腸道菌群與老年患者術后譫妄的研究進展

王露露，鄭晉偉

術后譫妄（POD）是老年患者大手術后常見并發癥之一，其是一種急性認知功能障礙，主要表現為思維混亂、意識水平波動、睡眠覺醒及注意力不集中等一系列與腦功能紊亂的相關障礙。據報道，老年骨科手術患者POD的發生率高達50%，同時發生POD的患者術后病死率高達4%～17%，嚴重影響患者的預后以及長期轉歸。最新證據表明，腸道菌群通過“微生物-腸-腦軸”途徑在神經系統疾病中起著關鍵作用，腸道菌群的異常組成可直接或間接的通過該軸，將神經系統-內分泌系統-免疫系統聯系起來，形成雙向通路，進而參與中樞神經系統的調節。目前，腸道菌群在中樞神經系統疾病的發病機制尚在探尋。本文就腸道菌群在老年患者POD 中的作用機制進行綜述，報道如下。

1 老年人群存在腸道菌群紊亂

腸道菌群是從出生就開始建立的，并隨著年齡的增長而進化。腸道菌群并不是微生物的同質種群，相反，它是由錯綜復雜的微生物群落組成，它們相互影響，和宿主相互作用，維持著與宿主共生的關系。根據最新修訂，體質量約70 kg的健康成年人消化道內細菌數目可達到3×1013個。在正常生理條件下，腸道菌群各種群間處于一種有利于機體的動態平衡狀態，以擬桿菌門和厚壁菌門為主，其亞群包括梭菌、藍細菌、變形桿菌及放線菌等。腸道菌群通過與樹突狀細胞、巨噬細胞、粒細胞、T 細胞、B 細胞以及腸上皮細胞相互作用，起到免疫調節及屏障保護等作用。

與成年人相比，老年人腸道菌群的組成發生改變，放線菌、梭狀芽孢桿菌、乳酸桿菌以及埃格氏菌的數量明顯增加，擬桿菌門和厚壁菌門的相對比例顯著下降。在此基礎上，骨折造成的創傷及手術本身使機體處于氧化應激狀態，腸道菌群生長的微生態環境發生了變化。腸道內梭狀芽孢桿菌和卟啉單胞菌屬的數量增加，而顫螺菌屬和擬桿菌屬的數量相對下降，腸道菌群失去了相對穩定性。腸道菌群失調時，腸道內的細菌及毒素會破壞腸道黏膜的完整性及穩定性，導致腸黏膜的通透性增加，部分腸道菌群的代謝產物離開腸道進入血液，引起宿主體內發生炎癥反應，進而造成更多炎癥因子的釋放，穿過血腦屏障進入中樞，引起中樞性炎癥反應，導致POD的發生。

2 “微生物-腸-腦軸”在POD 發病機制中的作用

研究表明，腸道菌群和大腦之間緊密聯系，存在復雜的雙向通信系統，最初稱為“腸-腦軸”，現更名為“微生物-腸-腦軸”。中樞神經系統可通過調節腸道蠕動和分泌以及免疫和神經通路來干預腸上皮細胞分泌黏液素，從而使腸道菌群的組成結構發生改變。反之，腸道菌群紊亂時可通過“微生物-腸-腦軸”來參與迷走神經、神經內分泌及免疫炎癥等多種生理過程，引起中樞神經系統的改變。

2.1 迷走神經途徑

2.1.1 迷走神經的解剖學基礎 迷走神經是副交感神經系統的主要組成部分，由80%的傳入纖維和20%的傳出纖維組成。迷走神經的傳入纖維分布在消化壁各層，但不穿過上皮層，因此它們不會直接與腸道內的微生物接觸，但由于其內在的感知功能，因此能夠通過傳入纖維感知微生物群的代謝產物（SCFA、5-羥色胺及-氨基丁酸等），將腸道信息傳遞到中樞神經系統。且解剖學證明，腸肌間感覺神經元在接觸腸道菌群的同時還可以與迷走神經形成突觸，構成“微生物-腸神經-迷走神經-腦”信息途徑，直接將腸道感知的信息傳入大腦。腸道菌群紊亂時，可通過以上傳遞途徑直接或間接的激活迷走神經，進而影響免疫反應及內分泌等生理過程。

2.1.2 迷走神經的抗炎機制 正常情況下，迷走神經在各種刺激作用下，可釋放大量乙酰膽堿（Ach），與7 煙堿型ACh 受體（7n AChR）結合形成膽堿能抗炎通路（CAP），來抑制腫瘤壞死因子-（TNF-）生成，發揮抗炎的作用。但當腸道菌群紊亂時，迷走神經可以通過調節機體內分泌途徑，影響促腎上腺皮質激素釋放因子（CRF）的分泌，而CRF 通過肥大細胞釋放TNF-以及蛋白酶來增加腸道通透性，削弱迷走神經的抗炎作用，抵消迷走神經對腸上皮屏障的保護作用，破壞腸道穩態，間接影響腦功能，增加POD的發生率。

2.1.3 迷走神經與神經遞質 POD的發生與腦內神經遞質的濃度密切相關。腸道菌群可通過消化代謝產生一系列神經遞質，來改變神經化學水平。Strandwitz 等在健康人的糞便標本中發現了擬桿菌門和大腸埃希氏菌可產生的-氨基丁酸（GABA），說明腸道菌群可以調節神經遞質的表達。GABA 作為中樞神經系統中重要的抑制性神經遞質，與認知功能密切相關，可直接影響膜電位，并通過GABA-B受體來調節神經元活動從而改變突觸可塑性，而突觸可塑性正是學習過程的基礎。除GABA 外，乳酸桿菌還可以合成乙酰膽堿；大腸桿菌、腸嗜鉻細胞可分泌5-羥色胺（5-HT）；芽孢桿菌可影響去甲腎上腺素的釋放。

2.2 免疫途徑 免疫反應是POD 發生的主要病理過程。腸道黏膜免疫屏障主要由大量的淋巴細胞、巨噬細胞組成，是機體最大的免疫細胞庫。正常情況下，中樞免疫細胞處于休眠狀態，但當腸道菌群紊亂時，可直接對到達結腸的食物殘渣進行厭氧發酵產生代謝物，如短鏈脂肪酸（SCFA）；或者微生物和宿主結合產生內源性化合物，如芳烴受體（AHR）及多胺等；腸道抗原呈遞細胞還可以識別腸腔失調菌群的抗原，傳遞至樹突狀細胞，影響CD4+和CD8+T細胞的發育和分化，使機體腸道免疫穩態失調。

2.2.1 SCFA SCFA是由位于結腸的微生物消化食物殘渣產生的，不僅是腸道微生物重要的能量來源，而且具有抗炎和免疫調節的作用。腸道菌群紊亂時，SCFA 產量下降，在抗炎能力下降的同時，免疫水平也會受到影響。目前已經確定的主要SCFA 信號傳導機制有組蛋白去乙酰化酶（HDACs）的抑制和G蛋白偶聯受體（GPCRs）的激活。SCFA通過抑制NFB活化降低了革蘭陰性桿菌脂多糖（LPS）誘導的單核細胞TNF-及促炎癥細胞因子的產生。同時，SCFAs 還通過抑制HDAC 影響外周T 細胞，特別是調節性T（Treg）細胞。HDAC 抑制劑可以改變機體內Treg 細胞的頻率和功能，而Treg 細胞在抑制炎癥和過敏反應中起著核心作用。SCFAs的許多調控特性需要通過GPCRs 進行信號傳遞，主要是GPR43；SCFA-GPR43的相互作用可降低嗜中性粒細胞的趨化性和炎癥基因表達。與此同時，SCFAs 對宿主生理的GPR43 依賴效應也延伸到中樞神經系統（CNS）。如小膠質細胞是中樞神經系統的駐留巨噬細胞，其成熟和功能依賴于腸道菌群，維持小膠質細胞穩態需要SCFAs 和GPR43。

2.2.2 AHR AHR是一種配體活化轉錄因子，可在免疫細胞及腸上皮細胞中表達，是免疫和炎癥的關鍵調節因子，負責適應性免疫和黏膜屏障功能的微調。腸道菌群的部分代謝物可作為AHR的配體，結合宿主細胞上的AHR發揮重要免疫作用，保護腸道黏膜免受炎癥干擾。AHR 對免疫穩態的調節通常有兩種機制：首先，AHR通過介導腸道內3 型天然淋巴細胞（ILC3）的激活，在腸道中產生IL-22，其在增強上皮緊密連接完整性的同時，還可以調節抗菌肽的釋放，引起腸道菌群組成結構發生變化來影響免疫；其次，有證據表明AHR 還可以通過調節上皮內淋巴細胞和先天性淋巴細胞的的發育影響免疫功能。

2.2.3 多胺 多胺即腐胺、精胺及亞精胺，是一種能夠結合核酸和蛋白質調節信號通路的生物活性聚陽離子，幾乎存在于所有細胞中，與多種生理過程有關。研究發現，在許多神經退行性疾病中，多胺的水平都趨于下降。原因在于腸道中的微生物可以產生大量的多胺，而多胺可刺激細胞間連接蛋白的產生，包括閉鎖蛋白、閉鎖小帶蛋白-1 及e-鈣黏蛋白的生成，調節細胞的通透性和腸上皮細胞屏障的完整性。同時，多胺的代謝在宿主的調節免疫中起著核心作用，精氨酸酶-1 和一氧化氮合酶（NOS）通過競爭精氨酸，分別產生多胺及一氧化氮（NO），來平衡效應性免疫反應。巨噬細胞經典（M1）促炎癥表型的極化可導致NOS 誘導型同工異構體的激活，產生促炎癥細胞因子，包括TNF-、IL-1 及IL-12 等；同時產生的活性氧（ROS）引起細胞毒性的增加。而精胺則可以通過抑制鳥氨酸脫羧酶的表達和促炎癥細胞因子的合成來抑制M1 巨噬細胞活化，還不會影響抗炎轉化生長因子-（TGF-）和IL-10的合成。最新發現，亞精胺可通過吲哚胺2，3-雙加氧酶1（IDO1）賦予樹突狀細胞（DC）免疫調節特性；IDO1 將L-色氨酸轉化為代謝物，統稱為犬尿氨酸，可激活AHR 從而具有多種免疫調節作用。

2.3 神經內分泌途徑 下丘腦-垂體-腎上腺皮質軸（HPA）是重要的神經內分泌系統之一，能確保機體在面對各種應激源時能做出正確的反應。越來越多的證據表明，腸道菌群與HPA 軸之間是雙向通信的過程，腸道菌群可通過部分代謝產物、細胞因子及前列腺素等穿越血腦屏障來激活HPA軸；同時，腸道菌群還會影響皮質醇的產生，進而干預HPA軸的活動。

2.3.1 細胞因子 迄今為止，人們提出各種機制來解釋腸道菌群與HPA 軸之間的聯系。可促炎癥細胞因子的釋放導致HPA 軸的激活是顯而易見的。腸道菌群失調可導致細胞因子的合成增加，比如IL-1、IL-6 和TNF-可通過血腦屏障，激活HPA 軸。HPA 軸的激活也能夠影響腸道菌群的組成并增加胃腸道的通透性，最重要的是誘導腎上腺皮質分泌皮質醇，長期升高的皮質醇水平將會對大腦產生負面影響，其機制可能是菌群失調造成大腦海馬體內N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）和5-HT1A 受體表達異常，加速了海馬促腎上腺皮質激素釋放，促進POD的發生。

2.3.2 細菌代謝物 腸道菌群釋放的代謝物，如脂多糖、肽聚糖、SCFA和神經遞質等，會增加腸道屏障的通透性，加速人體腸道致病菌的生長和粘連。革蘭陰性菌細胞壁脂多糖（LPS）是腸上皮細胞表面TLR-4的激動劑，可穿過腸上皮屏障，從而導致免疫和HPA 軸的激活，影響腦功能。此外，肽聚糖可激活大腦中先天免疫系統的特定模式識別受體（PRR），而PRR 不僅是啟動免疫反應的重要介質，還能夠調節神經發育過程，在突觸可塑性、學習、記憶和神經系統疾病中發揮重要作用。

3 腸道菌群在POD 預防中的作用

POD的出現對老年手術患者的預后有著嚴重的不良影響，但據報道，POD 病例中約有30%是可以預防的，因此圍術期采取合理的預防措施可降低POD 發生率。現已有研究著手于腸道菌群方面來改善認知相關的疾病，主要目標是恢復腸道菌群的正常結構以及調節腸道細菌代謝產物。Liu 等發現髖部骨折患者的腸道微生物代謝產物氧化三甲胺（TMAO）水平高于同齡未發生骨折的患者，因TMAO 可以增加周圍組織的氧化應激和炎癥反應。那么如何調節腸道菌群調控TMAO的水平，成為減輕POD 發生的一個著手點。Yang 等研究表明，術前3 周持續使用益生菌可以降低手術后認知功能障礙的發生率，主要通過抑制海馬區IL-6 釋放和小膠質細胞激活。

目前對于POD 與腸道菌群紊亂的研究正日益深入，但腸道菌群種類繁多，如何確定某種特定細菌與POD 之間的關系較為困難。此外，手術及麻醉后腸道菌群組成變化與術后認知改變的研究較為匱乏，未來需要更多的基礎及臨床研究以腸道菌群為靶點，為預防及治療POD 提供新方法。(參考文獻略，讀者需要可向編輯部索取)