肠道菌群与脑卒中后抑郁潜在机制的研究进展

王颖佳，王凌霄综述，邵宏元审校

脑卒中是全世界最常见的神经系统疾病之一，脑卒中后抑郁(Post-stroke depression，PSD)是脑卒中后常见的神经心理并发症之一。在脑卒中后5 y内，大约有1/3的脑卒中幸存者患有PSD[1]，且由于精神疾病相关的病耻感、较低的治疗寻求率使得患病率可能被低估。PSD与脑卒中患者身体和认知恢复、神经功能结果和生活质量的改善密切相关，抑郁和卒中之间存在双向关系：脑卒中造成PSD，而抑郁增加了脑卒中和脑卒中后死亡风险。早期识别有抑郁症风险的脑卒中患者有助于进行适当的治疗和随访。PSD的治疗主要是基于5-羟色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)、去甲肾上腺素(noradrenaline，NE)和多巴胺(dopamine，DA)受体的异常表达假说而制定的抗抑郁疗法，由于传统的抗抑郁治疗方法效果不佳，且患者依从性差，我们急需探寻新的治疗方法。

在过去的几十年里，人们对肠道菌群的功能也有了更全面的认识。最近的研究揭示了肠道菌群变化对脑卒中、抑郁症[2]、自闭症[3]、癫痫[4]等神经系统疾病的重要性。本综述旨在结合最新的研究进展，探究肠道菌群与脑卒中后抑郁潜在机制，为肠道菌群在PSD的治疗提供参考。

1 肠道菌群与微生物群-肠-脑轴的潜在机制

人类在母体子宫中是处于无菌环境的，最早期的肠道菌群来自婴儿出生时母体阴道和肛周微生物群[5]，随着年龄增长肠道菌群受到我们的饮食习惯和环境影响不断变化并维持相对稳定状态。人类的肠道中含有近100万亿种微生物，包括细菌、病毒和真菌，厚壁菌门和拟杆菌门为肠道菌群最突出的两个门属[6]。肠道菌群是人体被忽略的“器官”，是维持人体内环境平衡不可或缺的一部分，也被称为“第二大脑”，它们的存在对健康至关重要。随着研究的深入，我们发现大脑和肠道之间的联系除了维持胃肠道的内稳态外，还会影响人类的情感、动机和更高的认知功能，并提出了“微生物群-肠-脑轴(microbiota-gut-brain axis，MGBA)”这一概念[7]，揭示了肠道菌群在维持代谢稳态、保护人类免受致病微生物的侵害以及肠道菌群与大脑之间的通信作用[8]。

2 脑梗死后抑郁作用机制与微生物群-肠-脑轴

胃肠道与中枢神经系统(central nervous system，CNS)关系密切，肠道菌群通过影响CNS和神经细胞来参与调节神经系统功能，参与到CNS相关疾病的发病机制和进展[6]。在过去的十几年中，由于宏基因组学技术的发展，允许对肠道菌群相关基因进行详尽分析，使得肠道菌群得到了越来越多的关注。目前关于PSD发病机制的假设包括：下丘脑-垂体-肾上腺(hypothalamic-pituitary-adrenocortical axis，HPA)轴的激活、神经递质的改变、微生物代谢产物、迷走神经通路、免疫及炎性反应、神经营养因子等。

2.1 下丘脑-垂体-肾上腺轴 HPA轴[9]是主要的神经内分泌应激反应系统，同时也是微生物群-肠-脑轴内关键的非神经元通信途径之一，作为边缘系统的一部分，它对调节大脑功能至关重要，涉及调节情绪、记忆、免疫和代谢。当HPA轴因环境应激或促炎细胞因子的增加而被激活时[10]，肾上腺皮质合成和糖皮质激素释放增加，糖皮质激素可调节脑中神经元的存活和神经发生。Sudo等人[11]研究显示在应激反应中，无菌小鼠的类固醇皮质激素和肾上腺激素水平高于含有正常菌群的小鼠，并首次提出肠道菌群与HPA轴相关性。脑卒中后，HPA轴被过度激活，由于负反馈机制受损而无法维持平衡，最终大量的皮质醇的产生和积累[12]。慢性高皮质醇血症可通过降低脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的活性，导致神经毒性产生，使得前额叶皮质边缘区域的体积损失，从而导致神经可塑性现象的损害，这将维持抑郁状态[13]。由此我们推测调节肠道菌群可以影响皮质醇水平，负向调节HPA轴的活动，参与到对PSD的调节。

2.2 神经递质 肠道菌群产生的最常见的神经活性物质是神经递质，如γ-氨基丁酸 (γ-aminobutyric acid，GABA )、谷氨酸(glutamic acid，Glu)、DA、5-HT和NE等，通过激活肠道神经系统，经迷走神经和脊神经介导驱动肠道菌群和CNS之间的信息传递[8]。目前，关于抑郁症与神经递质有关的理论主要有两种，即单胺能假说和谷氨酸介导的兴奋性毒性。单胺能核主要位于脑干内，脑卒中可中断单胺类物质向大脑皮质和边缘系统的投射，最终大脑情绪调节区单胺类递质减少会导致PSD[14]。大量的研究已经证明抑郁症患者脑中5-HT水平低于非抑郁症患者[15]，在PSD患者中也观察到类似的变化[16]。因此，血浆5-HT浓度的变化是预测卒中后精神疾病的一个重要的临床指标。动物实验[17]显示向大鼠注射双歧杆菌后观察到大鼠体内色氨酸水平升高，提示双歧杆菌可通过降低促炎因子水平，增加5-HT前体色氨酸，上调5-HT水平从而改善情绪。作为一种兴奋性神经递质，Glu合成在急性脑卒中患者大脑和血浆中均会增加[18]。研究发现肠道菌群变化与Glu代谢改变有关，空肠弯曲杆菌激活Glu合成，其在胃肠道中较低的丰度影响Glu的合成，间接影响Glu代谢[19]。一些肠道细菌，如谷氨酸棒杆菌、乳酸发酵短杆菌、枯草芽孢杆菌和短杆菌，通过谷氨酸消旋酶将L-Glu转化为D-Glu，影响Glu代谢，从而在神经精神疾病[20]中发挥作用。因此，我们推测肠道菌群失调参与到了脑卒中神经递质的改变过程，特别是5-HT和Glu，从而触发PSD。

2.3 微生物代谢产物 肠道菌群产生的代谢物如短链脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFAs)、三甲胺N-氧化物(trimethylamine N-oxide，TMAO)和脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)，因其参与了微生物群和宿主稳态之间的相互作用而获得了广泛的关注[8]。SCFAs包括丁酸、醋酸和丙酸，可通过调控肠嗜铬细胞对5-HT的分泌，在CNS相应受体发挥作用以保护神经元[21]。在强迫游泳试验中[22]，使用醋酸、丙酸和丁酸的混合物降低了小鼠抑郁样行为，显示了SCFAs的重要意义，并间接显示了肠道菌群在微生物群-肠-脑轴调节活动方面的影响。除了SCFAs，研究发现TMAO可直接促进了血小板的高反应性和增强血栓形成[23]，其与脑卒中等血栓性事件的发生风险独立相关。

2.4 迷走神经通路 迷走神经[8]通过肠道菌群产生的神经活性物质，驱动肠道菌群和CNS之间的通信。抑郁和焦虑行为的变化与用益生菌喂养的小鼠大脑中GABA受体表达的改变有关。鼠李糖乳杆菌JB-1治疗可以降低大脑特定区域的GABA受体mRNA的表达，从而减少应激诱导的皮质酮和抑郁相关行为[24]。但这种效应在迷走神经切除的小鼠中未观察到，提示迷走神经传入神经在微生物群-肠-脑轴通信中起着重要作用。同样地，通过研究[25]膈下迷走神经切断术(subdiaphragamatic vagotomy，SDV)对LPS给药后抑郁样小鼠肠道菌群异常组成的影响，我们发现LPS引起了假手术小鼠的抑郁样表型的增加，相比之下行SDV后的小鼠中没有产生抑郁样表型，说明迷走神经很可能在微生物群-肠-脑轴中起着至关重要的作用。

2.5 免疫及炎症机制 肠道由高浓度的免疫细胞组成，提供了一层抵御病原体的额外防御层。肠道菌群对于大脑中驻留的免疫细胞和胶质细胞的成熟和功能至关重要，这有助于调节神经发生和神经传递，从而影响宿主的各种行为[26]。小胶质细胞是CNS的常驻髓系细胞，对大脑的稳态功能至关重要，包括神经发生、神经传递、突触重塑、神经炎症和损伤修复[9]。一项研究[27]显示无菌动物或使用抗生素治疗小鼠易导致小胶质细胞成熟、激活状态和分化缺陷，小胶质细胞形态发生改变，并对细菌的免疫反应减弱，这进一步证明肠道菌群的缺失导致小胶质细胞发育异常，从而影响神经系统发育异常。在无菌小鼠与对照组小鼠共存6 w后，这些小胶质细胞表型改变随着肠道菌群的重新定居而发生逆转[28]。这些发现表明来自肠道菌群的活跃信号是维持小胶质细胞稳态所必需的。星形胶质细胞是CNS中最丰富的神经胶质细胞类型。由于星形胶质细胞表达去甲肾上腺素和血清素的转运体，我们推测星形胶质细胞可能控制5-羟色胺能和去甲肾上腺素能传递，而抗抑郁药物可阻断星形胶质细胞对单胺类递质的再摄取[29]。脑卒中作为一种脑部创伤，可以在受伤的脑区引发强烈的炎症反应，炎症诱导的谷氨酸摄取损伤可能有助于脑卒中后情绪障碍易感性的发展[30]。肠道菌群紊乱可导致细菌释放到血液中产生大量LPS，导致外周免疫激活和炎症反应，引起血脑屏障改变、炎症因子进入CNS，然后通过NF-κB通路激活神经胶质细胞，促进抑郁症的发生[31]。已经有动物研究报道过抑郁症微生物群-脑-肠轴失调与炎症因子的相关性，在社会挫败应激小鼠模型[32]发现IL-6通过改变肠道菌群的组成诱导抑郁发生，外周IL-6受体的阻断显著改善了易感小鼠中厚壁菌门/拟杆菌门比率的降低，并且可能具有快速起效和长效的抗抑郁作用。此外，研究已经证明[33]SCFAs在发展大脑外周免疫系统和小胶质细胞功能中的作用，肠道菌群的紊乱可导致小胶质细胞介导的神经炎症，导致神经元、突触和脑肠轴受损，调节肠道菌群组成的变化可能是改善神经炎症疾病和大脑功能一个新的治疗手段。

2.6 营养因子 BDNF是CNS中含量最丰富、分布最广泛的神经营养因子，对神经系统的生长和分化至关重要，它在认知过程、情绪调节中起着关键作用。抑郁症患者由于长期压力和HPA的持续激活而导致皮质醇水平升高，糖皮质激素可以下调海马中的BDNF[34]，这进一步加剧了5-HT和BDNF的缺陷，这意味着神经营养假说与HPA轴间接相关。动物实验[35]显示抑郁大鼠出现海马和前额皮质BDNF的缺陷，而抗抑郁药物可以提升BDNF水平。与此一致的是抑郁症患者血清BDNF水平低于健康人群，且入院时脑卒中患者低水平的BDNF与PSD的发生有很强的关联性，提示血清BDNF是PSD的一个重要的生物学预测因子[36]。肠道菌群可以调节BDNF，相较于未处理的大鼠，植物乳杆菌IS-10506处理增强了海马中的大脑BDNF表达[37]，这意味着补充益生菌可以增强大脑发育，肠道菌群的改变可以影响BDNF水平。

3 新型治疗在肠道菌群与卒中后抑郁的研究进展

近年来，益生菌和益生元在PSD的治疗潜力已得到充分的证明。双歧杆菌治疗不仅可以逆转5-HT和BDNF的缺陷，而且还可以降低血清皮质酮水平。此外，益生菌治疗上调了色氨酸的生物合成和谷氨酸能突触[34]，这些发现提示益生菌具有抗抑郁作用和调节肠道菌群作用。临床试验证明抑郁症患者服用嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌和双歧杆菌的混合物8 w后贝克抑郁量表评分明显下降[38]。益生元对心理健康的益处包括影响大脑功能的代谢物，降低血脑屏障通透性，减少神经炎症等。研究表明[39]益生元的补充可以减少应激反应性、焦虑和抑郁样行为，增加BDNF的表达，并改善认知能力。粪便微生物群移植(fecal microbiota transplantation，FMT)通过将供体微生物群转移到受体来操纵肠道菌群，是目前最有效的肠道菌群干预措施。动物实验[40]发现FMT改善了慢性不可预测的轻度压力大鼠模型中引起的快感缺乏样行为，并降低了促炎细胞因子的产生和抑制NLRP3炎症小体的产生。

4 总结与展望

到目前为止，在描述、诊断和寻找PSD治疗方法方面已经做出了巨大的努力。肠道菌群在PSD相关作用已被动物模型和人类的各种实验证实，并提出了许多潜在的途径来解释PSD患者的微生物群-肠-脑轴连接。尽管已经探索了迷走神经、HPA轴、神经递质、微生物代谢产物、免疫以及炎症与PSD有关肠道菌群失调的关系，但仍需要不断努力了解这种多因素疾病的原因和作用机制。仍有许多问题需要回答：肠道菌群组成的最初改变是疾病表现的原因还是助推器？哪种肠道菌群的化学种类与疾病有很强的联系？肠道菌群生态系统的重编程是否是一种很好的治疗策略？回答这些问题可能会使肠道菌群与PSD的联系得出有意义的结论，包括有益的治疗和个性化医学。

目前已知关于PSD的治疗有抗抑郁药物、饮食、运动和FMT，益生菌/益生元由于其可防止肠道菌群的改变和提高自然免疫力也逐渐应用于临床。然而益生菌/益生元的副作用还需要进行深入的研究。此外，FMT治疗是一种新的治疗精神疾病的潜力，或可以作为当前方法的辅助手段。由于微生物治疗领域还处于起步阶段，对其副作用知之甚少，因此不能排除通过FMT移植目前未知的致病性微生物。此外，微生物组治疗研究的主要障碍之一是尚未定义可测量的临床相关肠道菌群终点以预测治疗的成功。总之，肠道菌群研究是一个繁荣的领域，关于肠道菌群在健康和疾病中的作用经常有新的和令人惊讶的发现。虽然微生物群-肠-脑轴的概念现在已经建立，但仍然需要研究去阐述肠道菌群的变化和PSD之间的机制联系。