腸道菌群與腦卒中后抑郁潛在機制的研究進展

王穎佳，王凌霄綜述，邵宏元審校

腦卒中是全世界最常見的神經系統疾病之一，腦卒中后抑郁(Post-stroke depression，PSD)是腦卒中后常見的神經心理并發癥之一。在腦卒中后5 y內，大約有1/3的腦卒中幸存者患有PSD[1]，且由于精神疾病相關的病恥感、較低的治療尋求率使得患病率可能被低估。PSD與腦卒中患者身體和認知恢復、神經功能結果和生活質量的改善密切相關，抑郁和卒中之間存在雙向關系：腦卒中造成PSD，而抑郁增加了腦卒中和腦卒中后死亡風險。早期識別有抑郁癥風險的腦卒中患者有助于進行適當的治療和隨訪。PSD的治療主要是基于5-羥色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)、去甲腎上腺素(noradrenaline，NE)和多巴胺(dopamine，DA)受體的異常表達假說而制定的抗抑郁療法，由于傳統的抗抑郁治療方法效果不佳，且患者依從性差，我們急需探尋新的治療方法。

在過去的幾十年里，人們對腸道菌群的功能也有了更全面的認識。最近的研究揭示了腸道菌群變化對腦卒中、抑郁癥[2]、自閉癥[3]、癲癇[4]等神經系統疾病的重要性。本綜述旨在結合最新的研究進展，探究腸道菌群與腦卒中后抑郁潛在機制，為腸道菌群在PSD的治療提供參考。

1 腸道菌群與微生物群-腸-腦軸的潛在機制

人類在母體子宮中是處于無菌環境的，最早期的腸道菌群來自嬰兒出生時母體陰道和肛周微生物群[5]，隨著年齡增長腸道菌群受到我們的飲食習慣和環境影響不斷變化并維持相對穩定狀態。人類的腸道中含有近100萬億種微生物，包括細菌、病毒和真菌，厚壁菌門和擬桿菌門為腸道菌群最突出的兩個門屬[6]。腸道菌群是人體被忽略的“器官”，是維持人體內環境平衡不可或缺的一部分，也被稱為“第二大腦”，它們的存在對健康至關重要。隨著研究的深入，我們發現大腦和腸道之間的聯系除了維持胃腸道的內穩態外，還會影響人類的情感、動機和更高的認知功能，并提出了“微生物群-腸-腦軸(microbiota-gut-brain axis，MGBA)”這一概念[7]，揭示了腸道菌群在維持代謝穩態、保護人類免受致病微生物的侵害以及腸道菌群與大腦之間的通信作用[8]。

2 腦梗死后抑郁作用機制與微生物群-腸-腦軸

胃腸道與中樞神經系統(central nervous system，CNS)關系密切，腸道菌群通過影響CNS和神經細胞來參與調節神經系統功能，參與到CNS相關疾病的發病機制和進展[6]。在過去的十幾年中，由于宏基因組學技術的發展，允許對腸道菌群相關基因進行詳盡分析，使得腸道菌群得到了越來越多的關注。目前關于PSD發病機制的假設包括：下丘腦-垂體-腎上腺(hypothalamic-pituitary-adrenocortical axis，HPA)軸的激活、神經遞質的改變、微生物代謝產物、迷走神經通路、免疫及炎性反應、神經營養因子等。

2.1 下丘腦-垂體-腎上腺軸 HPA軸[9]是主要的神經內分泌應激反應系統，同時也是微生物群-腸-腦軸內關鍵的非神經元通信途徑之一，作為邊緣系統的一部分，它對調節大腦功能至關重要，涉及調節情緒、記憶、免疫和代謝。當HPA軸因環境應激或促炎細胞因子的增加而被激活時[10]，腎上腺皮質合成和糖皮質激素釋放增加，糖皮質激素可調節腦中神經元的存活和神經發生。Sudo等人[11]研究顯示在應激反應中，無菌小鼠的類固醇皮質激素和腎上腺激素水平高于含有正常菌群的小鼠，并首次提出腸道菌群與HPA軸相關性。腦卒中后，HPA軸被過度激活，由于負反饋機制受損而無法維持平衡，最終大量的皮質醇的產生和積累[12]。慢性高皮質醇血癥可通過降低腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的活性，導致神經毒性產生，使得前額葉皮質邊緣區域的體積損失，從而導致神經可塑性現象的損害，這將維持抑郁狀態[13]。由此我們推測調節腸道菌群可以影響皮質醇水平，負向調節HPA軸的活動，參與到對PSD的調節。

2.2 神經遞質 腸道菌群產生的最常見的神經活性物質是神經遞質，如γ-氨基丁酸 (γ-aminobutyric acid，GABA )、谷氨酸(glutamic acid，Glu)、DA、5-HT和NE等，通過激活腸道神經系統，經迷走神經和脊神經介導驅動腸道菌群和CNS之間的信息傳遞[8]。目前，關于抑郁癥與神經遞質有關的理論主要有兩種，即單胺能假說和谷氨酸介導的興奮性毒性。單胺能核主要位于腦干內，腦卒中可中斷單胺類物質向大腦皮質和邊緣系統的投射，最終大腦情緒調節區單胺類遞質減少會導致PSD[14]。大量的研究已經證明抑郁癥患者腦中5-HT水平低于非抑郁癥患者[15]，在PSD患者中也觀察到類似的變化[16]。因此，血漿5-HT濃度的變化是預測卒中后精神疾病的一個重要的臨床指標。動物實驗[17]顯示向大鼠注射雙歧桿菌后觀察到大鼠體內色氨酸水平升高，提示雙歧桿菌可通過降低促炎因子水平，增加5-HT前體色氨酸，上調5-HT水平從而改善情緒。作為一種興奮性神經遞質，Glu合成在急性腦卒中患者大腦和血漿中均會增加[18]。研究發現腸道菌群變化與Glu代謝改變有關，空腸彎曲桿菌激活Glu合成，其在胃腸道中較低的豐度影響Glu的合成，間接影響Glu代謝[19]。一些腸道細菌，如谷氨酸棒桿菌、乳酸發酵短桿菌、枯草芽孢桿菌和短桿菌，通過谷氨酸消旋酶將L-Glu轉化為D-Glu，影響Glu代謝，從而在神經精神疾病[20]中發揮作用。因此，我們推測腸道菌群失調參與到了腦卒中神經遞質的改變過程，特別是5-HT和Glu，從而觸發PSD。

2.3 微生物代謝產物 腸道菌群產生的代謝物如短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFAs)、三甲胺N-氧化物(trimethylamine N-oxide，TMAO)和脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)，因其參與了微生物群和宿主穩態之間的相互作用而獲得了廣泛的關注[8]。SCFAs包括丁酸、醋酸和丙酸，可通過調控腸嗜鉻細胞對5-HT的分泌，在CNS相應受體發揮作用以保護神經元[21]。在強迫游泳試驗中[22]，使用醋酸、丙酸和丁酸的混合物降低了小鼠抑郁樣行為，顯示了SCFAs的重要意義，并間接顯示了腸道菌群在微生物群-腸-腦軸調節活動方面的影響。除了SCFAs，研究發現TMAO可直接促進了血小板的高反應性和增強血栓形成[23]，其與腦卒中等血栓性事件的發生風險獨立相關。

2.4 迷走神經通路 迷走神經[8]通過腸道菌群產生的神經活性物質，驅動腸道菌群和CNS之間的通信。抑郁和焦慮行為的變化與用益生菌喂養的小鼠大腦中GABA受體表達的改變有關。鼠李糖乳桿菌JB-1治療可以降低大腦特定區域的GABA受體mRNA的表達，從而減少應激誘導的皮質酮和抑郁相關行為[24]。但這種效應在迷走神經切除的小鼠中未觀察到，提示迷走神經傳入神經在微生物群-腸-腦軸通信中起著重要作用。同樣地，通過研究[25]膈下迷走神經切斷術(subdiaphragamatic vagotomy，SDV)對LPS給藥后抑郁樣小鼠腸道菌群異常組成的影響，我們發現LPS引起了假手術小鼠的抑郁樣表型的增加，相比之下行SDV后的小鼠中沒有產生抑郁樣表型，說明迷走神經很可能在微生物群-腸-腦軸中起著至關重要的作用。

2.5 免疫及炎癥機制 腸道由高濃度的免疫細胞組成，提供了一層抵御病原體的額外防御層。腸道菌群對于大腦中駐留的免疫細胞和膠質細胞的成熟和功能至關重要，這有助于調節神經發生和神經傳遞，從而影響宿主的各種行為[26]。小膠質細胞是CNS的常駐髓系細胞，對大腦的穩態功能至關重要，包括神經發生、神經傳遞、突觸重塑、神經炎癥和損傷修復[9]。一項研究[27]顯示無菌動物或使用抗生素治療小鼠易導致小膠質細胞成熟、激活狀態和分化缺陷，小膠質細胞形態發生改變，并對細菌的免疫反應減弱，這進一步證明腸道菌群的缺失導致小膠質細胞發育異常，從而影響神經系統發育異常。在無菌小鼠與對照組小鼠共存6 w后，這些小膠質細胞表型改變隨著腸道菌群的重新定居而發生逆轉[28]。這些發現表明來自腸道菌群的活躍信號是維持小膠質細胞穩態所必需的。星形膠質細胞是CNS中最豐富的神經膠質細胞類型。由于星形膠質細胞表達去甲腎上腺素和血清素的轉運體，我們推測星形膠質細胞可能控制5-羥色胺能和去甲腎上腺素能傳遞，而抗抑郁藥物可阻斷星形膠質細胞對單胺類遞質的再攝取[29]。腦卒中作為一種腦部創傷，可以在受傷的腦區引發強烈的炎癥反應，炎癥誘導的谷氨酸攝取損傷可能有助于腦卒中后情緒障礙易感性的發展[30]。腸道菌群紊亂可導致細菌釋放到血液中產生大量LPS，導致外周免疫激活和炎癥反應，引起血腦屏障改變、炎癥因子進入CNS，然后通過NF-κB通路激活神經膠質細胞，促進抑郁癥的發生[31]。已經有動物研究報道過抑郁癥微生物群-腦-腸軸失調與炎癥因子的相關性，在社會挫敗應激小鼠模型[32]發現IL-6通過改變腸道菌群的組成誘導抑郁發生，外周IL-6受體的阻斷顯著改善了易感小鼠中厚壁菌門/擬桿菌門比率的降低，并且可能具有快速起效和長效的抗抑郁作用。此外，研究已經證明[33]SCFAs在發展大腦外周免疫系統和小膠質細胞功能中的作用，腸道菌群的紊亂可導致小膠質細胞介導的神經炎癥，導致神經元、突觸和腦腸軸受損，調節腸道菌群組成的變化可能是改善神經炎癥疾病和大腦功能一個新的治療手段。

2.6 營養因子 BDNF是CNS中含量最豐富、分布最廣泛的神經營養因子，對神經系統的生長和分化至關重要，它在認知過程、情緒調節中起著關鍵作用。抑郁癥患者由于長期壓力和HPA的持續激活而導致皮質醇水平升高，糖皮質激素可以下調海馬中的BDNF[34]，這進一步加劇了5-HT和BDNF的缺陷，這意味著神經營養假說與HPA軸間接相關。動物實驗[35]顯示抑郁大鼠出現海馬和前額皮質BDNF的缺陷，而抗抑郁藥物可以提升BDNF水平。與此一致的是抑郁癥患者血清BDNF水平低于健康人群，且入院時腦卒中患者低水平的BDNF與PSD的發生有很強的關聯性，提示血清BDNF是PSD的一個重要的生物學預測因子[36]。腸道菌群可以調節BDNF，相較于未處理的大鼠，植物乳桿菌IS-10506處理增強了海馬中的大腦BDNF表達[37]，這意味著補充益生菌可以增強大腦發育，腸道菌群的改變可以影響BDNF水平。

3 新型治療在腸道菌群與卒中后抑郁的研究進展

近年來，益生菌和益生元在PSD的治療潛力已得到充分的證明。雙歧桿菌治療不僅可以逆轉5-HT和BDNF的缺陷，而且還可以降低血清皮質酮水平。此外，益生菌治療上調了色氨酸的生物合成和谷氨酸能突觸[34]，這些發現提示益生菌具有抗抑郁作用和調節腸道菌群作用。臨床試驗證明抑郁癥患者服用嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌和雙歧桿菌的混合物8 w后貝克抑郁量表評分明顯下降[38]。益生元對心理健康的益處包括影響大腦功能的代謝物，降低血腦屏障通透性，減少神經炎癥等。研究表明[39]益生元的補充可以減少應激反應性、焦慮和抑郁樣行為，增加BDNF的表達，并改善認知能力。糞便微生物群移植(fecal microbiota transplantation，FMT)通過將供體微生物群轉移到受體來操縱腸道菌群，是目前最有效的腸道菌群干預措施。動物實驗[40]發現FMT改善了慢性不可預測的輕度壓力大鼠模型中引起的快感缺乏樣行為，并降低了促炎細胞因子的產生和抑制NLRP3炎癥小體的產生。

4 總結與展望

到目前為止，在描述、診斷和尋找PSD治療方法方面已經做出了巨大的努力。腸道菌群在PSD相關作用已被動物模型和人類的各種實驗證實，并提出了許多潛在的途徑來解釋PSD患者的微生物群-腸-腦軸連接。盡管已經探索了迷走神經、HPA軸、神經遞質、微生物代謝產物、免疫以及炎癥與PSD有關腸道菌群失調的關系，但仍需要不斷努力了解這種多因素疾病的原因和作用機制。仍有許多問題需要回答：腸道菌群組成的最初改變是疾病表現的原因還是助推器？哪種腸道菌群的化學種類與疾病有很強的聯系？腸道菌群生態系統的重編程是否是一種很好的治療策略？回答這些問題可能會使腸道菌群與PSD的聯系得出有意義的結論，包括有益的治療和個性化醫學。

目前已知關于PSD的治療有抗抑郁藥物、飲食、運動和FMT，益生菌/益生元由于其可防止腸道菌群的改變和提高自然免疫力也逐漸應用于臨床。然而益生菌/益生元的副作用還需要進行深入的研究。此外，FMT治療是一種新的治療精神疾病的潛力，或可以作為當前方法的輔助手段。由于微生物治療領域還處于起步階段，對其副作用知之甚少，因此不能排除通過FMT移植目前未知的致病性微生物。此外，微生物組治療研究的主要障礙之一是尚未定義可測量的臨床相關腸道菌群終點以預測治療的成功。總之，腸道菌群研究是一個繁榮的領域，關于腸道菌群在健康和疾病中的作用經常有新的和令人驚訝的發現。雖然微生物群-腸-腦軸的概念現在已經建立，但仍然需要研究去闡述腸道菌群的變化和PSD之間的機制聯系。