肠道菌群与血管性认知损害

段雅鑫， 裴晗蕾， 赵 岩， 成斯琪综述， 吕佩源,3审校

血管性认知损害(vascular cognitive impairment,VCI)是由血管危险因素、显性或隐性脑血管病引起的从轻度VCI到血管性痴呆(vascular dementia,VD)的一类综合征。相关数据显示，VD占所有痴呆类型的15%～30%，为仅次于阿尔茨海默病的第二大痴呆类型[1]，严重影响了患者的生活质量，且给家庭和社会带来巨大经济压力。但目前VCI仍缺乏客观诊断标志物及有效治疗策略，其防治主要通过对VCI的可控危险因素的早发现和早干预。

肠道菌群(gut microbiota,GM)是对寄居于肠道内的细菌、真菌、古细菌、病毒和原生动物等微生物的统称，其编码的基因数量是人类基因的150～200倍，被称为人体“第二基因组”[2]。GM能产生多种代谢物，目前对短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)、三甲胺-N-氧化物(trimethylamine-N-oxide,TMAO)和脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)研究较广。SCFAs是GM发酵多糖的代谢产物，主要包括乙酸、丙酸和丁酸。TMAO是GM将食物中的胆碱、肉碱代谢成三甲胺，经门静脉被肝黄素单加氧酶3代谢所形成的。LPS是革兰氏阴性(G-)菌细胞壁的主要成分，由G-菌裂解产生。GM及其代谢物参与了消化、代谢、炎症及免疫等多项生命活动，还可能作为肠道和大脑间双向交流的重要调控因子通过菌群-肠-脑轴影响大脑的生理、行为和认知。近年来的研究显示，GM与VCI及其危险因素关系密切。现就GM与VCI及其危险因素的关系进行探讨，以期为VCI的诊断及防治提供新思路。

1 GM与VCI

卒中后认知损害(post-stroke cognitive impairment,PSCI)是VCI中研究最多的亚型。Liu等[3]发现，PSCI患者GM及其代谢物发生改变：α多样性显著降低，梭菌增多而产SCFAs的GM减少，并提出GM及SCFAs能在卒中后早期准确预测3个月或更长时间的PSCI。Zhu等[4]对256名急性缺血性卒中患者进行的研究显示，较高水平的血浆TMAO是PSCI的独立预测因子。最近，Ling等[5]分析了175例卒中患者的GM组成发现，卒中后并发认知功能损害和抑郁(post-stroke comorbid cognitive impairment and depression,PSCCID)患者与非PSCCID患者相比，变形菌门丰度增加，包括γ变形菌门、肠杆菌门和肠杆菌科，而产生SCFAs的GM丰度减少，且γ变形菌门和肠杆菌科的丰度与蒙特利尔认知评估测试评分呈负相关，进一步提示GM的变化可能与VCI严重程度有关。Saji等[6]的研究表明，GM与脑小血管病(cerebral small vessel disease,CSVD)影像标志的存在独立相关，尤其是脑白质病变(white matter lesions,WML)，而CSVD可能是GM与VCI间的中介。

GM经菌群-肠-脑轴影响大脑，直接参与VCI。首先，GM能通过迷走神经和肾上腺素能神经激活、神经递质产生及肠内分泌细胞神经肽合成和释放等多种方式影响外周和中枢神经系统(central nervous system,CNS)的活动;第二，GM能调节下丘脑-垂体-肾上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal,HPA)轴，HPA轴激活引起的皮质醇释放可调节神经胶质细胞的激活状态，而神经胶质细胞的过度活化会影响脑网络;第三，GM能通过改变血液中细胞因子水平影响免疫系统，从而影响CNS并改变脑功能。同时，GM还能通过影响VCI的危险因素间接参与VCI。

2 GM与VCI的危险因素

2.1 GM与高血压 高血压是卒中最重要的危险因素，也是VCI的可控危险因素。Yang等[7]发现，高血压患者GM多样性、丰度显著降低，条件致病菌过度生长，而与维持肠道稳态相关的GM减少，并且肠道中厚壁菌门与拟杆菌门比值(Firmicutes/Bacteroidetes ratio,F/B)升高。Liu等[8]的研究表明，GM数量与高血压严重程度强相关。最近一项Meta分析表明，益生菌干预GM能适度改善高血压[9]。

GM可能通过多种途径影响血压。首先，GM的变化会通过肠道中的神经末梢向上传递，Santisteban等[10]在自发性高血压大鼠(spontaneously hypertensive rats,SHR)中观察到肠道至涉及血压调节的大脑区域的神经通路有所改变，肠神经元通讯增强，GM还能通过影响酪氨酸代谢，改变神经递质，造成交感神经功能损害使血压升高。其次，GM是高血压相关氧化应激(oxidative stress,OS)、炎症及免疫反应的调节剂。Toral等发现接受高血压患者粪便菌群移植(fecal microbiota transplantation,FMT)的大鼠主动脉内皮依赖性舒张受损，这与主动脉中测得的活性氧(reactive oxygen species,ROS)和NADPH氧化酶活性增加有关，ROS增加不仅会降低一氧化氮的生物利用度，还会促进血管炎症，在SHR中观察到GM失调导致活化的树突细胞向肠系膜淋巴结(mesenteric lymph nodes,MLN)迁移，并在幼稚T细胞的活化中发挥作用，MLN和主动脉中促炎性Th17细胞和抗炎性Treg细胞比例失调，导致血管内皮功能障碍(endothelial dysfunction,ED)，产生高血压[11]。此外，GM失调可能诱导GM代谢紊乱和肠道紧密连接蛋白异常表达，GM代谢物能通过肠屏障入血影响血压。SCFAs与嗅觉受体78(Olfr78)结合可增加肾素分泌升压，而与G蛋白偶联受体41(GPR41)结合主要起降压作用，但有研究指出Olfr78、GPR41和丙酸盐反应后对血压调节起反作用[12]。同时，SCFAs在维持肠屏障完整性、减少炎症反应等方面也起重要作用。故SCFAs减少不利于控制血压。TMAO参与血管紧张素(angiotensin,Ang)Ⅱ受体或AngⅡ类似的肽类激素的蛋白质加工，进而延长AngⅡ的升压效应，增加高血压易感性。LPS的循环和移位能识别并激活Toll样受体(Toll-like receptor,TLR)4，启动炎症级联反应，引发代谢性内毒素血症，促进高血压。但感染引起的高水平循环LPS也可导致败血性休克和低血压，因此LPS与血压的关系还需进一步研究。

2.2 GM与糖尿病 糖尿病会加重颅内小动脉内膜纤维化、微血管玻璃样变和动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)，使脑血管狭窄、脑灌注减低，导致脑组织长期缺血缺氧，损伤神经元；还会导致OS反应，引起ED；加之糖尿病患者有更明显的神经纤维缠结、脑淀粉样血管病变及海马萎缩，更易发生VCI。2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)是主要由胰岛素抵抗(insulin resistance,IR)或胰岛素分泌不足所致的慢性代谢性疾病，约占糖尿病的90%～95%。T2DM患者常伴中度GM失调，GM失调可作为预测T2DM的潜在临床标志。研究发现，T2DM患者与健康对照相比厚壁菌门等产丁酸盐的细菌、双歧杆菌等益生菌减少，而拟杆菌、梭菌、大肠埃希菌和部分变形杆菌等条件致病菌、硫酸盐还原菌增多，并发现B/F、普氏拟杆菌与肠球菌的比值与血糖水平正相关[13,14]。GM代谢物也将GM与T2DM联系起来，其中SCFAs、胆汁酸、含硫氨基酸、吲哚衍生物和维生素等对T2DM患者有益，而潜在有害的代谢物包括支链氨基酸、LPS、苯酚、对甲酚、氨、胺类和甲烷等[15]。

GM可能通过以下机制引发T2DM：(1)GM能通过激活多种细胞核受体介导糖脂及能量代谢、影响胆汁酸分泌、抑制肝糖异生、促进胰岛素分泌等。GM失调时，细胞核受体的调节功能发生紊乱，会诱导IR。另外，LPS增多引起的促炎因子释放会导致胰岛素受体底物-1异常磷酸化，也会出现IR而导致T2DM。(2)LPS引起的代谢性内毒素血症、全身慢性低度炎症和不断积累的OS产物可能会导致胰岛β细胞凋亡，使胰岛素分泌不足而导致T2DM。(3)SCFAs能通过激活GPR促进肠L细胞分泌胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide,GLP-1)和酪酪肽。GLP-1能刺激胰岛β细胞分泌胰岛素，并促进胰岛β细胞修复与再生，还能诱导中枢食欲抑制，并通过延迟胃排空产生饱腹感。酪酪肽可产生与GLP-1类似的作用，也参与了血糖的调节。当GM失调引起SCFAs减少时会导致血糖波动。

FMT已通过试验应用于IR的治疗，并取得了令人满意的效果。还有研究显示，通过间歇性禁食疗法，增强了海马中线粒体的生物发生和能量代谢基因的表达，使糖尿病小鼠的GM重构，可以改善IR及认知功能[16]。

2.3 GM与AS AS是多种血管性疾病的首要危险因素，受累动脉病变从内膜开始，在内膜损伤、炎性因子及趋化因子增加的基础上出现脂质和复合糖类积聚，进而发生纤维组织增生、动脉中层平滑肌增厚和钙化，随着病情进展，病变血管狭窄或闭塞，引起该动脉供血区缺血或坏死，直接诱发显性脑血管病。颈动脉AS会造成广泛脑组织灌注不足，出现脑组织不同程度损害，患者的记忆力、注意力和执行力下降，是非卒中患者VCI的原因。有学者在AS斑块中发现了GM的DNA，DNA含量与AS斑块中白细胞数量正相关，并有助于斑块稳定[17]。Emoto等[18]在AS患者中观察到，拟杆菌门减少而乳杆菌增加。既往实验证明，AS易感性能通过FMT传播[19]。另外，有一种叫白藜芦醇的药物能通过调节GM降低AS风险。

GM主要通过3条途径参与AS：(1)GM失调能激活免疫系统，导致促炎细胞因子和趋化因子增加，引发炎症反应，促进斑块生长或引发斑块破裂。(2)GM可调节细菌胆盐水解酶的表达进而改变胆汁酸的组成，并通过调节胆固醇、脂质的代谢而影响AS斑块的形成。(3)GM代谢物对AS有多种作用，如膳食纤维能预防AS，而TMAO对AS有害，可能与以下机制有关：(1)TMAO通过抑制胆汁酸合成酶和胆汁酸转运蛋白的表达，抑制胆汁酸合成和胆固醇逆向转运，增加巨噬细胞中胆固醇蓄积并促进巨噬细胞清道夫受体的表达，促使泡沫细胞形成；也能通过上调血管细胞黏附分子-1的表达诱导单核细胞聚集及与内皮细胞的黏附，随后单核细胞经内皮细胞在受损组织转变为巨噬细胞，吞噬氧化低密度脂蛋白形成泡沫细胞。泡沫细胞在血管内皮积累形成AS。(2)促进细胞内Ca2+释放，刺激血小板过度反应和增加血栓形成风险。(3)TMAO通过促进核因子-κB信号通路磷酸化或SIRT3-SOD2-mtROS信号通路激活NLRP3炎症小体诱导炎症基因表达导致血管内皮受损促进AS。

2.4 GM与肥胖 肥胖是VCI另一危险因素。一方面，脂肪组织能释放多种促AS及改变凝血与纤溶系统活性的炎性介质，从而限制脑血流，使脑组织慢性缺血缺氧，引起能量代谢障碍、葡萄糖利用减少、蛋白质合成异常、神经递质改变、胆碱受体缺失、WML和神经元脱失等，这些构成了VCI的病理生理基础;另一方面，肥胖易产生IR，而胰岛素与受体结合具有调节神经代谢和触发海马及颞中叶葡萄糖摄取的能力，在记忆过程中起重要作用。GM失调会诱发肥胖，反过来，Gao等[20]发现，肥胖者肠内益生菌减少而条件致病菌增加。最近，一项Meta分析显示，肥胖者GM多样性降低，F/B升高，厚壁菌门、梭杆菌门、变形杆菌、柔膜菌、乳杆菌较多，疣微菌、柔嫩梭菌、拟杆菌、甲烷短杆菌、植物乳杆菌和副干酪乳杆菌较少[21]。乳杆菌属属于厚壁菌门，其含量与体质指数(body mass index,BMI)正相关，但某些乳杆菌如副干酪乳杆菌和植物乳杆菌与BMI负相关，是因为它们缺乏增强糖酵解和防御OS的酶，并可能降低回肠制动作用。

GM参与肥胖的机制尚不明确，可能有：(1)GM如厚壁菌门，含较多碳水化合物代谢的酶，能将难吸收的多糖发酵为可吸收的单糖和SCFAs，从而带来更多能量摄入，发酵产物也能进入肝脏和脂肪细胞，增加甘油三酯的合成和堆积，导致肥胖。(2)GM能通过GPR介导调节机体的饱腹感信号，还能调节与产热及能量平衡有关的肠激素的释放。(3)GM影响肠通透性，而BMI与肠通透性正相关。产丁酸的细菌有助于维持肠屏障的完整性，而变形杆菌增加时却会导致粘液产生减少，肠屏障受损。(4)GM影响免疫细胞的成熟和活化，可能导致肥胖。(5)GM代谢物也与肥胖有关，肥胖常伴血浆LPS增加，应用抗生素减少产LPS的细菌能使肥胖小鼠脂肪组织炎症及脂肪量减少、体重减轻。

2.5 GM与房颤(atrial fibrillation,AF) AF是常见的心律失常，属微栓子、微出血、脑灌注不足的主要原因，是卒中发病率和死亡率增高的独立危险因素，也能显著增加VCI风险。Zuo等[22]在AF患者和对照组的粪便和血清样品中观察到，AF患者GM多样性较对照组显著增加，且GM组成发生变化，主要表现为乳球菌、链球菌和肠球菌过度生长，粪肠杆菌、口腔杆菌属和双歧杆菌减少。他们的另一项研究显示，GM失调在AF早期就已发生，且可能作为防治AF的潜在靶标，还表明，与对照组相比，阵发性房颤(paroxysmal atrial fibrillation,PAF)和持续性房颤(persistent atrial fibrillation,psAF)患者GM功能和代谢物发生了相似的变化，多种具有心血管保护作用的代谢物，如α-亚麻酸缺乏，从而增加了AF易感性，并提出AF患者中GM及GM代谢物的差异与心房直径相关，GM可能在心房重构中发挥作用[23]。因此，GM有望作为不同类型AF的生物标志物以预测psAF风险，但不同类型AF中GM的特征还有待探讨。此外，Gong等[24]提出，血清TMAO水平有助于评估AF患者血栓形成风险及制定血栓预防策略。

上文提到TMAO能导致血管内皮炎性损伤及增加血栓形成风险引起AS，而AS能促进AF发生发展及复发。还有实验表明，TMAO给药能显著提高心脏神经节的功能，缩短有效不应期，并增加心房电生理不稳定性，还能通过加剧中枢自主神经重构加剧急性电重构。心脏神经节的直接途径和自主神经的间接途径能激活心脏交感神经系统并加重缺血诱导的室性心律不齐。另外，AF患者LPS水平升高，LPS不仅在凝血和血小板激活中起作用，也与ED和AS斑块不稳定有关。

2.6 GM与卒中 卒中是VCI最重要的临床决定因素，卒中后3个月15%～30%的患者会出现PSCI。Xia等[25]根据GM失调模式制定了GM指数(SDI)，发现缺血性卒中患者SDI显著高于健康对照组，沿菌群-肠-脑轴的通讯是双向的，他们进一步发现，SDI与入院时NIHSS评分和出院时mRS评分显著正相关，高SDI是严重卒中和早期预后不良的独立预测因子，接受高SDI患者FMT的小鼠与接受低SDI患者FMT的小鼠相比脑损伤更严重。GM也被发现在脑海绵状血管畸形(cerebral cavernous malformations,CCM)形成中起关键作用，而CCM会增加出血性卒中风险[26]。

炎症和免疫是GM影响卒中的重要途径。GM失调会打破肠道免疫稳态，树突细胞迁移至MLN抑制幼稚T细胞向Treg细胞极化，Treg细胞在免疫耐受和炎症消退中起重要作用，具有神经保护功能，迁移到固有层的Treg细胞减少有利于幼稚T细胞向促炎性IL-17+γδT细胞极化，卒中后肠屏障及血脑屏障(blood brain barrier,BBB)受损，IL-17+γδT细胞从MLN迁移到缺血脑组织，通过分泌IL-17增强神经炎症，并产生嗜中性粒细胞和单核细胞的趋化信号而增加梗死面积[27]。卒中应激状态会进一步增加肠通透性，促使GM向肠外器官、血液或淋巴液移位，诱发机体的炎症和免疫反应，导致细菌感染及脓毒症，加重卒中不良预后。GM还能通过神经内分泌途径影响卒中。GM能调节肠内分泌细胞的分泌，GM失调引起胃泌素、脑肠肽、促肾上腺皮质激素、肾上腺皮质激素等合成和释放异常，在卒中病理生理中发挥作用。此外，GM通过调节HPA轴影响炎性因子表达和小胶质细胞活化，并产生ROS，抑制脑组织修复。GM代谢物也参与了卒中，TMAO通过促进血小板聚集和血栓形成增加卒中易感性。LPS加速了脑内皮TLR4的激活能刺激CCM，并且增加TLR4基因或编码其共同受体CD14的基因表达的多态性，也与更高的CCM负荷相关。

实验表明，口服非吸收性抗生素、产SCFAs的FMT或补充丁酸改变GM能减小梗死面积并减轻脑水肿和神经功能损害，有效治疗缺血性卒中[27]。但FMT和益生菌给药的安全性和有效性还需评估。

2.7 GM与抑郁 老年抑郁可能导致多种血管异常，是VCI的危险因素；卒中后抑郁(post-stroke depression,PSD)是卒中的常见并发症，会加速轻度VCI向VD进展。越来越多证据显示，GM与抑郁有关。Fan等[28]发现PSD患者GM结构显著改变，门、纲、目、科、属各分类学水平的多样性和均衡性与健康人均存在差异，特征性表现为条件致病菌增加而有益菌减少。在啮齿动物模型中发现，重度抑郁症小鼠GM的特征在于厚壁菌门，放线菌和拟杆菌相对丰度的显著变化，并且暴露于菌群比无菌更易引起压力、抑郁、焦虑、社交减少、探索活动增加和记忆力下降[29]。

多种机制将GM与抑郁联系起来：(1)GM失调能促进促炎因子和炎症介质的产生并影响肠神经肽的分泌，这些物质能作用于HPA轴，HPA轴过度活动使促肾上腺激素释放激素增加，该激素是调控应激时情绪反应的重要激素，可导致抑郁。这些物质还能通过BBB作用于神经胶质细胞，神经胶质细胞的过度活化会影响涉及记忆、学习和情绪调节的大脑网络。(2)迷走神经传入纤维能感知GM及其代谢物的变化并调节肠激素的释放以启动自下而上的信号传导。(3)GM能调节肠道及循环中神经递质的水平，这些神经递质作用于CNS相应受体，对神经元起保护作用并调节情绪，如丁酸梭菌和双歧杆菌能通过增加大脑中的5-羟色胺及脑源神经营养因子显著改善轻度应激诱导的小鼠抑郁样行为。

FMT可能是抑郁症的有效治疗方式，益生菌给药联合传统抗抑郁药更有利于减轻抑郁症状。然而，Romijn等[30]用含瑞士乳杆菌和长双歧杆菌的益生菌进行了8 w双盲试验，未观察到益生菌对抑郁的影响。可能与抑郁严重程度、病程、益生菌种类和剂量、干预方式、干预持续时间及治疗抗性等因素有关。

3 结 语

综上，GM及其代谢物在VCI和VCI的危险因素中起重要作用，有望成为VCI无创性临床预测和早期识别的生物标志物，但需进一步评估其适用性。此外，通过益生元和益生菌给药、抗生素使用、FMT和个体化饮食等方式靶向GM，可能为VCI的防治提供新途径。然而，目前关于GM的研究多基于啮齿类动物，鉴于它们的GM与人类的有差异，对调节GM的治疗方式的反应也不同，因此，动物实验中的发现是否可用于人类仍需更多可靠的临床证据。同时，GM与VCI的因果关系和GM及其代谢物在VCI中的作用及其机制尚未完全明确，还需进一步探索。