调节肠道菌群用于治疗缺血性脑卒中的研究进展

张 怡综述, 何小刚审校

缺血性脑卒中(ischemic stroke,IS)是指各种原因所致颅内动脉血流中断,血液供应障碍,导致局部脑组织缺血缺氧坏死而出现局灶性神经功能缺损的临床综合征[1]。我国IS发病率为145/10万,且仍处于上升阶段。伤残调整寿命年为1148/10万,远高于英国、美国、日本等发达国家同期水平。IS具有高发病率、高致残率、高死亡率、高复发率和高经济负担五大特点,严重影响国民健康与生活[2]。IS可控危险因素包括不良生活方式、高血压、高血脂、高血糖、肥胖、睡眠呼吸暂停等。目前针对IS治疗主要集中在改善脑血液循环(静脉溶栓、血管内治疗、抗血小板、抗凝、降纤、扩容等)、他汀、神经保护及控制危险因素等方面,大部分患者的远期预后较差[1]。

人体胃肠道由数量众多、种类丰富的肠道菌群组成,通常以细菌为主,绝大多数属于拟杆菌门或厚壁菌门。这些肠道菌群参与营养代谢、免疫调节等多种生理功能,维持肠道菌群的动态平衡与人体健康紧密相关。肠道菌群的多样性和丰度一旦发生病理改变,这种肠道菌群失调(gut microbiota dysbiosis,GMD)就会通过多种机制传递信号至大脑,一方面对血压、血糖、血脂、体重等IS危险因素产生恶性影响；另一方面直接参与IS的发生发展及转归[3]。基于此,近年来越来越多的研究着眼于调节GMD,以期为IS治疗提供新思路。本文就维持肠道菌群稳态作为IS治疗新靶点的相关研究进展作一总结。

1 肠道菌群与缺血性脑卒中相关

多达50%的IS患者会出现胃肠道并发症,包括便秘、消化道出血、肠麻痹、肠失禁等。而伴有胃肠道并发症的IS患者往往病情较重,预后较差[4,5]。研究表明,肠道和大脑之间存在着双向交流及相互作用,肠道菌群可以通过神经通路、神经递质内分泌通路、免疫途径及细胞代谢物和宿主代谢途径与大脑进行信息传递,称之为肠脑轴(gut-brain axis,GBA)[3]。IS发生后,大脑通过GBA传递信号给肠道,引发肠道炎症反应、肠道动力下降、肠粘膜屏障受损、肠道通透性增加、肠道细菌发生异位[6]。肠道菌群的多样性降低,拟杆菌门与厚壁菌门比例发生变化,乳酸杆菌属和双歧杆菌属等有益菌群丰度减少,肠杆菌属等机会性致病菌群丰度增加[7,8],进而加重脑损伤。同时GMD会影响人体免疫功能,调控调节性T细胞 (regulatory T cells,Treg)及白细胞介素-17(interleukin-17,IL-17)+γδ T 细胞数量,两者都参与缺血性脑损伤。IS诱导的GMD会使T淋巴细胞从肠道迁移至大脑,增加大脑γδ T 细胞及其下游IL-17的表达,减少Treg细胞及其下游IL-10的表达,导致全身及神经炎症反应,从而加剧神经功能恶化[4,6]。

2 治疗缺血性脑卒中的肠道菌群策略

GMD与IS发生发展密切相关,因此重塑正常肠道菌群微生态及维持GBA稳态可能有助于IS恢复。目前相关研究进展主要集中在益生菌及相关制剂、粪菌移植、中医中药等。

2.1 益生菌及相关制剂 益生菌是指人体摄入后对健康有益的活性微生物,益生元是指被人体肠道菌群选择性利用的有益健康的底物。合生元则是益生菌和益生元的组合,两者结合发挥协同作用。益生菌、益生元、合生元主要通过维持肠道菌群平衡和抑制有害菌群生长对人体健康发挥积极作用[9]。补充益生菌对高脂血症、肥胖、糖尿病在一定程度上有改善作用[9]。而这些疾病状态则是IS发生发展最主要的危险因素。Savigamin等人的系统评价显示益生菌及相关制剂一方面可以抑制肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)及IL-1的产生从而起到抗炎作用；另一方面它可以通过降低丙二醛水平及增加超氧化物歧化酶水平起到抗氧化应激的作用。此外,益生菌还可以影响半胱氨酸蛋白酶-3(cysteinyl aspartate specific proteinase-3,caspase-3)等因子的表达从而抑制神经元凋亡，通过抗炎、抗氧化及抗凋亡等多条途径减少IS神经功能障碍,改善IS结局[10]。Akhoundzadeh等人持续使用4种益生菌混合物 (短双歧杆菌、干酪乳酸菌、保加利亚乳杆菌和嗜酸乳杆菌)2 w发现,益生菌虽不能改善大脑中动脉梗死模型(middle cerebral artery occlusion model,MCAO)小鼠神经学结果,但可显著减少MCAO小鼠52%的梗死面积,同时降低这组MCAO小鼠的丙二醛及TNF-α水平,从而减少脑组织损伤[11]。

脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)是革兰式阴性菌的重要毒力因子,主要来源于肠道。IS患者血浆LPS水平增高,较高的LPS水平与较严重的神经功能缺损及较差的卒中结局相关[12]。补充益生菌有助于降低LPS水平,减轻神经炎症反应从而改善神经功能[13]。短链脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)主要包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐等,通过肠道菌群介导的膳食纤维发酵产生[14]。研究发现,产SCFAs细菌的减少及SCFAs失调会增加IS患者90 d卒中不良功能结果的风险[14]。Zeng等人的临床研究表明IS高风险人群的特征是机会性病原体富集、产生丁酸盐的细菌丰度降低以及粪便丁酸盐浓度降低[15]。Sadler等人发现,卒中会降低血液中的SCFAs浓度，补充SCFAs可以通过调节卒中后神经元突触可塑性，调节小胶质细胞活化和免疫细胞组成，从而促进瞬时闭塞MCAO小鼠卒中后的神经功能恢复[16]。膳食植物多糖可增加小鼠肠道内产丁酸盐细菌的丰度以降低全身炎症和改善动脉粥样硬化程度,对心脑血管起保护作用[17]。Lee等人发现,老年MCAO小鼠血浆、肠道及脑组织SCFAs水平低,而移植4种产SCFAs(长双歧杆菌、共生梭菌、普氏粪杆菌、发酵乳杆菌)混合菌株联合菊粉可提高SCFAs浓度,同时通过减少脑内IL-17+γδ T 细胞数量起到神经保护作用,减轻卒中后神经功能缺损[18]。

益生菌及相关制剂作为IS治疗的潜在肠道菌群修饰剂,有望辅助IS治疗。但相关研究存在明显的方法学异质性,需进一步规范标准化方法。尽管它们在很大程度上是安全的,但在某些特殊情况下,益生菌及相关制剂可能会导致感染、代谢紊乱、过敏反应、过度免疫效应等副反应[5],需进一步深入研究以确保安全性、可行性及疗效性。

2.2 粪菌移植 粪菌移植(fecal microbiota transplantation,FMT)是将健康供体粪便中的功能性细菌移植到受者的胃肠道中用以修复GMD。FMT改善IS预后的机制尚不清楚,大多数认为维持肠道稳态在其中发挥重要作用[3]。

IS会降低肠道中SCFAs的水平。与其他 SCFAs 相比,丁酸与IS负相关性最高。移植富含 SCFAs(尤其是丁酸)的粪便可增加乳酸杆菌等有益菌群丰度从而改善肠道菌群分布,改善长期功能预后和存活率[19]。同样Wang等人实验发现接受丁酸钠粪菌移植的卒中小鼠的脑梗死体积小于接受氯化钠粪菌移植小鼠的脑梗死体积,这种保护作用还与肠道屏障功能的改善、LPS和促炎细胞因子的外周血水平降低以及血脑屏障的改善有关[20]。

年龄是IS不可控危险因素之一,衰老会改变肠道菌群的组成,同时衰老的肠道菌群可能通过增强卒中后炎症反应带来负面影响[21]。将年轻小鼠的肠道菌群移植给老年MCAO小鼠可改善IS预后,反之将老年小鼠的肠道菌群移植给年轻MCAO小鼠会加重IS症状[21]。另有实验研究发现粪菌移植后老年小鼠粪便中的拟杆菌门增加而厚壁菌门显著减少。与对照组相比,粪菌移植小鼠在大脑中动脉闭塞后表现出神经功能缺损少和梗塞体积少的特点[22]。

Zhang等人研究发现,给MCAO小鼠粪菌移植后脑梗死体积缩小,组织中Treg细胞数量及IL-10水平显著增加,γδT细胞数量及IL-17水平明显减少,通过调节肠道菌群来抑制炎症反应,从而影响IS预后[8]。Feng等人发现小鼠粪菌移植后的神经保护作用可被外源重组IL-17的预处理逆转。肠道菌群移植可通过恢复菌群环境和抑制血清、肠道和脑组织中的IL-17来减轻老年小鼠的缺血再灌注脑损伤[22]。综上,选择产SCFAs菌株进行粪菌移植或直接补充SCFAs进行粪菌移植以及年轻健康受体的粪菌移植是目前治疗IS的粪菌移植首选有效方法。

粪菌移植发展前景远阔,但目前仍处于起步阶段,关于粪菌移植与IS的研究多停留在临床前期实验阶段。现有研究在FMT递送方式、细菌剂量、粪便过滤方法及给药频率等方面存在差异,且肠道菌群的组成本身存在很大的复杂性及不确定性,仍需要更多的研究检验。

2.3 中医中药 卒中病的中医治疗历史悠久,中医认为大脑与肠腑密切相关,腑气畅通则神清气明,病情逆转,达到上病下取、脑病治肠的目的。针刺可刺激穴位通过体表-内脏联系来矫正失常状态。Wang等人通过比较脑肠同调针与常规针刺治疗IS的临床疗效发现,脑肠同调针的疗效优于常规针刺,其机制可能与调节炎症反应和肠道菌群代谢产物水平有关[23]。中药汤剂经胃肠道消化吸收从而调节肠脑活动。Guo等人对痰热证IS患者在常规西医药物治疗的基础上加用痰热汤发现,中西医结合治疗组患者获得更好的临床疗效,中西医结合治疗组的肠道菌群生物多样性增加,促进了产SCFAs细菌的生长,同时抑制了产LPS细菌的生长[24]。通窍活血汤在一定程度上对MCAO大鼠肠道菌群紊乱和肠道屏障破坏起修复作用,通过抑制炎症反应改善IS结果[8]。基于脑病治肠理论,中医中药为IS提供新的治疗角度。因此，可采取中西医结合治疗以期减少IS的致死率及致残率,从而减少个人、家庭、社会负担。

2.4 其他 饮食是肠道菌群组成的主要决定因素。红肉、鸡蛋等食物中的胆碱可被肠道菌群代谢产生三甲胺(trimethylamine,TMA),TMA经肝肠循环被氧化成三甲胺氧化物(trimethylamine N-oxide,TMAO),TMAO以血小板活化剂依赖方式介导血小板高反应性并增加血栓形成的风险。IS发生后最初数小时内TMAO水平增高与卒中预后不良相关[5]。遵循地中海饮食或素食可降低TMAO的产生,从而降低机体对不良脑血管事件的易感性[1,5]。

生物活性物质包括多酚类、维生素、不饱和脂肪酸等等。研究发现,多酚类姜黄素可促进产SCFAs细菌的生长,促进SCFAs水平增高,降低LPS含量,抑制T细胞介导的炎症反应[25]。枸杞果实中分离出来的酚酰胺通过激活蛋白激酶Cε(protein kinase Cε,PKCε)/核因子红细胞2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)/血红素氧合酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)信号通路改善氧化损伤及神经元凋亡,从而对脑组织起保护作用[26]。维生素B12及叶酸缺乏与IS风险呈正相关。大约一半的肠道菌群依赖于维生素B12进行核苷酸及蛋氨酸代谢,补充维生素B12可增加肠道菌群多样性,厚壁菌门丰度增加,拟杆菌门丰度降低。同时维生素B12可促进肠道产SCFAs细菌的生长,通过改变免疫环境从而减轻IS神经炎症。目前临床研究关于B组维生素治疗IS的安全性及有效性结果不一,需要更大规模的队列及更加细致的分组进一步明确[27]。长期膳食补充植物源性omega-3脂肪酸可以帮助维持血脑屏障的完整性,通过减少内皮活化从而减少巨噬细胞和小胶质细胞的募集和活化,减少神经毒性基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)-3和MMP-9的表达,改善IS的预后[28]。

抗生素可能会通过杀死正常生理性细菌而对肠道菌群造成损害,为致病菌提供空间[29]。然而Kurita等人实验发现,给小鼠管饲不可吸收的多粘菌素B可以调节肠道菌群,降低血液及脑组织中LPS水平,减少神经炎症,从而改善IS结果。但考虑抗生素治疗的潜在不良反应及耐药菌出现的风险等,抗生素治疗可能不适合临床应用[30]。

3 总结与展望

本综述主要探讨了近年来关于肠道菌群与IS治疗相关的研究进展。肠道菌群被认为是治疗IS的新靶点,可以通过饮食干预及药物干预(益生菌制剂、粪菌移植、中医中药)来恢复有益肠道菌群,辅助治疗IS从而改善功能预后。目前相关研究仍处于起步阶段,仍需更大规模的临床试验研究,进一步规范标准操作,佐证其有效性及安全性。