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本文原载于《中华神经科杂志》2017年第10期 脑血管病在中国近年已跃升为首位死因[1]，且是导致成年人长期残疾的主要原因，其高发病率、高致残率、高死亡率已成为全球性公共卫生问题[2]。近年来，越来越多研究发现肠道菌群失调不仅与胃肠道疾病，如肠易激综合征、溃疡性结肠炎、结肠癌等密切相关[3,4,5]，其在内分泌代谢性疾病，如肥胖、胰岛素抵抗及动脉粥样硬化的病理过程中也起着重要作用。肠道菌群失调不仅与脑卒中的危险因素如肥胖、高血压、高脂血症、糖尿病等密切相关，而且可通过多种作用机制影响脑卒中的发生及其预后。我们综述了肠道菌群失调对慢性代谢性疾病及脑卒中发病过程的影响及其作用机制，为脑卒中的预防和治疗提供新的思路，肠道菌群有可能成为脑卒中治疗的新靶点。 一、什么是肠道菌群失调 人体肠道菌群是一个定植于人体肠道内的数量庞大、种类繁多的复杂微生物群，其数量是人体细胞总数的10倍，所携带的基因数量是人类全基因组的100倍以上[6]。人体肠道菌群主要由厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)组成，其余多为放线菌门(Actinobacteria)、变形杆菌门(Proteobacteria)和疣微菌门(Verrucomicrobia)[6,7]。肠道菌群受多种因素影响，如遗传、年龄、生活方式、某些疾病和药物等。正常情况下，肠道菌群与外部环境保持着动态平衡，并对人体的健康起着重要作用。如果这种平衡在某些情况下被打破，肠道菌群在种类、数量、比例、定位和生物学特性上发生改变，便形成肠道菌群失调[8]。 二、肠道菌群失调参与代谢综合征 代谢综合征(metabolic syndrome，MS)是心脑血管病的多种代谢危险因素在个体内集结的状态。MS的主要表现有肥胖、2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)、血脂异常(dyslipidemia)及高血压。MS患者心脑血管病事件的患病率及死亡风险约为非MS者的2～3倍。近年来研究表明，肠道菌群失调与MS密切相关。Yang等[9]研究发现高血压小鼠及人群肠道菌群的丰度及多样性明显下降，小鼠的厚壁菌门/拟杆菌门比例增加。另一项研究发现，自发性高血压模型小鼠中，肠壁通透性增加，紧密连接蛋白含量下降，肠道链球菌属(Streptococcus)菌群数量增加，双歧杆菌属(Bifidobacterium)菌群数量明显减少[10]。将无菌小鼠进行正常的肠道菌群移植后，可增加其肥胖风险和胰岛素抵抗[11]。而且，无菌小鼠接受肥胖小鼠粪便移植后，更容易发生肥胖[12,13]。肥胖受试者接受健康人群肠道菌群后，其对胰岛素的敏感性明显增加[14]。肥胖人群和小鼠肠道厚壁菌门/拟杆菌门比值明显增加[15,16]。Qin等[17]研究发现健康人肠道中富集的细菌和T2DM患者肠道中富集的细菌存在明显差异。阴沟肠杆菌B29(Enterobacter cloacae str. B29)是从肥胖人群粪便中分离出的一种细菌，将它移植到高脂饮食的无菌小鼠中，可引起无菌小鼠肥胖[18]。肠道菌群除了参与肥胖和糖尿病的病理过程外，其与血脂水平也密切相关。一项纳入893人的临床研究发现，肠道细菌分别贡献4.6%的身体脂肪差异，6%的甘油三酯差异，4%的高密度脂蛋白差异，而且34种微生物和这3种物质有明显关联[19]。其调节机制可能有：(1)肠道菌群代谢产物短链脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)可通过激活细胞表面受体，如G蛋白耦联受体41(G protein-coupled receptor 41，GPR41)[20]和嗅觉受体78(olfactory receptor 78，Olfr78)[21]来调控血压。此外，SCFAs经肠上皮细胞吸收进入血液后，再经肝脏代谢，其代谢产物可作为新的能量来源，增加人体能量摄入和肥胖风险[13,22]。(2)肠道菌群细胞壁成分脂多糖进入血液循环后，可增加促炎性细胞因子释放[23,24]。这些炎性因子诱导肌肉和脂肪组织胰岛素受体底物1丝氨酸磷酸化，阻断胰岛素信号通路，引起胰岛素抵抗[25]。(3)肠道菌群代谢产物氧化三甲胺(trimethylamine oxide，TMAO)可通过影响胆固醇逆向转运、胆固醇和固醇代谢、胆汁酸的成分和含量来促进动脉粥样硬化和心脑血管病疾病风险[26]。(4)大肠中某些厌氧菌将初级胆汁酸转变为次级胆汁酸，少量次级胆汁酸再入血后可通过激活G蛋白耦联受体调节肝脏或全身的脂质和葡萄糖代谢[27,28]。 三、肠道菌群失调促进动脉粥样硬化 研究发现，症状性动脉粥样硬化患者与年龄、性别匹配的健康对照组相比，其肠道内柯林斯菌属(Collinsella)明显增多，而健康对照组人群中肠道富含罗氏菌属(Roseburia)和优杆菌属(Eubacterium)。通过分析微生物的功能组学发现，症状性动脉粥样硬化患者肠道菌群富含编码肽聚糖合成的基因，肽聚糖是细菌细胞壁的主要成分，可能通过激活机体免疫系统和中性粒细胞引起动脉粥样硬化[29]。而且其血清中β-类胡萝卜素减少，流行病学调查研究证明β-类胡萝卜素可减少心血管病风险[30]。Koren等[31]研究发现，动脉粥样硬化斑块中发现细菌DNA，其中一些细菌种类是动脉粥样硬化斑块和口腔、粪便中共有的，提示斑块中的细菌很可能来源于口腔或者肠道。进一步研究证实，动脉粥样硬化斑块中细菌DNA含量与心血管病危险因素相关，比如血清中低密度脂蛋白胆固醇[32]。将动脉粥样硬化易患性小鼠粪便移植到动脉粥样硬化抵抗性小鼠肠道后，后者发生动脉粥样硬化，且其血清中TMAO水平增加，说明动脉粥样硬化易患性可经粪便菌群移植而传递[33]。 饮食中的磷脂酰胆碱、胆碱和L-肉碱经肠道菌群分解代谢生成三甲胺(trimethylamine)，再经肝脏黄素单加氧酶氧化可产生TMAO[26,34,35]。在调整了传统心血管病危险因素之后，血液中TMAO含量与主要不良心血管事件风险仍明显相关[35]。TMAO可抑制胆固醇逆向转运，影响肠道和肝脏脂质代谢，还可激活巨噬细胞，促使血管壁中泡沫细胞积累，增加动脉粥样硬化[26]。肠道菌群除了代谢产生TMAO对机体产生不利影响外，其细胞壁成分，如脂多糖和肽聚糖可通过激活免疫系统加重血管壁炎症、促进动脉粥样硬化。之前认为肠道细菌与免疫系统相互作用主要发生在肠道，但是近来研究表明少量细菌进入血液循环后可引起全身慢性低度炎症[36]，这种全身性慢性炎症改变在许多慢性代谢性疾病，如肥胖、T2DM和动脉粥样硬化中普遍存在[36]。微生物激活固有免疫系统促进炎性反应、抑制胆固醇逆向转运，同时加重胰岛素抵抗、高脂血症和血管炎症[37,38]。而血管内皮炎症是动脉粥样硬化的重要环节。总之，肠道菌群代谢产物TMAO可通过多种机制促进动脉粥样硬化，其细菌壁成分脂多糖和肽聚糖可通过激活机体免疫系统，诱发全身性慢性炎症加重血管壁炎症和动脉硬化。 四、肠道菌群失调增加血栓风险 血栓形成是脑卒中发病机制的重要环节，在动脉粥样硬化基础上斑块破裂继发血栓形成是脑卒中最常见的病理过程。在病理状态下，肠道菌群细胞壁成分进入血液循环后产生内毒素血症，可引起全身慢性低度炎症，目前认为这种低度炎症在肥胖和动脉粥样硬化发病机制中起重要作用[39]。肥胖和慢性炎症往往伴有高凝状态，这种低度炎症不仅可使维生素K依赖的凝血因子(Ⅱ、Ⅶ、Ⅸ和Ⅹ)含量增加，还可使纤溶酶原活性降低[40]。越来越多研究表明，肠道细菌移位导致的内毒素血症可激活凝血和炎症级联反应过程[41]。一项动物实验研究发现，在无菌小鼠的微血管系统中，其肠道菌群可以调节组织因子，即凝血因子Ⅲ的水平[42]，但是这项研究结果缺乏临床研究证据。目前研究证据已证明血浆内毒素水平升高可增加心血管疾病风险[43]，内毒素血症导致的高血栓风险与其介导的高凝状态密切相关。一项临床研究发现，79%受试者的颈动脉粥样硬化斑块中发现牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis)的DNA[31,44]，提示细菌感染在动脉粥样硬化斑块及血栓形成中的重要作用。 克利夫兰诊所心脏病研究中心Stanley L. Hazen教授及其团队的研究发现血清中TMAO含量升高还可增加血栓风险。TMAO是主要不良心血管病事件，如心脏病、卒中和死亡的危险因素[26,34]。同时，他们的研究证明了肠道菌群在TMAO产生中起着不可或缺的作用。用广谱抗生素处理小鼠抑制其肠道菌群后，血清中TMAO含量下降，停用抗生素恢复肠道菌群后，血清中TMAO含量又上升[26,34]。TMAO除了调节胆汁酸和胆固醇代谢、激活巨噬细胞外，还可以激活血小板，增加血小板的高反应性，从而导致血栓风险增加。他们的研究纳入了4 007名受试者，随访3年后，发现血浆中TMAO水平与血栓风险明显相关。TMAO可以促进血小板胞浆内Ca2＋释放，激活血小板[45]。但是目前研究还没有发现TMAO作用的靶点。Zhu等[45]研究还发现，通过肠道菌群移植可增加血栓风险。总之，肠道菌群可通过调节血小板功能及改变凝血功能等多种机制来增加血栓风险。 五、肠道菌群失调与脑卒中 高血压、肥胖、糖尿病及动脉粥样硬化是脑卒中的独立危险因素，血小板激活和高凝状态在血栓形成中发挥着重要作用。肠道菌群失调及其内毒素、代谢产物在肥胖、糖尿病及动脉粥样硬化的病理生理过程中发挥着重要作用。除此之外，越来越多的研究表明，肠道菌群失调与脑卒中也密切相关。 肠道和中枢神经系统之间有着极为密切又复杂的联系。肠道菌群对中枢神经系统的发育和正常的生理功能起着重要作用。研究发现，无菌小鼠不能形成正常的免疫系统和血脑屏障[46,47]。使用抗生素抑制肠道菌群后，小鼠脑组织内小胶质细胞的结构和功能受到破坏[48]。肠道微生物可通过神经、免疫和内分泌等机制参与中枢神经系统的发育及生理功能[49]，同时，中枢神经系统可通过调节肠动力和肠道内分泌系统影响肠道微环境，还可以通过肠道神经系统调节肠黏膜免疫应答[50,51,52]。总之，肠道和中枢神经系统之间通过多种复杂的机制相互作用、相互影响。 越来越多研究发现肠道菌群与中枢神经系统疾病存在密切关联，如帕金森病[53]、阿尔茨海默病[54]、多发性硬化[55]、抑郁症[56]等。此外，一些动物实验和临床研究已经初步证明脑卒中和肠道菌群失调存在相关性。但是关于脑卒中与肠道菌群的研究却仍处于起步阶段，尤其是临床研究数据，其相关报道屈指可数。Jandzinski[57]研究发现，将年老小鼠的菌群移植给局灶性脑缺血小鼠后，与对照组相比，其功能预后更差，其具体机制尚未阐明。脑卒中后，小鼠肠道的消化球菌科(Peptococcaceae)和普雷沃菌科(Prevotellaceae)的含量变化与梗死严重程度相关。此外，对小鼠进行局灶性脑缺血处理后，其肠道(盲肠)去甲肾上腺素释放增加，分泌黏蛋白的细胞和杯状细胞数目减少。去甲肾上腺素的含量增加以及杯状细胞的功能改变直接影响脑卒中后肠道菌群的结构和功能[58]。糖尿病小鼠双侧颈总动脉缺血再灌注脑损伤后，给予小鼠丁酸梭菌(Clostridium butyricum)，其预后较对照组更好。丁酸梭菌可减少神经功能损伤，增强认知功能[59]。一个最近研究发现，重症脑梗死后肠道菌群结构改变，卒中后菌群失调诱导促炎性免疫应答。通过菌群移植恢复正常菌群后，可改善卒中预后[60]。一些临床研究也有类似发现。Swidsinski等[61]研究发现，急性脑卒中患者肠道中罗氏菌属(Roseburia)、拟杆菌属(Bacteroides)以及柔嫩梭菌群(Faecalibacterium prausnitzii)的比例减少。但是菌群失调与脑卒中的因果关系尚未阐明，根据目前的研究现状，我们认为肠道菌群更重要的作用机制是促进疾病的病理过程，影响动脉粥样硬化斑块形成。动脉粥样硬化是脑卒中的重要危险因素。研究已证实，症状性动脉粥样硬化与肠道菌群改变有关[29]。一项临床研究比较了无症状性动脉粥样硬化、短暂性脑缺血发作和脑卒中患者肠道菌群差异以及血浆TMAO水平。研究者发现，在无症状性动脉粥样硬化组，其血浆TMAO水平及菌群组成与有无颈动脉粥样硬化斑块无关。但是，短暂性脑缺血发作和脑卒中组与无症状性动脉粥样硬化组相比，其菌群组成及血浆TMAO含量差异有统计学意义[62]。 脑卒中后肠道菌群失调，紊乱的肠道功能及其菌群可影响脑卒中预后。它通过菌群移位、肠道细菌代谢产物及其免疫调节等多种机制影响脑卒中结局。脑卒中后肠动力减弱、肠道通透性增加，肠道菌群移位进入肠外器官[63,64]，引起局部和全身感染。来源于肠道菌群的内毒素，如脂多糖和肽聚糖经高通透性的肠壁入血，激活机体固有免疫应答，加重炎性反应。这种感染和炎症对脑卒中预后不利。肠道菌群的某些代谢产物(如SCFAs)和肠道激素(如胃饥饿素和瘦素)也可通过某种机制对中枢神经系统产生影响。除此之外，肠道菌群可通过调节免疫细胞和炎性因子来影响脑卒中预后。Swidsinski等[65]研究发现急性脑损伤后结肠出现一过性炎症，某些种类细菌突然消失。脑卒中24 h后，小鼠肠道派尔集合淋巴结系统T细胞和B细胞的数量明显减少[66]。脑卒中后血脑屏障功能破坏，免疫细胞经高通透性的血脑屏障浸润脑组织，加重脑组织的炎症。肠道菌群还可诱导免疫细胞分化，改变免疫细胞的功能，如调节T细胞和Th17淋巴细胞[67,68,69]。但是，肠道菌群失调对脑卒中预后的影响有益还是有害，目前还没有定论。使用抗生素预处理抑制肠道菌群，大脑中动脉闭塞的小鼠在第3天时，肠道菌群α-多样性明显下降[70]，脑梗死体积减小，预后较好。导致这种现象的机制可能是小肠内分泌IL-17的γδT细胞数目减少，调节T细胞数量增加，调节T细胞抑制IL-17＋γδT细胞迁移至脑膜[71]，减轻脑组织炎症。然而，另一项实验却得到相反的结果。在C57BL/6小鼠脑梗死模型中，广谱抗生素抑制肠道菌群后再进行大脑中动脉脑梗死处理[72]，肠道菌群紊乱的小鼠死亡率明显增加。小鼠的死亡率与急性重型结肠炎有关。这项研究结果强调了脑卒中后肠道菌群失调对卒中预后的重要影响。脑卒中后宿主免疫系统严重受抑[73]，同时肠道的免疫屏障功能降低[66]，肠道细菌移位进入血液及肠外器官，诱发全身炎性反应，加重脑梗死不良结局。肠道菌群改变，是加重脑梗死结局还是改善脑梗死预后，目前尚无定论，仍需进一步研究以阐明肠道菌群失调对脑梗死预后的影响及其机制。 六、小结与展望 脑卒中是各种复杂因素综合作用的结果，如肥胖、高血压、高脂血症、胰岛素抵抗及动脉粥样硬化等。以上研究结果表明，肠道菌群失调不仅参与MS及动脉粥样硬化的病理过程，而且与脑卒中直接相关。肠道菌群失调与慢性代谢性疾病，如冠心病、脑卒中的关系越来越受到研究者的关注。肠道菌群失调有可能是心脑血管病新的致病因素。已有一些研究报道通过调节肠道菌群来改善生理功能、延缓疾病进展。例如，服用益生菌VSL#3可调节胆固醇和胆汁酸代谢，减轻动脉粥样硬化[74]。一种胆碱的结构类似物，3，3-二甲基-1-丁醇(3，3-dimethyl-1-butanol)，通过抑制TMA的生成从而减缓动脉粥样硬化进展[75]。肠道菌群失调在心脑血管疾病中的作用日益受到重视，从调节肠道菌群入手来治疗脑卒中可能是脑血管病领域的重大突破。 参考文献略 |
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