腸道微生物與缺血性腦卒中相關性研究進展*

王 璇 綜述,楊 軍 審校

(重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內科,重慶 400016)

腦血管病是當今導致人類死亡最常見的三大疾病之一。其中,急性缺血性腦卒中(AIS) 占新發(fā)腦卒中的69．6%～70．8%[1],具有發(fā)病率高、病死率高、致殘率高和再發(fā)率高的特點,是造成我國人口傷殘、死亡的首要原因,給家庭、社會造成了沉重的負擔。相當一部分AIS患者伴有消化道并發(fā)癥,包括吞咽困難、消化道出血和大便秘結等。

微生物可以被認為是一個復雜的內分泌系統(tǒng),能夠確保人體各項機能的正常運行。人體內的細菌數(shù)量是細胞數(shù)量的10倍,而細菌基因總數(shù)則超過人類的100倍,約95%的細菌存在腸道中[2]。既往研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物主要由厚壁菌、擬桿菌、變形菌、放線菌、梭狀芽孢桿菌和疣狀芽孢桿菌6個家族組成,其中大部分為厭氧菌[3]。健康個體中厚壁菌和擬桿菌是主要細菌[4]。由于腸道菌群與炎癥及許多慢性疾病密切相關,近年來引起了廣泛關注。國內外多項研究表明微生物-腸-腦軸在神經(jīng)發(fā)育和衰老及AIS等腦部疾病中發(fā)揮著重要作用,如腸道微生物能夠影響小鼠作為自閉癥核心特征的行為;腸道微生物具有神經(jīng)保護作用從而改善小鼠帕金森病的表征[5]。

并且隨著研究的深入,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)微生物可以通過4種腸-腦軸通路干預腦內疾病的發(fā)生發(fā)展。研究指出微生物-腸-腦軸是AIS后免疫系統(tǒng)的中樞調節(jié)器,且通過4種腸-腦軸通路發(fā)揮作用[6-7]。腸神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間的交流對于維持全身穩(wěn)態(tài)至關重要,腸道通過自主神經(jīng)(AN)和迷走神經(jīng)(VN) 2條神經(jīng)解剖學途徑對大腦進行物理連接[8],并通過腸道中的腸神經(jīng)系統(tǒng) (ENS) 進行雙向交換,該交換與脊髓中的自主神經(jīng)和迷走神經(jīng)相連。除此之外,還包括下丘腦-垂體-腎上腺軸和中央水平的免疫系統(tǒng)[9]。

1 歷史演變

隨著宏基因組學近幾年的發(fā)展,對腸道微生物的研究逐漸深入。宏基因組學也叫元基因組學,已廣泛用于腸道菌群與人體疾病關系的研究中。目前宏基因組學由鳥槍宏基因組學(shotgun me-tagenomics) 和標記基因擴增宏基因組學(16S rRNA)兩部分組成[10]。既往研究發(fā)現(xiàn)通過調節(jié)宿主的免疫學、微生物學和代謝組學特征可以逆轉老年小鼠卒中恢復不佳的情況,通過對實驗性AIS老年小鼠進行年輕糞便微生物群移植可以改變腸道微生物,并且減少了大腦和腸道炎癥[11]。移植能產(chǎn)生短鏈脂肪酸的細菌后提高了老年AIS小鼠的腸道、大腦和血漿短鏈脂肪酸水平并減輕了AIS后神經(jīng)功能缺損和炎癥。腦卒中生態(tài)失調指數(shù)(SDI)模型用于提示嚴重卒中(NIHSS ≥8)和早期不良結局(mRS >2),將腸道微生物群與腦卒中聯(lián)系起來[12]。伴皮層下梗死和白質腦病的常染色體顯性遺傳性腦動脈病(CADASIL)是一種非淀粉樣變性、非動脈粥樣硬化的家族遺傳性腦血管病,缺血性腦卒中是其臨床表現(xiàn)中最常見的一種。研究發(fā)現(xiàn)CADASIL患者毛螺菌屬及微小小單胞菌屬等6個屬豐度明顯增加,巨球型菌屬及氨基酸球菌2個屬豐度明顯降低;與未發(fā)生卒中的患者相比,CADASIL患者發(fā)生卒中的2個屬豐度明顯降低,這表明腸道微生物群改變了CADASIL的發(fā)病和進展[13]。

2 腸道微生物與AIS之間的關系

2.1 腸道微生物與卒中風險因素的關系

既往研究發(fā)現(xiàn)AIS與高血壓、糖尿病、動脈粥樣硬化、肥胖、吸煙、年齡等多種因素相關,腸道微生物產(chǎn)生神經(jīng)活性化合物并調節(jié)神經(jīng)元功能,對AIS患者的行為產(chǎn)生影響;同時調節(jié)宿主代謝和免疫狀態(tài),影響缺血大腦中的神經(jīng)元網(wǎng)絡[14]。對2型糖尿病、AIS、AIS合并2型糖尿病患者的研究發(fā)現(xiàn),2型糖尿病和AIS對AIS伴2型糖尿病患者腸道菌群失調存在累加效應,并且與2型糖尿病相關的腸道菌群失調和AIS患者的卒中嚴重程度呈正相關[15]。腸道菌群的變化可能會影響宿主對胰島素、體重及脂質和碳水化合物代謝的敏感性,生態(tài)失調導致促炎機制、代謝毒性和胰島素抵抗的激活[16]。

2.1.1三甲胺-N-氧化物(trimethylamine -N -oxide,TMAO)

TMAO是與AIS密切相關的腸道菌群的副產(chǎn)物[17]。三甲胺 (TMA) 通過門脈循環(huán)進入肝臟,被黃素單加氧酶氧化形成TMAO。TMAO是卒中的高危因素和預后標志物,是一種依賴代謝的腸道微生物群,已被證明具有促動脈粥樣硬化、促血小板活化及促炎癥的作用[18-19]。對AIS患者入院后不同時間TMAO動態(tài)觀察發(fā)現(xiàn),TMAO水平與90 d風險增加及12個月內主要缺血事件相關,這提示早期TMAO水平升高預示卒中的不良結局[20],且其水平是功能結果和死亡率的獨立預測因子[21]。此外,血漿TMAO水平與AIS發(fā)病率增加的相關性還表現(xiàn)在年齡、性別、體重指數(shù)、吸煙情況、飲酒情況、糖尿病史和高血壓病史分層的亞組中[22]。

2.1.2短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFA)

SCFA是腸道微生物將膳食纖維發(fā)酵后的最終產(chǎn)物,在AIS中發(fā)揮了不可或缺的作用[23]。AIS通常伴隨神經(jīng)炎癥變化,SCFA可能通過G蛋白耦聯(lián)受體 (GPR41和GPR43) 的激活和組蛋白脫乙酰基酶 (HDAC) 的抑制參與炎性反應的調節(jié);能直接或間接影響微生物-腸-腦軸的神經(jīng)功能,如神經(jīng)遞質產(chǎn)生、免疫激活、受體信號和小膠質細胞的變化。除此之外,細胞內SCFA的持續(xù)積累伴隨著pH值的輕微降低,導致細胞酸化;隨后改變了鈣信號傳導和神經(jīng)遞質釋放,間接改變了細胞通訊和宿主行為[24]。SCFA可能充當腸道微生物和大腦之間的介質,對AIS具有保護作用。研究發(fā)現(xiàn)SCFA水平與AIS嚴重程度和預后呈負相關,通過缺乏產(chǎn)生SCFA的細菌和糞便低SCFA水平可以定義AIS患者的生態(tài)失調[25]。

2.1.3脂多糖(lipopolysac-charide,LPS)

LPS是革蘭陰性菌外膜的主要成分,它通過toll樣受體4 (TLR4)激活對先天免疫反應的有效炎癥刺激。2型糖尿病與腸道微生物群的變化和腸道屏障功能受損有關,導致微生物群衍生的脂多糖易位進入循環(huán)系統(tǒng),即發(fā)生代謝性內毒素血癥[26]。KURITA等[27]研究發(fā)現(xiàn)2 型糖尿病小鼠腸道微生物組成改變、腸道通透性增加且血漿脂多糖水平升高;AIS組小鼠腦梗死體積更大,脂多糖、TLR4 和炎性細胞因子的表達水平更高,神經(jīng)損傷更重。

2.1.4炎癥

既往研究已經(jīng)表明動脈粥樣硬化是AIS的首要高危因素,而動脈粥樣硬化引起血栓栓塞事件的原因是由于斑塊分子和炎性介質的激活,易損斑塊破裂。有研究提出活化的炎癥細胞會增加促炎細胞因子、趨化因子、蛋白酶和黏附蛋白的產(chǎn)生,這些炎癥標志物參與全身炎癥、血腦屏障破壞、腸道菌群失調和缺血性腦損傷的加重[28]。AIS后的先天免疫細胞包括中性粒細胞、小膠質細胞或巨噬細胞、肥大細胞,先天淋巴細胞和自然殺傷 T 細胞在數(shù)小時內發(fā)生反應,然后通過激活T細胞和B淋巴細胞產(chǎn)生作用[29]。除此之外,慢性全身炎癥參與了許多與年齡相關的疾病的發(fā)病機制,老化的生物群系增加了全身性促炎細胞因子的水平[30]。

2.1.5維生素B12(VitB12)

VitB12是甲基丙二酰輔酶A合酶和蛋氨酸合酶的輔助因子,對蛋氨酸和核苷酸的生物合成至關重要。VitB12缺乏會導致代謝底物(如同型半胱氨酸)積聚,從而改變機體免疫狀態(tài),引發(fā)動脈粥樣硬化疾病,包括AIS。VitB12可作為腸道微生物代謝輔助因子,通過塑造微生物群落進一步影響局部和外周免疫。由VitB12缺乏引起的腸道菌群失調相關的免疫功能障礙可能影響AIS的發(fā)病、嚴重程度和患者預后[31]。

2.2 AIS腸道微生物失衡

AIS的發(fā)生及預后可能受腸道微生物變化的影響,反之,AIS可通過富集病原體和機會性微生物引發(fā)腸道微生物紊亂,增加腸道通透性,破壞腸道屏障,造成腸道菌群易位[32]。有研究發(fā)現(xiàn)豬AIS模型微生物多樣性和均勻度降低,且微生物的多樣性和病灶容積是負相關的,第5天時微生物模式恢復到與AIS前相似的值,這表明腸道微生物在豬模型AIS急性期的可塑性[33]。如今機械取栓術已廣泛應用于AIS的治療中,VAJPEYEE等[34]對時間窗內行機械取栓術的患者大腦中動脈血栓中的微生物群進行研究發(fā)現(xiàn),血栓樣本中存在超過27種細菌,大多數(shù)細菌是乳桿菌、葡萄球菌和窄食單胞菌,這提示細菌從口腔、腸道或皮膚入血后可能在短暫性菌血癥期間滯留在頸動脈斑塊中,而未出現(xiàn)明顯的敗血癥。

2.3 卒中伴發(fā)疾病與腸道微生物及其相應代謝物的關聯(lián)

2.3.1卒中后認知障礙(post-stroke cognitive impairment,PSCI)

PSCI是AIS常見的并發(fā)癥和后遺癥之一,也是AIS后殘疾的一個重要因素。研究發(fā)現(xiàn)患有PSCI的患者腸道微生物α多樣性明顯降低、微生物組成和相應代謝物受到干擾,并伴隨糞便SCFA的缺乏。進一步構建基于腸道微生物的PSCI風險預測模型,在卒中發(fā)病后3個月或更長時間內能對PSCI的風險進行準確的預測[35],血漿TMAO水平較高可能是PSCI的獨立預測因子[36]。

2.3.2卒中后抑郁(post-stroke depression,PSD)

PSD是AIS常見并發(fā)癥之一,如果沒有及時發(fā)現(xiàn)和治療,PSD會影響患者神經(jīng)功能的恢復及其回歸社會的能力。研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群失調及炎癥因子過度表達都可能參與PSD的發(fā)生和進展[37]。PSD患者腸桿菌目和腸桿菌科的變形菌豐度增加,且產(chǎn)生SCFA的幾種細菌豐度都有所降低[38]。

2.3.3卒中后感染

AIS患者發(fā)生感染的概率也增加,最常見的是并發(fā)肺部感染和尿路感染,可能與卒中后共生菌的腸通透性增加和易位有關。腸道微生物組成的改變可能增加菌血癥并改變宿主的免疫應答。卒中相關性肺炎(SAP)患者糞便中SCFA水平較低,血清中D-乳酸水平較高,SAP 是30 d死亡和90 d不良結果的獨立危險因素[39]。這提示腸道微生物群的篩查或許可以幫助辨別SAP高?；颊?并為腦卒中的治療提供線索。雖然抗菌藥物似乎是治療卒中患者細菌感染的一種合理形式,但耐藥細菌的增加和有益腸道菌群的破壞可能是這些藥物面臨的主要挑戰(zhàn)。

3 治 療

多項研究提示長期攝入高脂肪、高蔗糖、低纖維的食物可能會降低腸道微生物的多樣性,增加膳食纖維攝入量可能是預防卒中的有效方法[40]。益生菌和益生元對宿主健康的益處已被廣泛研究和明確定義,在嚙齒動物模型中早已證實乳桿菌、酪酸梭菌、地衣芽孢桿菌等益生菌對卒中的有益作用[41-43]。其中乳果糖是一種益生元,在結腸內通過腸道微生物可轉化成相對分子質量較小的有機酸,可軟化糞便,體外研究發(fā)現(xiàn)它可以通過劑量依賴的方式提高腸道中的SCFA水平[44],并且YUAN等[45]研究發(fā)現(xiàn),補充乳果糖可改善卒中的功能結果并減少卒中后的炎癥反應。已經(jīng)應用在臨床的糞便微生物群移植技術可能是改善AIS的潛在選擇,動物研究中通過移植富含SCFA的糞便微生物卒中后的腦損傷得到改善[46-47]。除補充益生元之外,去除有害微生物也是一種選擇,抗生素可以影響腸道微生物的組成,口服不可吸收抗生素可以緩解腦水腫,并通過改變腸道菌群減少神經(jīng)損傷和腦梗死的體積[48]。有研究發(fā)現(xiàn)阿托伐他汀能逆轉微生物成分,提高糞便中丁酸水平,對卒中患者的腸道屏障功能和免疫功能有促進調節(jié)作用[49]。既往研究發(fā)現(xiàn)較高的TMAO水平可能與AIS患者預后不良及心血管事件風險增加有關,針對性地降低TMAO水平來恢復腸道健康,可為高危患者提供替代的二級預防。中藥湯劑在AIS的治療中也有一定的應用。星蔞承氣湯能改善神經(jīng)功能并緩解AIS;促進抗炎因子的釋放,下調促炎因子水平;并明顯升高SCFA的水平[50]。通竅活血湯能調節(jié)腸道菌群豐度,改善腸道上皮屏障受損程度,減輕腦組織和梗死體積的病理變化,改善T細胞的失衡、抑制炎癥反應[51]。

4 總結與展望

越來越多的研究表明,腸道微生物在AIS的發(fā)病機制中發(fā)揮作用,腸道微生物的調節(jié)可能為治療和預防缺血性腦卒中提供一種新的治療策略。現(xiàn)階段短鏈脂肪酸有望作為治療靶點,糞便微生物群移植療法也可作為治療的一個新方向,從TMAO 等代謝物或從腸道菌群相關通路出發(fā)也是有希望的治療手段。中藥在AIS的治療上也表現(xiàn)出相應的優(yōu)勢[52]。但是從動物實驗到臨床試驗,它的安全性和治療方案等問題也需要進一步思考及解決。未來,以腸道微生物為靶點的治療模式將在預防缺血性腦卒中方面發(fā)揮重要作用。