胃腸道菌群平衡對(duì)神經(jīng)損傷的影響

林芳琪 張保焜 徐建廣

人類微生物群包含超過(guò) 100 萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞，由多種細(xì)菌、真菌和病毒組成[1]，對(duì)人體的細(xì)胞代謝、消化、營(yíng)養(yǎng)吸收以及免疫系統(tǒng)的發(fā)育和維持十分重要[2]。鑒于這些生物體的龐大數(shù)量和遺傳潛力，有關(guān)微生物組在人類健康和疾病中的作用問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)研究的一大熱點(diǎn)，而微生物也被應(yīng)用于多種疾病的治療[3-5]。神經(jīng)損傷是一種嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)損害，常可引起損傷局部組織發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和微循環(huán)障礙，從而進(jìn)一步加重?fù)p傷并引起周圍神經(jīng)細(xì)胞廣泛壞死，最終造成機(jī)體運(yùn)動(dòng)、感覺(jué)和自主神經(jīng)功能障礙，大大降低患者的生活質(zhì)量[6-7]。目前，全球范圍內(nèi)有數(shù)百萬(wàn)人遭受神經(jīng)損傷帶來(lái)的痛苦。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年中國(guó)脊髓損傷死亡率約為0.31人/百萬(wàn)人，與2006年相比增加了64%[8]。因此，目前亟待發(fā)現(xiàn)一種經(jīng)濟(jì)且有效的神經(jīng)損傷治療方法。

1 胃腸道菌群與神經(jīng)系統(tǒng)的相互作用

1.1 胃腸道菌群對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的影響

人體中70%～80%的免疫細(xì)胞存在于腸道相關(guān)淋巴組織(GALT)中。GALT中的免疫細(xì)胞可持續(xù)與腸道細(xì)菌相互作用，并產(chǎn)生影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)功能的細(xì)胞因子。腸道微生物還能產(chǎn)生短鏈脂肪酸和膽堿等神經(jīng)活性代謝物和γ-氨基丁酸、血清素、多巴胺和乙酰膽堿等神經(jīng)遞質(zhì)，并作用于腸道和CNS內(nèi)的神經(jīng)元[9]。

當(dāng)正常的腸道細(xì)菌(即益生菌)耗盡或致病性細(xì)菌(即致病菌)占據(jù)主導(dǎo)地位時(shí)，胃腸道系統(tǒng)的生態(tài)失調(diào)就會(huì)出現(xiàn)。而這種生態(tài)失調(diào)與自閉癥、疼痛、抑郁、焦慮和中風(fēng)等神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生或進(jìn)展有關(guān)[10-11]。

1.2 神經(jīng)損傷后胃腸道菌群的變化

在神經(jīng)損傷發(fā)生后，患者的生活方式往往也會(huì)發(fā)生突然且劇烈的改變，這很可能造成患者胃腸道菌群失調(diào)[12]。同時(shí)，繼發(fā)于脊髓損傷的自主神經(jīng)功能障礙也會(huì)損害機(jī)體的免疫功能，可能增加臨床抗生素應(yīng)用以及抗感染治療的需求[13]。在此過(guò)程中，神經(jīng)損傷首先導(dǎo)致胃腸道菌群失調(diào)，而腸道菌群失調(diào)反過(guò)來(lái)通過(guò)GALT作用加重脊髓損傷。此外，胃腸道菌群失調(diào)還會(huì)加劇椎管內(nèi)的炎癥并影響受損神經(jīng)功能的恢復(fù)[9]。

2 胃腸道菌群影響神經(jīng)系統(tǒng)的機(jī)制

近年來(lái)，微生物-腸道-大腦軸 (MGBA)是許多學(xué)者關(guān)注的一個(gè)研究熱點(diǎn)。MGBA 是一種雙向通信系統(tǒng)，可使CNS 與腸道進(jìn)行通信。胃腸道系統(tǒng)與CNS之間的交互作用主要通過(guò)CNS和迷走神經(jīng)與胃腸道神經(jīng)系統(tǒng) (ENS) 的直接和間接作用來(lái)調(diào)節(jié)[14]。

2.1 對(duì)自主神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

MGBA 內(nèi)的信號(hào)傳遞是多方面的，包括 ENS 和自主神經(jīng)系統(tǒng)(ANS)迷走神經(jīng)部分之間的直接和間接信號(hào)傳遞。ENS 的感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元直接支配迷走神經(jīng)，從而允許 ENS 向 CNS 提供有關(guān)微生物群結(jié)構(gòu)和功能的持續(xù)反饋[15]。

此前有學(xué)者在無(wú)菌小鼠模型中引入微生物群，并在抗生素治療的對(duì)照組小鼠中改變微生物群，發(fā)現(xiàn)腸道微生物群能直接影響血清素、色氨酸、犬尿氨酸、下丘腦水平加壓素和催產(chǎn)素等多種神經(jīng)調(diào)節(jié)劑的水平，也可影響成年海馬神經(jīng)發(fā)生、早期發(fā)育過(guò)程中前額葉皮層的正常髓鞘形成以及腸神經(jīng)元興奮性和動(dòng)作電位變化[16-18]。

2.2 對(duì)神經(jīng)炎癥的調(diào)節(jié)

微生物群在免疫系統(tǒng)發(fā)育和神經(jīng)炎癥調(diào)節(jié)中具有重要作用，而神經(jīng)炎癥也與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程有關(guān)。胃腸道菌群生態(tài)失調(diào)可導(dǎo)致血腦屏障破壞和 CNS 中小膠質(zhì)細(xì)胞激活，并加重神經(jīng)炎癥，最終加重疾病負(fù)擔(dān)。

神經(jīng)炎癥可造成血腦屏障嚴(yán)重破壞。炎癥過(guò)程釋放的細(xì)胞因子以主動(dòng)運(yùn)輸、滲透擴(kuò)散或響應(yīng)外周信號(hào)等方式通過(guò)血腦屏障進(jìn)入大腦。炎性細(xì)胞因子一旦進(jìn)入大腦，就會(huì)造成血腦屏障完整性喪失，而治療腸道微生態(tài)失調(diào)可能逆轉(zhuǎn)血腦屏障損傷并恢復(fù)其保護(hù)功能。Braniste等[19]通過(guò)構(gòu)建小鼠模型發(fā)現(xiàn)，在腸道菌群生態(tài)失調(diào)時(shí)小鼠血腦屏障通透性增加，而在腸道菌群恢復(fù)平衡后其血腦屏障通透性降低。另一項(xiàng)研究則發(fā)現(xiàn)，血腦屏障通透性改變會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌和細(xì)胞的代謝物甚至是細(xì)菌本身能夠進(jìn)入CNS并影響其功能[20]。

雖然生態(tài)失調(diào)、小膠質(zhì)細(xì)胞激活與疾病發(fā)展之間的直接聯(lián)系尚不明確，但仍有大量研究表明三者存在相關(guān)性。Sun等[21]將健康小鼠的糞便移植物用于治療帕金森病(PD)模型小鼠，發(fā)現(xiàn)PD模型小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞活化減少和運(yùn)動(dòng)缺陷減少。 Chu等[22]研究發(fā)現(xiàn)，口服多糖 A、脆弱擬桿菌代謝物可誘導(dǎo)白細(xì)胞介素(IL)-10 產(chǎn)生和 Treg 細(xì)胞活化，從而導(dǎo)致 IL-17減少，并促進(jìn)模型小鼠功能改善。 Cristiano等[23]研究發(fā)現(xiàn)，IL-17 信號(hào)傳導(dǎo)無(wú)效也與神經(jīng)炎癥減輕和神經(jīng)認(rèn)知活動(dòng)增加有關(guān)。同樣，Claesson 等[24]通過(guò)長(zhǎng)達(dá)8周的隨機(jī)雙盲試驗(yàn)研究了77 名患者使用唾液乳桿菌UCC4331、嬰兒雙歧桿菌35624等特定益生菌與安慰劑的情況。在使用安慰劑的情況下，上述患者的輔助性T細(xì)胞(Th)1處于促炎狀態(tài)；而在接受雙歧桿菌治療的情況下，患者的促炎狀態(tài)和臨床癥狀均得到改善，上述結(jié)果提示微生物群的特定變化不但可以減弱炎癥信號(hào)，而且有助于改善臨床治療效果。

2.3 對(duì)氧化應(yīng)激反應(yīng)的調(diào)節(jié)

菌群失調(diào)會(huì)增強(qiáng)機(jī)體的氧化應(yīng)激反應(yīng)，并會(huì)加重神經(jīng)系統(tǒng)的功能障礙。很多研究都發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)系統(tǒng)癥狀出現(xiàn)之前，PD 患者的胃腸道功能紊亂往往已存在多年。Ostojic等[25]分析 PD 患者的微生物組發(fā)現(xiàn)，其胃腸道內(nèi)產(chǎn)生氫氣(H2)的細(xì)菌明顯減少。而Scheperjans[26]則發(fā)現(xiàn)，因胃腸道內(nèi)產(chǎn)H2細(xì)菌過(guò)度生長(zhǎng)導(dǎo)致H2濃度較高的 PD 患者神經(jīng)系統(tǒng)癥狀有所減輕。H2作為機(jī)體的抗氧化劑，可減少羥基自由基。上述試驗(yàn)結(jié)果均表明，胃腸道菌群失調(diào)可能通過(guò)降低H2造成神經(jīng)元破壞，進(jìn)而導(dǎo)致活性氧自由基增加。Fu 等[27]通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，用50% 的飽和H2口服溶液治療PD 大鼠模型能夠預(yù)防或延遲其發(fā)生黑質(zhì)紋狀體變性。Wang等[28]將從對(duì)照組收集的糞便移植到淀粉樣前體蛋白轉(zhuǎn)基因無(wú)菌小鼠，發(fā)現(xiàn)這些小鼠的CNS中會(huì)出現(xiàn)顯著的的淀粉樣斑塊積聚。β-淀粉樣蛋白通常由大腸桿菌、腸道沙門氏菌、鼠傷寒沙門氏菌、枯草芽孢桿菌、結(jié)核分枝桿菌和金黃色葡萄球菌產(chǎn)生。而這種外源性 β-淀粉樣蛋白進(jìn)入CNS將會(huì)激活小膠質(zhì)細(xì)胞，導(dǎo)致活性氧自由基的產(chǎn)生增加。

2.4 對(duì)亞硝化應(yīng)激反應(yīng)的調(diào)節(jié)

胃腸道菌群失調(diào)可通過(guò)幾種不同的機(jī)制直接和間接造成亞硝化應(yīng)激反應(yīng)增強(qiáng)。生理水平的一氧化氮(NO)可在細(xì)胞增殖、分化和存活等神經(jīng)保護(hù)活動(dòng)中充當(dāng)重要的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)，而高水平的 NO則可與活性氧自由基相互作用并形成過(guò)氧亞硝酸鹽。這種高活性分子能夠?qū)Χ喾N蛋白質(zhì)進(jìn)行翻譯后修飾并抑制電子傳遞鏈。因此，活性氮分子可導(dǎo)致三磷酸腺苷(ATP)產(chǎn)生減少，最終導(dǎo)致線粒體斷裂和細(xì)胞凋亡[29]。

胃腸道菌群主要通過(guò)3種方式直接或間接影響NO產(chǎn)生：①細(xì)菌誘導(dǎo)的炎癥可激活誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)[30]；②鏈霉菌屬、桿菌和諾卡菌屬等可直接產(chǎn)生NO[31]；③大腸桿菌和植物乳桿菌等可將硝酸鹽和銨鹽代謝為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽又會(huì)被進(jìn)一步代謝產(chǎn)生NO。Scheperjans等[26]通過(guò)甲基-4苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(MPTP)誘導(dǎo)構(gòu)建PD 小鼠模型并用NO合酶拮抗劑治療，發(fā)現(xiàn)活性氧和活性氮形成均減少，黑質(zhì)受損延遲，MPTP 介導(dǎo)的多巴胺神經(jīng)元破壞受到抑制。

3 胃腸道菌群的調(diào)節(jié)方式及其對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的影響

生態(tài)失調(diào)被定義為腸道微生物群落的持續(xù)失衡狀態(tài)。從神經(jīng)學(xué)的角度看，生態(tài)失調(diào)會(huì)導(dǎo)致 MGBA 失調(diào)，從而導(dǎo)致血腦屏障通透性增加，活性氧/活性氮增加以及神經(jīng)元傳導(dǎo)異常和神經(jīng)炎癥發(fā)生。因此，對(duì)生態(tài)失調(diào)進(jìn)行干預(yù)可以預(yù)防許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生或減緩其進(jìn)展。益生菌、益生元和飲食調(diào)整都已被證明可以用于治療腸道生態(tài)失調(diào)，并可能將其恢復(fù)到其受干擾前的狀態(tài)。

3.1 飲食調(diào)整

胃腸道微生物群的組成取決于許多因素，其中最重要的因素之一是飲食。研究發(fā)現(xiàn)，富含不健康脂肪、蛋白質(zhì)、鹽和單糖的飲食，即所謂的西方飲食 (WD)，會(huì)導(dǎo)致厚壁菌和柯林斯氏菌水平升高及擬桿菌水平降低[32]。微生物群組成的變化與肥胖、抑郁、焦慮和認(rèn)知功能障礙的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。Noble 等[33]研究表明，食用WD僅3 d就會(huì)導(dǎo)致嚙齒動(dòng)物的空間記憶受損，而WD可通過(guò)調(diào)節(jié)微生物群導(dǎo)致腸道通透性增加、血腦屏障功能障礙和神經(jīng)炎癥發(fā)生。Burhani 等[34]研究發(fā)現(xiàn)，WD 導(dǎo)致的擬桿菌減少與膽汁酸結(jié)合減少有關(guān)。這些未結(jié)合的膽汁酸在遠(yuǎn)端結(jié)腸帶電，并能夠?qū)δc道內(nèi)壁造成損傷。這種損傷可導(dǎo)致腸道通透性增加，可能與神經(jīng)炎癥增加有關(guān)。

相反，主要由水果、蔬菜、豆類和全谷物組成的地中海飲食 (MD) 等與微生物群組成變化、全身神經(jīng)炎癥減輕有關(guān)，可在神經(jīng)精神疾病的發(fā)展中發(fā)揮重要作用[35]。MD由高水平的ω-3 和ω-6 多不飽和脂肪酸組成，這些多不飽和脂肪酸與降低抑郁癥發(fā)展風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。Sandhu 等[32]對(duì)日常飲食中含有大量ω-3 和ω-6 多不飽和脂肪酸的患者進(jìn)行微生物群分析，發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌和乳酸桿菌的濃度增加。這種細(xì)菌種群的變化表明雙歧桿菌和乳酸桿菌可能在神經(jīng)精神疾病的發(fā)展中起主要作用，并可減輕抑郁癥的癥狀。

3.2 益生元

益生元是不溶性的膳食纖維，可促進(jìn)人體共生細(xì)菌生長(zhǎng)和健康微生物群形成。研究表明，不溶性纖維的攝入量減少會(huì)導(dǎo)致微生物群生長(zhǎng)異常，從而導(dǎo)致胃腸道菌群失調(diào)。低聚半乳糖(GOS)作為益生元的一種，是許多研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。GOS 主要由腸道中的雙歧桿菌和乳酸桿菌發(fā)酵產(chǎn)生。因此，GOS 可誘導(dǎo)這些細(xì)菌在腸道內(nèi)定植[32]。

Burokas等[36]對(duì)健康志愿者進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)GOS 可導(dǎo)致血清皮質(zhì)醇水平和警覺(jué)性降低，并產(chǎn)生負(fù)面影響。而Yang等[37]則針對(duì)老年人進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)使用 GOS 治療 10 周后，患者糞便分析顯示炎癥減輕。

目前認(rèn)為，GOS可以減輕手術(shù)引起的認(rèn)知功能障礙。Kigerl等[38]在行腹部手術(shù)前用 GOS 預(yù)處理小鼠 18 d后發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，經(jīng)過(guò)GOS 處理的小鼠海馬中 IL-6 和 IL-4等神經(jīng)炎癥因子減少，其認(rèn)知障礙也減輕。對(duì)上述小鼠的胃腸道菌群進(jìn)行分析則發(fā)現(xiàn)，GOS 治療組小鼠雙歧桿菌的數(shù)量增加。上述結(jié)果表明，用益生元對(duì)生態(tài)失調(diào)進(jìn)行預(yù)處理，能夠通過(guò)預(yù)防神經(jīng)炎癥對(duì)神經(jīng)產(chǎn)生保護(hù)作用。

3.3 益生菌

益生菌是具有活性的微生物，食用后可為宿主提供許多益處，例如增強(qiáng)抗菌和抗病毒作用、減輕炎癥和恢復(fù)健康的腸道菌群平衡。

已有研究發(fā)現(xiàn)，益生菌對(duì)大腦功能和行為可產(chǎn)生有益影響。在Tillisch等[39]的一項(xiàng)研究中，健康女性被隨機(jī)分配接受含有乳酸菌、嗜熱鏈球菌、保加利亞乳桿菌和乳酸乳球菌亞種等動(dòng)物雙歧桿菌亞種混合物的益生菌發(fā)酵乳制品(FMPP) 。Takada等[40]在一項(xiàng)安慰劑對(duì)照研究中通過(guò)檢測(cè)快速信息處理過(guò)程中的腦電圖變化水平和皮質(zhì)醇水平變化發(fā)現(xiàn)，用長(zhǎng)雙歧桿菌1714治療的健康成人壓力降低，且記憶力得到改善。而這些作用似乎是具有益生菌特異性的，如干酪乳桿菌Shirota (LcS) 菌株可緩解小鼠模型和人體與壓力相關(guān)的癥狀，但鼠李糖乳桿菌并不能產(chǎn)生類似治療效果[41-42]。而在Kigerl 等[38]的一項(xiàng)研究中，研究者對(duì)脊髓損傷小鼠從受傷當(dāng)天開(kāi)始予凍干益生菌合劑VSL#3治療并持續(xù)到傷后 35 d，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)治療的小鼠表現(xiàn)出神經(jīng)病理學(xué)改變減少，運(yùn)動(dòng)恢復(fù)改善。此外， Falc?o de Arruda等[42]于2004 年研究發(fā)現(xiàn)，腦損傷患者接受益生菌治療后，其在重癥監(jiān)護(hù)室治療的時(shí)間和必須使用機(jī)械通氣的時(shí)間縮短。Sofi等[43]研究發(fā)現(xiàn)，擬桿菌屬、普氏菌屬和雙歧桿菌屬對(duì)碳水化合物發(fā)酵成活性代謝物和短鏈脂肪酸至關(guān)重要。其體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這些益生菌能通過(guò)激活A(yù)MP依賴的蛋白激酶(AMPK) 激酶、短鏈脂肪酸，在調(diào)節(jié)脂質(zhì)和膽固醇代謝的過(guò)程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，從而降低退行性疾病的發(fā)病率。

4 結(jié)語(yǔ)

由于目前大多數(shù)研究都聚焦于慢性生態(tài)失調(diào)在慢性神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)展中的作用，支持MBGA可限制急性神經(jīng)損傷的證據(jù)較少。本文所提出的支持生態(tài)失調(diào)治療在神經(jīng)損傷中應(yīng)用的證據(jù)仍存在一定爭(zhēng)議。首先，大多數(shù)研究都是在動(dòng)物模型中進(jìn)行的，其人體應(yīng)用效果尚不清楚；其次，神經(jīng)損傷的病理生理機(jī)制過(guò)于復(fù)雜，涉及多個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并且可能存在個(gè)體差異。然而，與生態(tài)治療創(chuàng)傷或手術(shù)引起的急性神經(jīng)損傷相關(guān)的研究仍有較大前景。由于神經(jīng)損傷患病率高及預(yù)后較差，亟待開(kāi)發(fā)能夠有效限制和預(yù)防神經(jīng)損傷進(jìn)一步發(fā)展的療法。通過(guò)飲食調(diào)整、添加益生元或益生菌治療生態(tài)失調(diào)以限制神經(jīng)損傷的發(fā)展，可能是一種低成本、高效益、無(wú)害的解決方案，值得進(jìn)一步深入研究。