腸道菌群及代謝物與卒中相關性肺炎相關性的研究進展

黃曉沁 章璐璐 丁 蔚

蘇州大學附屬第一醫(yī)院，江蘇 蘇州 215006

卒中相關性肺炎（stroke-associated pneumonia，SAP）是卒中早期出現(xiàn)的常見并發(fā)癥，嚴重影響疾病預后，其發(fā)生率7%～38%［1］，在卒中后第3 天即可達發(fā)病高峰［2］，與延長住院時間、增加住院費用以及嚴重殘疾、死亡風險上升有關［1］。

人體微生物總數(shù)約為3.8×1013個，與全身細胞數(shù)量的比例達1∶1，其中絕大多數(shù)定植于胃腸道［3］。腸道菌群伴隨人類的生長，并參與各種病理生理過程。腸道菌群及其代謝物已被證明在各種疾病中發(fā)揮重要作用，包括房顫、心力衰竭等心血管疾?。?］和帕金森病、阿爾茨海默病、多發(fā)性硬化癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾?。?］。盡管組織化卒中醫(yī)療取得一定效果，但大多數(shù)缺血性腦卒中患者獲得的治療有限，SAP 依然惡化卒中結局［6］。許多證據(jù)表明腸道菌群及其代謝物與SAP 聯(lián)系緊密，或可成為其獨立預測因子［7］，昭示其在SAP防治上的誘人潛力。本文綜述腸道菌群及其代謝物與SAP 的關系，以期為SAP 的機制、預防、治療的研究提供參考。

1 腸道菌群失調(diào)與SAP發(fā)生明顯相關

1.1 正常人群中的腸道菌群得益于技術的發(fā)展，尤其16sRNA基因測序和宏基因組學的普及，越來越多的腸道微生物為人所知［8］。人類腸道微生物組以厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門和變形桿菌門為主，其中厚壁菌門和擬桿菌門占健康腸道菌群90%［9］，并維持一定的比例，比例的失調(diào)可能預示炎癥和疾?。?0］。

1.2 SAP 人群中腸道菌群的改變在SAP 患者中，腸道菌群會顯示出明顯的變化，表現(xiàn)為有益菌的減少和條件致病菌的富集。XIA等［7］將188名缺血性卒中患者納入隊列，對糞便標本進行分析，發(fā)現(xiàn)SAP患者和非SAP 患者腸道微生物有差異性。其中，SAP患者表現(xiàn)出SCFAs產(chǎn)生細菌（羅氏菌屬）的減少和條件致病菌的增加，菌群失調(diào)程度與SAP風險、嚴重程度呈正相關。除此之外，還觀察到乳酸菌在SAP 組患者中富集，且在重癥肺炎患者腸道中的豐度高于輕癥肺炎患者，提示腸道乳酸菌與SAP 之間存在潛在關聯(lián)。確切的關系未知，但有推測認為，這種富集可能是一種對其他丁酸產(chǎn)生細菌損失的代償，或此現(xiàn)象僅局限于乳酸菌的部分菌株和菌種［11］。

2 腸道菌群及其代謝產(chǎn)物與SAP發(fā)生的機制研究

2.1 微生物-腸-腦軸腸道和大腦并非兩個孤立的系統(tǒng)，而是在微生物介導下，于神經(jīng)、免疫、內(nèi)分泌機制上直接或間接地產(chǎn)生雙向交流。微生物-腸-腦軸主要由免疫通路（包括細胞因子）、微生物代謝物、神經(jīng)活性通路（神經(jīng)活性代謝物和神經(jīng)遞質(zhì)等）、神經(jīng)通路（脊神經(jīng)、腸神經(jīng)系統(tǒng)和迷走神經(jīng)）、內(nèi)分泌通路以及下丘腦-垂體-腎上腺軸構成［12］。卒中與腸道菌群通過“腸腦軸”相互作用，卒中可引起腸道菌群的改變；反過來，腸道菌群也對卒中進行正面或負面的調(diào)節(jié)。中樞神經(jīng)系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)腸腔分泌及腸道環(huán)境的方式自上而下影響腸道微生物群，這一過程的傳導信號通常涉及兒茶酚胺和自主神經(jīng)系統(tǒng)；微生物通過其衍生物可直接與腸內(nèi)分泌細胞、黏膜免疫系統(tǒng)相互作用，或穿過腸屏障、血腦屏障以完成自下而上的信號傳播［13］。

2.2 腸道菌群及其代謝產(chǎn)物參與SAP的機制

2.2.1 腸道菌群易位誘發(fā)SAP：STANLEY 等［14］首次提出菌群易位可能是引發(fā)SAP的新機制。研究人員對卒中后感染病人的血液、尿液或痰液進行微生物培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，在陽性樣本中檢測到70%微生物都存在于人類腸道中的共生細菌（腸球菌、大腸桿菌和摩根氏菌）。進一步探究微生物的來源及途徑，發(fā)現(xiàn)感染可能來自宿主體內(nèi)而非體外環(huán)境，SourceTracker算法預測其來自肝臟和小腸。ZHANG 等［15］發(fā)現(xiàn)出血性卒中發(fā)生7 d 后小鼠的肺組織和回腸組織中微生物群落的構成相似，說明腸道菌群已經(jīng)從腸道遷移至肺組織，并引起感染。菌群定植的部位似乎具有很強的選擇性，即肺部和肝臟［14］；定植菌群的種類與卒中小鼠的年齡也似乎具有關聯(lián)性［16］，但背后的驅動機制仍不清晰。

上述兩個研究中，卒中小鼠的腸道屏障都出現(xiàn)腸壁通透性增加、腸道完整性受損等表現(xiàn)。緊密連接（tight junction，TJ）將腸上皮細胞緊密結合在一起，起調(diào)節(jié)屏障通透性的作用，但在卒中小鼠中TJ 表達降低，且上皮細胞間TJ間空隙增大，表明腸道機械屏障受損［15］。腸道擁有復雜的神經(jīng)系統(tǒng)，腸道屏障亦受到多個神經(jīng)控制。STANLEY 等［14］觀察到卒中小鼠的腸道神經(jīng)元明顯丟失，腎上腺素能和膽堿能神經(jīng)元比例增加，抑制β-腎上腺素能受體能顯著恢復腸道通透性，表明交感神經(jīng)參與調(diào)節(jié)這一過程。此外，髓樣細胞觸發(fā)受體1 受交感神經(jīng)的驅動，在腸道固有層單核吞噬細胞亞群中被誘導表達增加，不僅放大了卒中損傷，而且增加了腸道通透性和細菌的易位，與卒中后細菌感染高度相關［17］。

2.2.2 腸道菌群參與SAP的機制

2.2.2.1 免疫調(diào)節(jié)：卒中后受損的大腦可以在卒中急性期后抑制外周免疫，主要表現(xiàn)為單核細胞失活、淋巴細胞減少、淋巴細胞表型轉變等［18］，被稱為卒中誘導的免疫抑制（stroke-induced immunodepression，SII）。SII 抑制包括肺部在內(nèi)的機體免疫系統(tǒng)，增加了卒中后感染易感性，與SAP 的發(fā)生密切相關［19］。在此前提下，當腸道菌群經(jīng)腸道易位至肺部時，致病菌的侵襲將更容易突破肺部免疫防線，最終導致SAP。

腸道微生物群是淋巴細胞群的有效調(diào)節(jié)因子，可誘導Treg細胞和Th17細胞的分化［20］。Treg具有抗炎、免疫抑制和神經(jīng)保護的功能，其分泌的抑制性細胞因子，如IL-10等能直接下調(diào)效應T細胞的效能，增加感染風險。相反，由Th17 細胞及γδT 細胞分泌的細胞因子IL-17，通常被認為具有促炎和神經(jīng)破壞功能［21］。腸道菌群可調(diào)節(jié)腸道DC 活性，誘導產(chǎn)IL-10的Treg細胞生成，抑制腸內(nèi)的IL-17γδT細胞，改善卒中結局。經(jīng)糞便移植改善失調(diào)微生物群后，外周免疫器官和缺血腦中Treg 細胞數(shù)量增加，卒中結局亦改善［22］。小腸中存在的分節(jié)絲狀菌或青春雙歧桿菌能促進大量Th17細胞產(chǎn)生，增強腸道屏障功能，介導對致病性真菌感染的保護［23］。大部分IL-17 家族蛋白可以惡化卒中的發(fā)展［21］，但IL-17在腸道屏障的保護上也起相當?shù)淖饔?。IL-17 不僅能通過維持腸道上皮的緊密連接和上調(diào)抗菌蛋白來保護黏膜屏障，而且可以刺激組織再生，在組織損傷的情況下恢復屏障功能［24］，可見關于IL-17的具體作用還需進一步了解。

此外，微生物可直接影響肺部的免疫。粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF）被認為可以預防卒中后感染。BROWN等［25］研究顯示，當小鼠肺部遭遇肺炎鏈球菌或肺炎克雷伯菌感染時，一些腸道微生物群，如羅伊氏乳桿菌、糞腸球菌、卷曲乳桿菌等，通過IL-17A信號通路調(diào)節(jié)肺部產(chǎn)生GM-CSF，后經(jīng)GMCSF途徑刺激肺泡巨噬細胞，從而促進肺部病原體的清除。不僅如此，這些腸道微生物亦能激活Nod 樣受體，并與GM-CSF途徑共同調(diào)節(jié)肺部免疫。

2.2.2.2 影響腸道穩(wěn)態(tài)：一方面，特定的腸道菌群有助于保護腸道屏障，增強屏障防御功能，如腸道中包括乳酸菌、雙歧桿菌在內(nèi)的豐富益生菌群。研究表明，這些益生菌可通過多種表面分子構成的微生物相關分子模式，特異性地與模式識別受體結合，從而參與調(diào)節(jié)多種信號通路、產(chǎn)生多種細胞因子和趨化因子，起抑制炎癥、增強腸上皮細胞間的緊密連接、拮抗病原體的侵入等作用［26］。但基于對益生菌多樣性的考慮，益生菌的特性與種類甚至作用組織都有關，因此不可對其作用效果一概而論，需要在具體情形下討論［27］。另一方面，部分腸道菌群可作用于另外的菌群，以保持正常菌群生態(tài)。CHEN 等［28］指出，卒中后不僅腸道菌群有顯著改變，而且不同菌群間存在一定相關性。在所有卒中受試者中，普拉梭菌和直腸真桿菌在豐度上占主導地位，且彼此呈正相關；大腸桿菌、嗜黏蛋白阿克曼菌與直腸真桿菌呈顯著負相關。嗜黏蛋白阿克曼菌可能通過主動抑制阻礙病原體向上皮細胞遷移，減少病原體向肺部的易位及傳播。除此之外，腸道的正常微生物群本身也能與致病菌競爭生態(tài)位，減少致病菌的定植［29］。

2.2.3 腸道菌群代謝產(chǎn)物參與SAP 的機制：脫氨基酪氨酸（desaminotyrosine，DAT）是一種由腸道梭狀芽孢桿菌通過代謝類黃酮化合物或氨基酸而產(chǎn)生的降解產(chǎn)物，可調(diào)節(jié)免疫，減輕肺部因感染受到的損傷。其感染防護作用是通過增強Ⅰ型干擾素信號，依賴吞噬細胞達成［30］。經(jīng)高脂飲食喂養(yǎng)4周的小鼠，使用葡聚糖硫酸鈉損傷其腸黏膜屏障，10 d后，DAT治療組小鼠出現(xiàn)體質(zhì)量減輕程度削減、血便緩解、腸道炎癥生物標志物減少、血液脂多糖結合蛋白（lipopolysaccharide-binding protein，LBP）和C 反應蛋白水平均有所下降等表現(xiàn)，意味著DAT 不僅維護腸黏膜屏障的完整性，也減輕了黏膜損傷誘導的全身炎癥，而這些功能也是經(jīng)由Ⅰ型干擾素通路實現(xiàn)的［31］。

丁鹽酸是重要的菌群代謝產(chǎn)物，對肺部細菌性感染具有保護作用。有團隊探究了丁酸鹽對感染肺炎克雷白桿菌小鼠的影響，結果提示丁酸鹽治療增加了小鼠存活率，有效減少了肺滲透和損傷。其機制為丁酸鹽抑制HDAC 活性，提高肺中IL-10 水平，從而減輕肺部炎癥。該機制下，丁酸鹽還具有調(diào)節(jié)腸道吞噬細胞的免疫反應，下調(diào)促炎介質(zhì)，維持腸道穩(wěn)態(tài)的作用［32］。

3 基于腸道菌群的SAP防治手段

3.1 糞菌移植（fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT）腸道生態(tài)失調(diào)會影響正常的免疫和腸道功能，增加卒中患者獲得SAP 的風險，因此恢復正常的腸道菌群結構對SAP防治有重要意義。短鏈脂肪酸對神經(jīng)退行性疾病有重要保護作用，但在卒中患者腸道中水平明顯降低，移植富含SCFAs 的糞便微生物群則顯示出積極結果。經(jīng)FMT 處理過的小鼠，腸道有益菌增加、致病菌明顯減少；與對照組相比，神經(jīng)損傷和梗死面積減少、腸漏改善［33］。這可能與SCFAs 改善腸道屏障和血腦屏障功能，降低脂多糖、LBP 和血清促炎細胞因子水平有關［34］。研究發(fā)現(xiàn)，在老年卒中小鼠中，使用糞菌移植灌胃建立年輕的生物群后，其行為障礙減少、大腦和腸道炎癥緩解、卒中結局改善，表明FMT 的效果可能與移植的微生物群的年齡結構有關，提示了FMT 的一個新方向［35］。另外，腸道菌群受飲食、運動、生活方式等多方面影響，且人與人之間具體情況存在差異，而目前FMT的不良反應還不明確，因此在應用時需要因人而異、謹慎觀察。

3.2 膳食調(diào)節(jié)膳食中的許多營養(yǎng)素可以直接或間接的調(diào)節(jié)腸道生態(tài)和機體免疫，膳食亦可經(jīng)腸道菌群代謝后，形成代謝物進一步影響機體。

維生素D被證實可增強中性粒細胞滅殺肺炎鏈球菌的能力，抑制過度的炎癥和細胞凋亡［36］。研究顯示，血清維生素D的水平與SAP風險呈負相關，低維生素D狀態(tài)可能是SAP的可靠危險因素［36］。而補充維生素D是否能預防SAP，目前未見報道。地中海飲食以水果、蔬菜、豆類、堅果、橄欖油為主要特點，富含纖維和不飽和脂肪酸，能調(diào)節(jié)腸道微生物群，提高其多樣性，與增加SCFAs、強化腸道屏障功能、減輕炎癥反應有關；相反，脂肪含量高的飲食可驅動菌群結構改變，與SCFAs 減少、腸道通透性增加、炎癥反應加重有關［37］。

越來越多的膳食成分被證明行之有效，膳食調(diào)節(jié)無疑是一種值得期待的治療方法。膳食成分多種多樣，菌群代謝產(chǎn)物的功能也不相同，是否還有更多的成分能發(fā)揮作用，不同成分之間是否有相互作用，膳食調(diào)節(jié)的時間選擇等問題在未來仍需要解決。

3.3 益生菌干預益生菌如雙歧桿菌、乳酸菌等在疾病中有廣泛的運用，它們可以通過多種機制發(fā)揮有益作用，包括誘導免疫調(diào)節(jié)、保護生理應激、抑制病原體、調(diào)節(jié)微生物群和改善腸道上皮細胞的屏障功能等［38］以對抗感染。盡管益生菌的潛在作用被不斷認可，但仍有一些問題尚有存疑［38］，如益生菌在動物模型中產(chǎn)生的影響是否同樣體現(xiàn)在人體中？益生菌是單獨發(fā)揮效應還是由多種菌株共同作用的？它的安全性是否能得到保證，是否會引發(fā)新的感染？

相比之下，益生元或后生元似乎是更穩(wěn)健的選擇。益生元是被宿主微生物選擇性利用的底物，如菊粉低聚果糖和其他多糖［39］，有學者觀察乳果糖對卒中小鼠的影響，結果顯示使用乳果糖補充劑下調(diào)了炎癥反應，明顯改善了卒中的結局，對腸道菌群失調(diào)和腸道屏障的修復也有一定作用［40］。后生元是指“無生命微生物和（或）其他為宿主帶來健康益處的成分”，因是滅活的微生物，所以相較于益生菌其具有更好的安全性，對代謝、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、微生物群的調(diào)節(jié)和上皮屏障的功能都有一定影響［41］。益生元、后生元等的研究已成為一種趨勢，安全、有效、聯(lián)合將會是未來的研究方向。

3.4 選擇性消化道凈化/選擇性口咽凈化選擇性消化道凈化（selective digestive decontamination，SDD）/選擇性口咽凈化（selective oropharyngeal decontamination，SOD）是指預防性地在口咽部或胃腸道使用難以吸收的抗生素，以根除特定微生物，維護正常的腸道菌群［42］。然而，SDD 和SOD 的使用一直伴隨爭議，反對者認為會增強患者對抗生素的耐藥性，并對其應用效果和安全性表示懷疑［43］；支持者則認為，SDD/SOD 的使用不僅能降低患者ICU 病死率和肺部感染率，且在長期觀察中也未發(fā)現(xiàn)耐藥性的增加［44］。不過，關于SDD/SOD 的研究大多在ICU患者中進行，直接應用于SAP患者的很少，且實驗多在歐洲國家進行，在中高耐藥性國家開展的研究少，國內(nèi)相關研究不足，因此這一防治手段能否在我國推廣，還需繼續(xù)考察。

3.5 預防性使用抗生素革蘭陰性菌在SAP患者中檢出最多，其次為革蘭陽性菌［45］。一項涵蓋15 項研究的系統(tǒng)回顧指出，腸桿菌科（21.8%）、金黃色葡萄球菌（10.1%）、銅綠假單胞菌（6%）、鮑曼不動桿菌（4.6%）和肺炎鏈球菌（3.5%）是SAP普遍出現(xiàn)的病原菌［46］。根據(jù)SAP 病原學特點，預防性使用抗生素被提出以針對這些特定的病原菌。

關于預防性使用抗生素的研究已持續(xù)二十多年，早期研究存在樣本量小、質(zhì)量較低等問題，直到2015年，PASS、STROKE-INF等大規(guī)模隨機對照試驗結果的發(fā)表，為這一治療方法的效果提供了更可靠的證據(jù)。研究顯示，預防性使用抗生素并不能有效減少SAP的發(fā)生［47］。這可能是因為除了細菌感染之外，化學、免疫等原因在SAP中也起重要作用，因此，僅通過抗生素治療并不能起到預防作用［47］。多篇薈萃分析表明，雖然預防性使用抗生素降低了總感染率，但主要是尿路感染，肺炎發(fā)生率無顯著降低［48-49］。關于這一治療手段，不同研究之間異質(zhì)性較大、抗生素方案亦各不相同，迄今為止，仍無足夠證據(jù)支持臨床使用。

4 總結與展望

腸道菌群在多種疾病中扮演了重要的角色。腸道菌群及其代謝物通過免疫、神經(jīng)、內(nèi)分泌、屏障調(diào)節(jié)等途徑參與卒中和SAP的發(fā)生發(fā)展。但因為腸道菌群組成豐富、代謝物質(zhì)繁多、相互作用復雜等原因，其易位和作用機制仍未被全面了解，有待未來作進一步深入。

在防治手段上，腸道菌群也提供了新的思路。FMT、膳食調(diào)節(jié)、益生菌干預在動物實驗中顯示出積極的結果，但如何將這些證據(jù)轉化于臨床尚需解答。對于涉及抗生素使用的方法如SDD/SOD、預防性使用抗生素，在更強有力證據(jù)出現(xiàn)前仍應持審慎態(tài)度。