肠道菌群与缺血性脑卒中相关性及干预方法研究进展*

班宜奎 任庆华 金娜英 孙垚 张勇

（北京中医药大学东直门医院 北京 100700）

脑卒中是由于脑部血管破裂或由于脑血管阻塞导致血流不能顺利通过大脑而引起的脑组织损伤，分为缺血性脑卒中和出血性脑卒中。一项针对中国卒中的流行病学调查显示我国脑卒中发生率、致残率和死亡率均较高，其造成的残疾或死亡已超过了其他疾病。而在发病和流行的卒中中，缺血性脑卒中（Ischemic Stroke,IS）则分别占69.6%和77.8%[1]。虽然临床上已采用如动静脉溶栓、血管介入及神经保护等疗法，但是也存在着诸多问题。溶栓治疗有严格的时间窗限制且有颅内出血的危险；介入治疗则要考虑手术时间和术后药物应用的问题；神经保护治疗虽然理论上可以促进神经功能恢复，但实际作用并不理想[2]。而随着脑肠轴的发现，研究者们认识到急性脑损伤会导致肠道微生物群失调，反过来，肠道微生物群的变化可通过免疫机制等影响卒中后的神经内分泌和功能等，是启动卒中后神经炎症的关键调节因子[3]。本研究就微生物-肠-脑轴相关性及相应的干预方法进行综述，以期为IS 的治疗提供新思路。现综述如下：

1 微生物-肠-脑轴

脑肠轴是整合了肠和脑之间自主神经系统，下丘脑-垂体-肾上腺轴和交感-肾上腺轴等结构的双向沟通系统，肠道菌群作为脑肠轴的重要组成部分，通过免疫系统、神经系统、色氨酸代谢及其代谢产物等与大脑相互交流，在大脑发育及病理反应中发挥关键作用[4]。Sharon 等[5]研究发现共生肠道菌群与神经发生、髓鞘形成、小胶质细胞成熟、血脑屏障和神经元生长、分化有关；宿主微生物群的耗损严重改变了小胶质细胞的特性，并且微生物群复杂性降低也会导致小胶质细胞缺陷，复杂微生物群的再定植则恢复了小胶质细胞的特征[6]。中医藏象理论认为“心与小肠相表里”“心主血脉，主藏神”“小肠主受盛化物，分清别浊”。心神清明，血脉通畅，小肠的吸收转化和输布功能才能正常；小肠泌别清浊功能正常，才能化生精血滋养心脉，两者在生理和病理上密切关联。中医所说的“心”与脑的功能实际上是相通的，肠道菌群参与小肠对食物的消化吸收，是小肠功能系统的重要组成部分，因此“心与小肠相表里”实际上类似于现代医学的脑肠轴。现代医学研究亦证实，心与小肠来源于同一胚层，胚胎发育早期产生的神经脊分别进入了中枢神经系统和肠神经系统[7]。因此不管是从现代医学研究还是从传统医学的理论来看，从肠道菌群干预脑系疾病具有一定的可行性。

2 IS 与肠道菌群相关性

传统认为IS 的发生发展与糖尿病、高血压、动脉粥样硬化、心房颤动等因素有关[8]，近年来随着脑肠轴的研究成为热点，学者发现肠道菌群及其代谢产物可以通过影响中枢神经系统、调节糖脂代谢及免疫反应等方式直接或间接影响IS 的病理发展。同时肠道菌群及其代谢产物的变化在IS 的早期诊断和防治方面具有重要意义。

2.1 病理相关性 Dang 等[9]发现脑卒中会引起明显的肠道菌群失调，与健康对照组相比，脑卒中后患者肠道菌群α 多样性更高，Beta 分析显示产短链脂肪酸的细菌丰度降低，条件致病菌丰度增加。针对大动脉粥样硬化卒中的病例对照研究显示，与无症状对照组相比，卒中患者肠道菌群以有害菌、条件致病菌及少数共生菌过度生长为特征[10]。肠道菌群的失调反过来又会影响卒中的进程，Spychala 等[11]利用幼龄和老年小鼠建立缺血性中风模型（MACO），然后通过粪便移植灌胃改变幼龄小鼠的肠道微生物群使其与老年小鼠相似，结果MACO 后死亡率增加，行为测试表现下降，促炎细胞因子水平升高；而改变老年小鼠的微生物组使其与年轻小鼠相似，则可提高生存率且保护性的细胞因子增加。这可能与失调的肠道菌群会影响卒中后全身炎症[12]、调节基质金属蛋白酶水平并影响血脑屏障通透性[13]、诱发卒中后感染有关[14]。然而生理性肠道菌群的存在对于IS患者亦具有重要意义，Winek 等[15]通过广谱抗生素制造了肠道微生物耗尽的卒中小鼠模型，并设置了假手术组作为对照，发现卒中小鼠模型的存活率显著降低，并且出现了严重的急性结肠炎。另一项动物实验发现相对于肠道无菌小鼠，常规小鼠和细菌再定植小鼠的卒中结局改善，并表明脑损伤后需要肠道微生物群来产生足够的淋巴细胞激发免疫反应，执行组织保护，而淋巴细胞缺陷小鼠中则没有微生物介导的脑保护[16]。

2.2 诊断和防治相关性 由于IS 的严重危害性及治疗方法上的不足之处使得IS 的早期诊断和防治显得尤为重要。随着临床和动物实验的开展，研究者们发现卒中后肠道菌群及其代谢产物的水平可能在IS 的早期诊断和防治方面具备潜力。Ji 等[17]通过高通量测序技术对IS 患者肠道菌群进行分析，发现在IS 发病前肠道菌群可能已发生变化，或许可以作为早期诊断的指标。Wang 等[18]通过对脑梗死患者和健康人群粪便进行肠道微生物调查，发现脑梗死患者与健康人群粪便菌群的结构和多样性存在显著差异，认为肠道菌群可以作为脑梗死的一个辅助诊断指标。通过对腔隙性或非腔隙性急性缺血性梗死患者的粪便样本进行分析，并与健康志愿者的结果进行比较，结果鉴定出了可以用于诊断不同类型缺血性脑中风的微生物标志物，其中毛螺菌科和拟杆菌属可以作为腔隙性脑梗死的标志物，嗜胆菌属和毛螺菌科可以用于非腔隙性急性缺血性脑梗死的诊断[19]。在防治方面，Zeng 等[20]将无卒中史的患者按照传统风险因素分为低危、中危和高危组，发现与低风险组相比，高危组条件致病菌和产乳酸菌富集，而产丁酸菌减少，高危组粪便样本中的丁酸盐浓度也低于低危组。Gu 等[21]通过对轻微和非轻微卒中患者粪便微生物群的组成和结构分析，发现卒中严重程度不同，微生物群组成也不同。其中罗氏菌属丰度与急性缺血性卒中的严重程度、演变和预后相关，或许可以作为早期防治指标。另一项研究则表明罗氏菌属的减少和条件致病菌富集的微生物群落与卒中相关性肺炎风险增加有关，肠道菌群筛查有助于识别卒中相关肺炎高风险患者[22]。苯乙酰谷氨酰胺（PAGIn）是一种肠道微生物来源的代谢物，研究表明入院时血浆PAGIn 水平与IS 患者脑白质高强度的严重程度相关，调整年龄、性别和混杂因素后，较高的PAGIn 水平与中度严重的整体脑白质高强度独立相关，而脑白质高强度负荷又与IS 的高风险相关[23]。三甲胺-N-氧化物（TMAO）是由胆碱等通过肠道微生物代谢产生的一种有机化合物，研究发现TMAO 水平是首次卒中患者的独立预测因子，即使在调整了传统的危险因素后，这种关系仍然存在，可能是预测主要不良心血管事件的潜在生物标志物[24]。Zhang 等[25]研究了首次急性缺血性卒中患者的空腹TMAO 水平与3 个月功能转归和死亡率之间的关系，结果显示入院时TMAO 水平显著升高的患者与不良转归相关，调整传统风险因素后，TMAO 水平仍然可以预测卒中患者的不良结局，并提高了其他预测指标的预后准确性。急性缺血性卒中患者中短链脂肪酸产生菌和短链脂肪酸（SCFAs）的失调同样会增加随后出现不良功能结果的风险。研究发现卒中时SCFAs水平升高与促炎因子升高、身体恢复较差以及出院时症状加重有关[26]。

3 IS 与肠道菌群相互影响机制

脑卒中损伤可能通过激活下丘脑-垂体-肾上腺轴，引起脾脏萎缩，进而导致淋巴细胞生成缺陷和自然杀伤细胞缺乏，进一步导致外周免疫抑制，降低宿主对细菌的防御能力[27]，引起条件致病菌和致病菌富集，导致菌群失调。Xu 等[28]通过研究发现IS 可诱导肠道缺血并产生过量硝酸盐，从而导致肠道微生物失调。

大动脉粥样硬化、血栓形成、无菌性炎症在急性IS 发病和加重中发挥重要作用[29]，而三者与肠道菌群及其代谢产物有密切关系。另有研究认为氧化应激和异常自噬可能是急性IS 的机制之一，而肠道菌群失衡可能是促发因素[30]。

一项动物实验发现携带罗氏菌属的小鼠在喂食高纤维饮食后，动脉硬化斑块减少，并证明其机制与丁酸生成菌产生的丁酸降低肠道通透性、减少内毒素血症、降低血管细胞黏附因子1 的表达、脂质沉积和斑块中的巨噬细胞积聚有关[31]。Cason 等[32]对来源于肠道微生物的特定吲哚和苯基衍生代谢物进行了代谢组学研究，发现吲哚和苯基衍生代谢物也会影响晚期动脉粥样硬化。Wang 等[33]则发现TMAO 可促进与动脉粥样硬化相关的多种巨噬细胞清道夫受体的上调，而抑制动脉粥样硬化易感小鼠的肠道菌群可抑制动脉粥样硬化。

中枢神经系统损伤后全身免疫的改变可能导致肠道黏膜屏障的破坏和细菌及其产物易位到全身血液循环，影响免疫系统。脂多糖（LPS）是革兰阴性菌外膜的主要成分，通过Toll 样受体4（TLR4）激活固有免疫反应。肠道屏障功能受损后，会导致微生物群衍生的LPS 移位到循环系统，导致代谢性内毒素血症，并随血液循环黏附在小胶质细胞、内皮细胞和神经元的表面加剧神经炎症，恶化卒中结局[34]。同时LPS 可通过蛋白激酶刺激血小板分泌并增强血小板聚集，从而加重血栓的形成[35]。TMAO 作为菌群代谢产物，研究发现高血清TMAO 可能通过激活小胶质细胞和星形胶质细胞来增强细胞炎症反应[36]，并可通过促进细胞内储存的Ca2+释放、增强血小板对多种激动剂（二磷酸腺苷、凝血酶和胶原蛋白）的反应性而导致血小板高反应性及血栓形成风险升高[37]。

但Benakis 等[38]通过抗生素诱导肠道菌群改变，发现其通过改变树突状细胞活性导致调节性T 细胞增加和γδ T 细胞减少，并抑制中风后效应T 细胞从肠道向软脑膜的转运，从而减轻了小鼠缺血性脑损伤。肠道微生物群衍生的SCFAs 可以影响外周淋巴细胞成熟或从初级淋巴组织中排出，减少其脑侵袭和分泌细胞因子谱的极化，并且可以调节侵入大脑循环的淋巴细胞对小胶质细胞的激活，从而减轻卒中后炎症反应[39]。动物实验亦证明了SCFAs 的有益作用，研究发现丁酸钠可以保护肠道屏障完整性，降低脂多糖和促炎细胞因子的血清水平，缓解全身炎症，保护血脑屏障，对脑卒中损伤具有保护作用[40]。说明肠道菌群及其代谢产物对IS 预后起到双向影响。

4 从肠道菌群干预IS 的策略

随着相关研究的不断开展，从肠道菌群入手干预IS 的方法和思路不断拓展，现代研究主要集中在菌群移植、益生菌与益生元疗法、饮食调控、抗生素治疗以及将肠道菌群代谢物作为治疗靶点等几个方面。为了确定中风后恢复年轻的肠道菌群是否有助于老年受试者的恢复，Lee 等[41]设置老年小鼠中风模型，并通过年轻粪便移植灌胃改变其肠道菌群，结果发现老年小鼠大脑和肠道炎症减轻，研究者进一步将短链脂肪酸产生菌进行移植，结果显示小鼠神经功能和炎症得到改善。Chen 等[42]发现粪便菌群移植对于IS 预后相似的有利影响，但由于主要集中在动物实验方面，作用在人体身上是否会产生类似的结果尚未确定，值得进一步研究。

研究发现益生菌、益生元可以提高抗炎因子水平，调节宿主免疫反应，并通过增加有益菌和减少某些致病菌，在减轻肠道菌群异常、促进肠道健康方面发挥积极作用[43]。孙后超等[44]纳入100 例卒中患者分别给予常规肠内营养和联合双歧杆菌四联活菌片治疗，发现给予双歧杆菌四联活菌片能够促进有益菌并抑制有害菌的生长，保护肠道屏障，促进营养物质的吸收，从而有效提高了患者的营养状况指标水平。Liu 等[45]通过检索多个数据库，纳入重症脑卒中患者应用益生菌的随机对照试验进行Meta 分析，结果表明益生菌联合肠内营养要比单独使用肠内营养有更好的结果。脑卒中早期患者处于应激状态，会出现低蛋白血症、酸碱失衡、电解质紊乱等并发症[46]，并且由于患者常会出现呕吐、吞咽困难，可引起脱水及营养不良，影响神经功能恢复，然而IS 会引起肠道菌群失调以及肠道炎症，影响胃肠的吸收，因此益生菌及益生元疗法对于改善卒中预后有积极意义。

饮食调控亦是改善卒中预后的有效方法。Silva等[47]分别给卒中小鼠适度蛋白质减少的饮食和正常的饮食，结果发现适度蛋白质减少的饮食可增加长期神经元存活，减少小胶质细胞聚集和脑萎缩，并通过抗炎机制和促使共生肠道菌群恢复平衡诱导小鼠神经功能的恢复。Huang 等[48]发现卡路里限制的IS小鼠获得更好的长期恢复。而另一项比较工业化膳食和厨房饮食的研究显示富含纤维的工业化膳食维持了营养状况，并改善了肠道屏障通透性。而厨房饮食导致了蛋白质的流失，表明脑卒中患者应以工业膳食为基础以改善肠道屏障完整性和营养状况[49]。

由于肠道通透性的增加，肠道菌群及其代谢产物会进入血液循环导致代谢性内毒血症。因此使用抗生素疗法靶向代谢性内毒素血症可能是一种新的策略。针对卒中小鼠的实验发现，用非吸收性抗生素多粘菌素B 调节肠道微生物群可以减少肠杆菌科细菌的数量，降低循环和脑组织中的LPS 水平从而改善卒中结局[34]。Benakis 等[50]的研究表明抗生素混合物的治疗减轻了小鼠在中风急性期脑梗死体积，而在用野生型微生物群重新定植的小鼠中，神经保护作用被消除。然而这种保护作用与特定的微生物群体相关，针对不同肠道菌群的抗生素对卒中结局的影响不同，氨苄西林类疗效最突出，其他的抗生素则效率低下。同时由于抗生素治疗可能产生副作用以及出现多重耐药菌，因此抗生素治疗可能并不适合临床应用。

多项研究发现靶向肠道微生物代谢物在IS 的发生发展和预后方面具有重要影响。例如，吲哚丙酸作为肠道菌群的代谢产物，研究发现其可以改变大脑中动脉闭塞（MCAO）小鼠的肠道菌群组成，增加有益菌，减少有害菌，修复肠道屏障，调节调节性T细胞和Th17 细胞的活动，从而减轻神经炎症和损伤[51]。通过评估短链脂肪酸对于MCAO 大鼠的疗效，结果表明短链脂肪酸能够减少神经元凋亡和梗死面积并改善神经功能[52]。血浆TMAO 水平已被证明与首次缺血性卒中[53]及缺血性卒中患者3 个月不良功能结局和死亡风险呈正相关[25]，其代谢依赖于肠道微生物胆碱三甲胺（TMA）裂解酶，通过药理靶向，或许可以降低宿主TMAO 水平，改善患者预后。另一项研究则发现载脂蛋白E（ApoE）在脑梗死患者血浆中显著上调并且ApoE 与拟杆菌和变形菌物种之间存在相关性，可能是肠道菌群促进脑梗死的介质，或许可以作为新的治疗靶点[18]。

5 总结

综上所述，现有的大量研究已经证明微生物-肠-脑轴的双向交流是客观存在的，肠道菌群的变化会影响到IS 的发展和预后，再加上IS 现有治疗方法存在不足之处，使得从肠道菌群干预的方法和思路具有潜在的意义和价值。然而，现有的研究多局限在动物实验方面，临床研究相对缺乏，已有的思路与方法是否在人体内同样适用尚未可知。而且多集中在卒中后调节肠道失调及其代谢产物方面，对于脑卒中引起肠道菌群失调的机制以及相应干预方法的研究相对缺乏，而只有了解了脑卒中导致肠道菌群失调的途径并加以干预才能从根本上消除菌群失调对于脑卒中的不利影响，这或许可以成为未来研究的重点领域。