腸道菌群與卒中后肺炎相關性的研究進展

隋冉冉，山要中，趙興軍，陳南南，劉鳳榮，逄錦晶

急性缺血性卒中和腦出血每年影響全世界數百萬人，感染是卒中后最常見的并發癥，肺炎和尿路感染多見，卒中后肺炎可惡化神經系統癥狀并增加死亡率[1]。研究表明，預防性使用抗生素減少了整體感染，但并沒有改善卒中的臨床結局[2]。卒中后誘導的免疫抑制與卒中后感染密切相關，已報道的機制有交感神經系統介導的應激反應、下丘腦-垂體-腎上腺軸功能調節、免疫細胞中的炎癥小體信號傳導[3-5]。

卒中相關肺炎最常見的微生物是人類腸道典型的機會性細菌。腸道菌群的易位和傳播是卒中后肺炎的重要原因[6]。腸道和大腦通過神經（中樞、自主、腸道神經系統）、激素（內分泌系統）、免疫（先天性和獲得性免疫系統）等途徑進行雙向通信，這些途徑被稱為腸-腦軸（gut-brain axis，GBA），腸道菌群及其衍生物可通過調節GBA信號傳導影響大腦功能，同時卒中也可導致腸道運動功能障礙，增加腸道屏障通透性和腸道菌群及其代謝產物易位入血液，加重炎癥反應[7]。因此，腸道菌群被認為在卒中后肺炎中有重要作用。本文就腸道菌群與卒中后肺炎的相關性進行綜述，以期促進卒中后肺炎靶向治療策略的發展。

1 腸道菌群與卒中后肺炎

1.1 腸道菌群 腸道菌群是寄居于人體胃腸道內數以億計的微生物群體，主要由細菌組成，其中98%的腸道菌歸屬于擬桿菌門（51%）、厚壁菌門（48%）、變形菌門和放線菌門四大細菌門，其他菌門數量相對較低[8]。腸道微生物可通過GBA調節人體的消化、代謝、免疫和神經功能，從而維持機體穩態。此外，腸道菌群是T細胞穩態的中心調節器，在免疫系統成熟中起重要作用。腸道微生物產生必需的生物活性代謝物，如短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）、亞硝酸鹽、氧化三甲胺（trimethyl amine N-oxide，TMAO）、吲哚和硫化氫等，這些代謝產物可影響心腦血管系統，如SCFA具有免疫調節和神經活性特征[9-10]，可通過組蛋白乙酰化相關的表觀遺傳改變、細胞增殖和G蛋白耦聯受體激活等多種機制調節宿主細胞的生理功能；TMAO水平增高可以增加內皮活性氧的產生，減弱內皮介導的血管舒張作用，與動脈粥樣硬化型缺血性卒中、卒中后并發癥呈正相關[11]。

1.2 卒中后肺炎的病原體可能源于宿主內部 既往研究顯示，雖然卒中后感染的發病率很高，但識別病原體較困難。有研究成功在卒中后感染患者的血液、尿液或痰中培養出致病菌，其中有70%是人類腸道內的共生菌（腸球菌、大腸桿菌和摩氏摩根菌）[12]。為了確定卒中后感染是通過宿主（內源性）還是環境（外源性）獲得的而進行的小鼠腦缺血-再灌注損傷模型研究結果顯示，特定病原體設施內飼養的小鼠，使小鼠體存在該病原體（簡稱SPF小鼠），在卒中發作后24 h內的肺組織中培養出該病原體，且SPF小鼠的肺勻漿分析顯示支氣管肺泡灌洗液中細胞數量增加、肺部中性粒細胞浸潤顯著增加/肺水腫等肺炎的典型特征；但在出生和飼養過程中沒有接觸到任何活的微生物的小鼠，培養為體內細菌缺失的無菌小鼠（簡稱GF小鼠），在卒中發作后肺組織中未培養出細菌。提示卒中后感染可能源于宿主內部，而非環境。

1.3 腸道菌群失調加重卒中后肺炎 生理狀態下，腸道菌群維持機體動態平衡，但藥物、飲食、年齡、腸道動力異常及免疫功能障礙等可使腸道微生物的組成、多樣性和數量發生改變，出現腸道菌群失調[13]，從而導致GBA信號傳導障礙，影響腸道免疫和神經免疫狀態，促發炎癥反應。一項缺血性卒中小鼠模型研究顯示，卒中后小鼠肺組織的微生物群增加，微生物計數增多，回腸和結腸的微生物數量明顯減少，表明在腸腔內有細菌菌株的消耗或者在卒中后有細菌從腸腔內轉移到肺中[14]。有研究在使用Source Tracker算法揭示卒中后小鼠肺部播撒微生物群落的可能來源時發現，卒中后小鼠肺微生物群中約50%的細菌群落來自盲腸和大腸[15]。通過16S核糖體RNA（16S rRNA）基因測序鑒定分離菌落的研究結果顯示，卒中后肺組織中大腸桿菌、志賀菌、多種鏈球菌、乳酸桿菌、納斯達短波單胞菌和sciuri葡萄球菌豐度顯著升高，而上述菌株均是可導致嚴重或致命性肺炎的機會性致病菌[16-17]。

2 腸道菌群與卒中后肺炎相關性機制

2.1 腸道功能障礙與卒中后肺炎

2.1.1 卒中后腸道功能障礙 胃腸道功能障礙是腦損傷患者的常見并發癥，實驗大鼠創傷性腦損傷在損傷后3 h內可出現嚴重的黏膜萎縮和腸上皮細胞緊密連接斷裂，并可持續7 d[18]。腸上皮細胞和內皮細胞通過細胞間連接復合物緊密結合在一起，細胞間連接復合物調節細胞旁通透性，對上皮細胞和內皮細胞屏障的完整性至關重要[19]。卒中可降低腸道屏障的上皮間質阻力，使上皮細胞間緊密連接間隙增大，出現腸上皮屏障功能障礙。

腸道上皮屏障的改變可使腸道內細菌或細菌產物易位，促進炎癥發生[14]。在回腸中，缺血性卒中上調先天免疫應答相關基因的表達（如補體途徑），下調趨化因子途徑。通路分析顯示缺血性卒中誘導可使補體級聯反應和核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）通路上調，并使凋亡通路下調，提示缺血改變了上皮細胞死亡和再生之間的正常平衡。缺血不改變回腸CX3CR1+巨噬細胞的數量，但細胞類型特征基因的表達分析顯示巨噬細胞相對樹突狀細胞的激活增加，更有利于局部固有免疫應答。總之，這些發現表明卒中后腸道屏障功能障礙加重了炎癥反應。

2.1.2 交感神經調節對腸道通透性和卒中后肺炎的影響 腸黏膜高度受內源性（腸內）和外源性（交感神經和迷走神經）神經纖維支配，這些神經纖維可調節腸道功能[20]。對回腸黏膜下神經叢神經元密度的定量分析顯示卒中后小鼠有顯著的神經元丟失，進一步分析特異性神經元亞群（VIP+、NPY+、TH+、ChAT+和nNOS+），發現黏膜下膽堿能ChAT+細胞缺失，腎上腺素能神經元和膽堿能神經元的比值從假手術小鼠的4∶10變化到卒中后小鼠的6∶10，提示腸道黏膜下神經叢腎上腺素能和膽堿能信號轉導失衡。膽堿能信號通路的減少已被證明能刺激促炎癥免疫反應，而膽堿能信號通路的激活可阻止創傷性腦損傷誘導的腸道和腦血管通透性增加[21-23]。已有研究證明卒中后腎上腺素能可介導全身免疫抑制，用普萘洛爾或美托洛爾抑制β-腎上腺素能受體可恢復卒中誘導小鼠的腸道通透性，使卒中后小鼠的肺、肝和脾中檢測到的細菌數量顯著減少，減輕炎癥反應[3]。

2.2 腸道代謝產物與卒中后肺炎 膽汁酸（bile acid，BA）是具有抗菌活性和免疫及腸道屏障調節功能的腸道菌群代謝產物[24]。肝臟一級BA由膽固醇合成，由腸道微生物代謝生成二級BA，二級BA主要通過門靜脈返回肝臟[25]。缺血后BA代謝異常，使回腸中Cyp27a1 mRNA、肝臟中甾體5-β-還原酶醛酮還原酶家族1成員D1（aldo-keto reductase family 1 member D1，AKR1D1）mRNA的表達增加，AKR1D1參與膽固醇代謝和皮質醇代謝的替代途徑，加重了卒中后應激反應。此外，缺血降低了盲腸內二級和一級BA含量，可促進致病性共生微生物的過度生長[26]，從而促進卒中后肺炎的發生。

研究表明產丁酸鹽腸道厭氧細菌的豐度較低是卒中后感染的一個獨立預測因子[27-28]，進一步證明了腸道微生物在抵抗感染方面的重要性。丁酸鹽可增強體外單核細胞和巨噬細胞的抗菌活性[29]，并增加體內細胞對呼吸道病原體的抗菌耐藥性[30]。丁酸的免疫調節能力歸因于其抑制循環白細胞內的組蛋白去乙酰化酶和mTOR信號通路的潛能，提供宿主對入侵病原體的平衡反應[31]。總之，產丁酸鹽腸道細菌的減少與卒中及其相關感染有關。

2.3 腸道細菌易位與卒中后肺炎 卒中后小鼠肺中選擇性共生細菌相對豐度的增加表明卒中導致宿主體內對腸道菌群的免疫或屏障防御系統受損。一項將共生菌糞腸球菌灌胃至GF小鼠，觀察其在卒中誘導后的易位和傳播情況的研究表明：在糞腸桿菌定植24 h后，卒中誘導的GF小鼠的糞腸球菌轉位和播散到周圍組織，包括肺、肝、脾[35]。此外，一項將大腸桿菌菌株ATCC700927（編號32）灌胃至SPF小鼠的實驗表明，卒中后小鼠的血液及肺組織顯示標記大腸桿菌培養陽性[36]。這些接種實驗提供了卒中后宿主腸道菌群移位可引起卒中后感染的證據。

值得注意的是，任何來自腸道的病原體在進入體循環之前，都有可能通過門靜脈被肝臟過濾。從腸道到肝臟的血液供應通過蜂窩狀的肝竇滲透，其中血液流動減慢，從而使血源性抗原最大限度地暴露在肝臟細胞中[6]。卒中后細菌向肺的傳播可能有多種途徑，包括直接從小腸或間接從腸道經肝臟傳播。然而，細菌易位和傳播的機制是復雜的，且很大程度上是未知的。

3 腸道菌群調節在卒中后肺炎中的治療效果

動物實驗和臨床研究結果表明，腸道菌群的易位和傳播可能是卒中后感染的原因。因此，通過使用益生元、益生菌、合生元和來自正常供體的糞便細菌移植（fecal microbiota transplantation，FMT）來調節腸道菌群的健康狀態以預防和治療卒中后感染有望成為新的治療策略[32]。動物實驗發現，在卒中小鼠模型中，每天口服益生菌混合物（短雙歧桿菌、干酪乳桿菌、嗜酸乳桿菌和保加利亞乳桿菌），共14 d，可減輕小鼠肺炎的嚴重程度并顯著改善神經功能缺損癥狀[33]。在卒中誘導模型中，FMT可減小病灶體積，減輕卒中后感染等并發癥，改善卒中預后[34]。宏基因組學分析表明，FMT使卒中引起的腸道菌群失調正常化，并部分恢復了嚴重梗死小鼠的腸道微生物多樣性。盡管上述研究表明益生菌、益生元和FMT有助于在卒中患者中建立良性循環，但FMT臨床應用的不良反應還不明確，其有益作用的確切機制在很大程度上仍然是未知的，應進一步深入研究。

4 結論

腸道菌群被認為是卒中后感染的新途徑，卒中后感染與來自宿主腸道微生物群的選擇性菌株的傳播有關，這些菌株可能在易位后具有致病性。卒中干擾了體內平衡的神經免疫代謝網絡，使腸道上皮屏障抗性降低、腸道內補體和NF-κB激活、腸道調節性T細胞數量減少、腸道淋巴細胞向γδT細胞和輔助性T細胞1/輔助性T細胞17表型轉移，增加腸道通透性，損害宿主抗菌能力和腸道屏障，促進共生細菌的移位和傳播。總之，腦、免疫系統、腸道微生物之間的雙向通信突出了卒中后微生物系統相互作用的復雜性，其相互作用的機制仍需進一步研究。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突。