肠道微生物群对多囊卵巢综合征临床表型调控作用的研究进展

任 洁,侯亚彬,刘 睿,秦 洁*

0 引言

多囊卵巢综合征(Polycystic ovary syndrome,PCOS)是一种常见的生殖内分泌系统紊乱疾病,其主要临床特征包括卵巢多囊样改变、月经稀发、高雄激素血症和能量代谢紊乱等。目前,PCOS的发病机制尚不明确,其中肠道微生物群的调控作用逐渐成为研究的热点。肠道微生物群是指人体消化系统中各种菌群的集合,其组成及多种代谢途径与宿主健康状态密切相关。研究显示,肠道微生物群在PCOS的发病和临床表型调控中发挥着重要作用。肠道微生物群的异常与PCOS患者的肥胖、能量代谢紊乱、慢性炎症等多种病理生理特征密切相关。此外,调节肠道微生物群对于改善PCOS的性腺功能障碍及卵巢组织病理变化异常具有重要作用,可能成为PCOS未来治疗方案中的选择。本文就肠道微生物群对PCOS临床表型调控作用的研究进展进行综述,以期为进一步的研究提供思路。

1 PCOS中肠道微生物群变化

肠道微生物由1 013～1 014种微生物、1 000多种物种和7 000多种菌株构成[1],其对于人体的代谢和免疫功能发挥着重要作用,这种微生态环境失衡后,将增加多种疾病的易感性。PCOS作为一种常见的生殖内分泌系统疾病,其主要表现为排卵障碍、高雄激素、卵巢多囊样改变,除生育功能障碍外,PCOS还可能出现多种能量代谢紊乱,如高胰岛素血症和胰岛素抵抗(IR)、肥胖、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝,甚至增加心脑血管疾病风险[2]。研究表明,PCOS患者的血液及唾液微生物组具有较低的α多样性(均匀度和多样性)、不同的β多样性和显著的分类变异[3-5]。门水平上的几个分类群与PCOS的临床特征有关,并与代谢生物标志物显著相关,包括稳态模型胰岛素抵抗指数(HOMA-IR)、腹围、游离脂肪酸和其他指标[6]。其中最主要的菌群变化表现为拟杆菌门和厚壁菌门,拟杆菌门在非胰岛素抵抗型多囊卵巢综合征(NIR-PCOS)组中表达丰度较高,在胰岛素抵抗型多囊卵巢综合征(IR-PCOS)组中达到最高水平。此外,游离睾酮与拟杆菌门和厚壁菌门/拟杆菌门比率(F/B比率)有关,提示血清睾酮水平可能与肠道微生物组之间存在相互作用[3]。而乳酸杆菌和双歧杆菌等多种有益菌具有一定的增强免疫力和营养吸收的作用,其在PCOS患者中显著减少,尤其是在IR-PCOS组中。此外,与NIR-PCOS组相比,IR-PCOS患者的瘤胃球菌科和钩藤科数量也存在显著差异[7]。

此外,PCOS患者常合并脂代谢异常,高脂饮食可破坏机体的肠道菌群微生态,可表现为厚壁菌门/拟杆菌门的比例增加,微生物丰富度降低。研究显示,与正常大鼠相比,PCOS模型大鼠的β多样性在肠道菌群中表现出显著差异[8]。

2 肠道微生物群对PCOS调控的生物学机制

2.1 肠屏障内毒素血症炎症机制 早期的肠道微生物群失调(DOGMA)假说表明,肠道微生物群失衡后,肠道通透性的增加可能导致脂多糖(LPS)释放入血,在肥胖型PCOS患者中,炎症和免疫反应被激活,通过TLR-4通路、脂肪-胰岛素信号通路、胆汁酸受体和葡萄糖转运等途径来诱导肥胖[9-11]。Zhang等[12-13]研究显示,PCOS患者中Prausnitzii粪杆菌、双歧杆菌和Blautia的表达丰度下降,导致短链游离脂肪酸(Short-chain fatty acids,SCFAs)产生减少,肠道屏障功能受损,内毒素在肠壁的移位增加,炎症反应增强。在一项关于华北地区PCOS患者肠道菌群的研究中,首次阐明了PCOS患者肠道菌群变化与炎症介质如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、脂多糖蛋白(LBP)和白细胞介素-6(IL-6)水平的相关性,结果表明,在肥胖型PCOS患者的肠道菌群中,以韦氏菌科、乳杆菌科和葡萄球菌科等13个菌群为主[14]。同时,“漏肠”的存在会导致血清TNF-α和IL-6水平增加,引起慢性卵巢炎症和IR,促进PCOS的发生和发展[15]。目前已有研究证实,多种志贺氏菌株可通过分泌毒力因子及诱导炎症发挥对PCOS的肠毒性作用。KerstersiiComamonas是可能在PCOS患者中富集的另一种病原体,与腹膜炎和尿路感染的炎症有关[3]。Lim等[16]观察到多种炎症标志物,如连蛋白(Zonulin)、钙卫蛋白、超敏-C反应蛋白(hs-CRP)及脂联素等与肠屏障损伤和炎症相关,可能通过启动炎症反应在PCOS的发病过程中发挥作用。此外,转化生长因子-β家族(如AMH)的卵泡内失调也受到LPS浓度的影响。在PCOS患者中富集的脆弱拟杆菌和福氏志贺菌在粘蛋白产生方面具有一定的抑制作用,一旦粘蛋白的产生受损,黏液层对病原体的保护就会丧失,从而加剧肠道屏障的破坏[17]。因此,肠道菌群失衡所致的炎症反应激活是PCOS的发生发展中的关键环节之一。

动物实验显示,肥胖小鼠卵巢中卵母细胞特异性标志物转录物和促炎信号的水平显著高于正常小鼠卵巢,炎症会降低卵母细胞质量,破坏减数分裂和细胞质成熟[18],从而对女性的生育功能产生不利影响,包括性激素分泌、卵母细胞分化和成熟、子宫内膜植入和其他生殖功能[19]。因此,阴道微生物群在PCOS发病机制中的调控作用成为关注的热点方向。

Huang等[20]研究表明,肠道微生物群失调可诱导PCOS小鼠血清和卵巢中巨噬细胞焦下垂,而γ-干扰素(IFN-γ)可增强这一病理生理过程,导致通过雌激素合成障碍和颗粒细胞凋亡,这可能与PCOS的生育功能障碍密切相关。因此,对于该生物学过程的干预有望成为PCOS的一种潜在治疗靶点。

2.2 肠道菌群与代谢途径的相互作用 肠道菌群的代谢功能包括合成维生素、SCFAs和共轭亚油酸、氨基酸以及胆汁酸(BA)的生物转化、食物的发酵和降解、氨合成和解毒等[21]。SCFAs包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐,在抗炎、抗肿瘤和免疫调节等方面发挥重要作用。此外,SCFAs还可导致保护性肽、细胞因子、趋化因子和吞噬细胞的产生和释放[22]。SCFAs可通过直接激活G蛋白偶联受体41(GPR41)和GPR43,作用于胰腺B细胞,以促进胰岛素分泌[23]。PCOS患者体内肠道微生物群相关的代谢途径包括胰岛素信号传导、葡萄糖代谢、脂质代谢和激素分泌,可能还有其他与PCOS密切相关的代谢途径,如肉碱代谢、支链氨基酸代谢等[24]。

胆汁酸代谢是影响PCOS患者肠道微生物群的主要代谢途径之一。BA有助于脂肪吸收外,对糖代谢和胰岛素信号通路的关键分子也具有一定的调节作用。肠道菌群调控的胆汁酸代谢通过多种效应维持肠道屏障,包括抗菌作用、直接膜毒性、抑制微生物代谢、促进黏液产生、维持上皮完整性、紧密连接调控、减少内质网压力、抑制促炎细胞因子及免疫调节等。甘氨去氧胆酸(GDCA)诱导肠道合成的支链氨基酸(BCAAs)可能是一种有害微生物调节分子。PCOS合并IR患者卵泡液中的亮氨酸和缬氨酸水平显著升高。在不良妊娠结局中,BCAAs也可能通过胰岛素受体底物1等多种信号传导途径调节糖代谢或诱导炎症,导致PCOS患者流产。相反,双歧杆菌对改善PCOS患者的生育功能则具有积极作用[25]。因此,PCOS条件下代谢综合征相关的卵巢功能障碍与其肥胖依赖性肠道微生物群失调密切相关。

PCOS患者体内高表达的乳酸杆菌可以促进粪杆菌的生长,使丁酸产生增加,从而促进胰岛素分泌,而过量胰岛素可以诱导肾上腺分泌雄激素并调节促黄体生成素(LH)水平,导致雄激素水平升高[26]。Lüll等[27]研究显示,在整个女性队列中,肠道微生物群多样性测量与PCOS相关的激素和代谢参数[如BMI、性激素结合球蛋白(SHBG)水平、胰岛素敏感性以及Matsuda测量的IR和性格指数]之间存在显著关联,其中,瘤胃球菌科UCG-002与较高的SHBG水平及性格指数呈正相关。普雷沃氏菌和乳酸杆菌在人体内可能发挥“益生菌”的作用。有研究显示,乳酸杆菌的丰度与PCOS患者雌二醇水平呈正相关,而普雷沃氏菌的丰度与雄激素水平呈正相关,尤其是睾酮和雄烯二酮[25]。然而,PCOS患者经短期口服避孕药结合生活方式治疗后,雄激素及体重水平明显下降,但瘤胃球菌科的丰度没有显著变化[28]。结果表明,性激素和肠道微生物群之间可能存在潜在的相互作用,PCOS体内过量的雄激素可能导致宿主肠道微生物群的失调,从而影响女性生殖内分泌系统功能,而肠道微生态的改变亦会调节性激素水平。

Zhou等[29]研究显示,花生四烯酸、牛磺胆酸、8,11,14二十碳三烯酸、二十二碳六烯酸、DHEA硫酸盐、茶甾酮和肾上腺素这7种粪便代谢产物是肥胖型PCOS患者的特征代谢产物。该研究通过非靶向代谢组学和16S rRNA基因测序,揭示了肥胖PCOS患者粪便代谢产物和肠道微生物群的特征性变化,证实了PCOS患者的4种特征性肠道微生物种,包括Lachnoclostridium、Fusobacterium、Coprococcs-2和Tyzzerela,同时,肥胖型PCOS患者的血清睾酮水平与粪便DHEA硫酸盐的丰度之间存在显著的正相关,而血清DHEAS水平与粪便茶甾酮的丰度之间存在显著的负相关。

一项针对PCOS患者血清代谢产物与肠道微生物群的相关性分析表明,罗氏菌属与LPC浓度呈负相关,而PCOS的特征属0319_6G20与LPC的浓度呈正相关[30]。近期研究显示,应激相关FK506结合蛋白5(FKBP5)DNA甲基化与PCOS患者肠道细菌种类数及血清空腹胰岛素水平和HOMA-IR相关,为了解肥胖型PCOS的病理生理过程提供了新的视角[31]。Torres等[32]在PCOS小鼠模型中的研究显示,暴露于健康的肠道微生物组可以避免产生PCOS相关代谢表型,如超重或肥胖、糖代谢异常以及胰岛素抵抗等,但还需进一步的研究确定正常菌群对代谢因子发挥保护作用时,需要干预的时间。总之,肠道微生物群与女性生殖内分泌系统的健康密切相关,未来这些研究的推动可能成为个体化治疗生殖内分泌功能障碍患者的重点。

2.3 肠脑轴的调控 PCOS的肠道微生物失调与神经内分泌变化有关,揭示了PCOS中潜在的肠脑轴[33]。肠脑轴在调节食欲、能量代谢、心理健康及控制体重等方面发挥重要作用[34],可涉及多种胃肠激素水平的调控,包括生长激素释放肽(Ghrelin)、胰高血糖素样肽-1(GLP-1)、胃饥饿素、胆囊收缩素(CCK)和肽酪氨酸(PYY)等。研究显示,肠道微生物组可调节肠道外源性交感神经元转录因子cFos的表达,通过肠脑回路对肠道外源性交感神经进行调控,其他肠道微生物组则可通过GLP-1和PYY调节交感神经活性和胃肠动力[35]。在临床中广泛使用的药物如铁皮石斛多糖(DOP)和植物乳杆菌CCFM1019干预PCOS大鼠后,丁酸盐和PYY水平明显升高,可抑制卵巢颗粒细胞的凋亡,改善PCOS大鼠卵巢形态和代谢紊乱,使其恢复正常的发情周期,该过程可能与丁酸盐依赖性的肠-脑-卵巢轴保护机制有关[36-37]。

在PCOS患者中,肠道微生物群代谢产物可影响肠脑调节因子的表达,从而导致垂体和下丘脑沿肠-脑轴分泌的性激素水平发生变化[34]。此外,有研究表明,肠道微生物群可以直接刺激迷走神经通路向大脑发送信号,通过肠-脑轴与宿主进行交流。近年来,具有交感神经过度兴奋和副交感神经张力减退的不平衡自主神经系统(ANS)在PCOS中的发病机制引起了越来越多的关注。Zhang等[38]介绍了一种基于非侵入性经皮耳廓迷走神经刺激(ta-VNS)的靶向副交感神经调节的创新疗法,用于治疗PCOS及其相关并发症,证实了ANS在PCOS发展中的作用。

肠道微生态是参与PCOS发病过程中异常神经元-生殖-代谢回路的重要组成部分,这可能为PCOS的治疗选择提供新的靶点[39]。

3 调节肠道微生物群对PCOS的治疗作用

近期研究显示,在正常小鼠体内移植Vulgatus拟杆菌感染的粪便微生物可导致卵巢功能障碍、IR、胆汁酸代谢变化、IL-22分泌减少,而IL-22对于改善IR、调节发情周期及减轻卵巢颗粒细胞炎症具有一定的保护作用[40]。

在对PCOS患者进行益生菌干预的研究中,发现食用乳酸双歧杆菌V9可促进产生SCFAs的微生物生长,导致肠道SCFAs和肠脑介质(胃饥饿素和PYY)水平显著升高。有报道,Diane-35和益生菌可以恢复肠道微生物组的多样性,从而改善PCOS大鼠的生殖功能。植物乳杆菌HL2对卵巢病理变化具有保护作用,其与长双歧杆菌均可调节黄体生成素(LH)、卵泡刺激素(FSH)和睾酮(T)水平[41-42]。在用乳酸杆菌和健康大鼠的粪便微生物群移植(FMT)治疗PCOS大鼠模型中,发现FMT组大鼠的发情周期得到明显改善,且雄激素水平较前明显下降,卵巢形态逐渐正常化[25]。FMT组肠道微生物群的新组成中,乳酸杆菌和梭菌的丰度增加,普雷沃氏菌的丰度减少。基于上述研究结果,推测FMT在未来可能成为PCOS精准化治疗的一个新思路。

Tempol是一种超氧化物歧化酶。动物实验表明,Tempol通过减轻肠道氧化应激、调节肠道微生态以及调节肠道微生物群和宿主代谢产物之间的相互作用来改善PCOS表型。因此,Tempol干预可能是治疗PCOS的一种方法[43]。

近年研究表明,越来越多的药物对PCOS的肠道菌群具有一定的调节作用,Shen等[44]研究显示,黄连素可通过调节肠道微生物群和相关代谢产物来改善PCOS的病理状态。Wu等[45]研究表明,柚皮素在PCOS中的治疗作用可能与肠道微生物群和SIRT1/PGC-1信号通路的调节有关。丁基淀粉通过激活G蛋白偶联受体GPR41,刺激肽酪氨酸的分泌和调节粪便微生物群来改善PCOS的临床表型[46]。一项大鼠实验结果表明,补肾化瘀方可调节PCOS模型大鼠的肠道菌群。此外,高浓度的补肾化瘀方可能会破坏群落结构的多样性[47]。Wang等[48]首次针对PCOS患者进行肠道微生物群靶向营养干预并联合口服降糖药,证实高纤维饮食或联合阿卡波糖可重塑肠道微生物群的微生态失调,导致pH水平和SCFAs水平的变化,从而改善PCOS的临床症状。研究显示,二甲双胍可以增加肠道阿克曼菌丰度,降低血清γ干扰素(IFN-γ)水平,抑制卵巢巨噬细胞焦下垂,从而改善PCOS临床表型[20,49],进一步丰富了其药理作用。目前,研究显示,减肥手术如Roux-en-Y胃旁路和袖状胃切除术,可以改善PCOS和T2DM表型,其作用可能与增加肠道微生物群的丰富性和多样性有关[50],未来可能需要更多的研究阐明其机制。

4 小结

肠道菌群是体内维持微生态平衡的重要组成部分,可通过多种因素和途径调节宿主基因的表达,参与PCOS的发生和发展。目前,针对肠道菌群谱在PCOS中的研究仍以常见菌群为主,因此,还需要更深层次的研究(如宏基因组学、代谢组学和功能学)来阐明肠道微生物组、代谢产物和PCOS发展之间的联系,为PCOS的个体化治疗提供新的目标和选择。此外,FMT作为炎症性肠病治疗的重要手段,其在PCOS中的治疗有效性仍依赖于其特定功能性菌群谱,进一步证实益生菌和FMT对PCOS临床表型的作用,为PCOS的个体化治疗提供新手段,这可能成为未来更多PCOS患者的治疗选择。