肠道菌群对脊髓损伤潜在影响的研究进展

赵小华，周蕊寒，郭威，庞日朝，王文春，张安仁

1.成都中医药大学养生康复学院，四川成都市 610075；2.西部战区总医院康复医学科，四川成都市 610083；3.乐山市中医医院治未病中心，四川乐山市 614000

脊髓损伤是一类高度致残的神经创伤性疾病，造成损伤平面以下运动、感觉、括约肌和自主神经功能障碍[1]。流行病学调查显示[2]，脊髓损伤发病率在全球范围内约(10.4～83)/100万，而北美地区每年脊髓损伤年发病率高达(27.1～83.0)/100 万，同时我国每年脊髓损伤的发病率约(13～60)/100万。

肠道菌群是定植于肠道中的一类共生微生物群，其数量与哺乳动物细胞数相近，质量大约为0.2 kg[3]，其基因组为人基因组的100 倍[4]，并形成巨大的微生物网络，影响着宿主细胞代谢、消化、营养吸收以及免疫系统发育和成熟[5]。肠道菌群在中枢神经系统疾病免疫和炎症中发挥着重要作用，如多发性硬化[6]、自身免疫性脑脊髓膜炎[7]、阿尔茨海默病[8]和帕金森病[9]等。脊髓损伤作为中枢神经系统最为常见的神经创伤性疾病之一，目前尚无有效的治疗手段，若能建立肠道菌群与脊髓损伤之间的联系，必将为脊髓损伤的治疗提供新的方向。

1 脊髓损伤后肠道菌群紊乱

脊髓损伤后自主神经功能障碍是导致膀胱和胃肠道功能丧失，对感染、抑郁和焦虑的易感性增加，疲劳、体温调节异常以及心血管功能障碍等多种并发症最主要的原因[10]。自主神经系统是周围神经系统的分支，由交感和副交感神经组成，而脊髓侧角发出的交感和副交感神经到达肠道形成相对独立的肠神经系统，并控制着胃肠道功能和菌群的稳态[11-13]。通过对肾上腺素能受体缺失的小鼠模型研究发现[14]，当交感神经受到抑制时，肠上皮细胞通透性增加，导致肠道菌群易位，使肠道中占优势的厚壁菌门向拟杆菌门转变，厚壁菌门与拟杆菌门的比值减小，变形菌门丰度降低，而产短链脂肪酸的细菌则无明显变化。当副交感神经受抑制时，胃肠蠕动减弱，肠神经元对肠内血清素和营养素的敏感性降低，并导致肠道微生态发生改变[15-16]。

在脊髓损伤的研究中发现[10]，自主神经功能障碍将导致创伤性脊髓损伤后肠道菌群失调。有实验采用胸段脊髓损伤大鼠模型研究发现[17]，8 周后大鼠肠道菌群多样性减少，其中Lactobacillaceae(乳杆菌科)、Turibacteraceae(苏黎世杆菌科)和Bifidobacteriaceae(双歧杆菌科)相对丰度最高；而梭菌科相对丰度降低，几乎被耗尽，但与对照组相比，梭菌科和双歧杆菌科相对丰度更高；同时肠道中促炎因子升高与脊髓损伤后肠道菌群有显著相关性。Gungor 等[18]观察30 例脊髓损伤患者(T6损伤，上运动神经元和下运动神经元损伤各15 例)和10 例健康对照者的肠道菌群发现，与健康对照组相比，上运动神经元损伤组Pseudobutyrivibrio(假丁酸弧菌属)、Dialister(小类杆菌属)和Megamonas(巨单胞菌属)显著降低；下运动神经元损伤组Roseburia(罗氏菌属)、Pseudobutyrivibrio(假丁酸弧菌属)和Megamonas(巨单胞菌属)显著降低；并且与下运动神经元组相比，上运动神经元组Marvinbryantia(布氏杆菌属)明显降低；同时还发现脊髓损伤患者产丁酸盐的菌属显著降低，这可能与损伤后神经炎症有关。此外，还有文献通过对43 例完全性脊髓损伤后神经源性肠功能障碍的男性患者研究发现[19]，脊髓损伤患者肠道菌群多样性减少，菌群结构与健康男性对照组不同，即脊髓损伤后Veillonellaceae(韦氏菌科)和Prevotellaceae(普氏菌科)丰度增加，Bacteroidaceae(拟杆菌科)和Bacteroides(拟杆菌属)丰度降低，并且四肢瘫与截瘫患者的肠道菌群也存在较大差异；同时还观察到肠道菌群与血清生物标志物C 反应蛋白、排便时间等显著相关。

综上所述，脊髓损伤后肠道菌群紊乱，菌群多样性和丰度发生改变，在细菌门、科、属等多个层面造成菌群失调，并与脊髓损伤后炎症反应有相关性。菌群失调可能的原因包括脊髓损伤后严重的自主神经功能障碍导致的神经源性肠功能障碍[10,20]，肠屏障功能减弱造成肠道菌群易位[13,20]，以及创伤导致营养摄入和吸收发生改变[21]等。

2 肠道菌群对脊髓损伤后炎症的潜在影响

大量研究发现，肠道菌群可通过其代谢产物和衍生物与宿主发生联系，其中菌群代谢产生的芳香烃受体(aryl hydrocarbon receptor,AHR)激动剂、短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)及菌群衍生物脂多糖等对中枢神经系统炎症有着重要的调节作用。

2.1 AHR激动剂

肠道菌群可代谢色氨酸产生AHR 激动剂，包括吲哚-3-乙酸、吲哚酚-3-硫酸盐、色胺等衍生物[22]。最新研究显示[23-24]，膳食中的色氨酸代谢产物可穿过血脑屏障进入中枢神经系统，并调节中枢神经系统的炎症反应。Rothhammer 等[25]通过色氨酸代谢产物与1型干扰素(interferon-1,IFN-1)共同作用，可激活星形胶质细胞中的AHR，从而诱导细胞因子信号转导抑制因子2(cytokine signal transduction inhibitor 2,SOCS2)的表达[26]，进而抑制细胞中核因子(nuclear factor,NF)-κB 信号通路的激活[27]，并最终减轻中枢神经系统的炎症反应。而当SOCS2基因缺陷时，体外用脂多糖可激活星形胶质细胞中的NF-κB 通路，从而证明AHR介导的抗炎作用具有SOCS2依赖性。与此同时，Lamas等[28]通过不同的实验得出与Rothhammer相同的结论，即AHR 在中枢神经炎症中起着决定性作用，可通过色氨酸代谢产物/AHR/SOCS2/NF-κB通路发挥抗炎作用。

有趣的是，脊髓损伤后血脊髓屏障的通透性也会增大，并可通过星形胶质细胞中的NF-κB通路介导炎症反应的发生[29-31]，这与肠道菌群对中枢炎症的作用机制相似。同时还有研究显示，在中枢神经系统的小胶质细胞(或巨噬细胞)中AHR被抑制将导致抗炎因子白激素10(interleukin-10,IL-10)表达降低，从而转化为促炎状态；并且小胶质细胞中AHR 缺失将驱动炎症和神经变性，进而引起星形胶质细胞中炎症因子白介素1β(interleukin-1β,IL-1β)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-alpha,TNF-α)、诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)等表达增加[32]。

在中枢神经系统退行性疾病中研究发现[26]，辅助性T17(helper T-17,Th17)细胞和调节性T(regulatory T,Treg)细胞(主要有Foxp3+Treg细胞和Tr1细胞)中AHR(罗伊氏乳杆菌代谢激活)的高表达，可通过一系列反馈回路抑制信号转导及转录激活因子1和5(signal transduction and activator of transcription,STAT1 和STAT5)来减少Th17细胞的产生，并介导Th17细胞转化为产生IL-10的抗炎Treg细胞(Foxp3+Treg细胞和Tr1细胞)。

在急性脊髓损伤模型中也发现[33]，巨噬细胞能调节胸腺源性Foxp3+Treg细胞向受损脊髓处聚集，从而增加Treg细胞数量发挥神经修复作用。这也与肠道菌群的中枢抗炎机制相似。因此，脊髓损伤后继发性炎症反应加重，可能与脊髓组织中菌群代谢产生的AHR激动剂减少有关。

2.2 SCFAs

SCFAs是肠道菌群重要的代谢产物之一，包括乙酸、丁酸和丙酸等。最新研究表明[10,20]，肠道菌群代谢产生的SCFAs 对中枢神经系统的稳定和炎症反应发挥着重要的调节作用。首先，SCFAs可使肠上皮细胞通透性发生改变，并从肠内溢出到血液循环中，绕过血脑屏障影响中枢神经细胞的结构和功能[10,20,34-35]。其次，SCFAs 作为重要的能源物质，能改善机体电解质紊乱[16]，减轻神经元的损伤，从而发挥神经保护作用[36]。最后，SCFAs 还是组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)的重要抑制剂，通过抑制HDACs，可降低神经胶质细胞中NF-κB 通路的活化，下调促炎因子TNF-α 表达[37]。此外，在中枢神经系统中SCFAs 与G 蛋白耦联受体43(G protein-coupled receptors 43,GPR43)结合，促进Th17细胞转化为Treg细胞，继而抑制中枢神经系统的炎症反应[37-38]。脊髓损伤后肠道菌群紊乱，导致代谢产生SCFAs的菌群减少[10,17-18]；而患者体内SCFAs 显著减少，将会引起神经递质失衡和神经细胞功能受损，从而影响中枢神经系统的功能表达[20]。

综上所述，脊髓损伤后肠道菌群产生的SCFAs减少可能导致神经元和神经胶质细胞的功能发生改变，并加重脊髓损伤后的炎症反应。

2.3 脂多糖

脂多糖是革兰阴性菌细胞壁成分，当细菌在肠道内死亡时，可分解产生脂多糖。若胃肠功能发生紊乱，可导致肠道屏障功能受损，菌群分解产生的脂多糖可透过肠上皮细胞进入血液循环，从而引起全身炎症反应[39]。脊髓损伤后脂多糖刺激产生的炎性细胞能透过血脊髓屏障，并激活脊髓组织中的小胶质细胞和星形胶质细胞，从而介导神经炎症的发生[40]。还有研究显示[41-42]，在脊髓损伤模型中，脂多糖可刺激小胶质细胞向M1型巨噬细胞极化，从而上调促炎因子TNF-α、IL-1β、iNOS 的表达。此外，脂多糖是第一个被鉴定出的Toll 样受体(Toll-like receptors,TLR)配体，在小胶质细胞中几乎能表达所有的TLR(1-9 型)，而星形胶质细胞在静息状态下表达TLR3，在活化状态下表达TLR2 和TLR4[40,43]。一旦脊柱内脂多糖增多时，可激活TLR4和TLR2，从而使小胶质细胞和星形胶质细胞活化，进而激活NF-κB通路，发挥促炎作用[43-44]。然而，也有研究提示，在脊髓损伤后脂多糖可激活TLR4 促进巨噬细胞对损伤处髓鞘碎片的清除，从而有助于少突胶质细胞对髓鞘的修复[45-47]。

综上所述，肠道菌群分解产生的脂多糖在脊髓损伤继发性炎症反应中发挥着重要作用，一方面可激活损伤部位的神经胶质细胞发挥促炎作用，另一方面也可刺激巨噬细胞发挥神经保护作用。

3 小结

脊髓损伤后自主神经功能障碍将导致肠道与中枢神经系统之间的联系中断，而长期处于失神经支配条件下的胃肠道对肠内各种物理或化学刺激的敏感性降低[14]，并导致神经源性肠功能障碍[48]、肠上皮细胞通透性发生改变[34-35]和肠内营养障碍等，最终引起脊髓损伤后肠道菌群失调。而失调肠道菌群又将损害脊髓损伤后功能恢复，并加剧脊柱内炎症和病变[10,20]。因此通过调节肠道菌群来控制脊髓损伤后的炎症反应，可能是治疗脊髓损伤的一条潜在途径。

脊髓损伤分为原发和继发性损伤两个阶段，原发性损伤是指机械性损伤导致的损伤部位神经元和神经胶质细胞在数分钟或数小时内死亡[49]；而继发性损伤包括一系列脊髓组织的病理生理变化，其中炎症反应是导致继发性损伤的重要原因之一。大量研究表明，脊髓损伤后神经胶质细胞(主要是星形胶质细胞和小胶质细胞)活化在继发性炎症反应中发挥着至关重要的作用[50-51]。其可能的机制有：①神经胶质细胞活化产生大量炎症趋化因子如TNF-α、IFN-γ、IL-1β、IL-6 等[41-42,49]，并通过激活细胞中NF-κB 通路来介导炎症的发生[26-28]；②脊髓损伤后神经胶质细胞反应性增生，产生胶质瘢痕将阻碍脊髓组织中轴突的生长和再生，从而影响神经功能重塑，导致功能恢复减慢[52-53]；③小胶质细胞是中枢神经系统中的巨噬细胞，其中M1型小胶质细胞可能发挥促炎作用，而M2 型具有抗炎作用；在脊髓损伤后小胶质细胞朝向M1 型极化，同时抑制M2 小胶质细胞的产生[42,54]，进而加重炎症反应；④神经胶质细胞活化时TLR 被激活，并最终引起促炎因子TNF-α、IL-1β、IL-6 和iNOS的表达上调，从而加重损伤部位的炎症反应[40,43]。

综上所述，脊髓损伤后继发性炎症反应主要由神经胶质细胞介导，通过胶质细胞中NF-κB通路、胶质瘢痕增生、胶质细胞向M1 型极化和TLR 表达等促进脊髓损伤后炎症的发生和发展。而肠道菌群的代谢产物在神经胶质细胞中也发挥着相似的促炎或抗炎作用。因而肠道菌群与脊髓损伤可能通过神经胶质细胞建立某种联系，从而调控脊髓损伤后继发性炎症反应的发生和发展。

虽然肠道菌群与宿主疾病之间的关系还有待研究，但菌群作为一种潜在的干预手段，已获得广泛认可。目前益生元、益生菌已被用于治疗临床疾病[55]，菌群移植也是治疗某些难治性疾病的重要手段[56-57]。脊髓损伤后肠道菌群会发生改变，而调节紊乱的菌群也可对宿主的功能恢复产生影响。如在脊髓损伤后产SCFAs 的菌群减少[17-18]，而补充产SCFAs 的乳酸杆菌和双歧杆菌等益生菌制剂后，能改善小鼠的运动功能，并发挥神经保护作用[20]。因此调节患者的肠道菌群可能是治疗脊髓损伤的潜在方法之一。而基于肠道菌群的脊髓损伤治疗，一方面可补充缺失的菌群或益生菌，严重者甚至可采取正常菌群移植的方式；另一方面，也可直接补充菌群代谢产物(如AHR 激动剂、SCFAs 等)来减轻脊髓损伤后的病理病变。然而，目前国内外报道肠道菌群与脊髓损伤相互作用的研究较少，并且大多集中在分析脊髓损伤后肠道菌群的变化特点，缺乏肠道菌群对脊髓损伤后继发性损伤和并发症的相关研究，因此本文通过对脊髓损伤后炎症反应与肠道菌群潜在的作用机制进行探讨，希望为今后脊髓损伤的研究提供新思路。