腸道菌群與卒中后肺炎相關(guān)性的研究進(jìn)展

隋冉冉，山要中，趙興軍，陳南南，劉鳳榮，逄錦晶

急性缺血性卒中和腦出血每年影響全世界數(shù)百萬人，感染是卒中后最常見的并發(fā)癥，肺炎和尿路感染多見，卒中后肺炎可惡化神經(jīng)系統(tǒng)癥狀并增加死亡率[1]。研究表明，預(yù)防性使用抗生素減少了整體感染，但并沒有改善卒中的臨床結(jié)局[2]。卒中后誘導(dǎo)的免疫抑制與卒中后感染密切相關(guān)，已報道的機制有交感神經(jīng)系統(tǒng)介導(dǎo)的應(yīng)激反應(yīng)、下丘腦-垂體-腎上腺軸功能調(diào)節(jié)、免疫細(xì)胞中的炎癥小體信號傳導(dǎo)[3-5]。

卒中相關(guān)肺炎最常見的微生物是人類腸道典型的機會性細(xì)菌。腸道菌群的易位和傳播是卒中后肺炎的重要原因[6]。腸道和大腦通過神經(jīng)（中樞、自主、腸道神經(jīng)系統(tǒng)）、激素（內(nèi)分泌系統(tǒng)）、免疫（先天性和獲得性免疫系統(tǒng)）等途徑進(jìn)行雙向通信，這些途徑被稱為腸-腦軸（gut-brain axis，GBA），腸道菌群及其衍生物可通過調(diào)節(jié)GBA信號傳導(dǎo)影響大腦功能，同時卒中也可導(dǎo)致腸道運動功能障礙，增加腸道屏障通透性和腸道菌群及其代謝產(chǎn)物易位入血液，加重炎癥反應(yīng)[7]。因此，腸道菌群被認(rèn)為在卒中后肺炎中有重要作用。本文就腸道菌群與卒中后肺炎的相關(guān)性進(jìn)行綜述，以期促進(jìn)卒中后肺炎靶向治療策略的發(fā)展。

1 腸道菌群與卒中后肺炎

1.1 腸道菌群 腸道菌群是寄居于人體胃腸道內(nèi)數(shù)以億計的微生物群體，主要由細(xì)菌組成，其中98%的腸道菌歸屬于擬桿菌門（51%）、厚壁菌門（48%）、變形菌門和放線菌門四大細(xì)菌門，其他菌門數(shù)量相對較低[8]。腸道微生物可通過GBA調(diào)節(jié)人體的消化、代謝、免疫和神經(jīng)功能，從而維持機體穩(wěn)態(tài)。此外，腸道菌群是T細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的中心調(diào)節(jié)器，在免疫系統(tǒng)成熟中起重要作用。腸道微生物產(chǎn)生必需的生物活性代謝物，如短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）、亞硝酸鹽、氧化三甲胺（trimethyl amine N-oxide，TMAO）、吲哚和硫化氫等，這些代謝產(chǎn)物可影響心腦血管系統(tǒng)，如SCFA具有免疫調(diào)節(jié)和神經(jīng)活性特征[9-10]，可通過組蛋白乙酰化相關(guān)的表觀遺傳改變、細(xì)胞增殖和G蛋白耦聯(lián)受體激活等多種機制調(diào)節(jié)宿主細(xì)胞的生理功能；TMAO水平增高可以增加內(nèi)皮活性氧的產(chǎn)生，減弱內(nèi)皮介導(dǎo)的血管舒張作用，與動脈粥樣硬化型缺血性卒中、卒中后并發(fā)癥呈正相關(guān)[11]。

1.2 卒中后肺炎的病原體可能源于宿主內(nèi)部 既往研究顯示，雖然卒中后感染的發(fā)病率很高，但識別病原體較困難。有研究成功在卒中后感染患者的血液、尿液或痰中培養(yǎng)出致病菌，其中有70%是人類腸道內(nèi)的共生菌（腸球菌、大腸桿菌和摩氏摩根菌）[12]。為了確定卒中后感染是通過宿主（內(nèi)源性）還是環(huán)境（外源性）獲得的而進(jìn)行的小鼠腦缺血-再灌注損傷模型研究結(jié)果顯示，特定病原體設(shè)施內(nèi)飼養(yǎng)的小鼠，使小鼠體存在該病原體（簡稱SPF小鼠），在卒中發(fā)作后24 h內(nèi)的肺組織中培養(yǎng)出該病原體，且SPF小鼠的肺勻漿分析顯示支氣管肺泡灌洗液中細(xì)胞數(shù)量增加、肺部中性粒細(xì)胞浸潤顯著增加/肺水腫等肺炎的典型特征；但在出生和飼養(yǎng)過程中沒有接觸到任何活的微生物的小鼠，培養(yǎng)為體內(nèi)細(xì)菌缺失的無菌小鼠（簡稱GF小鼠），在卒中發(fā)作后肺組織中未培養(yǎng)出細(xì)菌。提示卒中后感染可能源于宿主內(nèi)部，而非環(huán)境。

1.3 腸道菌群失調(diào)加重卒中后肺炎 生理狀態(tài)下，腸道菌群維持機體動態(tài)平衡，但藥物、飲食、年齡、腸道動力異常及免疫功能障礙等可使腸道微生物的組成、多樣性和數(shù)量發(fā)生改變，出現(xiàn)腸道菌群失調(diào)[13]，從而導(dǎo)致GBA信號傳導(dǎo)障礙，影響腸道免疫和神經(jīng)免疫狀態(tài)，促發(fā)炎癥反應(yīng)。一項缺血性卒中小鼠模型研究顯示，卒中后小鼠肺組織的微生物群增加，微生物計數(shù)增多，回腸和結(jié)腸的微生物數(shù)量明顯減少，表明在腸腔內(nèi)有細(xì)菌菌株的消耗或者在卒中后有細(xì)菌從腸腔內(nèi)轉(zhuǎn)移到肺中[14]。有研究在使用Source Tracker算法揭示卒中后小鼠肺部播撒微生物群落的可能來源時發(fā)現(xiàn)，卒中后小鼠肺微生物群中約50%的細(xì)菌群落來自盲腸和大腸[15]。通過16S核糖體RNA（16S rRNA）基因測序鑒定分離菌落的研究結(jié)果顯示，卒中后肺組織中大腸桿菌、志賀菌、多種鏈球菌、乳酸桿菌、納斯達(dá)短波單胞菌和sciuri葡萄球菌豐度顯著升高，而上述菌株均是可導(dǎo)致嚴(yán)重或致命性肺炎的機會性致病菌[16-17]。

2 腸道菌群與卒中后肺炎相關(guān)性機制

2.1 腸道功能障礙與卒中后肺炎

2.1.1 卒中后腸道功能障礙 胃腸道功能障礙是腦損傷患者的常見并發(fā)癥，實驗大鼠創(chuàng)傷性腦損傷在損傷后3 h內(nèi)可出現(xiàn)嚴(yán)重的黏膜萎縮和腸上皮細(xì)胞緊密連接斷裂，并可持續(xù)7 d[18]。腸上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞通過細(xì)胞間連接復(fù)合物緊密結(jié)合在一起，細(xì)胞間連接復(fù)合物調(diào)節(jié)細(xì)胞旁通透性，對上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞屏障的完整性至關(guān)重要[19]。卒中可降低腸道屏障的上皮間質(zhì)阻力，使上皮細(xì)胞間緊密連接間隙增大，出現(xiàn)腸上皮屏障功能障礙。

腸道上皮屏障的改變可使腸道內(nèi)細(xì)菌或細(xì)菌產(chǎn)物易位，促進(jìn)炎癥發(fā)生[14]。在回腸中，缺血性卒中上調(diào)先天免疫應(yīng)答相關(guān)基因的表達(dá)（如補體途徑），下調(diào)趨化因子途徑。通路分析顯示缺血性卒中誘導(dǎo)可使補體級聯(lián)反應(yīng)和核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）通路上調(diào)，并使凋亡通路下調(diào)，提示缺血改變了上皮細(xì)胞死亡和再生之間的正常平衡。缺血不改變回腸CX3CR1+巨噬細(xì)胞的數(shù)量，但細(xì)胞類型特征基因的表達(dá)分析顯示巨噬細(xì)胞相對樹突狀細(xì)胞的激活增加，更有利于局部固有免疫應(yīng)答?？傊@些發(fā)現(xiàn)表明卒中后腸道屏障功能障礙加重了炎癥反應(yīng)。

2.1.2 交感神經(jīng)調(diào)節(jié)對腸道通透性和卒中后肺炎的影響 腸黏膜高度受內(nèi)源性（腸內(nèi)）和外源性（交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)）神經(jīng)纖維支配，這些神經(jīng)纖維可調(diào)節(jié)腸道功能[20]。對回腸黏膜下神經(jīng)叢神經(jīng)元密度的定量分析顯示卒中后小鼠有顯著的神經(jīng)元丟失，進(jìn)一步分析特異性神經(jīng)元亞群（VIP+、NPY+、TH+、ChAT+和nNOS+），發(fā)現(xiàn)黏膜下膽堿能ChAT+細(xì)胞缺失，腎上腺素能神經(jīng)元和膽堿能神經(jīng)元的比值從假手術(shù)小鼠的4∶10變化到卒中后小鼠的6∶10，提示腸道黏膜下神經(jīng)叢腎上腺素能和膽堿能信號轉(zhuǎn)導(dǎo)失衡。膽堿能信號通路的減少已被證明能刺激促炎癥免疫反應(yīng)，而膽堿能信號通路的激活可阻止創(chuàng)傷性腦損傷誘導(dǎo)的腸道和腦血管通透性增加[21-23]。已有研究證明卒中后腎上腺素能可介導(dǎo)全身免疫抑制，用普萘洛爾或美托洛爾抑制β-腎上腺素能受體可恢復(fù)卒中誘導(dǎo)小鼠的腸道通透性，使卒中后小鼠的肺、肝和脾中檢測到的細(xì)菌數(shù)量顯著減少，減輕炎癥反應(yīng)[3]。

2.2 腸道代謝產(chǎn)物與卒中后肺炎 膽汁酸（bile acid，BA）是具有抗菌活性和免疫及腸道屏障調(diào)節(jié)功能的腸道菌群代謝產(chǎn)物[24]。肝臟一級BA由膽固醇合成，由腸道微生物代謝生成二級BA，二級BA主要通過門靜脈返回肝臟[25]。缺血后BA代謝異常，使回腸中Cyp27a1 mRNA、肝臟中甾體5-β-還原酶醛酮還原酶家族1成員D1（aldo-keto reductase family 1 member D1，AKR1D1）mRNA的表達(dá)增加，AKR1D1參與膽固醇代謝和皮質(zhì)醇代謝的替代途徑，加重了卒中后應(yīng)激反應(yīng)。此外，缺血降低了盲腸內(nèi)二級和一級BA含量，可促進(jìn)致病性共生微生物的過度生長[26]，從而促進(jìn)卒中后肺炎的發(fā)生。

研究表明產(chǎn)丁酸鹽腸道厭氧細(xì)菌的豐度較低是卒中后感染的一個獨立預(yù)測因子[27-28]，進(jìn)一步證明了腸道微生物在抵抗感染方面的重要性。丁酸鹽可增強體外單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的抗菌活性[29]，并增加體內(nèi)細(xì)胞對呼吸道病原體的抗菌耐藥性[30]。丁酸的免疫調(diào)節(jié)能力歸因于其抑制循環(huán)白細(xì)胞內(nèi)的組蛋白去乙酰化酶和mTOR信號通路的潛能，提供宿主對入侵病原體的平衡反應(yīng)[31]?？傊?，產(chǎn)丁酸鹽腸道細(xì)菌的減少與卒中及其相關(guān)感染有關(guān)。

2.3 腸道細(xì)菌易位與卒中后肺炎 卒中后小鼠肺中選擇性共生細(xì)菌相對豐度的增加表明卒中導(dǎo)致宿主體內(nèi)對腸道菌群的免疫或屏障防御系統(tǒng)受損。一項將共生菌糞腸球菌灌胃至GF小鼠，觀察其在卒中誘導(dǎo)后的易位和傳播情況的研究表明：在糞腸桿菌定植24 h后，卒中誘導(dǎo)的GF小鼠的糞腸球菌轉(zhuǎn)位和播散到周圍組織，包括肺、肝、脾[35]。此外，一項將大腸桿菌菌株ATCC700927（編號32）灌胃至SPF小鼠的實驗表明，卒中后小鼠的血液及肺組織顯示標(biāo)記大腸桿菌培養(yǎng)陽性[36]。這些接種實驗提供了卒中后宿主腸道菌群移位可引起卒中后感染的證據(jù)。

值得注意的是，任何來自腸道的病原體在進(jìn)入體循環(huán)之前，都有可能通過門靜脈被肝臟過濾。從腸道到肝臟的血液供應(yīng)通過蜂窩狀的肝竇滲透，其中血液流動減慢，從而使血源性抗原最大限度地暴露在肝臟細(xì)胞中[6]。卒中后細(xì)菌向肺的傳播可能有多種途徑，包括直接從小腸或間接從腸道經(jīng)肝臟傳播。然而，細(xì)菌易位和傳播的機制是復(fù)雜的，且很大程度上是未知的。

3 腸道菌群調(diào)節(jié)在卒中后肺炎中的治療效果

動物實驗和臨床研究結(jié)果表明，腸道菌群的易位和傳播可能是卒中后感染的原因。因此，通過使用益生元、益生菌、合生元和來自正常供體的糞便細(xì)菌移植（fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT）來調(diào)節(jié)腸道菌群的健康狀態(tài)以預(yù)防和治療卒中后感染有望成為新的治療策略[32]。動物實驗發(fā)現(xiàn)，在卒中小鼠模型中，每天口服益生菌混合物（短雙歧桿菌、干酪乳桿菌、嗜酸乳桿菌和保加利亞乳桿菌），共14 d，可減輕小鼠肺炎的嚴(yán)重程度并顯著改善神經(jīng)功能缺損癥狀[33]。在卒中誘導(dǎo)模型中，F(xiàn)MT可減小病灶體積，減輕卒中后感染等并發(fā)癥，改善卒中預(yù)后[34]。宏基因組學(xué)分析表明，F(xiàn)MT使卒中引起的腸道菌群失調(diào)正?；?，并部分恢復(fù)了嚴(yán)重梗死小鼠的腸道微生物多樣性。盡管上述研究表明益生菌、益生元和FMT有助于在卒中患者中建立良性循環(huán)，但FMT臨床應(yīng)用的不良反應(yīng)還不明確，其有益作用的確切機制在很大程度上仍然是未知的，應(yīng)進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

腸道菌群被認(rèn)為是卒中后感染的新途徑，卒中后感染與來自宿主腸道微生物群的選擇性菌株的傳播有關(guān)，這些菌株可能在易位后具有致病性。卒中干擾了體內(nèi)平衡的神經(jīng)免疫代謝網(wǎng)絡(luò)，使腸道上皮屏障抗性降低、腸道內(nèi)補體和NF-κB激活、腸道調(diào)節(jié)性T細(xì)胞數(shù)量減少、腸道淋巴細(xì)胞向γδT細(xì)胞和輔助性T細(xì)胞1/輔助性T細(xì)胞17表型轉(zhuǎn)移，增加腸道通透性，損害宿主抗菌能力和腸道屏障，促進(jìn)共生細(xì)菌的移位和傳播。總之，腦、免疫系統(tǒng)、腸道微生物之間的雙向通信突出了卒中后微生物系統(tǒng)相互作用的復(fù)雜性，其相互作用的機制仍需進(jìn)一步研究。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突。