肠道菌群紊乱与围术期神经认知功能障碍的研究进展*

丁希芝综述李鹏审校

(1.电子科技大学医学院,四川 成都 611731;2.四川省医学科学院·四川省人民医院麻醉科,四川 成都 610072)

围术期神经认知障碍(Perioperative neurocognitive disorders,PND)包括术前和术后12个月内发生的所有围手术期认知功能改变,包括术后谵妄(Postoperative delirium,POD)、术后认知功能障碍(Postoperative cognitive dysfunction,POCD)等[1]。PND在高危患者中发生率高,可导致住院时间延长、住院费用增加、社会负担加重,以及患者远期预后不良。近年来,随着人口老龄化发展,老年患者接受外科手术比例逐年增加。由于生理功能的衰退和疾病所带来的影响,老年患者对手术、麻醉的耐受能力大大降低。PND已成为老年患者常见的围术期并发症,尽管采取了多种预防措施,但均未取得理想效果,因此进一步探讨PND发病机制显得尤为重要。最新研究表明,肠道菌群和PND之间通过肠-脑轴相互联系。肠道菌群通过参与免疫调节、神经内分泌调节等多种途径调控大脑功能,影响患者的认知、情绪和行为。手术麻醉过程可能通过直接或间接方式破坏肠道菌群稳态,引起认知功能紊乱。因此,本文旨在就肠道菌群紊乱与PND的关系进行综述,以期为PND的预治提供新的思路和方向。

1 肠道菌群紊乱与PND关系密切

肠道菌群是存在于胃肠道中的复杂微生物系统,参与多种代谢途径、信号转导和免疫炎症轴的调节[2]。大量研究证明,肠-脑轴的紊乱在神经精神疾病和中枢神经系统功能中发挥关键作用。最近研究报道[3],肠道菌群组成异常可能是PND发生的基础,可能在PND发生发展中起关键作用。肠-脑轴是一个双向通信系统,调节大脑和肠道的功能。

1.1 肠道菌群紊乱和多种中枢系统疾病的关系 肠道微生物群的破坏与多种神经、精神疾病密切相关,包括焦虑、抑郁、自闭症、精神分裂及神经退行性疾病等。目前,肠道与大脑相互作用的确切机制尚未被完全理解。主流的观点认为神经内分泌系统、免疫系统、迷走神经以及一些胃肠激素和神经递质都参与了肠-脑轴调控[4]。肠道微生物可通过直接(如迷走神经)和间接(如短链脂肪酸、细胞因子和关键的膳食氨基酸,如色氨酸)途径将信息传递给大脑：一方面,肠道传入迷走神经在肠道内的感觉微环境有感知炎症调节因子的受体,迷走神经传入纤维的细胞体位于结节神经节中并投射到脑干的孤束核,然后由孤束核将信号传递给大脑的高级区域[5];另一方面,菌群代谢产物,例如短链脂肪酸、色氨酸、细胞因子、神经活性物质等,释放血液中。一旦进入血液,微生物组及其因子可以改变外周免疫细胞功能,促使免疫细胞与血脑屏障血脑屏障的相互作用,改变血脑屏障完整性,并穿过血脑屏障进入大脑激活小胶质细胞和星形胶质细胞以影响脑功能。另外,细菌已被证明能产生和消耗哺乳动物神经递质,如γ-氨基丁酸(GABA)、5-羟色胺、组胺和多巴胺,这些物质都作为神经递质或神经递质前体参与一系列与情绪、行为和认知相关的功能[6]。

阿尔茨海默病(Alzheimer disease,AD),是一种与年龄有关的神经退行性疾病。近年的研究发现,AD 患者肠道菌群α多样性显著降低,并在门、科、属、目分类上对AD患者的肠道细菌进行了研究,其中拟杆菌(属)、放线菌(门)、瘤胃球菌(属)、毛螺菌科(科)和硒单胞菌(目)的丰度显著改变[7]。肠道菌群失调所导致的代谢物(如脂多糖、胆汁酸、功能性淀粉样蛋白等)变化可能会通过引发神经炎症、神经细胞凋亡等途径进一步导致β-淀粉样蛋白(β-amyloid,Aβ)沉积形成淀粉样斑块、过度磷酸化的tau蛋白在细胞内聚集形成的神经原纤维缠结(Neurofibrillary tangles,NFTs)等[8],从而促进AD的形成。

另外众多证据表明,肠道菌群紊乱与自闭症、抑郁症、精神分裂症之间均存在密切关系。Naseribafrouei等[9]的研究证实,与肠道炎症相关的另支菌属和与抑郁症相关的颤螺菌属水平在重度抑郁症患者中明显升高。Azouz等[10]在一组40名3～12岁的自闭症儿童中研究发现,82.5%的儿童合并胃肠道症状。此外,在诊断为自闭症的患者中,厚壁菌门、拟杆菌门、梭杆菌门和疣微菌门均存在生态失调[11]。在精神分裂症的发病机制中,边缘部分多巴胺能传递的增加和谷氨酸能传递的抑制发挥重要作用。芽孢杆菌属可以分泌多巴胺,肠道微生物群也可以影响谷氨酸的水平和代谢[12]。由此可见,肠道菌群与抑郁症、自闭症和精神分裂症的发病机制息息相关。

合并上述疾病的患者、也是PND的高危人群。例如高龄是AD和POD的易感因素,65岁以上患者POD发生率明显增加,且随年龄增长而增加[13]。术前存在认知功能改变(如痴呆、认知功能损害、抑郁等)的患者容易发生PND[14-15]。由此可以看出,大量证据证明,肠道菌群紊乱与PND存在共同的高危人群,也证明两者之间存在密切关系。

因此,肠道菌群失调引起的“肠-脑轴”功能紊乱在多种神经精神疾病的起病和进展中均是一个重要的致病因素。调节肠道菌群组成,改善其生理功能,将有利于中枢神经系统疾病的防治。

1.2 肠道菌群紊乱导致PND的发病机制 大量研究证明,肠道菌群组成异常可能在PND发生发展中起关键作用。一方面,术后肠道菌群失调可能通过加重外周和中枢炎症反应来促进PND的发展[16-17]。手术打击导致的中枢炎症反应反应是PND重要的发病基础,手术和麻醉诱导的组织损伤和氧化应激可诱导局部或全身促炎细胞因子的释放,并激活相应的炎症信号通路,导致全身炎症[18]。正常的肠道菌群相当于肠道的保护性生物屏障;而肠道菌群失调不仅会产生神经毒性因子,还会影响肠道粘膜通透性,导致“漏肠”,从而导致大量炎症和神经毒性因子进入中枢神经系统[16]。促炎细胞因子可以利用血脑屏障内皮细胞表面的特定受体和转运体,直接穿过血脑屏障,促发神经炎症[17]。随着全身炎症的进展,小胶质细胞出现活化的形态表型,并释放增加的促炎因子,如IFN-γ、IL-1β、TNF-α和活性氧(ROS)[18]。小胶质细胞释放促炎因子,将导致星形胶质细胞进一步激活,并加重神经炎症[19],最后导致PND的发生率。在范嘉宁等[20]的研究中也证实,与伪无菌大鼠+接种PND患者粪菌滤液(P)组相比,伪无菌大鼠+接种健康人源粪菌滤液(NP)组IL-1β、IL-6和TNF-α的浓度显著降低,GFAP、p-Tau蛋白表达水平均下降,逃生平台穿越次数和兴趣象限停留时间均明显增加,还认为肠道菌群的差异性组成参与了体外循环心脏手术后PND的发生,其机制可能与炎症反应的发生相关。

另一方面,术后肠道菌群紊乱可能通过影响神经递质的平衡来促进PND的发展。5-羟色胺和γ-氨基丁酸(GABA)等众多神经递质都可以由肠道菌群产生[21]。5-羟色胺在全身广泛存在,但90%～95%的5-羟色胺存在于胃肠道,主要存在于上皮肠染色质细胞(ECs)中[22]。5-羟色胺是一种能产生愉悦情绪的神经递质,几乎影响到大脑活动的每一个方面：从调节情绪、精力、记忆力到塑造人生观。Heylen等[23]的研究表明,POD的老年患者患者存在5-羟色胺代谢失调,存在POD的患者血浆中5-羟色胺更低,而血浆中5-羟吲哚乙酸(5-HIAA)——血清素(5-HT)的主要代谢产物更高。GABA是中枢神经系统的主要抑制性神经递质,主要分布在皮层、基底神经节、海马、下丘脑、杏仁核、小脑、髓质和脊髓。双歧杆菌属和乳杆菌属可以产生GABA,而大肠杆菌将GABA作为唯一的碳和氮源。Yoshitaka等[24]的研究中,POD患者在术后第二天血浆平均GABA浓度明显低于无POD患者。基于现有证据推测,手术麻醉破坏肠道菌群,影响肠道内分泌细胞和肠道菌群参与5-HT的代谢合成,导致体内5-HT水平波动,同时增加有害菌减少有益菌导致GABA合成减少,从而影响情绪、行为和术后胃肠蠕动,最后可能促进了POD的发生。

最后,术后肠道菌群失调可能通过引起代谢产物异常而促进PND的发展。短链脂肪酸(Short-chain fatty acids,SCFAs)是肠道微生物活动的重要代谢产物,是肠道黏膜和上皮细胞的营养因子。SCFAs通过促进肠屏障的完整性、粘液的产生和增加对炎症的耐受反应来维持肠道菌群的稳态。在生理条件下,SCFAs有一小部分到达体循环,并可以通过脑血管上皮细胞上的自身转运蛋白穿过血脑屏障[25]。SCFAs还可以影响神经传递和神经递质产生,如谷氨酸、谷氨酰胺、GABA和神经营养因子[26]。在Xu等[27]的研究中,与手术小鼠相比,术前给予外源性SCFAs可改善小鼠术后第3天的运动活动和焦虑样行为。Xu认为手术创伤和麻醉加重了认知障碍,增强了神经炎症反应,抑制了SCFAs的产生。SCFAs预处理部分通过逆转小胶质细胞过度激活、抑制神经炎症反应和增强BDNF表达来减少认知障碍的发生。另外,微生物群也可以调节色氨酸的代谢,色氨酸在免疫系统和肠脑轴的正常运作中起着关键作用[28],色氨酸产生犬尿氨酸、色胺和5-HT的三大代谢途径都是在微生物群的间接或直接控制下的。早在1991年Murry[29]就在《柳叶刀》杂志上报道,心脏手术POD症状可能与大脑可用色氨酸减少有关。但是,在Robinson等[30]的一项随机对照研究中,接受重大择期手术需要术后ICU住院的老年人术后补充色氨酸并不能减少术后兴奋性谵妄或整体谵妄的发生率或持续时间。肠道菌群紊乱时,机体内的三甲胺-N-氧化物(trimethylamine-N-oxide,TMAO)会明显升高,TMAO可通过血脑屏障引起氧化应激和炎症反应,加剧小胶质细胞活化、诱发神经炎症反应,进而导致老年患者发生一系列认知功能障碍相关疾病,例如卒中后认知障碍、阿尔兹海默病、术后认知功能障碍等[31-32]。Zhao等[33]的研究发现,机体内高水平的TMAO可抑制七氟醚诱导的老年大鼠海马区蛋氨酸亚砜还原酶A的表达,增加大脑对氧化应激的敏感性,增加海马区小胶质细胞的激活和促炎因子的释放,最终加重七氟醚诱导的老年大鼠认知障碍。牛磺熊去氧胆汁酸被证实有助于阿尔兹海默症、帕金森病等神经退行性疾病的动物模型认知功能改善[34]。此外,在急性神经炎症的动物模型中,牛磺熊去氧胆汁酸也表现了强大的抗炎作用,能减少神经胶质细胞活化、抑制小胶质细胞迁移以及降低趋化因子和血管黏附蛋白的表达[35]。可见,肠道菌群代谢产物与多种改变认知功能的中枢神经系统疾病的发生密切相关。

综上,肠道菌群紊乱可能通过加重外周和中枢炎症反应、影响神经递质的平衡、引起多种代谢产物异常等多条途径促使PND的发生发展。

2 围手术期肠道菌群的破坏

2.1 手术打击 手术创伤对患者机体各个系统都会造成重大影响,当然也包括消化系统的肠道菌群。近年,无论是临床研究还是动物研究都表明,手术打击会使患者或者动物肠道菌群多样性明显降低、菌群结构改变、致病菌丰度增加。先是Yu等[36]在成年大鼠中发现接受全麻心脏手术的大鼠,术后一周肠道菌群α-多样性明显降低。进一步研究证明,Aardema等[37]也在临床研究中发现,行择期心脏手术患者术后肠道菌群多样性明显降低,多种潜在致病菌丰度增加。最近,Liu等[38]的研究也证明,骨科手术会导致前驱性阿尔茨海默病患者肠道微生物菌群失调和肠道屏障功能障碍。由此可见,毫无疑问手术打击可以破坏肠道菌群紊乱。

2.2 麻醉药物 近年来,多项研究发现麻醉药物会对肠道菌群会产生显著的影响。Schoster等[39]和Serbanescu等[40]分别发现在健康成年马和小鼠中,吸入异氟烷均会导致肠道菌群变化。尤其是在Serbanescu等[40]研究发现暴露于异氟烷4 h,小鼠的肠道菌群失调会持续到麻醉后第7天,且麻醉后细菌群落α-多样性减少,变形菌门和放线菌门的丰度增加,厚壁菌门和梭状芽孢杆菌门的丰度减少。另外,在临床研究方面,陈健等[41]也证实吸入麻醉后出现认知功能障碍的患者,肠道菌群表现为雷伯氏杆菌、普氏菌等细菌的富集。Han等[42]观察大鼠输注异丙酚后肠道菌群的变化,其研究结果显示肠道菌群的变化持续了14天以上。Lee等[43]的研究中给小鼠注射吗啡后,肠道微生物组的组成发生了显著变化,最早在治疗开始后1天就有明显变化。非甾体类抗炎药(NSAIDs)作为全球范围内广泛使用的解热镇痛抗炎药。Maseda等[44]发现NSAIDs可通过破坏肠道微生物群的平衡和结肠上皮的完整性,增加艰难梭菌感染的易感性并增强艰难梭菌感染的严重程度。Chao等[45]检测了服用阿司匹林和氯吡格雷后患者的肠道菌群变化,发现肠道菌群在纲、目、科、属水平上与健康对照组相比均有显著差异。总之,上述研究指出了麻醉用药(异氟醚、异丙酚、吗啡、非甾体类抗炎药)对肠道菌群组成会产生有效、持久的影响,但这些影响的临床意义尚不清楚,需要进一步在临床研究中验证。

2.3 其他因素 手术期还有许多其他因素也会导致肠道菌群紊乱,包括术前禁食水、术前肠道准备以及常规使用抗生素预防术后感染,而术前肠道准备是否会导致肠道菌群紊乱存在一定争议性。一部分研究[46-47]认为术前肠道准备对肠道菌群没有显著影响,即使细菌总负荷减半,也不会改变微生物多样性。但另一部分研究[48-49]发现,术前肠道准备对肠道菌群有重大影响,大多数肠道菌群可能需要14天才能恢复到基线组成。但是以上研究的样本量都不大,有待于更大样本量的随机对照临床试验来验证。

3 益生菌、益生元、抗生素对肠道菌群紊乱和PND的预防和治疗作用

目前国内外学者提出了多种预防措施,如术前积极纠正易感因素、改善患者衰弱状态,术中右美托咪定的使用,维持循环稳定、水电解质平衡,体温保护,术后充分镇痛,但均未取得理想而明确的效果[50-52]。围术期服用益生菌、益生元及使用抗生素治疗PND似乎带来了新的研究方向。Wen等[53]研究证明,在动物实验中,口服乳酸菌可以降低血脑屏障的通透性,从而保护了老年和肠道菌群失调小鼠的术后认知功能。Xiao等[54]研究表明,术前3周持续使用益生元可通过抑制海马区IL-6释放和小胶质细胞激活有效降低大鼠腹部PND发生率。

然而,围术期使用抗生素对认知结局的影响结论不一。Liang等[55]的研究结果显著头孢唑啉的直接抗炎效应可能导致小鼠肠道菌群失调,可以损害术后小鼠的记忆和学习障碍。而与之相反的是Luo等[56]的研究认为,围手术期使用头孢唑啉逆转麻醉和手术引起的菌群失调,减少麻醉和手术引起的认知损害,改善血脑屏障破坏和增加紧密连接蛋白的表达。

尽管动物实验为围术期使用益生菌、益生元及抗生素改善PND提供了积极证据,但临床研究却仍比较少。Wang等[57]从入院到出院期间给予非心脏手术患者服用益生菌,发现益生菌显著减少PND的发生。Zhang等[58]在术前1天至术后6天口服益生菌,发现围手术期益生菌干预将降低老年骨科患者PND的发生,虽然二者益生菌服用时间各不相同,但总的原则都是尽量延长益生菌的使用时间,而且两个研究研究结论都是围术期口服益生菌可以降低PND或者POD的发生率。

总之,基于目前的动物研究和临床研究都支持口服益生菌可以降低PND或者POD的发生率,这也为肠道菌群紊乱与PND的关系提供了更多的证据支持,但是仍然需要更大样本的临床数据支持。

4 总结与展望

现有证据已充分表明麻醉和手术导致的肠道菌群紊乱对于PND起着至关重要的作用。肠道菌群功能紊乱与PND存在共同的高危人群,肠道菌群功能紊乱又与多种神经系统疾病存在密切关联。也有证据表明肠道菌群紊乱可能通过肠-脑轴多个途径对术后认知功能造成不良影响。手术、麻醉和多种围术期因素都会导致肠道菌群发生明显变化,再次提示肠道菌群紊乱与PND密切相关。此外,既往研究发现以调节肠道菌群为干预思路,通过益生菌、益生元、抗生素对PND起到有效保护作用。关于抗生素的研究结论却出现两极分化,值得进一步深入探索。总之,关于肠道菌群紊乱在PND的发生机制作用的研究还处于探索阶段,需要更多设计合理的、大样本的研究对肠道菌群在PND发生机制的探索,调节肠道菌群策略在预防和治疗PND发生的有效性尚需要更多的研究证据。