腸道菌群與缺血性腦卒中相關性的研究進展

程 萍, 陳治任, 孫 旭, 楊梅芳,, 張 俠, 黃文娟, 陳巍巍綜述, 謝志遠審校

缺血性腦卒中(ischemic stroke,IS)是一種常見的、好發于中老年人的腦血管疾病,被列為世界第二大死亡原因和第三大致殘原因,充分挖掘其發病機制并進行調控,對于提高治療有效率至關重要。近年來對腸道菌群的深入研究,揭示了腸道與大腦之間的雙向溝通途徑,提出了“腦-腸-菌群”軸的概念,并進一步證明了腸道菌群與中樞神經系統調節的相關性。腸道菌群通過“腦-腸-菌群”軸參與缺血性腦卒中危險因素的調控,也參與急性期發病機制的調控,并貫穿發病及預后全程。本文就腸道菌群、“腦-腸-菌群”軸和IS的相關性展開綜述,挖掘腸道菌群對IS產生致病影響的機制。

1 “腦-腸-菌群”軸的概述

“腦-腸-菌群”軸是指中樞神經系統(central nervous system,CNS)和腸道菌群之間的雙向聯系,通過神經元通路(例如,自主神經系統和腸神經系統)、下丘腦-垂體-腎上腺軸(hypothalamic-pituitary-adrenal axis,HPA軸)、免疫通路之間的直接和間接信號傳導形成網絡,在維持 CNS 和胃腸系統的穩態方面具有重要作用[1]。大腦和腸道之間的信號傳導通過神經元和非神經元機制發生。缺血性腦卒中發生后,從大腦到腸道的自上而下的通路影響腸道屏障功能和菌群組成,而從腸道到大腦的自下而上的信號觸發炎癥反應,影響卒中結局[2]。

1.1 自上而下的通路(腦→腸) 在自上而下的信號傳導中,通路涉及自主神經系統、腸神經系統、HPA軸和免疫通路。自主神經系統由交感神經和副交感神經構成,通過釋放的神經遞質調節腸道穩態。腸神經系統位于黏膜下層的神經叢中,直接支配腸道運動,負責微生物于宿主之間的神經元連接[3]。除了以上兩種直接神經輸入外,HPA軸是“腦-腸-菌群”軸中重要的非神經元傳遞途徑之一,釋放皮質醇以影響腸道穩態以響應各種刺激,作為應激反應的通訊途徑尤為重要[4]。

1.2 自下而上的通路(腸→腦) 自下而上的信號傳導主要涉及迷走神經和免疫通路。迷走神經由80%的傳入纖維和20%的傳出纖維組成,在大腦和腸道之間的信號傳輸中起雙重作用。這些傳入纖維接受微生物代謝物和腸內分泌神經肽的刺激,通過迷走神經向整個大腦發出信號,調節神經元、星形膠質細胞、小膠質細胞和血腦屏障的功能。腸道與大腦之間的相互作用,主要依賴于免疫通路[5]。在小鼠大腦中動脈缺血(MCAO)模型中,腸道相關淋巴組織缺陷小鼠缺乏腸道菌群介導的神經保護作用,表現出更大的梗死面積和更嚴重的神經功能缺損[6]。來自革蘭氏陰性菌外膜的內毒素,如脂多糖(lipopolysaccharide,LPS),釋放到循環中,通過激活小膠質細胞,誘導神經炎癥,這表明腸道通過免疫途徑與大腦交流[7]。

2 腸道菌群失調在缺血性腦卒中的作用

腸道菌群失調,導致“腦-腸-菌群”軸信號傳導失調,誘導腸道屏障改變、內毒素血癥、全身炎癥和感染,影響卒中后的轉歸。

2.1 腸道菌群及其代謝產物參與缺血性腦卒中的調控 對腦卒中患者的臨床試驗揭示了IS后腸道菌群失調的特征,表現為腸道菌群α-多樣性減少,包括厚壁菌門與擬桿菌門的比例改變,擬桿菌門、變形菌門和梭菌門等促炎菌群的豐度增加,與較大的梗死面積相關,厚壁菌門和放線菌門等抗炎菌群的豐度降低,機會致病菌(包括巨球菌屬、腸桿菌屬、脫硫弧菌屬)豐度增加[8]。小鼠MCAO模型中,觀察到乳酸桿菌和嗜熱鏈球菌這類益生菌豐度的相對降低,惡化了小鼠肢體活動能力和認知功能[9]。腸道菌群的改變導致其代謝產物水平發生變化,其中影響最大的是LPS的增加和短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)的減少[10]。IS誘發腸道缺血,通過自由基反應產生過量的硝酸鹽,促進腸桿菌科細菌的增殖,腸腔中LPS濃度升高,導致腸道連接蛋白表達減少,LPS進入循環系統,導致內毒素血癥。LPS進入腦循環,激活腦內皮細胞中的Toll樣受體4(toll-like receptor4,TLR4),破壞血腦屏障,通過增強慢性全身炎癥,惡化卒中預后[11]。使用氨基胍或超氧化物歧化酶減少硝酸鹽的產生,可抑制腸桿菌科細菌的過度生長,減少全身炎癥。在腸道上皮中,SCFAs通過上調緊密連接蛋白的表達和增強抗菌肽的活性,增強腸道屏障完整性。SCFAs還促進小膠質細胞的分化和增殖,降低血腦屏障的通透性[12]。IS后SCFAs產生菌的缺乏,減少了SCFAs的產生,導致其抑制炎癥反應的功能減弱,加劇缺血性腦損傷并造成不良預后[13]。

2.2 腸道菌群通過調節免疫系統影響缺血性腦卒中的預后 腸道菌群失調可以影響IS后腦損傷的嚴重程度和預后,主要體現在對免疫細胞的調節。在腦卒中早期,小膠質細胞的激活和T淋巴細胞的浸潤增加,與卒中的惡化呈正相關,表現為更大的梗死面積、更嚴重的腦水腫和神經功能缺損。菌群失調影響細菌代謝產物的產生,主要是SCFAs水平顯著降低[14]。SCFAs在IS后減少小膠質細胞活化并促進神經元可塑性,與卒中后更好的預后相關。T細胞在IS后的繼發性腦損傷中起著至關重要的作用。促炎性T輔助細胞1 (T helper 1 cells,Th1)、T輔助細胞17 (T helper 17 cells Th17)和γδT-IL-17+細胞與卒中后神經炎癥有關,而調節性T細胞(regulatory T-cells,Treg)具有抗炎和神經保護作用[15]。低水平的SCFAs 促進的T細胞亞群的擴張,誘導T細胞分化為效應細胞和調節細胞,加劇了Th1、Th17和分泌IL-17的γ δ T細胞亞群從腸道進入中樞神經系統,誘導缺血局部和慢性全身炎癥。在一些動物MCAO模型中,抗生素預處理導致菌群耗竭,促進免疫抑制型Treg細胞的增加和促炎型效應T細胞的減少,會帶來神經保護作用,表現為較小的梗死面積[16]。但無論卒中結果如何,抗生素誘導的菌群耗竭都會抑制效應T細胞的產生,造成普遍的免疫抑制,引起嚴重感染。使用特定的抗生素優先清除致病菌,可以達到減少梗死面積,改善長期預后的結果。

3 腸道菌群參與缺血性腦卒中相關危險因素的調控

缺血性腦卒中的危險因素復雜多樣。腸道菌群失調會改變腸道微環境,影響腸道代謝和吸收功能,導致腸道菌群以不同方式影響缺血性腦卒中的危險因素,包括高血壓(hypertension,HTN)、2型糖尿病(diabetes mellitus type 2,T2DM)、動脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)等。

3.1 腸道菌群與高血壓 HTN是腦卒中的主要危險因素,遺傳和環境是其主要病因。越來越多的證據表明腸道菌群在HTN的發生和發展中起著重要作用。在HTN動物模型和HTN患者中,腸道菌群失調的特點是:(1)多樣性減少,豐度降低,厚壁菌門/ 擬桿菌門(Firmicutes/Bacteroidetes,F/B)比值升高; (2)乳酸產生菌豐度增加和產SCFAs菌豐度減少。以上菌群失調特點,在自發性高血壓大鼠(spontaneously hypertensive rat,SHR)和血管緊張素Ⅱ (angiotensin Ⅱ,Ang Ⅱ)輸注的HTN模型,均有驗證[17]。腸道菌群能夠根據飲食或運動等生活方式因素來調整其組成。例如,高鹽飲食顯著降低乳酸桿菌的豐度。腸道菌群調節血壓的方式,主要涉及交感神經系統、免疫系統和腸道系統。腸道菌群通過干擾胃腸的嗜鉻細胞以增加血清素、多巴胺和去甲腎上腺素的釋放,激活交感神經,誘導腸道通透性增加,隨后腸壁內炎性細胞數量增加,并導致慢性低度炎癥和腸道菌群組成的改變,進而通過向外周循環中釋放有害的菌群代謝物來促進神經元活動,從而促進HTN[18]。

腸道菌群也可通過代謝產物,如SCFAs、 氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide,TMAO)、硫化氫(hydrogen sulfide,H2S)或細菌壁成分如LPS等對血壓產生影響。SCFAs主要包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽,通過不同的方式發揮抗炎作用。乙酸鹽和丁酸鹽通過抑制組蛋白去乙酰化酶,促進Th1和Th17效應細胞以及Treg細胞的分化,產生抗炎作用。研究證明長期口服乙酸鹽或丁酸鹽可以預防SHR高血壓的發展。攝入丁酸生成菌,如乳桿菌或短雙歧桿菌,表現出與口服丁酸鹽相似的血壓調控作用。SCFAs還可以通過降低血管張力,直接影響高血壓[19]。血漿TMAO水平升高影響腎素-血管緊張素系統,與血壓呈正相關。高鹽攝入導致血漿中TMAO濃度升高,引起大鼠腸道菌群失調。部分結腸細菌還可以產生H2S,通過舒張血管、減輕血管炎癥和氧化應激、抑制腎素釋放和血管緊張素轉換酶活性等,降低血壓。LPS是革蘭氏陰性菌細胞壁的結構成分,可作為 TLR4激動劑。動物實驗證明,TLR4的上調能夠促進HTN的發病,但TLR4抗體處理的AngⅡ灌注小鼠部分只是恢復了血管功能,沒有明顯的降壓作用,說明TLR4在血管功能障礙和氧化應激中發揮關鍵作用,但不能直接升高血壓[20]。LPS還可通過增加去甲腎上腺素的水平,作用于下丘腦室旁核,降低壓力反射敏感性,促進血壓升高。

3.2 腸道菌群與2型糖尿病 2型糖尿病是缺血性腦卒中的獨立危險因素,特點是胰島素抵抗(insulin resistance,IR)和高血糖。腸道菌群失調是T2DM發生、發展的重要因素。糖尿病患者腸道菌群失衡,導致菌群的組成和功能遭到破壞。例如,普氏菌和擬桿菌等革蘭陰性桿菌,與IR呈正相關。厚壁菌屬和放線菌屬豐度增加,擬桿菌屬和變形菌屬的豐度降低,這些主要與空腹血糖升高呈正相關。研究發現糖化血紅蛋白升高的糖尿病患者大腸埃希菌含量顯著升高[21]。IR和高血糖會導致凝血-纖溶失衡、血管內皮功能障礙和血小板高反應性,使機體處于血栓前狀態。此外,高血糖還會抑制小膠質細胞和星形膠質細胞的活化和增殖,抑制腦卒中后神經功能恢復,因此合并糖尿病的腦卒中患者,卒中結果和預后也更差[22]。

腸道菌群的代謝產物通過不同的信號通路影響T2DM的進展。其中主要包括氨基酸相關代謝物、SCFAs、膽汁酸(bile acids,BAs)、TMAO和 LPS。氨基酸相關代謝物,如吲哚、酪胺和5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)等[23]。吲哚和5-HT均是色氨酸代謝物,吲哚可刺激腸道L細胞分泌胰高血糖素樣肽-1 (glucagon-like peptide-1,GLP-1),從而促進胰島素分泌,抑制胰高血糖素分泌。5-HT能促進胰島素分泌,抑制體重增加、高血糖和胰島素抵抗。酪胺可以刺激葡萄糖攝取,改善糖耐量[24]。SCFAs與血胰島素水平和IR呈負相關。在胰腺中,SCFAs保護β細胞功能,促進胰島素分泌。通過激活腸道糖異生、促進能量消耗和刺激線粒體功能,改善胰島素敏感性[25]。BAs通過作用于法尼醇類受體(farnesoid X receptor,FXR)和 G蛋白偶聯膽汁酸受體Gpbar1 (takeda G protein-coupled receptor 5,TGR5),調節機體葡萄糖穩態和脂質代謝,參與T2DM發病。TGR5主要表達于腸道和胰腺,可被BAs激活,促進腸道L細胞和胰腺α細胞釋放GLP-1,有利于改善T2DM[26]。臨床研究發現,TMAO水平升高與T2DM風險增加密切相關。血漿TMAO濃度每增加5 μmol / L,糖尿病患病率增加54 %[27]。動物實驗研究表明,TMAO喂養小鼠的糖耐量受損,主要原因是TMAO促進了胰島素抵抗、脂肪組織炎癥和肝臟糖異生[28]。革蘭陰性桿菌如普氏菌和擬桿菌等,這類機會病原體數量的增加,誘導LPS釋放增加,直接損害腸道屏障并觸發促炎因子的釋放,誘導腸道低度慢性炎癥,導致胰島素轉運失衡,從而誘導IR[29]。

3.3 腸道菌群與動脈粥樣硬化 AS是一種由脂質代謝紊亂引起的多因素的慢性炎癥性疾病,炎癥是AS起始和進展的關鍵,病變特征是脂質和炎癥細胞等在損傷內膜下的積累和轉化。腸道菌群失調通過增加腸壁的通透性,導致全身細菌產物水平增加,引發局部和全身炎癥,導致慢性炎癥性疾病,包括AS。腸道菌群多樣性與AS的發展呈負相關,即腸道菌群多樣性越小,發生AS的風險越高[30]。腸道菌群移植(fecal microbiota transplantation,FMT)可轉移AS易感性。臨床研究發現,AS患者腸道菌群表現為擬桿菌減少,F/B比值增加。且AS的嚴重程度與擬桿菌屬、糞桿菌屬等益生菌的減少密切相關[31]。

腸道菌群的多種代謝產物,包括多胺、多酚、TMAO、SCFAs、LPS和BAs等,通過調節脂質代謝和炎癥對AS產生間接影響。多胺(包括腐胺、亞精胺和精胺)是由前體鳥氨酸在腸道菌群的作用下合成的,通過抑制巨噬細胞中炎癥因子的合成和白細胞功能相關抗原-1的表達抑制炎癥[32]。多胺還可以通過促進腸上皮緊密連接的形成,以及腸損傷后的黏膜修復,誘導腸黏膜層的維持。多酚類化合物存在于許多天然產物中,具有抗氧化和抗炎的作用,需要經過腸道菌群的轉化提高生物利用度,減輕AS。TMAO參與AS的作用機制,包括TMAO對炎癥、膽固醇代謝和血栓形成的影響。TMAO通過抑制膽固醇逆轉錄、促進泡沫細胞的形成、增加血小板反應性和血管炎癥來促進AS。動物實驗中,富含膽堿的飲食會增加小鼠TMAO水平和動脈粥樣硬化,且TMAO水平與斑塊大小呈正相關[33]。TMAO可增加促炎細胞因子如TNF-α和IL-1 β的產生,減少抗炎細胞因子如IL-10的產生。SCFAs可以降低膽固醇合成率,降低血清中的膽固醇。 SCFAs可以直接作用于結腸細胞,減輕炎癥和腸道滲漏。腸腔中的高SCFAs 濃度會降低結腸 pH 值并影響微生物群落,從而抑制機會致病菌的生長,促進有益細菌的生長,減輕AS。SCFAs還可以調節血管張力降低血壓,因此可以減輕血管內膜損傷,減慢斑塊的形成速度[34]。在動物實驗中,高脂飲食改變了小鼠的腸道微生物組,引發細菌來源的LPS通過受損的腸壁流入體循環[35],激活免疫細胞表面的TLRs受體,TLR4/My D88依賴的信號通路被激活,誘導了促炎狀態,促進AS。BAs代謝是膽固醇從體內輸出的主要途徑,通過反向膽固醇轉運進行肝腸再循環,降低血液中膽固醇水平[36]。

4 結語和展望

在本綜述中,我們簡要論述了腸道菌群失調與IS的發病機制和預后的關系。兩者之間存在雙向調控,腸道菌群失調可促進IS的發生,IS加重腸道菌群失調。因此,恢復腸道菌群穩態可能是治療IS的一個重大突破。目前,以腸道菌群為導向的IS治療尚處于起步階段,進一步研究腸道細菌來源的代謝物與IS的相關性,可能為IS的管理和治療提供新的思路。