肠道菌群与缺血性脑卒中相关性的研究进展

程 萍, 陈治任, 孙 旭, 杨梅芳,, 张 侠, 黄文娟, 陈巍巍综述, 谢志远审校

缺血性脑卒中(ischemic stroke,IS)是一种常见的、好发于中老年人的脑血管疾病,被列为世界第二大死亡原因和第三大致残原因,充分挖掘其发病机制并进行调控,对于提高治疗有效率至关重要。近年来对肠道菌群的深入研究,揭示了肠道与大脑之间的双向沟通途径,提出了“脑-肠-菌群”轴的概念,并进一步证明了肠道菌群与中枢神经系统调节的相关性。肠道菌群通过“脑-肠-菌群”轴参与缺血性脑卒中危险因素的调控,也参与急性期发病机制的调控,并贯穿发病及预后全程。本文就肠道菌群、“脑-肠-菌群”轴和IS的相关性展开综述,挖掘肠道菌群对IS产生致病影响的机制。

1 “脑-肠-菌群”轴的概述

“脑-肠-菌群”轴是指中枢神经系统(central nervous system,CNS)和肠道菌群之间的双向联系,通过神经元通路(例如,自主神经系统和肠神经系统)、下丘脑-垂体-肾上腺轴(hypothalamic-pituitary-adrenal axis,HPA轴)、免疫通路之间的直接和间接信号传导形成网络,在维持 CNS 和胃肠系统的稳态方面具有重要作用[1]。大脑和肠道之间的信号传导通过神经元和非神经元机制发生。缺血性脑卒中发生后,从大脑到肠道的自上而下的通路影响肠道屏障功能和菌群组成,而从肠道到大脑的自下而上的信号触发炎症反应,影响卒中结局[2]。

1.1 自上而下的通路(脑→肠) 在自上而下的信号传导中,通路涉及自主神经系统、肠神经系统、HPA轴和免疫通路。自主神经系统由交感神经和副交感神经构成,通过释放的神经递质调节肠道稳态。肠神经系统位于黏膜下层的神经丛中,直接支配肠道运动,负责微生物于宿主之间的神经元连接[3]。除了以上两种直接神经输入外,HPA轴是“脑-肠-菌群”轴中重要的非神经元传递途径之一,释放皮质醇以影响肠道稳态以响应各种刺激,作为应激反应的通讯途径尤为重要[4]。

1.2 自下而上的通路(肠→脑) 自下而上的信号传导主要涉及迷走神经和免疫通路。迷走神经由80%的传入纤维和20%的传出纤维组成,在大脑和肠道之间的信号传输中起双重作用。这些传入纤维接受微生物代谢物和肠内分泌神经肽的刺激,通过迷走神经向整个大脑发出信号,调节神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞和血脑屏障的功能。肠道与大脑之间的相互作用,主要依赖于免疫通路[5]。在小鼠大脑中动脉缺血(MCAO)模型中,肠道相关淋巴组织缺陷小鼠缺乏肠道菌群介导的神经保护作用,表现出更大的梗死面积和更严重的神经功能缺损[6]。来自革兰氏阴性菌外膜的内毒素,如脂多糖(lipopolysaccharide,LPS),释放到循环中,通过激活小胶质细胞,诱导神经炎症,这表明肠道通过免疫途径与大脑交流[7]。

2 肠道菌群失调在缺血性脑卒中的作用

肠道菌群失调,导致“脑-肠-菌群”轴信号传导失调,诱导肠道屏障改变、内毒素血症、全身炎症和感染,影响卒中后的转归。

2.1 肠道菌群及其代谢产物参与缺血性脑卒中的调控 对脑卒中患者的临床试验揭示了IS后肠道菌群失调的特征,表现为肠道菌群α-多样性减少,包括厚壁菌门与拟杆菌门的比例改变,拟杆菌门、变形菌门和梭菌门等促炎菌群的丰度增加,与较大的梗死面积相关,厚壁菌门和放线菌门等抗炎菌群的丰度降低,机会致病菌(包括巨球菌属、肠杆菌属、脱硫弧菌属)丰度增加[8]。小鼠MCAO模型中,观察到乳酸杆菌和嗜热链球菌这类益生菌丰度的相对降低,恶化了小鼠肢体活动能力和认知功能[9]。肠道菌群的改变导致其代谢产物水平发生变化,其中影响最大的是LPS的增加和短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)的减少[10]。IS诱发肠道缺血,通过自由基反应产生过量的硝酸盐,促进肠杆菌科细菌的增殖,肠腔中LPS浓度升高,导致肠道连接蛋白表达减少,LPS进入循环系统,导致内毒素血症。LPS进入脑循环,激活脑内皮细胞中的Toll样受体4(toll-like receptor4,TLR4),破坏血脑屏障,通过增强慢性全身炎症,恶化卒中预后[11]。使用氨基胍或超氧化物歧化酶减少硝酸盐的产生,可抑制肠杆菌科细菌的过度生长,减少全身炎症。在肠道上皮中,SCFAs通过上调紧密连接蛋白的表达和增强抗菌肽的活性,增强肠道屏障完整性。SCFAs还促进小胶质细胞的分化和增殖,降低血脑屏障的通透性[12]。IS后SCFAs产生菌的缺乏,减少了SCFAs的产生,导致其抑制炎症反应的功能减弱,加剧缺血性脑损伤并造成不良预后[13]。

2.2 肠道菌群通过调节免疫系统影响缺血性脑卒中的预后 肠道菌群失调可以影响IS后脑损伤的严重程度和预后,主要体现在对免疫细胞的调节。在脑卒中早期,小胶质细胞的激活和T淋巴细胞的浸润增加,与卒中的恶化呈正相关,表现为更大的梗死面积、更严重的脑水肿和神经功能缺损。菌群失调影响细菌代谢产物的产生,主要是SCFAs水平显著降低[14]。SCFAs在IS后减少小胶质细胞活化并促进神经元可塑性,与卒中后更好的预后相关。T细胞在IS后的继发性脑损伤中起着至关重要的作用。促炎性T辅助细胞1 (T helper 1 cells,Th1)、T辅助细胞17 (T helper 17 cells Th17)和γδT-IL-17+细胞与卒中后神经炎症有关,而调节性T细胞(regulatory T-cells,Treg)具有抗炎和神经保护作用[15]。低水平的SCFAs 促进的T细胞亚群的扩张,诱导T细胞分化为效应细胞和调节细胞,加剧了Th1、Th17和分泌IL-17的γ δ T细胞亚群从肠道进入中枢神经系统,诱导缺血局部和慢性全身炎症。在一些动物MCAO模型中,抗生素预处理导致菌群耗竭,促进免疫抑制型Treg细胞的增加和促炎型效应T细胞的减少,会带来神经保护作用,表现为较小的梗死面积[16]。但无论卒中结果如何,抗生素诱导的菌群耗竭都会抑制效应T细胞的产生,造成普遍的免疫抑制,引起严重感染。使用特定的抗生素优先清除致病菌,可以达到减少梗死面积,改善长期预后的结果。

3 肠道菌群参与缺血性脑卒中相关危险因素的调控

缺血性脑卒中的危险因素复杂多样。肠道菌群失调会改变肠道微环境,影响肠道代谢和吸收功能,导致肠道菌群以不同方式影响缺血性脑卒中的危险因素,包括高血压(hypertension,HTN)、2型糖尿病(diabetes mellitus type 2,T2DM)、动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)等。

3.1 肠道菌群与高血压 HTN是脑卒中的主要危险因素,遗传和环境是其主要病因。越来越多的证据表明肠道菌群在HTN的发生和发展中起着重要作用。在HTN动物模型和HTN患者中,肠道菌群失调的特点是:(1)多样性减少,丰度降低,厚壁菌门/ 拟杆菌门(Firmicutes/Bacteroidetes,F/B)比值升高; (2)乳酸产生菌丰度增加和产SCFAs菌丰度减少。以上菌群失调特点,在自发性高血压大鼠(spontaneously hypertensive rat,SHR)和血管紧张素Ⅱ (angiotensin Ⅱ,Ang Ⅱ)输注的HTN模型,均有验证[17]。肠道菌群能够根据饮食或运动等生活方式因素来调整其组成。例如,高盐饮食显著降低乳酸杆菌的丰度。肠道菌群调节血压的方式,主要涉及交感神经系统、免疫系统和肠道系统。肠道菌群通过干扰胃肠的嗜铬细胞以增加血清素、多巴胺和去甲肾上腺素的释放,激活交感神经,诱导肠道通透性增加,随后肠壁内炎性细胞数量增加,并导致慢性低度炎症和肠道菌群组成的改变,进而通过向外周循环中释放有害的菌群代谢物来促进神经元活动,从而促进HTN[18]。

肠道菌群也可通过代谢产物,如SCFAs、 氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide,TMAO)、硫化氢(hydrogen sulfide,H2S)或细菌壁成分如LPS等对血压产生影响。SCFAs主要包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐,通过不同的方式发挥抗炎作用。乙酸盐和丁酸盐通过抑制组蛋白去乙酰化酶,促进Th1和Th17效应细胞以及Treg细胞的分化,产生抗炎作用。研究证明长期口服乙酸盐或丁酸盐可以预防SHR高血压的发展。摄入丁酸生成菌,如乳杆菌或短双歧杆菌,表现出与口服丁酸盐相似的血压调控作用。SCFAs还可以通过降低血管张力,直接影响高血压[19]。血浆TMAO水平升高影响肾素-血管紧张素系统,与血压呈正相关。高盐摄入导致血浆中TMAO浓度升高,引起大鼠肠道菌群失调。部分结肠细菌还可以产生H2S,通过舒张血管、减轻血管炎症和氧化应激、抑制肾素释放和血管紧张素转换酶活性等,降低血压。LPS是革兰氏阴性菌细胞壁的结构成分,可作为 TLR4激动剂。动物实验证明,TLR4的上调能够促进HTN的发病,但TLR4抗体处理的AngⅡ灌注小鼠部分只是恢复了血管功能,没有明显的降压作用,说明TLR4在血管功能障碍和氧化应激中发挥关键作用,但不能直接升高血压[20]。LPS还可通过增加去甲肾上腺素的水平,作用于下丘脑室旁核,降低压力反射敏感性,促进血压升高。

3.2 肠道菌群与2型糖尿病 2型糖尿病是缺血性脑卒中的独立危险因素,特点是胰岛素抵抗(insulin resistance,IR)和高血糖。肠道菌群失调是T2DM发生、发展的重要因素。糖尿病患者肠道菌群失衡,导致菌群的组成和功能遭到破坏。例如,普氏菌和拟杆菌等革兰阴性杆菌,与IR呈正相关。厚壁菌属和放线菌属丰度增加,拟杆菌属和变形菌属的丰度降低,这些主要与空腹血糖升高呈正相关。研究发现糖化血红蛋白升高的糖尿病患者大肠埃希菌含量显著升高[21]。IR和高血糖会导致凝血-纤溶失衡、血管内皮功能障碍和血小板高反应性,使机体处于血栓前状态。此外,高血糖还会抑制小胶质细胞和星形胶质细胞的活化和增殖,抑制脑卒中后神经功能恢复,因此合并糖尿病的脑卒中患者,卒中结果和预后也更差[22]。

肠道菌群的代谢产物通过不同的信号通路影响T2DM的进展。其中主要包括氨基酸相关代谢物、SCFAs、胆汁酸(bile acids,BAs)、TMAO和 LPS。氨基酸相关代谢物,如吲哚、酪胺和5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)等[23]。吲哚和5-HT均是色氨酸代谢物,吲哚可刺激肠道L细胞分泌胰高血糖素样肽-1 (glucagon-like peptide-1,GLP-1),从而促进胰岛素分泌,抑制胰高血糖素分泌。5-HT能促进胰岛素分泌,抑制体重增加、高血糖和胰岛素抵抗。酪胺可以刺激葡萄糖摄取,改善糖耐量[24]。SCFAs与血胰岛素水平和IR呈负相关。在胰腺中,SCFAs保护β细胞功能,促进胰岛素分泌。通过激活肠道糖异生、促进能量消耗和刺激线粒体功能,改善胰岛素敏感性[25]。BAs通过作用于法尼醇类受体(farnesoid X receptor,FXR)和 G蛋白偶联胆汁酸受体Gpbar1 (takeda G protein-coupled receptor 5,TGR5),调节机体葡萄糖稳态和脂质代谢,参与T2DM发病。TGR5主要表达于肠道和胰腺,可被BAs激活,促进肠道L细胞和胰腺α细胞释放GLP-1,有利于改善T2DM[26]。临床研究发现,TMAO水平升高与T2DM风险增加密切相关。血浆TMAO浓度每增加5 μmol / L,糖尿病患病率增加54 %[27]。动物实验研究表明,TMAO喂养小鼠的糖耐量受损,主要原因是TMAO促进了胰岛素抵抗、脂肪组织炎症和肝脏糖异生[28]。革兰阴性杆菌如普氏菌和拟杆菌等,这类机会病原体数量的增加,诱导LPS释放增加,直接损害肠道屏障并触发促炎因子的释放,诱导肠道低度慢性炎症,导致胰岛素转运失衡,从而诱导IR[29]。

3.3 肠道菌群与动脉粥样硬化 AS是一种由脂质代谢紊乱引起的多因素的慢性炎症性疾病,炎症是AS起始和进展的关键,病变特征是脂质和炎症细胞等在损伤内膜下的积累和转化。肠道菌群失调通过增加肠壁的通透性,导致全身细菌产物水平增加,引发局部和全身炎症,导致慢性炎症性疾病,包括AS。肠道菌群多样性与AS的发展呈负相关,即肠道菌群多样性越小,发生AS的风险越高[30]。肠道菌群移植(fecal microbiota transplantation,FMT)可转移AS易感性。临床研究发现,AS患者肠道菌群表现为拟杆菌减少,F/B比值增加。且AS的严重程度与拟杆菌属、粪杆菌属等益生菌的减少密切相关[31]。

肠道菌群的多种代谢产物,包括多胺、多酚、TMAO、SCFAs、LPS和BAs等,通过调节脂质代谢和炎症对AS产生间接影响。多胺(包括腐胺、亚精胺和精胺)是由前体鸟氨酸在肠道菌群的作用下合成的,通过抑制巨噬细胞中炎症因子的合成和白细胞功能相关抗原-1的表达抑制炎症[32]。多胺还可以通过促进肠上皮紧密连接的形成,以及肠损伤后的黏膜修复,诱导肠黏膜层的维持。多酚类化合物存在于许多天然产物中,具有抗氧化和抗炎的作用,需要经过肠道菌群的转化提高生物利用度,减轻AS。TMAO参与AS的作用机制,包括TMAO对炎症、胆固醇代谢和血栓形成的影响。TMAO通过抑制胆固醇逆转录、促进泡沫细胞的形成、增加血小板反应性和血管炎症来促进AS。动物实验中,富含胆碱的饮食会增加小鼠TMAO水平和动脉粥样硬化,且TMAO水平与斑块大小呈正相关[33]。TMAO可增加促炎细胞因子如TNF-α和IL-1 β的产生,减少抗炎细胞因子如IL-10的产生。SCFAs可以降低胆固醇合成率,降低血清中的胆固醇。 SCFAs可以直接作用于结肠细胞,减轻炎症和肠道渗漏。肠腔中的高SCFAs 浓度会降低结肠 pH 值并影响微生物群落,从而抑制机会致病菌的生长,促进有益细菌的生长,减轻AS。SCFAs还可以调节血管张力降低血压,因此可以减轻血管内膜损伤,减慢斑块的形成速度[34]。在动物实验中,高脂饮食改变了小鼠的肠道微生物组,引发细菌来源的LPS通过受损的肠壁流入体循环[35],激活免疫细胞表面的TLRs受体,TLR4/My D88依赖的信号通路被激活,诱导了促炎状态,促进AS。BAs代谢是胆固醇从体内输出的主要途径,通过反向胆固醇转运进行肝肠再循环,降低血液中胆固醇水平[36]。

4 结语和展望

在本综述中,我们简要论述了肠道菌群失调与IS的发病机制和预后的关系。两者之间存在双向调控,肠道菌群失调可促进IS的发生,IS加重肠道菌群失调。因此,恢复肠道菌群稳态可能是治疗IS的一个重大突破。目前,以肠道菌群为导向的IS治疗尚处于起步阶段,进一步研究肠道细菌来源的代谢物与IS的相关性,可能为IS的管理和治疗提供新的思路。