多模态MRI在探究益生菌制剂改善2型糖尿病患者认知障碍机制中的研究进展

汪旭洋，许珊，杨东，林琳，沈晶，伍建林

0 前言

临床上，T2DM 是最常见的糖尿病类型并呈逐年增多趋势[1]，随着病史和疾病程度增加多可引起中枢神经系统并发症，其中以认知功能加速下降较为常见[2-3]。近年研究发现肠-脑轴（gut-brain-axis,GBA）在T2DM肠道菌群紊乱与中枢神经系统并发症机制方面扮演重要角色[4]；由于益生菌制剂可调节肠道微环境故认为在改善T2DM认知功能障碍方面颇具潜力，但详尽的作用机制尚不十分明确。近年来多模态MRI 技术为该领域的脑科学研究提供了重要平台并显示出较明显的优势，本文对多模态MRI在探究益生菌制剂改善T2DM患者认知障碍机制的研究进行综述，以期为临床诊治及进一步研究提供新思路，并为规范益生菌的使用提供更多可能性。

1 T2DM伴认知功能障碍神经病理机制

T2DM 引起认知功能障碍的核心机制在于胰岛素抵抗（insulin resistance, IR）及全身炎症反应。胰岛素具有刺激神经生长、促进神经递质摄取、保证脑组织供能等重要作用，IR 可引起包括大脑在内的各个组织对胰岛素敏感度的降低，从多方面影响神经元的正常工作。IR 与线粒体应激通路异常、内皮细胞损伤、脑内递质及胰高血糖素样肽-1 等小分子物质异常变化之间关系密切，几乎贯穿T2DM 引起认知功能障碍的所有途径[2]。胰岛素缺乏与IR 导致患者长期高血糖可引起脑内包括晚期糖基化物质等代谢物异常蓄积，从而刺激胶质细胞产生基质金属蛋白酶，并破坏血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）的完整性，致使神经系统更多暴露于有害物质中[5]，同时IR 还会降低胰岛素糖异生能力，保留脂肪生成能力，进一步加重患者的脑小血管疾病[6]，有研究认为T2DM引起的胰岛素信号转导障碍及代谢紊乱可导致轴突可塑性损伤及神经元缺失，从而加重脑萎缩的进程[7]。

全身炎症反应也是引起T2DM神经病变的重要途径，可能由异常代谢、血流动力学紊乱以及脂肪异位等因素导致。其可通过巨噬细胞及单核细胞的活化引起氧化应激并加速动脉粥样硬化的进程，大脑中增加的炎症因子更会引起脑细胞的死亡并导致轴突损伤[8]。有研究表明脂肪炎症反应与IR 之间存在相互促进的关系，前者可以增加局部促炎巨噬细胞的水平，后者产生的细胞因子也可通过多种通路降低机体的胰岛素敏感性[9-10]。

2 益生菌制剂改善大脑认知的可能机制

肠-脑轴是肠道与大脑之间的双向通路，肠道菌群的改变往往可通过神经、内分泌等途径影响大脑。研究表明，T2DM 患者拟杆菌及乳杆菌丰度减低，而一些大肠杆菌及孢子菌则会增加，其产生的芳香族氨基酸会进一步加重胰岛素抵抗[11]。同时，也有多种细菌被证明可通过其代谢产生短链脂肪酸维持肠道屏障完整性以及葡萄糖代谢的稳定[12]。星形胶质细胞是T2DM 认知障碍与代谢异常的重要参与者，有研究表明部分肠道菌群及其代谢产生的各种短链脂肪酸可促进星形胶质细胞的激活[13]。某些可以改善肠道菌群的干预措施及肠道微生物代谢产物的补充均可通过神经保护作用缓解认知障碍[14]；相对于间歇性禁食以及粪便移植，益生菌制剂的干预更具有普适性，不同益生菌制剂干预可产生包括促进短链脂肪酸的生成、增强胰岛素敏感度、下调炎症因子表达、减少脂多糖产生等多种不同效应[15]。乳杆菌分泌的乳酸可以调节肠道微环境，而拟杆菌可以通过改善碳水化合物代谢改善胰岛素抵抗[16]。有研究表明丙酸盐、丁酸盐等物质在转录修饰后具有抑制组蛋白乙酰化的作用，从而调整代谢、改善免疫系统[17]。此外，乳酸菌与酵母菌的混合益生菌制剂干预可增加T2DM大鼠肠道内胰高血糖素样肽-1的分泌并降低T2DM对不同器官的损伤[18]。有研究通过8 周的短双歧杆菌干预改善了肥胖及胰岛素抵抗患者的糖耐量及胰岛素敏感性[19]。ZIEGLER 等[20]通过90 天的克劳氏芽孢杆菌干预降低T2DM患者的空腹血糖水平并增加了患者血浆的高密度脂蛋白，一些研究指出阿克曼黏液菌不仅有助于改善胰岛素抵抗，还可以减少胰岛细胞的损伤[21-22]。

3 益生菌制剂改善T2DM 认知障碍多模态MRI 研究进展

多模态MRI 包括结构MRI、增强MRI、功能MRI 等多种不同技术，其成像原理及观察重点各不相同，T2DM 导致认知障碍的不同病理机制在多模态MRI 上具有不同的表现，因此在益生菌制剂干预期间分析脑多模态MRI参数的变化，可在一定程度上了解和监测益生菌制剂干预对T2DM 患者脑容积、纤维束完整性及神经元功能可能的影响，结合相关临床指标有助于探究益生菌及其代谢产物影响认知功能的具体机制。

3.1 结构MRI与扩散MRI

结构神经影像学主要包括结构MRI（structual MRI, sMRI）和扩散MRI（diffusion MRI, dMRI），其中sMRI 是最基础和最常用的MRI 技术之一。有研究指出T2DM导致的灰质体积萎缩速度比正常衰老高出约26%[3]。双歧杆菌制剂的干预可以减少肠道中梭菌含量，通过sMRI 发现双歧杆菌干预抑制了老年人认知功能障碍患者脑萎缩进展，经12 周益生菌干预提高了血清中脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor, BNDF）的水平[23]，而后者可促进突触形成、提高神经可塑性；有研究表明在4 周双歧杆菌和乳杆菌混合制剂干预治疗后患者血清BNDF水平增高，同时益生菌干预后左脑缘上回及顶上小叶灰质体积出现一定程度缩小，这可能与脑功能效率提升有关[24]。由于益生菌制剂干预对脑容积的影响细微且复杂，传统基于体素的形态测量（voxel based morphometry, VBM）往往不够敏感且易受到空间配准的影响，而基于形变的形态测量（deformation-based morphometry, DBM）通过脑局部形变定量研究脑组织形态学变化较少受到空间配准的干扰，已被用于帕金森等疾病的临床研究[25]，目前DBM 尚未被应用于肠-脑轴领域的研究，DBM 与VBM联合使用可以更精确地发现脑结构的细微差异，在今后探究益生菌干预下脑结构的具体变化上具有潜在价值。

扩散MRI 技术可以通过白质纤维束对水分子布朗运动的制约作用来评估脑白质完整性及实现神经纤维束的立体重建。T2DM 患者显然也存在脑白质完整性受损的情况。GAO 等[26]发现T2DM 患者右额枕下束和右下纵束白质（white matter, WM）完整性受损与情景记忆和注意功能障碍呈显著相关，此外，认知功能障碍相关的WM 微结构损伤与受影响的WM 束相连的皮层退化有关，从而表明相对单纯T2DM患者，并发现认知功能障碍者WM束存在广泛变性。还有研究通过dMRI 和基于区域的空间统计分析来评估2 218名T2DM患者白质完整性发现，其脑白质微结构的异常可出现于T2DM 早期且与较高的血糖水平有关[27]。COMAI 等[28]通 过 扩 散 张 量 成 像（diffusion tensor imaging, DTI）发现脑白质完整性受损与血浆中色氨酸水平之间存在关联，益生菌是肠道色氨酸的重要来源，扩散MRI可以通过水分子的扩散运动定量分析脑白质的完整性，在今后探究益生菌干预是否可以影响白质微结构方面可能具有一定应用前景，而DTI还可以分析血管周围间隙水分子的运动情况，从而判断类淋巴系统的功能状况，YANG 等[29]运用DTI 技术指出T2DM 可以引起患者类淋巴系统功能的下降，而益生菌干预下T2DM 类淋巴系统的变化情况尚未见报道，今后可以作为益生菌干预T2DM 认知功能研究领域的全新方向。但是传统DTI 模型无法解决纤维交叉等问题，在临床实际研究中仍存在一定局限性，而神经突离散度和密度成像技术不仅可以解决纤维交叉问题，还可以具体分析细胞内外及脑脊液中水分子的状况，为具体分析白质微结构变化提供更多的定量数据。

3.2 动态对比增强MRI

T2DM患者多存在BBB完整性损害，利用钆对比剂行动态对比增强MRI（dynamic contrast enhancement,DCE-MRI）可无创性评估BBB 完整性[30]，当BBB 被破坏时，小分子对比剂可从血管渗漏入血管外、细胞外间隙中；在DCE-MRI 的Patlak 药代动力模型中Ktrans值是重要参数，其可反映渗漏过程对比剂的转运系数并定量分析血脑屏障渗透性[31]，李曼等[32]通过DCE-MRI 技术测量T2DM 患者皮质灰质、深部灰质、正常脑白质和脑白质高信号区域Ktrans值发现和证实，T2DM 患者BBB 通透性明显增高。在植物乳杆菌改善发育性协调障碍的研究中发现，8 周的植物乳杆菌干预治疗后大鼠外周血和脑组织中氧化标志物同时发生不同程度的下降[33]，但其下降的具体原因是单纯的机体氧化状况的好转，还是与BBB的修复致使氧化标志物难以进入大脑有关，有待于今后结合DCE-MRI技术深度探究其机制。

3.3 静息态功能MRI

静息态功能MRI（resting-state functional MRI, rs-fMRI）是通过血氧及流量的变化间接反映神经活动的状况，T2DM 患者在默认模式网络存在功能连接异常，并且静息态功能连接与病程呈负相关，MENG 等[34]和HAAS 等[35]将胰岛素抑制试验期间患者的理化指标与静息态神经成像数据相结合，证实了胰岛素抵抗增加与海马功能连接性降低密切相关。神经元活动可显著增加局部耗氧量，并在一定程度上增加局部的血流量，rs-fMRI 即是通过组织新陈代谢引起氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白比例改变而间接反映神经元活动。先前关于长双歧杆菌、乳杆菌改善患者焦虑、昼夜节律以及睡眠状况研究中，通过rs-fMRI 探索不同脑区之间连接情况并取得进展，发现益生菌干预增加了大脑边缘区域的功能连接[36]，表明其在反映和探究益生菌制剂改善IR方面具有可能性和潜在临床应用价值。有研究指出肠道菌群与中风等器质性脑血管疾病之间存在相互影响，益生菌可以发挥神经保护作用，而脑损伤产生的炎性因子又可以反过来影响肠道微生物的结构[37]，rs-fMRI 可用于研究益生菌制剂干预下器质性神经损伤患者脑血氧代谢水平的变化[38]，结合实验室检查在深度揭示肠-脑轴生理病理机制方面具有一定价值。

3.4 动脉自旋标记成像

T2DM患者内皮细胞损伤可引起脑灌注、BBB透过性及白质完整性等异常改变。动脉自旋标记（arterial spin labeled, ASL）成像将患者自身水分子作为示踪剂来测量脑灌注，并常与fMRI 联合作为血氧水平依赖技术的替代方法。T2DM 患者部分脑区灌注不足是引起认知功能障碍的重要因素，而区域性灌注不足多出现于高胰岛素抵抗的患者中[39-40]。MA 等[41]通过生酮饮食改善了小鼠肠道菌群的多样性及其构成，并进一步增加了全脑尤其是下丘脑的脑血流量（cerebral blood flow, CBF）。ASL 技术使用内源性动脉血作为示踪剂来量化器官灌注的规律，可在一定程度上反映T2DM 血管内皮功能的情况。YAMANBAEVA 等[42]通过ASL 研究益生菌干预下的抑郁症患者脑灌注情况发现，益生菌干预组海马CBF低于安慰组而杏仁核CBF高于基线，表明益生菌对脑灌注的影响以及ASL在相关研究中的应用价值。

3.5 磁共振波谱成像

磁共振波谱成像（magnetic resonance spectroscopic, MRS）较早应用于探究T2DM 认知功能的相关研究中，是目前唯一无创性观察活体组织代谢及生化变化的技术，其中N-乙酰基天门冬氨酸（N-acetyl-aspartate, NAA）峰可反映神经元的线粒体功能状况，而肌醇作为神经胶质标志物，其升高常与神经炎症以及淀粉蛋白沉积相关[43]。LEE等[44]在分析了肥胖T2DM患者MRS后发现，前额叶NAA降低与IR相关，并认为IR 是影响DM 神经元功能的关键因素。HE 等通过收集精神病高风险受试者粪便及脑MRS 数据并分析肠道菌群变化与脑代谢改变间的关系发现，肠道微生物代谢产物可通过激活胶质细胞引起大脑膜功能的障碍，表现为前扣带皮层胆碱峰的升高[45]。在未来相关研究中，可在益生菌干预前后使用MRS 技术来检测不同脑区的代谢改变情况，以进一步推测脑的胰岛素抵抗与膜功能的改变。

3.6 双模态MRI

双模态MRI是通过分析结构、功能、代谢等不同模态之间的相关性，更好解读不同病理情况下脑损伤的可能机制，并有助于评估疾病严重程度及预后。类淋巴系统是大脑排除废物的重要途径，当发生炎性改变或胶质细胞增生反应时血管周围间隙脑脊液与组织液的交换常受到影响[46]，而将T1及T2序列耦合通过卡阈值的方法可以分析脑血管周围间隙的容积[47-48]，为分析益生菌干预下T2DM 淋巴系统损伤是否得到改善提供了研究手段。脑白质纤维束是大脑信息传递的直接通路，T2DM患者引起的结构连接改变可能导致脑功能网络受损并进一步影响认知功能，在MA等[49]通过结构与功能模态结合分析发现皮下血管性轻度认知功能障碍患者结构功能耦合（structure-function, SC-FC）在功能网络的腹侧注意模块显著下降而在背侧注意模块显著增加。由于T2DM 血糖异常及相关并发症可影响神经元激发增加局部血流量过程，故CANNA 等通过fMRI与CBF 相关系数来评估T2DM 对神经血管耦合（functional-metabolic neurovascular coupling,VVC）的影响，并发现默认模式网络及腹侧模块NVC 的异常增高可能导致视觉认知空间认知能力的降低[50]。此外，近年来研究将MRS 或PET 提供的代谢信息与fMRI 或sMRI 相结合，用于探究神经递质及糖代谢与脑功能、容积之间的关系并取得进展[51-52]。综上所述，双模态耦合或可以有效弥补单一模态信息有限引起的局限性，为益生菌制剂干预下T2DM 脑白质完整性、灰质体积、灌注及功能连接改变提供更加全面的评估。

4 总结与展望

近年来，益生菌制剂作为T2DM 潜在的治疗手段从最开始改善胃肠道功能、体重体脂，到辅助治疗糖尿病肾病，再到改善认知功能已受到越来越多的关注。多模态MRI 技术作为一种无创性和较成熟的先进影像学方法技术，可观察和反映益生菌制剂干预后不同时期脑部有关结构与功能指标的变化，并与病理生理指标相结合探究其可能的作用机制，但是目前的研究仍存在一定局限性：首先，一些MRI 序列扫描时间过长，对于临床数据的收集存在一定限制；其次，肠道菌群的种类过于庞大，为具体机制的探究带来巨大挑战。但是相信随着影像及高通量测序技术的发展，益生菌制剂的研制与临床应用会更多地参考脑影像指标，针对T2DM患者胰岛素抵抗、肠道内毒素增高等特点选用拟杆菌、乳酸菌制剂进行干预，实现T2DM更加精准、可靠的个体化益生菌治疗。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。

作者贡献声明：伍建林设计本综述的框架，对稿件重要内容进行了修改，获得了国家自然科学基金和大连市科技创新基金的资助；汪旭洋起草和撰写稿件，获取、分析本研究的文献；许珊、杨东、林琳、沈晶获取、分析或解释本研究的数据，对稿件重要内容进行了修改；全体作者都同意发表最后的修改稿，同意对本研究的所有方面负责，确保本研究的准确性和诚信。