腸道菌群在腦卒中發病中的研究進展

田 甜 盧 英 李 武 杜 珊 米 顏 程 葉 張 萌 牛曉晨 張格娟 常明則 史文珍 田 曄

人的腸道中生活著數以萬億計的微生物，稱為腸道菌群，其中大多數的腸道菌群駐留在回腸和結腸中，被稱為人類的新器官[1]。這些微生物與其宿主之間的關系從出生開始就一直存在，并且以“互惠互利”的關系維持生命。在妊娠期間，即可從健康母親的胎盤、早產兒的羊水和胎糞中發現細菌。許多因素均會影響宿主體內腸道微生物群的種類，例如宿主基因型、地理、飲食、年齡、生活方式、懷孕、分娩方式、抗生素的使用、疾病狀態等。研究顯示，哺乳動物的微生物定植可調節和影響宿主的生理功能，腸道菌群失調與多種人類疾病有關，包括炎性腸病、肥胖癥和心血管疾病等。近年來，人們逐漸認識到宿主腸道微生物能夠影響中樞神經系統。在中樞神經系統中，突觸發育、髓鞘形成、小膠質細胞活性、血-腦脊液屏障完整性等可能會受到微生物組信號的調節，腸道菌群可通過腦-腸軸機制參與某些中樞神經系統疾病的發病過程。

一、腸道菌群概述

腸道微生物數量龐大，種類繁多，其中包含的基因數量是人類基因組的100倍。腸道菌群按照特定的比例組合存在，各菌群之間相互制約、依存，在質和量上達成一種生態平衡，其中在門水平上占據優勢的是厚壁菌門和擬桿菌門，其次是變形菌門、放線菌門等[2]。腸道細菌在維持能量、新陳代謝和免疫力的穩態功能和作用已經得到了廣泛的分析。腸道菌群失調例如厚壁菌門和擬桿菌門的微生物群落比率的變化可用作生物學標志物來識別病理狀況。腸道菌群已被發現不僅是免疫和代謝健康的重要組成部分，而且還會影響腸道和中樞神經系統的發育，例如腸道內共生細菌對于實驗性小鼠大腦灰白質的正常形態發育和成熟是必要的[3]。早期微生物組-腸-腦軸以性別依賴的方式調節海馬 5-羥色胺能系統。近年來，隨著分子生物學技術的發展，研究者對腸道菌群的研究從常規的基于分離、培養的方法轉向分子生態學研究方法，包括分子雜交技術法、DNA指紋圖譜法、DNA測序法等。這些研究方法的發展使得對環境中的復雜微生物群落全面分析變得更加方便、快速、直觀。

二、腸道菌群參與腦卒中發病

腦卒中是常見的腦血管疾病，具有發生率、致死致殘率高的特點。其病因是由于腦部血管阻塞或者破裂而引起的腦組織損失，包括出血性和缺血性腦卒中兩種[4]。在中國，腦卒中的年病死率已經超過心臟病，成為死亡和致殘的主要原因，多達50%的腦卒中患者會出現胃腸道并發癥，包括吞咽困難、胃腸道出血、便秘和腸失禁等[5]。目前研究發現，腸道菌群失調會損傷腸道屏障和血-腦脊液屏障，促進腦卒中并發癥的發生，甚至影響腦卒中的預后。Spychala等研究表明，通過灌胃改變幼齡鼠體內的微生物群，使其與老齡鼠相似，再通過實驗誘導缺血性腦卒中后會導致小鼠的病死率增加，小鼠行為測試的表現變差。相反，改變老齡鼠的腸道微生物群使之與幼齡鼠相似，可增加缺血性腦卒中后的存活率。目前研究公認的腦卒中發病機制包括能量耗竭、酸中毒、興奮性氨基酸毒性作用、炎性細胞因子、細胞凋亡等。本文從腸道菌群角度出發，圍繞其參與三甲胺-N-氧化物(trimethylamine N-oxide, TMAO)、宿主代謝和炎癥、免疫穩態進行闡述，以期為腦卒中發病機制找到新的解釋。

1.腸道菌群代謝物三甲胺-N-氧化物(TMAO)：TMAO是一種代謝產物，主要來源于飲食中的膽堿、磷脂酰膽堿和左旋肉堿， 在腸道菌群的作用下這些成分被代謝成三甲胺，三甲胺被含黃素單氧化酶 (FMO) 進一步氧化，在肝臟中產生 TMAO。TMAO 是一種新發現的心腦血管疾病危險因素，與動脈粥樣硬化密切相關[6]。研究發現，血液中TMAO含量較高的測試者，5年內心血管疾病的發生率也較高。動脈粥樣硬化是腦卒中的一個重要危險因素。研究表明，腦卒中患者中腸道菌群與正常人存在明顯差異，在腦卒中和短暫性缺血發作患者中表現出更多的條件致病菌，例如腸桿菌屬、巨型球菌屬、脫硫弧菌屬，而主要的共生或有益微生物屬，如擬桿菌屬、普氏菌屬、費氏桿菌屬等幾乎是缺失的。同時研究發現，在患者血液中TMAO水平降低。該研究證實了腸道菌群的失調可能與TMAO水平變化相關，從而間接導致腦卒中的發生。盡管尚不清楚TMAO水平降低是發生在疾病前還是疾病后，是否與藥物治療相關。另外一項臨床研究表明，TMAO水平還與血栓風險密切相關，實驗通過受試者的血漿TMAO變化水平預測血栓形成(心臟病、腦卒中)的風險，結果表明，腸道微生物能夠通過生成 TMAO 直接使血小板過度活化從而增強血栓形成潛力，影響腦卒中的發病，該研究還揭示了以前未被認識的特定膳食營養素、腸道微生物、血小板功能和血栓風險之間的機制聯系[7]。

2.腸道菌群對代謝和炎癥的影響：代謝和炎癥在缺血性腦卒中中的作用已成為研究和臨床實踐中的主要關注點。Yamashiro等[8]通過對 41例缺血性腦卒中患者和40例對照受試者的糞便微生物濃度分析，評估臨床生物學標志物與細菌計數和有機酸濃度之間的相關性，證實了缺血性腦卒中患者的腸道生態失調與宿主代謝和炎癥有關。研究發現，缺血性腦卒中與乙酸的濃度降低和戊酸濃度增加有關。同時，乙酸濃度的變化與糖化血紅蛋白和低密度脂蛋白膽固醇的水平呈負相關，而戊酸濃度的變化與高敏C反應蛋白水平和白細胞計數呈正相關。Winek等[9]在通過連續抗生素治療或用無特定病原菌的菌落定植發現，常見的微生物群可確保在實驗性腦卒中小鼠模型中起到腸道保護作用，并防止在腦缺血后未給予抗生素保護的微生物群衰竭小鼠中發展為急性和嚴重結腸炎，即健康腸道菌群能防止炎癥的發生，從而參與到腦卒中的發病過程。

3.腸道菌群對免疫穩態的影響：急性腦損傷能夠引起腸道菌群的生態失調，反過來，腸道微生物群的變化也可以影響腦損傷后的神經炎癥和功能。Benakis等[10]研究發現，抗生素誘導的腸道菌群變化能夠減少小鼠的缺血性腦損傷，并會影響到宿主的免疫系統，即腸道菌群失調會改變小腸的免疫穩態，通過改變樹突狀細胞活性導致調節性 T 細胞的增加和 IL-17 陽性γδ T 細胞的減少。腸道菌群的異常會抑制效應 T 細胞在腦卒中后從腸道向柔腦膜的轉運。也有實驗揭示了分段絲狀細菌(segmented filamentous bacteria, SFB,已顯示可促進 T 細胞極化)的存在與Treg和 Th17細胞比例之間的增殖特異性有關，并且在無SFB的小鼠中誘導 Treg 擴增無效，這些變化與腦卒中預后直接相關，能夠導致明顯的腦梗死[11]。Singh等[12]研究了急性腦卒中、微生物群改變和腦損傷后免疫反應之間的機制發現，腦卒中病變會導致腸道菌群失調，進而通過免疫介導機制影響腦卒中的預后。該研究結果支持了一種新興概念，即腸道微生物群是引發腦損傷神經炎性反應的關鍵調節因子。另有研究表明，擬桿菌門的過度生長和菌群種類的減少被認為是腦卒中后菌群失調的標志。因此筆者可以通過調節腸道菌群例如擬桿菌屬來預測或治療腦卒中神經炎性反應。

4.腸道菌群對腦卒中其他因素的影響：載脂蛋白E是一種對脂蛋白代謝很重要的多功能蛋白，可作為腦梗死的生物學標志物[13]。對健康受試者和腦卒中患者的糞便樣本進行測序發現腸道微生態的相對結構和多樣性存在顯著差異，在綱水平上，患者中的γ-變形菌綱豐度增加，擬桿菌綱豐度降低，這些變化降低了腸道內的食物消化效率，從而影響到血清中的載脂蛋白E的代謝功能。

近年來有研究指出,腦卒中后感染可能是由于源自宿主腸道菌群厭氧細菌的存在，腦卒中會促進腸道屏障的破壞和強烈的微生物群變化，隨后選擇性細菌菌株從宿主腸道菌群向周圍組織(即肺)的轉移會誘發腦卒中后感染[14]。

此外，大量的證據表明腸道菌群的變化會引起一些常見引發腦卒中的前體病癥的發生，例如高血壓是腦卒中的主要危險因素[15]。而 Mushtaq等[16]對50例診斷為3級高血壓的患者和30名健康對照者收集的糞便樣品分析發現，在高血壓個體患者中，擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門為優勢菌群，在屬水平上，普氏菌屬、巨型球菌屬、大腸桿菌-志賀菌屬等在患者中表現出更高的豐度，然而擬桿菌屬、費氏桿菌屬等水平卻被降低。腦海綿狀血管瘤也是腦卒中的病因之一，研究表明腸道微生物組和內皮細胞對革蘭陰性菌的反應在腦海綿狀血管瘤發病機制中發揮中心作用[17]。

三、腸道菌群外部干預治療腦卒中

針對腸道菌群變化影響腦卒中的研究發現，外部干預腸道菌群治療此類疾病表現出巨大的潛力，例如益生菌定植[18，19]。益生菌是指一類對宿主有益，定植于腸道，能夠改善宿主微生態平衡的活性微生物的總稱。例如，丁酸梭菌能夠部分恢復腦缺血再灌注(ischemia/reperfusion, I/R)誘導的糞便微生物群多樣性降低、糞便微生物群組成改變，從而達到改善腦卒中預后的目的[20]。某些藥物也可通過影響腸道菌群改善缺血性腦卒中。例如，多酚經過腸道菌群的加工進行生物轉化才能獲得在大腦中有活性的代謝產物，充當穿越血-腦脊液屏障的神經遞質，從而對腦血管疾病進行調節。三七皂甙提取物預處理調節腸道菌群對大鼠局灶性腦缺血/再灌注損傷具有顯著的神經保護作用，并且在無菌大鼠中其效率減弱[21]。葛根和川穹組合可減輕腸道微生物群的生態失調和腦-腸道屏障的破壞，是缺血性腦卒中的有效治療方法[22]。綜上所述，未來改變腸道菌群組成可能成為改善和治療腦卒中的新手段[23]。

四、展 望

腸道內有許多共生的微生物，其組成和豐度失調會影響腸道神經系統和中樞神經系統。近年來，許多研究已經證實腸道菌群失調與某些中樞神經系統疾病相關，例如腦卒中、阿爾茨海默病、帕金森病、多發性硬化癥和淀粉樣蛋白外側硬化癥等。有關腦卒中與腸道菌群的研究發現，腸道菌群能夠通過影響 TMAO水平、炎癥、免疫穩態參與腦卒中的發病過程。了解腸道菌群失調對于腦卒中的影響，有助于對腦卒中的發病機制有更全面的認識。

以微生物為靶標的干預措施，例如抗生素、益生菌和糞便微生物群移植，已被證明可以很好地影響宿主的健康。外部干預腸道菌群能夠改變包括腦卒中在內的一些難治性疾病的結局，表明腸道菌群在臨床上極具治療潛力，從恢復腸道菌群穩態入手治療腦卒中可能是一項重大突破口。

盡管這些發現令人興奮，但目前研究仍存在以下不足：(1)許多研究表明，不同的細菌種群與某些臨床癥狀相關，但大多數情況下尚不清楚這些差異是否引起疾病。(2)突破性的進展不多，多數研究僅從腸道菌群與疾病的相關性層面進行研究，并未闡明其作用機制，仍需要開展深入研究來確定腸道微生物群失調調節腦功能的機制。(3)目前關于有效調節腸道菌群的化學藥物沒有開展研究。今后應進一步明確特定的腸道菌群與特定疾病的因果關系以及其詳細的機制，為臨床通過操縱腸道菌群來預防或治療與其失調相關的疾病提供理論支持。