多模態MRI研究腸道微生態失衡導致2型糖尿病相關腦損傷研究進展

朱貞洋，陳晴晴，伍建林

(大連大學附屬中山醫院放射科，遼寧 大連 116001)

據國際糖尿病聯盟(international diabetes federation, IDF)第9版《IDF全球糖尿病概覽》統計，2019年中國糖尿病患者超過1億，位居全球第一，且呈持續增長趨勢；其中2型糖尿病(diabetes mellitus type 2, T2DM)占絕大多數。長期T2DM可致多系統受累，腦損傷為其嚴重并發癥之一，但其病理機制尚未清楚[1]。隨著腸道微生態學及神經影像學的長足發展，基于腸-腦軸(gut-brain axis, GBA)從微生物及功能影像學角度聯合針對T2DM病理機制的研究現已取得重要進展，并發現腸道微生態失衡或可通過GBA影響中樞神經系統[2]。

1 腸道微生態失衡是T2DM潛在誘因

大量微生物群寄居于腸道中，以細菌為主，亦包括病毒和噬菌體等，構成腸道微生態系統。腸道細菌以厚壁菌門為主，約占51%，代表菌群為球形梭狀芽孢桿菌和柔嫩梭菌；其次為擬桿菌門，約占48%，以擬桿菌屬和普氏桿菌屬為主[3]。腸道微生態系統在正常生理狀態下處于動態平衡；當人體肥胖或處于病理狀態如炎性腸病或糖尿病時，可出現相應異常改變。HOANG等[4]發現越南T2DM患者腸道內擬桿菌屬和大腸埃希菌等致病菌占比顯著高于健康人，而厚壁菌門和梭菌屬細菌占比顯著低于健康人，且具有保護作用的雙歧桿菌大幅減少。QIN等[5]研究證實中國T2DM患者普遍存在腸道微生物失調，主要表現為產短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFA)細菌豐度降低而機會致病菌數量增加。此外，腸道細菌代謝產生多種生物活性物質，如D-乳酸、氨和SCFA等，作為信息交換媒介，均可通過GBA對中樞神經系統產生重要影響。腸道微生態失衡與T2DM密切相關，由此或可從微生物層面解釋T2DM發病機制。

2 腸道與大腦溝通橋梁——GBA

寄宿于腸道的微生物可分泌神經內分泌因子，影響宿主神經及免疫系統的成熟、發育及調節功能[6]。腸道菌群可通過多種途徑影響腦；其中，GBA是腸道微生物與中樞神經系統的雙向溝通系統，主要途徑為神經、神經-內分泌及神經-免疫。研究[7]證實無菌(germ-free, GF)小鼠腸道空腸彎曲菌增加與其焦慮行為加重有關，免疫組織化學示迷走神經感覺神經元激活標志物c-Fos表達增加。迷走神經可能為GBA途徑之一，且胃腸道感染可通過該途徑影響宿主認知功能。ZHANG等[8]發現細菌脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)可觸發炎癥而下調小鼠內側前額葉皮層(medial prefrontal cortex, mPFC)突觸蛋白，誘導其產生抑郁癥表現并致腸道菌群異常；切斷其膈下迷走神經后未見類似異常，證實了迷走神經在GBA溝通中具有重要作用。

腸道是人體最大的內分泌器官，腸內分泌細胞(enteroendocrine cells, EEC)在GBA溝通中具有關鍵作用；餐后腸內分泌L細胞，后者分泌胰高血糖素樣肽1(glucagon like peptide-1, GLP-1)和胃腸激素肽YY(peptide YY, PYY)，有助于控制食物攝入、體質量及新陳代謝。研究[9]證實，肥胖者血清GLP-1和PYY水平低于健康人。此外，腸內容物及微生物代謝產物可調節腸道內分泌細胞激活，其中近端腸道內分泌細胞激活主要由腸腔營養物質所調節，而遠端則主要通過微生物衍生物調節，包括SCFA、次級膽汁酸及色氨酸代謝產物等[10-11]。ZHANG等[12]發現阿爾茨海默病(Alzheimer's disease, AD)小鼠腸道微生態失衡伴SCFA水平降低，表明AD小鼠胃腸道菌群失調所致SCFA代謝異常與AD有關。LIU等[13]同樣發現自閉癥譜系障礙兒童(autism spectrum disorder, ASD)腸道菌群失調伴SCFA代謝異常，表現為糞便乙酸及丁酸含量降低而戊酸比例增高。ARNOLDUSSEN等[14]發現高脂飲食可降低成年小鼠大腦灰質和白質完整性，導致其認知水平下降。

腸道為人體免疫細胞最密集的器官。有學者[15]提出腸道微生物群與中樞神經系統固有免疫細胞(主要為小膠質細胞)之間存在微妙的動態平衡。相比缺少特定病原體(specific pathogen free, SPF)的小鼠，GF小鼠小膠質細胞發育更不成熟，且對病原體不敏感；成年SPF小鼠在抗生素誘導下可出現中樞神經系統小膠質細胞形態受損，但重新定植腸道微生物后可得以恢復[16]。WAHID等[17]發現高脂飲食肥胖大鼠海馬神經炎癥及氧化應激水平增加，表現為海馬區腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor, TNF)-α和小膠質細胞抗體Iba1水平升高。外周細胞因子可作用于中樞神經系統，誘導局部產生細胞因子、釋放過量促炎因子，甚至影響基底神經節釋放多巴胺，從而導致神經心理疾病。

3 多模態MRI聯合微生態學探討T2DM相關腦損傷病理機制

多模態MRI主要包括結構MRI(structural MRI, sMRI)、彌散加權成像(diffusion weighted imaging, DWI)、靜息態功能MRI(resting-state functional MRI, rs-fMRI)、磁敏感加權成像(susceptibility weighted imaging, SWI)及氫質子MR波譜成像(1H proton MR spectroscopy,1H-MRS)等，具有高軟組織分辨力、多參數成像、單次檢查即可提供腦結構和功能多維度信息等優勢，現已成為神經科學領域不可或缺的重要手段。

3.1 sMRI及DWI sMRI已成為神經影像學領域應用最為廣泛的MRI技術；基于水分子布朗運動原理的DWI及彌散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)可敏感地反映腦白質微結構改變，從宏觀及微觀角度顯示腦結構異常，并定量腦組織體積、各向異性分數(fractional anisotropy, FA)及平均彌散率(mean diffusivity, MD)等，以評估腦損傷程度。T2DM導致大腦微結構損傷，以認知相關腦區及白質纖維束完整性下降為著[18-19]。有學者[20]對705例T2DM患者進行6年隨訪，發現T2DM認知功能下降與大腦認知相關區域腦萎縮有關，且可能始于病程早期。LI等[21]發現精神分裂癥患者腸道微生物菌群豐度與雙側島葉及右側中央后回腦灰質體積呈顯著正相關。TENGELER等[22]結合DTI及基因測序技術，發現將注意缺陷多動障礙(attention deficit hyperactivity disorder, ADHD)患者的腸道微生物群移植入小鼠可致其腦微結構損傷，表現為白質和灰質區域(如內囊、海馬)結構完整性下降，且腦白質損傷與其腸道微生物菌群豐度顯著相關。基于組織高分辨率的sMRI及DWI有助于檢出T2DM早期腦損傷，結合先進的基因檢測手段，可望進一步探明T2DM微生態失衡與腦損傷相互作用的深層機制。

3.2 rs-fMRI rs-fMRI可在無任務驅動情況下利用血氧水平依賴(blood oxygen level dependent, BOLD)對比檢測大腦自發功能活動；借助默認網絡(default mode network, DMN)有助于洞察腦功能，并與認知功能相關[23]。CHEN等[24]證實T2DM患者存在大腦皮層功能連接性受損，與認知相關腦區(如右側顳中回、右側中央前回和雙側枕葉皮層)的功能連接明顯下降。有學者[25]基于MRI BOLD效應觀察T2DM患者神經元活動與相應區域腦血流灌注的關系，發現多個腦區MRI神經血管標志物均顯著降低。近期有學者[21]結合rs-fMRI及16S rRNA測序觀察精神分裂癥(schizophrenia, SZ)患者腸道微生物菌群，發現其失調與大腦結構及功能改變相關，如腸道微生物α多樣性與雙側距狀皮層、雙側舌回、左上枕葉皮層及右上頂葉皮層ReHo指數呈正相關，而羅斯菌屬豐度與右上顳葉皮層、左側楔葉及右側顳中葉ReHo指數呈負相關。GAO等[26]發現嬰兒腸道菌群α多樣性與杏仁核和丘腦之間以及前扣帶皮層和前島葉之間的功能連接顯著相關。CURTIS等[27]研究證實長期吸煙人群腸道微生物豐度及結構改變可影響大腦功能，表現為腦島功能連接減少，且至少受普氏桿菌和擬桿菌屬度的影響。腸道微生態失衡可影響腦網絡，但具體機制仍有待深入研究。

3.3 SWI SWI利用組織間磁敏感性差異進行成像，對腦鐵質沉積及微出血等尤為敏感。鐵為合成血紅蛋白的重要原料，機體主要通過腸道獲取鐵元素。腦鐵蓄積參與認知障礙發病[28]，可使GBA葡萄糖傳感過程紊亂，誘導T2DM，且腦鐵超負荷可致胰島素抵抗及氧化損傷，促進認知障礙發生發展。YANG等[29]采用定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping, QSM)觀察T2DM患者腦鐵沉積量與認知障礙關系，發現T2DM伴輕度認知障礙患者大腦認知相關區域(雙側尾狀核、海馬、左側殼核和右側黑質)敏感值顯著高于健康人。FERNANDEZ-REAL等[30]觀察20名肥胖者，發現其腸道放線菌門相對豐度及認知水平測試評分均降低，認知相關腦區SWI相關指標R2*值升高，提示肥胖可改變腸道菌群分布及大腦微結構，再次證明鐵沉積與T2DM認知障礙相關，腸道微生態改變或為病程重要一環。目前對于T2DM患者腸道菌群與中樞神經系統鐵沉積的關系仍未清楚，有待進一步觀察。

3.41H-MRS1H-MRS是目前神經影像學領域唯一可于活體狀態下無創觀察組織代謝物種類、含量及演變的成像技術，能敏感準確地反映早期中樞神經系統各區域代謝活動及其異常改變。T2DM伴認知障礙患者認知相關腦區、特別是海馬和丘腦存在1H-MRS相關代謝指標異常，以N-乙酸門冬氨酸/肌酸(N-aspartic acid acetate/creatine, NAA/Cr)降低、膽堿/肌酸(choline/creatine， Cho/Cr)增高為主，且1H-MRS代謝指標與T2DM相關生理生化指標(如HbA1c、體質量指數等)呈負相關[31]。JANIK等[32]采用MRS定量評估經乳桿菌飼喂后小鼠大腦相關生物標志物，包括谷氨酰胺(glutamine, Gln)、總NAA、總Cr、總Cho及γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid, GABA)，發現神經活性細菌乳桿菌可促進特定腦區GABA受體亞型持續變化，并改善小鼠焦慮；接受益生菌治療后，小鼠腦功能重要生物標志物GABA、NAA和Gln均有不同程度升高。上述研究結果表明，部分神經活性細菌存在特殊代謝途徑，可通過GBA影響T2DM患者精神心理及認知狀態。HE等[33]發現精神病超高危患者腸道菌群失調與扣帶皮層Cho濃度升高有關，而Cho水平升高是大腦細胞膜功能障礙的影像學征象。然而，腸道菌群通過GBA影響中樞神經系統的病理機制尚無統一定論，1H-MRS或可為后續探討T2DM患者腸道微生態失調與腦損傷機制提供技術支持。

4 小結及展望

近年來，隨著GBA的提出與相關研究的深入，T2DM相關腦損傷機制再次成為熱點話題，但其病理生理機制尚未明晰。多模態MRI有助于無創早期檢測T2DM腦損傷，觀察部分影像學指標及其與腸道微生態的相關性，為闡明T2DM腸道微生態失衡與相關腦損傷病理機制開辟新途徑。未來應基于多學科協作模式，立足于GBA，結合T2DM腸道微生態失衡及多模態MRI標志物，實現早期篩選T2DM腦損傷易感人群，為臨床早期干預及用藥提供指導幫助，為研發相關藥物提供理論依據。