肠道屏障功能在创伤性脑损伤中的研究进展

罗文辉，何兴祥

广东药科大学附属第一医院消化内科，广东 广州 510080

创伤性脑损伤(traumatic brain injury，TBI)是致残和导致死亡的主要原因，在精神、情感、认知方面给患者及其家属带来重大负担，使家庭和社会承受巨大压力。迄今为止，TBI的预防、诊治、康复一直是全世界神经外科领域的研究难点。最近的研究发现，TBI并非孤立性事件，它与众多非神经性损伤密切相关，如全身炎症和累及心血管、呼吸、胃肠系统的器官功能障碍[1-3]。由肠-脑轴介导的在外周与中枢之间传递的双向调节机制，是联系中枢系统与肠道屏障功能的重要途径。肠道屏障功能障碍可引起内毒素血症，进而影响小胶质细胞的激活与极化，介导TBI中的神经炎症。TBI患者存在不同程度的肠道屏障功能障碍，通过改善其肠道屏障功能，可提高患者的肠道防御能力和机体免疫力，从而改善TBI的预后。本文从肠-脑轴的角度出发，对肠道屏障功能与TBI的相互作用作一概述，并介绍肠道屏障功能的检测方法及TBI的潜在治疗靶点，以期为TBI临床治疗提供参考。

1 TBI的概念和分子机制

TBI是指由加/减速力作用于头部引起的脑组织器质性损伤及脑功能障碍，以头部原发穿透性或非穿透性损伤为特征。TBI是世界范围内的严重医学问题，越来越多的证据表明，TBI并非静态损伤事件，而是一种疾病过程[4-5]。Simon等[6]在综述中全面解释了TBI的相关分子机制，包括损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns, DAMP)的释放、谷氨酸兴奋性毒性、线粒体功能障碍、适应性免疫应答、反应性神经炎症等。

小胶质细胞被视为是中枢神经系统内的巨噬细胞，由小胶质细胞激活与极化介导的神经炎症，在TBI中起到重要作用。在受损的大脑内，小胶质细胞可产生神经保护因子，清除细胞碎片和协调神经修复过程。研究发现，在TBI发生3 d内，再生小胶质细胞通过IL-6可以发挥神经保护作用，改善脑损伤引起的认知障碍[7]。然而，当小胶质细胞功能失调时，产生的促炎因子和毒性介质会阻碍中枢神经系统的修复，并导致神经元功能障碍和相关细胞死亡。因此，对TBI是否有益取决于小胶质细胞激活后的极化状态和功能反应。

2 TBI与肠道屏障功能的相互作用

TBI患者神经创伤后可导致大脑局部炎症，以小胶质细胞为主的免疫系统，会对原发性损伤做出适当的免疫反应[8]。当中枢神经系统免疫反应失调造成大脑中的免疫细胞过度活跃时，会转变为持续的神经炎症状态，从而增加神经退行性疾病和神经精神疾病的风险[9]。TBI已被证实与癫痫、阿尔兹海默病、帕金森病等疾病的发生密切相关[10-13]。

TBI患者处于应激状态，由于缺血和(或)缺氧、氧化应激、炎症反应等原因，引起肠道屏障功能障碍(即通透性增加)[14]，内源性内毒素等致病物质会通过有缺陷的肠道紧密连接处渗透到人体循环系统中，激活免疫反应[15]，并对先前诱发的小胶质细胞产生影响，加剧神经炎症[16]。Sandiego等[17]通过研究发现，在健康成年人中，实验性内毒素血症可有效激活小胶质细胞，从而诱发神经炎症。Katzenberger等[18]通过果蝇研究模型发现，TBI可导致肠道屏障和血脑屏障功能障碍，而肠道屏障功能障碍与死亡的概率高度相关。TBI的复杂性部分源于大脑受伤会导致肠道等其他器官受到非神经性损伤，维持正常的肠道屏障功能对于TBI至关重要。

3 关键的结构——肠-脑轴

肠-脑轴是联系消化道和中枢神经系统的通路，具有双向调节作用。肠道菌群能够通过生物合成及代谢宿主底物(如胆汁酸和类固醇激素)和膳食分子(如氨基酸、多糖、多酚)，通过激活迷走神经、刺激肠内分泌细胞、免疫介导的信号运输至大脑等途径，对脑细胞产生特异性的影响[19]，从而影响大脑和行为。例如精神状态可以影响肠道菌群，而肠道菌群也能对中枢神经系统起到调节作用[20]。研究发现，共生微生物可以影响免疫系统的活动，以及整个生命周期的大脑和行为过程，并参与对社会压力的行为和免疫反应，饮食对大脑行为、免疫力的影响通常涉及肠道菌群的改变，而肠道菌群的改变与情绪障碍、精神分裂症、创伤性脑损伤、中风有关[21]。Sundman等[22]总结了中枢神经系统的功能受到以下因素的调节：(1)神经递质、肠道中产生的神经肽、免疫信号、激素；(2)肠道微生物群的结构；(3)肠壁屏障的完整性。

肠-脑轴主要包括3条互作途径：化学信号、神经途径、免疫系统，其中小胶质细胞和系统性细胞因子有关键介导作用[23]。TBI后肠道结构和功能的改变引起肠道通透性增加和肠道屏障功能障碍[24]，导致内毒素血症，引起CD40表达，TNF-α、IL-6、NF-κB、其他炎性细胞因子的水平升高，会触发或加剧包括中枢神经系统在内的恶性炎症级联反应[25-27]。

4 肠道屏障功能的检测

肠上皮由单层上皮细胞构成，这些细胞之间由紧密连接相连，从而将肠腔与肠道固有层分开。紧密连接可以调节肠道屏障的通透性。在临床上，TBI患者存在不同程度的肠道屏障功能障碍。监测TBI患者的肠道屏障功能，可以及时发现隐藏的肠道屏障功能障碍，从而作为判断患者的预后及恢复的指标。目前检测肠道屏障功能的手段主要有血浆内毒素测定法、血浆D-乳酸测定法、血浆二胺氧化酶测定法、血培养、肠道黏膜组织观察法、肠道黏膜pH分析法、糖分子探针检测法、肠道细菌位移检测法等方法。

内毒素主要由革兰氏阴性菌死亡裂解产生，是革兰氏阴性菌细胞壁中的脂多糖。在正常情况下，生理功能完整的肠道黏膜对细菌和内毒素有屏障作用。当肠道屏障功能受损导致肠道黏膜通透性增加时，内毒素就会通过肠黏膜进入机体循环系统，形成内毒素血症。Hang等[28]通过动物实验发现，TBI可引起肠道屏障功能受损，在TBI后3、12、24 h血清内毒素水平显着升高。由于内毒素血症与TBI的发生发展密切相关，动态监测外周血中内毒素水平，可以了解患者肠道屏障功能，从而指导TBI患者的治疗。

5 TBI的潜在治疗靶点—干预肠道菌群

Erny等[29]研究发现，定植于宿主肠道中的微生物群可以调节小胶质细胞的成熟和功能，而小胶质细胞的失调可以通过复杂的微生物群得到一定程度的纠正。肠道内细菌可通过多种细胞内途径，靶向作用于紧密连接蛋白，通过改变其表达和分布来调节肠道屏障功能[30]。TBI会引起肠道菌群结构改变，改变后的肠道菌群也会影响TBI的康复[31]。

多个针对不同疾病的安慰剂对照双盲随机试验表明，益生菌具有降低促炎细胞因子和血清内毒素水平，同时增加抗炎细胞因子水平的功能[32-36]。多项临床研究也表明，益生菌可以增强肠道屏障功能，减轻神经外伤引起的内毒素血症，并抑制免疫系统失调[34，37-38]。通过脑损伤小鼠模型发现，TBI的严重程度与拟杆菌、卟啉单胞菌科、硬毛菌、变形杆菌的变化有关[31]。来自动物实验模型的证据表明，神经创伤后补充益生菌会显著降低肠道通透性[39]，对内毒素诱导的神经炎症具有保护作用[40-41]，全身性炎症，疾病行为，小胶质细胞过度活化均会受到抑制[42]。

6 总结

小胶质细胞介导的神经炎症在TBI中起重要作用。到目前为止，TBI的治疗药物有限。通过改变TBI患者肠道菌群结构，可以改善其肠道屏障功能，有效阻止肠道内细菌及内毒素移位，从而减轻由小胶质细胞极化介导的神经创伤后持续存在的继发性损伤。人类微生物组的可塑性使其成为潜在的治疗靶点，通过改变肠道菌群组成，改善TBI患者肠道屏障功能，可以作为干预TBI的重要手段。然而，如何找到与TBI发生、发展相关的细菌，并做到精准地干预肠道菌群的组成，仍有待进一步研究。