腸道菌群代謝產物與卒中后認知障礙相關性的研究進展

周 丹，李文俊 綜述，楊云紅，金醒昉 審校

(昆明醫科大學附屬延安醫院中心實驗室，昆明 650051)

卒中是全球死亡和殘疾的主要原因之一[1]，統計學數據顯示，全球每年首次卒中人數約有1 600萬人，其中殘疾人數約500萬人，死亡人數約570萬人[2]。2021年發布的《卒中后認知障礙管理專家共識》顯示，我國已成為卒中終身風險最高和疾病負擔最重的國家[3]。卒中后認知障礙(post-stroke cognitive impairment，PSCI)是卒中嚴重的后遺癥。相關研究表明，超過一半的卒中患者會發展為PSCI[4]。至今PSCI的具體發生機制仍未知，臨床治療方法非常有限[5]，因此，急需從新的角度探索PSCI的發生機制，為PSCI的防治提供新的治療靶點。近年來多項研究發現，腸道菌群及其代謝物可能與PSCI的發生、發展密切相關。因此，本文主要闡述腸道菌群具有代表性的代謝產物與PSCI的關系，旨在為PSCI的防治提供新的角度。

1 PSCI

PSCI是由卒中引起的從輕度認知障礙到癡呆的一類臨床綜合征，通常在卒中后3～6個月持續存在，并在此時間段通過認知評估來確診[3]，常伴注意力、工作記憶、語言能力、視空間能力及執行功能減退[6]。PSCI是血管性認知障礙的一種亞型[3]，其全球發生率為20%～90%[7]，PSCI非癡呆發生率為14%～29%，卒中后癡呆發生率為11%～42%[8]。一項前瞻性的隊列研究顯示：PSCI患者5年預后較差，如日常生活能力的獨立性和心理健康狀況降低等，嚴重影響患者的康復，尤其是肢體運動功能的康復[9]。PSCI的發生機制迄今尚未明確，可能與腦缺血性損傷、腦神經退行性病變、神經炎癥及血腦屏障破壞、氧自由基損傷等多種因素有關[4]，且目前尚缺乏準確可行的標志物預測其發生、發展，使得其防治仍是一個棘手問題。

2 腸道菌群代謝產物與PSCI的關系

近年來，腸道菌群及其代謝產物在阿爾茨海默病、腦梗死、血管性認知障礙、PSCI等神經系統疾病發生、發展過程中的作用引起了國內外的廣泛關注。一項對照研究顯示，PSCI患者厚壁菌門相對豐度減少，變形菌門增多，厚壁菌門的Intestinibacter bartlettii、uncultured bacterium Tyzzerella_3、Fusicatenibacter saccharivorans與認知功能呈正相關；擬桿菌門的uncultured bacterium Prevotellaceae_NK3B31與認知功能呈負相關[10]，這為PSCI的臨床診療提供了新思路。一項納入65例急性缺血性卒中的對照研究顯示，PSCI組患者腸道菌群及其代謝產物組成紊亂，短鏈脂肪酸水平明顯降低[11]。WANG等[5]將PSCI患者和非PSCI患者的糞便微生物移植到卒中小鼠中，結果發現，與非PSCI小鼠相比，PSCI小鼠腸桿菌科豐度、脂多糖和外周炎癥因子明顯增加，丁酸明顯減少，與PSCI患者和非PSCI患者的對比結果一致，首次提出腸道菌群與PSCI之間存在因果關系，考慮是丁酸和脂多糖等腸道菌群代謝產物介導了腸道和大腦之間的交流。

2.1 短鏈脂肪酸與PSCI的關系

短鏈脂肪酸是一種飽和脂肪酸，是腸道微生物的代謝產物之一，包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等。其中乙酸、丙酸、丁酸是腸道菌群發酵膳食纖維和抗性淀粉在結腸產生的主要代謝物[12]。丁酸主要由厚壁菌門產生，而乙酸、丙酸則由擬桿菌門產生。

短鏈脂肪酸可以為人體提供能量，還可以作為信號分子調節能量代謝和保護腸道屏障功能[13-14]。主要通過以下方式來調節大腦學習、記憶、認知能力和情緒等功能：(1)通過游離脂肪酸受體激活迷走神經，從而向大腦發放信號；(2)通過影響小膠質細胞的形態功能來影響神經炎癥；(3)通過調節神經營養因子的水平來影響大腦；(4)通過單羧酸轉運蛋白穿過血腦屏障，增強其完整性[12,15]。近期研究表明，短鏈脂肪酸可通過調節小膠質細胞、血腦屏障、神經炎癥、神經營養因子、神經元凋亡等方面對PSCI的發生、發展起保護作用[8,16-17]。小膠質細胞是腦的固有免疫細胞，有經典激活型(M1型)和替代激活型(M2型)兩種極化狀態，M1型能夠釋放促炎細胞因子[腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細胞介素(interleukin，IL)-1β、IL-6等]，加重卒中后炎性反應和腦損傷[18]。炎癥可引起卒中后神經損傷，破壞血腦屏障完整性，導致腦組織水腫和神經元損傷，引起認知障礙。血腦屏障損傷和神經炎癥可能在PSCI的發病機制中起重要作用[5]，血腦屏障破壞是人類認知功能障礙的早期生物標志物[19]，IL-6、IL-8、IL-10、IL-1β等炎癥生物標記物有望成為PSCI的分子標志物[2]。短鏈脂肪酸可以通過調節小膠質細胞的成熟和功能來調節認知功能[20]。在大腦中動脈栓塞大鼠模型中，丁酸鈉可以使小膠質細胞向抗炎表型轉換，抑制神經炎癥[21]；丁酸鈉還可以通過上調緊密連接蛋白表達水平，保持血腦屏障的完整性[22]，改善神經功能障礙。由此可見，短鏈脂肪酸既可維持血腦屏障的完整性，又能抑制神經炎癥，說明短鏈脂肪酸可能通過維持血腦屏障完整和減輕神經炎癥對PSCI產生保護作用。

LIU等[11]研究發現PSCI患者中梭桿菌增多、產生短鏈脂肪酸的有益菌群和短鏈脂肪酸明顯減少。其中，梭桿菌與PSCI患者認知障礙嚴重程度呈正相關，Gemmiger、Barnesiella、Coprococcus等短鏈脂肪酸產生菌與PSCI患者認知障礙嚴重程度呈負相關，說明短鏈脂肪酸可能對PSCI患者具有保護作用。一項動物研究顯示，將年輕小鼠的糞便移植到老年卒中小鼠中，結果老年卒中小鼠神經功能障礙、行為障礙、神經炎癥等減輕，主要是由于年輕小鼠糞便中短鏈脂肪酸和產生短鏈脂肪酸的細菌更多[23]，說明短鏈脂肪酸能夠改善卒中后患者的認知和行為障礙。WANG等[5]研究發現，PSCI小鼠丁酸比非PSCI小鼠少，認知障礙更嚴重。總的來說，短鏈脂肪酸在PSCI中作用明顯，可以作為PSCI的治療依據，但需進一步探究。

2.2 氧化三甲胺與PSCI的關系

氧化三甲胺是腸道菌群產生的代謝產物之一，其為一種小分子有機化合物，屬于PSCI的代謝生物標記物[2]。當人食用富含雞蛋、魚肉類等磷脂酰膽堿和左旋肉堿的食物時，會被腸道微生物產生的三甲胺裂解酶分解成三甲胺，然后通過門脈系統進入肝臟，再被肝臟的黃素單加氧酶氧化成氧化三甲胺[24-25]，通過血液循環到達全身。

氧化三甲胺與膽固醇代謝、氧化應激反應、炎癥反應和動脈粥樣硬化等密切相關[22,26]，而這些因素與心腦血管疾病和神經退行性疾病密切相關。氧化三甲胺可促進動脈粥樣硬化的形成，而動脈粥樣硬化與PSCI密切相關，說明氧化三甲胺可能通過動脈粥樣硬化進而影響PSCI的發生、發展。一項縱向研究顯示，血漿氧化三甲胺水平升高是PSCI的獨立預測因子(OR=3.304，95%CI：1.335～8.178，P=0.010)[27]。一項前瞻性隊列研究顯示，在患者卒中發作6個月后檢測血漿氧化三甲胺，發現PSCI患者較非PSCI患者血漿氧化三甲胺水平更高(中位數4.56 μmol/Lvs.3.22 μmol/L，P<0.001)[28]。研究還發現氧化三甲胺在調節神經炎癥和認知功能中起著重要作用，認為氧化三甲胺可以作為一個潛在靶點去預防和治療神經炎癥和認知能力下降[29]。因此，氧化三甲胺可能在PSCI中發揮著重要作用，檢測血漿中氧化三甲胺的水平有利于預測PSCI的嚴重程度。

2.3 脂多糖與PSCI的關系

脂多糖是一種內毒素[30]，由脂質和多糖構成，是腸道菌群代謝產物之一，主要是由大腸桿菌屬和克雷伯氏菌屬等革蘭氏陰性腸桿菌科產生，是調節炎癥的重要代謝物。脂多糖可通過與小膠質細胞上的TLR4結合激活核因子κB，使小膠質細胞活化，促進一氧化氮、TNF-α和IL-1β等一系列炎癥因子釋放，進而引起全身炎癥和神經炎癥，造成神經元凋亡，最終導致認知障礙[31]。

脂多糖破壞血腦屏障后，大量的炎癥因子和神經毒素進入大腦，進而激活小膠質細胞介導的炎性反應和氧化應激，加重血腦屏障損傷，造成神經元損傷和凋亡，最終導致認知功能障礙[32]。一項動物研究顯示，在小鼠腹腔注射脂多糖可激活經典補體通路和小膠質細胞，導致神經損傷、突觸丟失，從而引起學習和記憶障礙[33]。WANG等[5]發現PSCI患者的脂多糖和外周炎癥標志物水平明顯比非PSCI患者高，在小鼠身上也得出一致的結果。由于PSCI患者的腸桿菌科的明顯增加和丁酸水平明顯降低，導致腸道屏障被破壞，脂多糖通過滲漏的腸道進入循環，引起慢性外周炎癥，持續的炎癥破壞血腦屏障，使外周脂多糖和炎癥細胞因子不斷浸潤到腦組織中，促使海馬CA1區域的神經元凋亡和丘腦中aβ沉積，最終引起PSCI。此外，該研究還發現卒中后腹膜內注射脂多糖的卒中小鼠與PSCI小鼠引起的病理學相似，說明脂多糖可能引起PSCI。所以脂多糖的檢測有望成為PSCI的篩查或診斷手段。

3 治 療

3.1 從短鏈脂肪酸角度探究治療PSCI的方法

LIU等[11]研究發現，使用產短鏈脂肪酸的乳酸菌和雙歧桿菌組成的傳統益生菌治療PSCI幾乎無效果，因為益生菌僅能改善患者抑郁、焦慮的情緒，對認知能力的影響不明顯。研究者認為可以從以下幾個方面改進:(1)由于PSCI患者產生短鏈脂肪酸的細菌和短鏈脂肪酸均較非PSCI患者明顯減少，所以傳統劑量益生菌治療PSCI是遠遠不夠的，可以給予PSCI患者大劑量的益生菌或直接補充大劑量短鏈脂肪酸；(2)可以嘗試換其他可能具有改善PSCI的新型益生菌，如AKK菌；(3)糞便細菌移植。CHEN等[16]研究也表明移植富含短鏈脂肪酸(尤其是丁酸)的糞便菌群可改善缺血大鼠的神經功能損害和認知障礙。丁酸鈉可通過激活GPR41-Gβγ-PI3K/Akt通路減少神經元凋亡，進而明顯減少大腦中動脈栓塞大鼠梗死體積，改善其短期和長期神經功能障礙[17]。WANG等[5]研究發現在飲用水中補充丁酸鈉可以明顯改善PSCI小鼠認知功能減退的癥狀，這主要是通過降低腸桿菌科豐度和增加丁酸水平來實現的。因此，短鏈脂肪酸可能成為PSCI防治的安全有效方式。

3.2 從氧化三甲胺角度探究治療PSCI的方法

研究發現3,3-二甲基-1-丁醇是一種非致死性抑制劑，能夠通過抑制三甲胺的形成來降低血漿氧化三甲胺水平，減少泡沫細胞的形成和動脈粥樣硬化發展[34]。SHIH等[35]發現在黃素單加氧酶敲除小鼠中，血漿氧化三甲胺水平和形成血栓的潛力明顯降低。環丙沙星、萬古霉素等廣譜抗生素幾乎可完全抑制三甲胺和氧化三甲胺的產生，但在停藥1個月后，氧化三甲胺水平又恢復正常了[36]，長期使用抗生素也會產生耐藥性和腸道菌群紊亂，因此，用抗生素來降低氧化三甲胺的方法仍需進一步探究。ZHONG等[37]首次提出血漿膽堿和甜菜堿與PSCI的風險呈負相關，認為膽堿途徑營養素對PSCI有良好的預后作用，提示膽堿和甜菜堿可能是PSCI的重要生物標志物，因此，可以考慮通過補充膽堿和甜菜堿來改善PSCI。粗壯女貞可能通過減少血清氧化三甲胺來減輕動脈粥樣硬化的發生[38]，而動脈粥樣硬化是PSCI的危險因素，或許可以使用粗壯女貞治療PSCI，但需進一步探索。

3.3 從脂多糖角度探究治療PSCI的方法

睪酮代謝物二氫睪酮可以抵抗脂多糖誘導的神經炎癥并對神經元起保護作用，因此，雄激素替代療法可以作為改善神經炎癥相關疾病中認知和行為功能的潛在治療策略[39]。黃芩苷通過調節細胞沉默調節蛋白1(silent mating type information regulation 2 homolog 1，SIRT1)/高遷移率族蛋白B1(high mobility group protein 1，HMGB1)途徑使小膠質細胞免受脂多糖誘導的神經炎癥，進而改善認知障礙[30]。既往研究發現，補充丁酸鈉會使糖尿病卒中小鼠的腸道菌群發生改變，降低脂多糖、脂多糖結合蛋白和促炎細胞因子水平，進而改善血腦屏障破壞和卒中后的腦損傷[40]。丹參醇冰片醇酯具有抗神經炎癥和動脈粥樣硬化活性的特點，可以改善脂多糖刺激的小膠質細胞和缺血性卒中大鼠的神經炎癥[41]，進而減輕認知障礙。WU等[42]研究發現，重組人心房利鈉肽可通過膈下迷走神經介導的腸道菌群-腦軸來改善脂多糖引起的海馬炎癥和認知功能障礙。因此，從脂多糖角度出發探究改善PSCI的方法也具有重要意義。

4 總結與展望

本文從腸道菌群代謝產物——短鏈脂肪酸、氧化三甲胺、脂多糖角度出發，通過探討炎癥、血腦屏障損傷等機制與PSCI相聯系，且闡明了這3種腸道菌群代謝產物在PSCI發生、發展中的作用，為PSCI的預防和治療提供了新的方向。目前，腸道菌群代謝產物在PSCI中的研究尚不充足，還需進一步深入、全面探究。