多模态MRI研究肠道微生态失衡导致2型糖尿病相关脑损伤研究进展

朱贞洋，陈晴晴，伍建林

(大连大学附属中山医院放射科，辽宁 大连 116001)

据国际糖尿病联盟(international diabetes federation, IDF)第9版《IDF全球糖尿病概览》统计，2019年中国糖尿病患者超过1亿，位居全球第一，且呈持续增长趋势；其中2型糖尿病(diabetes mellitus type 2, T2DM)占绝大多数。长期T2DM可致多系统受累，脑损伤为其严重并发症之一，但其病理机制尚未清楚[1]。随着肠道微生态学及神经影像学的长足发展，基于肠-脑轴(gut-brain axis, GBA)从微生物及功能影像学角度联合针对T2DM病理机制的研究现已取得重要进展，并发现肠道微生态失衡或可通过GBA影响中枢神经系统[2]。

1 肠道微生态失衡是T2DM潜在诱因

大量微生物群寄居于肠道中，以细菌为主，亦包括病毒和噬菌体等，构成肠道微生态系统。肠道细菌以厚壁菌门为主，约占51%，代表菌群为球形梭状芽孢杆菌和柔嫩梭菌；其次为拟杆菌门，约占48%，以拟杆菌属和普氏杆菌属为主[3]。肠道微生态系统在正常生理状态下处于动态平衡；当人体肥胖或处于病理状态如炎性肠病或糖尿病时，可出现相应异常改变。HOANG等[4]发现越南T2DM患者肠道内拟杆菌属和大肠埃希菌等致病菌占比显著高于健康人，而厚壁菌门和梭菌属细菌占比显著低于健康人，且具有保护作用的双歧杆菌大幅减少。QIN等[5]研究证实中国T2DM患者普遍存在肠道微生物失调，主要表现为产短链脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFA)细菌丰度降低而机会致病菌数量增加。此外，肠道细菌代谢产生多种生物活性物质，如D-乳酸、氨和SCFA等，作为信息交换媒介，均可通过GBA对中枢神经系统产生重要影响。肠道微生态失衡与T2DM密切相关，由此或可从微生物层面解释T2DM发病机制。

2 肠道与大脑沟通桥梁——GBA

寄宿于肠道的微生物可分泌神经内分泌因子，影响宿主神经及免疫系统的成熟、发育及调节功能[6]。肠道菌群可通过多种途径影响脑；其中，GBA是肠道微生物与中枢神经系统的双向沟通系统，主要途径为神经、神经-内分泌及神经-免疫。研究[7]证实无菌(germ-free, GF)小鼠肠道空肠弯曲菌增加与其焦虑行为加重有关，免疫组织化学示迷走神经感觉神经元激活标志物c-Fos表达增加。迷走神经可能为GBA途径之一，且胃肠道感染可通过该途径影响宿主认知功能。ZHANG等[8]发现细菌脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)可触发炎症而下调小鼠内侧前额叶皮层(medial prefrontal cortex, mPFC)突触蛋白，诱导其产生抑郁症表现并致肠道菌群异常；切断其膈下迷走神经后未见类似异常，证实了迷走神经在GBA沟通中具有重要作用。

肠道是人体最大的内分泌器官，肠内分泌细胞(enteroendocrine cells, EEC)在GBA沟通中具有关键作用；餐后肠内分泌L细胞，后者分泌胰高血糖素样肽1(glucagon like peptide-1, GLP-1)和胃肠激素肽YY(peptide YY, PYY)，有助于控制食物摄入、体质量及新陈代谢。研究[9]证实，肥胖者血清GLP-1和PYY水平低于健康人。此外，肠内容物及微生物代谢产物可调节肠道内分泌细胞激活，其中近端肠道内分泌细胞激活主要由肠腔营养物质所调节，而远端则主要通过微生物衍生物调节，包括SCFA、次级胆汁酸及色氨酸代谢产物等[10-11]。ZHANG等[12]发现阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)小鼠肠道微生态失衡伴SCFA水平降低，表明AD小鼠胃肠道菌群失调所致SCFA代谢异常与AD有关。LIU等[13]同样发现自闭症谱系障碍儿童(autism spectrum disorder, ASD)肠道菌群失调伴SCFA代谢异常，表现为粪便乙酸及丁酸含量降低而戊酸比例增高。ARNOLDUSSEN等[14]发现高脂饮食可降低成年小鼠大脑灰质和白质完整性，导致其认知水平下降。

肠道为人体免疫细胞最密集的器官。有学者[15]提出肠道微生物群与中枢神经系统固有免疫细胞(主要为小胶质细胞)之间存在微妙的动态平衡。相比缺少特定病原体(specific pathogen free, SPF)的小鼠，GF小鼠小胶质细胞发育更不成熟，且对病原体不敏感；成年SPF小鼠在抗生素诱导下可出现中枢神经系统小胶质细胞形态受损，但重新定植肠道微生物后可得以恢复[16]。WAHID等[17]发现高脂饮食肥胖大鼠海马神经炎症及氧化应激水平增加，表现为海马区肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)-α和小胶质细胞抗体Iba1水平升高。外周细胞因子可作用于中枢神经系统，诱导局部产生细胞因子、释放过量促炎因子，甚至影响基底神经节释放多巴胺，从而导致神经心理疾病。

3 多模态MRI联合微生态学探讨T2DM相关脑损伤病理机制

多模态MRI主要包括结构MRI(structural MRI, sMRI)、弥散加权成像(diffusion weighted imaging, DWI)、静息态功能MRI(resting-state functional MRI, rs-fMRI)、磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging, SWI)及氢质子MR波谱成像(1H proton MR spectroscopy,1H-MRS)等，具有高软组织分辨力、多参数成像、单次检查即可提供脑结构和功能多维度信息等优势，现已成为神经科学领域不可或缺的重要手段。

3.1 sMRI及DWI sMRI已成为神经影像学领域应用最为广泛的MRI技术；基于水分子布朗运动原理的DWI及弥散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)可敏感地反映脑白质微结构改变，从宏观及微观角度显示脑结构异常，并定量脑组织体积、各向异性分数(fractional anisotropy, FA)及平均弥散率(mean diffusivity, MD)等，以评估脑损伤程度。T2DM导致大脑微结构损伤，以认知相关脑区及白质纤维束完整性下降为著[18-19]。有学者[20]对705例T2DM患者进行6年随访，发现T2DM认知功能下降与大脑认知相关区域脑萎缩有关，且可能始于病程早期。LI等[21]发现精神分裂症患者肠道微生物菌群丰度与双侧岛叶及右侧中央后回脑灰质体积呈显著正相关。TENGELER等[22]结合DTI及基因测序技术，发现将注意缺陷多动障碍(attention deficit hyperactivity disorder, ADHD)患者的肠道微生物群移植入小鼠可致其脑微结构损伤，表现为白质和灰质区域(如内囊、海马)结构完整性下降，且脑白质损伤与其肠道微生物菌群丰度显著相关。基于组织高分辨率的sMRI及DWI有助于检出T2DM早期脑损伤，结合先进的基因检测手段，可望进一步探明T2DM微生态失衡与脑损伤相互作用的深层机制。

3.2 rs-fMRI rs-fMRI可在无任务驱动情况下利用血氧水平依赖(blood oxygen level dependent, BOLD)对比检测大脑自发功能活动；借助默认网络(default mode network, DMN)有助于洞察脑功能，并与认知功能相关[23]。CHEN等[24]证实T2DM患者存在大脑皮层功能连接性受损，与认知相关脑区(如右侧颞中回、右侧中央前回和双侧枕叶皮层)的功能连接明显下降。有学者[25]基于MRI BOLD效应观察T2DM患者神经元活动与相应区域脑血流灌注的关系，发现多个脑区MRI神经血管标志物均显著降低。近期有学者[21]结合rs-fMRI及16S rRNA测序观察精神分裂症(schizophrenia, SZ)患者肠道微生物菌群，发现其失调与大脑结构及功能改变相关，如肠道微生物α多样性与双侧距状皮层、双侧舌回、左上枕叶皮层及右上顶叶皮层ReHo指数呈正相关，而罗斯菌属丰度与右上颞叶皮层、左侧楔叶及右侧颞中叶ReHo指数呈负相关。GAO等[26]发现婴儿肠道菌群α多样性与杏仁核和丘脑之间以及前扣带皮层和前岛叶之间的功能连接显著相关。CURTIS等[27]研究证实长期吸烟人群肠道微生物丰度及结构改变可影响大脑功能，表现为脑岛功能连接减少，且至少受普氏杆菌和拟杆菌属度的影响。肠道微生态失衡可影响脑网络，但具体机制仍有待深入研究。

3.3 SWI SWI利用组织间磁敏感性差异进行成像，对脑铁质沉积及微出血等尤为敏感。铁为合成血红蛋白的重要原料，机体主要通过肠道获取铁元素。脑铁蓄积参与认知障碍发病[28]，可使GBA葡萄糖传感过程紊乱，诱导T2DM，且脑铁超负荷可致胰岛素抵抗及氧化损伤，促进认知障碍发生发展。YANG等[29]采用定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping, QSM)观察T2DM患者脑铁沉积量与认知障碍关系，发现T2DM伴轻度认知障碍患者大脑认知相关区域(双侧尾状核、海马、左侧壳核和右侧黑质)敏感值显著高于健康人。FERNANDEZ-REAL等[30]观察20名肥胖者，发现其肠道放线菌门相对丰度及认知水平测试评分均降低，认知相关脑区SWI相关指标R2*值升高，提示肥胖可改变肠道菌群分布及大脑微结构，再次证明铁沉积与T2DM认知障碍相关，肠道微生态改变或为病程重要一环。目前对于T2DM患者肠道菌群与中枢神经系统铁沉积的关系仍未清楚，有待进一步观察。

3.41H-MRS1H-MRS是目前神经影像学领域唯一可于活体状态下无创观察组织代谢物种类、含量及演变的成像技术，能敏感准确地反映早期中枢神经系统各区域代谢活动及其异常改变。T2DM伴认知障碍患者认知相关脑区、特别是海马和丘脑存在1H-MRS相关代谢指标异常，以N-乙酸门冬氨酸/肌酸(N-aspartic acid acetate/creatine, NAA/Cr)降低、胆碱/肌酸(choline/creatine， Cho/Cr)增高为主，且1H-MRS代谢指标与T2DM相关生理生化指标(如HbA1c、体质量指数等)呈负相关[31]。JANIK等[32]采用MRS定量评估经乳杆菌饲喂后小鼠大脑相关生物标志物，包括谷氨酰胺(glutamine, Gln)、总NAA、总Cr、总Cho及γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid, GABA)，发现神经活性细菌乳杆菌可促进特定脑区GABA受体亚型持续变化，并改善小鼠焦虑；接受益生菌治疗后，小鼠脑功能重要生物标志物GABA、NAA和Gln均有不同程度升高。上述研究结果表明，部分神经活性细菌存在特殊代谢途径，可通过GBA影响T2DM患者精神心理及认知状态。HE等[33]发现精神病超高危患者肠道菌群失调与扣带皮层Cho浓度升高有关，而Cho水平升高是大脑细胞膜功能障碍的影像学征象。然而，肠道菌群通过GBA影响中枢神经系统的病理机制尚无统一定论，1H-MRS或可为后续探讨T2DM患者肠道微生态失调与脑损伤机制提供技术支持。

4 小结及展望

近年来，随着GBA的提出与相关研究的深入，T2DM相关脑损伤机制再次成为热点话题，但其病理生理机制尚未明晰。多模态MRI有助于无创早期检测T2DM脑损伤，观察部分影像学指标及其与肠道微生态的相关性，为阐明T2DM肠道微生态失衡与相关脑损伤病理机制开辟新途径。未来应基于多学科协作模式，立足于GBA，结合T2DM肠道微生态失衡及多模态MRI标志物，实现早期筛选T2DM脑损伤易感人群，为临床早期干预及用药提供指导帮助，为研发相关药物提供理论依据。