微生物-肠-脑轴在缺血性脑卒中的研究进展

颜山荃 杨锡彤 王光明▲

1.大理大学临床医学院，云南大理 671000；2.大理大学第一附属医院基因检测中心，云南大理 671000

肠-脑轴（the gut-brain axis， GBA）是存在于大脑与肠道之间的一个信息通道，众多的系统与器官参与其中，脑与肠道之间可以直接进行信息交流[1]。肠道菌群（gut microbiota，GM）是指在生物个体肠道中定植的所有微生物。GM是机体健康和疾病的重要参与者，赋予了机体实质性的代谢、免疫和肠道保护功能[2]，在维持宿主的内环境稳态中发挥了重要作用。肠道菌群失调及其代谢产物的异常分泌均能通过肠-脑轴传递给大脑促进炎症介质的释放，从而导致机体发生相应的炎症反应。

近年来，肠道菌群在影响脑卒中的发生、发展以及对该疾病的治疗潜力等方面愈发受到人们的关注，尤其是缺血性卒中。为进一步了解肠道菌群对缺血性脑卒中类疾病的影响，本研究现将对肠道微生物群与缺血性脑卒中之间的相互作用进行综述。

1 肠-脑轴

GBA是为让大脑的认知和情感中心与周围肠道活动过程能够相互连接起来而形成的一个信息通道[1]。GBA包含了肠道微生物及其代谢产物、肠壁上的神经组织、神经-免疫系统、神经内分泌系统及中枢神经系统等[3]。众多的研究[4-5]表明，肠道菌群在影响GBA方面具有重要作用。因此，一个新概念被提出：微生物-肠-脑轴，可以进一步地解释肠道菌群如何介导胃肠道与大脑之间的相互作用以及肠道菌群怎样借助神经、内分泌、免疫系统参与和大脑之间的信号传递。

2 肠道菌群与人类健康

肠道菌群是一类天然存在于生物体内的微生物，指在机体肠道内定居的整个微生物种群。微生物通常被认为是引发机体生理病理反应的刺激源，但实际上它们能与机体和谐相处并保持着良好的共生关系[6]。肠道菌群合成的短链脂肪酸是宿主丰富的能量来源，同时也在维持肠道完整性和抗炎方面发挥关键作用[7]。三甲胺N-氧化物（trimethylamine N-oxide，TMAO）作为肠道代谢产物之一，目前已被证实该类物质对脑卒中风的发生有促进作用[8]。早期动物研究发现，与正常培养的小鼠相比，用富含卵磷脂的饲料饲养的小鼠更易患上动脉粥样硬化[9]。因为卵磷脂能够被肠道菌群分解成三甲胺，随后三甲胺又被运送至肝脏，通过相应酶的催化作用，最终变成氧化三甲胺并作用于机体进而增加机体卒中的风险[10]。

目前，脑卒中是全世界范围内引起致残率和致死率不断增长的主要原因之一[11]。除脑卒中以外，阿尔茨海默症、多发性硬化症、卢伽雷氏病等疾病的发生、发展也与肠道菌群及GBA之间有着莫大的关系。阿尔茨海默症（Alzheimer disease，AD）是中枢神经系统最常见的退行性病，主要病理特征表现为脑组织中的毒性Aβ42错误折叠形成的β-淀粉样蛋白大量沉积，Tau蛋白异常磷酸化[12]。菌群代谢物含量降低能够控制中枢系统炎症的发生，还可以有效减少脑内Aβ沉积和Tau过度磷酸化，改善认知功能障碍，从而减缓AD的发展进程[13]。多发性硬化症（multiple sclerosis，MS）是以中枢神经系统白质神经细胞髓鞘炎性脱落为主要病变的慢性神经系统疾病。在MS患者的粪便样本中，检测得出嗜黏液杆菌和醋酸钙不动杆菌的丰度相对较高[14]，这似乎暗示着肠道微生物在患病过程中发挥了显著作用[15]。卢伽雷氏病（amyotrophic lateral sclerosis，ALS），在中国也被称为“渐冻症”，是一种运动神经元病。疾病后期，患者全身肌肉萎缩，常因呼吸困难、肺部感染、全身衰竭而死亡。在这种疾病的小鼠模型中，检测到与肠道通透性有关的丁酸产生菌的数量较少[16]。

3 肠道微生物增加脑卒中风险

脑卒中，又被称为“中风”，是一种急性脑血管病，包括缺血性卒中和出血性卒中。缺血性卒中最为常见，其发病率远高于出血性卒中，缺血性卒中最为常见，其发病率远高于出血性卒中，可占脑卒中总数的60%～70%[17]。微生物的细胞壁由脂多糖（lipoplysccharide，LPS）和肽聚糖构成，在Kawato等的动物实验中提到持续静脉注射革兰氏阴性菌可能会促进患有自发性高血压卒中倾向的大鼠发生卒中，主要是由LPS诱导的氧化应激反应所引起的[18]。TMAO作为肠道细菌的代谢产物之一，目前已有研究证明该类物质与动脉粥样硬化之间存在着密不可分的关系[8，19]。TMAO通过抑制巨噬细胞胆固醇逆转运、促进血小板聚集、增加血栓形成、促进血管炎症反应及动脉斑块形成等生理过程，直接诱导动脉粥样硬化的发生发展[20]。动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）是脑卒中的基础病变，脂质沉积是AS的主要病理变化。胆固醇的逆向转运是机体消除血管内脂质过多的重要方式之一，脂质无法在血管内聚集，即可减缓血管粥样硬化的发生。此外，血栓黏附在血管壁内也极易造成管腔的狭窄甚至堵塞，进而血流断供导致局部组织缺血坏死。Zhu等[21]发现TMAO与血栓的形成有关，TMAO可促进细胞内钙离子释放从而引发血小板的高反应性，血液能够快速地凝固。肠道菌群紊乱致使肠道内稳态失衡，刺激机体发生一系列病理生理反应和释放相关细胞因子，促进动脉斑块的形成，提高卒中的发病率。

4 脑卒中导致肠道微生物失调

GBA信号交流系统是双向的，脑卒中很有可能会在自上而下的信号中改变肠道微生物区系；同时，肠道微生物区系的改变也可能自下而上传递信号从而引发脑卒中[22]。卒中后的受损脑组织会通过释放炎症分子和细胞碎片来激活免疫炎症系统进而传播全身炎症。炎症因子的大量释放使得肠道通透性增加，肠道屏障被破坏，肠腔内的细菌和毒素将会渗出至血液循环中，机体更易发生肠穿孔、脓毒症等恶性疾病，最终导致全身炎症[23]。在急性缺血性脑卒中后，强烈的应激反应致使胃肠道运动降低，肠道内某些有害细菌过度生长，而共生或有益属的数量却大大减少，促使肠道运动减慢及肠道屏障的受损，导致肠道免疫反应以及免疫稳态的改变[24]。在动物模型中观察到的物种多样性减少和拟杆菌门细菌过度生长便进一步证实了上述说法[25]。此外，在脑卒中的机体内还会出现GBA信息交流障碍的现象，如迷走神经无法传导信号、内分泌系统信号传递异常等[26]。脑卒中后应激反应刺激肾上腺释放出大量的促肾上腺皮质激素释放激素和糖皮质激素以此增加肠道通透性，加速肠道细菌易位和造成肠道菌群多样性减少。同时，自主神经系统也参与了对肠道菌群的调节，主要表现为盲肠菌群成分的改变，并根据损伤的严重程度而有着不同的变化，这些是通过自主神经系统释放去甲肾上腺素以及盲肠黏液蛋白的产生和杯状细胞数量的改变来实现的[27]。

5 肠道微生物对脑卒中预后的影响

肠道菌群失调引发全身炎症反应，宿主免疫动态平衡遭到破坏，包括Th1、Th2、Th17细胞和免疫调节T细胞（Treg cell）在内的T细胞亚群失衡，这可能会导致脑组织的受损面积增多。卒中后，肠道固有T细胞(γδT细胞）主要通过两种方式来加重机体的缺血性脑损伤：①主动迁移到受损区域；②分泌大量的促炎细胞因子，如白细胞白介素-17（IL-17）等；吸引损伤部位的髓样细胞(中性粒细胞和单核细胞）[28]。在小鼠实验中利用荧光标记微量注射、小鼠体内光转化等细胞示踪技术观察到肠道中的T细胞和单核细胞有从肠道向大脑转运的趋势[29]。相反，肠系膜淋巴结中的树突状细胞则会促进Treg细胞向肠道内迁移，以此来抑制γδT细胞的分化。此外，白细胞介素10（IL-10）产生增多，也会减少γδT细胞从肠道到脑组织的迁移[27]。减少γδT细胞向大脑的迁移和IL-17的表达水平降低都能保护大脑免受缺血再灌注脑损伤。在动物脑卒中模型中，研究人员了解到Treg细胞能通过抑制肠道内Th17因子的产生和γδT细胞的增殖来维持机体抗炎环境，这证实了Treg细胞在抑制缺血后炎症中也有着重要的作用[30]。

6 微生物群在脑卒中治疗中的潜在价值

众多证据表明，肠道炎症和免疫反应在卒中的发生发展中充当了重要的角色，并且还有可能成为卒中治疗的关键靶点[23，26，28]。脑缺血组织产生损伤相关的分子模式，通过特殊的模式识别受体（如Toll样受体）在局部和系统内启动先天和适应性免疫反应[2]。在机体发生脑卒中后先天免疫细胞包括中性粒细胞、小胶质细胞或巨噬细胞、肥大细胞、先天淋巴细胞(分泌IL-17的γδT细胞)和自然杀伤T细胞会在数小时内产生应答，随后通过激活T和B淋巴细胞产生适应性免疫反应。T细胞亚群可以加重缺血性脑损伤，而Treg细胞则可以通过增加抗炎细胞因子IL-10的分泌来抑制缺血后炎症反应，从而发挥保护脑组织的作用[28]。肠道微生物多样性的恢复也是治疗脑卒中的又一重要方案，在小鼠实验中发现幼年小鼠和成年大鼠的微生物群组成明显不同，通过改变幼年小鼠的微生物区系使其与成年大鼠相似，可增大幼年小鼠的患病风险。反之，改变成年大鼠的微生物区系，使其与幼年小鼠相似，则可以提高大鼠的存活率，改善大脑中动脉闭塞后的恢复[25]。同时，在Singh等的研究中也提到肠道菌群失调的短暂性MCAO的小鼠可能会出现更大的梗死面积以及更为严重的功能损害，由此可见肠道菌群丰度的改变会大大影响脑损伤区域[26]。

7 展望

当前对肠道菌群及肠-脑轴的研究越来越多，发现在菌群发生改变之后机体的神经、内分泌、免疫系统均会做出相应的应答反应，并且这些反应在很大程度上影响着缺血性脑卒中的发生与预后，但是其在缺血性脑卒中中的具体作用机制尚未明确。希望可以找到肠道菌群及肠-脑轴影响缺血性脑卒中发病的明确因素，研发出能够有效控制该类疾病发生、发展的药物，新的治疗策略一旦被开发，在预防或减轻这类疾病方面将起到关键性作用，有助于提高患者的生存质量和降低致死率，造福全人类。