腸道菌群紊亂與圍術期神經認知功能障礙的研究進展*

丁希芝綜述李鵬審校

(1.電子科技大學醫學院,四川 成都 611731;2.四川省醫學科學院·四川省人民醫院麻醉科,四川 成都 610072)

圍術期神經認知障礙(Perioperative neurocognitive disorders,PND)包括術前和術后12個月內發生的所有圍手術期認知功能改變,包括術后譫妄(Postoperative delirium,POD)、術后認知功能障礙(Postoperative cognitive dysfunction,POCD)等[1]。PND在高危患者中發生率高,可導致住院時間延長、住院費用增加、社會負擔加重,以及患者遠期預后不良。近年來,隨著人口老齡化發展,老年患者接受外科手術比例逐年增加。由于生理功能的衰退和疾病所帶來的影響,老年患者對手術、麻醉的耐受能力大大降低。PND已成為老年患者常見的圍術期并發癥,盡管采取了多種預防措施,但均未取得理想效果,因此進一步探討PND發病機制顯得尤為重要。最新研究表明,腸道菌群和PND之間通過腸-腦軸相互聯系。腸道菌群通過參與免疫調節、神經內分泌調節等多種途徑調控大腦功能,影響患者的認知、情緒和行為。手術麻醉過程可能通過直接或間接方式破壞腸道菌群穩態,引起認知功能紊亂。因此,本文旨在就腸道菌群紊亂與PND的關系進行綜述,以期為PND的預治提供新的思路和方向。

1 腸道菌群紊亂與PND關系密切

腸道菌群是存在于胃腸道中的復雜微生物系統,參與多種代謝途徑、信號轉導和免疫炎癥軸的調節[2]。大量研究證明,腸-腦軸的紊亂在神經精神疾病和中樞神經系統功能中發揮關鍵作用。最近研究報道[3],腸道菌群組成異常可能是PND發生的基礎,可能在PND發生發展中起關鍵作用。腸-腦軸是一個雙向通信系統,調節大腦和腸道的功能。

1.1 腸道菌群紊亂和多種中樞系統疾病的關系 腸道微生物群的破壞與多種神經、精神疾病密切相關,包括焦慮、抑郁、自閉癥、精神分裂及神經退行性疾病等。目前,腸道與大腦相互作用的確切機制尚未被完全理解。主流的觀點認為神經內分泌系統、免疫系統、迷走神經以及一些胃腸激素和神經遞質都參與了腸-腦軸調控[4]。腸道微生物可通過直接(如迷走神經)和間接(如短鏈脂肪酸、細胞因子和關鍵的膳食氨基酸,如色氨酸)途徑將信息傳遞給大腦：一方面,腸道傳入迷走神經在腸道內的感覺微環境有感知炎癥調節因子的受體,迷走神經傳入纖維的細胞體位于結節神經節中并投射到腦干的孤束核,然后由孤束核將信號傳遞給大腦的高級區域[5];另一方面,菌群代謝產物,例如短鏈脂肪酸、色氨酸、細胞因子、神經活性物質等,釋放血液中。一旦進入血液,微生物組及其因子可以改變外周免疫細胞功能,促使免疫細胞與血腦屏障血腦屏障的相互作用,改變血腦屏障完整性,并穿過血腦屏障進入大腦激活小膠質細胞和星形膠質細胞以影響腦功能。另外,細菌已被證明能產生和消耗哺乳動物神經遞質,如γ-氨基丁酸(GABA)、5-羥色胺、組胺和多巴胺,這些物質都作為神經遞質或神經遞質前體參與一系列與情緒、行為和認知相關的功能[6]。

阿爾茨海默病(Alzheimer disease,AD),是一種與年齡有關的神經退行性疾病。近年的研究發現,AD 患者腸道菌群α多樣性顯著降低,并在門、科、屬、目分類上對AD患者的腸道細菌進行了研究,其中擬桿菌(屬)、放線菌(門)、瘤胃球菌(屬)、毛螺菌科(科)和硒單胞菌(目)的豐度顯著改變[7]。腸道菌群失調所導致的代謝物(如脂多糖、膽汁酸、功能性淀粉樣蛋白等)變化可能會通過引發神經炎癥、神經細胞凋亡等途徑進一步導致β-淀粉樣蛋白(β-amyloid,Aβ)沉積形成淀粉樣斑塊、過度磷酸化的tau蛋白在細胞內聚集形成的神經原纖維纏結(Neurofibrillary tangles,NFTs)等[8],從而促進AD的形成。

另外眾多證據表明,腸道菌群紊亂與自閉癥、抑郁癥、精神分裂癥之間均存在密切關系。Naseribafrouei等[9]的研究證實,與腸道炎癥相關的另支菌屬和與抑郁癥相關的顫螺菌屬水平在重度抑郁癥患者中明顯升高。Azouz等[10]在一組40名3～12歲的自閉癥兒童中研究發現,82.5%的兒童合并胃腸道癥狀。此外,在診斷為自閉癥的患者中,厚壁菌門、擬桿菌門、梭桿菌門和疣微菌門均存在生態失調[11]。在精神分裂癥的發病機制中,邊緣部分多巴胺能傳遞的增加和谷氨酸能傳遞的抑制發揮重要作用。芽孢桿菌屬可以分泌多巴胺,腸道微生物群也可以影響谷氨酸的水平和代謝[12]。由此可見,腸道菌群與抑郁癥、自閉癥和精神分裂癥的發病機制息息相關。

合并上述疾病的患者、也是PND的高危人群。例如高齡是AD和POD的易感因素,65歲以上患者POD發生率明顯增加,且隨年齡增長而增加[13]。術前存在認知功能改變(如癡呆、認知功能損害、抑郁等)的患者容易發生PND[14-15]。由此可以看出,大量證據證明,腸道菌群紊亂與PND存在共同的高危人群,也證明兩者之間存在密切關系。

因此,腸道菌群失調引起的“腸-腦軸”功能紊亂在多種神經精神疾病的起病和進展中均是一個重要的致病因素。調節腸道菌群組成,改善其生理功能,將有利于中樞神經系統疾病的防治。

1.2 腸道菌群紊亂導致PND的發病機制 大量研究證明,腸道菌群組成異常可能在PND發生發展中起關鍵作用。一方面,術后腸道菌群失調可能通過加重外周和中樞炎癥反應來促進PND的發展[16-17]。手術打擊導致的中樞炎癥反應反應是PND重要的發病基礎,手術和麻醉誘導的組織損傷和氧化應激可誘導局部或全身促炎細胞因子的釋放,并激活相應的炎癥信號通路,導致全身炎癥[18]。正常的腸道菌群相當于腸道的保護性生物屏障;而腸道菌群失調不僅會產生神經毒性因子,還會影響腸道粘膜通透性,導致“漏腸”,從而導致大量炎癥和神經毒性因子進入中樞神經系統[16]。促炎細胞因子可以利用血腦屏障內皮細胞表面的特定受體和轉運體,直接穿過血腦屏障,促發神經炎癥[17]。隨著全身炎癥的進展,小膠質細胞出現活化的形態表型,并釋放增加的促炎因子,如IFN-γ、IL-1β、TNF-α和活性氧(ROS)[18]。小膠質細胞釋放促炎因子,將導致星形膠質細胞進一步激活,并加重神經炎癥[19],最后導致PND的發生率。在范嘉寧等[20]的研究中也證實,與偽無菌大鼠+接種PND患者糞菌濾液(P)組相比,偽無菌大鼠+接種健康人源糞菌濾液(NP)組IL-1β、IL-6和TNF-α的濃度顯著降低,GFAP、p-Tau蛋白表達水平均下降,逃生平臺穿越次數和興趣象限停留時間均明顯增加,還認為腸道菌群的差異性組成參與了體外循環心臟手術后PND的發生,其機制可能與炎癥反應的發生相關。

另一方面,術后腸道菌群紊亂可能通過影響神經遞質的平衡來促進PND的發展。5-羥色胺和γ-氨基丁酸(GABA)等眾多神經遞質都可以由腸道菌群產生[21]。5-羥色胺在全身廣泛存在,但90%～95%的5-羥色胺存在于胃腸道,主要存在于上皮腸染色質細胞(ECs)中[22]。5-羥色胺是一種能產生愉悅情緒的神經遞質,幾乎影響到大腦活動的每一個方面：從調節情緒、精力、記憶力到塑造人生觀。Heylen等[23]的研究表明,POD的老年患者患者存在5-羥色胺代謝失調,存在POD的患者血漿中5-羥色胺更低,而血漿中5-羥吲哚乙酸(5-HIAA)——血清素(5-HT)的主要代謝產物更高。GABA是中樞神經系統的主要抑制性神經遞質,主要分布在皮層、基底神經節、海馬、下丘腦、杏仁核、小腦、髓質和脊髓。雙歧桿菌屬和乳桿菌屬可以產生GABA,而大腸桿菌將GABA作為唯一的碳和氮源。Yoshitaka等[24]的研究中,POD患者在術后第二天血漿平均GABA濃度明顯低于無POD患者。基于現有證據推測,手術麻醉破壞腸道菌群,影響腸道內分泌細胞和腸道菌群參與5-HT的代謝合成,導致體內5-HT水平波動,同時增加有害菌減少有益菌導致GABA合成減少,從而影響情緒、行為和術后胃腸蠕動,最后可能促進了POD的發生。

最后,術后腸道菌群失調可能通過引起代謝產物異常而促進PND的發展。短鏈脂肪酸(Short-chain fatty acids,SCFAs)是腸道微生物活動的重要代謝產物,是腸道黏膜和上皮細胞的營養因子。SCFAs通過促進腸屏障的完整性、粘液的產生和增加對炎癥的耐受反應來維持腸道菌群的穩態。在生理條件下,SCFAs有一小部分到達體循環,并可以通過腦血管上皮細胞上的自身轉運蛋白穿過血腦屏障[25]。SCFAs還可以影響神經傳遞和神經遞質產生,如谷氨酸、谷氨酰胺、GABA和神經營養因子[26]。在Xu等[27]的研究中,與手術小鼠相比,術前給予外源性SCFAs可改善小鼠術后第3天的運動活動和焦慮樣行為。Xu認為手術創傷和麻醉加重了認知障礙,增強了神經炎癥反應,抑制了SCFAs的產生。SCFAs預處理部分通過逆轉小膠質細胞過度激活、抑制神經炎癥反應和增強BDNF表達來減少認知障礙的發生。另外,微生物群也可以調節色氨酸的代謝,色氨酸在免疫系統和腸腦軸的正常運作中起著關鍵作用[28],色氨酸產生犬尿氨酸、色胺和5-HT的三大代謝途徑都是在微生物群的間接或直接控制下的。早在1991年Murry[29]就在《柳葉刀》雜志上報道,心臟手術POD癥狀可能與大腦可用色氨酸減少有關。但是,在Robinson等[30]的一項隨機對照研究中,接受重大擇期手術需要術后ICU住院的老年人術后補充色氨酸并不能減少術后興奮性譫妄或整體譫妄的發生率或持續時間。腸道菌群紊亂時,機體內的三甲胺-N-氧化物(trimethylamine-N-oxide,TMAO)會明顯升高,TMAO可通過血腦屏障引起氧化應激和炎癥反應,加劇小膠質細胞活化、誘發神經炎癥反應,進而導致老年患者發生一系列認知功能障礙相關疾病,例如卒中后認知障礙、阿爾茲海默病、術后認知功能障礙等[31-32]。Zhao等[33]的研究發現,機體內高水平的TMAO可抑制七氟醚誘導的老年大鼠海馬區蛋氨酸亞砜還原酶A的表達,增加大腦對氧化應激的敏感性,增加海馬區小膠質細胞的激活和促炎因子的釋放,最終加重七氟醚誘導的老年大鼠認知障礙。牛磺熊去氧膽汁酸被證實有助于阿爾茲海默癥、帕金森病等神經退行性疾病的動物模型認知功能改善[34]。此外,在急性神經炎癥的動物模型中,牛磺熊去氧膽汁酸也表現了強大的抗炎作用,能減少神經膠質細胞活化、抑制小膠質細胞遷移以及降低趨化因子和血管黏附蛋白的表達[35]。可見,腸道菌群代謝產物與多種改變認知功能的中樞神經系統疾病的發生密切相關。

綜上,腸道菌群紊亂可能通過加重外周和中樞炎癥反應、影響神經遞質的平衡、引起多種代謝產物異常等多條途徑促使PND的發生發展。

2 圍手術期腸道菌群的破壞

2.1 手術打擊 手術創傷對患者機體各個系統都會造成重大影響,當然也包括消化系統的腸道菌群。近年,無論是臨床研究還是動物研究都表明,手術打擊會使患者或者動物腸道菌群多樣性明顯降低、菌群結構改變、致病菌豐度增加。先是Yu等[36]在成年大鼠中發現接受全麻心臟手術的大鼠,術后一周腸道菌群α-多樣性明顯降低。進一步研究證明,Aardema等[37]也在臨床研究中發現,行擇期心臟手術患者術后腸道菌群多樣性明顯降低,多種潛在致病菌豐度增加。最近,Liu等[38]的研究也證明,骨科手術會導致前驅性阿爾茨海默病患者腸道微生物菌群失調和腸道屏障功能障礙。由此可見,毫無疑問手術打擊可以破壞腸道菌群紊亂。

2.2 麻醉藥物 近年來,多項研究發現麻醉藥物會對腸道菌群會產生顯著的影響。Schoster等[39]和Serbanescu等[40]分別發現在健康成年馬和小鼠中,吸入異氟烷均會導致腸道菌群變化。尤其是在Serbanescu等[40]研究發現暴露于異氟烷4 h,小鼠的腸道菌群失調會持續到麻醉后第7天,且麻醉后細菌群落α-多樣性減少,變形菌門和放線菌門的豐度增加,厚壁菌門和梭狀芽孢桿菌門的豐度減少。另外,在臨床研究方面,陳健等[41]也證實吸入麻醉后出現認知功能障礙的患者,腸道菌群表現為雷伯氏桿菌、普氏菌等細菌的富集。Han等[42]觀察大鼠輸注異丙酚后腸道菌群的變化,其研究結果顯示腸道菌群的變化持續了14天以上。Lee等[43]的研究中給小鼠注射嗎啡后,腸道微生物組的組成發生了顯著變化,最早在治療開始后1天就有明顯變化。非甾體類抗炎藥(NSAIDs)作為全球范圍內廣泛使用的解熱鎮痛抗炎藥。Maseda等[44]發現NSAIDs可通過破壞腸道微生物群的平衡和結腸上皮的完整性,增加艱難梭菌感染的易感性并增強艱難梭菌感染的嚴重程度。Chao等[45]檢測了服用阿司匹林和氯吡格雷后患者的腸道菌群變化,發現腸道菌群在綱、目、科、屬水平上與健康對照組相比均有顯著差異。總之,上述研究指出了麻醉用藥(異氟醚、異丙酚、嗎啡、非甾體類抗炎藥)對腸道菌群組成會產生有效、持久的影響,但這些影響的臨床意義尚不清楚,需要進一步在臨床研究中驗證。

2.3 其他因素 手術期還有許多其他因素也會導致腸道菌群紊亂,包括術前禁食水、術前腸道準備以及常規使用抗生素預防術后感染,而術前腸道準備是否會導致腸道菌群紊亂存在一定爭議性。一部分研究[46-47]認為術前腸道準備對腸道菌群沒有顯著影響,即使細菌總負荷減半,也不會改變微生物多樣性。但另一部分研究[48-49]發現,術前腸道準備對腸道菌群有重大影響,大多數腸道菌群可能需要14天才能恢復到基線組成。但是以上研究的樣本量都不大,有待于更大樣本量的隨機對照臨床試驗來驗證。

3 益生菌、益生元、抗生素對腸道菌群紊亂和PND的預防和治療作用

目前國內外學者提出了多種預防措施,如術前積極糾正易感因素、改善患者衰弱狀態,術中右美托咪定的使用,維持循環穩定、水電解質平衡,體溫保護,術后充分鎮痛,但均未取得理想而明確的效果[50-52]。圍術期服用益生菌、益生元及使用抗生素治療PND似乎帶來了新的研究方向。Wen等[53]研究證明,在動物實驗中,口服乳酸菌可以降低血腦屏障的通透性,從而保護了老年和腸道菌群失調小鼠的術后認知功能。Xiao等[54]研究表明,術前3周持續使用益生元可通過抑制海馬區IL-6釋放和小膠質細胞激活有效降低大鼠腹部PND發生率。

然而,圍術期使用抗生素對認知結局的影響結論不一。Liang等[55]的研究結果顯著頭孢唑啉的直接抗炎效應可能導致小鼠腸道菌群失調,可以損害術后小鼠的記憶和學習障礙。而與之相反的是Luo等[56]的研究認為,圍手術期使用頭孢唑啉逆轉麻醉和手術引起的菌群失調,減少麻醉和手術引起的認知損害,改善血腦屏障破壞和增加緊密連接蛋白的表達。

盡管動物實驗為圍術期使用益生菌、益生元及抗生素改善PND提供了積極證據,但臨床研究卻仍比較少。Wang等[57]從入院到出院期間給予非心臟手術患者服用益生菌,發現益生菌顯著減少PND的發生。Zhang等[58]在術前1天至術后6天口服益生菌,發現圍手術期益生菌干預將降低老年骨科患者PND的發生,雖然二者益生菌服用時間各不相同,但總的原則都是盡量延長益生菌的使用時間,而且兩個研究研究結論都是圍術期口服益生菌可以降低PND或者POD的發生率。

總之,基于目前的動物研究和臨床研究都支持口服益生菌可以降低PND或者POD的發生率,這也為腸道菌群紊亂與PND的關系提供了更多的證據支持,但是仍然需要更大樣本的臨床數據支持。

4 總結與展望

現有證據已充分表明麻醉和手術導致的腸道菌群紊亂對于PND起著至關重要的作用。腸道菌群功能紊亂與PND存在共同的高危人群,腸道菌群功能紊亂又與多種神經系統疾病存在密切關聯。也有證據表明腸道菌群紊亂可能通過腸-腦軸多個途徑對術后認知功能造成不良影響。手術、麻醉和多種圍術期因素都會導致腸道菌群發生明顯變化,再次提示腸道菌群紊亂與PND密切相關。此外,既往研究發現以調節腸道菌群為干預思路,通過益生菌、益生元、抗生素對PND起到有效保護作用。關于抗生素的研究結論卻出現兩極分化,值得進一步深入探索。總之,關于腸道菌群紊亂在PND的發生機制作用的研究還處于探索階段,需要更多設計合理的、大樣本的研究對腸道菌群在PND發生機制的探索,調節腸道菌群策略在預防和治療PND發生的有效性尚需要更多的研究證據。