腸道菌群代謝產物與缺血性腦卒中的交互關系

唐 強

1 黑龍江中醫藥大學附屬第二醫院，黑龍江哈爾濱 150001；2 黑龍江中醫藥大學，黑龍江哈爾濱150040

人類腸道內生活著廣泛而活躍的微生物群。人類在這些微生物的作用下不斷地與之共同進化，建立了共生關系。腸道微生物作為人類的超級共生體，不僅維持著宿主胃腸道的穩態，還能對人體攝入的三大營養物質進行代謝，產生具有生物活性的代謝產物，如短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）、三甲胺-N-氧化物（trimethylamine N-oxide，TMAO）、色氨酸代謝物及次級膽汁酸（secondary bile acids，2BAs）來發揮生物學作用。腸道菌群的代謝能力超越了人體細胞的代謝能力［1］，代謝產物可以直接或間接與宿主進行信息交換，影響生理和病理活動。腦卒中為世界上病死率第2 高的疾病，是重大的健康問題。約70%的腦卒中由腦血管局灶性閉塞或動脈狹窄引起，歸類為缺血性腦卒中（ischemic stroke，IS）［2］。多項研究表明，90%的卒中病例與行為因素有關，如不健康的高脂飲食習慣、缺乏體育鍛煉、吸煙和飲酒等。與IS 相關的代謝疾病，如肥胖、高血壓和糖尿病等也對腸道菌群的組成和代謝有重要影響。IS 導致腸道菌群紊亂、腸道運動障礙，增加腸道屏障的滲透性，且紊亂的菌群引起代謝產物的失調。代謝產物作為信號分子通過不同途徑影響IS 的發展，在腦功能中發揮重要作用，影響著疾病的結局。本文就腸道菌群代謝產物與IS二者之間的交互關系予以闡述，見圖1。

圖1 腸道菌群代謝產物與缺血性腦卒中關系簡圖Figure 1 Schematic of the relationship between microbial metabolites and ischemic stroke

1 文獻來源與選擇

檢索中國知網數據庫（CNKI）和萬方數據庫（Wanfang Data）中文數據庫，PubMed和Embase英文數據庫。中文檢索詞為短鏈脂肪酸、氧化三甲胺、膽汁酸、次級膽汁酸、色氨酸代謝物、腸道菌群代謝產物、免疫、迷走神經、神經內分泌和缺血性腦卒中；英文檢索詞為ischemic stroke、microbial metabolites、short-chain fatty acids/SCFAs、trimethylamine N-oxide/TMAO、bile acids、secondary bile acids/2BAs、tryptophan、immune、vagus nerve、neuroendocrine。根據不同數據庫情況利用檢索詞進行檢索，檢索時間為建庫至2022 年4 月30 日。納入描述腸道菌群代謝產物與IS 相關生物學機制的研究以及與IS 患者關系的臨床研究，并且搜索了相關綜述文章。排除會議摘要，不符合主題的綜述文章。對選定的文章進行閱讀，總結一致或有爭議的觀點。根據PRISMA指南進行文獻檢索［3］，文獻檢索流程見圖2。

圖2 文獻檢索流程圖Figure 2 Flow chart of literature screening

2 腸道菌群代謝產物的形成與功能

腸道菌群能夠代謝飲食中的碳水化合物、蛋白質和脂肪，產生大量代謝產物，這些代謝產物是腸道菌群與人體之間相互作用的調節器，可通過調控免疫細胞表達，抑制或激活細胞因子，調節腸道屏障的通透性等方式，作用于IS發病過程［4］。

2.1 SCFAs

SCFAs主要是由未被宿主腸上皮酶消化的膳食纖維，在宿主盲腸和結腸處被腸道菌群厭氧發酵形成的2～5 個碳的單羧酸，可溶于水，氨基酸代謝也可產生SCFAs。SCFAs 主要由丙酸、丁酸和乙酸組成。丙酸和乙酸主要由擬桿菌門的成員產生，丁酸主要由厚壁菌門產生，乙酸也可以通過乙酰輔酶A轉移酶轉化為丁酸。SCFAs能夠維持腸道及血腦屏障的通透性，作為內源性配體與G 蛋白偶聯受體結合，介導胰高血糖素樣肽1（glucagon-like peptide1，GLP1）的代謝，影響糖耐量，對糖尿病產生調節作用。此外，SCFAs 對腦卒中的其他危險因素如高血壓也有影響［5］，同時還能改善脂類代謝。

2.2 TMAO

TMAO 是由其前體三甲胺合成的一種具有生物活性的胺類氧化物，大部分的三甲胺通過腸上皮細胞膜被動擴散進入肝門靜脈循環，在肝臟中被黃素依賴的單加氧酶氧化生成TMAO［6］。腸道菌群在TMAO 的形成中起著關鍵作用［7］，腸道菌群可代謝食物中的膽堿、肉毒堿或甜菜堿形成三甲胺，一部分三甲胺入血后被富含肝黃素的單加氧酶3氧化生成TMAO，另一部分三甲胺可通過進一步的微生物代謝及糞便排泄從腸道中清除。TMAO 作為一種循環有機化合物，參與整個身體的膽固醇和固醇代謝，通過增加巨噬細胞表面的促動脈粥樣硬化清除率相關受體以及CD36 的表達，以微生物依賴的方式促進巨噬細胞中膽固醇的積累，導致動脈硬化。高TMAO水平增加血小板反應性，促使血栓形成，增加IS 的發病風險。此外，TMAO 還可通過影響胰島素信號轉導，加重糖耐量受損來誘發卒中。

2.3 2BAs

肝臟中的膽固醇能夠合成膽汁酸（bile acids，BAs），在攝入食物時釋放到腸腔中，溶解膳食中的脂質和脂溶性維生素。大腦中發現的膽固醇約占人體總膽固醇的25%，是神經元和神經膠質細胞的組成部分，腦中BAs的起源尚不清楚，但它們可在腦內合成，由BAs轉運體從外周循環運輸到腦外，或通過血腦屏障彌散。大部分的BAs在整個腸道中主動或被動地回收，然后通過腸肝循環返回肝臟循環，一小部分BAs 以廢物形式排出體外。哺乳動物中BAs 主要以初級BAs 和2BAs 存在，初級BAs 在肝細胞通過膽固醇分解代謝合成，而2BAs是初級BAs在腸道中通過微生物代謝生成的衍生物，其合成受腸道菌群的修飾。2BAs 可以通過與膜受體武田G-蛋白耦聯受體5（Takeda G protein-coupled receptor 5，TGR5）以及核受體［如法尼酯X 受體（farnesoid X receptor，FXR）］結合從而影響脂類代謝過程。

2.4 色氨酸代謝物

色氨酸在生物體內分別形成內源性代謝產物和細菌源性代謝產物。內源性色氨酸代謝物通過犬嘌呤途徑和血清素途徑代謝產生。細菌源性代謝產物為腸道菌群直接利用色氨酸將其代謝為吲哚、靛藍、色胺、糞臭素以及吲哚酸衍生物［8］。

吲哚是主要細菌源性的色氨酸代謝物，大腸桿菌、普通變形桿菌、大腸菌群副大腸桿菌和擬桿菌均能產生吲哚［9］。吲哚作為一種有效的生物活性代謝產物，通過激活孕烷X 受體或芳香烴受體影響小鼠腸道屏障的完整性及免疫細胞［10］，并能通過血腦屏障。吲哚可誘導正常細胞的相關基因表達，加強黏膜屏障和黏蛋白的產生，從而增強對病原體入侵的抵抗力；對于炎癥細胞，吲哚可抑制NF-κB 的激活和促炎趨化因子的產生，同時增加抗炎細胞因子的產生，改善炎癥損傷。

3 腸道菌群代謝產物介導的通信方式

大量研究表明，腸道菌群對中樞神經系統的影響主要通過免疫途徑和神經內分泌途徑自下而上地調節，通常還涉及迷走神經。這些通信方式主要由腸道菌群代謝產物介導，通過腸內各種細胞以及黏膜免疫系統的相互作用來傳遞信號［11-12］。

3.1 免疫途徑

IS 發生后，血腦屏障的完整性受損，血管周圍的小膠質細胞分泌自由基、一氧化氮及谷氨酸等有害分子驅動免疫炎癥反應。同時，腸道內的免疫穩態也發生變化，并可通過產生炎癥因子以及招募外周免疫細胞進入大腦的方式，加重腦損傷。淋巴細胞入侵缺血部位腦組織是中風后神經炎癥的標志，入侵大腦的淋巴細胞所分泌的細胞因子可以調節小膠質細胞的激活［13］。SADLER 等［14］研究發現，與正常小鼠相比，給予淋巴細胞缺失的小鼠補充SCFAs后，其腦內小膠質細胞的形態及數量未受影響，這一實驗表明SCFAs 通過淋巴細胞對小膠質細胞發揮生物學作用。有研究發現，乙酸能夠通過降低p38 MAPK、JNK 和NF-κB 的磷酸化來減少炎癥信號轉導并抑制TNF-α、IL-1β 及IL-6 表達，可見SCFAs 在免疫反應中發揮積極的作用。而代謝產物TMAO 卻可激活NLRP3 炎癥小體介導血管炎癥［15］。SUBRAMANIAM 和FLETCHER［16］研究提示，TMAO能增加內皮細胞外基質表達，誘導血管炎癥反應。血管炎癥的增加可直接影響動脈粥樣硬化，促進血管僵硬與老化，影響IS的發生和發展。此外，ZELANTE等［17］在自身免疫性腦炎小鼠模型中，通過補充色氨酸代謝物吲哚-3-丙酸（indole-3-propionic acid，IPA）、吲哚-3-醛，成功減輕了中樞神經系統炎癥。以上研究表明，腸道菌群代謝產物可通過作用于免疫細胞，影響細胞因子的分泌等方式調節免疫過程。但是不同的代謝產物發揮著不同的免疫作用，如何調控這些代謝產物也將成為后續研究努力的方向。

3.2 神經內分泌途徑

神經內分泌系統是一組與神經系統高度相關的內分泌細胞，它們產生激素或神經肽，此系統高度適應從環境中感知外部信號，并在身體各處傳遞信息，其中下丘腦-垂體-腎上腺素（hypothalamicpituitary-adrenal，HPA）軸是其重要成員。腸道內分泌細胞（enteroendocrine cells，EECs）能在腸道菌群的影響下分泌一些能被BAs或SCFAs識別的肽類激素受體［18］。FUNG 等［19］研究表明，SCFAs 和2BAs 可刺激EECs 調控腸腔內5-羥色胺的合成和釋放。乙酸鹽能調節下丘腦中的神經遞質谷氨酸、谷氨酰胺以及γ-氨基丁酸的水平［20］，可通過調節谷氨酸代謝來參與卒中后興奮性毒性的病理過程。此外，丁酸鹽能夠刺激小鼠腦源性神經生長因子（brain-derived neuotrophyic factor，BDNF）表達，促進神經發生和神經細胞增殖［21］。ANDERSSON 等［22］進行了隨機、雙盲、安慰劑對照研究，給即將考試的41名學生口服含有植物乳桿菌299v 的膠囊，10 d 后唾液中的皮質醇含量顯著下降，說明益生菌能夠降低應激狀態下的皮質醇分泌。應激是IS 的主要發病機制之一，對大量IS 臨床研究的系統評價和分析認為與應激相關的HPA 軸的激活是最有前途的預后標志［23］。作為HPA 軸上的關鍵，激素皮質醇在急性IS患者血漿中顯著升高，是90 d 和1 年內死亡功能結局的獨立預后標志物，且與血漿BDNF 水平呈負相關。以上研究表明，腸道菌群及其代謝產物可能通過影響皮質醇的分泌參與HPA 軸的調節而影響IS 患者的預后。

3.3 迷走神經途徑

盡管腸道菌群及其代謝產物可以通過上述2種方式進行交流，但影響大腦最快、最直接的方式是迷走神經途徑。迷走神經是由80%感覺（傳入）和20%運動（傳出）神經纖維組成的混合腦神經，連接內臟和大腦。迷走神經的傳入纖維可以通過細菌化合物或代謝產物跨越胃腸道屏障的擴散，間接感知腔內信號，并傳入大腦。電生理學實驗已經證明迷走神經對包括細胞因子、營養物質、腸肽和激素在內的各種刺激均有反應。一些菌株能產生神經遞質如血清素，當神經遞質被吸收時，可以直接作用于迷走神經末梢或通過激活腸內神經元間接發揮作用［24］。

研究人員發現羅伊氏乳桿菌通過激活迷走神經，從而增加下丘腦室旁核中的催產素水平，改變了自閉癥譜系障礙小鼠的社會行為，使其社交行為正?；?，而該治療效果未體現在迷走神經切除的小鼠身上［25］。之前的實驗也表明，切除迷走神經后，鼠李糖乳桿菌不能增加小鼠大腦中γ-氨基丁酸受體的表達和減輕其焦慮、抑郁樣癥狀［26］?？梢?，腸道菌群改變宿主的情緒和行為反應的途徑與迷走神經有關。BAs可以激活腸道中的FXR向中樞神經系統發出信號，促進GLP-1 的釋放進入血液，刺激迷走神經傳入纖維向大腦發出信號［27］。對于IS 患者來說，給予迷走神經脈沖式刺激能夠顯著地改善上肢功能障礙，且獲得臨床癥狀改善的患者人數是常規康復治療人數的2 倍［28］。在1 項長期隨訪的研究中發現，迷走神經刺激聯合觸覺治療能有效地改善患者手臂感覺功能，刺激迷走神經可增加大腦軸突可塑性，改善患者預后［29］。此外，迷走神經還能抑制神經炎癥，促進小膠質細胞M2 極化，減輕腦損傷，同時促進血管生成。因此，下一步可系統研究通過益生菌及腸道菌群代謝產物刺激迷走神經這種非侵入性治療方法來促進腦卒中患者康復的治療手段，發揮腸道菌群代謝產物的治療潛力。

4 腸道菌群代謝產物在缺血性腦卒中的作用

4.1 SCFAs與IS

SADLER 等［14］發現大腦中動脈閉塞（middle cerebral artery occlusion，MCAO）小鼠血漿SCFAs 含量越低，預后越差，予口服由乙酸鈉、丁酸鈉及丙酸鈉混合的SCFAs 后，發現其有助于小鼠行為的恢復。這一作用提示SCFAs 可能參與提高突觸可塑性。在臨床研究中也觀察到相似的SCFAs 變化。YAMASHIRO等［30］發現IS患者糞便中乙酸的濃度降低；同時還發現乙酸的濃度越低，IS 患者糖化血紅蛋白水平越高。TAN 等［31］研究發現，與健康對照組相比，急性IS 患者的糞便SCFAs 急劇下降且缺乏產生SCFAs 的菌群，進一步的分析顯示，紊亂的腸道菌群和低水平的乙酸、丙酸含量，預示著不良的中風結局，但丁酸的結果與之相反。有研究發現，給老年MCAO 小鼠口服能產生SCFAs 的細菌，可以減輕老年小鼠卒中后的神經功能缺陷和炎癥，提高老年卒中小鼠血漿、腸道和大腦中的SCFAs 含量；此外，該研究還發現SCFAs 含量隨著年齡的增長而減少［32］。目前的研究證實SCFAs 能夠減輕IS 后神經系統炎癥，增強皮質網絡連接，改善IS 的預后，但不同的SCFAs可能發揮不同的功能。

4.2 TMAO與IS

臨床研究表明IS 患者或有短暫性腦缺血發作史的受試者血漿TMAO 水平升高，并且與不良的臨床預后相關聯［33-35］。卒中前高水平的TMAO 含量能夠影響卒中的嚴重程度。給無菌小鼠移植產高TMAO 水平和產低TMAO 水平的微生物群，發現移植產高TMAO水平菌群的受體小鼠卒中后表現出更大的梗死面積［11］。SU 等［36］的研究發現，TMAO 可促進卒中后反應性星形膠質細胞增多和神經膠質瘢痕的形成，以抑制神經功能恢復。此外，TMAO 水平與卒中的復發也存在關聯。最近的研究指出，大動脈粥樣硬化型IS 患者的血漿TMAO 水平在72 h 之內顯著升高，并且能夠作為卒中后前3 個月血管事件復發的預測生物標志物［37］。雖然目前的研究明確了血漿TMAO 在卒中后的變化，但無法明確其在卒中之前是否發生變化，并且TMAO 對卒中患者的長期影響值得進一步觀察。

4.3 2BAs與IS

腦缺血時，由于氧和葡萄糖的缺乏會引發多種病理事件，如線粒體功能障礙伴能量耗竭、突觸內谷氨酸積累和細胞內鈣離子穩態失調。RODRIGUES等［38］研究發現，給予MCAO 大鼠靜脈注射2BAs（牛黃熊脫氧膽酸）可通過減少缺血性損傷引起的線粒體功能障礙來減少神經元死亡，改善大鼠的神經功能，并且有益作用可持續7 d。研究發現，給予急性IS患者口服牛黃熊脫氧膽酸（100 mg/次，3 次/d，連續口服1 周），發現患者的神經功能較前改善，血清脂質水平也較前降低，這一現象被認為是通過降低Nfr2信號通路來實現的［39］。此外，2BAs也與IS高危因素息息相關，影響IS 的發病。如2BAs 能促進腸道L 細胞分泌GLP1，挽救胰島素抵抗和糖代謝異常［27］，并可阻斷2型糖尿病及動脈粥樣硬化中NLRP3炎癥小體的活化［40］。

雖然早在20 世紀70 年代就提出了BAs 調節人類大腦功能的可能性，而且BAs 和其受體也在大腦中被發現，但BAs 作為腸道和大腦之間的溝通方式卻很少被探索。尤其是2BAs 影響中樞神經系統的分子機制和生理作用研究甚少，特別是在IS 領域。因此，微生物來源的2BAs 是IS 中一個有待深入研究的方向。

4.4 色氨酸代謝物與IS

XIE 等［41］的研究指出卒中后小鼠血清IPA 水平顯著降低。MCAO 小鼠的腸道菌群結構在灌胃IPA后被重塑，益生菌豐度增加，有害菌豐度減少，并且增強了腸屏障功能和上皮完整性。該研究還表明IPA 通過減少星形膠質細胞活化以及神經元凋亡發揮神經保護作用，從而改善MCAO 小鼠的預后。另有研究指出IPA 能夠激活芳香烴受體，從而抑制中樞神經系統炎癥［42］，有助于腸道菌群的抗炎作用［43］。但是有研究卻認為腦缺血時，小膠質細胞芳香烴受體的激活可誘導氧化應激和炎癥反應，引起血管源性水腫，進而加重腦損傷［44］。這一矛盾的研究結果可能是由于不同細菌源性的色氨酸代謝物生物功能不同，或者所激活的芳香烴受體表型不同。目前，關于細菌源性色氨酸代謝物與IS 之間關系的研究較少，對于二者之間的作用機制尚不清晰，有待于我們在后續的研究中挖掘。

5 總結與展望

腸道菌群與其宿主哺乳動物之間的雙向交流是二者相互作用的結果。很明顯的是，腸道菌群產生的代謝產物是這種交流的一個重要環節，可通過影響免疫、神經內分泌及迷走神經途徑參與IS 的發病過程。盡管腸道菌群代謝產物與IS 之間關系的研究已經取得了一定的進展，但仍存在矛盾與不足。不同腸道菌群代謝產物發揮不同的作用，在今后的研究中需要進一步去研究其各自在IS 發病過程中的病理和生理分子機制，明確其在IS 不同階段中的變化。進一步闡明代謝產物對IS 患者預防及治療的影響，研究開發可用于改善腸道菌群代謝產物的方法，并尋找可信度高的腸道菌群代謝產物來判斷IS 的風險、進展及預后，是未來的腸道菌群組學的發展方向。