中药通过调节脑-肠轴改善急性脑卒中后认知功能障碍的研究进展

韩得明,迪丽努尔·吐送托合提,黄志龙,刘 勇

脑卒中后认知功能障碍(PSCI)是指脑卒中后6个月内出现达到认知功能障碍诊断标准的一系列综合征,具有认知损害呈斑片状、病程波动性等特点。给病人的健康、心理、生活与工作均带来巨大的影响,其发病机制目前尚不明确,且无有效的治疗方案。近期研究表明,PSCI的发生、发展和转归与多肠道功能紊乱及菌群失调相关,并提出一种大脑与肠道间的双向反馈的信号通信轴,即脑-肠轴。其紧密连接着大脑和肠道,从中发挥着传递信号及调节靶器官的作用。中医学认为中药具有多环节、多靶点的作用特点,可通过肠道菌群、自主神经、免疫系统、下丘脑-垂体-肾上腺轴(HAP轴)及脑肠肽等通路作用于脑-肠轴,从而改善PSCI预后。本研究以中药调控脑-肠轴的作用为切入点(见图1),总结中药通过调控脑-肠轴治疗 PSCI的作用机制,以期为PSCI的临床治疗提供新思路。

图1 脑-肠轴通路间的关系

1 脑-肠轴对PSCI的影响

1.1 PSCI与肠道菌群 在脑-肠方面,PSCI可以引起肠道微生物群的紊乱和生态失调。徐晓松等[1]通过深度测序技术对10名健康者以及10例PSCI病人粪便样本进行菌群结构测序,发现试验组人群肠道的拟杆菌属、嗜胆菌、产丁酸菌较健康人显著增高,而柯林斯菌属、粪球菌属等较健康人显著降低。PSCI可诱发肠道菌群生态失调,包括通过自主神经活动和黏膜蛋白生成改变,导致胃小球菌科水平降低,增加嗜粘菌状芽孢杆菌种类和丰度[2-3]。这些研究说明PSCI可以使不同种类细菌的丰度发生改变。然而某些细菌变化在不同的研究中还是有所差异的,如在急性缺血性脑卒中病人产生短链脂肪酸(SCFA)的细菌或粪便SCFA水平降低[4],而另一项研究显示SCFA产生却是增加的[5]。这些差异可能是由于研究参与者的差异所致,如年龄和脑卒中的严重程度等。从肠-脑方面,研究表明肠道微生物群紊乱是构成PSCI的主要危险因素之一。Xia等[6]在小鼠模型中发现肠道微生物群指数较高的病人肠杆菌科和副杆菌丰度增加,梭状芽孢杆菌科和拉赫诺螺旋体的丰度降低,而肠杆菌科的富集和梭状芽孢杆菌科及拉氏螺旋体的降低可能与脑卒中后炎症反应和感染的升高有关,表明了病人肠道不同菌群的上调/下调对PSCI的预后有着不同的影响,也可能为PSCI的治疗提供新的干预靶点。

1.2 PSCI与自主神经 乙酰胆碱是副交感神经系统调节肠道的主要媒介,同时也是调节胃肠的主要神经递质。因此,当乙酰胆碱活性和代谢紊乱时,会显著影响肠道的运动和分泌的功能。在脑-肠方面,脑卒中后胆碱能信号的减少会刺激促炎免疫反应,这些炎性细胞会不断释放炎性因子、损伤蛋白、神经毒素等一系列病理蛋白,导致神经元死亡及细胞信号传导丧失,最终导致PSCI[7]。研究表明,胆碱能系统受损时乙酰化程度下降可导致脑内稳态失衡,刺激迷走神经释放乙酰胆碱可减轻脑卒中小鼠脑炎症反应从而改善认知功能,同时阻断交感神经兴奋性也可达到此效果[8-10]。这些研究表明阻断交感神经兴奋性和增强副交感神经活性均可减轻PSCI,为治疗PSCI提供了新靶点。从肠-脑方面,自主神经通路受损时,胃肠排空延迟,导致腹胀及便秘,但是当便秘持续存在时,由于肠内容物停留过久,一些肠源性内毒素被大量吸收进入血液循环中,加剧脑神经细胞损害,导致认知功能障碍进一步加强[11]。可见自主神经与PSCI的影响是相互的。

1.3 PSCI与免疫系统 免疫通路在PSCI中起着至关重要的作用,小胶质细胞和星形胶质细胞是人体非常重要的两种免疫细胞,可通过整合相邻神经胶质细胞以及免疫细胞的信息,调节突触形成和神经细胞的兴奋性,从而调节脑血流和营养代谢。在脑-肠方向,PSCI后胶质细胞会释放炎性因子通过血液循环到胃肠道,激活胃肠道细胞特定受体,激活后的受体使胃肠道发生了特异性免疫反应,进而造成肠道内环境紊乱和肠黏膜屏障破坏[12]。有研究发现脑损伤大鼠会通过激活小胶质细胞和星形胶质细胞使肠道内分泌肿瘤坏死因子(TNF)、白细胞介素(IL)-β和IL-6等促炎因子,这些具有神经毒性的促炎细胞因子破坏血脑屏障,使血脑屏障渗透性增加,淋巴细胞进入中枢诱发自身免疫反应,可进一步加重PSCI及脑卒中后并发症的发生[13]。在肠-脑方面,调节胃肠道免疫功能的稳态有助于保护脑损伤后的神经功能缺损,从而减少PSCI的发生率。胃肠道损伤后,肠道的平滑肌细胞和上皮细胞分泌IL-β、IL-6和TNF等炎性因子会反作用于免疫系统,上行至大脑诱发脑组织的炎症反应,进而造成神经细胞损伤,加重认知功能障碍[13]。

1.4 PSCI与HAP轴 在PSCI的发展中由HAP轴介导的神经内分泌系统同样也起着主要作用,HAP轴代表了神经系统和体液系统的一个中转站,对于机体成功地适应环境起着至关重要的作用。在脑-肠方向,Lauffer 等[14]发现脑损伤可以激活HAP途径,促进肾上腺分泌糖皮质激素,而长时间的应激反应又可以导致内分泌功能紊乱,肠道功能失调,且在使用尿游离皮质醇水平和同位素稀释方法后,得到脑卒中病人的皮质醇产生率增加。可见PSCI后大脑在对胃肠的正向调节过程中HAP轴起着重要作用。在肠-脑方面,最新的研究数据表明脑卒中预后不良的主要原因是脑卒中后HAP轴分泌紊乱,血浆皮质醇水平与应激程度成正比,且与脑卒中严重程度相关,皮质醇水平高的脑卒中病人预后不良,这可能是由于高皮质醇会加剧海马体缺血性神经元损伤,导致脑卒中病人认知功能障碍;同时在动物实验中还发现炎症性肠病小鼠体内皮质醇水平降低,可通过负反馈机制增强HAP轴的应激反应提高皮质醇浓度达到同样效果[15-16]。

1.5 PSCI与脑肠肽 脑肠肽是在脑调节胃肠活动中起着重要作用的一种神经肽,在肠脑轴中起着重要的调节作用, 包括神经肽Y(NPY)、胆囊收缩素(CCK)和胰高血糖素样肽-1(GLP-1)等。在脑-肠方面,急性脑卒中病人脑肠肽分泌增多,使得胃肠运动受到抑制,胃酸存储时间过长,加强了胃酸对肠壁的消化作用,从而减弱了肠黏膜防御能力,加速了十二指肠溃疡等胃肠疾病的形成[17]。CCK是一种常见的脑肠肽,存在于胃肠道黏膜细胞中。临床研究发现PSCI病人血浆中CCK浓度在急性发作期明显升高,而在恢复期明显下降,但仍高于正常人[11]。这说明在PSCI时大脑对胃肠的调节与脑肠肽CCK紧密相关。在肠-脑方面,孙明良等[18]经鼻饲给予脑卒中病人肠内营养可提高血浆脑肠肽GLP-1水平,而GLP-1是一种免疫调节剂,可通过调节免疫改善脑细胞炎症,进而限制受损组织的进一步扩大,降低认知功能障碍的发生。此外,NPY作为一种重要的脑肠肽在脑-肠轴的不同水平均有表达,研究表明NPY与PSCI有密切联系,在急性脑卒中后肠道中NPY水平分布越广泛降低PSCI风险程度的概率也就越大,其主要机制可能是通过预防由外周肠道免疫攻击所引起的急性脑卒中炎症反应,从而改善认知和行为障碍,减轻PSCI程度[19-20]。

2 中药调控脑-肠轴治疗PSCI的机制

2.1 通过上调/下调控肠道菌群治疗PSCI 研究表明,肠道菌群可以增加中药的生物活性,大多数中药都是大分子物质,很难直接进入血液中,须在肠道菌群的作用下分解成小分子物质后更容易被吸收[21]。大量研究发现,中药可通过上调/下调控肠道菌群治疗PSCI。有研究发现人参皂苷可明显减弱炎性细胞因子,如IL-1α、IL-1β、IL-6、粒细胞集落刺激因子(G-CSF)和巨噬细胞克隆刺激因子(GM-CSF),其主要作用机制是降低了炎性因子表达水平,进一步恢复了失调的菌群结构[22]。中药汤剂也可通过上调或下调肠道细菌结构形成肠道屏障,从而减轻脑卒中后肠道菌群失衡所引起的炎症。研究发现葛根芩连汤和补阳还五汤等能上调肠道中的有益菌群乳酸杆菌以及双歧杆菌数量,下调肠道内变形杆菌门的数量,从而降低肠道革兰阴性菌表达的脂多糖水平,减轻炎症反应,对于促进PSCI起着关键作用[23-24]。中成药复方还少丹也可平衡脑卒中病人肠道内微生物改善PSCI。在干预PSCI病人肠道菌群丰度变化的实验中,观察组经治疗后变形菌门、嗜血杆菌属丰度明显减少,拟杆菌门及梭状芽孢杆菌属丰度增加,表明复方还少丹在一定程度上可以改善PSCI病人肠道微生物的平衡[25]。以上研究表明中药通过调节肠道菌群治疗PSCI是多样的,既可以是单药,也可是汤剂和中成药。

2.2 通过激活自主神经治疗PSCI 自主神经主要由交感和副交感神经两大系统组成。而中药治疗脑卒中主要是通过作用于乙酰胆碱这一神经递质发挥作用。这就意味着凡是可能影响到乙酰胆碱合成、贮存以及释放的相关因素,均可以影响到学习、记忆和认识等功能,而脑卒中后乙酰胆碱的合成不足可进一步加剧脑代谢功能障碍,加重PSCI。研究表明石菖蒲、淫羊藿苷和刺五加皂苷等通过提高中枢胆碱能神经通路中乙酰胆碱水平,抑制乙酰胆碱酯酶的活性,加强海马胆碱能的神经系统作用,维持胆碱能神经元的可塑性,从而改善脑卒中后学习和记忆功能,进而改善小鼠PSCI[26-28]。可见不论中药是通过自主神经直接增加乙酰胆碱还是抑制乙酰胆碱酯酶间接增加乙酰胆碱均可作为治疗PSCI的靶点。

2.3 通过抑制免疫治疗PSCI 中药通过免疫系统改善脑卒中后脑损伤主要是通过抑制小胶质细胞从而产生强大的抗炎作用,改善PSCI。在急性脑损伤时三七总皂苷和红景天苷均可增强小胶质细胞的吞噬作用并能抑制一氧化氮合酶及各种促炎因子、单核细胞等表达脂多糖来抑制小胶质细胞活化,从而显示出其抗炎、神经保护的作用,进一步减弱了神经元细胞的凋亡,这为PSCI的治疗提供了基础[29-30]。此外,中药的联合用药也可通过抑制胶质细胞分泌的炎性因子达到治疗目的。急性脑卒中后活化的小胶质细胞会大量分泌IL-1β、IL-6 和TNF等促炎因子[31],Gu等[32]将川芎与赤芍联合用于急性脑卒中大鼠,发现大鼠脑组织中的炎性因子水平降低,还观察到大鼠抗细胞凋亡活性能力显著增加。可见中药可通过抑制胶质细胞从而产生强大的抗炎作用,延缓PSCI进展。

2.4 通过抑制HAP轴治疗PSCI PSCI后以HAP轴为中心应激变化是脑卒中病理变化的重要环节,正是这种应激反应给人体内环境带来一系列血流动力学变化,从而导致大脑氧耗增加,分解代谢加快,这进一步加剧了脑缺血的状态,严重影响了PSCI预后。研究表明诸多中药可以抑制这种应激反应,改善PSCI。黄芪多糖可以降低IL-1β、IL-17及TNF的基因表达水平,抑制HAP轴,从而降低体内糖皮质激素水平,进一步调控免疫反应,调节炎症相关基因的表达,改善缺血性脑卒中小鼠的神经功能和空间记忆潜力[33-34]。白藜芦醇可能在调节大脑HAP轴的功能及生物合成神经类固醇方面发挥着重要作用,其抗PSCI样作用可能是通过降低皮质醇激素来实现的[35],但这一机制需要进一步实验来阐明其确切分子机制,从而更好地了解其神经病理学变化。中药汤剂柴胡加龙骨牡蛎汤可通过调节体内促肾上腺皮质激素,进而降低血浆内皮质酮的浓度,增加海马区皮质醇激素受体数量,从而调节脑内氨基酸神经递质的平衡,达到改善PSCI的作用[36]。

2.5 通过平衡脑肠肽治疗PSCI 脑肠肽是胃肠和神经系统双重分布小分子多肽类物质的统称,CCK是人体内含量最丰富的脑钠肽,参与调控了胃肠的感觉、运动及分泌的功能,是目前研究中药防治PSCI作用机制的热点。疏肝健脾活血方能够调节大鼠体内脑肠肽的表达,使大鼠分泌CCK抑制脑缺血细胞模型神经元的凋亡,从而减轻神经细胞损伤的程度,发挥神经保护作用,改善PSCI[37-38]。有实验表明,通过向大鼠大脑中动脉闭塞模型胃内注射β-细辛隆和丹皮酚治疗脑卒中,可引起胃肠内CCK浓度上调,CCK通过阻断核因子-κB(NF-κB)的激活和IL-1β的产生来抑制炎性因子的产生,从而很大程度减轻模型组脑组织的损伤[39]。可见不管是疏肝健脾活血方还是β-细辛隆和丹皮酚均是通过使胃肠内CCK浓度上调抑制炎症,从而减轻脑损伤。也有研究表明,中药还可增加NPY的释放抑制HAP轴,如滋阴泻火汤通过减少去甲肾上腺素(NE)的释放,增加NPY的合成和释放,从而抑制下丘脑促性腺激素释放激素(GnRH)神经元的活性[40]。NE释放的减少能降低脑卒中后病人脑内应激反应,并使颅内压及脑血流降低,这为进一步改善PSCI提供了依据。遗憾的是迄为止该研究只停留在动物实验上,希望未来对于这方面的临床研究能够更进一步。

脑-肠轴可通过肠道菌群、自主神经、免疫系统、HAP轴及脑肠肽5个通路影响PSCI,这为中药治疗PSCI提供了新的靶点及思路,其治疗机制可能是通过上调肠道有益菌及下调肠道机会致病菌群、激活自主神经系统促进乙酰胆碱等诸多有利于PSCI预后的神经递质释放、抑制免疫系统减少小胶质细胞的释放、减少HAP轴的高应激、平衡神经肽等实现的。详见表1。

表1 抗PSCI的中药及其作用通路

3 小结与展望

PSCI的中药治疗为临床提供了一种副作用小、价格便宜、安全性高的可选治疗方案。中药治疗PSCI的研究多通过药理学、分子生物学及蛋白组学等技术分析,虽取得了一定的进展,但是无法实现在活体动物内进行研究,不能对神经细胞进行实时动态的调控,不能精确、直观地揭示中医药信号在中枢的传递过程。希望将来能够通过光遗传和化学遗传学技术,观察中药干预在活体动物内对细胞信号的调控,明确中药的多环节、多靶点、低阈下刺激的作用机制,从而推动中医药脑科学研究的进一步发展。

: