脑卒中后认知功能障碍危险因素与肠道微生物群的研究进展

周英群 吴李硕 李先锋 罗毓婷 周凤昆 张春丽

(南宁市第一人民医院 1医学检验科，广西 南宁 530022；2神经内科)

目前我国已成为全世界脑卒中发病率最高的国家之一，并呈现日渐年轻化的趋势。其中脑卒中后认知功能障碍(PSCI)是脑卒中常见的并发症，被认为是影响中老年人生活质量的常见原因，给家庭和社会带来极大的负担。因此对PSCI的预防及早发现、及早治疗就显得尤为重要。PSCI已知的危险因素为：有脑卒中病史、高血压、糖尿病(DM)、高尿酸(UA)血症、冠状动脉疾病(CAD)等。研究发现肠道微生物群(GM)通过利用脑-肠轴通过神经、免疫、内分泌和代谢途径来影响这些危险因素的发生。本文就PSCI的危险因素与GM的关系进行综述，进一步探讨PSCI的发生、发展与GM的联系，为临床治疗提供更好的思路。PSCI是继发于脑卒中后的一种常见并发症，脑卒中事件发生后认知障碍的患病率可达20%～80%。Jokinen等〔1〕的研究表明，脑卒中后3个月内有83%的患者出现至少有一个认知域受损，50%的患者在3个或3个以上认知域出现损害。在其他不同的研究中也发现，脑卒中3个月内的痴呆比率为6%～27%〔2,3〕，就算是在3个月内通过临床治疗恢复良好的病例中，出现认知障碍的比例仍高达71%。因此，随着老龄化社会的到来，PSCI常困扰脑卒中幸存者，是脑卒中患者认知和身体康复的主要障碍。正确认识PSCI，并在痴呆发生前进行早期预防和治疗，已成为医学界急需解决的重点和难点。已有证据表明，PSCI与脑卒中病史、高血压〔4〕、DM〔5〕、CAD〔6〕、高UA血症〔7〕等密切相关。此外，越来越多的证据表明，人类GM在这些疾病中发挥着潜在的作用。人类的肠道是一个复杂的生态系统，拥有约1 014种微生物的复杂微生物群落。GM对人体健康起着重要的作用，参与能量提取、维生素的生物合成、防止病原体过度生长和免疫系统的发育等，它们与寄主的免疫系统处于稳态，在维持动态的代谢生态平衡方面发挥着重要作用〔8〕。除此以外，神经炎症、压力轴的激活、神经传递和神经发生已被很多研究者证实这些行为的发生是受到GM和中枢神经系统的影响〔9～15〕，其主要机制是通过微生物-内脏-大脑轴来影响大脑的关键过程，进而调节复杂的行为，如个人的社交能力和焦虑等。

1 脑卒中与GM

脑卒中又称“中风”“脑血管意外”，是脑血管病危险因素、脑血管突然破裂或血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起的表现为从轻度认知障碍到痴呆的脑组织损伤的一组疾病。PSCI是脑卒中后常见严重并发症，它是指不同程度的脑卒中事件发生后6个月内出现并达到认知功能障碍诊断标准的一系列临床综合征，主要表现在语言、记忆、学习、执行力等领域的认知损害〔16〕。最近的一项研究表明，严重脑缺血后GM的变化和脑卒中后的生物失调与炎症性免疫反应的诱导有关，脑缺血后调节菌群平衡可改善脑卒中的预后〔17〕。

更值得关注的是，已有研究表明，GM可能参与了该病的发病机制，影响动脉粥样硬化斑块的形成〔18，19〕。GM参与磷脂酰胆碱的代谢，其代谢产物胆碱、甜菜碱，特别是三甲胺n-氧化物(TMAO;宿主产物三甲胺氧化)，已被确定为心血管疾病风险的预测因子〔19，20〕。一项临床研究通过比较无症状动脉粥样硬化、脑卒中和短暂性缺血发作患者之间GM的分布，发现有颈动脉斑块的无症状动脉粥样硬化组与无颈动脉斑块的无症状动脉粥样硬化组具有相似的氧化三甲胺水平，且GM的分布也很相似。相比之下，脑卒中和短暂性缺血发作患者在微生物组成方面与无症状组存在显著差异，但其三甲胺n-氧化物水平低于无症状组〔21〕。此外，最近还报道了小鼠中脑动脉栓塞(MCAo)模型和轻度创伤性脑损伤后模型GM的特异性变化。在MCAo动物中，消化球菌科和普雷沃菌科的改变与梗死严重程度相关；创伤性脑损伤也会引起GM的变化，脑损伤后GM的变化可能影响患者的康复和治疗〔22〕。一项对DM小鼠的研究发现，在双侧颈总动脉阻塞后，补充丁酸梭状芽胞杆菌对缺血/再灌注诱导的脑损伤效果明显，通过丁酸钙治疗可减少神经损伤，从而改善认知功能〔23〕。这些数据表明，微生物组的代谢物也可能对疾病的发展提供一定程度的预防作用。然而，临床环境下的GM研究比动物实验研究更具挑战性。人类的研究群体通常更加多样化，因为他们受多种因素的影响，而这些因素与被调查的疾病无关，这些因素也可能影响GM的组成〔24〕。

2 高血压与肠道微生物

高血压为脑卒中发病的重要危险因素,影响着全球至少11.3亿人，引起脑卒中后常会导致认知功能减退甚至痴呆。长期的血压升高可导致高血压相关性病理改变：小血管病变与脑动脉硬化、炎症反应、氧化应激、低灌注、自身调节障碍、血脑屏障破坏及脑淀粉样血管病等，进而引起认知功能障碍〔25，26〕。在印尼的Karya Kasih养老院，研究人员通过采用横断面分析法进行分析观察发现高血压病史与认知功能受损有显著关系，老年高血压患者认知功能障碍的病史或持续时间与高血压的严重程度存在相关性〔27〕。Osovska等〔28〕通过对患者心内血流动力学参数的分析，发现认知障碍患者的病理变化明显多于非认知障碍患者，收缩压的变异性随着患者认知功能的恶化而增加。此外，在研究外周血管状态(外周阻力增加、搏动指数增加、线速度增加、内膜-中膜复合体增厚)时也观察到了重构的迹象，这是认知障碍发生的主要原因，可反映认知障碍的程度，揭示了认知障碍程度与血压日变化程度之间存在明显的相关性。

据报道，在心血管疾病的发展过程中，人体GM的组成发生了变化，很多研究人员旨在评估肠道失调在高血压中的作用。Mell等〔29〕首先发现Dahl盐敏感大鼠和Dahl耐盐大鼠盲肠微生物成分存在差异。同年，Yang等〔30〕也发现自发性高血压大鼠(SHR)GM组成与常压性Wistar-Kyoto大鼠在丰富度和多样性上存在差异，高血压个体GM的多样性明显高于健康对照组。Mushtaq等〔31〕发现在肠道内的主要菌群中，以拟杆菌门、厚壁菌门和变形杆菌为主；然而，与健康对照组相比，高血压患者的厚壁菌门与拟杆菌门的比值显著增加。GM参与神经递质(如血清素、氨基丁酸、去甲肾上腺素和乙酰胆碱)的生成，可能调节中枢和外周神经系统。临床研究表明，自主神经系统可能影响GM〔32〕。Santisteban等〔33〕报道了室旁核和肠道交感神经之间通讯的增加、肠道交感神经和副交感神经活动的不平衡都会导致与高血压相关的肠道病理改变、失调和免疫系统的激活。这些结果都提示高血压患者GM发生了改变，了解这些微生物组成变化的机制可能会为治疗高血压及其他相关疾病开辟新的思路。

3 DM与GM

DM是一组以高血糖为特征的代谢性疾病，它是引起脑卒中的公认的危险因素之一，其会增加认知障碍的风险和严重程度，尤其是在缺血性脑卒中之后。脑血管系统的病理重建被认为是DM患者神经修复不良和认知功能障碍恶化的原因之一。Ward等〔34〕通过确定DM对海马神经与血管的重构的影响及由此导致PSCI的严重程度不同,和比较影响缺血海马神经与血管的损伤在DM雄性和雌性动物的差异，为DM对脑卒中严重程度和PSCI的影响提供了进一步的了解。Groeneveld等〔35〕的研究发现2型DM(T2DM)增加了血管性认知障碍的风险，T2DM的存在与更明显的脑萎缩和更高的腔隙性梗死的负担有关。Xiu等〔36〕采用简易精神状态检查(MMSE)量表对中国北京1 039名年龄≥55岁的社区居民的认知功能状况进行评价，发现与血糖正常的受试者相比，DM或空腹血糖受损的受试者在MMSE中的表现较差，存在不同的认知障碍危险因素。

GM作为人体最大的微生态系统，不仅参与机体的物质和能量代谢，且对其产生重大影响。研究表明，DM的危险因素除了胰岛功能障碍、肥胖、妊娠、遗传等因素外，GM紊乱也可致DM。研究人员对突尼斯患有和未患有DM的参与者的GM进行研究，发现DM患者的GM发生了改变，其GM的分布，特别是黏液菌群的分布受到血糖失调的影响〔37〕。Adachi等〔38〕研究发现T2DM患者的双歧杆菌水平与碳水化合物摄入量呈负相关，而乳酸杆菌目细菌水平与蛋白质摄入量呈负相关。T2DM患者存在GM失调，可能导致发病并影响预后〔38〕。而中医药在治疗DM方面历史悠久，最近的研究表明，中药可以通过重塑GM来改善葡萄糖代谢，这为进一步研究降糖机制开辟了新的途径〔39〕。大黄在中药中广泛用于便秘的治疗，从大黄中提取蒽醌苷类化合物(RAGP)对T2DM大鼠的治疗作用及其机制进行研究，发现RAGP的降糖作用机制包括调节GM、激活胰高糖素样肽(GLP)-1/环磷酸腺苷(cAMP)通路以改善胰岛素抵抗，这可能是一种修复GM的新方法〔40〕。因此，这些研究为临床预防和治疗DM提供了新的思路。

4 高UA血症与GM

高UA血症近年来呈现高流行、年轻化的趋势，是多种心血管疾病、代谢性疾病、慢性肾病的独立危险因素。UA是人体中最丰富的一种神经保护抗氧化剂，是人类嘌呤化合物的终末代谢产物，同时可能是心脑血管疾病发生的一个重要原因。既往研究发现，高血UA水平与心肌梗死和脑卒中的风险相关〔41〕。大多数流行病学证据表明〔42〕，血清UA水平与心血管发病率和死亡率之间存在显著的、分级的、独立的和特定的关联。这在心血管高危人群中尤其明显，包括高血压、DM和充血性心力衰竭患者。而越来越多的研究发现〔43～46〕，血清UA水平可能是脑出血的危险因素之一，是认知障碍的独立危险因素；它可通过获得促氧化特性而使认知功能恶化，也可预防认知功能障碍的发生。吴婧等〔47〕将缺血性脑卒中患者根据蒙特利尔认知功能评定(MoCA)量表分为A组(有认知功能障碍)和B组(无认知功能障碍)，结果A组血清UA明显高于B组，Logistic回归分析显示UA水平是PSCI的独立危险因素。相反，不同的研究认为〔48〕，在正常范围内较高的血UA水平与MCI患病率的降低呈正相关，而且这种相关性在高UA血症患者中并不显著。已有多项研究证明血UA对认知功能具有一定的保护作用，有利于减少痴呆〔49～51〕。目前研究人员正试图揭示UA与认知障碍之间的这种矛盾关系。

长期以来，饮食一直被认为是血清UA水平不可忽视的决定因素〔52，53〕；而GM也被认为是血清UA水平的另一个重要决定因素，因为它们直接参与食物的消化和吸收〔54〕，因此控制GM失调可能有助于预防高UA血症。Wang等〔55〕研究发现，从酸菜中分离到的短乳杆菌DM9218具有调节高果糖诱导的肠道失调和降低高果糖诱导的UA升高的作用。此外，有研究发现痛风患者的GM分布与健康人群的GM存在显著差异，GM与UA代谢和排泄之间存在相互作用，后者可能调节血清UA水平〔56〕。目前降低血清UA的治疗方法包括黄嘌呤氧化酶抑制剂、重组UA酶和排UA药物。然而，所有这些药物都可能产生意想不到的副作用〔57〕。因此，对粪便微生物群进行分析评估高UA血症和益生菌补充对细菌群落结构的影响，开发降低UA浓度的疗法将可能成为有用的替代治疗策略。

5 CAD与GM

CAD在发展中国家日益流行，是许多工业化社会主要的死亡原因。脑卒中的发生是冠状动脉介入术后严重的并发症之一，认知功能障碍也是其常见的症状，但其发病机制尚未阐明。有研究发现〔57〕，在轻度认知障碍患者中，冠状动脉狭窄程度越高，与认知功能相关的特定脑区灰质的损失越大。越来越多的证据表明，GM与心血管疾病的关系密切〔58～60〕。Emoto等〔61，62〕先是通过分析CAD患者GM的组成，证明GM与CAD之间可能存在的联系，但尚未能确定GM的变化是否参与动脉粥样硬化的发展。之后又通过终端限制性片段长度多态性(T-RFLP)数据挖掘分析，对冠心病患者的GM进行了分类，并证明了GM是冠心病的诊断标志。有研究发现老年冠心病组和合并心衰组患者GM丰度低于健康对照组，且GM的多样性也发生混乱〔63〕。Karlsson等〔64〕通过对颈静脉粥样硬化斑块患者及健康对照组的粪便进行宏基因组测序，发现患者组中富含与肽聚糖生物合成相关的基因，而肽聚糖是革兰阳性细菌和革兰阴性细菌细胞壁中的主要成分，这表明肠道中肽聚糖生成的增加可能通过启动先天免疫系统和增强中性粒细胞功能作为宿主炎症通路而导致动脉粥样硬化的发生，肠道宏基因组可能在有症状的动脉粥样硬化的发展中发挥作用。而目前，使用高效他汀类药物降低低密度脂蛋白是预防冠心病和心血管事件的重要治疗措施，但如何降低他汀类药物的残留风险仍待解决。因此，针对CAD及其危险因素的一种新途径——GM作为冠心病的诊断和治疗靶点，正引发越来越多的关注。

综上，PSCI的发生是脑血管性机制和脑神经退行性机制相互作用的结果，其中炎症、氧化应激和兴奋性氨基酸的细胞毒性等机制在神经元损伤和神经血管功能损害中起了重要作用。目前，粪便微生物菌群移植除了在肠道疾病和与微生物菌群失调相关的肠道外疾病中取得了良好的效果,也被用于治疗代谢和自身免疫性疾病〔65〕。另外还有病例报道，它在治疗自闭症、帕金森病、多发性硬化症、慢性疲劳综合征〔66～69〕等方面疗效显著。因此，尽管GM与PSCI之间相互影响的具体机制还有待进一步研究，但已有的研究表明GM与PSCI的多种危险因素相关，我们有充分的理由推测GM的变化与PSCI患者存在某种联系。高通量测序技术和宏基因组学的快速发展，使得微生物的研究，特别是GM研究在医学研究中得到了广泛的关注，这也将极大推动PSCI与GM相关机制的研究，对PSCI的早期诊断和早期干预具有重要意义。