肠道菌群与缺血性卒中

许杰，王伊龙，王拥军

近十年来，已有大量研究证实，肠道菌群在肥胖、糖尿病、高脂血症、高血压等缺血性卒中相关危险因素的发生过程中发挥重要作用[1]。近期又有研究发现，肠道菌群及其产物直接参与了血小板活性的激活及血栓的形成[2]，并且改变肠道菌群后可通过免疫途径促进卒中后损伤的修复[3]。一系列证据表明，肠道菌群与缺血性卒中的发生及预后紧密相关。本文将对肠道菌群及其产物如何影响缺血性卒中的发病及预后做一系统阐述。

1 肠道菌群及其产物在动脉粥样硬化发生过程中的作用

血小板的活化、聚集及动脉粥样硬化斑块的形成是缺血性卒中的重要发病机制。近期的研究表明，肠道菌群在动脉粥样硬化斑块发生过程中发挥着重要的作用[4]。目前认为肠道菌群可以通过3种途径影响动脉粥样硬化的发生：第一，细菌感染激活免疫系统，通过巨噬细胞表达的Toll样受体进一步导致促炎细胞因子和趋化因子的增加，加速粥样斑块的进展，并可导致易损斑块的形成；第二，肠道菌群代谢胆固醇和脂肪影响动脉粥样硬化斑块的形成；第三，肠道菌群代谢产物氧化三甲胺（trimethylamine N-oxide，TMAO）通过激活血小板活性，促进粥样斑块形成。

TMAO途径被认为是肠道菌群导致动脉粥样硬化形成最直接的途径[5]。饮食中的胆碱被肠道微生物代谢生成三甲胺，经过肝肠循环进入肝脏被氧化为TMAO，然后TMAO以血小板激活剂依赖的方式促进钙离子由细胞内释放至细胞外，从而介导血小板的高反应性，进而增加血栓形成的风险[2]。TMAO增加血小板的活性是由钙离子（Ca2+）介导完成的。在静息状态下，血小板保持细胞内较低的钙浓度，以维持其在健康的血管内循环，但是当血管壁受损时，血小板迅速激活并调动Ca2+，以促进血栓前体或血栓的形成[6]。为了进一步探讨这一过程的作用机制，研究者将Ca2+进行染色追踪发现，TMAO以浓度依赖的方式介导Ca2+的释放，也进一步确定了肠道菌群在血栓前状态和血栓形成中的作用。另外研究通过胆碱饮食饲养小鼠，通过体外的血小板聚集以及颈动脉FeCl3损伤模型证明了饮食中的胆碱在肠道菌群的作用下，释放TMAO进一步激活血小板的活性，从而形成血栓[2]。

除了动物实验的证据之外，临床研究也显示TMAO参与了动脉粥样硬化的发生，其与心脑血管事件风险显著相关[7-8]。Tang等[8]的研究纳入了4007例受试者，前瞻性随访3年，研究血浆中TMAO与心脑血管事件发生风险之间的关系，其研究结果发现，TMAO呈剂量依赖的方式与血栓事件的风险呈正相关，且这一作用独立于传统的心脑血管疾病危险因素。但我国学者Yin等[9]的研究并没有发现卒中患者和短暂性脑缺血发作（transient ischemic attack，TIA）患者血浆TMAO水平升高。他们在无症状的动脉粥样硬化、卒中和TIA患者中同时分析了肠道菌群组成和TMAO水平的差异。研究结果发现，在无症状性动脉粥样硬化患者中无论是否伴有颈动脉斑块，其TMAO水平和肠道菌群组成均相似。但在卒中或TIA患者中，其肠道菌群组成与无症状性动脉粥样硬化患者有较大差异，但TMAO水平并没有和预想的一样高于对照组，而是低于无症状性动脉粥样硬化患者。他们的解释是卒中事件本身或者卒中后的治疗药物可能降低了TMAO的水平。所以关于肠道菌群产物TMAO与缺血性卒中的相关性尚需进一步的研究加以证实。

2 肠道菌群改变对于卒中后损伤修复的作用

“菌群-肠-脑”轴是新提出的一个概念[10]，也是研究肠道菌群与卒中预后的前提假设。卒中发生后肠道菌群从胃肠道转移到胃肠道以外的器官，卒中的应激状态也能促进菌群由消化道转移至血液[11]，从而诱发系统的免疫和炎症反应[12]。而免疫和炎症反应已被证实是脑缺血损伤发生机制中的关键环节[13]。近期有研究证实，严重的脑梗死发生后会改变菌群分布，进而导致卒中后体内稳态失调并诱导免疫应答，且脑梗死后通过粪菌移植能够显著改善卒中预后[14]。Benakis等[3]的研究显示，在大脑中动脉闭塞的模型中，抗生素导致的肠道菌群失调能减少肠道菌群的α多样性从而改善预后，且在组织学上显示缺血组织体积减小。这一效应主要是由于小肠部位的IL-17+γδT细胞的减少和Treg细胞增加，进而限制IL-17+γδT的有害物质渗透脑膜。有研究者运用C57BL/6小鼠使用抗生素进行预处理造成微生物大量损耗的模型，在脑缺血发生前停止抗生素使用会增加去-微生物化动物的死亡率，且死亡率与严重的结肠炎有关。这一研究主要是强调脑缺血后卒中诱导的免疫抑制会严重地削弱宿主的自身免疫，进而导致小肠出现免疫障碍[15-16]。我国学者Sun等[17]的研究发现，丁酸杆菌通过调节肠道菌群可以减轻糖尿病小鼠的脑缺血/再灌注损伤，他们在糖尿病小鼠模型中，进行双侧颈动脉结扎后补充丁酸杆菌能改善缺血后或再灌注导致的脑损伤，减轻神经损伤和改善认知功能。

3 肠道菌群与卒中后抑郁

脑-肠轴是大脑与胃肠道相互作用的双向调节轴，胃肠道不适常伴有情绪的反应，而情绪的反应反过来可激活中枢神经系统相关部位的神经活动，同时将调控信息通过脑-肠轴下传至胃肠道，改变其动力和分秘功能，激活肠黏膜免疫，影响肠道黏膜屏障功能。如胃食管反流患者中，焦虑和抑郁与胃灼热等消化道症状之间存在强烈的相关性，且心理或抗抑郁治疗对部分患者有效[18]。而在精神病患者中，抑郁症和广泛性焦虑症往往伴有胃肠道不适，很多广泛性焦虑症患者首次发病往往因胃肠道症状就诊于消化科[19]。由此可见，脑-肠轴功能的紊乱可能在精神疾病的发生发展中发挥一定的作用。但是，如何发挥作用，目前的研究更倾向于认为主要归功于肠道菌群。

肠道菌群参与宿主的免疫防御过程，肠道菌群紊乱时，使得细菌产生的具有内毒素作用的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）大量入血，引发外周的免疫激活和炎症反应。病理状态下，血脑屏障的通透性改变，各种炎症因子进入中枢，将炎症信号传到中枢，通过NF-κB通路等激活胶质细胞，促进抑郁的发生。动物实验中，利用LPS腹腔注射，可以模拟出实验动物的抑郁样行为，并能观察到中枢神经系统明显的炎症反应[20]，说明由LPS等细菌产物造成的炎症反应，可以影响中枢神经系统，促进抑郁症状的发生。阻断Toll样受体在慢性温和应激所致中枢炎症和抑郁样行为的实验中，确能观察到炎症和动物行为的改善[21]。我国学者Zheng等[22]的研究发现，重度抑郁患者肠道菌群不同于健康人，厚壁菌门、放线菌门及拟杆菌门丰度增加；无菌小鼠接受重度抑郁患者的肠道菌群后，相比于接受了健康人肠道菌群的小鼠，表现出类似抑郁的行为。

临床上除了常用抗抑郁药物外，益生菌在治疗抑郁症的作用方面也得到有效的验证。一些研究发现，用肠道益生菌感染幼年大鼠能够改善亲子分离应激模型动物以及大鼠成年后因应激引起的抑郁样症状，用益生菌“调理胃肠”对于改善临床抑郁症患者的抑郁症状同样有效[23]。另有研究发现，益生菌具有良好的抗炎症作用，能够纠正免疫失衡，降低促炎症细胞因子水平，从而通过减轻抑郁症的炎症情况改善患者的抑郁症状[24]。另有研究发现，双歧杆菌能部分缓解应激所导致的肠道功能紊乱，从而在一定程度上改善抑郁症状。

肠道菌群与抑郁症的研究起步较早，研究得比较充分[25]。目前尚未发现关于肠道菌群与卒中后抑郁的研究。抑郁症与卒中后抑郁具有相似的临床表现，且目前研究认为二者发病基础相似。因此，尚需要进一步的动物实验及临床研究探索肠道菌群对卒中后抑郁的影响。

肠道菌群与缺血性卒中的研究尚处于起步阶段，但目前的研究证据表明，肠道菌群在缺血性卒中的发生过程中发挥着重要的作用：间接作用包括肠道菌群对于卒中相关危险因素的影响；直接作用包括肠道菌群对于血小板激活及动脉粥样硬化的影响。另外，肠道菌群通过免疫机制对于卒中后损伤修复的作用让其有望成为新的神经保护的靶点。相信未来以肠道菌群为靶点的治疗模式，无论是在缺血性卒中的一级预防还是二级预防都将发挥重要的作用。

1 Fändriks L.Roles of the gut in the metabolic syndrome：an overview[J].J Intern Med，2016 Dec 19.doi：10.1111/joim.12584.[Epub ahead of print]

2 Zhu W，Gregory JC，Org E，et al.Gut microbial metabolite TMAO enhances platelet hyperreactivity and thrombosis risk[J].Cell，2016，165：111-124.

3 Benakis C，Brea D，Caballero S，et al.Commensal microbiota affects ischemic stroke outcome by regulating intestinal γδ T cells[J].Nat Med，2016，22：516-523.

4 Jonsson AL，Bäckhed F.Role of gut microbiota in atherosclerosis[J].NatRev Cardiol，2016，Dec 1.doi：10.1038/nrcardio.2016.183.[Epub ahead of print]

5 Fernández-Ruiz I.Thrombosis：Gut microbes modulate platelet function and thrombosis risk[J].Nat Rev Cardiol，2016，13：247.

6 Furie B，Furie BC.Mechanisms of thrombus formation[J].N Engl J Med，2008，359：938-949.

7 Koeth RA，Wang Z，Levison BS，et al.Intestinal microbiota metabolism of L-carnitine，a nutrient in red meat，promotes atherosclerosis[J].Nat Med，2013，19：576-585.

8 Tang WH，Wang Z，Levison BS，et al.Intestinal microbial metabolism of phosphatidylcholine and cardiovascular risk[J].N Engl J Med，2013，368：1575-1584.

9 Yin J，Liao SX，He Y，et al.Dysbiosis of gut microbiota with reduced Trimethylamine-N-Oxide level in patients with large-artery atherosclerotic stroke or transient ischemic attack[J].J Am Heart Assoc，2015，4.pii：e002699.

10 Wang HX，Wang YP.Gut microbiota-brain axis[J].Chin Med J (Engl)，2016，129：2373-2380.

11 Caso JR，Hurtado O，Pereira MP，et al.Colonic bacterial translocation as a possible factor in stressworsening experimental stroke outcome[J].Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol，2009，296：R979-985.

12 Tascilar N，Irkorucu O，Tascilar O，et al.Bacterial translocation in experimental stroke：what happens to the gut barrier?[J].Bratisl Lek Listy，2010，111：194-199.

13 Iadecola C，Anrather J.The immunology of stroke：from mechanisms to translation[J].Nat Med，2011，17：796-808.

14 Singh V，Roth S，Llovera G，et al.Microbiota dysbiosis controls the neuroinflammatory response after stroke[J].J Neurosci，2016，36：7428-7440.

15 Schulte-Herbrüggen O，Quarcoo D，Meisel A，et al.Differential affection of intestinal immune cell populations after cerebral ischemia in mice[J].Neuroimmunomodulation，2009，16：213-218.

16 Meisel C，Schwab JM，Prass K，et al.Central nervous system injury-induced immune deficiency syndrome[J].Nat Rev Neurosci，2005，6：775-786.

17 Sun J，Wang F，Ling Z，et al.Clostridium butyricum attenuates cerebral ischemia/reperfusion injury in diabetic mice via modulation of gut microbiota[J].Brain Res，2016，1642：180-188.

18 Kim JY，Kim N，Seo PJ，et al.Association of sleep dysfunction and emotional status with gastroesophageal reflux disease in Korea[J].J Neurogastroenterol Motil，2013，19：344-354.

19 Lydiard RB，Pitrosky B，Hackett D，et al.Impact of gastrointestinal symptom severity on response to venlafaxine extended-release in patients with generalized anxiety disorder[J].J Clin Psychiatry，2004，65：838-844.

20 Wang Y，Lawson MA，Dantzer R，et al.LPS-induced indoleamine 2，3-dioxygenase is regulated in an interferon-gamma-independent manner by a JNK signaling pathway in primary murine microglia[J].Brain Behav Immun，2010，24：201-209.

21 Gárate I，García-Bueno B，Madrigal JL，et al.Origin and consequences of brain Toll-like receptor 4 pathway stimulation in an experimental model of depression[J].J Neuroin flammation，2011，8：151.

22 Zheng P，Zeng B，Zhou C，et al.Gut microbiome remodeling induces depressive-like behaviors through a pathway mediated by the host's metabolism[J].Mol Psychiatry，2016，21：786-796.

23 Desbonnet L，Garrett L，Clarke G，et al.Effects of the probiotic Bifidobacterium infantis in the maternal separation model of depression[J].Neuroscience，2010，170：1179-1188.

24 O'Mahony L，McCarthy J，Kelly P，et al.Lactobacillus and bifidobacterium in irritable bowel syndrome：symptom responses and relationship to cytokine profiles[J].Gastroenterology，2005，128：541-551.

25 Rogers GB，Keating DJ，Young RL，et al.From gut dysbiosis to altered brain function and mental illness：mechanisms and pathways[J].Mol Psychiatry，2016，21：738-748.