腸道菌群與缺血性腦卒中相關性及干預方法研究進展*

班宜奎 任慶華 金娜英 孫垚 張勇

（北京中醫藥大學東直門醫院 北京 100700）

腦卒中是由于腦部血管破裂或由于腦血管阻塞導致血流不能順利通過大腦而引起的腦組織損傷，分為缺血性腦卒中和出血性腦卒中。一項針對中國卒中的流行病學調查顯示我國腦卒中發生率、致殘率和死亡率均較高，其造成的殘疾或死亡已超過了其他疾病。而在發病和流行的卒中中，缺血性腦卒中（Ischemic Stroke,IS）則分別占69.6%和77.8%[1]。雖然臨床上已采用如動靜脈溶栓、血管介入及神經保護等療法，但是也存在著諸多問題。溶栓治療有嚴格的時間窗限制且有顱內出血的危險；介入治療則要考慮手術時間和術后藥物應用的問題；神經保護治療雖然理論上可以促進神經功能恢復，但實際作用并不理想[2]。而隨著腦腸軸的發現，研究者們認識到急性腦損傷會導致腸道微生物群失調，反過來，腸道微生物群的變化可通過免疫機制等影響卒中后的神經內分泌和功能等，是啟動卒中后神經炎癥的關鍵調節因子[3]。本研究就微生物-腸-腦軸相關性及相應的干預方法進行綜述，以期為IS 的治療提供新思路。現綜述如下：

1 微生物-腸-腦軸

腦腸軸是整合了腸和腦之間自主神經系統，下丘腦-垂體-腎上腺軸和交感-腎上腺軸等結構的雙向溝通系統，腸道菌群作為腦腸軸的重要組成部分，通過免疫系統、神經系統、色氨酸代謝及其代謝產物等與大腦相互交流，在大腦發育及病理反應中發揮關鍵作用[4]。Sharon 等[5]研究發現共生腸道菌群與神經發生、髓鞘形成、小膠質細胞成熟、血腦屏障和神經元生長、分化有關；宿主微生物群的耗損嚴重改變了小膠質細胞的特性，并且微生物群復雜性降低也會導致小膠質細胞缺陷，復雜微生物群的再定植則恢復了小膠質細胞的特征[6]。中醫藏象理論認為“心與小腸相表里”“心主血脈，主藏神”“小腸主受盛化物，分清別濁”。心神清明，血脈通暢，小腸的吸收轉化和輸布功能才能正常；小腸泌別清濁功能正常，才能化生精血滋養心脈，兩者在生理和病理上密切關聯。中醫所說的“心”與腦的功能實際上是相通的，腸道菌群參與小腸對食物的消化吸收，是小腸功能系統的重要組成部分，因此“心與小腸相表里”實際上類似于現代醫學的腦腸軸。現代醫學研究亦證實，心與小腸來源于同一胚層，胚胎發育早期產生的神經脊分別進入了中樞神經系統和腸神經系統[7]。因此不管是從現代醫學研究還是從傳統醫學的理論來看，從腸道菌群干預腦系疾病具有一定的可行性。

2 IS 與腸道菌群相關性

傳統認為IS 的發生發展與糖尿病、高血壓、動脈粥樣硬化、心房顫動等因素有關[8]，近年來隨著腦腸軸的研究成為熱點，學者發現腸道菌群及其代謝產物可以通過影響中樞神經系統、調節糖脂代謝及免疫反應等方式直接或間接影響IS 的病理發展。同時腸道菌群及其代謝產物的變化在IS 的早期診斷和防治方面具有重要意義。

2.1 病理相關性 Dang 等[9]發現腦卒中會引起明顯的腸道菌群失調，與健康對照組相比，腦卒中后患者腸道菌群α 多樣性更高，Beta 分析顯示產短鏈脂肪酸的細菌豐度降低，條件致病菌豐度增加。針對大動脈粥樣硬化卒中的病例對照研究顯示，與無癥狀對照組相比，卒中患者腸道菌群以有害菌、條件致病菌及少數共生菌過度生長為特征[10]。腸道菌群的失調反過來又會影響卒中的進程，Spychala 等[11]利用幼齡和老年小鼠建立缺血性中風模型（MACO），然后通過糞便移植灌胃改變幼齡小鼠的腸道微生物群使其與老年小鼠相似，結果MACO 后死亡率增加，行為測試表現下降，促炎細胞因子水平升高；而改變老年小鼠的微生物組使其與年輕小鼠相似，則可提高生存率且保護性的細胞因子增加。這可能與失調的腸道菌群會影響卒中后全身炎癥[12]、調節基質金屬蛋白酶水平并影響血腦屏障通透性[13]、誘發卒中后感染有關[14]。然而生理性腸道菌群的存在對于IS患者亦具有重要意義，Winek 等[15]通過廣譜抗生素制造了腸道微生物耗盡的卒中小鼠模型，并設置了假手術組作為對照，發現卒中小鼠模型的存活率顯著降低，并且出現了嚴重的急性結腸炎。另一項動物實驗發現相對于腸道無菌小鼠，常規小鼠和細菌再定植小鼠的卒中結局改善，并表明腦損傷后需要腸道微生物群來產生足夠的淋巴細胞激發免疫反應，執行組織保護，而淋巴細胞缺陷小鼠中則沒有微生物介導的腦保護[16]。

2.2 診斷和防治相關性 由于IS 的嚴重危害性及治療方法上的不足之處使得IS 的早期診斷和防治顯得尤為重要。隨著臨床和動物實驗的開展，研究者們發現卒中后腸道菌群及其代謝產物的水平可能在IS 的早期診斷和防治方面具備潛力。Ji 等[17]通過高通量測序技術對IS 患者腸道菌群進行分析，發現在IS 發病前腸道菌群可能已發生變化，或許可以作為早期診斷的指標。Wang 等[18]通過對腦梗死患者和健康人群糞便進行腸道微生物調查，發現腦梗死患者與健康人群糞便菌群的結構和多樣性存在顯著差異，認為腸道菌群可以作為腦梗死的一個輔助診斷指標。通過對腔隙性或非腔隙性急性缺血性梗死患者的糞便樣本進行分析，并與健康志愿者的結果進行比較，結果鑒定出了可以用于診斷不同類型缺血性腦中風的微生物標志物，其中毛螺菌科和擬桿菌屬可以作為腔隙性腦梗死的標志物，嗜膽菌屬和毛螺菌科可以用于非腔隙性急性缺血性腦梗死的診斷[19]。在防治方面，Zeng 等[20]將無卒中史的患者按照傳統風險因素分為低危、中危和高危組，發現與低風險組相比，高危組條件致病菌和產乳酸菌富集，而產丁酸菌減少，高危組糞便樣本中的丁酸鹽濃度也低于低危組。Gu 等[21]通過對輕微和非輕微卒中患者糞便微生物群的組成和結構分析，發現卒中嚴重程度不同，微生物群組成也不同。其中羅氏菌屬豐度與急性缺血性卒中的嚴重程度、演變和預后相關，或許可以作為早期防治指標。另一項研究則表明羅氏菌屬的減少和條件致病菌富集的微生物群落與卒中相關性肺炎風險增加有關，腸道菌群篩查有助于識別卒中相關肺炎高風險患者[22]。苯乙酰谷氨酰胺（PAGIn）是一種腸道微生物來源的代謝物，研究表明入院時血漿PAGIn 水平與IS 患者腦白質高強度的嚴重程度相關，調整年齡、性別和混雜因素后，較高的PAGIn 水平與中度嚴重的整體腦白質高強度獨立相關，而腦白質高強度負荷又與IS 的高風險相關[23]。三甲胺-N-氧化物（TMAO）是由膽堿等通過腸道微生物代謝產生的一種有機化合物，研究發現TMAO 水平是首次卒中患者的獨立預測因子，即使在調整了傳統的危險因素后，這種關系仍然存在，可能是預測主要不良心血管事件的潛在生物標志物[24]。Zhang 等[25]研究了首次急性缺血性卒中患者的空腹TMAO 水平與3 個月功能轉歸和死亡率之間的關系，結果顯示入院時TMAO 水平顯著升高的患者與不良轉歸相關，調整傳統風險因素后，TMAO 水平仍然可以預測卒中患者的不良結局，并提高了其他預測指標的預后準確性。急性缺血性卒中患者中短鏈脂肪酸產生菌和短鏈脂肪酸（SCFAs）的失調同樣會增加隨后出現不良功能結果的風險。研究發現卒中時SCFAs水平升高與促炎因子升高、身體恢復較差以及出院時癥狀加重有關[26]。

3 IS 與腸道菌群相互影響機制

腦卒中損傷可能通過激活下丘腦-垂體-腎上腺軸，引起脾臟萎縮，進而導致淋巴細胞生成缺陷和自然殺傷細胞缺乏，進一步導致外周免疫抑制，降低宿主對細菌的防御能力[27]，引起條件致病菌和致病菌富集，導致菌群失調。Xu 等[28]通過研究發現IS 可誘導腸道缺血并產生過量硝酸鹽，從而導致腸道微生物失調。

大動脈粥樣硬化、血栓形成、無菌性炎癥在急性IS 發病和加重中發揮重要作用[29]，而三者與腸道菌群及其代謝產物有密切關系。另有研究認為氧化應激和異常自噬可能是急性IS 的機制之一，而腸道菌群失衡可能是促發因素[30]。

一項動物實驗發現攜帶羅氏菌屬的小鼠在喂食高纖維飲食后，動脈硬化斑塊減少，并證明其機制與丁酸生成菌產生的丁酸降低腸道通透性、減少內毒素血癥、降低血管細胞黏附因子1 的表達、脂質沉積和斑塊中的巨噬細胞積聚有關[31]。Cason 等[32]對來源于腸道微生物的特定吲哚和苯基衍生代謝物進行了代謝組學研究，發現吲哚和苯基衍生代謝物也會影響晚期動脈粥樣硬化。Wang 等[33]則發現TMAO 可促進與動脈粥樣硬化相關的多種巨噬細胞清道夫受體的上調，而抑制動脈粥樣硬化易感小鼠的腸道菌群可抑制動脈粥樣硬化。

中樞神經系統損傷后全身免疫的改變可能導致腸道黏膜屏障的破壞和細菌及其產物易位到全身血液循環，影響免疫系統。脂多糖（LPS）是革蘭陰性菌外膜的主要成分，通過Toll 樣受體4（TLR4）激活固有免疫反應。腸道屏障功能受損后，會導致微生物群衍生的LPS 移位到循環系統，導致代謝性內毒素血癥，并隨血液循環黏附在小膠質細胞、內皮細胞和神經元的表面加劇神經炎癥，惡化卒中結局[34]。同時LPS 可通過蛋白激酶刺激血小板分泌并增強血小板聚集，從而加重血栓的形成[35]。TMAO 作為菌群代謝產物，研究發現高血清TMAO 可能通過激活小膠質細胞和星形膠質細胞來增強細胞炎癥反應[36]，并可通過促進細胞內儲存的Ca2+釋放、增強血小板對多種激動劑（二磷酸腺苷、凝血酶和膠原蛋白）的反應性而導致血小板高反應性及血栓形成風險升高[37]。

但Benakis 等[38]通過抗生素誘導腸道菌群改變，發現其通過改變樹突狀細胞活性導致調節性T 細胞增加和γδ T 細胞減少，并抑制中風后效應T 細胞從腸道向軟腦膜的轉運，從而減輕了小鼠缺血性腦損傷。腸道微生物群衍生的SCFAs 可以影響外周淋巴細胞成熟或從初級淋巴組織中排出，減少其腦侵襲和分泌細胞因子譜的極化，并且可以調節侵入大腦循環的淋巴細胞對小膠質細胞的激活，從而減輕卒中后炎癥反應[39]。動物實驗亦證明了SCFAs 的有益作用，研究發現丁酸鈉可以保護腸道屏障完整性，降低脂多糖和促炎細胞因子的血清水平，緩解全身炎癥，保護血腦屏障，對腦卒中損傷具有保護作用[40]。說明腸道菌群及其代謝產物對IS 預后起到雙向影響。

4 從腸道菌群干預IS 的策略

隨著相關研究的不斷開展，從腸道菌群入手干預IS 的方法和思路不斷拓展，現代研究主要集中在菌群移植、益生菌與益生元療法、飲食調控、抗生素治療以及將腸道菌群代謝物作為治療靶點等幾個方面。為了確定中風后恢復年輕的腸道菌群是否有助于老年受試者的恢復，Lee 等[41]設置老年小鼠中風模型，并通過年輕糞便移植灌胃改變其腸道菌群，結果發現老年小鼠大腦和腸道炎癥減輕，研究者進一步將短鏈脂肪酸產生菌進行移植，結果顯示小鼠神經功能和炎癥得到改善。Chen 等[42]發現糞便菌群移植對于IS 預后相似的有利影響，但由于主要集中在動物實驗方面，作用在人體身上是否會產生類似的結果尚未確定，值得進一步研究。

研究發現益生菌、益生元可以提高抗炎因子水平，調節宿主免疫反應，并通過增加有益菌和減少某些致病菌，在減輕腸道菌群異常、促進腸道健康方面發揮積極作用[43]。孫后超等[44]納入100 例卒中患者分別給予常規腸內營養和聯合雙歧桿菌四聯活菌片治療，發現給予雙歧桿菌四聯活菌片能夠促進有益菌并抑制有害菌的生長，保護腸道屏障，促進營養物質的吸收，從而有效提高了患者的營養狀況指標水平。Liu 等[45]通過檢索多個數據庫，納入重癥腦卒中患者應用益生菌的隨機對照試驗進行Meta 分析，結果表明益生菌聯合腸內營養要比單獨使用腸內營養有更好的結果。腦卒中早期患者處于應激狀態，會出現低蛋白血癥、酸堿失衡、電解質紊亂等并發癥[46]，并且由于患者常會出現嘔吐、吞咽困難，可引起脫水及營養不良，影響神經功能恢復，然而IS 會引起腸道菌群失調以及腸道炎癥，影響胃腸的吸收，因此益生菌及益生元療法對于改善卒中預后有積極意義。

飲食調控亦是改善卒中預后的有效方法。Silva等[47]分別給卒中小鼠適度蛋白質減少的飲食和正常的飲食，結果發現適度蛋白質減少的飲食可增加長期神經元存活，減少小膠質細胞聚集和腦萎縮，并通過抗炎機制和促使共生腸道菌群恢復平衡誘導小鼠神經功能的恢復。Huang 等[48]發現卡路里限制的IS小鼠獲得更好的長期恢復。而另一項比較工業化膳食和廚房飲食的研究顯示富含纖維的工業化膳食維持了營養狀況，并改善了腸道屏障通透性。而廚房飲食導致了蛋白質的流失，表明腦卒中患者應以工業膳食為基礎以改善腸道屏障完整性和營養狀況[49]。

由于腸道通透性的增加，腸道菌群及其代謝產物會進入血液循環導致代謝性內毒血癥。因此使用抗生素療法靶向代謝性內毒素血癥可能是一種新的策略。針對卒中小鼠的實驗發現，用非吸收性抗生素多粘菌素B 調節腸道微生物群可以減少腸桿菌科細菌的數量，降低循環和腦組織中的LPS 水平從而改善卒中結局[34]。Benakis 等[50]的研究表明抗生素混合物的治療減輕了小鼠在中風急性期腦梗死體積，而在用野生型微生物群重新定植的小鼠中，神經保護作用被消除。然而這種保護作用與特定的微生物群體相關，針對不同腸道菌群的抗生素對卒中結局的影響不同，氨芐西林類療效最突出，其他的抗生素則效率低下。同時由于抗生素治療可能產生副作用以及出現多重耐藥菌，因此抗生素治療可能并不適合臨床應用。

多項研究發現靶向腸道微生物代謝物在IS 的發生發展和預后方面具有重要影響。例如，吲哚丙酸作為腸道菌群的代謝產物，研究發現其可以改變大腦中動脈閉塞（MCAO）小鼠的腸道菌群組成，增加有益菌，減少有害菌，修復腸道屏障，調節調節性T細胞和Th17 細胞的活動，從而減輕神經炎癥和損傷[51]。通過評估短鏈脂肪酸對于MCAO 大鼠的療效，結果表明短鏈脂肪酸能夠減少神經元凋亡和梗死面積并改善神經功能[52]。血漿TMAO 水平已被證明與首次缺血性卒中[53]及缺血性卒中患者3 個月不良功能結局和死亡風險呈正相關[25]，其代謝依賴于腸道微生物膽堿三甲胺（TMA）裂解酶，通過藥理靶向，或許可以降低宿主TMAO 水平，改善患者預后。另一項研究則發現載脂蛋白E（ApoE）在腦梗死患者血漿中顯著上調并且ApoE 與擬桿菌和變形菌物種之間存在相關性，可能是腸道菌群促進腦梗死的介質，或許可以作為新的治療靶點[18]。

5 總結

綜上所述，現有的大量研究已經證明微生物-腸-腦軸的雙向交流是客觀存在的，腸道菌群的變化會影響到IS 的發展和預后，再加上IS 現有治療方法存在不足之處，使得從腸道菌群干預的方法和思路具有潛在的意義和價值。然而，現有的研究多局限在動物實驗方面，臨床研究相對缺乏，已有的思路與方法是否在人體內同樣適用尚未可知。而且多集中在卒中后調節腸道失調及其代謝產物方面，對于腦卒中引起腸道菌群失調的機制以及相應干預方法的研究相對缺乏，而只有了解了腦卒中導致腸道菌群失調的途徑并加以干預才能從根本上消除菌群失調對于腦卒中的不利影響，這或許可以成為未來研究的重點領域。