腸道菌群與缺血性腦卒中相互影響的研究進展

楊常慧 晁 倩 付 冠 宮健偉▲

1.濱州醫學院康復醫學院，山東煙臺 264000；2.山東省棗莊市嶧城區中醫院，山東棗莊 277000；3.濱州醫學院附屬醫院康復醫學科，山東濱州 256603

近年來，我國缺血性腦卒中（ischemic stroke，IS）的患病率仍呈逐年增長趨勢，在2005—2019年的這15年間，我國IS的患病率由1044/10萬上升至1256/10萬，并且隨著人口老齡化及城市化進程的持續推進，這種趨勢只增不減[1]。雖然早期靜脈溶栓、介入治療等技術的應用極大地改善了IS患者的預后，但每年仍有近90萬例患者死于IS，且近70%的IS幸存患者遺留不同程度的神經功能障礙，因此IS的防治工作仍然任重而道遠[2]。腸道菌群是指分布在胃腸道的微生物群，主要包括厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門和梭桿菌門等[3]，其中擬桿菌門和厚壁菌門占總數的90%以上，近年來有很多學者將厚壁菌門（firmicutes）和擬桿菌門（bacteroidetes）的比值（F/B）作為健康和疾病的預測指標[4]。國內外研究已經證明，腸道菌群可通過炎癥反應、免疫反應、神經內分泌反應、迷走神經反應、菌群代謝產物等多種途徑參與多發性硬化、帕金森病、吉蘭巴雷綜合征、阿爾茨海默病等多個神經系統疾病的發生，而腸道菌群與IS的研究更是近些年的研究熱點[5]。研究證實腸道菌群和IS之間存在著密切的關系，其在肥胖、糖尿病、高血壓、動脈粥樣硬化等IS相關危險因素的病理過程中發揮重要作用，并可通過多種途徑影響IS的發生及預后，有望成為防治IS新的治療靶點。本文就腸道菌群與IS危險因素的相關性、腸道菌群與IS相互影響等內容做一綜述，以期為腸道菌群與IS的相互影響的研究以及IS防治的研究提供一定的理論參考。

1 腸道菌群與缺血性腦卒中發病的相關性

1.1 腸道菌群與肥胖

有研究表明，腸道菌群與肥胖之間存在著因果關系[6]。其開創性的研究源于一項動物實驗[7]，在相同的富含多糖的飲食喂養條件下，遺傳型肥胖（ob/ob）小鼠、瘦小鼠（ob/+）和野生型（+/+）小鼠相比，腸道菌群的組成存在明顯差異，肥胖型小鼠腸道中厚壁菌門的豐度相對增加，擬桿菌門的豐度相對降低，F/B值增加。在臨床研究中也觀察到肥胖成年人的腸道菌群多樣性減少，菌群組成發生改變，并且肥胖成年人腸道菌群的總體多樣性隨著體重指數的增加而降低[8-9]。相關細菌已被證明和肥胖有著直接的關系，如克里斯滕森菌可以通過調節腸道菌群的組成，改善小鼠的肥胖[10]，史氏甲烷短桿菌可以增加脂肪組織的堆積[11]。另外，含有脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）的細菌腸桿菌在肥胖癥患者的腸道中含量較為豐富，高脂飲食增加了含LPS細菌的豐度，增多的LPS通過通透性增加的腸道上皮進入循環血液，誘導代謝性內毒素血癥以及先天性免疫反應[6]。特別是，LPS可與下游的Toll樣受體4（TLR4）結合激活核因子κB（NF-κB）炎癥途徑，進而增強多種促炎細胞因子的轉錄[12]。最近的研究證明腸道菌群可刺激胰高血糖素樣肽-1、胃饑餓素等胃腸道激素以及色氨酸、5-羥色胺等代謝產物的釋放，參與飽腹感、宿主食欲、脂肪堆積和能量平衡的調節[13]。

1.2 腸道菌群與糖尿病

臨床90%以上的糖尿病患者為2型糖尿病（T2DM）。動物實驗和臨床試驗均有充分的證據證明腸道菌群與T2DM的發生發展有著不可分割的關系。Li等[14]比較40只T2DM組SD大鼠和正常組SD大鼠發現，T2DM組SD大鼠腸道內大腸桿菌和腸球菌的豐度明顯高于正常組，而T2DM組的雙歧桿菌和乳酸桿菌的豐度明顯低于正常組。臨床研究表明[15]，與正常組相比，T2DM患者的腸道菌群狀態為中度腸道生態紊亂，其中產短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）的細菌（羅氏菌屬、柔嫩梭菌等）豐度普遍降低，多種致病菌（梭菌、梭狀芽孢桿菌等）的細菌豐度顯著增加。腸道菌群的代謝產物SCFAs已被證明能夠通過多種機制引起胰島素抵抗及敏感性降低，其主要的作用機制包括：①SCFAs可通過激活G蛋白耦聯受體家族調控胰島素等胃腸道激素的分泌，引起脂代謝和糖代謝異常[16]；②腸道中低水平的SCFAs導致組蛋白去乙酰化酶的抑制作用減弱以及誘導T細胞轉化為Treg細胞的能力減弱，使促炎因子和抗炎因子分泌失衡，引發慢性低度炎癥，加速糖尿病的進程[17]。

1.3 腸道菌群與高血壓

高血壓是公認的IS最重要的危險因素，越來越多的研究開始報道腸道菌群在高血壓中的作用。Tao等[18]發現，與正常大鼠對比，在自發性高血壓大鼠以及慢性血管緊張素Ⅱ輸注誘導的高血壓大鼠模型中，均觀察到腸道菌群的數量及豐度顯著降低，F/B比值顯著增加，且產SCFAs的菌群豐度減少，產乳酸鹽的菌群豐度增加。進一步干預研究表明，使用抗生素和糞菌移植均可使高血壓大鼠的血壓恢復正常，腸道菌群重建平衡。臨床研究顯示[19]，與對照組相比，高血壓患者腸道菌群的α多樣性降低，革蘭陰性菌的豐度升高，產SCFAs的菌群豐度下降。SCFAs因所作用的受體不同，而對血壓有著不同的影響。血液中的SCFAs作用于血管平滑肌細胞上的嗅覺受體78（Olfr78）可升高血壓[20]，作用于G蛋白耦聯受體41（Gpr41）可降低血壓[21]。另一個關鍵的菌群代謝產物膽汁酸也可直接與宿主相互作用而影響血壓，初級膽汁酸在腸道內經菌群加工成次級膽汁酸后，可通過激活膽汁酸感應受體、法尼醇X（FXR）受體等來影響心血管功能[22]。此外，高鹽飲食可通過誘導腸道菌群依賴的輔助性T-17細胞引起高血壓[23]，與高血壓發病機制有關的一氧化氮信號通路受到微生物多樣性的影響[24]。

1.4 腸道菌群與動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）是IS的一個非常普遍的原因。Karlsson等[25]比較12名癥狀性動脈粥樣硬化（心肌梗死或腦血管事件）患者和13名健康個體的糞便樣本發現，癥狀性AS患者腸道中柯林塞拉菌屬豐度相對較高，而對照組中真細菌和玫瑰菌屬的豐度相對較高。有一項對218例AS患者和187名健康對照者進行的全基因組關聯研究發現[26]，AS患者的腸道菌群因腸桿菌屬和鏈球菌屬的增加而嚴重失衡。一個突破性的發現是在AS斑塊中發現了多種細菌DNA，并且相關動物實驗已經確定了某些菌群（如幽門螺桿菌和牙齦卟啉單胞菌等）有助于增加AS斑塊的面積[27]，斑塊內的免疫細胞也被證明能夠產生針對腸道菌群（如克雷伯氏菌和變形桿菌等）抗原的抗體[28]。

AS作為心腦血管疾病共同的病理基礎，是一種涉及多種炎癥遞質的慢性炎癥性疾病。Brandsma等[29]將促炎性腸道微生物群引入健康小鼠體內后觀察到，健康小鼠血液中白細胞數量、促炎因子濃度增高，AS斑塊中中性粒細胞的聚集增加。另外腸道菌群失調可使小鼠頸動脈內膜增厚，管腔狹窄率升高[30]。除了腸道菌群介導的促炎作用之外，腸道菌群代謝產物也影響AS的發生及演變。一個典型的例子是飲食中的磷脂酰膽堿、膽堿或肉堿經腸道菌群代謝生成三甲胺（trimethylamine，TMA），進入肝臟后被黃素單加氧酶進一步加工，轉化為氧化三甲胺（trimethylamine -N -oxide，TMAO）。TMAO通過增加血管炎癥和內皮細胞功能障礙以及刺激泡沫細胞形成AS斑塊來影響AS的進展[31]。另外，TMAO還可以通過增加血小板高反應性促進血栓事件發生的風險[32]。

腸道菌群參與IS發病的具體機制尚未完全闡明，它是否可以作為IS的直接病因也有待探究，但腸道菌群通過多種機制增加IS的發病風險已經被證實。從目前的研究現狀來看，腸道菌群更傾向于加速疾病的病理過程，因此腸道菌群可以間接參與IS的發生。

2 腸道菌群與缺血性腦卒中

2.1 缺血性腦卒中導致腸道菌群紊亂

研究表明[33]，大腦中動脈閉塞（middle cerebral artery occlusion，MCAO）小鼠模型的腸道菌群較假手術組相比，腸道菌群多樣性顯著減低，腸道菌群過度生長。腸黏膜微生物群中梭狀芽孢桿菌的豐度增加以及Akkermansia黏蛋白原升高[34]。IS除了會引起腸道菌群結構及豐度變化之外，還會致使腸道菌群向外傳播引發卒中后感染，如卒中后肺感染及泌尿系感染[35]。腸道菌群擴散到外周的重要因素是卒中發作后腸上皮細胞緊密連接蛋白表達減少使腸屏障通透性增加[36]。引發上述現象的其中一個機制是卒中后交感神經系統（sympathetic nervous system，SNS）的激活，IS后應激反應使胃腸動力降低，細菌過度生長[37]。另外，SNS的效應分子也可作用于免疫細胞上的腎上腺素受體誘導卒中后免疫抑制效應，使IS患者比健康人更容易發生感染[38]。

2.2 腸道菌群影響缺血性腦卒中的結局

關于菌-腸-腦（microbiota-gut-brain，MGB）軸雙向通信的提出為IS的預防和治療提供了新的思路。IS導致腸道菌群紊亂，紊亂的腸道菌群又反過來影響IS的預后。最經典的實驗是Benakis等[39]人用阿莫西林治療性的誘導菌群改變后，卒中小鼠的腦梗死面積減少了60%，且運動功能得以改善，其主要作用機制是菌群變化改變了小鼠腸道的免疫穩態，通過改變樹突狀細胞的活性，導致小鼠體內的Treg細胞增多，增多的Treg細胞一方面抑制小腸γδT細胞表達促炎癥細胞因子IL-17，減少δT細胞向缺血部位腦組織的遷移；另一方面Treg細胞可分泌抗炎癥細胞因子IL-10，通過調節卒中后的神經炎癥反應，減少卒中小鼠的腦梗死面積。而在另一項Lim等[36]人的研究中卻得到了相反的結論，菌群改變后卒中小鼠的腦梗死面積增大。但這兩項研究所報道的關于腸道菌群和大腦之間潛在的交流機制大體是相符的。將老年小鼠的腸道菌群通過糞便移植管飼法注入年輕小鼠體內，然后構建MCAO小鼠模型后發現，MCAO小鼠體內的炎癥因子水平升高，行為測試表現下降，病死率增加。相反，將年輕小鼠的腸道菌群移植入老年小鼠體內改善了老年MCAO小鼠的預后，增加了其存活率[40]。關于腸道菌群影響卒中結局的臨床研究少之又少。IS患者的腸道菌群與宿主的代謝和炎癥相關，具體表現為IS與乙酸濃度降低和戊酸濃度升高有關，同時乙酸濃度的變化與糖化血紅蛋白和低密度脂蛋白水平呈負相關，而戊酸濃度的變化與C-反應蛋白水平和白細胞計數呈正相關，乳桿菌患病率的變化與IL-6水平呈正相關。

3 小結與展望

綜上所述，腸道菌群通過多種途徑參與IS的發病及預后，IS也可引起腸道菌群結構及代謝的改變，因此腸道菌群及其代謝產物均有可能成為IS潛在的治療靶點。但未來研究仍面臨著巨大的挑戰：一方面，目前對腸道菌群與IS的理解大多來自動物研究，其臨床試驗仍然有待考究；另一方面，廣泛評估腸道菌群的變化以及各種生物標志物是下一步IS防治的重點研究方向。為此，大量針對腸道菌群的動物及臨床研究的探索對學者們來說既是不可避免的，也是令人期待的。