腸道菌群及其代謝物在腦卒中后認知障礙發(fā)病機制中的研究進展

田海濤，楊云紅，李文俊，姬燕梅，孫嫄，郭妮，金醒昉

昆明醫(yī)科大學附屬延安醫(yī)院中心實驗室，昆明 650051

卒中是導致成人死亡和殘疾的主要原因之一［1］，隨著社會的進步和人口老齡化的加劇，卒中發(fā)病率呈現(xiàn)出上升趨勢。2020年發(fā)布的《中國卒中報告》顯示，我國卒中患病率為1 114.8/10萬［2］。卒中不僅會導致偏癱、失語等肢體功能受限，還會引起認知功能障礙。研究顯示，約1/3的卒中患者會經(jīng)歷卒中后認知障礙（PSCI）［3］。PSCI嚴重影響患者的生活質量和生存時間，已成為腦血管疾病負擔沉重的主要原因及當下國際卒中研究的熱點和臨床干預重點［4］。卒中通過缺血缺氧導致腦結構損傷以及導致腦功能網(wǎng)絡異常，從而影響患者認知功能［5］。研究顯示，在PSCI患者外周血、腦脊液及PSCI動物腦組織中均發(fā)現(xiàn)IL-1β、IL-6等炎癥因子表達增加［6］，神經(jīng)炎癥已被證實是阿爾茨海默病（AD）及其他癡呆相關疾病所致認知障礙的一個重要特征；海馬等神經(jīng)元損傷、淀粉樣蛋白-β的沉積、神經(jīng)纖維軸索變性可能亦是導致PSCI發(fā)生、發(fā)展的關鍵病理因素［7］。但目前尚未發(fā)現(xiàn)PSCI特征性的病理表現(xiàn)，其發(fā)病機制亦尚未闡明。近年來，國內外研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群及其代謝物與神經(jīng)性疾病密切相關，即腸道菌群失調可能會加速認知障礙的進展?，F(xiàn)就PSCI與腸道菌群及其代謝物相關性的研究進展綜述如下。

1 腸道菌群失調導致PSCI

人類腸道中含有復雜而豐富的微生物群落，腸道中約含有100萬億個不同的微生物，統(tǒng)稱為腸道微生物群［8］。宿主及其自身腸道微生物群的共同進化導致了腸道和大腦之間復雜的生物通訊，微生物群可通過調節(jié)免疫反應、影響新陳代謝、影響神經(jīng)元及其信號傳導等參與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育和功能調節(jié)，已被發(fā)現(xiàn)與多種精神和神經(jīng)退行性疾病有關［9］。

在人體腸道菌群中，厚壁菌門、擬桿菌門占據(jù)主導地位［10］。LING等［11］在臨床研究中發(fā)現(xiàn)，PSCI患者與中風后非認知障礙患者相比的變形桿菌含量顯著增加，厚壁菌及其成員（包括梭狀芽胞桿菌、拉氏螺旋體）的豐度顯著降低。LIU等［12］研究發(fā)現(xiàn)，認知衰退的AD患者中厚壁菌門比例顯著降低。研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌菌株、沙門氏菌、志賀氏菌、幽門螺桿菌等產生外毒素破壞腸道上皮細胞完整性，通過切割細胞黏附分子E-鈣黏蛋白來破壞細胞間的緊密連接，使腸道通透性增強［13］，腸道免疫細胞產生炎癥最后損害血腦屏障功能促進神經(jīng)炎癥，進而導致神經(jīng)元損傷和死亡。上述研究表明腸道微生物群的改變可能在PSCI發(fā)病機制中產生關鍵作用。

2 腸道菌群代謝產物參與PSCI的發(fā)生、發(fā)展

越來越多的證據(jù)表明，腸道菌群組成和功能的改變被認為是腸道菌群生態(tài)失調，可以加速神經(jīng)系統(tǒng)疾病的進展。此外，腸道菌群將宿主攝入的飲食代謝成一系列代謝物，包括短鏈脂肪酸（SCFAs）、三甲胺N-氧化物和次級膽汁酸，通過參與機體諸多生理病理反應來參與PSCI的發(fā)生、發(fā)展。

2.1 SCFAs缺乏加劇PSCI SCFAs，如丁酸鹽、丙酸鹽和醋酸鹽，是腸道微生物發(fā)酵的最終產物［14］。丁酸鹽主要來源于糞便桿菌，其可以啟動腸道上皮細胞中β-氧化恢復腸道中的氧氣平衡，并增強脂肪酸氧化、電子轉運及氧化應激水平，在維持腸道屏障的完整性方面起重要作用［13，15-16］。LIU等［17］研究發(fā)現(xiàn)，PSCI患者腸道中產生SCFAs的菌群明顯缺乏，糞便桿菌的減少導致丁酸鹽含量降低，損害了腸道屏障，導致細菌或內毒素入血，局部免疫反應加重并產生促炎細胞因子活化大腦中免疫細胞，從而產生神經(jīng)炎癥，加劇認知損害。

2.2 TMAO升高加重PSCI食糜中膽堿、磷脂酰膽堿和卵磷脂等物質經(jīng)腸道菌群作用后可產生氧化三甲胺（TMAO）。血漿TMAO水平升高已被發(fā)現(xiàn)與心肌梗死、卒中、死亡等不良心腦血管事件發(fā)生獨立相關［18］。研究發(fā)現(xiàn)，血漿TMAO水平升高與缺血性卒中后1年認知功能下降有關，TMAO可作為PSCI的預測生物標志物［19］。循環(huán)中升高的TMAO可透過血腦屏障誘導神經(jīng)元衰老和加重神經(jīng)炎癥和氧化應激來加速大腦認知障礙［20］。

2.3 次級膽汁酸水平影響PSCI宿主肝細胞從膽固醇中合成初級膽汁酸，進入胃腸道后腸道微生物群就會將它們化學修飾成次級膽汁酸［21］。研究表明，認知障礙患者肝臟來源的初級膽汁酸的血清水平降低，而血清中由細菌產生的次級膽汁酸水平升高，高水平次級膽汁酸可能通過改變血腦屏障的通透性進入大腦，影響大腦生理和新陳代謝［22-23］。目前，膽汁酸在PSCI中的研究較少，部分研究支持其充當神經(jīng)類固醇物質，表現(xiàn)為在腸-腦通信軸發(fā)揮作用，需要在人類和動物研究中進一步證實。

3 腸腦軸——微生物導致PSCI的“橋梁”

PSCI發(fā)病機制迄今尚未闡明。目前已證明微生物群-腸道-大腦軸可作為腸道微生物群和大腦之間相互影響的中介。即腸道菌群可通過神經(jīng)免疫、神經(jīng)內分泌以及迷走神經(jīng)等“雙向腦腸信號”與中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）進行信息交流［9］。小膠質細胞是CNS最豐富的常駐先天免疫細胞，具有抗原呈遞、吞噬和調節(jié)神經(jīng)炎癥的作用，在腸-腦間的免疫反應中占據(jù)主導地位［24］。同時，腸-腦間的交流有微生物或其衍生的分子如SCFAs和TMAO等參與，微生物群還可獨立產生或參與產生許多神經(jīng)活性分子，包括γ-氨基丁酸（GABA）、5-羥色胺（5-HT）和乙酰膽堿等，它們通過激活相關受體或影響迷走神經(jīng)傳入的神經(jīng)信號來誘導中樞反應，進而引起宿主大腦功能改變［25］。這可能是PSCI發(fā)生的重要機制。

3.1 小膠質細胞介導神經(jīng)炎癥機體大腦發(fā)生缺血缺氧時小膠質細胞在CNS被激活，遷移到炎癥部位分泌細胞因子、趨化因子和活性氧等促進突觸可塑性改變，加重神經(jīng)損傷［26］。腸道微生物組在調節(jié)小膠質細胞成熟和功能方面起關鍵作用［27］。在ERNY等［28］研究中，菌群代謝物SCFAs可調節(jié)參與小膠質細胞成熟的基因。研究表明，與缺乏內源微生物區(qū)系的無菌小鼠相比，腸道中定植了雙歧桿菌、唾液乳桿菌和梭狀芽胞桿菌群后，成年無特定病原體級小鼠小膠質細胞轉變?yōu)槌墒斓男∧z質細胞表型；而使用抗生素消耗微生物群后小膠質細胞轉變?yōu)槲闯墒毂硇?，表明微生物群落似乎是小膠質細胞正常發(fā)育和功能的先決條件［28-29］。腸道微生物通過小膠質細胞在PSCI等認知障礙性疾病發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用。

3.2 神經(jīng)遞質參與大腦活動腸道微生物可誘導宿主產生代謝物和神經(jīng)遞質介導腸-腦信號傳導［9］。研究表明，腸道微生物群在GABA、5-HT和乙酰膽堿等腦神經(jīng)遞質的合成中起重要作用，而這些遞質的合成途徑在腦的神經(jīng)元活動和認知功能中發(fā)揮重要作用。最近研究發(fā)現(xiàn)，GABA是脆弱芽孢桿菌產生的主要生長因子，副桿菌、真細菌和雙歧桿菌能合成GABA［30］。GABA功能降低引起的異常神經(jīng)活動可能導致大腦代償性改變和興奮性毒性，其功能降低引起前額葉和海馬異常神經(jīng)活動導致臨床相關的認知缺陷［31］。

乙酰膽堿被證實可在植物乳桿菌、枯草芽孢桿菌、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等多種菌群產生［32］。外周來源的膽堿可通過毛細血管內皮細胞上的載體轉運至大腦，調節(jié)大腦皮層中的高階認知功能［33］。目前研究發(fā)現(xiàn)，乙酰膽堿水平在大腦的生理和病理中起重要作用，但對其調節(jié)各種皮質細胞類型和神經(jīng)突觸連接方式仍有待研究。

臨床研究證明，遺忘性輕度認知障礙和AD患者色氨酸代謝途徑中5-HT前體（5-HTP）的減少與認知障礙呈正相關［34］。葡萄球菌芳香族氨基酸脫羧酶將前體5-HTP脫羧為5-HT，因此在葡萄球菌中可檢測到5-HT的產生［35］。5-HT6受體是一種G蛋白偶聯(lián)受體，主要位于中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元的初級纖毛中，5-HT與其結合激活腺苷酰環(huán)化酶引起偶聯(lián)反應控制神經(jīng)元遷移和分化等神經(jīng)發(fā)育過程［36］。由此可知，5-HT的合成由腸道微生物調節(jié)，通過腸道菌群調節(jié)神經(jīng)遞質5-HT的合成進而調控中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能，可能會對改善PSCI認知功能有一定益處。

3.3 迷走神經(jīng)傳導腸-腦信號迷走神經(jīng)是第10顱神經(jīng)，是連接腸道和大腦的最快、最直接的路線。由于傳入迷走神經(jīng)上表達的受體種類繁多，根據(jù)受體的位置和類型，迷走神經(jīng)容易接受如細菌代謝產物、腸道激素或神經(jīng)遞質等物質的調控［37］。

最近研究表明，微生物群通過腸腦間回路調節(jié)交感神經(jīng)元［38］。在LEE等［39］研究中，一種名為Paenalcaligenes hominis腸道細菌所分泌的細胞外囊泡可通過迷走神經(jīng)進入大腦，導致小鼠認知功能受損?？梢?，局部胃腸道微生物及其代謝物刺激腸道自主神經(jīng)，使其感覺信息直接向大腦發(fā)出信號。盡管有大量證據(jù)表明迷走神經(jīng)是微生物組向大腦信號傳導的渠道，但到目前為止，還不能詳細繪制微生物群-腸道-腦軸線下的神經(jīng)元網(wǎng)絡，并且需要更多的研究來解開這些回路。

總之，腸道微生物群通過腸腦軸在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的致病機制中發(fā)揮重要作用。腸道細菌釋放的代謝物、分子和內毒素可通過血流影響神經(jīng)遞質及其前體在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的表達，亦可介導神經(jīng)免疫細胞炎癥反應或是干涉神經(jīng)元及其信號傳導共同影響大腦功能和認知行為。因此，針對微生物-腸-腦軸來制訂腸道微生物群治療策略，可能為PSCI提供一種新的、安全有效的治療選擇。

綜上所述，腸道菌群與卒中后認知功能障礙的相關性已逐漸引起關注，但腸道和大腦之間復雜交流機制仍需不斷探索。對于PSCI，開發(fā)靶向病原體的新型抗生素來調節(jié)腸道菌群結構進而改善認知功能或是一種新的研究思路，但尚需要進一步研究。