多模態MRI在探究益生菌制劑改善2型糖尿病患者認知障礙機制中的研究進展

汪旭洋，許珊，楊東，林琳，沈晶，伍建林

0 前言

臨床上，T2DM 是最常見的糖尿病類型并呈逐年增多趨勢[1]，隨著病史和疾病程度增加多可引起中樞神經系統并發癥，其中以認知功能加速下降較為常見[2-3]。近年研究發現腸-腦軸（gut-brain-axis,GBA）在T2DM腸道菌群紊亂與中樞神經系統并發癥機制方面扮演重要角色[4]；由于益生菌制劑可調節腸道微環境故認為在改善T2DM認知功能障礙方面頗具潛力，但詳盡的作用機制尚不十分明確。近年來多模態MRI 技術為該領域的腦科學研究提供了重要平臺并顯示出較明顯的優勢，本文對多模態MRI在探究益生菌制劑改善T2DM患者認知障礙機制的研究進行綜述，以期為臨床診治及進一步研究提供新思路，并為規范益生菌的使用提供更多可能性。

1 T2DM伴認知功能障礙神經病理機制

T2DM 引起認知功能障礙的核心機制在于胰島素抵抗（insulin resistance, IR）及全身炎癥反應。胰島素具有刺激神經生長、促進神經遞質攝取、保證腦組織供能等重要作用，IR 可引起包括大腦在內的各個組織對胰島素敏感度的降低，從多方面影響神經元的正常工作。IR 與線粒體應激通路異常、內皮細胞損傷、腦內遞質及胰高血糖素樣肽-1 等小分子物質異常變化之間關系密切，幾乎貫穿T2DM 引起認知功能障礙的所有途徑[2]。胰島素缺乏與IR 導致患者長期高血糖可引起腦內包括晚期糖基化物質等代謝物異常蓄積，從而刺激膠質細胞產生基質金屬蛋白酶，并破壞血腦屏障（blood-brain barrier, BBB）的完整性，致使神經系統更多暴露于有害物質中[5]，同時IR 還會降低胰島素糖異生能力，保留脂肪生成能力，進一步加重患者的腦小血管疾病[6]，有研究認為T2DM引起的胰島素信號轉導障礙及代謝紊亂可導致軸突可塑性損傷及神經元缺失，從而加重腦萎縮的進程[7]。

全身炎癥反應也是引起T2DM神經病變的重要途徑，可能由異常代謝、血流動力學紊亂以及脂肪異位等因素導致。其可通過巨噬細胞及單核細胞的活化引起氧化應激并加速動脈粥樣硬化的進程，大腦中增加的炎癥因子更會引起腦細胞的死亡并導致軸突損傷[8]。有研究表明脂肪炎癥反應與IR 之間存在相互促進的關系，前者可以增加局部促炎巨噬細胞的水平，后者產生的細胞因子也可通過多種通路降低機體的胰島素敏感性[9-10]。

2 益生菌制劑改善大腦認知的可能機制

腸-腦軸是腸道與大腦之間的雙向通路，腸道菌群的改變往往可通過神經、內分泌等途徑影響大腦。研究表明，T2DM 患者擬桿菌及乳桿菌豐度減低，而一些大腸桿菌及孢子菌則會增加，其產生的芳香族氨基酸會進一步加重胰島素抵抗[11]。同時，也有多種細菌被證明可通過其代謝產生短鏈脂肪酸維持腸道屏障完整性以及葡萄糖代謝的穩定[12]。星形膠質細胞是T2DM 認知障礙與代謝異常的重要參與者，有研究表明部分腸道菌群及其代謝產生的各種短鏈脂肪酸可促進星形膠質細胞的激活[13]。某些可以改善腸道菌群的干預措施及腸道微生物代謝產物的補充均可通過神經保護作用緩解認知障礙[14]；相對于間歇性禁食以及糞便移植，益生菌制劑的干預更具有普適性，不同益生菌制劑干預可產生包括促進短鏈脂肪酸的生成、增強胰島素敏感度、下調炎癥因子表達、減少脂多糖產生等多種不同效應[15]。乳桿菌分泌的乳酸可以調節腸道微環境，而擬桿菌可以通過改善碳水化合物代謝改善胰島素抵抗[16]。有研究表明丙酸鹽、丁酸鹽等物質在轉錄修飾后具有抑制組蛋白乙酰化的作用，從而調整代謝、改善免疫系統[17]。此外，乳酸菌與酵母菌的混合益生菌制劑干預可增加T2DM大鼠腸道內胰高血糖素樣肽-1的分泌并降低T2DM對不同器官的損傷[18]。有研究通過8 周的短雙歧桿菌干預改善了肥胖及胰島素抵抗患者的糖耐量及胰島素敏感性[19]。ZIEGLER 等[20]通過90 天的克勞氏芽孢桿菌干預降低T2DM患者的空腹血糖水平并增加了患者血漿的高密度脂蛋白，一些研究指出阿克曼黏液菌不僅有助于改善胰島素抵抗，還可以減少胰島細胞的損傷[21-22]。

3 益生菌制劑改善T2DM 認知障礙多模態MRI 研究進展

多模態MRI 包括結構MRI、增強MRI、功能MRI 等多種不同技術，其成像原理及觀察重點各不相同，T2DM 導致認知障礙的不同病理機制在多模態MRI 上具有不同的表現，因此在益生菌制劑干預期間分析腦多模態MRI參數的變化，可在一定程度上了解和監測益生菌制劑干預對T2DM 患者腦容積、纖維束完整性及神經元功能可能的影響，結合相關臨床指標有助于探究益生菌及其代謝產物影響認知功能的具體機制。

3.1 結構MRI與擴散MRI

結構神經影像學主要包括結構MRI（structual MRI, sMRI）和擴散MRI（diffusion MRI, dMRI），其中sMRI 是最基礎和最常用的MRI 技術之一。有研究指出T2DM導致的灰質體積萎縮速度比正常衰老高出約26%[3]。雙歧桿菌制劑的干預可以減少腸道中梭菌含量，通過sMRI 發現雙歧桿菌干預抑制了老年人認知功能障礙患者腦萎縮進展，經12 周益生菌干預提高了血清中腦源性神經營養因子（brain-derived neurotrophic factor, BNDF）的水平[23]，而后者可促進突觸形成、提高神經可塑性；有研究表明在4 周雙歧桿菌和乳桿菌混合制劑干預治療后患者血清BNDF水平增高，同時益生菌干預后左腦緣上回及頂上小葉灰質體積出現一定程度縮小，這可能與腦功能效率提升有關[24]。由于益生菌制劑干預對腦容積的影響細微且復雜，傳統基于體素的形態測量（voxel based morphometry, VBM）往往不夠敏感且易受到空間配準的影響，而基于形變的形態測量（deformation-based morphometry, DBM）通過腦局部形變定量研究腦組織形態學變化較少受到空間配準的干擾，已被用于帕金森等疾病的臨床研究[25]，目前DBM 尚未被應用于腸-腦軸領域的研究，DBM 與VBM聯合使用可以更精確地發現腦結構的細微差異，在今后探究益生菌干預下腦結構的具體變化上具有潛在價值。

擴散MRI 技術可以通過白質纖維束對水分子布朗運動的制約作用來評估腦白質完整性及實現神經纖維束的立體重建。T2DM 患者顯然也存在腦白質完整性受損的情況。GAO 等[26]發現T2DM 患者右額枕下束和右下縱束白質（white matter, WM）完整性受損與情景記憶和注意功能障礙呈顯著相關，此外，認知功能障礙相關的WM 微結構損傷與受影響的WM 束相連的皮層退化有關，從而表明相對單純T2DM患者，并發現認知功能障礙者WM束存在廣泛變性。還有研究通過dMRI 和基于區域的空間統計分析來評估2 218名T2DM患者白質完整性發現，其腦白質微結構的異常可出現于T2DM 早期且與較高的血糖水平有關[27]。COMAI 等[28]通 過 擴 散 張 量 成 像（diffusion tensor imaging, DTI）發現腦白質完整性受損與血漿中色氨酸水平之間存在關聯，益生菌是腸道色氨酸的重要來源，擴散MRI可以通過水分子的擴散運動定量分析腦白質的完整性，在今后探究益生菌干預是否可以影響白質微結構方面可能具有一定應用前景，而DTI還可以分析血管周圍間隙水分子的運動情況，從而判斷類淋巴系統的功能狀況，YANG 等[29]運用DTI 技術指出T2DM 可以引起患者類淋巴系統功能的下降，而益生菌干預下T2DM 類淋巴系統的變化情況尚未見報道，今后可以作為益生菌干預T2DM 認知功能研究領域的全新方向。但是傳統DTI 模型無法解決纖維交叉等問題，在臨床實際研究中仍存在一定局限性，而神經突離散度和密度成像技術不僅可以解決纖維交叉問題，還可以具體分析細胞內外及腦脊液中水分子的狀況，為具體分析白質微結構變化提供更多的定量數據。

3.2 動態對比增強MRI

T2DM患者多存在BBB完整性損害，利用釓對比劑行動態對比增強MRI（dynamic contrast enhancement,DCE-MRI）可無創性評估BBB 完整性[30]，當BBB 被破壞時，小分子對比劑可從血管滲漏入血管外、細胞外間隙中；在DCE-MRI 的Patlak 藥代動力模型中Ktrans值是重要參數，其可反映滲漏過程對比劑的轉運系數并定量分析血腦屏障滲透性[31]，李曼等[32]通過DCE-MRI 技術測量T2DM 患者皮質灰質、深部灰質、正常腦白質和腦白質高信號區域Ktrans值發現和證實，T2DM 患者BBB 通透性明顯增高。在植物乳桿菌改善發育性協調障礙的研究中發現，8 周的植物乳桿菌干預治療后大鼠外周血和腦組織中氧化標志物同時發生不同程度的下降[33]，但其下降的具體原因是單純的機體氧化狀況的好轉，還是與BBB的修復致使氧化標志物難以進入大腦有關，有待于今后結合DCE-MRI技術深度探究其機制。

3.3 靜息態功能MRI

靜息態功能MRI（resting-state functional MRI, rs-fMRI）是通過血氧及流量的變化間接反映神經活動的狀況，T2DM 患者在默認模式網絡存在功能連接異常，并且靜息態功能連接與病程呈負相關，MENG 等[34]和HAAS 等[35]將胰島素抑制試驗期間患者的理化指標與靜息態神經成像數據相結合，證實了胰島素抵抗增加與海馬功能連接性降低密切相關。神經元活動可顯著增加局部耗氧量，并在一定程度上增加局部的血流量，rs-fMRI 即是通過組織新陳代謝引起氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白比例改變而間接反映神經元活動。先前關于長雙歧桿菌、乳桿菌改善患者焦慮、晝夜節律以及睡眠狀況研究中，通過rs-fMRI 探索不同腦區之間連接情況并取得進展，發現益生菌干預增加了大腦邊緣區域的功能連接[36]，表明其在反映和探究益生菌制劑改善IR方面具有可能性和潛在臨床應用價值。有研究指出腸道菌群與中風等器質性腦血管疾病之間存在相互影響，益生菌可以發揮神經保護作用，而腦損傷產生的炎性因子又可以反過來影響腸道微生物的結構[37]，rs-fMRI 可用于研究益生菌制劑干預下器質性神經損傷患者腦血氧代謝水平的變化[38]，結合實驗室檢查在深度揭示腸-腦軸生理病理機制方面具有一定價值。

3.4 動脈自旋標記成像

T2DM患者內皮細胞損傷可引起腦灌注、BBB透過性及白質完整性等異常改變。動脈自旋標記（arterial spin labeled, ASL）成像將患者自身水分子作為示蹤劑來測量腦灌注，并常與fMRI 聯合作為血氧水平依賴技術的替代方法。T2DM 患者部分腦區灌注不足是引起認知功能障礙的重要因素，而區域性灌注不足多出現于高胰島素抵抗的患者中[39-40]。MA 等[41]通過生酮飲食改善了小鼠腸道菌群的多樣性及其構成，并進一步增加了全腦尤其是下丘腦的腦血流量（cerebral blood flow, CBF）。ASL 技術使用內源性動脈血作為示蹤劑來量化器官灌注的規律，可在一定程度上反映T2DM 血管內皮功能的情況。YAMANBAEVA 等[42]通過ASL 研究益生菌干預下的抑郁癥患者腦灌注情況發現，益生菌干預組海馬CBF低于安慰組而杏仁核CBF高于基線，表明益生菌對腦灌注的影響以及ASL在相關研究中的應用價值。

3.5 磁共振波譜成像

磁共振波譜成像（magnetic resonance spectroscopic, MRS）較早應用于探究T2DM 認知功能的相關研究中，是目前唯一無創性觀察活體組織代謝及生化變化的技術，其中N-乙酰基天門冬氨酸（N-acetyl-aspartate, NAA）峰可反映神經元的線粒體功能狀況，而肌醇作為神經膠質標志物，其升高常與神經炎癥以及淀粉蛋白沉積相關[43]。LEE等[44]在分析了肥胖T2DM患者MRS后發現，前額葉NAA降低與IR相關，并認為IR 是影響DM 神經元功能的關鍵因素。HE 等通過收集精神病高風險受試者糞便及腦MRS 數據并分析腸道菌群變化與腦代謝改變間的關系發現，腸道微生物代謝產物可通過激活膠質細胞引起大腦膜功能的障礙，表現為前扣帶皮層膽堿峰的升高[45]。在未來相關研究中，可在益生菌干預前后使用MRS 技術來檢測不同腦區的代謝改變情況，以進一步推測腦的胰島素抵抗與膜功能的改變。

3.6 雙模態MRI

雙模態MRI是通過分析結構、功能、代謝等不同模態之間的相關性，更好解讀不同病理情況下腦損傷的可能機制，并有助于評估疾病嚴重程度及預后。類淋巴系統是大腦排除廢物的重要途徑，當發生炎性改變或膠質細胞增生反應時血管周圍間隙腦脊液與組織液的交換常受到影響[46]，而將T1及T2序列耦合通過卡閾值的方法可以分析腦血管周圍間隙的容積[47-48]，為分析益生菌干預下T2DM 淋巴系統損傷是否得到改善提供了研究手段。腦白質纖維束是大腦信息傳遞的直接通路，T2DM患者引起的結構連接改變可能導致腦功能網絡受損并進一步影響認知功能，在MA等[49]通過結構與功能模態結合分析發現皮下血管性輕度認知功能障礙患者結構功能耦合（structure-function, SC-FC）在功能網絡的腹側注意模塊顯著下降而在背側注意模塊顯著增加。由于T2DM 血糖異常及相關并發癥可影響神經元激發增加局部血流量過程，故CANNA 等通過fMRI與CBF 相關系數來評估T2DM 對神經血管耦合（functional-metabolic neurovascular coupling,VVC）的影響，并發現默認模式網絡及腹側模塊NVC 的異常增高可能導致視覺認知空間認知能力的降低[50]。此外，近年來研究將MRS 或PET 提供的代謝信息與fMRI 或sMRI 相結合，用于探究神經遞質及糖代謝與腦功能、容積之間的關系并取得進展[51-52]。綜上所述，雙模態耦合或可以有效彌補單一模態信息有限引起的局限性，為益生菌制劑干預下T2DM 腦白質完整性、灰質體積、灌注及功能連接改變提供更加全面的評估。

4 總結與展望

近年來，益生菌制劑作為T2DM 潛在的治療手段從最開始改善胃腸道功能、體重體脂，到輔助治療糖尿病腎病，再到改善認知功能已受到越來越多的關注。多模態MRI 技術作為一種無創性和較成熟的先進影像學方法技術，可觀察和反映益生菌制劑干預后不同時期腦部有關結構與功能指標的變化，并與病理生理指標相結合探究其可能的作用機制，但是目前的研究仍存在一定局限性：首先，一些MRI 序列掃描時間過長，對于臨床數據的收集存在一定限制；其次，腸道菌群的種類過于龐大，為具體機制的探究帶來巨大挑戰。但是相信隨著影像及高通量測序技術的發展，益生菌制劑的研制與臨床應用會更多地參考腦影像指標，針對T2DM患者胰島素抵抗、腸道內毒素增高等特點選用擬桿菌、乳酸菌制劑進行干預，實現T2DM更加精準、可靠的個體化益生菌治療。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：伍建林設計本綜述的框架，對稿件重要內容進行了修改，獲得了國家自然科學基金和大連市科技創新基金的資助；汪旭洋起草和撰寫稿件，獲取、分析本研究的文獻；許珊、楊東、林琳、沈晶獲取、分析或解釋本研究的數據，對稿件重要內容進行了修改；全體作者都同意發表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。