生態(tài)學(xué)及神經(jīng)影像學(xué)的長足發(fā)展，基于腸-腦軸(gut-brain axis, GBA)從微生物及功能影像學(xué)角度聯(lián)合針對T2DM病理機(jī)制的研究現(xiàn)已取得重要進(jìn)展，并發(fā)現(xiàn)腸道微生態(tài)失衡或可通過GBA影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)[2]。

1 腸道微生態(tài)失衡是T2DM潛在誘因

大量微生物群寄居于腸道中，以細(xì)菌為主，亦包括病毒和噬菌體等，構(gòu)成腸道微生態(tài)系統(tǒng)。腸道細(xì)菌以厚壁菌門為主，約占51%，代表菌群為球形梭狀芽孢桿菌和柔嫩梭菌；其次為擬桿菌門，約占48%，以擬桿菌屬和普氏桿菌屬為主[3]。腸道微生態(tài)系統(tǒng)在正常生理狀態(tài)下處于動態(tài)平衡；當(dāng)人體肥胖或處于病理狀態(tài)如炎性腸病或糖尿病時(shí)，可出現(xiàn)相應(yīng)異常改變。HOANG等[4]發(fā)現(xiàn)越南T2DM患者腸道內(nèi)擬桿菌屬和大腸埃希菌等致病菌占比顯著高于健康人，而厚壁菌門和梭菌屬細(xì)菌占比顯著低于健康人，且具有保護(hù)作用的雙歧桿菌大幅減少。QIN等[5]研究證實(shí)中國T2DM患者普遍存在腸道微生物失調(diào)，主要表現(xiàn)為產(chǎn)短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFA)細(xì)菌豐度降低而機(jī)會致病菌數(shù)量增加。此外，腸道細(xì)菌代謝產(chǎn)生多種生物活性物質(zhì)，如D-乳酸、氨和SCFA等，作為信息交換媒介，均可通過GBA對中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。腸道微生態(tài)失衡與T2DM密切相關(guān)，由此或可從微生物層面解釋T2DM發(fā)病機(jī)制。

2 腸道與大腦溝通橋梁——GBA

寄宿于腸道的微生物可分泌神經(jīng)內(nèi)分泌因子，影響宿主神經(jīng)及免疫系統(tǒng)的成熟、發(fā)育及調(diào)節(jié)功能[6]。腸道菌群可通過多種途徑影響腦；其中，GBA是腸道微生物與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的雙向溝通系統(tǒng)，主要途徑為神經(jīng)、神經(jīng)-內(nèi)分泌及神經(jīng)-免疫。研究[7]證實(shí)無菌(germ-free, GF)小鼠腸道空腸彎曲菌增加與其焦慮行為加重有關(guān)，免疫組織化學(xué)示迷走神經(jīng)感覺神經(jīng)元激活標(biāo)志物c-Fos表達(dá)增加。迷走神經(jīng)可能為GBA途徑之一，且胃腸道感染可通過該途徑影響宿主認(rèn)知功能。ZHANG等[8]發(fā)現(xiàn)細(xì)菌脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)可觸發(fā)炎癥而下調(diào)小鼠內(nèi)側(cè)前額葉皮層(medial prefrontal cortex, mPFC)突觸蛋白，誘導(dǎo)其產(chǎn)生抑郁癥表現(xiàn)并致腸道菌群異常；切斷其膈下迷走神經(jīng)后未見類似異常，證實(shí)了迷走神經(jīng)在GBA溝通中具有重要作用。

腸道是人體最大的內(nèi)分泌器官，腸內(nèi)分泌細(xì)胞(enteroendocrine cells, EEC)在GBA溝通中具有關(guān)鍵作用；餐后腸內(nèi)分泌L細(xì)胞，后者分泌胰高血糖素樣肽1(glucagon like peptide-1, GLP-1)和胃腸激素肽YY(peptide YY, PYY)，有助于控制食物攝入、體質(zhì)量及新陳代謝。研究[9]證實(shí)，肥胖者血清GLP-1和PYY水平低于健康人。此外，腸內(nèi)容物及微生物代謝產(chǎn)物可調(diào)節(jié)腸道內(nèi)分泌細(xì)胞激活，其中近端腸道內(nèi)分泌細(xì)胞激活主要由腸腔營養(yǎng)物質(zhì)所調(diào)節(jié)，而遠(yuǎn)端則主要通過微生物衍生物調(diào)節(jié)，包括SCFA、次級膽汁酸及色氨酸代謝產(chǎn)物等[10-11]。ZHANG等[12]發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病(Alzheimer's disease, AD)小鼠腸道微生態(tài)失衡伴SCFA水平降低，表明AD小鼠胃腸道菌群失調(diào)所致SCFA代謝異常與AD有關(guān)。LIU等[13]同樣發(fā)現(xiàn)自閉癥譜系障礙兒童(autism spectrum disorder, ASD)腸道菌群失調(diào)伴SCFA代謝異常，表現(xiàn)為糞便乙酸及丁酸含量降低而戊酸比例增高。ARNOLDUSSEN等[14]發(fā)現(xiàn)高脂飲食可降低成年小鼠大腦灰質(zhì)和白質(zhì)完整性，導(dǎo)致其認(rèn)知水平下降。

腸道為人體免疫細(xì)胞最密集的器官。有學(xué)者[15]提出腸道微生物群與中樞神經(jīng)系統(tǒng)固有免疫細(xì)胞(主要為小膠質(zhì)細(xì)胞)之間存在微妙的動態(tài)平衡。相比缺少特定病原體(specific pathogen free, SPF)的小鼠，GF小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育更不成熟，且對病原體不敏感；成年SPF小鼠在抗生素誘導(dǎo)下可出現(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)小膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)受損，但重新定植腸道微生物后可得以恢復(fù)[16]。WAHID等[17]發(fā)現(xiàn)高脂飲食肥胖大鼠海馬神經(jīng)炎癥及氧化應(yīng)激水平增加，表現(xiàn)為海馬區(qū)腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor, TNF)-α和小膠質(zhì)細(xì)胞抗體Iba1水平升高。外周細(xì)胞因子可作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，誘導(dǎo)局部產(chǎn)生細(xì)胞因子、釋放過量促炎因子，甚至影響基底神經(jīng)節(jié)釋放多巴胺，從而導(dǎo)致神經(jīng)心理疾病。

3 多模態(tài)MRI聯(lián)合微生態(tài)學(xué)探討T2DM相關(guān)腦損傷病理機(jī)制

多模態(tài)MRI主要包括結(jié)構(gòu)MRI(structural MRI, sMRI)、彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging, DWI)、靜息態(tài)功能MRI(resting-state functional MRI, rs-fMRI)、磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging, SWI)及氫質(zhì)子MR波譜成像(1H proton MR spectroscopy,1H-MRS)等，具有高軟組織分辨力、多參數(shù)成像、單次檢查即可提供腦結(jié)構(gòu)和功能多維度信息等優(yōu)勢，現(xiàn)已成為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域不可或缺的重要手段。

3.1 sMRI及DWI sMRI已成為神經(jīng)影像學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的MRI技術(shù)；基于水分子布朗運(yùn)動原理的DWI及彌散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)可敏感地反映腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)改變，從宏觀及微觀角度顯示腦結(jié)構(gòu)異常，并定量腦組織體積、各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy, FA)及平均彌散率(mean diffusivity, MD)等，以評估腦損傷程度。T2DM導(dǎo)致大腦微結(jié)構(gòu)損傷，以認(rèn)知相關(guān)腦區(qū)及白質(zhì)纖維束完整性下降為著[18-19]。有學(xué)者[20]對705例T2DM患者進(jìn)行6年隨訪，發(fā)現(xiàn)T2DM認(rèn)知功能下降與大腦認(rèn)知相關(guān)區(qū)域腦萎縮有關(guān)，且可能始于病程早期。LI等[21]發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者腸道微生物菌群豐度與雙側(cè)島葉及右側(cè)中央后回腦灰質(zhì)體積呈顯著正相關(guān)。TENGELER等[22]結(jié)合DTI及基因測序技術(shù)，發(fā)現(xiàn)將注意缺陷多動障礙(attention deficit hyperactivity disorder, ADHD)患者的腸道微生物群移植入小鼠可致其腦微結(jié)構(gòu)損傷，表現(xiàn)為白質(zhì)和灰質(zhì)區(qū)域(如內(nèi)囊、海馬)結(jié)構(gòu)完整性下降，且腦白質(zhì)損傷與其腸道微生物菌群豐度顯著相關(guān)?；诮M織高分辨率的sMRI及DWI有助于檢出T2DM早期腦損傷，結(jié)合先進(jìn)的基因檢測手段，可望進(jìn)一步探明T2DM微生態(tài)失衡與腦損傷相互作用的深層機(jī)制。

3.2 rs-fMRI rs-fMRI可在無任務(wù)驅(qū)動情況下利用血氧水平依賴(blood oxygen level dependent, BOLD)對比檢測大腦自發(fā)功能活動；借助默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(default mode network, DMN)有助于洞察腦功能，并與認(rèn)知功能相關(guān)[23]。CHEN等[24]證實(shí)T2DM患者存在大腦皮層功能連接性受損，與認(rèn)知相關(guān)腦區(qū)(如右側(cè)顳中回、右側(cè)中央前回和雙側(cè)枕葉皮層)的功能連接明顯下降。有學(xué)者[25]基于MRI BOLD效應(yīng)觀察T2DM患者神經(jīng)元活動與相應(yīng)區(qū)域腦血流灌注的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)多個腦區(qū)MRI神經(jīng)血管標(biāo)志物均顯著降低。近期有學(xué)者[21]結(jié)合rs-fMRI及16S rRNA測序觀察精神分裂癥(schizophrenia, SZ)患者腸道微生物菌群，發(fā)現(xiàn)其失調(diào)與大腦結(jié)構(gòu)及功能改變相關(guān)，如腸道微生物α多樣性與雙側(cè)距狀皮層、雙側(cè)舌回、左上枕葉皮層及右上頂葉皮層ReHo指數(shù)呈正相關(guān)，而羅斯菌屬豐度與右上顳葉皮層、左側(cè)楔葉及右側(cè)顳中葉ReHo指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。GAO等[26]發(fā)現(xiàn)嬰兒腸道菌群α多樣性與杏仁核和丘腦之間以及前扣帶皮層和前島葉之間的功能連接顯著相關(guān)。CURTIS等[27]研究證實(shí)長期吸煙人群腸道微生物豐度及結(jié)構(gòu)改變可影響大腦功能，表現(xiàn)為腦島功能連接減少，且至少受普氏桿菌和擬桿菌屬度的影響。腸道微生態(tài)失衡可影響腦網(wǎng)絡(luò)，但具體機(jī)制仍有待深入研究。

3.3 SWI SWI利用組織間磁敏感性差異進(jìn)行成像，對腦鐵質(zhì)沉積及微出血等尤為敏感。鐵為合成血紅蛋白的重要原料，機(jī)體主要通過腸道獲取鐵元素。腦鐵蓄積參與認(rèn)知障礙發(fā)病[28]，可使GBA葡萄糖傳感過程紊亂，誘導(dǎo)T2DM，且腦鐵超負(fù)荷可致胰島素抵抗及氧化損傷，促進(jìn)認(rèn)知障礙發(fā)生發(fā)展。YANG等[29]采用定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping, QSM)觀察T2DM患者腦鐵沉積量與認(rèn)知障礙關(guān)系，發(fā)現(xiàn)T2DM伴輕度認(rèn)知障礙患者大腦認(rèn)知相關(guān)區(qū)域(雙側(cè)尾狀核、海馬、左側(cè)殼核和右側(cè)黑質(zhì))敏感值顯著高于健康人。FERNANDEZ-REAL等[30]觀察20名肥胖者，發(fā)現(xiàn)其腸道放線菌門相對豐度及認(rèn)知水平測試評分均降低，認(rèn)知相關(guān)腦區(qū)SWI相關(guān)指標(biāo)R2*值升高，提示肥胖可改變腸道菌群分布及大腦微結(jié)構(gòu)，再次證明鐵沉積與T2DM認(rèn)知障礙相關(guān)，腸道微生態(tài)改變或?yàn)椴〕讨匾画h(huán)。目前對于T2DM患者腸道菌群與中樞神經(jīng)系統(tǒng)鐵沉積的關(guān)系仍未清楚，有待進(jìn)一步觀察。

3.41H-MRS1H-MRS是目前神經(jīng)影像學(xué)領(lǐng)域唯一可于活體狀態(tài)下無創(chuàng)觀察組織代謝物種類、含量及演變的成像技術(shù)，能敏感準(zhǔn)確地反映早期中樞神經(jīng)系統(tǒng)各區(qū)域代謝活動及其異常改變。T2DM伴認(rèn)知障礙患者認(rèn)知相關(guān)腦區(qū)、特別是海馬和丘腦存在1H-MRS相關(guān)代謝指標(biāo)異常，以N-乙酸門冬氨酸/肌酸(N-aspartic acid acetate/creatine, NAA/Cr)降低、膽堿/肌酸(choline/creatine， Cho/Cr)增高為主，且1H-MRS代謝指標(biāo)與T2DM相關(guān)生理生化指標(biāo)(如HbA1c、體質(zhì)量指數(shù)等)呈負(fù)相關(guān)[31]。JANIK等[32]采用MRS定量評估經(jīng)乳桿菌飼喂后小鼠大腦相關(guān)生物標(biāo)志物，包括谷氨酰胺(glutamine, Gln)、總NAA、總Cr、總Cho及γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid, GABA)，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)活性細(xì)菌乳桿菌可促進(jìn)特定腦區(qū)GABA受體亞型持續(xù)變化，并改善小鼠焦慮；接受益生菌治療后，小鼠腦功能重要生物標(biāo)志物GABA、NAA和Gln均有不同程度升高。上述研究結(jié)果表明，部分神經(jīng)活性細(xì)菌存在特殊代謝途徑，可通過GBA影響T2DM患者精神心理及認(rèn)知狀態(tài)。HE等[33]發(fā)現(xiàn)精神病超高?；颊吣c道菌群失調(diào)與扣帶皮層Cho濃度升高有關(guān)，而Cho水平升高是大腦細(xì)胞膜功能障礙的影像學(xué)征象。然而，腸道菌群通過GBA影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的病理機(jī)制尚無統(tǒng)一定論，1H-MRS或可為后續(xù)探討T2DM患者腸道微生態(tài)失調(diào)與腦損傷機(jī)制提供技術(shù)支持。

4 小結(jié)及展望

近年來，隨著GBA的提出與相關(guān)研究的深入，T2DM相關(guān)腦損傷機(jī)制再次成為熱點(diǎn)話題，但其病理生理機(jī)制尚未明晰。多模態(tài)MRI有助于無創(chuàng)早期檢測T2DM腦損傷，觀察部分影像學(xué)指標(biāo)及其與腸道微生態(tài)的相關(guān)性，為闡明T2DM腸道微生態(tài)失衡與相關(guān)腦損傷病理機(jī)制開辟新途徑。未來應(yīng)基于多學(xué)科協(xié)作模式，立足于GBA，結(jié)合T2DM腸道微生態(tài)失衡及多模態(tài)MRI標(biāo)志物，實(shí)現(xiàn)早期篩選T2DM腦損傷易感人群，為臨床早期干預(yù)及用藥提供指導(dǎo)幫助，為研發(fā)相關(guān)藥物提供理論依據(jù)。