多模態(tài)MRI在探究益生菌制劑改善2型糖尿病患者認(rèn)知障礙機(jī)制中的研究進(jìn)展

汪旭洋，許珊，楊東，林琳，沈晶，伍建林

0 前言

臨床上，T2DM 是最常見的糖尿病類型并呈逐年增多趨勢[1]，隨著病史和疾病程度增加多可引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥，其中以認(rèn)知功能加速下降較為常見[2-3]。近年研究發(fā)現(xiàn)腸-腦軸（gut-brain-axis,GBA）在T2DM腸道菌群紊亂與中樞神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥機(jī)制方面扮演重要角色[4]；由于益生菌制劑可調(diào)節(jié)腸道微環(huán)境故認(rèn)為在改善T2DM認(rèn)知功能障礙方面頗具潛力，但詳盡的作用機(jī)制尚不十分明確。近年來多模態(tài)MRI 技術(shù)為該領(lǐng)域的腦科學(xué)研究提供了重要平臺并顯示出較明顯的優(yōu)勢，本文對多模態(tài)MRI在探究益生菌制劑改善T2DM患者認(rèn)知障礙機(jī)制的研究進(jìn)行綜述，以期為臨床診治及進(jìn)一步研究提供新思路，并為規(guī)范益生菌的使用提供更多可能性。

1 T2DM伴認(rèn)知功能障礙神經(jīng)病理機(jī)制

T2DM 引起認(rèn)知功能障礙的核心機(jī)制在于胰島素抵抗（insulin resistance, IR）及全身炎癥反應(yīng)。胰島素具有刺激神經(jīng)生長、促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)攝取、保證腦組織供能等重要作用，IR 可引起包括大腦在內(nèi)的各個組織對胰島素敏感度的降低，從多方面影響神經(jīng)元的正常工作。IR 與線粒體應(yīng)激通路異常、內(nèi)皮細(xì)胞損傷、腦內(nèi)遞質(zhì)及胰高血糖素樣肽-1 等小分子物質(zhì)異常變化之間關(guān)系密切，幾乎貫穿T2DM 引起認(rèn)知功能障礙的所有途徑[2]。胰島素缺乏與IR 導(dǎo)致患者長期高血糖可引起腦內(nèi)包括晚期糖基化物質(zhì)等代謝物異常蓄積，從而刺激膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生基質(zhì)金屬蛋白酶，并破壞血腦屏障（blood-brain barrier, BBB）的完整性，致使神經(jīng)系統(tǒng)更多暴露于有害物質(zhì)中[5]，同時IR 還會降低胰島素糖異生能力，保留脂肪生成能力，進(jìn)一步加重患者的腦小血管疾病[6]，有研究認(rèn)為T2DM引起的胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙及代謝紊亂可導(dǎo)致軸突可塑性損傷及神經(jīng)元缺失，從而加重腦萎縮的進(jìn)程[7]。

全身炎癥反應(yīng)也是引起T2DM神經(jīng)病變的重要途徑，可能由異常代謝、血流動力學(xué)紊亂以及脂肪異位等因素導(dǎo)致。其可通過巨噬細(xì)胞及單核細(xì)胞的活化引起氧化應(yīng)激并加速動脈粥樣硬化的進(jìn)程，大腦中增加的炎癥因子更會引起腦細(xì)胞的死亡并導(dǎo)致軸突損傷[8]。有研究表明脂肪炎癥反應(yīng)與IR 之間存在相互促進(jìn)的關(guān)系，前者可以增加局部促炎巨噬細(xì)胞的水平，后者產(chǎn)生的細(xì)胞因子也可通過多種通路降低機(jī)體的胰島素敏感性[9-10]。

2 益生菌制劑改善大腦認(rèn)知的可能機(jī)制

腸-腦軸是腸道與大腦之間的雙向通路，腸道菌群的改變往往可通過神經(jīng)、內(nèi)分泌等途徑影響大腦。研究表明，T2DM 患者擬桿菌及乳桿菌豐度減低，而一些大腸桿菌及孢子菌則會增加，其產(chǎn)生的芳香族氨基酸會進(jìn)一步加重胰島素抵抗[11]。同時，也有多種細(xì)菌被證明可通過其代謝產(chǎn)生短鏈脂肪酸維持腸道屏障完整性以及葡萄糖代謝的穩(wěn)定[12]。星形膠質(zhì)細(xì)胞是T2DM 認(rèn)知障礙與代謝異常的重要參與者，有研究表明部分腸道菌群及其代謝產(chǎn)生的各種短鏈脂肪酸可促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞的激活[13]。某些可以改善腸道菌群的干預(yù)措施及腸道微生物代謝產(chǎn)物的補(bǔ)充均可通過神經(jīng)保護(hù)作用緩解認(rèn)知障礙[14]；相對于間歇性禁食以及糞便移植，益生菌制劑的干預(yù)更具有普適性，不同益生菌制劑干預(yù)可產(chǎn)生包括促進(jìn)短鏈脂肪酸的生成、增強(qiáng)胰島素敏感度、下調(diào)炎癥因子表達(dá)、減少脂多糖產(chǎn)生等多種不同效應(yīng)[15]。乳桿菌分泌的乳酸可以調(diào)節(jié)腸道微環(huán)境，而擬桿菌可以通過改善碳水化合物代謝改善胰島素抵抗[16]。有研究表明丙酸鹽、丁酸鹽等物質(zhì)在轉(zhuǎn)錄修飾后具有抑制組蛋白乙?；淖饔?，從而調(diào)整代謝、改善免疫系統(tǒng)[17]。此外，乳酸菌與酵母菌的混合益生菌制劑干預(yù)可增加T2DM大鼠腸道內(nèi)胰高血糖素樣肽-1的分泌并降低T2DM對不同器官的損傷[18]。有研究通過8 周的短雙歧桿菌干預(yù)改善了肥胖及胰島素抵抗患者的糖耐量及胰島素敏感性[19]。ZIEGLER 等[20]通過90 天的克勞氏芽孢桿菌干預(yù)降低T2DM患者的空腹血糖水平并增加了患者血漿的高密度脂蛋白，一些研究指出阿克曼黏液菌不僅有助于改善胰島素抵抗，還可以減少胰島細(xì)胞的損傷[21-22]。

3 益生菌制劑改善T2DM 認(rèn)知障礙多模態(tài)MRI 研究進(jìn)展

多模態(tài)MRI 包括結(jié)構(gòu)MRI、增強(qiáng)MRI、功能MRI 等多種不同技術(shù)，其成像原理及觀察重點各不相同，T2DM 導(dǎo)致認(rèn)知障礙的不同病理機(jī)制在多模態(tài)MRI 上具有不同的表現(xiàn)，因此在益生菌制劑干預(yù)期間分析腦多模態(tài)MRI參數(shù)的變化，可在一定程度上了解和監(jiān)測益生菌制劑干預(yù)對T2DM 患者腦容積、纖維束完整性及神經(jīng)元功能可能的影響，結(jié)合相關(guān)臨床指標(biāo)有助于探究益生菌及其代謝產(chǎn)物影響認(rèn)知功能的具體機(jī)制。

3.1 結(jié)構(gòu)MRI與擴(kuò)散MRI

結(jié)構(gòu)神經(jīng)影像學(xué)主要包括結(jié)構(gòu)MRI（structual MRI, sMRI）和擴(kuò)散MRI（diffusion MRI, dMRI），其中sMRI 是最基礎(chǔ)和最常用的MRI 技術(shù)之一。有研究指出T2DM導(dǎo)致的灰質(zhì)體積萎縮速度比正常衰老高出約26%[3]。雙歧桿菌制劑的干預(yù)可以減少腸道中梭菌含量，通過sMRI 發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌干預(yù)抑制了老年人認(rèn)知功能障礙患者腦萎縮進(jìn)展，經(jīng)12 周益生菌干預(yù)提高了血清中腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor, BNDF）的水平[23]，而后者可促進(jìn)突觸形成、提高神經(jīng)可塑性；有研究表明在4 周雙歧桿菌和乳桿菌混合制劑干預(yù)治療后患者血清BNDF水平增高，同時益生菌干預(yù)后左腦緣上回及頂上小葉灰質(zhì)體積出現(xiàn)一定程度縮小，這可能與腦功能效率提升有關(guān)[24]。由于益生菌制劑干預(yù)對腦容積的影響細(xì)微且復(fù)雜，傳統(tǒng)基于體素的形態(tài)測量（voxel based morphometry, VBM）往往不夠敏感且易受到空間配準(zhǔn)的影響，而基于形變的形態(tài)測量（deformation-based morphometry, DBM）通過腦局部形變定量研究腦組織形態(tài)學(xué)變化較少受到空間配準(zhǔn)的干擾，已被用于帕金森等疾病的臨床研究[25]，目前DBM 尚未被應(yīng)用于腸-腦軸領(lǐng)域的研究，DBM 與VBM聯(lián)合使用可以更精確地發(fā)現(xiàn)腦結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異，在今后探究益生菌干預(yù)下腦結(jié)構(gòu)的具體變化上具有潛在價值。

擴(kuò)散MRI 技術(shù)可以通過白質(zhì)纖維束對水分子布朗運動的制約作用來評估腦白質(zhì)完整性及實現(xiàn)神經(jīng)纖維束的立體重建。T2DM 患者顯然也存在腦白質(zhì)完整性受損的情況。GAO 等[26]發(fā)現(xiàn)T2DM 患者右額枕下束和右下縱束白質(zhì)（white matter, WM）完整性受損與情景記憶和注意功能障礙呈顯著相關(guān)，此外，認(rèn)知功能障礙相關(guān)的WM 微結(jié)構(gòu)損傷與受影響的WM 束相連的皮層退化有關(guān)，從而表明相對單純T2DM患者，并發(fā)現(xiàn)認(rèn)知功能障礙者WM束存在廣泛變性。還有研究通過dMRI 和基于區(qū)域的空間統(tǒng)計分析來評估2 218名T2DM患者白質(zhì)完整性發(fā)現(xiàn)，其腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)的異?？沙霈F(xiàn)于T2DM 早期且與較高的血糖水平有關(guān)[27]。COMAI 等[28]通 過 擴(kuò) 散 張 量 成 像（diffusion tensor imaging, DTI）發(fā)現(xiàn)腦白質(zhì)完整性受損與血漿中色氨酸水平之間存在關(guān)聯(lián)，益生菌是腸道色氨酸的重要來源，擴(kuò)散MRI可以通過水分子的擴(kuò)散運動定量分析腦白質(zhì)的完整性，在今后探究益生菌干預(yù)是否可以影響白質(zhì)微結(jié)構(gòu)方面可能具有一定應(yīng)用前景，而DTI還可以分析血管周圍間隙水分子的運動情況，從而判斷類淋巴系統(tǒng)的功能狀況，YANG 等[29]運用DTI 技術(shù)指出T2DM 可以引起患者類淋巴系統(tǒng)功能的下降，而益生菌干預(yù)下T2DM 類淋巴系統(tǒng)的變化情況尚未見報道，今后可以作為益生菌干預(yù)T2DM 認(rèn)知功能研究領(lǐng)域的全新方向。但是傳統(tǒng)DTI 模型無法解決纖維交叉等問題，在臨床實際研究中仍存在一定局限性，而神經(jīng)突離散度和密度成像技術(shù)不僅可以解決纖維交叉問題，還可以具體分析細(xì)胞內(nèi)外及腦脊液中水分子的狀況，為具體分析白質(zhì)微結(jié)構(gòu)變化提供更多的定量數(shù)據(jù)。

3.2 動態(tài)對比增強(qiáng)MRI

T2DM患者多存在BBB完整性損害，利用釓對比劑行動態(tài)對比增強(qiáng)MRI（dynamic contrast enhancement,DCE-MRI）可無創(chuàng)性評估BBB 完整性[30]，當(dāng)BBB 被破壞時，小分子對比劑可從血管滲漏入血管外、細(xì)胞外間隙中；在DCE-MRI 的Patlak 藥代動力模型中Ktrans值是重要參數(shù)，其可反映滲漏過程對比劑的轉(zhuǎn)運系數(shù)并定量分析血腦屏障滲透性[31]，李曼等[32]通過DCE-MRI 技術(shù)測量T2DM 患者皮質(zhì)灰質(zhì)、深部灰質(zhì)、正常腦白質(zhì)和腦白質(zhì)高信號區(qū)域Ktrans值發(fā)現(xiàn)和證實，T2DM 患者BBB 通透性明顯增高。在植物乳桿菌改善發(fā)育性協(xié)調(diào)障礙的研究中發(fā)現(xiàn)，8 周的植物乳桿菌干預(yù)治療后大鼠外周血和腦組織中氧化標(biāo)志物同時發(fā)生不同程度的下降[33]，但其下降的具體原因是單純的機(jī)體氧化狀況的好轉(zhuǎn)，還是與BBB的修復(fù)致使氧化標(biāo)志物難以進(jìn)入大腦有關(guān)，有待于今后結(jié)合DCE-MRI技術(shù)深度探究其機(jī)制。

3.3 靜息態(tài)功能MRI

靜息態(tài)功能MRI（resting-state functional MRI, rs-fMRI）是通過血氧及流量的變化間接反映神經(jīng)活動的狀況，T2DM 患者在默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)存在功能連接異常，并且靜息態(tài)功能連接與病程呈負(fù)相關(guān)，MENG 等[34]和HAAS 等[35]將胰島素抑制試驗期間患者的理化指標(biāo)與靜息態(tài)神經(jīng)成像數(shù)據(jù)相結(jié)合，證實了胰島素抵抗增加與海馬功能連接性降低密切相關(guān)。神經(jīng)元活動可顯著增加局部耗氧量，并在一定程度上增加局部的血流量，rs-fMRI 即是通過組織新陳代謝引起氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白比例改變而間接反映神經(jīng)元活動。先前關(guān)于長雙歧桿菌、乳桿菌改善患者焦慮、晝夜節(jié)律以及睡眠狀況研究中，通過rs-fMRI 探索不同腦區(qū)之間連接情況并取得進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)益生菌干預(yù)增加了大腦邊緣區(qū)域的功能連接[36]，表明其在反映和探究益生菌制劑改善IR方面具有可能性和潛在臨床應(yīng)用價值。有研究指出腸道菌群與中風(fēng)等器質(zhì)性腦血管疾病之間存在相互影響，益生菌可以發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用，而腦損傷產(chǎn)生的炎性因子又可以反過來影響腸道微生物的結(jié)構(gòu)[37]，rs-fMRI 可用于研究益生菌制劑干預(yù)下器質(zhì)性神經(jīng)損傷患者腦血氧代謝水平的變化[38]，結(jié)合實驗室檢查在深度揭示腸-腦軸生理病理機(jī)制方面具有一定價值。

3.4 動脈自旋標(biāo)記成像

T2DM患者內(nèi)皮細(xì)胞損傷可引起腦灌注、BBB透過性及白質(zhì)完整性等異常改變。動脈自旋標(biāo)記（arterial spin labeled, ASL）成像將患者自身水分子作為示蹤劑來測量腦灌注，并常與fMRI 聯(lián)合作為血氧水平依賴技術(shù)的替代方法。T2DM 患者部分腦區(qū)灌注不足是引起認(rèn)知功能障礙的重要因素，而區(qū)域性灌注不足多出現(xiàn)于高胰島素抵抗的患者中[39-40]。MA 等[41]通過生酮飲食改善了小鼠腸道菌群的多樣性及其構(gòu)成，并進(jìn)一步增加了全腦尤其是下丘腦的腦血流量（cerebral blood flow, CBF）。ASL 技術(shù)使用內(nèi)源性動脈血作為示蹤劑來量化器官灌注的規(guī)律，可在一定程度上反映T2DM 血管內(nèi)皮功能的情況。YAMANBAEVA 等[42]通過ASL 研究益生菌干預(yù)下的抑郁癥患者腦灌注情況發(fā)現(xiàn)，益生菌干預(yù)組海馬CBF低于安慰組而杏仁核CBF高于基線，表明益生菌對腦灌注的影響以及ASL在相關(guān)研究中的應(yīng)用價值。

3.5 磁共振波譜成像

磁共振波譜成像（magnetic resonance spectroscopic, MRS）較早應(yīng)用于探究T2DM 認(rèn)知功能的相關(guān)研究中，是目前唯一無創(chuàng)性觀察活體組織代謝及生化變化的技術(shù)，其中N-乙?；扉T冬氨酸（N-acetyl-aspartate, NAA）峰可反映神經(jīng)元的線粒體功能狀況，而肌醇作為神經(jīng)膠質(zhì)標(biāo)志物，其升高常與神經(jīng)炎癥以及淀粉蛋白沉積相關(guān)[43]。LEE等[44]在分析了肥胖T2DM患者M(jìn)RS后發(fā)現(xiàn)，前額葉NAA降低與IR相關(guān)，并認(rèn)為IR 是影響DM 神經(jīng)元功能的關(guān)鍵因素。HE 等通過收集精神病高風(fēng)險受試者糞便及腦MRS 數(shù)據(jù)并分析腸道菌群變化與腦代謝改變間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，腸道微生物代謝產(chǎn)物可通過激活膠質(zhì)細(xì)胞引起大腦膜功能的障礙，表現(xiàn)為前扣帶皮層膽堿峰的升高[45]。在未來相關(guān)研究中，可在益生菌干預(yù)前后使用MRS 技術(shù)來檢測不同腦區(qū)的代謝改變情況，以進(jìn)一步推測腦的胰島素抵抗與膜功能的改變。

3.6 雙模態(tài)MRI

雙模態(tài)MRI是通過分析結(jié)構(gòu)、功能、代謝等不同模態(tài)之間的相關(guān)性，更好解讀不同病理情況下腦損傷的可能機(jī)制，并有助于評估疾病嚴(yán)重程度及預(yù)后。類淋巴系統(tǒng)是大腦排除廢物的重要途徑，當(dāng)發(fā)生炎性改變或膠質(zhì)細(xì)胞增生反應(yīng)時血管周圍間隙腦脊液與組織液的交換常受到影響[46]，而將T1及T2序列耦合通過卡閾值的方法可以分析腦血管周圍間隙的容積[47-48]，為分析益生菌干預(yù)下T2DM 淋巴系統(tǒng)損傷是否得到改善提供了研究手段。腦白質(zhì)纖維束是大腦信息傳遞的直接通路，T2DM患者引起的結(jié)構(gòu)連接改變可能導(dǎo)致腦功能網(wǎng)絡(luò)受損并進(jìn)一步影響認(rèn)知功能，在MA等[49]通過結(jié)構(gòu)與功能模態(tài)結(jié)合分析發(fā)現(xiàn)皮下血管性輕度認(rèn)知功能障礙患者結(jié)構(gòu)功能耦合（structure-function, SC-FC）在功能網(wǎng)絡(luò)的腹側(cè)注意模塊顯著下降而在背側(cè)注意模塊顯著增加。由于T2DM 血糖異常及相關(guān)并發(fā)癥可影響神經(jīng)元激發(fā)增加局部血流量過程，故CANNA 等通過fMRI與CBF 相關(guān)系數(shù)來評估T2DM 對神經(jīng)血管耦合（functional-metabolic neurovascular coupling,VVC）的影響，并發(fā)現(xiàn)默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)及腹側(cè)模塊NVC 的異常增高可能導(dǎo)致視覺認(rèn)知空間認(rèn)知能力的降低[50]。此外，近年來研究將MRS 或PET 提供的代謝信息與fMRI 或sMRI 相結(jié)合，用于探究神經(jīng)遞質(zhì)及糖代謝與腦功能、容積之間的關(guān)系并取得進(jìn)展[51-52]。綜上所述，雙模態(tài)耦合或可以有效彌補(bǔ)單一模態(tài)信息有限引起的局限性，為益生菌制劑干預(yù)下T2DM 腦白質(zhì)完整性、灰質(zhì)體積、灌注及功能連接改變提供更加全面的評估。

4 總結(jié)與展望

近年來，益生菌制劑作為T2DM 潛在的治療手段從最開始改善胃腸道功能、體重體脂，到輔助治療糖尿病腎病，再到改善認(rèn)知功能已受到越來越多的關(guān)注。多模態(tài)MRI 技術(shù)作為一種無創(chuàng)性和較成熟的先進(jìn)影像學(xué)方法技術(shù)，可觀察和反映益生菌制劑干預(yù)后不同時期腦部有關(guān)結(jié)構(gòu)與功能指標(biāo)的變化，并與病理生理指標(biāo)相結(jié)合探究其可能的作用機(jī)制，但是目前的研究仍存在一定局限性：首先，一些MRI 序列掃描時間過長，對于臨床數(shù)據(jù)的收集存在一定限制；其次，腸道菌群的種類過于龐大，為具體機(jī)制的探究帶來巨大挑戰(zhàn)。但是相信隨著影像及高通量測序技術(shù)的發(fā)展，益生菌制劑的研制與臨床應(yīng)用會更多地參考腦影像指標(biāo)，針對T2DM患者胰島素抵抗、腸道內(nèi)毒素增高等特點選用擬桿菌、乳酸菌制劑進(jìn)行干預(yù)，實現(xiàn)T2DM更加精準(zhǔn)、可靠的個體化益生菌治療。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：伍建林設(shè)計本綜述的框架，對稿件重要內(nèi)容進(jìn)行了修改，獲得了國家自然科學(xué)基金和大連市科技創(chuàng)新基金的資助；汪旭洋起草和撰寫稿件，獲取、分析本研究的文獻(xiàn)；許珊、楊東、林琳、沈晶獲取、分析或解釋本研究的數(shù)據(jù)，對稿件重要內(nèi)容進(jìn)行了修改；全體作者都同意發(fā)表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負(fù)責(zé)，確保本研究的準(zhǔn)確性和誠信。