老年髖關節置換術后譫妄患者腸道菌群結構變化研究

梁嘉敏 楊子健 楊吉武 梁佩雯 胡順晴

1廣州中醫藥大學第三附屬醫院麻醉科，廣州 510378；2廣州中醫藥大學第三臨床醫學院麻醉科，廣州 510405；3中國人民解放軍南部戰區空軍醫院麻醉科，廣州 510601

術后譫妄（postoperative delirium，POD）常見于老年全麻術后患者，是一種以思維混亂、精神狀態改變等為臨床表現的急性且可逆的精神障礙，在60歲以上人群的發病率為20%～50%［1-2］。POD 顯著影響患者術后恢復，延長了住院時間，增加了醫療費用，給患者家庭帶來沉重負擔。腸道菌群是指定植在消化道內的微生物群，這些細菌具有合成氨基酸、參與糖和蛋白質代謝、促進礦物質元素吸收的生理潛能［3-5］。目前POD 的發病機制尚不明確，腸道菌群可能通過腦-腸軸影響腦功能［6］。腸道菌群異常可能與自閉癥、抑郁癥、精神分裂癥和阿爾茨海默病的發生、進展有關［7］。調節腸道菌群的組成，改善其生理功能，可能有助于腦疾病的防治。本研究利用16S rRNA 測序來觀察和比較POD 和未發生POD（non-POD）患者腸道菌群的組成，探討腸道菌群變化對POD的影響。

資料與方法

1、一般資料

（1）納入標準：年齡60～80歲；均為髖關節置換術患者，美國麻醉醫師協會（ASA）分級Ⅰ～Ⅲ級。（2）排除標準：有椎管內麻醉禁忌證的患者；重要臟器功能衰竭的患者；伴阿爾茨海默癥或有精神疾病的患者；長期便秘、腹瀉等既往有腸道疾病患者；術前1 個月內及術后非手術原因使用抗生素、微生態制劑、益生菌或特殊飲食的患者；不潔飲食史；未能在指定時間采集到標本的患者。所有患者均知情并同意研究內容。采用病例對照研究思路，選取廣州中醫藥大學第三附屬醫院2019年9月到2021年8月腰硬聯合麻醉下行單側髖關節置換術的患者，隨機選取其中發生POD 患者13 例，同期隨機選取術后未發生POD 患者20 例，分別記為POD組和Non-POD組。

該研究已通過廣州中醫藥大學第三附屬醫院醫學倫理委員會批準，審查編號2020258。

2、方法

2.1、POD 的評定 參考Evered 等［8］對POD 的診斷標準，采用意識模糊評估法評定譫妄。診斷標準：（1）精神狀態突然改變或起伏不定；（2）注意力散漫；（3）思維紊亂；（4）意識程度改變，包括完全清醒外的意識狀態。（1）（2）+（3）或（4）可確診譫妄，評定時間為術后7 d內或出院前。

2.2、麻醉方法 入室后開放靜脈通道，所有手術患者均使用腰硬聯合麻醉?；颊呷〗扰P位，穿刺部位選取L2～L3間隙，穿刺成功后在蛛網膜下腔緩慢推注0.5%羅哌卡因（廣東華潤順峰藥業有限公司生產，國藥準字H20050325，規格：75 mg）1.6～1.8 ml，控制平面在T8 水平。硬膜外置管3～4 cm，術中可根據麻醉手術的需要于硬膜外追加0.5%羅哌卡因5.0～6.0 ml維持。

2.3、標本采集與檢測 所有患者均留取術前12 h 及術后48～60 h的糞便，注意清潔采集，取適量置于無菌凍存管內，30 min內放置于-80 ℃冰箱凍存。送至華大基因股份有限公司完成16S rRNA 檢測，選取細菌16S rRNA 的V3～V4 區進行基因擴增與測序；分析腸道菌群物種組成以及菌群Alpha 多樣性分析（Chao1 指數、Shannon 指數）；并在90.0%相似水平的OUT 代表序列開展分類分析，與Silva 數據庫在門、屬2個水平上找出微生物信息并記錄。

3、統計學方法

數據處理采用SPSS 20.0 軟件，計數資料以例（%）表示，采用χ2檢驗；符合正態分布的計量資料采用均數±標準差（±s）表示，組間比較采用獨立樣本t檢驗，組內比較采用配對t檢驗，以P＜0.05則表示差異有統計學意義。

結果

1、一般資料比較

POD 組及非POD 組患者的年齡、性別、文化程度、ASA分級、體質量、手術時長、羅哌卡因用量比較差異均無統計學意義（均P＞0.05），具體見表1。

表1 兩組髖關節置換術患者一般資料比較

2、腸道菌群多樣性分析

POD 組術后Chao1 指數及Shanon 指數均低于術前，POD 組術后的Chao1 指數及Shanon 指數均顯著低于Non-POD 組，差異均有統計學意義（均P＜0.05），具體見表2。

表2 兩組髖關節置換術患者手術前后Chao1指數及Shannon指數比較（±s）

表2 兩組髖關節置換術患者手術前后Chao1指數及Shannon指數比較（±s）

注：Non-POD組為術后未發生譫妄患者，POD組為術后發生譫妄患者；與同組術前比較，aP＜0.01

組別Non-POD組POD組t值P值例數2013 Chao1指數術前486.35±165.74471.28±169.300.2530.802術后455.20±153.50333.32±97.86a 3.1600.004 Shannon指數術前5.33±1.175.19±1.120.3410.735術后5.05±1.063.27±0.79a 5.180＜0.001

3、門水平腸道菌群相對豐度比較

POD 組術后厚壁菌門、變形菌門的相對豐度均高于術前，放線菌門、擬桿菌門的相對豐度均低于術前，差異均有統計學意義（均P＜0.05）；POD 組術后厚壁菌門、變形菌門的相對豐度均高于Non-POD 組，放線菌門、擬桿菌門的相對豐度均低于Non-POD 組，差異均有統計學意義（均P＜0.05）。詳見表3。

表3 兩組髖關節置換術患者手術前后門水平腸道菌群相對豐度比較（%，±s）

表3 兩組髖關節置換術患者手術前后門水平腸道菌群相對豐度比較（%，±s）

注：Non-POD組為術后未發生譫妄患者，POD組為術后發生譫妄患者；與同組術前比較，aP＜0.05，bP＜0.01

時間術前術后組別Non-POD組POD組t值P值Non-POD組POD組t值P值例數20132013厚壁菌門47.72±7.0547.19±6.840.2140.83246.70±6.9452.45±7.38b 2.2690.030放線菌門43.64±8.8244.03±8.680.1250.90142.75±9.4332.35±8.60b 3.2020.003擬桿菌門24.75±4.6422.98±4.331.0990.28021.37±4.17a 12.68±3.78b 6.062＜0.001變形菌門13.40±2.8713.89±3.050.4680.64316.42±3.55b 21.45±4.73b 3.4880.002

4、屬水平腸道菌群相對豐度比較

POD 組術后薩特氏菌屬、葡萄球菌屬、變形桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬的相對豐度均高于術前，雙歧桿菌屬、柔嫩梭菌屬、擬桿菌屬的相對豐度均低于術前，差異均有統計學意義（均P＜0.05）；POD 組術后薩特氏菌屬、葡萄球菌屬、變形桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬的相對豐度均高于Non-POD 組，雙歧桿菌屬、柔嫩梭菌屬、擬桿菌屬的相對豐度均低于Non-POD 組，差 異 均 有 統 計 學 意 義（均P＜0.05）。詳見表4。

表4 兩組髖關節置換術患者手術前后屬水平腸道菌群相對豐度比較（%，±s）

注：Non-POD組為術后未發生譫妄患者，POD組為術后發生譫妄患者；與同組術前比較，aP＜0.01，bP＜0.05

時間術前術后組別Non-POD組POD組t值P值Non-POD組POD組t值P值例數20132013薩特氏菌屬8.29±1.427.91±1.300.7760.44810.18±2.40a 16.45±3.74a 5.078＜0.001葡萄球菌屬11.65±2.1212.04±2.280.5010.62014.92±2.94a 21.38±4.60a 4.256＜0.001變形桿菌屬8.75±1.148.38±1.220.8860.3829.48±1.6715.33±3.22a 5.665＜0.001梭狀芽孢桿菌屬10.14±2.1810.37±2.330.2880.77514.70±2.92a 28.55±4.90a 8.652＜0.001雙歧桿菌屬49.75±6.1346.87±7.241.2280.22945.24±7.08b 29.41±5.80a 6.718＜0.001柔嫩梭菌屬16.38±2.6716.93±2.850.5630.57713.50±2.31a 10.18±2.04a 4.218＜0.001擬桿菌屬35.68±5.0735.89±5.230.1150.90934.76±4.7227.65±3.59a 4.622＜0.001

討論

研究發現，腸道菌群數量的變化與炎癥因子表達（TNF-α、IL-2、IL-6、IL-12等）、T淋巴細胞亞群水平（CD4+、CD8+、CD4+∕CD8+）及胃腸功能紊亂相關［9-10］。亦有研究認為，腸道菌群可能介導了POD、認知功能障礙。Zhang 等［11］建立了譫妄小鼠模型，并與正常小鼠比較，譫妄小鼠的腸道菌群多樣性顯著低于正常小鼠。術后POD可認為是腦功能受損的一種狀態，POD 的發生常是多因素協同的結果，和年齡、麻醉、手術等因素有密切關系，但具體機制尚未完全明確。研究表明，圍手術期由于抗生素應用、麻醉藥物影響及腸道準備相關措施可引起腸道菌群紊亂［12］。而腸道菌群紊亂可通過炎癥因子通路、下丘腦-垂體-腸軸功能紊亂、免疫途徑、迷走神經途徑及神經遞質的合成與表達，影響腦細胞增殖、代謝、凋亡與活性，引起中樞性神經損害，導致認知功能下降。亦有研究發現，腸道菌群失調還可能介導核因子-κB（NF-κB）、α-乳白蛋白、肽聚糖識別蛋白R 等表達，影響認知功能［13-14］。

Chao1 指數與Shannon 指數均是反應物種多樣性的指標，Chao1 指數與Shannon 指數越大，代表腸道菌群多樣性越高。Li 等［15］研究表明，腸道內有害菌群的增多和有益菌群減少的腸道菌群多樣性改變可引起腦血管疾病和內皮功能障礙，導致全身性免疫反應及微炎癥狀態，增加了認知功能障礙的風險。Jiang 等［16］研究發現，對POD 小鼠采用益生菌治療可矯正腸道菌群紊亂狀態，提升Chao1 指數與Shannon 指數，繼而改善認知功能。本研究顯示，POD 組術后腸道菌群Chao1 指數、Shannon 指數均顯著低于Non-POD組，說明髖關節置換術后老年POD 患者的腸道菌群表現為多樣性下降。

動物實驗研究發現，伴高尿酸血癥輕度認知功能障礙的大鼠，在厚壁菌門、軟壁菌門、變形菌門的豐度與健康大鼠存在顯著差異［17］。Shin 等［18］表明，微生態失衡中的變形菌與宿主的營養、代謝紊亂與免疫失調的炎癥等因素相關，其認為腸道菌群的紊亂常源于變形菌門豐度的變化。Rai等［19］報道了肝性腦病患者腸道中擬桿菌門的比例顯著降低。伍曉瑩等［20］研究發現，對認知功能損傷的小鼠模型，給予益生菌混合物（鏈球菌、雙歧桿菌、乳桿菌等）治療，可減輕腸道的免疫炎癥反應，調節腸道菌群豐度，繼而減輕認知功能障礙。本研究顯示，POD 組術后門水平上的厚壁菌門、變形菌門相對豐度均較非POD組高，放線菌門、擬桿菌門的相對豐度較非POD 組低。說明髖關節置換術后老年POD患者存在腸道菌群門水平上的結構紊亂。

研究發現薩特氏菌屬與多種疾病相關，可引起消化障礙及炎性反應［21］。研究表明在高脂肪飲食的小鼠中，認知功能變化早期可伴隨盲結腸之間細菌多樣性的變化，如葡萄球菌的增加、雙歧桿菌減少［22］。腸道菌群中的有益菌屬，如雙歧桿菌屬、柔嫩梭菌屬、擬桿菌屬等除了提供機體營養、增強腸道免疫外，其產生的短鏈脂肪酸還可維護人體腸道粘膜的完整性及腸道菌群的穩定性。雙歧桿菌被證實可有效改善動物的焦慮行為，有益于改善中樞神經系統功能［23］。Wang 等［24］指出慢性心衰患者的擬桿菌屬減少可引起認知缺陷。Bajaj 等［25］表明肝性腦病患者柔嫩梭菌屬減少，可出現認知功能下降。本研究顯示，在屬水平上，POD組術后薩特氏菌屬、葡萄球菌屬、變形桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬的相對豐度均顯著高于非POD組；雙歧桿菌屬、柔嫩梭菌屬、擬桿菌屬的相對豐度均低于非POD組。這提示，髖關節置換術后老年POD患者腸道菌屬存在結構紊亂。

綜上所述，本研究顯示髖關節置換術后POD 患者腸道菌群表現為多樣性下降：厚壁菌門、變形菌門增多，放線菌門與擬桿菌門減少，薩特氏菌屬、葡萄球菌屬、變形桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬增多，雙歧桿菌屬、柔嫩梭菌屬、擬桿菌屬減少。由于腸道菌群與POD 的發生、進展機制尚未完全闡明，尚不能肯定是哪些特定菌群導致術后認知功能下降。在微生物調節腸道菌群治療方面，需考慮腸道菌群極具個體化特征、菌群間互相影響、藥物影響、飲食差異等因素，方可形成可推廣的治療經驗。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突