腸道菌群對脊髓損傷潛在影響的研究進(jìn)展

趙小華，周蕊寒，郭威，龐日朝，王文春，張安仁

1.成都中醫(yī)藥大學(xué)養(yǎng)生康復(fù)學(xué)院，四川成都市 610075；2.西部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，四川成都市 610083；3.樂山市中醫(yī)醫(yī)院治未病中心，四川樂山市 614000

脊髓損傷是一類高度致殘的神經(jīng)創(chuàng)傷性疾病，造成損傷平面以下運(yùn)動、感覺、括約肌和自主神經(jīng)功能障礙[1]。流行病學(xué)調(diào)查顯示[2]，脊髓損傷發(fā)病率在全球范圍內(nèi)約(10.4～83)/100萬，而北美地區(qū)每年脊髓損傷年發(fā)病率高達(dá)(27.1～83.0)/100 萬，同時我國每年脊髓損傷的發(fā)病率約(13～60)/100萬。

腸道菌群是定植于腸道中的一類共生微生物群，其數(shù)量與哺乳動物細(xì)胞數(shù)相近，質(zhì)量大約為0.2 kg[3]，其基因組為人基因組的100 倍[4]，并形成巨大的微生物網(wǎng)絡(luò)，影響著宿主細(xì)胞代謝、消化、營養(yǎng)吸收以及免疫系統(tǒng)發(fā)育和成熟[5]。腸道菌群在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病免疫和炎癥中發(fā)揮著重要作用，如多發(fā)性硬化[6]、自身免疫性腦脊髓膜炎[7]、阿爾茨海默病[8]和帕金森病[9]等。脊髓損傷作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)最為常見的神經(jīng)創(chuàng)傷性疾病之一，目前尚無有效的治療手段，若能建立腸道菌群與脊髓損傷之間的聯(lián)系，必將為脊髓損傷的治療提供新的方向。

1 脊髓損傷后腸道菌群紊亂

脊髓損傷后自主神經(jīng)功能障礙是導(dǎo)致膀胱和胃腸道功能喪失，對感染、抑郁和焦慮的易感性增加，疲勞、體溫調(diào)節(jié)異常以及心血管功能障礙等多種并發(fā)癥最主要的原因[10]。自主神經(jīng)系統(tǒng)是周圍神經(jīng)系統(tǒng)的分支，由交感和副交感神經(jīng)組成，而脊髓側(cè)角發(fā)出的交感和副交感神經(jīng)到達(dá)腸道形成相對獨(dú)立的腸神經(jīng)系統(tǒng)，并控制著胃腸道功能和菌群的穩(wěn)態(tài)[11-13]。通過對腎上腺素能受體缺失的小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)[14]，當(dāng)交感神經(jīng)受到抑制時，腸上皮細(xì)胞通透性增加，導(dǎo)致腸道菌群易位，使腸道中占優(yōu)勢的厚壁菌門向擬桿菌門轉(zhuǎn)變，厚壁菌門與擬桿菌門的比值減小，變形菌門豐度降低，而產(chǎn)短鏈脂肪酸的細(xì)菌則無明顯變化。當(dāng)副交感神經(jīng)受抑制時，胃腸蠕動減弱，腸神經(jīng)元對腸內(nèi)血清素和營養(yǎng)素的敏感性降低，并導(dǎo)致腸道微生態(tài)發(fā)生改變[15-16]。

在脊髓損傷的研究中發(fā)現(xiàn)[10]，自主神經(jīng)功能障礙將導(dǎo)致創(chuàng)傷性脊髓損傷后腸道菌群失調(diào)。有實驗采用胸段脊髓損傷大鼠模型研究發(fā)現(xiàn)[17]，8 周后大鼠腸道菌群多樣性減少，其中Lactobacillaceae(乳桿菌科)、Turibacteraceae(蘇黎世桿菌科)和Bifidobacteriaceae(雙歧桿菌科)相對豐度最高；而梭菌科相對豐度降低，幾乎被耗盡，但與對照組相比，梭菌科和雙歧桿菌科相對豐度更高；同時腸道中促炎因子升高與脊髓損傷后腸道菌群有顯著相關(guān)性。Gungor 等[18]觀察30 例脊髓損傷患者(T6損傷，上運(yùn)動神經(jīng)元和下運(yùn)動神經(jīng)元損傷各15 例)和10 例健康對照者的腸道菌群發(fā)現(xiàn)，與健康對照組相比，上運(yùn)動神經(jīng)元損傷組Pseudobutyrivibrio(假丁酸弧菌屬)、Dialister(小類桿菌屬)和Megamonas(巨單胞菌屬)顯著降低；下運(yùn)動神經(jīng)元損傷組Roseburia(羅氏菌屬)、Pseudobutyrivibrio(假丁酸弧菌屬)和Megamonas(巨單胞菌屬)顯著降低；并且與下運(yùn)動神經(jīng)元組相比，上運(yùn)動神經(jīng)元組Marvinbryantia(布氏桿菌屬)明顯降低；同時還發(fā)現(xiàn)脊髓損傷患者產(chǎn)丁酸鹽的菌屬顯著降低，這可能與損傷后神經(jīng)炎癥有關(guān)。此外，還有文獻(xiàn)通過對43 例完全性脊髓損傷后神經(jīng)源性腸功能障礙的男性患者研究發(fā)現(xiàn)[19]，脊髓損傷患者腸道菌群多樣性減少，菌群結(jié)構(gòu)與健康男性對照組不同，即脊髓損傷后Veillonellaceae(韋氏菌科)和Prevotellaceae(普氏菌科)豐度增加，Bacteroidaceae(擬桿菌科)和Bacteroides(擬桿菌屬)豐度降低，并且四肢癱與截癱患者的腸道菌群也存在較大差異；同時還觀察到腸道菌群與血清生物標(biāo)志物C 反應(yīng)蛋白、排便時間等顯著相關(guān)。

綜上所述，脊髓損傷后腸道菌群紊亂，菌群多樣性和豐度發(fā)生改變，在細(xì)菌門、科、屬等多個層面造成菌群失調(diào)，并與脊髓損傷后炎癥反應(yīng)有相關(guān)性。菌群失調(diào)可能的原因包括脊髓損傷后嚴(yán)重的自主神經(jīng)功能障礙導(dǎo)致的神經(jīng)源性腸功能障礙[10,20]，腸屏障功能減弱造成腸道菌群易位[13,20]，以及創(chuàng)傷導(dǎo)致營養(yǎng)攝入和吸收發(fā)生改變[21]等。

2 腸道菌群對脊髓損傷后炎癥的潛在影響

大量研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群可通過其代謝產(chǎn)物和衍生物與宿主發(fā)生聯(lián)系，其中菌群代謝產(chǎn)生的芳香烴受體(aryl hydrocarbon receptor,AHR)激動劑、短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)及菌群衍生物脂多糖等對中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥有著重要的調(diào)節(jié)作用。

2.1 AHR激動劑

腸道菌群可代謝色氨酸產(chǎn)生AHR 激動劑，包括吲哚-3-乙酸、吲哚酚-3-硫酸鹽、色胺等衍生物[22]。最新研究顯示[23-24]，膳食中的色氨酸代謝產(chǎn)物可穿過血腦屏障進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，并調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的炎癥反應(yīng)。Rothhammer 等[25]通過色氨酸代謝產(chǎn)物與1型干擾素(interferon-1,IFN-1)共同作用，可激活星形膠質(zhì)細(xì)胞中的AHR，從而誘導(dǎo)細(xì)胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子2(cytokine signal transduction inhibitor 2,SOCS2)的表達(dá)[26]，進(jìn)而抑制細(xì)胞中核因子(nuclear factor,NF)-κB 信號通路的激活[27]，并最終減輕中樞神經(jīng)系統(tǒng)的炎癥反應(yīng)。而當(dāng)SOCS2基因缺陷時，體外用脂多糖可激活星形膠質(zhì)細(xì)胞中的NF-κB 通路，從而證明AHR介導(dǎo)的抗炎作用具有SOCS2依賴性。與此同時，Lamas等[28]通過不同的實驗得出與Rothhammer相同的結(jié)論，即AHR 在中樞神經(jīng)炎癥中起著決定性作用，可通過色氨酸代謝產(chǎn)物/AHR/SOCS2/NF-κB通路發(fā)揮抗炎作用。

有趣的是，脊髓損傷后血脊髓屏障的通透性也會增大，并可通過星形膠質(zhì)細(xì)胞中的NF-κB通路介導(dǎo)炎癥反應(yīng)的發(fā)生[29-31]，這與腸道菌群對中樞炎癥的作用機(jī)制相似。同時還有研究顯示，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的小膠質(zhì)細(xì)胞(或巨噬細(xì)胞)中AHR被抑制將導(dǎo)致抗炎因子白激素10(interleukin-10,IL-10)表達(dá)降低，從而轉(zhuǎn)化為促炎狀態(tài)；并且小膠質(zhì)細(xì)胞中AHR 缺失將驅(qū)動炎癥和神經(jīng)變性，進(jìn)而引起星形膠質(zhì)細(xì)胞中炎癥因子白介素1β(interleukin-1β,IL-1β)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-alpha,TNF-α)、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)等表達(dá)增加[32]。

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病中研究發(fā)現(xiàn)[26]，輔助性T17(helper T-17,Th17)細(xì)胞和調(diào)節(jié)性T(regulatory T,Treg)細(xì)胞(主要有Foxp3+Treg細(xì)胞和Tr1細(xì)胞)中AHR(羅伊氏乳桿菌代謝激活)的高表達(dá)，可通過一系列反饋回路抑制信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子1和5(signal transduction and activator of transcription,STAT1 和STAT5)來減少Th17細(xì)胞的產(chǎn)生，并介導(dǎo)Th17細(xì)胞轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生IL-10的抗炎Treg細(xì)胞(Foxp3+Treg細(xì)胞和Tr1細(xì)胞)。

在急性脊髓損傷模型中也發(fā)現(xiàn)[33]，巨噬細(xì)胞能調(diào)節(jié)胸腺源性Foxp3+Treg細(xì)胞向受損脊髓處聚集，從而增加Treg細(xì)胞數(shù)量發(fā)揮神經(jīng)修復(fù)作用。這也與腸道菌群的中樞抗炎機(jī)制相似。因此，脊髓損傷后繼發(fā)性炎癥反應(yīng)加重，可能與脊髓組織中菌群代謝產(chǎn)生的AHR激動劑減少有關(guān)。

2.2 SCFAs

SCFAs是腸道菌群重要的代謝產(chǎn)物之一，包括乙酸、丁酸和丙酸等。最新研究表明[10,20]，腸道菌群代謝產(chǎn)生的SCFAs 對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和炎癥反應(yīng)發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用。首先，SCFAs可使腸上皮細(xì)胞通透性發(fā)生改變，并從腸內(nèi)溢出到血液循環(huán)中，繞過血腦屏障影響中樞神經(jīng)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能[10,20,34-35]。其次，SCFAs 作為重要的能源物質(zhì)，能改善機(jī)體電解質(zhì)紊亂[16]，減輕神經(jīng)元的損傷，從而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[36]。最后，SCFAs 還是組蛋白去乙?；?histone deacetylase,HDAC)的重要抑制劑，通過抑制HDACs，可降低神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中NF-κB 通路的活化，下調(diào)促炎因子TNF-α 表達(dá)[37]。此外，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中SCFAs 與G 蛋白耦聯(lián)受體43(G protein-coupled receptors 43,GPR43)結(jié)合，促進(jìn)Th17細(xì)胞轉(zhuǎn)化為Treg細(xì)胞，繼而抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)的炎癥反應(yīng)[37-38]。脊髓損傷后腸道菌群紊亂，導(dǎo)致代謝產(chǎn)生SCFAs的菌群減少[10,17-18]；而患者體內(nèi)SCFAs 顯著減少，將會引起神經(jīng)遞質(zhì)失衡和神經(jīng)細(xì)胞功能受損，從而影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能表達(dá)[20]。

綜上所述，脊髓損傷后腸道菌群產(chǎn)生的SCFAs減少可能導(dǎo)致神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的功能發(fā)生改變，并加重脊髓損傷后的炎癥反應(yīng)。

2.3 脂多糖

脂多糖是革蘭陰性菌細(xì)胞壁成分，當(dāng)細(xì)菌在腸道內(nèi)死亡時，可分解產(chǎn)生脂多糖。若胃腸功能發(fā)生紊亂，可導(dǎo)致腸道屏障功能受損，菌群分解產(chǎn)生的脂多糖可透過腸上皮細(xì)胞進(jìn)入血液循環(huán)，從而引起全身炎癥反應(yīng)[39]。脊髓損傷后脂多糖刺激產(chǎn)生的炎性細(xì)胞能透過血脊髓屏障，并激活脊髓組織中的小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞，從而介導(dǎo)神經(jīng)炎癥的發(fā)生[40]。還有研究顯示[41-42]，在脊髓損傷模型中，脂多糖可刺激小膠質(zhì)細(xì)胞向M1型巨噬細(xì)胞極化，從而上調(diào)促炎因子TNF-α、IL-1β、iNOS 的表達(dá)。此外，脂多糖是第一個被鑒定出的Toll 樣受體(Toll-like receptors,TLR)配體，在小膠質(zhì)細(xì)胞中幾乎能表達(dá)所有的TLR(1-9 型)，而星形膠質(zhì)細(xì)胞在靜息狀態(tài)下表達(dá)TLR3，在活化狀態(tài)下表達(dá)TLR2 和TLR4[40,43]。一旦脊柱內(nèi)脂多糖增多時，可激活TLR4和TLR2，從而使小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞活化，進(jìn)而激活NF-κB通路，發(fā)揮促炎作用[43-44]。然而，也有研究提示，在脊髓損傷后脂多糖可激活TLR4 促進(jìn)巨噬細(xì)胞對損傷處髓鞘碎片的清除，從而有助于少突膠質(zhì)細(xì)胞對髓鞘的修復(fù)[45-47]。

綜上所述，腸道菌群分解產(chǎn)生的脂多糖在脊髓損傷繼發(fā)性炎癥反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用，一方面可激活損傷部位的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)揮促炎作用，另一方面也可刺激巨噬細(xì)胞發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。

3 小結(jié)

脊髓損傷后自主神經(jīng)功能障礙將導(dǎo)致腸道與中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間的聯(lián)系中斷，而長期處于失神經(jīng)支配條件下的胃腸道對腸內(nèi)各種物理或化學(xué)刺激的敏感性降低[14]，并導(dǎo)致神經(jīng)源性腸功能障礙[48]、腸上皮細(xì)胞通透性發(fā)生改變[34-35]和腸內(nèi)營養(yǎng)障礙等，最終引起脊髓損傷后腸道菌群失調(diào)。而失調(diào)腸道菌群又將損害脊髓損傷后功能恢復(fù)，并加劇脊柱內(nèi)炎癥和病變[10,20]。因此通過調(diào)節(jié)腸道菌群來控制脊髓損傷后的炎癥反應(yīng)，可能是治療脊髓損傷的一條潛在途徑。

脊髓損傷分為原發(fā)和繼發(fā)性損傷兩個階段，原發(fā)性損傷是指機(jī)械性損傷導(dǎo)致的損傷部位神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在數(shù)分鐘或數(shù)小時內(nèi)死亡[49]；而繼發(fā)性損傷包括一系列脊髓組織的病理生理變化，其中炎癥反應(yīng)是導(dǎo)致繼發(fā)性損傷的重要原因之一。大量研究表明，脊髓損傷后神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞(主要是星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞)活化在繼發(fā)性炎癥反應(yīng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[50-51]。其可能的機(jī)制有：①神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞活化產(chǎn)生大量炎癥趨化因子如TNF-α、IFN-γ、IL-1β、IL-6 等[41-42,49]，并通過激活細(xì)胞中NF-κB 通路來介導(dǎo)炎癥的發(fā)生[26-28]；②脊髓損傷后神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)性增生，產(chǎn)生膠質(zhì)瘢痕將阻礙脊髓組織中軸突的生長和再生，從而影響神經(jīng)功能重塑，導(dǎo)致功能恢復(fù)減慢[52-53]；③小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的巨噬細(xì)胞，其中M1型小膠質(zhì)細(xì)胞可能發(fā)揮促炎作用，而M2 型具有抗炎作用；在脊髓損傷后小膠質(zhì)細(xì)胞朝向M1 型極化，同時抑制M2 小膠質(zhì)細(xì)胞的產(chǎn)生[42,54]，進(jìn)而加重炎癥反應(yīng)；④神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞活化時TLR 被激活，并最終引起促炎因子TNF-α、IL-1β、IL-6 和iNOS的表達(dá)上調(diào)，從而加重?fù)p傷部位的炎癥反應(yīng)[40,43]。

綜上所述，脊髓損傷后繼發(fā)性炎癥反應(yīng)主要由神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)，通過膠質(zhì)細(xì)胞中NF-κB通路、膠質(zhì)瘢痕增生、膠質(zhì)細(xì)胞向M1 型極化和TLR 表達(dá)等促進(jìn)脊髓損傷后炎癥的發(fā)生和發(fā)展。而腸道菌群的代謝產(chǎn)物在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中也發(fā)揮著相似的促炎或抗炎作用。因而腸道菌群與脊髓損傷可能通過神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞建立某種聯(lián)系，從而調(diào)控脊髓損傷后繼發(fā)性炎癥反應(yīng)的發(fā)生和發(fā)展。

雖然腸道菌群與宿主疾病之間的關(guān)系還有待研究，但菌群作為一種潛在的干預(yù)手段，已獲得廣泛認(rèn)可。目前益生元、益生菌已被用于治療臨床疾病[55]，菌群移植也是治療某些難治性疾病的重要手段[56-57]。脊髓損傷后腸道菌群會發(fā)生改變，而調(diào)節(jié)紊亂的菌群也可對宿主的功能恢復(fù)產(chǎn)生影響。如在脊髓損傷后產(chǎn)SCFAs 的菌群減少[17-18]，而補(bǔ)充產(chǎn)SCFAs 的乳酸桿菌和雙歧桿菌等益生菌制劑后，能改善小鼠的運(yùn)動功能，并發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[20]。因此調(diào)節(jié)患者的腸道菌群可能是治療脊髓損傷的潛在方法之一。而基于腸道菌群的脊髓損傷治療，一方面可補(bǔ)充缺失的菌群或益生菌，嚴(yán)重者甚至可采取正常菌群移植的方式；另一方面，也可直接補(bǔ)充菌群代謝產(chǎn)物(如AHR 激動劑、SCFAs 等)來減輕脊髓損傷后的病理病變。然而，目前國內(nèi)外報道腸道菌群與脊髓損傷相互作用的研究較少，并且大多集中在分析脊髓損傷后腸道菌群的變化特點，缺乏腸道菌群對脊髓損傷后繼發(fā)性損傷和并發(fā)癥的相關(guān)研究，因此本文通過對脊髓損傷后炎癥反應(yīng)與腸道菌群潛在的作用機(jī)制進(jìn)行探討，希望為今后脊髓損傷的研究提供新思路。