腸道菌群與血管性認知損害

段雅鑫， 裴晗蕾， 趙 巖， 成斯琪綜述， 呂佩源,3審校

血管性認知損害(vascular cognitive impairment,VCI)是由血管危險因素、顯性或隱性腦血管病引起的從輕度VCI到血管性癡呆(vascular dementia,VD)的一類綜合征。相關數據顯示，VD占所有癡呆類型的15%～30%，為僅次于阿爾茨海默病的第二大癡呆類型[1]，嚴重影響了患者的生活質量，且給家庭和社會帶來巨大經濟壓力。但目前VCI仍缺乏客觀診斷標志物及有效治療策略，其防治主要通過對VCI的可控危險因素的早發現和早干預。

腸道菌群(gut microbiota,GM)是對寄居于腸道內的細菌、真菌、古細菌、病毒和原生動物等微生物的統稱，其編碼的基因數量是人類基因的150～200倍，被稱為人體“第二基因組”[2]。GM能產生多種代謝物，目前對短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)、三甲胺-N-氧化物(trimethylamine-N-oxide,TMAO)和脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)研究較廣。SCFAs是GM發酵多糖的代謝產物，主要包括乙酸、丙酸和丁酸。TMAO是GM將食物中的膽堿、肉堿代謝成三甲胺，經門靜脈被肝黃素單加氧酶3代謝所形成的。LPS是革蘭氏陰性(G-)菌細胞壁的主要成分，由G-菌裂解產生。GM及其代謝物參與了消化、代謝、炎癥及免疫等多項生命活動，還可能作為腸道和大腦間雙向交流的重要調控因子通過菌群-腸-腦軸影響大腦的生理、行為和認知。近年來的研究顯示，GM與VCI及其危險因素關系密切。現就GM與VCI及其危險因素的關系進行探討，以期為VCI的診斷及防治提供新思路。

1 GM與VCI

卒中后認知損害(post-stroke cognitive impairment,PSCI)是VCI中研究最多的亞型。Liu等[3]發現，PSCI患者GM及其代謝物發生改變：α多樣性顯著降低，梭菌增多而產SCFAs的GM減少，并提出GM及SCFAs能在卒中后早期準確預測3個月或更長時間的PSCI。Zhu等[4]對256名急性缺血性卒中患者進行的研究顯示，較高水平的血漿TMAO是PSCI的獨立預測因子。最近，Ling等[5]分析了175例卒中患者的GM組成發現，卒中后并發認知功能損害和抑郁(post-stroke comorbid cognitive impairment and depression,PSCCID)患者與非PSCCID患者相比，變形菌門豐度增加，包括γ變形菌門、腸桿菌門和腸桿菌科，而產生SCFAs的GM豐度減少，且γ變形菌門和腸桿菌科的豐度與蒙特利爾認知評估測試評分呈負相關，進一步提示GM的變化可能與VCI嚴重程度有關。Saji等[6]的研究表明，GM與腦小血管病(cerebral small vessel disease,CSVD)影像標志的存在獨立相關，尤其是腦白質病變(white matter lesions,WML)，而CSVD可能是GM與VCI間的中介。

GM經菌群-腸-腦軸影響大腦，直接參與VCI。首先，GM能通過迷走神經和腎上腺素能神經激活、神經遞質產生及腸內分泌細胞神經肽合成和釋放等多種方式影響外周和中樞神經系統(central nervous system,CNS)的活動;第二，GM能調節下丘腦-垂體-腎上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal,HPA)軸，HPA軸激活引起的皮質醇釋放可調節神經膠質細胞的激活狀態，而神經膠質細胞的過度活化會影響腦網絡;第三，GM能通過改變血液中細胞因子水平影響免疫系統，從而影響CNS并改變腦功能。同時，GM還能通過影響VCI的危險因素間接參與VCI。

2 GM與VCI的危險因素

2.1 GM與高血壓 高血壓是卒中最重要的危險因素，也是VCI的可控危險因素。Yang等[7]發現，高血壓患者GM多樣性、豐度顯著降低，條件致病菌過度生長，而與維持腸道穩態相關的GM減少，并且腸道中厚壁菌門與擬桿菌門比值(Firmicutes/Bacteroidetes ratio,F/B)升高。Liu等[8]的研究表明，GM數量與高血壓嚴重程度強相關。最近一項Meta分析表明，益生菌干預GM能適度改善高血壓[9]。

GM可能通過多種途徑影響血壓。首先，GM的變化會通過腸道中的神經末梢向上傳遞，Santisteban等[10]在自發性高血壓大鼠(spontaneously hypertensive rats,SHR)中觀察到腸道至涉及血壓調節的大腦區域的神經通路有所改變，腸神經元通訊增強，GM還能通過影響酪氨酸代謝，改變神經遞質，造成交感神經功能損害使血壓升高。其次，GM是高血壓相關氧化應激(oxidative stress,OS)、炎癥及免疫反應的調節劑。Toral等發現接受高血壓患者糞便菌群移植(fecal microbiota transplantation,FMT)的大鼠主動脈內皮依賴性舒張受損，這與主動脈中測得的活性氧(reactive oxygen species,ROS)和NADPH氧化酶活性增加有關，ROS增加不僅會降低一氧化氮的生物利用度，還會促進血管炎癥，在SHR中觀察到GM失調導致活化的樹突細胞向腸系膜淋巴結(mesenteric lymph nodes,MLN)遷移，并在幼稚T細胞的活化中發揮作用，MLN和主動脈中促炎性Th17細胞和抗炎性Treg細胞比例失調，導致血管內皮功能障礙(endothelial dysfunction,ED)，產生高血壓[11]。此外，GM失調可能誘導GM代謝紊亂和腸道緊密連接蛋白異常表達，GM代謝物能通過腸屏障入血影響血壓。SCFAs與嗅覺受體78(Olfr78)結合可增加腎素分泌升壓，而與G蛋白偶聯受體41(GPR41)結合主要起降壓作用，但有研究指出Olfr78、GPR41和丙酸鹽反應后對血壓調節起反作用[12]。同時，SCFAs在維持腸屏障完整性、減少炎癥反應等方面也起重要作用。故SCFAs減少不利于控制血壓。TMAO參與血管緊張素(angiotensin,Ang)Ⅱ受體或AngⅡ類似的肽類激素的蛋白質加工，進而延長AngⅡ的升壓效應，增加高血壓易感性。LPS的循環和移位能識別并激活Toll樣受體(Toll-like receptor,TLR)4，啟動炎癥級聯反應，引發代謝性內毒素血癥，促進高血壓。但感染引起的高水平循環LPS也可導致敗血性休克和低血壓，因此LPS與血壓的關系還需進一步研究。

2.2 GM與糖尿病 糖尿病會加重顱內小動脈內膜纖維化、微血管玻璃樣變和動脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)，使腦血管狹窄、腦灌注減低，導致腦組織長期缺血缺氧，損傷神經元；還會導致OS反應，引起ED；加之糖尿病患者有更明顯的神經纖維纏結、腦淀粉樣血管病變及海馬萎縮，更易發生VCI。2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)是主要由胰島素抵抗(insulin resistance,IR)或胰島素分泌不足所致的慢性代謝性疾病，約占糖尿病的90%～95%。T2DM患者常伴中度GM失調，GM失調可作為預測T2DM的潛在臨床標志。研究發現，T2DM患者與健康對照相比厚壁菌門等產丁酸鹽的細菌、雙歧桿菌等益生菌減少，而擬桿菌、梭菌、大腸埃希菌和部分變形桿菌等條件致病菌、硫酸鹽還原菌增多，并發現B/F、普氏擬桿菌與腸球菌的比值與血糖水平正相關[13,14]。GM代謝物也將GM與T2DM聯系起來，其中SCFAs、膽汁酸、含硫氨基酸、吲哚衍生物和維生素等對T2DM患者有益，而潛在有害的代謝物包括支鏈氨基酸、LPS、苯酚、對甲酚、氨、胺類和甲烷等[15]。

GM可能通過以下機制引發T2DM：(1)GM能通過激活多種細胞核受體介導糖脂及能量代謝、影響膽汁酸分泌、抑制肝糖異生、促進胰島素分泌等。GM失調時，細胞核受體的調節功能發生紊亂，會誘導IR。另外，LPS增多引起的促炎因子釋放會導致胰島素受體底物-1異常磷酸化，也會出現IR而導致T2DM。(2)LPS引起的代謝性內毒素血癥、全身慢性低度炎癥和不斷積累的OS產物可能會導致胰島β細胞凋亡，使胰島素分泌不足而導致T2DM。(3)SCFAs能通過激活GPR促進腸L細胞分泌胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide,GLP-1)和酪酪肽。GLP-1能刺激胰島β細胞分泌胰島素，并促進胰島β細胞修復與再生，還能誘導中樞食欲抑制，并通過延遲胃排空產生飽腹感。酪酪肽可產生與GLP-1類似的作用，也參與了血糖的調節。當GM失調引起SCFAs減少時會導致血糖波動。

FMT已通過試驗應用于IR的治療，并取得了令人滿意的效果。還有研究顯示，通過間歇性禁食療法，增強了海馬中線粒體的生物發生和能量代謝基因的表達，使糖尿病小鼠的GM重構，可以改善IR及認知功能[16]。

2.3 GM與AS AS是多種血管性疾病的首要危險因素，受累動脈病變從內膜開始，在內膜損傷、炎性因子及趨化因子增加的基礎上出現脂質和復合糖類積聚，進而發生纖維組織增生、動脈中層平滑肌增厚和鈣化，隨著病情進展，病變血管狹窄或閉塞，引起該動脈供血區缺血或壞死，直接誘發顯性腦血管病。頸動脈AS會造成廣泛腦組織灌注不足，出現腦組織不同程度損害，患者的記憶力、注意力和執行力下降，是非卒中患者VCI的原因。有學者在AS斑塊中發現了GM的DNA，DNA含量與AS斑塊中白細胞數量正相關，并有助于斑塊穩定[17]。Emoto等[18]在AS患者中觀察到，擬桿菌門減少而乳桿菌增加。既往實驗證明，AS易感性能通過FMT傳播[19]。另外，有一種叫白藜蘆醇的藥物能通過調節GM降低AS風險。

GM主要通過3條途徑參與AS：(1)GM失調能激活免疫系統，導致促炎細胞因子和趨化因子增加，引發炎癥反應，促進斑塊生長或引發斑塊破裂。(2)GM可調節細菌膽鹽水解酶的表達進而改變膽汁酸的組成，并通過調節膽固醇、脂質的代謝而影響AS斑塊的形成。(3)GM代謝物對AS有多種作用，如膳食纖維能預防AS，而TMAO對AS有害，可能與以下機制有關：(1)TMAO通過抑制膽汁酸合成酶和膽汁酸轉運蛋白的表達，抑制膽汁酸合成和膽固醇逆向轉運，增加巨噬細胞中膽固醇蓄積并促進巨噬細胞清道夫受體的表達，促使泡沫細胞形成；也能通過上調血管細胞黏附分子-1的表達誘導單核細胞聚集及與內皮細胞的黏附，隨后單核細胞經內皮細胞在受損組織轉變為巨噬細胞，吞噬氧化低密度脂蛋白形成泡沫細胞。泡沫細胞在血管內皮積累形成AS。(2)促進細胞內Ca2+釋放，刺激血小板過度反應和增加血栓形成風險。(3)TMAO通過促進核因子-κB信號通路磷酸化或SIRT3-SOD2-mtROS信號通路激活NLRP3炎癥小體誘導炎癥基因表達導致血管內皮受損促進AS。

2.4 GM與肥胖 肥胖是VCI另一危險因素。一方面，脂肪組織能釋放多種促AS及改變凝血與纖溶系統活性的炎性介質，從而限制腦血流，使腦組織慢性缺血缺氧，引起能量代謝障礙、葡萄糖利用減少、蛋白質合成異常、神經遞質改變、膽堿受體缺失、WML和神經元脫失等，這些構成了VCI的病理生理基礎;另一方面，肥胖易產生IR，而胰島素與受體結合具有調節神經代謝和觸發海馬及顳中葉葡萄糖攝取的能力，在記憶過程中起重要作用。GM失調會誘發肥胖，反過來，Gao等[20]發現，肥胖者腸內益生菌減少而條件致病菌增加。最近，一項Meta分析顯示，肥胖者GM多樣性降低，F/B升高，厚壁菌門、梭桿菌門、變形桿菌、柔膜菌、乳桿菌較多，疣微菌、柔嫩梭菌、擬桿菌、甲烷短桿菌、植物乳桿菌和副干酪乳桿菌較少[21]。乳桿菌屬屬于厚壁菌門，其含量與體質指數(body mass index,BMI)正相關，但某些乳桿菌如副干酪乳桿菌和植物乳桿菌與BMI負相關，是因為它們缺乏增強糖酵解和防御OS的酶，并可能降低回腸制動作用。

GM參與肥胖的機制尚不明確，可能有：(1)GM如厚壁菌門，含較多碳水化合物代謝的酶，能將難吸收的多糖發酵為可吸收的單糖和SCFAs，從而帶來更多能量攝入，發酵產物也能進入肝臟和脂肪細胞，增加甘油三酯的合成和堆積，導致肥胖。(2)GM能通過GPR介導調節機體的飽腹感信號，還能調節與產熱及能量平衡有關的腸激素的釋放。(3)GM影響腸通透性，而BMI與腸通透性正相關。產丁酸的細菌有助于維持腸屏障的完整性，而變形桿菌增加時卻會導致粘液產生減少，腸屏障受損。(4)GM影響免疫細胞的成熟和活化，可能導致肥胖。(5)GM代謝物也與肥胖有關，肥胖常伴血漿LPS增加，應用抗生素減少產LPS的細菌能使肥胖小鼠脂肪組織炎癥及脂肪量減少、體重減輕。

2.5 GM與房顫(atrial fibrillation,AF) AF是常見的心律失常，屬微栓子、微出血、腦灌注不足的主要原因，是卒中發病率和死亡率增高的獨立危險因素，也能顯著增加VCI風險。Zuo等[22]在AF患者和對照組的糞便和血清樣品中觀察到，AF患者GM多樣性較對照組顯著增加，且GM組成發生變化，主要表現為乳球菌、鏈球菌和腸球菌過度生長，糞腸桿菌、口腔桿菌屬和雙歧桿菌減少。他們的另一項研究顯示，GM失調在AF早期就已發生，且可能作為防治AF的潛在靶標，還表明，與對照組相比，陣發性房顫(paroxysmal atrial fibrillation,PAF)和持續性房顫(persistent atrial fibrillation,psAF)患者GM功能和代謝物發生了相似的變化，多種具有心血管保護作用的代謝物，如α-亞麻酸缺乏，從而增加了AF易感性，并提出AF患者中GM及GM代謝物的差異與心房直徑相關，GM可能在心房重構中發揮作用[23]。因此，GM有望作為不同類型AF的生物標志物以預測psAF風險，但不同類型AF中GM的特征還有待探討。此外，Gong等[24]提出，血清TMAO水平有助于評估AF患者血栓形成風險及制定血栓預防策略。

上文提到TMAO能導致血管內皮炎性損傷及增加血栓形成風險引起AS，而AS能促進AF發生發展及復發。還有實驗表明，TMAO給藥能顯著提高心臟神經節的功能，縮短有效不應期，并增加心房電生理不穩定性，還能通過加劇中樞自主神經重構加劇急性電重構。心臟神經節的直接途徑和自主神經的間接途徑能激活心臟交感神經系統并加重缺血誘導的室性心律不齊。另外，AF患者LPS水平升高，LPS不僅在凝血和血小板激活中起作用，也與ED和AS斑塊不穩定有關。

2.6 GM與卒中 卒中是VCI最重要的臨床決定因素，卒中后3個月15%～30%的患者會出現PSCI。Xia等[25]根據GM失調模式制定了GM指數(SDI)，發現缺血性卒中患者SDI顯著高于健康對照組，沿菌群-腸-腦軸的通訊是雙向的，他們進一步發現，SDI與入院時NIHSS評分和出院時mRS評分顯著正相關，高SDI是嚴重卒中和早期預后不良的獨立預測因子，接受高SDI患者FMT的小鼠與接受低SDI患者FMT的小鼠相比腦損傷更嚴重。GM也被發現在腦海綿狀血管畸形(cerebral cavernous malformations,CCM)形成中起關鍵作用，而CCM會增加出血性卒中風險[26]。

炎癥和免疫是GM影響卒中的重要途徑。GM失調會打破腸道免疫穩態，樹突細胞遷移至MLN抑制幼稚T細胞向Treg細胞極化，Treg細胞在免疫耐受和炎癥消退中起重要作用，具有神經保護功能，遷移到固有層的Treg細胞減少有利于幼稚T細胞向促炎性IL-17+γδT細胞極化，卒中后腸屏障及血腦屏障(blood brain barrier,BBB)受損，IL-17+γδT細胞從MLN遷移到缺血腦組織，通過分泌IL-17增強神經炎癥，并產生嗜中性粒細胞和單核細胞的趨化信號而增加梗死面積[27]。卒中應激狀態會進一步增加腸通透性，促使GM向腸外器官、血液或淋巴液移位，誘發機體的炎癥和免疫反應，導致細菌感染及膿毒癥，加重卒中不良預后。GM還能通過神經內分泌途徑影響卒中。GM能調節腸內分泌細胞的分泌，GM失調引起胃泌素、腦腸肽、促腎上腺皮質激素、腎上腺皮質激素等合成和釋放異常，在卒中病理生理中發揮作用。此外，GM通過調節HPA軸影響炎性因子表達和小膠質細胞活化，并產生ROS，抑制腦組織修復。GM代謝物也參與了卒中，TMAO通過促進血小板聚集和血栓形成增加卒中易感性。LPS加速了腦內皮TLR4的激活能刺激CCM，并且增加TLR4基因或編碼其共同受體CD14的基因表達的多態性，也與更高的CCM負荷相關。

實驗表明，口服非吸收性抗生素、產SCFAs的FMT或補充丁酸改變GM能減小梗死面積并減輕腦水腫和神經功能損害，有效治療缺血性卒中[27]。但FMT和益生菌給藥的安全性和有效性還需評估。

2.7 GM與抑郁 老年抑郁可能導致多種血管異常，是VCI的危險因素；卒中后抑郁(post-stroke depression,PSD)是卒中的常見并發癥，會加速輕度VCI向VD進展。越來越多證據顯示，GM與抑郁有關。Fan等[28]發現PSD患者GM結構顯著改變，門、綱、目、科、屬各分類學水平的多樣性和均衡性與健康人均存在差異，特征性表現為條件致病菌增加而有益菌減少。在嚙齒動物模型中發現，重度抑郁癥小鼠GM的特征在于厚壁菌門，放線菌和擬桿菌相對豐度的顯著變化，并且暴露于菌群比無菌更易引起壓力、抑郁、焦慮、社交減少、探索活動增加和記憶力下降[29]。

多種機制將GM與抑郁聯系起來：(1)GM失調能促進促炎因子和炎癥介質的產生并影響腸神經肽的分泌，這些物質能作用于HPA軸，HPA軸過度活動使促腎上腺激素釋放激素增加，該激素是調控應激時情緒反應的重要激素，可導致抑郁。這些物質還能通過BBB作用于神經膠質細胞，神經膠質細胞的過度活化會影響涉及記憶、學習和情緒調節的大腦網絡。(2)迷走神經傳入纖維能感知GM及其代謝物的變化并調節腸激素的釋放以啟動自下而上的信號傳導。(3)GM能調節腸道及循環中神經遞質的水平，這些神經遞質作用于CNS相應受體，對神經元起保護作用并調節情緒，如丁酸梭菌和雙歧桿菌能通過增加大腦中的5-羥色胺及腦源神經營養因子顯著改善輕度應激誘導的小鼠抑郁樣行為。

FMT可能是抑郁癥的有效治療方式，益生菌給藥聯合傳統抗抑郁藥更有利于減輕抑郁癥狀。然而，Romijn等[30]用含瑞士乳桿菌和長雙歧桿菌的益生菌進行了8 w雙盲試驗，未觀察到益生菌對抑郁的影響?？赡芘c抑郁嚴重程度、病程、益生菌種類和劑量、干預方式、干預持續時間及治療抗性等因素有關。

3 結 語

綜上，GM及其代謝物在VCI和VCI的危險因素中起重要作用，有望成為VCI無創性臨床預測和早期識別的生物標志物，但需進一步評估其適用性。此外，通過益生元和益生菌給藥、抗生素使用、FMT和個體化飲食等方式靶向GM，可能為VCI的防治提供新途徑。然而，目前關于GM的研究多基于嚙齒類動物，鑒于它們的GM與人類的有差異，對調節GM的治療方式的反應也不同，因此，動物實驗中的發現是否可用于人類仍需更多可靠的臨床證據。同時，GM與VCI的因果關系和GM及其代謝物在VCI中的作用及其機制尚未完全明確，還需進一步探索。