肠道菌群及代谢物与卒中相关性肺炎相关性的研究进展

2023-09-01黄晓沁章璐璐

中国实用神经疾病杂志 2023年7期

黄晓沁章璐璐丁蔚

苏州大学附属第一医院，江苏苏州 215006

卒中相关性肺炎（stroke-associated pneumonia，SAP）是卒中早期出现的常见并发症，严重影响疾病预后，其发生率7%～38%［1］，在卒中后第3 天即可达发病高峰［2］，与延长住院时间、增加住院费用以及严重残疾、死亡风险上升有关［1］。

人体微生物总数约为3.8×1013个，与全身细胞数量的比例达1∶1，其中绝大多数定植于胃肠道［3］。肠道菌群伴随人类的生长，并参与各种病理生理过程。肠道菌群及其代谢物已被证明在各种疾病中发挥重要作用，包括房颤、心力衰竭等心血管疾病［4］和帕金森病、阿尔茨海默病、多发性硬化症等神经系统疾病［5］。尽管组织化卒中医疗取得一定效果，但大多数缺血性脑卒中患者获得的治疗有限，SAP 依然恶化卒中结局［6］。许多证据表明肠道菌群及其代谢物与SAP 联系紧密，或可成为其独立预测因子［7］，昭示其在SAP防治上的诱人潜力。本文综述肠道菌群及其代谢物与SAP 的关系，以期为SAP 的机制、预防、治疗的研究提供参考。

1 肠道菌群失调与SAP发生明显相关

1.1 正常人群中的肠道菌群得益于技术的发展，尤其16sRNA基因测序和宏基因组学的普及，越来越多的肠道微生物为人所知［8］。人类肠道微生物组以厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形杆菌门为主，其中厚壁菌门和拟杆菌门占健康肠道菌群90%［9］，并维持一定的比例，比例的失调可能预示炎症和疾病［10］。

1.2 SAP 人群中肠道菌群的改变在SAP 患者中，肠道菌群会显示出明显的变化，表现为有益菌的减少和条件致病菌的富集。XIA等［7］将188名缺血性卒中患者纳入队列，对粪便标本进行分析，发现SAP患者和非SAP 患者肠道微生物有差异性。其中，SAP患者表现出SCFAs产生细菌（罗氏菌属）的减少和条件致病菌的增加，菌群失调程度与SAP风险、严重程度呈正相关。除此之外，还观察到乳酸菌在SAP 组患者中富集，且在重症肺炎患者肠道中的丰度高于轻症肺炎患者，提示肠道乳酸菌与SAP 之间存在潜在关联。确切的关系未知，但有推测认为，这种富集可能是一种对其他丁酸产生细菌损失的代偿，或此现象仅局限于乳酸菌的部分菌株和菌种［11］。

2 肠道菌群及其代谢产物与SAP发生的机制研究

2.1 微生物-肠-脑轴肠道和大脑并非两个孤立的系统，而是在微生物介导下，于神经、免疫、内分泌机制上直接或间接地产生双向交流。微生物-肠-脑轴主要由免疫通路（包括细胞因子）、微生物代谢物、神经活性通路（神经活性代谢物和神经递质等）、神经通路（脊神经、肠神经系统和迷走神经）、内分泌通路以及下丘脑-垂体-肾上腺轴构成［12］。卒中与肠道菌群通过“肠脑轴”相互作用，卒中可引起肠道菌群的改变；反过来，肠道菌群也对卒中进行正面或负面的调节。中枢神经系统可通过调节肠腔分泌及肠道环境的方式自上而下影响肠道微生物群，这一过程的传导信号通常涉及儿茶酚胺和自主神经系统；微生物通过其衍生物可直接与肠内分泌细胞、黏膜免疫系统相互作用，或穿过肠屏障、血脑屏障以完成自下而上的信号传播［13］。

2.2 肠道菌群及其代谢产物参与SAP的机制

2.2.1 肠道菌群易位诱发SAP：STANLEY 等［14］首次提出菌群易位可能是引发SAP的新机制。研究人员对卒中后感染病人的血液、尿液或痰液进行微生物培养后发现，在阳性样本中检测到70%微生物都存在于人类肠道中的共生细菌（肠球菌、大肠杆菌和摩根氏菌）。进一步探究微生物的来源及途径，发现感染可能来自宿主体内而非体外环境，SourceTracker算法预测其来自肝脏和小肠。ZHANG 等［15］发现出血性卒中发生7 d 后小鼠的肺组织和回肠组织中微生物群落的构成相似，说明肠道菌群已经从肠道迁移至肺组织，并引起感染。菌群定植的部位似乎具有很强的选择性，即肺部和肝脏［14］；定植菌群的种类与卒中小鼠的年龄也似乎具有关联性［16］，但背后的驱动机制仍不清晰。

上述两个研究中，卒中小鼠的肠道屏障都出现肠壁通透性增加、肠道完整性受损等表现。紧密连接（tight junction，TJ）将肠上皮细胞紧密结合在一起，起调节屏障通透性的作用，但在卒中小鼠中TJ 表达降低，且上皮细胞间TJ间空隙增大，表明肠道机械屏障受损［15］。肠道拥有复杂的神经系统，肠道屏障亦受到多个神经控制。STANLEY 等［14］观察到卒中小鼠的肠道神经元明显丢失，肾上腺素能和胆碱能神经元比例增加，抑制β-肾上腺素能受体能显著恢复肠道通透性，表明交感神经参与调节这一过程。此外，髓样细胞触发受体1 受交感神经的驱动，在肠道固有层单核吞噬细胞亚群中被诱导表达增加，不仅放大了卒中损伤，而且增加了肠道通透性和细菌的易位，与卒中后细菌感染高度相关［17］。

2.2.2 肠道菌群参与SAP的机制

2.2.2.1 免疫调节：卒中后受损的大脑可以在卒中急性期后抑制外周免疫，主要表现为单核细胞失活、淋巴细胞减少、淋巴细胞表型转变等［18］，被称为卒中诱导的免疫抑制（stroke-induced immunodepression，SII）。SII 抑制包括肺部在内的机体免疫系统，增加了卒中后感染易感性，与SAP 的发生密切相关［19］。在此前提下，当肠道菌群经肠道易位至肺部时，致病菌的侵袭将更容易突破肺部免疫防线，最终导致SAP。

肠道微生物群是淋巴细胞群的有效调节因子，可诱导Treg细胞和Th17细胞的分化［20］。Treg具有抗炎、免疫抑制和神经保护的功能，其分泌的抑制性细胞因子，如IL-10等能直接下调效应T细胞的效能，增加感染风险。相反，由Th17 细胞及γδT 细胞分泌的细胞因子IL-17，通常被认为具有促炎和神经破坏功能［21］。肠道菌群可调节肠道DC 活性，诱导产IL-10的Treg细胞生成，抑制肠内的IL-17γδT细胞，改善卒中结局。经粪便移植改善失调微生物群后，外周免疫器官和缺血脑中Treg 细胞数量增加，卒中结局亦改善［22］。小肠中存在的分节丝状菌或青春双歧杆菌能促进大量Th17细胞产生，增强肠道屏障功能，介导对致病性真菌感染的保护［23］。大部分IL-17 家族蛋白可以恶化卒中的发展［21］，但IL-17在肠道屏障的保护上也起相当的作用。IL-17 不仅能通过维持肠道上皮的紧密连接和上调抗菌蛋白来保护黏膜屏障，而且可以刺激组织再生，在组织损伤的情况下恢复屏障功能［24］，可见关于IL-17的具体作用还需进一步了解。

此外，微生物可直接影响肺部的免疫。粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF）被认为可以预防卒中后感染。BROWN等［25］研究显示，当小鼠肺部遭遇肺炎链球菌或肺炎克雷伯菌感染时，一些肠道微生物群，如罗伊氏乳杆菌、粪肠球菌、卷曲乳杆菌等，通过IL-17A信号通路调节肺部产生GM-CSF，后经GMCSF途径刺激肺泡巨噬细胞，从而促进肺部病原体的清除。不仅如此，这些肠道微生物亦能激活Nod 样受体，并与GM-CSF途径共同调节肺部免疫。

2.2.2.2 影响肠道稳态：一方面，特定的肠道菌群有助于保护肠道屏障，增强屏障防御功能，如肠道中包括乳酸菌、双歧杆菌在内的丰富益生菌群。研究表明，这些益生菌可通过多种表面分子构成的微生物相关分子模式，特异性地与模式识别受体结合，从而参与调节多种信号通路、产生多种细胞因子和趋化因子，起抑制炎症、增强肠上皮细胞间的紧密连接、拮抗病原体的侵入等作用［26］。但基于对益生菌多样性的考虑，益生菌的特性与种类甚至作用组织都有关，因此不可对其作用效果一概而论，需要在具体情形下讨论［27］。另一方面，部分肠道菌群可作用于另外的菌群，以保持正常菌群生态。CHEN 等［28］指出，卒中后不仅肠道菌群有显著改变，而且不同菌群间存在一定相关性。在所有卒中受试者中，普拉梭菌和直肠真杆菌在丰度上占主导地位，且彼此呈正相关；大肠杆菌、嗜黏蛋白阿克曼菌与直肠真杆菌呈显著负相关。嗜黏蛋白阿克曼菌可能通过主动抑制阻碍病原体向上皮细胞迁移，减少病原体向肺部的易位及传播。除此之外，肠道的正常微生物群本身也能与致病菌竞争生态位，减少致病菌的定植［29］。

2.2.3 肠道菌群代谢产物参与SAP 的机制：脱氨基酪氨酸（desaminotyrosine，DAT）是一种由肠道梭状芽孢杆菌通过代谢类黄酮化合物或氨基酸而产生的降解产物，可调节免疫，减轻肺部因感染受到的损伤。其感染防护作用是通过增强Ⅰ型干扰素信号，依赖吞噬细胞达成［30］。经高脂饮食喂养4周的小鼠，使用葡聚糖硫酸钠损伤其肠黏膜屏障，10 d后，DAT治疗组小鼠出现体质量减轻程度削减、血便缓解、肠道炎症生物标志物减少、血液脂多糖结合蛋白（lipopolysaccharide-binding protein，LBP）和C 反应蛋白水平均有所下降等表现，意味着DAT 不仅维护肠黏膜屏障的完整性，也减轻了黏膜损伤诱导的全身炎症，而这些功能也是经由Ⅰ型干扰素通路实现的［31］。

丁盐酸是重要的菌群代谢产物，对肺部细菌性感染具有保护作用。有团队探究了丁酸盐对感染肺炎克雷白杆菌小鼠的影响，结果提示丁酸盐治疗增加了小鼠存活率，有效减少了肺渗透和损伤。其机制为丁酸盐抑制HDAC 活性，提高肺中IL-10 水平，从而减轻肺部炎症。该机制下，丁酸盐还具有调节肠道吞噬细胞的免疫反应，下调促炎介质，维持肠道稳态的作用［32］。

3 基于肠道菌群的SAP防治手段

3.1 粪菌移植（fecal microbiota transplantation，FMT）肠道生态失调会影响正常的免疫和肠道功能，增加卒中患者获得SAP 的风险，因此恢复正常的肠道菌群结构对SAP防治有重要意义。短链脂肪酸对神经退行性疾病有重要保护作用，但在卒中患者肠道中水平明显降低，移植富含SCFAs 的粪便微生物群则显示出积极结果。经FMT 处理过的小鼠，肠道有益菌增加、致病菌明显减少；与对照组相比，神经损伤和梗死面积减少、肠漏改善［33］。这可能与SCFAs 改善肠道屏障和血脑屏障功能，降低脂多糖、LBP 和血清促炎细胞因子水平有关［34］。研究发现，在老年卒中小鼠中，使用粪菌移植灌胃建立年轻的生物群后，其行为障碍减少、大脑和肠道炎症缓解、卒中结局改善，表明FMT 的效果可能与移植的微生物群的年龄结构有关，提示了FMT 的一个新方向［35］。另外，肠道菌群受饮食、运动、生活方式等多方面影响，且人与人之间具体情况存在差异，而目前FMT的不良反应还不明确，因此在应用时需要因人而异、谨慎观察。

3.2 膳食调节膳食中的许多营养素可以直接或间接的调节肠道生态和机体免疫，膳食亦可经肠道菌群代谢后，形成代谢物进一步影响机体。

维生素D被证实可增强中性粒细胞灭杀肺炎链球菌的能力，抑制过度的炎症和细胞凋亡［36］。研究显示，血清维生素D的水平与SAP风险呈负相关，低维生素D状态可能是SAP的可靠危险因素［36］。而补充维生素D是否能预防SAP，目前未见报道。地中海饮食以水果、蔬菜、豆类、坚果、橄榄油为主要特点，富含纤维和不饱和脂肪酸，能调节肠道微生物群，提高其多样性，与增加SCFAs、强化肠道屏障功能、减轻炎症反应有关；相反，脂肪含量高的饮食可驱动菌群结构改变，与SCFAs 减少、肠道通透性增加、炎症反应加重有关［37］。

越来越多的膳食成分被证明行之有效，膳食调节无疑是一种值得期待的治疗方法。膳食成分多种多样，菌群代谢产物的功能也不相同，是否还有更多的成分能发挥作用，不同成分之间是否有相互作用，膳食调节的时间选择等问题在未来仍需要解决。

3.3 益生菌干预益生菌如双歧杆菌、乳酸菌等在疾病中有广泛的运用，它们可以通过多种机制发挥有益作用，包括诱导免疫调节、保护生理应激、抑制病原体、调节微生物群和改善肠道上皮细胞的屏障功能等［38］以对抗感染。尽管益生菌的潜在作用被不断认可，但仍有一些问题尚有存疑［38］，如益生菌在动物模型中产生的影响是否同样体现在人体中？益生菌是单独发挥效应还是由多种菌株共同作用的？它的安全性是否能得到保证，是否会引发新的感染？

相比之下，益生元或后生元似乎是更稳健的选择。益生元是被宿主微生物选择性利用的底物，如菊粉低聚果糖和其他多糖［39］，有学者观察乳果糖对卒中小鼠的影响，结果显示使用乳果糖补充剂下调了炎症反应，明显改善了卒中的结局，对肠道菌群失调和肠道屏障的修复也有一定作用［40］。后生元是指“无生命微生物和（或）其他为宿主带来健康益处的成分”，因是灭活的微生物，所以相较于益生菌其具有更好的安全性，对代谢、中枢神经系统、微生物群的调节和上皮屏障的功能都有一定影响［41］。益生元、后生元等的研究已成为一种趋势，安全、有效、联合将会是未来的研究方向。

3.4 选择性消化道净化/选择性口咽净化选择性消化道净化（selective digestive decontamination，SDD）/选择性口咽净化（selective oropharyngeal decontamination，SOD）是指预防性地在口咽部或胃肠道使用难以吸收的抗生素，以根除特定微生物，维护正常的肠道菌群［42］。然而，SDD 和SOD 的使用一直伴随争议，反对者认为会增强患者对抗生素的耐药性，并对其应用效果和安全性表示怀疑［43］；支持者则认为，SDD/SOD 的使用不仅能降低患者ICU 病死率和肺部感染率，且在长期观察中也未发现耐药性的增加［44］。不过，关于SDD/SOD 的研究大多在ICU患者中进行，直接应用于SAP患者的很少，且实验多在欧洲国家进行，在中高耐药性国家开展的研究少，国内相关研究不足，因此这一防治手段能否在我国推广，还需继续考察。

3.5 预防性使用抗生素革兰阴性菌在SAP患者中检出最多，其次为革兰阳性菌［45］。一项涵盖15 项研究的系统回顾指出，肠杆菌科（21.8%）、金黄色葡萄球菌（10.1%）、铜绿假单胞菌（6%）、鲍曼不动杆菌（4.6%）和肺炎链球菌（3.5%）是SAP普遍出现的病原菌［46］。根据SAP 病原学特点，预防性使用抗生素被提出以针对这些特定的病原菌。

关于预防性使用抗生素的研究已持续二十多年，早期研究存在样本量小、质量较低等问题，直到2015年，PASS、STROKE-INF等大规模随机对照试验结果的发表，为这一治疗方法的效果提供了更可靠的证据。研究显示，预防性使用抗生素并不能有效减少SAP的发生［47］。这可能是因为除了细菌感染之外，化学、免疫等原因在SAP中也起重要作用，因此，仅通过抗生素治疗并不能起到预防作用［47］。多篇荟萃分析表明，虽然预防性使用抗生素降低了总感染率，但主要是尿路感染，肺炎发生率无显著降低［48-49］。关于这一治疗手段，不同研究之间异质性较大、抗生素方案亦各不相同，迄今为止，仍无足够证据支持临床使用。