肠道菌群与老年患者术后谵妄的研究进展

王露露，郑晋伟

术后谵妄（POD）是老年患者大手术后常见并发症之一，其是一种急性认知功能障碍，主要表现为思维混乱、意识水平波动、睡眠觉醒及注意力不集中等一系列与脑功能紊乱的相关障碍。据报道，老年骨科手术患者POD的发生率高达50%，同时发生POD的患者术后病死率高达4%～17%，严重影响患者的预后以及长期转归。最新证据表明，肠道菌群通过“微生物-肠-脑轴”途径在神经系统疾病中起着关键作用，肠道菌群的异常组成可直接或间接的通过该轴，将神经系统-内分泌系统-免疫系统联系起来，形成双向通路，进而参与中枢神经系统的调节。目前，肠道菌群在中枢神经系统疾病的发病机制尚在探寻。本文就肠道菌群在老年患者POD 中的作用机制进行综述，报道如下。

1 老年人群存在肠道菌群紊乱

肠道菌群是从出生就开始建立的，并随着年龄的增长而进化。肠道菌群并不是微生物的同质种群，相反，它是由错综复杂的微生物群落组成，它们相互影响，和宿主相互作用，维持着与宿主共生的关系。根据最新修订，体质量约70 kg的健康成年人消化道内细菌数目可达到3×1013个。在正常生理条件下，肠道菌群各种群间处于一种有利于机体的动态平衡状态，以拟杆菌门和厚壁菌门为主，其亚群包括梭菌、蓝细菌、变形杆菌及放线菌等。肠道菌群通过与树突状细胞、巨噬细胞、粒细胞、T 细胞、B 细胞以及肠上皮细胞相互作用，起到免疫调节及屏障保护等作用。

与成年人相比，老年人肠道菌群的组成发生改变，放线菌、梭状芽孢杆菌、乳酸杆菌以及埃格氏菌的数量明显增加，拟杆菌门和厚壁菌门的相对比例显著下降。在此基础上，骨折造成的创伤及手术本身使机体处于氧化应激状态，肠道菌群生长的微生态环境发生了变化。肠道内梭状芽孢杆菌和卟啉单胞菌属的数量增加，而颤螺菌属和拟杆菌属的数量相对下降，肠道菌群失去了相对稳定性。肠道菌群失调时，肠道内的细菌及毒素会破坏肠道黏膜的完整性及稳定性，导致肠黏膜的通透性增加，部分肠道菌群的代谢产物离开肠道进入血液，引起宿主体内发生炎症反应，进而造成更多炎症因子的释放，穿过血脑屏障进入中枢，引起中枢性炎症反应，导致POD的发生。

2 “微生物-肠-脑轴”在POD 发病机制中的作用

研究表明，肠道菌群和大脑之间紧密联系，存在复杂的双向通信系统，最初称为“肠-脑轴”，现更名为“微生物-肠-脑轴”。中枢神经系统可通过调节肠道蠕动和分泌以及免疫和神经通路来干预肠上皮细胞分泌黏液素，从而使肠道菌群的组成结构发生改变。反之，肠道菌群紊乱时可通过“微生物-肠-脑轴”来参与迷走神经、神经内分泌及免疫炎症等多种生理过程，引起中枢神经系统的改变。

2.1 迷走神经途径

2.1.1 迷走神经的解剖学基础 迷走神经是副交感神经系统的主要组成部分，由80%的传入纤维和20%的传出纤维组成。迷走神经的传入纤维分布在消化壁各层，但不穿过上皮层，因此它们不会直接与肠道内的微生物接触，但由于其内在的感知功能，因此能够通过传入纤维感知微生物群的代谢产物（SCFA、5-羟色胺及-氨基丁酸等），将肠道信息传递到中枢神经系统。且解剖学证明，肠肌间感觉神经元在接触肠道菌群的同时还可以与迷走神经形成突触，构成“微生物-肠神经-迷走神经-脑”信息途径，直接将肠道感知的信息传入大脑。肠道菌群紊乱时，可通过以上传递途径直接或间接的激活迷走神经，进而影响免疫反应及内分泌等生理过程。

2.1.2 迷走神经的抗炎机制 正常情况下，迷走神经在各种刺激作用下，可释放大量乙酰胆碱（Ach），与7 烟碱型ACh 受体（7n AChR）结合形成胆碱能抗炎通路（CAP），来抑制肿瘤坏死因子-（TNF-）生成，发挥抗炎的作用。但当肠道菌群紊乱时，迷走神经可以通过调节机体内分泌途径，影响促肾上腺皮质激素释放因子（CRF）的分泌，而CRF 通过肥大细胞释放TNF-以及蛋白酶来增加肠道通透性，削弱迷走神经的抗炎作用，抵消迷走神经对肠上皮屏障的保护作用，破坏肠道稳态，间接影响脑功能，增加POD的发生率。

2.1.3 迷走神经与神经递质 POD的发生与脑内神经递质的浓度密切相关。肠道菌群可通过消化代谢产生一系列神经递质，来改变神经化学水平。Strandwitz 等在健康人的粪便标本中发现了拟杆菌门和大肠埃希氏菌可产生的-氨基丁酸（GABA），说明肠道菌群可以调节神经递质的表达。GABA 作为中枢神经系统中重要的抑制性神经递质，与认知功能密切相关，可直接影响膜电位，并通过GABA-B受体来调节神经元活动从而改变突触可塑性，而突触可塑性正是学习过程的基础。除GABA 外，乳酸杆菌还可以合成乙酰胆碱；大肠杆菌、肠嗜铬细胞可分泌5-羟色胺（5-HT）；芽孢杆菌可影响去甲肾上腺素的释放。

2.2 免疫途径 免疫反应是POD 发生的主要病理过程。肠道黏膜免疫屏障主要由大量的淋巴细胞、巨噬细胞组成，是机体最大的免疫细胞库。正常情况下，中枢免疫细胞处于休眠状态，但当肠道菌群紊乱时，可直接对到达结肠的食物残渣进行厌氧发酵产生代谢物，如短链脂肪酸（SCFA）；或者微生物和宿主结合产生内源性化合物，如芳烃受体（AHR）及多胺等；肠道抗原呈递细胞还可以识别肠腔失调菌群的抗原，传递至树突状细胞，影响CD4+和CD8+T细胞的发育和分化，使机体肠道免疫稳态失调。

2.2.1 SCFA SCFA是由位于结肠的微生物消化食物残渣产生的，不仅是肠道微生物重要的能量来源，而且具有抗炎和免疫调节的作用。肠道菌群紊乱时，SCFA 产量下降，在抗炎能力下降的同时，免疫水平也会受到影响。目前已经确定的主要SCFA 信号传导机制有组蛋白去乙酰化酶（HDACs）的抑制和G蛋白偶联受体（GPCRs）的激活。SCFA通过抑制NFB活化降低了革兰阴性杆菌脂多糖（LPS）诱导的单核细胞TNF-及促炎症细胞因子的产生。同时，SCFAs 还通过抑制HDAC 影响外周T 细胞，特别是调节性T（Treg）细胞。HDAC 抑制剂可以改变机体内Treg 细胞的频率和功能，而Treg 细胞在抑制炎症和过敏反应中起着核心作用。SCFAs的许多调控特性需要通过GPCRs 进行信号传递，主要是GPR43；SCFA-GPR43的相互作用可降低嗜中性粒细胞的趋化性和炎症基因表达。与此同时，SCFAs 对宿主生理的GPR43 依赖效应也延伸到中枢神经系统（CNS）。如小胶质细胞是中枢神经系统的驻留巨噬细胞，其成熟和功能依赖于肠道菌群，维持小胶质细胞稳态需要SCFAs 和GPR43。

2.2.2 AHR AHR是一种配体活化转录因子，可在免疫细胞及肠上皮细胞中表达，是免疫和炎症的关键调节因子，负责适应性免疫和黏膜屏障功能的微调。肠道菌群的部分代谢物可作为AHR的配体，结合宿主细胞上的AHR发挥重要免疫作用，保护肠道黏膜免受炎症干扰。AHR 对免疫稳态的调节通常有两种机制：首先，AHR通过介导肠道内3 型天然淋巴细胞（ILC3）的激活，在肠道中产生IL-22，其在增强上皮紧密连接完整性的同时，还可以调节抗菌肽的释放，引起肠道菌群组成结构发生变化来影响免疫；其次，有证据表明AHR 还可以通过调节上皮内淋巴细胞和先天性淋巴细胞的的发育影响免疫功能。

2.2.3 多胺 多胺即腐胺、精胺及亚精胺，是一种能够结合核酸和蛋白质调节信号通路的生物活性聚阳离子，几乎存在于所有细胞中，与多种生理过程有关。研究发现，在许多神经退行性疾病中，多胺的水平都趋于下降。原因在于肠道中的微生物可以产生大量的多胺，而多胺可刺激细胞间连接蛋白的产生，包括闭锁蛋白、闭锁小带蛋白-1 及e-钙黏蛋白的生成，调节细胞的通透性和肠上皮细胞屏障的完整性。同时，多胺的代谢在宿主的调节免疫中起着核心作用，精氨酸酶-1 和一氧化氮合酶（NOS）通过竞争精氨酸，分别产生多胺及一氧化氮（NO），来平衡效应性免疫反应。巨噬细胞经典（M1）促炎症表型的极化可导致NOS 诱导型同工异构体的激活，产生促炎症细胞因子，包括TNF-、IL-1 及IL-12 等；同时产生的活性氧（ROS）引起细胞毒性的增加。而精胺则可以通过抑制鸟氨酸脱羧酶的表达和促炎症细胞因子的合成来抑制M1 巨噬细胞活化，还不会影响抗炎转化生长因子-（TGF-）和IL-10的合成。最新发现，亚精胺可通过吲哚胺2，3-双加氧酶1（IDO1）赋予树突状细胞（DC）免疫调节特性；IDO1 将L-色氨酸转化为代谢物，统称为犬尿氨酸，可激活AHR 从而具有多种免疫调节作用。

2.3 神经内分泌途径 下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴（HPA）是重要的神经内分泌系统之一，能确保机体在面对各种应激源时能做出正确的反应。越来越多的证据表明，肠道菌群与HPA 轴之间是双向通信的过程，肠道菌群可通过部分代谢产物、细胞因子及前列腺素等穿越血脑屏障来激活HPA轴；同时，肠道菌群还会影响皮质醇的产生，进而干预HPA轴的活动。

2.3.1 细胞因子 迄今为止，人们提出各种机制来解释肠道菌群与HPA 轴之间的联系。可促炎症细胞因子的释放导致HPA 轴的激活是显而易见的。肠道菌群失调可导致细胞因子的合成增加，比如IL-1、IL-6 和TNF-可通过血脑屏障，激活HPA 轴。HPA 轴的激活也能够影响肠道菌群的组成并增加胃肠道的通透性，最重要的是诱导肾上腺皮质分泌皮质醇，长期升高的皮质醇水平将会对大脑产生负面影响，其机制可能是菌群失调造成大脑海马体内N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）和5-HT1A 受体表达异常，加速了海马促肾上腺皮质激素释放，促进POD的发生。

2.3.2 细菌代谢物 肠道菌群释放的代谢物，如脂多糖、肽聚糖、SCFA和神经递质等，会增加肠道屏障的通透性，加速人体肠道致病菌的生长和粘连。革兰阴性菌细胞壁脂多糖（LPS）是肠上皮细胞表面TLR-4的激动剂，可穿过肠上皮屏障，从而导致免疫和HPA 轴的激活，影响脑功能。此外，肽聚糖可激活大脑中先天免疫系统的特定模式识别受体（PRR），而PRR 不仅是启动免疫反应的重要介质，还能够调节神经发育过程，在突触可塑性、学习、记忆和神经系统疾病中发挥重要作用。

3 肠道菌群在POD 预防中的作用

POD的出现对老年手术患者的预后有着严重的不良影响，但据报道，POD 病例中约有30%是可以预防的，因此围术期采取合理的预防措施可降低POD 发生率。现已有研究着手于肠道菌群方面来改善认知相关的疾病，主要目标是恢复肠道菌群的正常结构以及调节肠道细菌代谢产物。Liu 等发现髋部骨折患者的肠道微生物代谢产物氧化三甲胺（TMAO）水平高于同龄未发生骨折的患者，因TMAO 可以增加周围组织的氧化应激和炎症反应。那么如何调节肠道菌群调控TMAO的水平，成为减轻POD 发生的一个着手点。Yang 等研究表明，术前3 周持续使用益生菌可以降低手术后认知功能障碍的发生率，主要通过抑制海马区IL-6 释放和小胶质细胞激活。

目前对于POD 与肠道菌群紊乱的研究正日益深入，但肠道菌群种类繁多，如何确定某种特定细菌与POD 之间的关系较为困难。此外，手术及麻醉后肠道菌群组成变化与术后认知改变的研究较为匮乏，未来需要更多的基础及临床研究以肠道菌群为靶点，为预防及治疗POD 提供新方法。(参考文献略，读者需要可向编辑部索取)