腸道微生物群對多囊卵巢綜合征臨床表型調控作用的研究進展

任 潔,侯亞彬,劉 睿,秦 潔*

0 引言

多囊卵巢綜合征(Polycystic ovary syndrome,PCOS)是一種常見的生殖內分泌系統紊亂疾病,其主要臨床特征包括卵巢多囊樣改變、月經稀發、高雄激素血癥和能量代謝紊亂等。目前,PCOS的發病機制尚不明確,其中腸道微生物群的調控作用逐漸成為研究的熱點。腸道微生物群是指人體消化系統中各種菌群的集合,其組成及多種代謝途徑與宿主健康狀態密切相關。研究顯示,腸道微生物群在PCOS的發病和臨床表型調控中發揮著重要作用。腸道微生物群的異常與PCOS患者的肥胖、能量代謝紊亂、慢性炎癥等多種病理生理特征密切相關。此外,調節腸道微生物群對于改善PCOS的性腺功能障礙及卵巢組織病理變化異常具有重要作用,可能成為PCOS未來治療方案中的選擇。本文就腸道微生物群對PCOS臨床表型調控作用的研究進展進行綜述,以期為進一步的研究提供思路。

1 PCOS中腸道微生物群變化

腸道微生物由1 013～1 014種微生物、1 000多種物種和7 000多種菌株構成[1],其對于人體的代謝和免疫功能發揮著重要作用,這種微生態環境失衡后,將增加多種疾病的易感性。PCOS作為一種常見的生殖內分泌系統疾病,其主要表現為排卵障礙、高雄激素、卵巢多囊樣改變,除生育功能障礙外,PCOS還可能出現多種能量代謝紊亂,如高胰島素血癥和胰島素抵抗(IR)、肥胖、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝,甚至增加心腦血管疾病風險[2]。研究表明,PCOS患者的血液及唾液微生物組具有較低的α多樣性(均勻度和多樣性)、不同的β多樣性和顯著的分類變異[3-5]。門水平上的幾個分類群與PCOS的臨床特征有關,并與代謝生物標志物顯著相關,包括穩態模型胰島素抵抗指數(HOMA-IR)、腹圍、游離脂肪酸和其他指標[6]。其中最主要的菌群變化表現為擬桿菌門和厚壁菌門,擬桿菌門在非胰島素抵抗型多囊卵巢綜合征(NIR-PCOS)組中表達豐度較高,在胰島素抵抗型多囊卵巢綜合征(IR-PCOS)組中達到最高水平。此外,游離睪酮與擬桿菌門和厚壁菌門/擬桿菌門比率(F/B比率)有關,提示血清睪酮水平可能與腸道微生物組之間存在相互作用[3]。而乳酸桿菌和雙歧桿菌等多種有益菌具有一定的增強免疫力和營養吸收的作用,其在PCOS患者中顯著減少,尤其是在IR-PCOS組中。此外,與NIR-PCOS組相比,IR-PCOS患者的瘤胃球菌科和鉤藤科數量也存在顯著差異[7]。

此外,PCOS患者常合并脂代謝異常,高脂飲食可破壞機體的腸道菌群微生態,可表現為厚壁菌門/擬桿菌門的比例增加,微生物豐富度降低。研究顯示,與正常大鼠相比,PCOS模型大鼠的β多樣性在腸道菌群中表現出顯著差異[8]。

2 腸道微生物群對PCOS調控的生物學機制

2.1 腸屏障內毒素血癥炎癥機制 早期的腸道微生物群失調(DOGMA)假說表明,腸道微生物群失衡后,腸道通透性的增加可能導致脂多糖(LPS)釋放入血,在肥胖型PCOS患者中,炎癥和免疫反應被激活,通過TLR-4通路、脂肪-胰島素信號通路、膽汁酸受體和葡萄糖轉運等途徑來誘導肥胖[9-11]。Zhang等[12-13]研究顯示,PCOS患者中Prausnitzii糞桿菌、雙歧桿菌和Blautia的表達豐度下降,導致短鏈游離脂肪酸(Short-chain fatty acids,SCFAs)產生減少,腸道屏障功能受損,內毒素在腸壁的移位增加,炎癥反應增強。在一項關于華北地區PCOS患者腸道菌群的研究中,首次闡明了PCOS患者腸道菌群變化與炎癥介質如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、脂多糖蛋白(LBP)和白細胞介素-6(IL-6)水平的相關性,結果表明,在肥胖型PCOS患者的腸道菌群中,以韋氏菌科、乳桿菌科和葡萄球菌科等13個菌群為主[14]。同時,“漏腸”的存在會導致血清TNF-α和IL-6水平增加,引起慢性卵巢炎癥和IR,促進PCOS的發生和發展[15]。目前已有研究證實,多種志賀氏菌株可通過分泌毒力因子及誘導炎癥發揮對PCOS的腸毒性作用。KerstersiiComamonas是可能在PCOS患者中富集的另一種病原體,與腹膜炎和尿路感染的炎癥有關[3]。Lim等[16]觀察到多種炎癥標志物,如連蛋白(Zonulin)、鈣衛蛋白、超敏-C反應蛋白(hs-CRP)及脂聯素等與腸屏障損傷和炎癥相關,可能通過啟動炎癥反應在PCOS的發病過程中發揮作用。此外,轉化生長因子-β家族(如AMH)的卵泡內失調也受到LPS濃度的影響。在PCOS患者中富集的脆弱擬桿菌和福氏志賀菌在粘蛋白產生方面具有一定的抑制作用,一旦粘蛋白的產生受損,黏液層對病原體的保護就會喪失,從而加劇腸道屏障的破壞[17]。因此,腸道菌群失衡所致的炎癥反應激活是PCOS的發生發展中的關鍵環節之一。

動物實驗顯示,肥胖小鼠卵巢中卵母細胞特異性標志物轉錄物和促炎信號的水平顯著高于正常小鼠卵巢,炎癥會降低卵母細胞質量,破壞減數分裂和細胞質成熟[18],從而對女性的生育功能產生不利影響,包括性激素分泌、卵母細胞分化和成熟、子宮內膜植入和其他生殖功能[19]。因此,陰道微生物群在PCOS發病機制中的調控作用成為關注的熱點方向。

Huang等[20]研究表明,腸道微生物群失調可誘導PCOS小鼠血清和卵巢中巨噬細胞焦下垂,而γ-干擾素(IFN-γ)可增強這一病理生理過程,導致通過雌激素合成障礙和顆粒細胞凋亡,這可能與PCOS的生育功能障礙密切相關。因此,對于該生物學過程的干預有望成為PCOS的一種潛在治療靶點。

2.2 腸道菌群與代謝途徑的相互作用 腸道菌群的代謝功能包括合成維生素、SCFAs和共軛亞油酸、氨基酸以及膽汁酸(BA)的生物轉化、食物的發酵和降解、氨合成和解毒等[21]。SCFAs包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽,在抗炎、抗腫瘤和免疫調節等方面發揮重要作用。此外,SCFAs還可導致保護性肽、細胞因子、趨化因子和吞噬細胞的產生和釋放[22]。SCFAs可通過直接激活G蛋白偶聯受體41(GPR41)和GPR43,作用于胰腺B細胞,以促進胰島素分泌[23]。PCOS患者體內腸道微生物群相關的代謝途徑包括胰島素信號傳導、葡萄糖代謝、脂質代謝和激素分泌,可能還有其他與PCOS密切相關的代謝途徑,如肉堿代謝、支鏈氨基酸代謝等[24]。

膽汁酸代謝是影響PCOS患者腸道微生物群的主要代謝途徑之一。BA有助于脂肪吸收外,對糖代謝和胰島素信號通路的關鍵分子也具有一定的調節作用。腸道菌群調控的膽汁酸代謝通過多種效應維持腸道屏障,包括抗菌作用、直接膜毒性、抑制微生物代謝、促進黏液產生、維持上皮完整性、緊密連接調控、減少內質網壓力、抑制促炎細胞因子及免疫調節等。甘氨去氧膽酸(GDCA)誘導腸道合成的支鏈氨基酸(BCAAs)可能是一種有害微生物調節分子。PCOS合并IR患者卵泡液中的亮氨酸和纈氨酸水平顯著升高。在不良妊娠結局中,BCAAs也可能通過胰島素受體底物1等多種信號傳導途徑調節糖代謝或誘導炎癥,導致PCOS患者流產。相反,雙歧桿菌對改善PCOS患者的生育功能則具有積極作用[25]。因此,PCOS條件下代謝綜合征相關的卵巢功能障礙與其肥胖依賴性腸道微生物群失調密切相關。

PCOS患者體內高表達的乳酸桿菌可以促進糞桿菌的生長,使丁酸產生增加,從而促進胰島素分泌,而過量胰島素可以誘導腎上腺分泌雄激素并調節促黃體生成素(LH)水平,導致雄激素水平升高[26]。Lüll等[27]研究顯示,在整個女性隊列中,腸道微生物群多樣性測量與PCOS相關的激素和代謝參數[如BMI、性激素結合球蛋白(SHBG)水平、胰島素敏感性以及Matsuda測量的IR和性格指數]之間存在顯著關聯,其中,瘤胃球菌科UCG-002與較高的SHBG水平及性格指數呈正相關。普雷沃氏菌和乳酸桿菌在人體內可能發揮“益生菌”的作用。有研究顯示,乳酸桿菌的豐度與PCOS患者雌二醇水平呈正相關,而普雷沃氏菌的豐度與雄激素水平呈正相關,尤其是睪酮和雄烯二酮[25]。然而,PCOS患者經短期口服避孕藥結合生活方式治療后,雄激素及體重水平明顯下降,但瘤胃球菌科的豐度沒有顯著變化[28]。結果表明,性激素和腸道微生物群之間可能存在潛在的相互作用,PCOS體內過量的雄激素可能導致宿主腸道微生物群的失調,從而影響女性生殖內分泌系統功能,而腸道微生態的改變亦會調節性激素水平。

Zhou等[29]研究顯示,花生四烯酸、牛磺膽酸、8,11,14二十碳三烯酸、二十二碳六烯酸、DHEA硫酸鹽、茶甾酮和腎上腺素這7種糞便代謝產物是肥胖型PCOS患者的特征代謝產物。該研究通過非靶向代謝組學和16S rRNA基因測序,揭示了肥胖PCOS患者糞便代謝產物和腸道微生物群的特征性變化,證實了PCOS患者的4種特征性腸道微生物種,包括Lachnoclostridium、Fusobacterium、Coprococcs-2和Tyzzerela,同時,肥胖型PCOS患者的血清睪酮水平與糞便DHEA硫酸鹽的豐度之間存在顯著的正相關,而血清DHEAS水平與糞便茶甾酮的豐度之間存在顯著的負相關。

一項針對PCOS患者血清代謝產物與腸道微生物群的相關性分析表明,羅氏菌屬與LPC濃度呈負相關,而PCOS的特征屬0319_6G20與LPC的濃度呈正相關[30]。近期研究顯示,應激相關FK506結合蛋白5(FKBP5)DNA甲基化與PCOS患者腸道細菌種類數及血清空腹胰島素水平和HOMA-IR相關,為了解肥胖型PCOS的病理生理過程提供了新的視角[31]。Torres等[32]在PCOS小鼠模型中的研究顯示,暴露于健康的腸道微生物組可以避免產生PCOS相關代謝表型,如超重或肥胖、糖代謝異常以及胰島素抵抗等,但還需進一步的研究確定正常菌群對代謝因子發揮保護作用時,需要干預的時間。總之,腸道微生物群與女性生殖內分泌系統的健康密切相關,未來這些研究的推動可能成為個體化治療生殖內分泌功能障礙患者的重點。

2.3 腸腦軸的調控 PCOS的腸道微生物失調與神經內分泌變化有關,揭示了PCOS中潛在的腸腦軸[33]。腸腦軸在調節食欲、能量代謝、心理健康及控制體重等方面發揮重要作用[34],可涉及多種胃腸激素水平的調控,包括生長激素釋放肽(Ghrelin)、胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)、胃饑餓素、膽囊收縮素(CCK)和肽酪氨酸(PYY)等。研究顯示,腸道微生物組可調節腸道外源性交感神經元轉錄因子cFos的表達,通過腸腦回路對腸道外源性交感神經進行調控,其他腸道微生物組則可通過GLP-1和PYY調節交感神經活性和胃腸動力[35]。在臨床中廣泛使用的藥物如鐵皮石斛多糖(DOP)和植物乳桿菌CCFM1019干預PCOS大鼠后,丁酸鹽和PYY水平明顯升高,可抑制卵巢顆粒細胞的凋亡,改善PCOS大鼠卵巢形態和代謝紊亂,使其恢復正常的發情周期,該過程可能與丁酸鹽依賴性的腸-腦-卵巢軸保護機制有關[36-37]。

在PCOS患者中,腸道微生物群代謝產物可影響腸腦調節因子的表達,從而導致垂體和下丘腦沿腸-腦軸分泌的性激素水平發生變化[34]。此外,有研究表明,腸道微生物群可以直接刺激迷走神經通路向大腦發送信號,通過腸-腦軸與宿主進行交流。近年來,具有交感神經過度興奮和副交感神經張力減退的不平衡自主神經系統(ANS)在PCOS中的發病機制引起了越來越多的關注。Zhang等[38]介紹了一種基于非侵入性經皮耳廓迷走神經刺激(ta-VNS)的靶向副交感神經調節的創新療法,用于治療PCOS及其相關并發癥,證實了ANS在PCOS發展中的作用。

腸道微生態是參與PCOS發病過程中異常神經元-生殖-代謝回路的重要組成部分,這可能為PCOS的治療選擇提供新的靶點[39]。

3 調節腸道微生物群對PCOS的治療作用

近期研究顯示,在正常小鼠體內移植Vulgatus擬桿菌感染的糞便微生物可導致卵巢功能障礙、IR、膽汁酸代謝變化、IL-22分泌減少,而IL-22對于改善IR、調節發情周期及減輕卵巢顆粒細胞炎癥具有一定的保護作用[40]。

在對PCOS患者進行益生菌干預的研究中,發現食用乳酸雙歧桿菌V9可促進產生SCFAs的微生物生長,導致腸道SCFAs和腸腦介質(胃饑餓素和PYY)水平顯著升高。有報道,Diane-35和益生菌可以恢復腸道微生物組的多樣性,從而改善PCOS大鼠的生殖功能。植物乳桿菌HL2對卵巢病理變化具有保護作用,其與長雙歧桿菌均可調節黃體生成素(LH)、卵泡刺激素(FSH)和睪酮(T)水平[41-42]。在用乳酸桿菌和健康大鼠的糞便微生物群移植(FMT)治療PCOS大鼠模型中,發現FMT組大鼠的發情周期得到明顯改善,且雄激素水平較前明顯下降,卵巢形態逐漸正常化[25]。FMT組腸道微生物群的新組成中,乳酸桿菌和梭菌的豐度增加,普雷沃氏菌的豐度減少。基于上述研究結果,推測FMT在未來可能成為PCOS精準化治療的一個新思路。

Tempol是一種超氧化物歧化酶。動物實驗表明,Tempol通過減輕腸道氧化應激、調節腸道微生態以及調節腸道微生物群和宿主代謝產物之間的相互作用來改善PCOS表型。因此,Tempol干預可能是治療PCOS的一種方法[43]。

近年研究表明,越來越多的藥物對PCOS的腸道菌群具有一定的調節作用,Shen等[44]研究顯示,黃連素可通過調節腸道微生物群和相關代謝產物來改善PCOS的病理狀態。Wu等[45]研究表明,柚皮素在PCOS中的治療作用可能與腸道微生物群和SIRT1/PGC-1信號通路的調節有關。丁基淀粉通過激活G蛋白偶聯受體GPR41,刺激肽酪氨酸的分泌和調節糞便微生物群來改善PCOS的臨床表型[46]。一項大鼠實驗結果表明,補腎化瘀方可調節PCOS模型大鼠的腸道菌群。此外,高濃度的補腎化瘀方可能會破壞群落結構的多樣性[47]。Wang等[48]首次針對PCOS患者進行腸道微生物群靶向營養干預并聯合口服降糖藥,證實高纖維飲食或聯合阿卡波糖可重塑腸道微生物群的微生態失調,導致pH水平和SCFAs水平的變化,從而改善PCOS的臨床癥狀。研究顯示,二甲雙胍可以增加腸道阿克曼菌豐度,降低血清γ干擾素(IFN-γ)水平,抑制卵巢巨噬細胞焦下垂,從而改善PCOS臨床表型[20,49],進一步豐富了其藥理作用。目前,研究顯示,減肥手術如Roux-en-Y胃旁路和袖狀胃切除術,可以改善PCOS和T2DM表型,其作用可能與增加腸道微生物群的豐富性和多樣性有關[50],未來可能需要更多的研究闡明其機制。

4 小結

腸道菌群是體內維持微生態平衡的重要組成部分,可通過多種因素和途徑調節宿主基因的表達,參與PCOS的發生和發展。目前,針對腸道菌群譜在PCOS中的研究仍以常見菌群為主,因此,還需要更深層次的研究(如宏基因組學、代謝組學和功能學)來闡明腸道微生物組、代謝產物和PCOS發展之間的聯系,為PCOS的個體化治療提供新的目標和選擇。此外,FMT作為炎癥性腸病治療的重要手段,其在PCOS中的治療有效性仍依賴于其特定功能性菌群譜,進一步證實益生菌和FMT對PCOS臨床表型的作用,為PCOS的個體化治療提供新手段,這可能成為未來更多PCOS患者的治療選擇。