腸道菌群代謝產(chǎn)物與卒中后認(rèn)知障礙相關(guān)性的研究進(jìn)展

周 丹，李文俊 綜述，楊云紅，金醒昉 審校

(昆明醫(yī)科大學(xué)附屬延安醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)室，昆明 650051)

卒中是全球死亡和殘疾的主要原因之一[1]，統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)顯示，全球每年首次卒中人數(shù)約有1 600萬(wàn)人，其中殘疾人數(shù)約500萬(wàn)人，死亡人數(shù)約570萬(wàn)人[2]。2021年發(fā)布的《卒中后認(rèn)知障礙管理專家共識(shí)》顯示，我國(guó)已成為卒中終身風(fēng)險(xiǎn)最高和疾病負(fù)擔(dān)最重的國(guó)家[3]。卒中后認(rèn)知障礙(post-stroke cognitive impairment，PSCI)是卒中嚴(yán)重的后遺癥。相關(guān)研究表明，超過(guò)一半的卒中患者會(huì)發(fā)展為PSCI[4]。至今PSCI的具體發(fā)生機(jī)制仍未知，臨床治療方法非常有限[5]，因此，急需從新的角度探索PSCI的發(fā)生機(jī)制，為PSCI的防治提供新的治療靶點(diǎn)。近年來(lái)多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群及其代謝物可能與PSCI的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。因此，本文主要闡述腸道菌群具有代表性的代謝產(chǎn)物與PSCI的關(guān)系，旨在為PSCI的防治提供新的角度。

1 PSCI

PSCI是由卒中引起的從輕度認(rèn)知障礙到癡呆的一類臨床綜合征，通常在卒中后3～6個(gè)月持續(xù)存在，并在此時(shí)間段通過(guò)認(rèn)知評(píng)估來(lái)確診[3]，常伴注意力、工作記憶、語(yǔ)言能力、視空間能力及執(zhí)行功能減退[6]。PSCI是血管性認(rèn)知障礙的一種亞型[3]，其全球發(fā)生率為20%～90%[7]，PSCI非癡呆發(fā)生率為14%～29%，卒中后癡呆發(fā)生率為11%～42%[8]。一項(xiàng)前瞻性的隊(duì)列研究顯示：PSCI患者5年預(yù)后較差，如日常生活能力的獨(dú)立性和心理健康狀況降低等，嚴(yán)重影響患者的康復(fù)，尤其是肢體運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)[9]。PSCI的發(fā)生機(jī)制迄今尚未明確，可能與腦缺血性損傷、腦神經(jīng)退行性病變、神經(jīng)炎癥及血腦屏障破壞、氧自由基損傷等多種因素有關(guān)[4]，且目前尚缺乏準(zhǔn)確可行的標(biāo)志物預(yù)測(cè)其發(fā)生、發(fā)展，使得其防治仍是一個(gè)棘手問(wèn)題。

2 腸道菌群代謝產(chǎn)物與PSCI的關(guān)系

近年來(lái)，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物在阿爾茨海默病、腦梗死、血管性認(rèn)知障礙、PSCI等神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中的作用引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。一項(xiàng)對(duì)照研究顯示，PSCI患者厚壁菌門相對(duì)豐度減少，變形菌門增多，厚壁菌門的Intestinibacter bartlettii、uncultured bacterium Tyzzerella_3、Fusicatenibacter saccharivorans與認(rèn)知功能呈正相關(guān)；擬桿菌門的uncultured bacterium Prevotellaceae_NK3B31與認(rèn)知功能呈負(fù)相關(guān)[10]，這為PSCI的臨床診療提供了新思路。一項(xiàng)納入65例急性缺血性卒中的對(duì)照研究顯示，PSCI組患者腸道菌群及其代謝產(chǎn)物組成紊亂，短鏈脂肪酸水平明顯降低[11]。WANG等[5]將PSCI患者和非PSCI患者的糞便微生物移植到卒中小鼠中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與非PSCI小鼠相比，PSCI小鼠腸桿菌科豐度、脂多糖和外周炎癥因子明顯增加，丁酸明顯減少，與PSCI患者和非PSCI患者的對(duì)比結(jié)果一致，首次提出腸道菌群與PSCI之間存在因果關(guān)系，考慮是丁酸和脂多糖等腸道菌群代謝產(chǎn)物介導(dǎo)了腸道和大腦之間的交流。

2.1 短鏈脂肪酸與PSCI的關(guān)系

短鏈脂肪酸是一種飽和脂肪酸，是腸道微生物的代謝產(chǎn)物之一，包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等。其中乙酸、丙酸、丁酸是腸道菌群發(fā)酵膳食纖維和抗性淀粉在結(jié)腸產(chǎn)生的主要代謝物[12]。丁酸主要由厚壁菌門產(chǎn)生，而乙酸、丙酸則由擬桿菌門產(chǎn)生。

短鏈脂肪酸可以為人體提供能量，還可以作為信號(hào)分子調(diào)節(jié)能量代謝和保護(hù)腸道屏障功能[13-14]。主要通過(guò)以下方式來(lái)調(diào)節(jié)大腦學(xué)習(xí)、記憶、認(rèn)知能力和情緒等功能：(1)通過(guò)游離脂肪酸受體激活迷走神經(jīng)，從而向大腦發(fā)放信號(hào)；(2)通過(guò)影響小膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)功能來(lái)影響神經(jīng)炎癥；(3)通過(guò)調(diào)節(jié)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的水平來(lái)影響大腦；(4)通過(guò)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白穿過(guò)血腦屏障，增強(qiáng)其完整性[12,15]。近期研究表明，短鏈脂肪酸可通過(guò)調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞、血腦屏障、神經(jīng)炎癥、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、神經(jīng)元凋亡等方面對(duì)PSCI的發(fā)生、發(fā)展起保護(hù)作用[8,16-17]。小膠質(zhì)細(xì)胞是腦的固有免疫細(xì)胞，有經(jīng)典激活型(M1型)和替代激活型(M2型)兩種極化狀態(tài)，M1型能夠釋放促炎細(xì)胞因子[腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-1β、IL-6等]，加重卒中后炎性反應(yīng)和腦損傷[18]。炎癥可引起卒中后神經(jīng)損傷，破壞血腦屏障完整性，導(dǎo)致腦組織水腫和神經(jīng)元損傷，引起認(rèn)知障礙。血腦屏障損傷和神經(jīng)炎癥可能在PSCI的發(fā)病機(jī)制中起重要作用[5]，血腦屏障破壞是人類認(rèn)知功能障礙的早期生物標(biāo)志物[19]，IL-6、IL-8、IL-10、IL-1β等炎癥生物標(biāo)記物有望成為PSCI的分子標(biāo)志物[2]。短鏈脂肪酸可以通過(guò)調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞的成熟和功能來(lái)調(diào)節(jié)認(rèn)知功能[20]。在大腦中動(dòng)脈栓塞大鼠模型中，丁酸鈉可以使小膠質(zhì)細(xì)胞向抗炎表型轉(zhuǎn)換，抑制神經(jīng)炎癥[21]；丁酸鈉還可以通過(guò)上調(diào)緊密連接蛋白表達(dá)水平，保持血腦屏障的完整性[22]，改善神經(jīng)功能障礙。由此可見(jiàn)，短鏈脂肪酸既可維持血腦屏障的完整性，又能抑制神經(jīng)炎癥，說(shuō)明短鏈脂肪酸可能通過(guò)維持血腦屏障完整和減輕神經(jīng)炎癥對(duì)PSCI產(chǎn)生保護(hù)作用。

LIU等[11]研究發(fā)現(xiàn)PSCI患者中梭桿菌增多、產(chǎn)生短鏈脂肪酸的有益菌群和短鏈脂肪酸明顯減少。其中，梭桿菌與PSCI患者認(rèn)知障礙嚴(yán)重程度呈正相關(guān)，Gemmiger、Barnesiella、Coprococcus等短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌與PSCI患者認(rèn)知障礙嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明短鏈脂肪酸可能對(duì)PSCI患者具有保護(hù)作用。一項(xiàng)動(dòng)物研究顯示，將年輕小鼠的糞便移植到老年卒中小鼠中，結(jié)果老年卒中小鼠神經(jīng)功能障礙、行為障礙、神經(jīng)炎癥等減輕，主要是由于年輕小鼠糞便中短鏈脂肪酸和產(chǎn)生短鏈脂肪酸的細(xì)菌更多[23]，說(shuō)明短鏈脂肪酸能夠改善卒中后患者的認(rèn)知和行為障礙。WANG等[5]研究發(fā)現(xiàn)，PSCI小鼠丁酸比非PSCI小鼠少，認(rèn)知障礙更嚴(yán)重?？偟膩?lái)說(shuō)，短鏈脂肪酸在PSCI中作用明顯，可以作為PSCI的治療依據(jù)，但需進(jìn)一步探究。

2.2 氧化三甲胺與PSCI的關(guān)系

氧化三甲胺是腸道菌群產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物之一，其為一種小分子有機(jī)化合物，屬于PSCI的代謝生物標(biāo)記物[2]。當(dāng)人食用富含雞蛋、魚肉類等磷脂酰膽堿和左旋肉堿的食物時(shí)，會(huì)被腸道微生物產(chǎn)生的三甲胺裂解酶分解成三甲胺，然后通過(guò)門脈系統(tǒng)進(jìn)入肝臟，再被肝臟的黃素單加氧酶氧化成氧化三甲胺[24-25]，通過(guò)血液循環(huán)到達(dá)全身。

氧化三甲胺與膽固醇代謝、氧化應(yīng)激反應(yīng)、炎癥反應(yīng)和動(dòng)脈粥樣硬化等密切相關(guān)[22,26]，而這些因素與心腦血管疾病和神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)。氧化三甲胺可促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化的形成，而動(dòng)脈粥樣硬化與PSCI密切相關(guān)，說(shuō)明氧化三甲胺可能通過(guò)動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)而影響PSCI的發(fā)生、發(fā)展。一項(xiàng)縱向研究顯示，血漿氧化三甲胺水平升高是PSCI的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子(OR=3.304，95%CI：1.335～8.178，P=0.010)[27]。一項(xiàng)前瞻性隊(duì)列研究顯示，在患者卒中發(fā)作6個(gè)月后檢測(cè)血漿氧化三甲胺，發(fā)現(xiàn)PSCI患者較非PSCI患者血漿氧化三甲胺水平更高(中位數(shù)4.56 μmol/Lvs.3.22 μmol/L，P<0.001)[28]。研究還發(fā)現(xiàn)氧化三甲胺在調(diào)節(jié)神經(jīng)炎癥和認(rèn)知功能中起著重要作用，認(rèn)為氧化三甲胺可以作為一個(gè)潛在靶點(diǎn)去預(yù)防和治療神經(jīng)炎癥和認(rèn)知能力下降[29]。因此，氧化三甲胺可能在PSCI中發(fā)揮著重要作用，檢測(cè)血漿中氧化三甲胺的水平有利于預(yù)測(cè)PSCI的嚴(yán)重程度。

2.3 脂多糖與PSCI的關(guān)系

脂多糖是一種內(nèi)毒素[30]，由脂質(zhì)和多糖構(gòu)成，是腸道菌群代謝產(chǎn)物之一，主要是由大腸桿菌屬和克雷伯氏菌屬等革蘭氏陰性腸桿菌科產(chǎn)生，是調(diào)節(jié)炎癥的重要代謝物。脂多糖可通過(guò)與小膠質(zhì)細(xì)胞上的TLR4結(jié)合激活核因子κB，使小膠質(zhì)細(xì)胞活化，促進(jìn)一氧化氮、TNF-α和IL-1β等一系列炎癥因子釋放，進(jìn)而引起全身炎癥和神經(jīng)炎癥，造成神經(jīng)元凋亡，最終導(dǎo)致認(rèn)知障礙[31]。

脂多糖破壞血腦屏障后，大量的炎癥因子和神經(jīng)毒素進(jìn)入大腦，進(jìn)而激活小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的炎性反應(yīng)和氧化應(yīng)激，加重血腦屏障損傷，造成神經(jīng)元損傷和凋亡，最終導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙[32]。一項(xiàng)動(dòng)物研究顯示，在小鼠腹腔注射脂多糖可激活經(jīng)典補(bǔ)體通路和小膠質(zhì)細(xì)胞，導(dǎo)致神經(jīng)損傷、突觸丟失，從而引起學(xué)習(xí)和記憶障礙[33]。WANG等[5]發(fā)現(xiàn)PSCI患者的脂多糖和外周炎癥標(biāo)志物水平明顯比非PSCI患者高，在小鼠身上也得出一致的結(jié)果。由于PSCI患者的腸桿菌科的明顯增加和丁酸水平明顯降低，導(dǎo)致腸道屏障被破壞，脂多糖通過(guò)滲漏的腸道進(jìn)入循環(huán)，引起慢性外周炎癥，持續(xù)的炎癥破壞血腦屏障，使外周脂多糖和炎癥細(xì)胞因子不斷浸潤(rùn)到腦組織中，促使海馬CA1區(qū)域的神經(jīng)元凋亡和丘腦中aβ沉積，最終引起PSCI。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)卒中后腹膜內(nèi)注射脂多糖的卒中小鼠與PSCI小鼠引起的病理學(xué)相似，說(shuō)明脂多糖可能引起PSCI。所以脂多糖的檢測(cè)有望成為PSCI的篩查或診斷手段。

3 治 療

3.1 從短鏈脂肪酸角度探究治療PSCI的方法

LIU等[11]研究發(fā)現(xiàn)，使用產(chǎn)短鏈脂肪酸的乳酸菌和雙歧桿菌組成的傳統(tǒng)益生菌治療PSCI幾乎無(wú)效果，因?yàn)橐嫔鷥H能改善患者抑郁、焦慮的情緒，對(duì)認(rèn)知能力的影響不明顯。研究者認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面改進(jìn):(1)由于PSCI患者產(chǎn)生短鏈脂肪酸的細(xì)菌和短鏈脂肪酸均較非PSCI患者明顯減少，所以傳統(tǒng)劑量益生菌治療PSCI是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，可以給予PSCI患者大劑量的益生菌或直接補(bǔ)充大劑量短鏈脂肪酸；(2)可以嘗試換其他可能具有改善PSCI的新型益生菌，如AKK菌；(3)糞便細(xì)菌移植。CHEN等[16]研究也表明移植富含短鏈脂肪酸(尤其是丁酸)的糞便菌群可改善缺血大鼠的神經(jīng)功能損害和認(rèn)知障礙。丁酸鈉可通過(guò)激活GPR41-Gβγ-PI3K/Akt通路減少神經(jīng)元凋亡，進(jìn)而明顯減少大腦中動(dòng)脈栓塞大鼠梗死體積，改善其短期和長(zhǎng)期神經(jīng)功能障礙[17]。WANG等[5]研究發(fā)現(xiàn)在飲用水中補(bǔ)充丁酸鈉可以明顯改善PSCI小鼠認(rèn)知功能減退的癥狀，這主要是通過(guò)降低腸桿菌科豐度和增加丁酸水平來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，短鏈脂肪酸可能成為PSCI防治的安全有效方式。

3.2 從氧化三甲胺角度探究治療PSCI的方法

研究發(fā)現(xiàn)3,3-二甲基-1-丁醇是一種非致死性抑制劑，能夠通過(guò)抑制三甲胺的形成來(lái)降低血漿氧化三甲胺水平，減少泡沫細(xì)胞的形成和動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展[34]。SHIH等[35]發(fā)現(xiàn)在黃素單加氧酶敲除小鼠中，血漿氧化三甲胺水平和形成血栓的潛力明顯降低。環(huán)丙沙星、萬(wàn)古霉素等廣譜抗生素幾乎可完全抑制三甲胺和氧化三甲胺的產(chǎn)生，但在停藥1個(gè)月后，氧化三甲胺水平又恢復(fù)正常了[36]，長(zhǎng)期使用抗生素也會(huì)產(chǎn)生耐藥性和腸道菌群紊亂，因此，用抗生素來(lái)降低氧化三甲胺的方法仍需進(jìn)一步探究。ZHONG等[37]首次提出血漿膽堿和甜菜堿與PSCI的風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān)，認(rèn)為膽堿途徑營(yíng)養(yǎng)素對(duì)PSCI有良好的預(yù)后作用，提示膽堿和甜菜堿可能是PSCI的重要生物標(biāo)志物，因此，可以考慮通過(guò)補(bǔ)充膽堿和甜菜堿來(lái)改善PSCI。粗壯女貞可能通過(guò)減少血清氧化三甲胺來(lái)減輕動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生[38]，而動(dòng)脈粥樣硬化是PSCI的危險(xiǎn)因素，或許可以使用粗壯女貞治療PSCI，但需進(jìn)一步探索。

3.3 從脂多糖角度探究治療PSCI的方法

睪酮代謝物二氫睪酮可以抵抗脂多糖誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥并對(duì)神經(jīng)元起保護(hù)作用，因此，雄激素替代療法可以作為改善神經(jīng)炎癥相關(guān)疾病中認(rèn)知和行為功能的潛在治療策略[39]。黃芩苷通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞沉默調(diào)節(jié)蛋白1(silent mating type information regulation 2 homolog 1，SIRT1)/高遷移率族蛋白B1(high mobility group protein 1，HMGB1)途徑使小膠質(zhì)細(xì)胞免受脂多糖誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥，進(jìn)而改善認(rèn)知障礙[30]。既往研究發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)充丁酸鈉會(huì)使糖尿病卒中小鼠的腸道菌群發(fā)生改變，降低脂多糖、脂多糖結(jié)合蛋白和促炎細(xì)胞因子水平，進(jìn)而改善血腦屏障破壞和卒中后的腦損傷[40]。丹參醇冰片醇酯具有抗神經(jīng)炎癥和動(dòng)脈粥樣硬化活性的特點(diǎn)，可以改善脂多糖刺激的小膠質(zhì)細(xì)胞和缺血性卒中大鼠的神經(jīng)炎癥[41]，進(jìn)而減輕認(rèn)知障礙。WU等[42]研究發(fā)現(xiàn)，重組人心房利鈉肽可通過(guò)膈下迷走神經(jīng)介導(dǎo)的腸道菌群-腦軸來(lái)改善脂多糖引起的海馬炎癥和認(rèn)知功能障礙。因此，從脂多糖角度出發(fā)探究改善PSCI的方法也具有重要意義。

4 總結(jié)與展望

本文從腸道菌群代謝產(chǎn)物——短鏈脂肪酸、氧化三甲胺、脂多糖角度出發(fā)，通過(guò)探討炎癥、血腦屏障損傷等機(jī)制與PSCI相聯(lián)系，且闡明了這3種腸道菌群代謝產(chǎn)物在PSCI發(fā)生、發(fā)展中的作用，為PSCI的預(yù)防和治療提供了新的方向。目前，腸道菌群代謝產(chǎn)物在PSCI中的研究尚不充足，還需進(jìn)一步深入、全面探究。