肠道菌群与缺血性脑卒中相互影响的研究进展

杨常慧 晁 倩 付 冠 宫健伟▲

1.滨州医学院康复医学院，山东烟台 264000；2.山东省枣庄市峄城区中医院，山东枣庄 277000；3.滨州医学院附属医院康复医学科，山东滨州 256603

近年来，我国缺血性脑卒中（ischemic stroke，IS）的患病率仍呈逐年增长趋势，在2005—2019年的这15年间，我国IS的患病率由1044/10万上升至1256/10万，并且随着人口老龄化及城市化进程的持续推进，这种趋势只增不减[1]。虽然早期静脉溶栓、介入治疗等技术的应用极大地改善了IS患者的预后，但每年仍有近90万例患者死于IS，且近70%的IS幸存患者遗留不同程度的神经功能障碍，因此IS的防治工作仍然任重而道远[2]。肠道菌群是指分布在胃肠道的微生物群，主要包括厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和梭杆菌门等[3]，其中拟杆菌门和厚壁菌门占总数的90%以上，近年来有很多学者将厚壁菌门（firmicutes）和拟杆菌门（bacteroidetes）的比值（F/B）作为健康和疾病的预测指标[4]。国内外研究已经证明，肠道菌群可通过炎症反应、免疫反应、神经内分泌反应、迷走神经反应、菌群代谢产物等多种途径参与多发性硬化、帕金森病、吉兰巴雷综合征、阿尔茨海默病等多个神经系统疾病的发生，而肠道菌群与IS的研究更是近些年的研究热点[5]。研究证实肠道菌群和IS之间存在着密切的关系，其在肥胖、糖尿病、高血压、动脉粥样硬化等IS相关危险因素的病理过程中发挥重要作用，并可通过多种途径影响IS的发生及预后，有望成为防治IS新的治疗靶点。本文就肠道菌群与IS危险因素的相关性、肠道菌群与IS相互影响等内容做一综述，以期为肠道菌群与IS的相互影响的研究以及IS防治的研究提供一定的理论参考。

1 肠道菌群与缺血性脑卒中发病的相关性

1.1 肠道菌群与肥胖

有研究表明，肠道菌群与肥胖之间存在着因果关系[6]。其开创性的研究源于一项动物实验[7]，在相同的富含多糖的饮食喂养条件下，遗传型肥胖（ob/ob）小鼠、瘦小鼠（ob/+）和野生型（+/+）小鼠相比，肠道菌群的组成存在明显差异，肥胖型小鼠肠道中厚壁菌门的丰度相对增加，拟杆菌门的丰度相对降低，F/B值增加。在临床研究中也观察到肥胖成年人的肠道菌群多样性减少，菌群组成发生改变，并且肥胖成年人肠道菌群的总体多样性随着体重指数的增加而降低[8-9]。相关细菌已被证明和肥胖有着直接的关系，如克里斯滕森菌可以通过调节肠道菌群的组成，改善小鼠的肥胖[10]，史氏甲烷短杆菌可以增加脂肪组织的堆积[11]。另外，含有脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）的细菌肠杆菌在肥胖症患者的肠道中含量较为丰富，高脂饮食增加了含LPS细菌的丰度，增多的LPS通过通透性增加的肠道上皮进入循环血液，诱导代谢性内毒素血症以及先天性免疫反应[6]。特别是，LPS可与下游的Toll样受体4（TLR4）结合激活核因子κB（NF-κB）炎症途径，进而增强多种促炎细胞因子的转录[12]。最近的研究证明肠道菌群可刺激胰高血糖素样肽-1、胃饥饿素等胃肠道激素以及色氨酸、5-羟色胺等代谢产物的释放，参与饱腹感、宿主食欲、脂肪堆积和能量平衡的调节[13]。

1.2 肠道菌群与糖尿病

临床90%以上的糖尿病患者为2型糖尿病（T2DM）。动物实验和临床试验均有充分的证据证明肠道菌群与T2DM的发生发展有着不可分割的关系。Li等[14]比较40只T2DM组SD大鼠和正常组SD大鼠发现，T2DM组SD大鼠肠道内大肠杆菌和肠球菌的丰度明显高于正常组，而T2DM组的双歧杆菌和乳酸杆菌的丰度明显低于正常组。临床研究表明[15]，与正常组相比，T2DM患者的肠道菌群状态为中度肠道生态紊乱，其中产短链脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）的细菌（罗氏菌属、柔嫩梭菌等）丰度普遍降低，多种致病菌（梭菌、梭状芽孢杆菌等）的细菌丰度显著增加。肠道菌群的代谢产物SCFAs已被证明能够通过多种机制引起胰岛素抵抗及敏感性降低，其主要的作用机制包括：①SCFAs可通过激活G蛋白耦联受体家族调控胰岛素等胃肠道激素的分泌，引起脂代谢和糖代谢异常[16]；②肠道中低水平的SCFAs导致组蛋白去乙酰化酶的抑制作用减弱以及诱导T细胞转化为Treg细胞的能力减弱，使促炎因子和抗炎因子分泌失衡，引发慢性低度炎症，加速糖尿病的进程[17]。

1.3 肠道菌群与高血压

高血压是公认的IS最重要的危险因素，越来越多的研究开始报道肠道菌群在高血压中的作用。Tao等[18]发现，与正常大鼠对比，在自发性高血压大鼠以及慢性血管紧张素Ⅱ输注诱导的高血压大鼠模型中，均观察到肠道菌群的数量及丰度显著降低，F/B比值显著增加，且产SCFAs的菌群丰度减少，产乳酸盐的菌群丰度增加。进一步干预研究表明，使用抗生素和粪菌移植均可使高血压大鼠的血压恢复正常，肠道菌群重建平衡。临床研究显示[19]，与对照组相比，高血压患者肠道菌群的α多样性降低，革兰阴性菌的丰度升高，产SCFAs的菌群丰度下降。SCFAs因所作用的受体不同，而对血压有着不同的影响。血液中的SCFAs作用于血管平滑肌细胞上的嗅觉受体78（Olfr78）可升高血压[20]，作用于G蛋白耦联受体41（Gpr41）可降低血压[21]。另一个关键的菌群代谢产物胆汁酸也可直接与宿主相互作用而影响血压，初级胆汁酸在肠道内经菌群加工成次级胆汁酸后，可通过激活胆汁酸感应受体、法尼醇X（FXR）受体等来影响心血管功能[22]。此外，高盐饮食可通过诱导肠道菌群依赖的辅助性T-17细胞引起高血压[23]，与高血压发病机制有关的一氧化氮信号通路受到微生物多样性的影响[24]。

1.4 肠道菌群与动脉粥样硬化

动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）是IS的一个非常普遍的原因。Karlsson等[25]比较12名症状性动脉粥样硬化（心肌梗死或脑血管事件）患者和13名健康个体的粪便样本发现，症状性AS患者肠道中柯林塞拉菌属丰度相对较高，而对照组中真细菌和玫瑰菌属的丰度相对较高。有一项对218例AS患者和187名健康对照者进行的全基因组关联研究发现[26]，AS患者的肠道菌群因肠杆菌属和链球菌属的增加而严重失衡。一个突破性的发现是在AS斑块中发现了多种细菌DNA，并且相关动物实验已经确定了某些菌群（如幽门螺杆菌和牙龈卟啉单胞菌等）有助于增加AS斑块的面积[27]，斑块内的免疫细胞也被证明能够产生针对肠道菌群（如克雷伯氏菌和变形杆菌等）抗原的抗体[28]。

AS作为心脑血管疾病共同的病理基础，是一种涉及多种炎症递质的慢性炎症性疾病。Brandsma等[29]将促炎性肠道微生物群引入健康小鼠体内后观察到，健康小鼠血液中白细胞数量、促炎因子浓度增高，AS斑块中中性粒细胞的聚集增加。另外肠道菌群失调可使小鼠颈动脉内膜增厚，管腔狭窄率升高[30]。除了肠道菌群介导的促炎作用之外，肠道菌群代谢产物也影响AS的发生及演变。一个典型的例子是饮食中的磷脂酰胆碱、胆碱或肉碱经肠道菌群代谢生成三甲胺（trimethylamine，TMA），进入肝脏后被黄素单加氧酶进一步加工，转化为氧化三甲胺（trimethylamine -N -oxide，TMAO）。TMAO通过增加血管炎症和内皮细胞功能障碍以及刺激泡沫细胞形成AS斑块来影响AS的进展[31]。另外，TMAO还可以通过增加血小板高反应性促进血栓事件发生的风险[32]。

肠道菌群参与IS发病的具体机制尚未完全阐明，它是否可以作为IS的直接病因也有待探究，但肠道菌群通过多种机制增加IS的发病风险已经被证实。从目前的研究现状来看，肠道菌群更倾向于加速疾病的病理过程，因此肠道菌群可以间接参与IS的发生。

2 肠道菌群与缺血性脑卒中

2.1 缺血性脑卒中导致肠道菌群紊乱

研究表明[33]，大脑中动脉闭塞（middle cerebral artery occlusion，MCAO）小鼠模型的肠道菌群较假手术组相比，肠道菌群多样性显著减低，肠道菌群过度生长。肠黏膜微生物群中梭状芽孢杆菌的丰度增加以及Akkermansia黏蛋白原升高[34]。IS除了会引起肠道菌群结构及丰度变化之外，还会致使肠道菌群向外传播引发卒中后感染，如卒中后肺感染及泌尿系感染[35]。肠道菌群扩散到外周的重要因素是卒中发作后肠上皮细胞紧密连接蛋白表达减少使肠屏障通透性增加[36]。引发上述现象的其中一个机制是卒中后交感神经系统（sympathetic nervous system，SNS）的激活，IS后应激反应使胃肠动力降低，细菌过度生长[37]。另外，SNS的效应分子也可作用于免疫细胞上的肾上腺素受体诱导卒中后免疫抑制效应，使IS患者比健康人更容易发生感染[38]。

2.2 肠道菌群影响缺血性脑卒中的结局

关于菌-肠-脑（microbiota-gut-brain，MGB）轴双向通信的提出为IS的预防和治疗提供了新的思路。IS导致肠道菌群紊乱，紊乱的肠道菌群又反过来影响IS的预后。最经典的实验是Benakis等[39]人用阿莫西林治疗性的诱导菌群改变后，卒中小鼠的脑梗死面积减少了60%，且运动功能得以改善，其主要作用机制是菌群变化改变了小鼠肠道的免疫稳态，通过改变树突状细胞的活性，导致小鼠体内的Treg细胞增多，增多的Treg细胞一方面抑制小肠γδT细胞表达促炎症细胞因子IL-17，减少δT细胞向缺血部位脑组织的迁移；另一方面Treg细胞可分泌抗炎症细胞因子IL-10，通过调节卒中后的神经炎症反应，减少卒中小鼠的脑梗死面积。而在另一项Lim等[36]人的研究中却得到了相反的结论，菌群改变后卒中小鼠的脑梗死面积增大。但这两项研究所报道的关于肠道菌群和大脑之间潜在的交流机制大体是相符的。将老年小鼠的肠道菌群通过粪便移植管饲法注入年轻小鼠体内，然后构建MCAO小鼠模型后发现，MCAO小鼠体内的炎症因子水平升高，行为测试表现下降，病死率增加。相反，将年轻小鼠的肠道菌群移植入老年小鼠体内改善了老年MCAO小鼠的预后，增加了其存活率[40]。关于肠道菌群影响卒中结局的临床研究少之又少。IS患者的肠道菌群与宿主的代谢和炎症相关，具体表现为IS与乙酸浓度降低和戊酸浓度升高有关，同时乙酸浓度的变化与糖化血红蛋白和低密度脂蛋白水平呈负相关，而戊酸浓度的变化与C-反应蛋白水平和白细胞计数呈正相关，乳杆菌患病率的变化与IL-6水平呈正相关。

3 小结与展望

综上所述，肠道菌群通过多种途径参与IS的发病及预后，IS也可引起肠道菌群结构及代谢的改变，因此肠道菌群及其代谢产物均有可能成为IS潜在的治疗靶点。但未来研究仍面临着巨大的挑战：一方面，目前对肠道菌群与IS的理解大多来自动物研究，其临床试验仍然有待考究；另一方面，广泛评估肠道菌群的变化以及各种生物标志物是下一步IS防治的重点研究方向。为此，大量针对肠道菌群的动物及临床研究的探索对学者们来说既是不可避免的，也是令人期待的。