老年髋关节置换术后谵妄患者肠道菌群结构变化研究

梁嘉敏 杨子健 杨吉武 梁佩雯 胡顺晴

1广州中医药大学第三附属医院麻醉科，广州 510378；2广州中医药大学第三临床医学院麻醉科，广州 510405；3中国人民解放军南部战区空军医院麻醉科，广州 510601

术后谵妄（postoperative delirium，POD）常见于老年全麻术后患者，是一种以思维混乱、精神状态改变等为临床表现的急性且可逆的精神障碍，在60岁以上人群的发病率为20%～50%［1-2］。POD 显著影响患者术后恢复，延长了住院时间，增加了医疗费用，给患者家庭带来沉重负担。肠道菌群是指定植在消化道内的微生物群，这些细菌具有合成氨基酸、参与糖和蛋白质代谢、促进矿物质元素吸收的生理潜能［3-5］。目前POD 的发病机制尚不明确，肠道菌群可能通过脑-肠轴影响脑功能［6］。肠道菌群异常可能与自闭症、抑郁症、精神分裂症和阿尔茨海默病的发生、进展有关［7］。调节肠道菌群的组成，改善其生理功能，可能有助于脑疾病的防治。本研究利用16S rRNA 测序来观察和比较POD 和未发生POD（non-POD）患者肠道菌群的组成，探讨肠道菌群变化对POD的影响。

资料与方法

1、一般资料

（1）纳入标准：年龄60～80岁；均为髋关节置换术患者，美国麻醉医师协会（ASA）分级Ⅰ～Ⅲ级。（2）排除标准：有椎管内麻醉禁忌证的患者；重要脏器功能衰竭的患者；伴阿尔茨海默症或有精神疾病的患者；长期便秘、腹泻等既往有肠道疾病患者；术前1 个月内及术后非手术原因使用抗生素、微生态制剂、益生菌或特殊饮食的患者；不洁饮食史；未能在指定时间采集到标本的患者。所有患者均知情并同意研究内容。采用病例对照研究思路，选取广州中医药大学第三附属医院2019年9月到2021年8月腰硬联合麻醉下行单侧髋关节置换术的患者，随机选取其中发生POD 患者13 例，同期随机选取术后未发生POD 患者20 例，分别记为POD组和Non-POD组。

该研究已通过广州中医药大学第三附属医院医学伦理委员会批准，审查编号2020258。

2、方法

2.1、POD 的评定 参考Evered 等［8］对POD 的诊断标准，采用意识模糊评估法评定谵妄。诊断标准：（1）精神状态突然改变或起伏不定；（2）注意力散漫；（3）思维紊乱；（4）意识程度改变，包括完全清醒外的意识状态。（1）（2）+（3）或（4）可确诊谵妄，评定时间为术后7 d内或出院前。

2.2、麻醉方法 入室后开放静脉通道，所有手术患者均使用腰硬联合麻醉。患者取健侧卧位，穿刺部位选取L2～L3间隙，穿刺成功后在蛛网膜下腔缓慢推注0.5%罗哌卡因（广东华润顺峰药业有限公司生产，国药准字H20050325，规格：75 mg）1.6～1.8 ml，控制平面在T8 水平。硬膜外置管3～4 cm，术中可根据麻醉手术的需要于硬膜外追加0.5%罗哌卡因5.0～6.0 ml维持。

2.3、标本采集与检测 所有患者均留取术前12 h 及术后48～60 h的粪便，注意清洁采集，取适量置于无菌冻存管内，30 min内放置于-80 ℃冰箱冻存。送至华大基因股份有限公司完成16S rRNA 检测，选取细菌16S rRNA 的V3～V4 区进行基因扩增与测序；分析肠道菌群物种组成以及菌群Alpha 多样性分析（Chao1 指数、Shannon 指数）；并在90.0%相似水平的OUT 代表序列开展分类分析，与Silva 数据库在门、属2个水平上找出微生物信息并记录。

3、统计学方法

数据处理采用SPSS 20.0 软件，计数资料以例（%）表示，采用χ2检验；符合正态分布的计量资料采用均数±标准差（±s）表示，组间比较采用独立样本t检验，组内比较采用配对t检验，以P＜0.05则表示差异有统计学意义。

结果

1、一般资料比较

POD 组及非POD 组患者的年龄、性别、文化程度、ASA分级、体质量、手术时长、罗哌卡因用量比较差异均无统计学意义（均P＞0.05），具体见表1。

表1 两组髋关节置换术患者一般资料比较

2、肠道菌群多样性分析

POD 组术后Chao1 指数及Shanon 指数均低于术前，POD 组术后的Chao1 指数及Shanon 指数均显著低于Non-POD 组，差异均有统计学意义（均P＜0.05），具体见表2。

表2 两组髋关节置换术患者手术前后Chao1指数及Shannon指数比较（±s）

表2 两组髋关节置换术患者手术前后Chao1指数及Shannon指数比较（±s）

注：Non-POD组为术后未发生谵妄患者，POD组为术后发生谵妄患者；与同组术前比较，aP＜0.01

组别Non-POD组POD组t值P值例数2013 Chao1指数术前486.35±165.74471.28±169.300.2530.802术后455.20±153.50333.32±97.86a 3.1600.004 Shannon指数术前5.33±1.175.19±1.120.3410.735术后5.05±1.063.27±0.79a 5.180＜0.001

3、门水平肠道菌群相对丰度比较

POD 组术后厚壁菌门、变形菌门的相对丰度均高于术前，放线菌门、拟杆菌门的相对丰度均低于术前，差异均有统计学意义（均P＜0.05）；POD 组术后厚壁菌门、变形菌门的相对丰度均高于Non-POD 组，放线菌门、拟杆菌门的相对丰度均低于Non-POD 组，差异均有统计学意义（均P＜0.05）。详见表3。

表3 两组髋关节置换术患者手术前后门水平肠道菌群相对丰度比较（%，±s）

表3 两组髋关节置换术患者手术前后门水平肠道菌群相对丰度比较（%，±s）

注：Non-POD组为术后未发生谵妄患者，POD组为术后发生谵妄患者；与同组术前比较，aP＜0.05，bP＜0.01

时间术前术后组别Non-POD组POD组t值P值Non-POD组POD组t值P值例数20132013厚壁菌门47.72±7.0547.19±6.840.2140.83246.70±6.9452.45±7.38b 2.2690.030放线菌门43.64±8.8244.03±8.680.1250.90142.75±9.4332.35±8.60b 3.2020.003拟杆菌门24.75±4.6422.98±4.331.0990.28021.37±4.17a 12.68±3.78b 6.062＜0.001变形菌门13.40±2.8713.89±3.050.4680.64316.42±3.55b 21.45±4.73b 3.4880.002

4、属水平肠道菌群相对丰度比较

POD 组术后萨特氏菌属、葡萄球菌属、变形杆菌属、梭状芽孢杆菌属的相对丰度均高于术前，双歧杆菌属、柔嫩梭菌属、拟杆菌属的相对丰度均低于术前，差异均有统计学意义（均P＜0.05）；POD 组术后萨特氏菌属、葡萄球菌属、变形杆菌属、梭状芽孢杆菌属的相对丰度均高于Non-POD 组，双歧杆菌属、柔嫩梭菌属、拟杆菌属的相对丰度均低于Non-POD 组，差 异 均 有 统 计 学 意 义（均P＜0.05）。详见表4。

表4 两组髋关节置换术患者手术前后属水平肠道菌群相对丰度比较（%，±s）

注：Non-POD组为术后未发生谵妄患者，POD组为术后发生谵妄患者；与同组术前比较，aP＜0.01，bP＜0.05

时间术前术后组别Non-POD组POD组t值P值Non-POD组POD组t值P值例数20132013萨特氏菌属8.29±1.427.91±1.300.7760.44810.18±2.40a 16.45±3.74a 5.078＜0.001葡萄球菌属11.65±2.1212.04±2.280.5010.62014.92±2.94a 21.38±4.60a 4.256＜0.001变形杆菌属8.75±1.148.38±1.220.8860.3829.48±1.6715.33±3.22a 5.665＜0.001梭状芽孢杆菌属10.14±2.1810.37±2.330.2880.77514.70±2.92a 28.55±4.90a 8.652＜0.001双歧杆菌属49.75±6.1346.87±7.241.2280.22945.24±7.08b 29.41±5.80a 6.718＜0.001柔嫩梭菌属16.38±2.6716.93±2.850.5630.57713.50±2.31a 10.18±2.04a 4.218＜0.001拟杆菌属35.68±5.0735.89±5.230.1150.90934.76±4.7227.65±3.59a 4.622＜0.001

讨论

研究发现，肠道菌群数量的变化与炎症因子表达（TNF-α、IL-2、IL-6、IL-12等）、T淋巴细胞亚群水平（CD4+、CD8+、CD4+∕CD8+）及胃肠功能紊乱相关［9-10］。亦有研究认为，肠道菌群可能介导了POD、认知功能障碍。Zhang 等［11］建立了谵妄小鼠模型，并与正常小鼠比较，谵妄小鼠的肠道菌群多样性显著低于正常小鼠。术后POD可认为是脑功能受损的一种状态，POD 的发生常是多因素协同的结果，和年龄、麻醉、手术等因素有密切关系，但具体机制尚未完全明确。研究表明，围手术期由于抗生素应用、麻醉药物影响及肠道准备相关措施可引起肠道菌群紊乱［12］。而肠道菌群紊乱可通过炎症因子通路、下丘脑-垂体-肠轴功能紊乱、免疫途径、迷走神经途径及神经递质的合成与表达，影响脑细胞增殖、代谢、凋亡与活性，引起中枢性神经损害，导致认知功能下降。亦有研究发现，肠道菌群失调还可能介导核因子-κB（NF-κB）、α-乳白蛋白、肽聚糖识别蛋白R 等表达，影响认知功能［13-14］。

Chao1 指数与Shannon 指数均是反应物种多样性的指标，Chao1 指数与Shannon 指数越大，代表肠道菌群多样性越高。Li 等［15］研究表明，肠道内有害菌群的增多和有益菌群减少的肠道菌群多样性改变可引起脑血管疾病和内皮功能障碍，导致全身性免疫反应及微炎症状态，增加了认知功能障碍的风险。Jiang 等［16］研究发现，对POD 小鼠采用益生菌治疗可矫正肠道菌群紊乱状态，提升Chao1 指数与Shannon 指数，继而改善认知功能。本研究显示，POD 组术后肠道菌群Chao1 指数、Shannon 指数均显著低于Non-POD组，说明髋关节置换术后老年POD 患者的肠道菌群表现为多样性下降。

动物实验研究发现，伴高尿酸血症轻度认知功能障碍的大鼠，在厚壁菌门、软壁菌门、变形菌门的丰度与健康大鼠存在显著差异［17］。Shin 等［18］表明，微生态失衡中的变形菌与宿主的营养、代谢紊乱与免疫失调的炎症等因素相关，其认为肠道菌群的紊乱常源于变形菌门丰度的变化。Rai等［19］报道了肝性脑病患者肠道中拟杆菌门的比例显著降低。伍晓莹等［20］研究发现，对认知功能损伤的小鼠模型，给予益生菌混合物（链球菌、双歧杆菌、乳杆菌等）治疗，可减轻肠道的免疫炎症反应，调节肠道菌群丰度，继而减轻认知功能障碍。本研究显示，POD 组术后门水平上的厚壁菌门、变形菌门相对丰度均较非POD组高，放线菌门、拟杆菌门的相对丰度较非POD 组低。说明髋关节置换术后老年POD患者存在肠道菌群门水平上的结构紊乱。

研究发现萨特氏菌属与多种疾病相关，可引起消化障碍及炎性反应［21］。研究表明在高脂肪饮食的小鼠中，认知功能变化早期可伴随盲结肠之间细菌多样性的变化，如葡萄球菌的增加、双歧杆菌减少［22］。肠道菌群中的有益菌属，如双歧杆菌属、柔嫩梭菌属、拟杆菌属等除了提供机体营养、增强肠道免疫外，其产生的短链脂肪酸还可维护人体肠道粘膜的完整性及肠道菌群的稳定性。双歧杆菌被证实可有效改善动物的焦虑行为，有益于改善中枢神经系统功能［23］。Wang 等［24］指出慢性心衰患者的拟杆菌属减少可引起认知缺陷。Bajaj 等［25］表明肝性脑病患者柔嫩梭菌属减少，可出现认知功能下降。本研究显示，在属水平上，POD组术后萨特氏菌属、葡萄球菌属、变形杆菌属、梭状芽孢杆菌属的相对丰度均显著高于非POD组；双歧杆菌属、柔嫩梭菌属、拟杆菌属的相对丰度均低于非POD组。这提示，髋关节置换术后老年POD患者肠道菌属存在结构紊乱。

综上所述，本研究显示髋关节置换术后POD 患者肠道菌群表现为多样性下降：厚壁菌门、变形菌门增多，放线菌门与拟杆菌门减少，萨特氏菌属、葡萄球菌属、变形杆菌属、梭状芽孢杆菌属增多，双歧杆菌属、柔嫩梭菌属、拟杆菌属减少。由于肠道菌群与POD 的发生、进展机制尚未完全阐明，尚不能肯定是哪些特定菌群导致术后认知功能下降。在微生物调节肠道菌群治疗方面，需考虑肠道菌群极具个体化特征、菌群间互相影响、药物影响、饮食差异等因素，方可形成可推广的治疗经验。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突