腸-腦軸在腦缺血中作用的研究進展

楊赫，唐強，陳秋欣

1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)，黑龍江哈爾濱市 150040；2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第二醫(yī)院，黑龍江哈爾濱市 150001；3.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院，黑龍江哈爾濱市 150040

腸道菌群與許多腦卒中危險因素有關(guān)，如高血壓、糖尿病、動脈粥樣硬化、衰老、血管功能障礙和肥胖[1]。急性腦卒中患者繼發(fā)胃腸道并發(fā)癥的預(yù)后不佳，死亡率和致殘率增加。老年患者腦卒中后腸道生態(tài)失調(diào)或腸源性膿毒癥的發(fā)生率越來越高[2]。

腸道有腸神經(jīng)系統(tǒng)(enteric nervous system,ENS)，神經(jīng)元數(shù)超過1 億個，比所有外周神經(jīng)節(jié)結(jié)合的神經(jīng)元數(shù)還要多。許多神經(jīng)疾病有胃腸道癥狀，且通常先于中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀出現(xiàn)，有學(xué)者稱其為人類的“第二大腦”[3]。腸道菌群多樣性的喪失導(dǎo)致腸道生態(tài)失調(diào)，誘發(fā)疾病[4]。臨床和動物研究均表明[5]，腸道微生物群的快速變化可能是影響重傷預(yù)后的重要標(biāo)志。利用微生物相關(guān)技術(shù)調(diào)控腸道可能間接降低腦卒中的風(fēng)險，為腦缺血的預(yù)防和治療提供新的思路[5]。

1 腦卒中后腦與腸的溝通

1.1 腸-腦軸

腸-腦軸不是一個線性系統(tǒng)，而是通過多種途徑交流的循環(huán)反饋環(huán)路[6]，涉及中樞神經(jīng)系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)、ENS 和下丘腦-垂體-腎上腺軸[7]；信號涉及血清素、乙酰膽堿、谷氨酸、γ-氨基丁酸、短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFA)和長鏈脂肪酸、組胺、激素、細胞因子等。最常見的途徑是激活迷走神經(jīng)ENS[8]。研究表明[9]，腸內(nèi)分泌細胞依賴迷走神經(jīng)感覺神經(jīng)元突觸，釋放谷氨酸，激活迷走神經(jīng)，并向大腦發(fā)出微生物變化的信號。腦與腸道間的相互作用也可能發(fā)生在大腦和免疫系統(tǒng)之間(因為腸道擁有人體大部分免疫細胞)，以及大腦和內(nèi)分泌系統(tǒng)之間。

1.2 腸道菌群失調(diào)

腸道免疫穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)涉及腸道微生物群，包括一系列細菌及其衍生物，與腸上皮細胞、單核吞噬細胞、先天淋巴細胞、樹突細胞和T 或B 淋巴細胞有關(guān)[10]。病理狀態(tài)下，共生細菌打破宿主體內(nèi)免疫平衡，發(fā)生微生物失衡，這一現(xiàn)象被稱為失調(diào)。將失調(diào)的腦卒中微生物群移植到無菌小鼠體內(nèi)，會加劇大腦中動脈閉塞(middle cerebral artery occlusion,MCAO)，且動物的后續(xù)腦損傷都與腸源性促炎T 淋巴細胞(TH1和TH17表型)向腦梗死部位的遷移、增加有關(guān)[11]。Benakis等[12]發(fā)現(xiàn)，腸道菌群和腦膜白細胞介素(interleukin,IL)-17+γδT 細胞對缺血性損傷有負面影響。研究還顯示[13]，腸道菌群改變小鼠缺血性腦損傷狀態(tài)。Winek 等[14]用抗生素預(yù)處理小鼠腦卒中模型，腦卒中后小鼠死亡率更高；而有復(fù)雜腸道微生物群的小鼠存活率更高。腸道微生物群門類豐富，包括厚壁菌門、擬桿菌門和放線菌門，它們在腦卒中后顯著減少[14]。

1.3 腦缺血和腸道菌群

一些研究顯示[15-16]，腦損傷可能對腸道菌群組成產(chǎn)生影響，腦卒中和短暫腦缺血發(fā)作患者的糞便細菌數(shù)和有機酸濃度發(fā)生顯著變化，這些變化與缺血性腦卒中代謝和炎癥標(biāo)志物水平相關(guān)。腦缺血后，交感神經(jīng)系統(tǒng)活性增高，激活黏膜微生物群。實驗性腦卒中刺激自主神經(jīng)釋放去甲腎上腺素，改變盲腸區(qū)與損傷程度相關(guān)的消化球菌科和普雷沃氏菌科[17]。Stanley 等[18]發(fā)現(xiàn)，腦卒中引起人類黏蛋白降解菌豐度增加，梭菌屬物種增加。應(yīng)用宏基因組學(xué)技術(shù)進行核酸測序[19]，可分析腦卒中誘發(fā)的黏膜微生物群，發(fā)現(xiàn)其與感染性疾病、膜轉(zhuǎn)運和異生素降解關(guān)系密切[18]。腦卒中后并發(fā)感染的患者，通過糞便治療性移植共生細菌[20]，可改善菌群失調(diào)，影響預(yù)后[21]。

2 腦缺血后腸-腦軸的免疫調(diào)節(jié)

2.1 炎癥

腦缺血，特別是急性腦缺血，會使區(qū)域腦血流中斷，引起血腦屏障破壞，導(dǎo)致外周白細胞遷移并滲透到梗死部位[22]。這些白細胞可以激活小膠質(zhì)細胞，啟動炎癥級聯(lián)反應(yīng)，釋放一系列炎癥介質(zhì)，產(chǎn)生組織損傷。炎癥反應(yīng)不僅局限于早期局部腦組織，也會誘導(dǎo)非特異性和全身性炎癥反應(yīng)，其主要原因是腦組織壞死，而不是通常意義上的感染[23-24]。

2.2 內(nèi)毒素

腸黏膜損傷可能是腦缺血患者細菌和內(nèi)毒素暴露和移位的原因[25]。在腦缺血患者外周組織中發(fā)現(xiàn)大量細菌增殖，細菌從腸道轉(zhuǎn)移到脾、肝和肺[26]。這種損傷可能導(dǎo)致腸道毛細血管通透性升高：廣泛的上皮與絨毛分離，上皮壞死，固有層破損、出血和潰瘍形成[27]。

2.3 抗炎

腦缺血后，腸道γδT 細胞活化。γδT 細胞在腸道豐集，腦卒中后流向腦膜，遷移到損傷部位，加劇腦損傷或發(fā)揮保護作用[12]。Vogelgesang 等[28]發(fā)現(xiàn)，腦缺血后12 h，外周血T 細胞百分比和絕對值明顯下降，同時CD4+和CD8+T 細胞亞群數(shù)量減少。腸道T 淋巴細胞有促炎和抑炎兩種作用。分泌促炎細胞因子(如IL-17)的T 細胞在損傷部位吸引嗜中性粒細胞和單核細胞，在實驗性腦缺血中，γδT 細胞產(chǎn)生的IL-17 加重促炎反應(yīng)[22-29]；而損傷部位中CD4+-CD25+-Foxp3+調(diào)節(jié)性T細胞(Treg)的激活和遷移，對腦缺血損傷起保護作用[30-31]。Treg細胞來源于幼稚CD4+細胞相同譜系。Liesz 等[32]發(fā)現(xiàn)，Treg細胞缺失后，腦卒中模型動物中駐留和侵襲性炎癥細胞(包括小膠質(zhì)細胞和T 細胞)活化增強。Treg細胞能表達轉(zhuǎn)錄因子Foxp3，并分泌抗炎細胞因子IL-10，抑制免疫反應(yīng)，提示Treg細胞在抑制缺血后炎癥中發(fā)揮作用。在腦卒中晚期，腸系膜淋巴結(jié)中的樹突細胞促進Treg細胞向腸道遷移，抑制IL-17+γδT細胞分化，減少γδT細胞向腦遷移。同時，抗炎細胞因子IL-10 上調(diào)，減少γδT 細胞從腸道向腦膜的遷移，導(dǎo)致IL-17表達下調(diào)，從而發(fā)揮腦保護作用。

綜上所述，腸道微生物群是啟動腦損傷神經(jīng)炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[33]，對腦卒中病情發(fā)展至關(guān)重要。根據(jù)腸道菌群激活的免疫反應(yīng)不同，對腦卒中預(yù)后可能是有害的，也可能是有利的。腸-腦軸的T 細胞穩(wěn)態(tài)、Treg/TH17比值和腸淋巴細胞向腦的遷移，都可能降低腦梗死損害，加速腦康復(fù)[12]。

3 糞菌移植

調(diào)控腸道微生物群可能改善腦缺血的預(yù)后。糞菌移植是將健康人糞便中的細菌移植到腦缺血患者的腸道中。糞便菌群雖不能完全等同于腸道菌群，但大體相似。常用的糞菌移植有兩種方法：一是經(jīng)鼻-十二指腸，將菌液注入；另一種是通過腸鏡注入。

糞菌移植尚處于臨床試驗階段，可能有一些副作用，包括細菌性血液感染、胃腸脹氣、腹痛、痙攣、惡心和發(fā)熱等。糞菌移植使腦損傷引起的生態(tài)失調(diào)正常化，并改善腦卒中預(yù)后；減少病灶大小，與外周免疫系統(tǒng)和調(diào)節(jié)T 細胞擴增有關(guān)[11]。Chen 等[34]發(fā)現(xiàn)，缺血性腦卒中后，腸內(nèi)SCFA 水平降低；移植富含SCFA 的糞便細菌，調(diào)整腸道菌群并補充丁酸，是治療缺血性腦卒中的有效方法。Singh 等[11]將腦卒中小鼠的糞便轉(zhuǎn)移到無菌小鼠時，導(dǎo)致促炎細胞水平增加；這些細胞在病變處浸潤，這表明腦損傷的過程中存在免疫機制。Spychala等[35]發(fā)現(xiàn)，在老年小鼠中建立年輕的微生物群，在缺血性腦卒中后會對預(yù)后產(chǎn)生積極影響；在老年小鼠中建立老年菌群則對腦卒中預(yù)后產(chǎn)生負面影響。

4 小結(jié)

目前對腸道菌群的作用尚缺乏透徹理解，腸道菌群產(chǎn)物可能直接或間接參與腸道與大腦的溝通。盡管腸道炎癥和免疫細胞的組成和分布在不同動物和人類之間相似，但基于動物研究的結(jié)果是否適用于人類仍需探討。有必要加深對神經(jīng)疾病中腸-腦軸的研究，探討腸-腦軸與神經(jīng)疾病間的關(guān)聯(lián)。

腸-腦軸的確切分子機制仍有待進一步研究[36]。卒中后血腦屏障改變、腸道炎癥和免疫反應(yīng)，以及腦卒中后生態(tài)失調(diào)是腦卒中動物研究的重要對象。在腦卒中患者中，腸道引起的炎癥和免疫反應(yīng)，以及腦卒中后生態(tài)失調(diào)的變化仍然令人困惑。目前，糞便微生物群移植正在探索中，以糞菌移植為代表的臨床治療可能是革命性的，以腸道微生物的可塑性調(diào)節(jié)腦功能重組是有前途的治療方法。