楊赫,唐強(qiáng),陳秋欣
1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué),黑龍江哈爾濱市 150040;2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第二醫(yī)院,黑龍江哈爾濱市 150001;3.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院,黑龍江哈爾濱市 150040
腸道菌群與許多腦卒中危險(xiǎn)因素有關(guān),如高血壓、糖尿病、動(dòng)脈粥樣硬化、衰老、血管功能障礙和肥胖[1]。急性腦卒中患者繼發(fā)胃腸道并發(fā)癥的預(yù)后不佳,死亡率和致殘率增加。老年患者腦卒中后腸道生態(tài)失調(diào)或腸源性膿毒癥的發(fā)生率越來越高[2]。
腸道有腸神經(jīng)系統(tǒng)(enteric nervous system,ENS),神經(jīng)元數(shù)超過1 億個(gè),比所有外周神經(jīng)節(jié)結(jié)合的神經(jīng)元數(shù)還要多。許多神經(jīng)疾病有胃腸道癥狀,且通常先于中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀出現(xiàn),有學(xué)者稱其為人類的“第二大腦”[3]。腸道菌群多樣性的喪失導(dǎo)致腸道生態(tài)失調(diào),誘發(fā)疾病[4]。臨床和動(dòng)物研究均表明[5],腸道微生物群的快速變化可能是影響重傷預(yù)后的重要標(biāo)志。利用微生物相關(guān)技術(shù)調(diào)控腸道可能間接降低腦卒中的風(fēng)險(xiǎn),為腦缺血的預(yù)防和治療提供新的思路[5]。
腸-腦軸不是一個(gè)線性系統(tǒng),而是通過多種途徑交流的循環(huán)反饋環(huán)路[6],涉及中樞神經(jīng)系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)、ENS 和下丘腦-垂體-腎上腺軸[7];信號涉及血清素、乙酰膽堿、谷氨酸、γ-氨基丁酸、短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFA)和長鏈脂肪酸、組胺、激素、細(xì)胞因子等。最常見的途徑是激活迷走神經(jīng)ENS[8]。研究表明[9],腸內(nèi)分泌細(xì)胞依賴迷走神經(jīng)感覺神經(jīng)元突觸,釋放谷氨酸,激活迷走神經(jīng),并向大腦發(fā)出微生物變化的信號。腦與腸道間的相互作用也可能發(fā)生在大腦和免疫系統(tǒng)之間(因?yàn)槟c道擁有人體大部分免疫細(xì)胞),以及大腦和內(nèi)分泌系統(tǒng)之間。
腸道免疫穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)涉及腸道微生物群,包括一系列細(xì)菌及其衍生物,與腸上皮細(xì)胞、單核吞噬細(xì)胞、先天淋巴細(xì)胞、樹突細(xì)胞和T 或B 淋巴細(xì)胞有關(guān)[10]。病理狀態(tài)下,共生細(xì)菌打破宿主體內(nèi)免疫平衡,發(fā)生微生物失衡,這一現(xiàn)象被稱為失調(diào)。將失調(diào)的腦卒中微生物群移植到無菌小鼠體內(nèi),會(huì)加劇大腦中動(dòng)脈閉塞(middle cerebral artery occlusion,MCAO),且動(dòng)物的后續(xù)腦損傷都與腸源性促炎T 淋巴細(xì)胞(TH1和TH17表型)向腦梗死部位的遷移、增加有關(guān)[11]。Benakis等[12]發(fā)現(xiàn),腸道菌群和腦膜白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-17+γδT 細(xì)胞對缺血性損傷有負(fù)面影響。研究還顯示[13],腸道菌群改變小鼠缺血性腦損傷狀態(tài)。Winek 等[14]用抗生素預(yù)處理小鼠腦卒中模型,腦卒中后小鼠死亡率更高;而有復(fù)雜腸道微生物群的小鼠存活率更高。腸道微生物群門類豐富,包括厚壁菌門、擬桿菌門和放線菌門,它們在腦卒中后顯著減少[14]。
一些研究顯示[15-16],腦損傷可能對腸道菌群組成產(chǎn)生影響,腦卒中和短暫腦缺血發(fā)作患者的糞便細(xì)菌數(shù)和有機(jī)酸濃度發(fā)生顯著變化,這些變化與缺血性腦卒中代謝和炎癥標(biāo)志物水平相關(guān)。腦缺血后,交感神經(jīng)系統(tǒng)活性增高,激活黏膜微生物群。實(shí)驗(yàn)性腦卒中刺激自主神經(jīng)釋放去甲腎上腺素,改變盲腸區(qū)與損傷程度相關(guān)的消化球菌科和普雷沃氏菌科[17]。Stanley 等[18]發(fā)現(xiàn),腦卒中引起人類黏蛋白降解菌豐度增加,梭菌屬物種增加。應(yīng)用宏基因組學(xué)技術(shù)進(jìn)行核酸測序[19],可分析腦卒中誘發(fā)的黏膜微生物群,發(fā)現(xiàn)其與感染性疾病、膜轉(zhuǎn)運(yùn)和異生素降解關(guān)系密切[18]。腦卒中后并發(fā)感染的患者,通過糞便治療性移植共生細(xì)菌[20],可改善菌群失調(diào),影響預(yù)后[21]。
腦缺血,特別是急性腦缺血,會(huì)使區(qū)域腦血流中斷,引起血腦屏障破壞,導(dǎo)致外周白細(xì)胞遷移并滲透到梗死部位[22]。這些白細(xì)胞可以激活小膠質(zhì)細(xì)胞,啟動(dòng)炎癥級聯(lián)反應(yīng),釋放一系列炎癥介質(zhì),產(chǎn)生組織損傷。炎癥反應(yīng)不僅局限于早期局部腦組織,也會(huì)誘導(dǎo)非特異性和全身性炎癥反應(yīng),其主要原因是腦組織壞死,而不是通常意義上的感染[23-24]。
腸黏膜損傷可能是腦缺血患者細(xì)菌和內(nèi)毒素暴露和移位的原因[25]。在腦缺血患者外周組織中發(fā)現(xiàn)大量細(xì)菌增殖,細(xì)菌從腸道轉(zhuǎn)移到脾、肝和肺[26]。這種損傷可能導(dǎo)致腸道毛細(xì)血管通透性升高:廣泛的上皮與絨毛分離,上皮壞死,固有層破損、出血和潰瘍形成[27]。
腦缺血后,腸道γδT 細(xì)胞活化。γδT 細(xì)胞在腸道豐集,腦卒中后流向腦膜,遷移到損傷部位,加劇腦損傷或發(fā)揮保護(hù)作用[12]。Vogelgesang 等[28]發(fā)現(xiàn),腦缺血后12 h,外周血T 細(xì)胞百分比和絕對值明顯下降,同時(shí)CD4+和CD8+T 細(xì)胞亞群數(shù)量減少。腸道T 淋巴細(xì)胞有促炎和抑炎兩種作用。分泌促炎細(xì)胞因子(如IL-17)的T 細(xì)胞在損傷部位吸引嗜中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞,在實(shí)驗(yàn)性腦缺血中,γδT 細(xì)胞產(chǎn)生的IL-17 加重促炎反應(yīng)[22-29];而損傷部位中CD4+-CD25+-Foxp3+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg)的激活和遷移,對腦缺血損傷起保護(hù)作用[30-31]。Treg細(xì)胞來源于幼稚CD4+細(xì)胞相同譜系。Liesz 等[32]發(fā)現(xiàn),Treg細(xì)胞缺失后,腦卒中模型動(dòng)物中駐留和侵襲性炎癥細(xì)胞(包括小膠質(zhì)細(xì)胞和T 細(xì)胞)活化增強(qiáng)。Treg細(xì)胞能表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子Foxp3,并分泌抗炎細(xì)胞因子IL-10,抑制免疫反應(yīng),提示Treg細(xì)胞在抑制缺血后炎癥中發(fā)揮作用。在腦卒中晚期,腸系膜淋巴結(jié)中的樹突細(xì)胞促進(jìn)Treg細(xì)胞向腸道遷移,抑制IL-17+γδT細(xì)胞分化,減少γδT細(xì)胞向腦遷移。同時(shí),抗炎細(xì)胞因子IL-10 上調(diào),減少γδT 細(xì)胞從腸道向腦膜的遷移,導(dǎo)致IL-17表達(dá)下調(diào),從而發(fā)揮腦保護(hù)作用。
綜上所述,腸道微生物群是啟動(dòng)腦損傷神經(jīng)炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[33],對腦卒中病情發(fā)展至關(guān)重要。根據(jù)腸道菌群激活的免疫反應(yīng)不同,對腦卒中預(yù)后可能是有害的,也可能是有利的。腸-腦軸的T 細(xì)胞穩(wěn)態(tài)、Treg/TH17比值和腸淋巴細(xì)胞向腦的遷移,都可能降低腦梗死損害,加速腦康復(fù)[12]。
調(diào)控腸道微生物群可能改善腦缺血的預(yù)后。糞菌移植是將健康人糞便中的細(xì)菌移植到腦缺血患者的腸道中。糞便菌群雖不能完全等同于腸道菌群,但大體相似。常用的糞菌移植有兩種方法:一是經(jīng)鼻-十二指腸,將菌液注入;另一種是通過腸鏡注入。
糞菌移植尚處于臨床試驗(yàn)階段,可能有一些副作用,包括細(xì)菌性血液感染、胃腸脹氣、腹痛、痙攣、惡心和發(fā)熱等。糞菌移植使腦損傷引起的生態(tài)失調(diào)正常化,并改善腦卒中預(yù)后;減少病灶大小,與外周免疫系統(tǒng)和調(diào)節(jié)T 細(xì)胞擴(kuò)增有關(guān)[11]。Chen 等[34]發(fā)現(xiàn),缺血性腦卒中后,腸內(nèi)SCFA 水平降低;移植富含SCFA 的糞便細(xì)菌,調(diào)整腸道菌群并補(bǔ)充丁酸,是治療缺血性腦卒中的有效方法。Singh 等[11]將腦卒中小鼠的糞便轉(zhuǎn)移到無菌小鼠時(shí),導(dǎo)致促炎細(xì)胞水平增加;這些細(xì)胞在病變處浸潤,這表明腦損傷的過程中存在免疫機(jī)制。Spychala等[35]發(fā)現(xiàn),在老年小鼠中建立年輕的微生物群,在缺血性腦卒中后會(huì)對預(yù)后產(chǎn)生積極影響;在老年小鼠中建立老年菌群則對腦卒中預(yù)后產(chǎn)生負(fù)面影響。
目前對腸道菌群的作用尚缺乏透徹理解,腸道菌群產(chǎn)物可能直接或間接參與腸道與大腦的溝通。盡管腸道炎癥和免疫細(xì)胞的組成和分布在不同動(dòng)物和人類之間相似,但基于動(dòng)物研究的結(jié)果是否適用于人類仍需探討。有必要加深對神經(jīng)疾病中腸-腦軸的研究,探討腸-腦軸與神經(jīng)疾病間的關(guān)聯(lián)。
腸-腦軸的確切分子機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究[36]。卒中后血腦屏障改變、腸道炎癥和免疫反應(yīng),以及腦卒中后生態(tài)失調(diào)是腦卒中動(dòng)物研究的重要對象。在腦卒中患者中,腸道引起的炎癥和免疫反應(yīng),以及腦卒中后生態(tài)失調(diào)的變化仍然令人困惑。目前,糞便微生物群移植正在探索中,以糞菌移植為代表的臨床治療可能是革命性的,以腸道微生物的可塑性調(diào)節(jié)腦功能重組是有前途的治療方法。