短链脂肪酸对脑卒中的保护作用机制及其与脑卒中后认知障碍关系的研究进展

刘环环，李瑞青，苏凯奇，袁洁，李琪，冯晓东，*

本文要点：

脑卒中是造成全球范围内人类残疾和死亡的主要疾病，具有发病率高、病死率高、致残率高等特点。近年来大量研究发现，肠道菌群及其代谢物短链脂肪酸（SCFAs）可通过调控小胶质细胞的生长发育、神经营养因子的释放、血-脑脊液屏障通透性、组蛋白去乙酰化及神经炎症等影响中枢神经系统功能。认知障碍是脑卒中常见并发症之一，SCFAs可能在脑卒中后认知障碍的发生、发展过程中发挥着重要的保护作用。

短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）又称挥发性脂肪酸，是一种少于6个碳的有机线性羧酸，主要由膳食纤维和抗淀粉样蛋白经结肠中肠道微生物群发酵产生［1］。SCFAs主要包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，并以乙酸盐（C2）、丙酸盐（C3）和丁酸盐（C4）含量最为丰富（≥95%）［2］。生理条件下，结肠内SCFAs总浓度约为100 mmol/L，乙酸、丙酸、丁酸所占比例为4.0∶1.7∶1.0，C2、C3、C4摩尔比为60∶20∶20；外周循环血中SCFAs浓度较低，其中乙酸浓度为100～150 μmol/L，丙酸浓度为 4～5 μmol/L，丁酸浓度为 1～3 μmol/L［3］。

作为肠道与大脑沟通的关键信号分子，SCFAs可通过借助免疫和循环系统轻易地透过血-脑脊液屏障（blood brain barrier，BBB）进入大脑，继而调控神经元和小胶质细胞的生长、发育、成熟及神经递质的释放等［4］。近年研究发现，SCFAs在心脑血管疾病的发生、发展过程中具有有益作用［5］，但其具体作用机制尚不完全清楚。本文就SCFAs对脑卒中的保护作用机制及其与脑卒中后认知障碍的关系进行综述，以期为脑卒中的发病机制和治疗研究等提供参考。

1 SCFAs与跨膜转运蛋白和受体蛋白

SCFAs主要通过跨膜转运蛋白和受体蛋白对肠道及肠道以外的器官进行调控。

1.1 跨膜转运蛋白 SCFAs主要通过依赖于酸碱度的方式穿过细胞膜、与H+耦联单羧酸转运蛋白（proton-coupled monocarboxylate transporters，MCTs）和Na+耦联单羧酸转运蛋白（sodium-coupled monocarboxylate transporters，SMCTs）结合进行跨细胞膜转运，而上述转运蛋白主要存在于肠管腔上皮细胞顶端，可通过调控核转录因子（nuclear factor，NF）-kappa B信号通路诱导细胞凋亡，继而发挥神经保护作用［6-7］。在大脑中，Na+耦联单羧酸转运蛋白1（sodium-coupled monocarboxylate transporter-1，SMCT1）主要存在于神经元中，而单羧酸转运蛋白1（monocarboxylatetransporter-1，MCT1）主要存在于星形胶质细胞中，少量存在于小胶质细胞和少突胶质细胞中［8］；单羧酸转运蛋白4（monocarboxylatetransporter-4，MCT4）是C4的高亲和力转运蛋白，生理条件下可通过分解乳酸盐和酮体为神经元提供能量。

1.2 受体蛋白 SCFAs主要通过与细胞表面G蛋白耦联受体（G protein-coupled receptors，GPCRs）家族结合而影响器官内细胞信号，主要涉及短链脂肪酸受体（G protein-coupled receptor-43，GPR43）〔又称游离脂肪酸受体2（free fatty acid receptor-2，FFAR2）〕、G蛋白偶联受体41（G proteincoupled receptor-41，GPR41）〔又称游离脂肪酸受体3（free fatty acid receptor-3，FFAR3）〕、G蛋白偶联受体109A（G protein-coupled receptor-109A，GPR109A）〔又称羟基羧酸受体2（hydroxycarboxylic acid receptor 2，HCAR2）〕和G蛋白偶联受体 164（G protein-coupled receptor-164，GPR164）（人OR51E1、小鼠Olfr558）［9］。研究表明，上述受体存在于不同的细胞中并共同参与调控生理功能［9］，其中FFAR2和FFAR3不仅存在于肠内分泌细胞，还存在于免疫细胞〔如中性粒细胞、单核细胞、调节性T细胞（Treg）〕和神经元（如去甲肾上腺素能交感神经元和脑干迷走神经节）［10］；HCAR2主要存在于哺乳动物大脑中，被激活后能够促进蛋白质合成、增加缝隙连接神经元的沟通、增强学习和记忆能力，对大脑功能发挥具有良好的调控作用［11］。

2 SCFAs对脑卒中的保护作用机制

2.1 SCFAs与小胶质细胞 神经网络的塑造是神经系统发展的标志，而神经网络塑造的神经回路对维持正常认知、情感和行为至关重要［12］。神经胶质细胞尤其是小胶质细胞对过度或不必要突触连接的修剪在神经回路的成熟和连接中发挥着不可替代的作用［13］。因此，调控中枢神经系统先天免疫功能对大脑发育具有重要作用。近年研究发现，肠道微生物群在中枢神经系统免疫功能发育和成熟中具有关键作用。ERNY等［14］研究发现，肠道微生物群能调控小胶质细胞的分化、成熟和功能：与定居的无特定病原体（specific pathogen free，SPF）小鼠相比，无菌（germ-free，GF）小鼠和使用抗生素的小鼠与小胶质细胞生长发育相关的基因〔如Mapk8、Fcgr2β、白介素（interleukin，IL）-1α、Ly86、Janus激酶（Janus kinase，Jak）-3和转录激活子（signal transducer and activator of transcription，Stat）-1〕表达下调、抑制转录的基因〔如Nfkbiα（编码IκBα）〕表达上调并造成小胶质细胞发育缺陷，而口服3种主要SCFAs（乙酸酯、丙酸酯、丁酸酯）组成的混合物可修复GF小鼠小胶质细胞畸形和发育缺陷（不成熟）。

作为大脑“常驻”免疫细胞，小胶质细胞是大脑的“一道防线”和“哨兵”，但在脑损伤发生时其是一把“双刃剑”［15］。研究表明，小胶质细胞的极化状态不同则其发挥的作用也不尽相同［16］：缺血导致脑细胞损伤并释放危险相关分子模式（danger-associated molecular patterns，DAMPs），而DAMPs通过激活小胶质细胞促炎表型——经典激活型（M1表型）释放促炎因子〔包括肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、IL-1β、IL-12、IL-23、一氧化氮等〕、加重炎症和脑组织损伤［17］，因此小胶质细胞在缺血性脑卒中急性期和出血性脑卒中患者中具有有害作用；与此相反，小胶质细胞抑炎表型——替代激活型（M2表型）的极化则在脑损伤中发挥着保护作用：极化的小胶质细胞M2表型可促进血管内皮细胞生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、脑源性神经生长因子（brain-derived nerve growth factor，BDNF）、CD163、细胞因子、IL-4、IL-10、转化生长因子（transforming growth factor，TGF）-β表达上调，继而抑制神经炎症、促进缺血性脑卒中后血管再生和轴突生长，加速损伤组织修复［18-19］。

研究表明，C4能抑制由脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）诱导的小胶质细胞活化，继而减少IL-6和TNF-α等促炎因子的分泌［20］。小胶质细胞原代培养结果显示，SCFAs可通过免疫刺激THP-1细胞而减少IL-1、单核细胞趋化蛋白1、TNF-α和细胞毒素的分泌，继而减少炎性反应信号［21］。JAWORSKA等［22］研究发现，大脑中动脉阻塞（middle cerebral artery occlusion，MCAO）大鼠口服SFCAs后CD4+Foxp3+Treg数量增加，小胶质细胞M1表型活化受抑制，离子钙结合衔接分子1（ionized calcium binding adapter molecule-1，ba1）表达减少。此外，上调嘌呤能受体P2Y12的表达具有抗炎/吞噬作用，可抑制中枢神经过度免疫反应、减轻脑卒中患者神经炎症严重程度、保护大脑组织、减轻神经元损伤［23-24］。

2.2 SCFAs与神经营养因子 神经营养因子是一类调控中枢和外周特定神经元分化、增殖、生长的神经营养递质，对神经元的发育和存活至关重要。根据分子结构、受体和信号通路可将神经营养因子分为神经营养因子家族、胶质细胞源性神经营养因子家族（glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF）和神经细胞因子，其中神经营养因子家族〔主要包括神经生长因子（nerve growth factor，NGF）、BDNF、神经营养因子3、神经营养因子4、神经营养因子5〕在神经生长发育过程中最为重要［25］。研究表明，神经营养因子家族可与酪氨酸激酶受体的原肌球蛋白相关激酶（tropomyosin receptor kinase，Trk）家族结合并通过激活丝裂原活化蛋白激酶（mitogen associated protein kinase，MAPK）/细胞外信号调节激酶（extracellular related kinase，ERK）、磷脂酰肌醇 3-激酶（phospoinositide3-kinase，PI3K）/Akt和磷脂酶（phospholipase-C，PLC）-γ信号通路而调控神经元生长、分化和成熟［26］。

近年来，肠道微生物群及其代谢产物对神经元生长、发育和功能的影响已成为研究热点。既往研究表明，肠道微生物群的主要代谢产物SCFAs在生理条件下可影响神经发生、增殖和凋亡相关基因B淋巴细胞瘤-2基因（B-cell lymphoma-2，BCL-2）、BH3 相互作用域死亡激动剂（BH3 interacting domain death agonist，BID）、Fas细胞表面死亡受体（Fas cell surface death receptor，FAS）、Necdin（NDN）及血管内皮生长因子A（Vascular endothelialgrowth factor A，VEGFA）的表达，促进人神经祖细胞生长和胚胎干细胞向神经元分化［27］。此外，SCFAs还可通过影响神经递质和神经营养因子浓度而调控大脑功能。VARELA等［28］研究发现，于双向情感障碍大鼠侧脑室注射丁酸钠可增加其相关脑区海马和额叶皮质BDNF、NGF、GDNF的表达，促进海马神经元和突触生长，减轻其躁狂样行为。JAWORSKA等［22］研究表明，丁酸钠不仅可抑制组蛋白去乙酰化酶，促进新生缺氧缺血大鼠脑室下区神经发生，还可增加损伤半球TrkB受体的表达和转录因子环磷腺苷效应元件结合蛋白（cAMP-response element binding protein，CREB）磷酸化，并通过BDNF-TrkB信号通路促进同侧半球神经元的发生、增加突触的可塑性，最终改善新生缺氧缺血大鼠神经功能。

2.3 SCFAs与BBB BBB主要由毛细血管内皮细胞、基底膜和神经胶质细胞组成，是精确控制脑内稳态的物理和生化屏障［29］。由于BBB主要通过各种通道和转运蛋白控制进出脑的营养物质、废物、细菌及病毒，并主要通过调控中枢神经系统的离子稳态、神经递质、神经活性物质等保护神经组织免遭病毒和有害物质等侵害［30］，因此，BBB的结构完整性和功能的正常发挥对维持各项大脑功能不可或缺。

近年研究表明，BBB结构完整性受肠道微生物群影响，使用抗生素治疗的小鼠和GF小鼠BBB通透性增加、内皮细胞紧密连接失调，而采用SPF小鼠粪便或SCFAs对GF小鼠进行干预则会降低其BBB通透性，增加其内皮细胞紧密连接［31-32］。有研究发现SCFAs可经血液循环进入BBB并直接影响其结构完整性，如口服丁酸钠能增加紧密连接蛋白的表达，降低GF小鼠BBB通透性［32-33］；此外，SCFAs还能通过非特异性炎性反应和氧化应激途径保护BBB［34］。HOYLES等［35］通过对体外BBB模型——hCMEC/D3细胞采用C3进行干预发现，C3能抑制其Toll 样受体4（Toll-like receptors，TLR4）的表达，阻止LPS与TLR结合而引发促炎反应，减少促炎因子1L-β、IL-1及TNF-α等的分泌，减轻神经炎症所致BBB损伤；同时，C3也能激活抗氧化核因子E2相关因子2（nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2），增加抗氧化基因的表达并减少活性氧的释放，进而保护BBB免遭氧化应激损伤。

BBB的破坏是缺血性脑卒中的病理学特征之一，而脑缺血引起的应激反应主要通过神经炎症途径、氧化应激、兴奋性神经毒性等造成BBB紧密连接蛋白和内源性转运蛋白表达减少，进而增加BBB通透性［29，36］；反过来，BBB的损坏会造成中枢神经系统离子稳态失衡、毒性和有害物质易于侵入脑内，继而加重脑水肿和神经元损伤、引起认知障碍等［29］。CHEN等［37］研究证实，移植粪便细菌不仅能缩小缺血性脑卒中大鼠脑梗死体积、减轻脑水肿，还能降低血清总胆固醇和三酰甘油水平、减少神经损伤、改善认知功能。此外，SCFAs也可通过与血管内皮细胞上单羧酸转运蛋白及GPR41（FFAR3）结合而增加脑卒中患者紧密连接蛋白的表达并恢复BBB结构完整性，减轻有害物质侵入大脑造成的脑损伤严重程度［1］。

2.4 SCFAs与组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs） 组蛋白乙酰化是一种翻译后修饰，主要发生在组蛋白3和组蛋白4的N末端赖氨酸残基ε氨基上，主要过程为组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferases，HATs）将乙酰基添加到组蛋白尾部、HDACs将乙酰基去除。研究表明，乙酰化的组蛋白在调控细胞生长、增殖、分化、凋亡、酶活性、DNA损伤修复、自噬、蛋白质稳定性等方面发挥着重要作用，增强组蛋白乙酰化可促进新蛋白质合成、对突触可塑性和学习能力及记忆力的长期维持至关重要，且这种强化可通过组蛋白去乙酰化酶抑制剂（histone deacetylase inhibitor，HDACI）达到［38-40］。

作为HDACs特异性抑制剂，SCFAs常被用于临床和动物研究。多项动物研究表明，C4可在记忆形成的关键时期提高大脑中组蛋白乙酰化、诱导长时程增强（long-term potentiation，LTP）、增加突触结构和功能的可塑性、提高学习能力和记忆力［41-42］。KIM等［43］发现，HDACI丁酸钠可通过激活BDNF启动子Ⅳ、上调大鼠皮质神经元BDNF基因表达而激活BDNF-TrkB信号通路，促进永久性脑缺血大鼠脑室下区和海马齿状回细胞增殖、迁移和分化，修复缺血区损伤神经元并促进新神经元生长和发育，最终改善缺血所致认知功能缺陷。

2.5 SCFAs与神经炎症 神经炎症主要由中枢神经系统和外周免疫细胞引起，是神经组织抑制感染、清除病原体和细胞碎片及错误折叠蛋白质的一种自我保护方式［44］。作为中枢神经系统先天免疫的重要组成部分，神经炎症在初期对神经组织具有一定保护和修复作用，但慢性和持续的神经炎症则是导致各种神经疾病的关键原因。研究表明，神经炎症与神经退行性疾病和中枢神经系统损伤性疾病的发生密切相关［45-46］。

神经胶质细胞是中枢神经系统中数量最多、分布最广的细胞，其中小胶质细胞是中枢神经系统“常驻”先天免疫细胞，可与神经元、免疫细胞及血管相互作用，充当着大脑生理环境的“监测器”与中枢神经系统的“第一道防线”［47］。神经胶质细胞与其他免疫细胞一样在神经炎症中具有双重作用，面对感染、机械损伤、毒性代谢物及自身免疫等具有高度可变性的神经炎症，神经胶质细胞发挥着不同作用。因此，合理调控神经胶质细胞和外周免疫细胞在神经炎症中发挥积极保护作用对于大脑组织来说很关键。

近年研究表明，肠道微生物群及其代谢产物可通过多种方式影响免疫细胞、调控神经炎症［48-49］，如上文所提及的口服SCFAs能修复发育缺陷的小胶质细胞并促进其M2表型的激活，上调紧密连接蛋白的表达而增强BBB结构完整性，减少有害物质侵入大脑并降低神经炎症严重程度等［14，33］。另有研究表明，SCFAs能激活GPR41和GPR43并抑制MAPK磷酸化，减少促炎因子的分泌和表达［50］。醋酸盐是一种具有神经保护作用的SCFAs，能够降低神经炎症大鼠IL-1β浓度，减少LPS诱导的神经胶质细胞活化［51］；通过对阿尔茨海默病小鼠模型进行研究发现，醋酸盐能激活 GPR41并抑制MAPKs磷酸化，继而阻碍p38、JNK、ERK及NF-κB信号通路的激活并下调 P65的表达、减少促炎因子的释放，最终减少β样淀粉蛋白（amyloid β-protein，Aβ）和tau蛋白形成［52］。此外，SCFAs还能抑制小胶质细胞CD11b活化并促进小胶质细胞成熟，减少小胶质细胞介导的神经炎症导致的神经退行性疾病的发生［52］。CHEN等［53］研究发现，口服丁酸可有效改善双环己酮草酰双腙诱导的脱髓鞘，且在小胶质细胞存在或不存在的情况下均能抑制溶卵磷脂诱导的脱髓鞘并增强再髓鞘化，表明丁酸可影响少突胶质细胞、促进未成熟少突的分化，这为控制多发性硬化脱髓鞘和再髓鞘化提供了一种新的治疗策略。综上，鉴于肠道微生物群及其代谢产物与神经炎症密切相关，因此肠道微生物群可能成为治疗神经炎症所致疾病的一个新靶点。

3 SCFAs与脑卒中后认知障碍的关系

脑卒中后认知障碍指脑卒中引起的从轻度认知障碍到痴呆的一系列综合征，主要表现为学习能力、记忆力、执行功能等下降，不仅直接影响患者日常生活自理能力，而且间接影响患者运动、感觉、言语、吞咽功能等康复过程中主动配合度，进而导致脑卒中患者整体康复难度增加，并在一定程度上阻碍了患者回归家庭和社会、增加了患者及其家庭经济负担。

缺血诱导的兴奋毒性、炎症、钙超载、氧化应激、自由基形成及神经元损伤、坏死、凋亡是导致脑卒中后认知障碍的主要原因，而肠道微生物群的多样性也与脑卒中后认知障碍的发生密切相关。KOSZEWICZ等［54］研究发现，与脑卒中后无认知障碍的患者相比，脑卒中后认知障碍患者肠道内革兰阳性厚壁菌门和革兰阴性拟杆菌门数量减少，而它们正是产生SCFAs的优势菌群。有研究者通过对脑卒中后认知障碍大鼠肠道内容物SCFAs进行定量分析发现，脑卒中早期阶段其乙酸和丙酸浓度均低于假手术组，异丁酸和异戊酸早期增加、晚期缺乏，丁酸和戊酸均一直处于较低水平，提示肠道微生物群SCFAs浓度与脑卒中后认知障碍的发生和预后相关［37］。研究证实，SCFAs主要通过调控小胶质细胞、神经营养因子、BBB、神经炎症及神经元凋亡等影响脑卒中后认知障碍的发展过程，在脑卒中后认知障碍的发生、发展过程中充当着“保护者”［37，55-56］。此外，丁酸钠还是中枢神经系统内重要的神经调节剂，可通过激活GPR41受体而增加PI3K的表达、促进Akt磷酸化、减少神经元凋亡及脑梗死面积、降低脑水肿程度［56］。

近年研究表明，SCFAs能抑制外周免疫T细胞活化并阻止其激活软脑膜γδ-T细胞，通过Treg抑制IL17+γδ T细胞增殖而降低脑内促炎因子IL-17浓度，同时Treg还能释放抗炎因子IL-10、IL-22，有利于保护缺血时大脑免遭神经炎症损伤［57］。SADLER等［58］通过体内广域钙显像发现，补充SCFAs可改善光照血栓脑卒中大鼠皮质连通性，其作用机制为：SCFAs增加突触前小泡分子突触素和BDNF受体TrkB的表达，进而促进转录因子环磷腺苷效应元件结合蛋白（CREB）磷酸化、抑制缺血缺氧诱导的p75NTR表达、激活BDNFTrkB信号通路并促进短突触棘生长、增加锥体皮质树突棘密度和突触数量、增加海马齿状回DCX+神经元和NeuN+神经元数量、促进海马神经元再生和生长，最终改善脑缺血引起的认知障碍［59-60］。LEE等［23］研究发现，采用来自年轻小鼠的粪便进行粪便移植管饲法（fecal transplant gavage，FTG）可帮助老年小鼠重建脑卒中后肠道微生物群，改善老年脑卒中小鼠认知功能和执行功能，而这与年轻小鼠粪便含有更多SCFAs产生菌密切相关；进一步对4组小鼠分别采用无菌、单独菊粉、单独SCFA生产剂、菊粉+SCFA生产剂进行干预发现，菊粉+SCFA生产剂组老年脑卒中小鼠神经功能缺损评分、悬吊实验中的运动协调性和力量明显改善。CHEN等［37］研究也证实FTG可增加缺血性脑卒中大鼠SCFAs浓度，改善缺血所致神经功能障碍。

4 小结与展望

综上所述，肠-脑轴的双向交流为脑卒中及其他神经系统疾病的研究开辟了新领域，肠道微生物群及其代谢产物通过肠-脑轴沟通免疫、神经等途径直接或间接影响着神经系统的发育和成熟。现阶段，临床用于改善缺血性脑卒中患者神经保护的药物疗效不佳，而作为肠道菌群主要代谢产物的SCFAs通过多种途径参与脑卒中及脑卒中后认知障碍的发生、发展，并可通过抑制神经炎症及小胶质细胞活化、调控相关信号通路等发挥对脑卒中的保护作用。因此，通过改变饮食结构、补充益生菌或外源性SCFAs及FTG、研发新的靶点药物可能有助于预防和治疗脑卒中后认知障碍，而SCFAs或可成为神经系统疾病防治的安全有效的新靶点。

作者贡献：刘环环进行文章的构思，负责撰写论文；刘环环、袁洁、李琪负责文献/资料收集、整理；李瑞青、苏凯奇进行论文修订；冯晓东负责文章质量控制及审校，对文章整体负责。

本文无利益冲突。

本文文献检索策略：

以“脑卒中”“脑缺血”“脑出血”“认知障碍”“肠道微生物群”“肠道菌群”“短链脂肪酸”“小胶质细胞”“神经营养因子”“血脑屏障”“组蛋白去乙酰化”“神经炎症”为中文关键词检索中国生物医学文献服务系统（SinoMed）、中国知网、万方数据知识服务平台、维普网等中文数据库，以“Stroke”“Cerebral ischemia”“Cerebral hemorrhage”“Cognition disorders”“Cognitive impairment”“Cognitive dysfunction”“Gut microbiome”“Intestinal flora”“Short-chain fatty acids”“SCFAs”“Fatty acids”“volatile”“Microglia”“Neurotrophic factor”“Blood-brain barrier”“BBB”“Histone deacetylase”“Neuroinflammation”为英文关键词检索PubMed、EMBase、the Cochrane Library、EBSCO等英文数据库；检索时限均为建库至2021年2月。文献纳入标准：关于肠道菌群与脑卒中关系的临床研究、基础研究和文献研究；文献排除标准：重复发表、无法获取全文和数据、质量较差、年份陈旧的文献等。