基于肠道微生物群探讨针刺治疗脑卒中后抑郁症作用机制

李 磊,袁 艺,芦文科,王子建,王亚军

(1.甘肃中医药大学,甘肃 兰州 730000;2.甘肃中医药大学附属医院,甘肃 兰州 730020)

脑卒中后抑郁(Post-stroke depression,PSD)是脑卒中最常见的神经精神疾病,其患病率在20%～60%,约有30%的中风幸存者受到中风后抑郁(PSD)和情绪障碍的影响。据世界卫生组织(WHO)称,脑卒中后抑郁症是世界范围内导致残疾的主要原因之一,并加重了全球疾病负担。PSD患者主要表现为精神激动、无价值感、睡眠障碍与体重波动,甚至出现自杀念想[1]。PSD的治疗大多为抗抑郁药物治疗,如三环抗抑郁药、选择性血清素再摄取抑制剂(SSRIs)、血清素和去甲肾上腺素再摄取抑制剂以及单胺氧化酶抑制剂,但其对心脏和大脑有一定的毒性,且患者依从性差、治疗成本高且副作用大。研究表明,常用抗抑郁药都可能导致出血性并发症、跌倒、上消化道出血和自残等[2]。此外,药物相互作用的潜在风险可能会降低抗抑郁药效果。因此,应确定其他有效的治疗策略来治疗PSD患者。

针灸作为一种有效减轻抑郁症状的非药物治疗方法,可以替代药物治疗或补充治疗来改善疗效,与药物治疗相比,针灸具有成本低、副作用小的优点。PSD患者通常会出现肠道菌群紊乱等肠道消化功能异常,Jiang等[3]通过探索PSD相关肠道微生物及其功能代谢产物,研究发现非PSD大鼠与PSD大鼠的细菌和代谢表型存在显著差异,PSD大鼠的微生物组成显示物种丰富度指数下降。脑卒中后抑郁症为肠道微生物群研究提供了丰富内容,从发病机制到抑郁症治疗,都有肠道微生物群的参与[4]。根据肠道微生物群假说,肠道微生物群异常可直接诱发抑郁症,肠道微生物组可通过微生物群-肠-脑轴影响行为和思维,从而治疗抑郁症[5]。Li等[6]认为针刺可以逆转CUMS模型大鼠的抑郁样行为,且能改善肠道菌群紊乱,这与针灸的抗抑郁作用有关。因此,肠道功能平稳对于针刺治疗PSD有着重要的意义。本研究通过研究针刺、肠道菌群与PSD的关系,探究针刺对肠道菌群的作用及其机制,为预防和治疗PSD提供新的思路与靶点。

1 针刺与肠道微生物群的联系

胃肠道是一个复杂的微生物生态系统,包含数万亿种不同的微生物(细菌、真菌、古菌和病毒等),在PSD发展中发挥着重要作用。一旦肠道微生态稳态被破坏,其就会通过不同的机制刺激免疫反应障碍,并因此破坏宿主免疫系统,从而发生各种免疫介导的炎症反应,危及人类健康[7]。

研究发现肠道微生物群与电针之间的关系取决于脑肠轴,针刺能通过迷走神经刺激或免疫神经内分泌机制直接或间接靶向大脑,从而调节肠道微生物群。研究表明,电针和手法针刺可以激活和释放下丘脑中的脑肠肽,进而介导肠道微生物群。在健康的肠道中,拟杆菌门和厚壁菌门包含了大多数类型的细菌,其比例通常被认为是肠道微生物健康或微生态失调的相对衡量标准,电针能降低厚壁菌门与拟杆菌门的比例,在改善肠道微生态紊乱方面发挥作用[8]。Wang等[9]认为EA降低了致病菌(如链球菌)的丰度,并增加了有益细菌的丰度,改变了肠道微生物组的物种丰富度和整体微生物多样性,有助于人体健康。有研究发现,艾灸ST36和凉门(ST21)可以增加粪便中α-变形菌和放线菌的丰度,丰富肠道微生物多样性,改善胃黏膜损伤。针刺百会(GV20)、中脘(CV12)和ST36能增加拟杆菌门的丰度,降低厚壁菌门和变形菌门的丰度,针刺LI10可以显著改善胃微生物群的丰富性和多样性[10]。 反过来,针灸通过恢复人体关键代谢产物的功能和代谢途径,逆转各种疾病引起的各种肠道菌群代谢紊乱。在PSD治疗及其恢复方面,针灸发挥着至关重要的作用。

2 肠道微生物群与脑卒中后抑郁症的联系

脑卒中后抑郁(PSD)是脑卒中后常见且严重的并发症,是中风患者康复的主要限制因素。抑郁症和中风之间的相互作用关系在PSD的发展中发挥重要作用。其严重影响中风患者社交活动和认知功能,主要特征为言语障碍、功能障碍、独居和社交孤立等。随着研究的深入,逐渐揭示了心理因素与胃肠道疾病之间的密切联系。Hu等[11]认为肠易激综合征患者往往承受着沉重的抑郁和焦虑负担,根据一项基于临床的研究,肠易激综合征患者的抑郁和焦虑患病率分别为37.1%和31.4%。因此,对于肠脑联系的研究探讨越来越重要。Jiang等[12]通过研究发现脑卒中后抑郁症会影响微生物群的稳定性,其肠道微生物群、炎症反应与PSD三者关系见图1。

图1 肠道微生物群、炎症反应与PSD三者关系

肠脑轴是肠道和大脑之间的一个动态、复杂和双向的通信网络。微生物群-肠-脑轴的变化是导致各种代谢、神经退行性和神经精神疾病的重要因素。根据临床研究结果表明,肠道微生物群是肠脑轴的重要调节因子。除了与肠道细胞和肠道神经系统相互作用外,人们还发现肠道中的微生物可以通过代谢和神经内分泌途径改变中枢神经系统。O’Malley等[13]研究发现焦虑和应激易感性的增加与肠道生理变化有关,表明应激诱导的脑肠沟通变化与胃肠道微生物组的变化有关。相反由于脑肠轴的双向交流特征,肠道微生物组的变化能反过来影响脑卒中后抑郁症状。Hu等[14]研究发现PSD患者的肠道微生物群落多样性更丰富, PSD患者的微生物组成与健康组明显不同,在PSD患者中发现了更多的拟杆菌门,且PSD患者的种产丁酸细菌的丰度更低。另外,研究表明,肠道微生物群在肠道免疫稳态起关键作用,通过释放短链脂肪酸起到改善肠道炎症与调节肠道屏障[15]。

抗生素以细菌为靶点,抑制细菌的生长和增殖,是改变肠道菌群组成最直接、最广泛且最重要的影响因素。Yu等[16]研究发现抗生素能通过改变CVS大鼠肠道微生物群从而起到治疗抑郁的作用。此外,CVS大鼠中12种增加的代谢产物在抗生素治疗后显著减少,表明它们与肠道微生物群有关,并参与脑卒中后抑郁症的发展,而4种代谢产物随着抗生素治疗显著增加,表明可能对脑卒中后抑郁症有潜在的治疗作用。但使用抗生素治疗胃肠道疾病也有弊端,抗生素会破坏肠道菌群的稳态,多项研究表明,抗生素使用会增加抑郁症发病风险[17]。有研究表明,接触特定抗生素与抑郁症发病高风险之间存在关联,且单一抗生素疗程的治疗与所有抗生素组的抑郁风险增加有关[18]。

HPA轴通过释放皮质醇在抑郁症发病中发挥着重要作用,HPA轴会加剧皮质醇分泌,加剧精神疾病。应激反应在抑郁症的发展中也起着重要作用,很大程度与皮质醇水平升高、HPA轴的失调有关[19]。微生物群可能通过微生物群脑轴影响动物的行为,研究发现无特定病原体小鼠对相同的压力刺激表现出更多的焦虑样行为。此外,与无特定病原体相比,无菌小鼠在HPA轴上的激素水平存在很大差异[20]。肠道微生物可以通过内分泌系统影响HPA轴,从而导致HPA轴的过度活动。肠道微生物群和HPA轴之间存在双向联系, HPA轴的激活能够改变微生物群的组成,影响PSD的发展进程。肠道微生物群激活HPA轴是由于肠道屏障通透性增加和肠道微生物群诱导的炎症,肠道通透性增加和微生物群组成紊乱可导致神经内分泌紊乱,加剧脑卒中后抑郁行为。

3 针刺调节PSD中的肠道微生物群

中风患者一旦因应激反应、抗生素或PHA轴的异常激活等因素,其体内会出现一系列消化道症状。由于促炎物质减少,在体内引起异常免疫反应,使肠黏膜屏障受损,导致肠道微生物群失衡,最终损伤神经元。针灸可以调节肠道微生物群的结构,抑制异常免疫反应,改善PSD患者的症状。

3.1 针刺调节肠道微生物结构

针刺通过改善肠道微生物群中某些菌群的丰度,使得紊乱的肠道微生物菌群数趋于正常。Hao等[21]发现手法针刺能有效缓解APP/PS1小鼠肠道黏膜屏障的破坏进程,调节肠道微生物群失调,显著减少肠道炎症。根据16S rRNA测序显示,针刺治疗可以提高肠道菌群中节段念珠菌、乳酸杆菌、和梭菌、拟杆菌和厚壁菌的丰度,并降低志贺氏埃希氏菌、伯克霍尔德氏卡巴列罗尼亚副伯克霍尔德、链球菌与变形杆菌的丰度[22]。针刺也能逆转肠道和海马中的炎症因子(IL-1b、IL-6和TNF-α),调节肠道微生物群、改善肠道屏障功能、肠道炎症[22]。Liu等[23]认为电针可以维持物种多样性,经电针干预后,能平衡厚壁菌门(如钩端螺旋菌科)、变形菌门(如肠杆菌科)等菌种数。同时,电针通过抑制促炎介质恢复微生态失调,对肠道菌群(双发酵梭状芽孢杆菌、钩端螺旋杆菌科细菌和乳酸杆菌)有部分恢复作用。Jang等[24]研究发现针刺治疗小鼠中18个肠道菌群属的相对丰度发生了变化。其中,丁酸杆菌、Holdemania、Frisingicoccus、Gracibacter、Phocea和Aestuariispira与焦虑显著相关,针刺的抗焦虑抑郁作用可能由于肠道微生物群的恢复介导,使得神经炎症减少。

针刺也能通过改善肠道微生物菌群比例,使其维持正常的肠道功能。

在健康的肠道中,拟杆菌门和厚壁菌门包含了大多数类型的肠道微生物菌群,其比例通常被认为是肠道微生物健康或微生态失调的相对衡量标准。有研究发现,电针治疗显著降低了厚壁菌门/拟杆菌门的比例,且治疗组中厚壁菌门/拟杆菌门的比例分别是对照组的5倍和3倍[8]。Li等[6]通过研究发现针灸降低了大鼠中拟杆菌门/厚壁菌门的相对丰度比,调节了神经递质与肠道微生物紊乱,使其趋于正常状态。因此,上述肠道微生物群中菌群的正常比例能有效抑制炎症反应,能够起到保护肠道屏障的作用。人类肠道含有密集而复杂的微生物群落,许多代表性微生物永久居住在这个生态位。除了固有的微生物群外,各种细菌还因摄入而短暂通过肠道,被称为肠道益生菌的替补,对人体健康意义重大。有研究发现电针可以增加益生菌(Blautia和Lactobacillus)数量,减少病原体(Alistipes、Helicobacter和Prevotella),从而抑制肠道炎症,形成肠道物理屏障[25]。

3.2 调节肠黏膜屏障,防止细菌移位

肠道微生物群变化是由肠道屏障通透性的增加和免疫细胞激活决定的,导致血脑屏障功能受损,从而促进神经炎症、神经元损失及神经损伤。肠道的黏膜免疫系统不断暴露在大量非致病性共生肠道细菌中,这些细菌在下小肠和结肠中的密度达到每克肠道内容物1 012个生物体。将这些细菌与身体其他部分分隔开来的物理屏障由单层上皮细胞和上层黏液组成,其物理屏障容易被黏膜感染、全身性疾病或药物等因素破坏。肠黏膜免疫系统是通过适应性和先天性黏膜免疫之间的相互作用来处理穿透上皮的细菌。针灸可以通过保护肠黏膜屏障系统的结构和功能,从而间接影响细菌的定植,并防止致病抗原穿透物理屏障,从而保持人类健康[26]。有研究认为肠上皮细胞通透性增加,会发生于黏膜炎症进而产生致病性细胞渗漏、肠毒素与全身炎症导致通透性增加,使毒素和病原体易位,从而进一步加剧免疫应激反应,且长期攻击肠胃屏障都会导致细胞因子的释放过量从会加剧PSD症状[27]。

肠道炎症、连接蛋白、海马炎症和肠道微生物群之间存在相关性。肠道微生物群失衡会损害肠道紧密连接蛋白,导致肠道通透性增加和肠道炎症,并会进一步损害血脑屏障,导致中枢神经系统疾病的中枢炎症。有研究表明针灸能够通过调节肠道微生物群从而改善肠道屏障功能,防止细菌越位且针刺干预后肠道紧密连接蛋白的表达与肠道菌群丰度相关[22]。Liu等[28]将雄性C57BL/6小鼠被随机分为：正常对照组、右旋糖酐硫酸钠(DSS-)诱导的溃疡性结肠炎(DSS)和伴有EA ST36的DSS(DSS+EA)。并对小鼠体质量、DAI评分、结肠长度和组织学评分进行结肠炎严重程度评估。结果表明：在IHC染色中,EA降低了CD11b、F4/80、TLR4和MyD88,并保留了claudin-1和ZO-1的表达。与对照组相比,DSS组的CRP、IFN-c、TNF-α和IL-6水平升高,但脂联素水平降低。综上,电针通过MyD88依赖性途径通过TLR4信号传导发挥其治疗作用且电针可以增加脂联素,维持黏膜紧密连接,调节肠道微生物群,调节肠道黏膜屏障。Hao等[21]研究发现手法针刺可有益调节肠道微生物群失调,显著减少肠道炎症,有效缓解APP/PS1小鼠肠道黏膜屏障的破坏。

3.3 调节下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴

宿主昼夜节律正常对于下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴的正常运转意义重大,且机体应激反应也会造成HPA轴紊乱,其功能异常会引发睡眠障碍并导致抑郁症的发展。在脑卒中后抑郁症的发展过程中,睡眠障碍也是一个不可忽视的诱因。有研究[29]发现：脑卒中幸存者主观睡眠参数和PSQI主观睡眠质量差与抑郁症有关,中风患者睡眠障碍会对血管生成、轴突发芽和突触发生产生负面调节,加重脑损伤,并最终阻碍神经系统恢复[30]。

昼夜节律紊乱也会导致微生物群落结构和微生物活性的改变。肠道微生物群有明确的昼夜节律,这种节律与微生物群的功能密切相关,对宿主的免疫和代谢有显著影响,这种关系具有微生物群导向疗法的潜力,能改善昼夜节律稳态紊乱的影响[31]。HPA轴的失调也与严重抑郁症的病理学密切相关。下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴是一个关键的神经内分泌信号系统,参与生理稳态和应激反应。该系统的紊乱会导致严重的激素失衡,PSD患者会出行为缺陷或情绪障碍[32]。

脑卒中后抑郁症患者的HPA轴过度活跃,表现为下丘脑侧脑室核CRH神经元数量增加,血清ACTHandCORT水平升高。应激反应通过包括海马体在内的大脑中的5-羟色胺系统导致抑郁相关行为,导致HPA轴功能亢进。电针通过HPA轴调节CUMS反应,降低了下丘脑CRHmRNA的表达和血浆ACTHandCORT水平,减轻了HPA轴功能的过度兴奋且电针atST36和CV4刺激感受器杯状点,并在外周神经中产生特定的影响活动,最终影响中枢神经系统。这些信号可能对HPA轴内的结构产生影响,并下调HPA轴,从而启动海马5-HT/5-HT1AR。此外,这些信号可能直接激活海马5-HT/5-HT1AR,从而抑制HPA轴功能,抑制抑郁症状[33]。

HPA轴与肠道微生态之间也存在双向调节关系。肠道中的微生物群调节皮质类固醇的产生,包括皮质醇和糖皮质激素,反过来,HPA轴可以调节肠道运动并影响肠道微生物群的生活环境,HPA轴的过度活动可以增加肠黏膜通透性,激活肠道免疫,并进一步改变肠道中微生物组的组成,破坏肠道微生物组的平衡。

3.4 对代谢产物和代谢途径的影响

肠道微生物组包含的基因比人体基因多,其基因组编码独特的代谢产物被吸收到循环中,能到达包括大脑在内的遥远器官,影响外周和中枢神经系统。此外,这些代谢产物可以整合到宿主的代谢途径中,并发挥重要作用。抑郁症通常伴随着肠道运动的变化,这反过来又会改变肠道微生物群的组成和稳定性[34]。

肠脑轴是一种双向交流,通过肠道微生物产物、HPA轴和神经递质影响大脑。因此,肠脑轴是肠道细菌和大脑之间的重要连接点。肠道微生物群可以产生化学递质,如多巴胺(DA)、5-HT、去甲肾上腺素(NE)、BA与SCFAs等。特定的肠道微生物产生短链脂肪酸和BA。肠道微生物群的变化也会影响色氨酸代谢和犬尿氨酸、吲哚和氨基酸的产生。有研究发现短链脂肪酸作为肠脑轴的递质,能增加短链脂肪酸的异丙沃菌的相对丰度,从而影响抑郁症。

针灸能通过调节肠道微生物群促进丁酸分泌从而起到抗抑郁作用。有研究发现,肠道微生物群合成的脂多糖和细菌淀粉样蛋白可以触发大脑中的免疫细胞,并激活导致神经炎症的免疫反应[35]。Lv等[22]研究发现,针刺治疗可调节差异代谢产物N-甲基烟酰胺、β-甘油磷酸、香叶基乙酰乙酸、血清素和苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成、牛磺酸和低牛磺酸以及β-丙氨酸代谢途径。Hüfner等[36]认为儿茶酚胺神经递质途径与抑郁症状有关,而升高的KYN/TRP比率与血清素神经递质途径有关,这两种单胺类神经递质途径的变化在对于脑卒中后抑郁症状发病病程较为重要。

胃肠道是大多数5-HT合成的部位,肠道微生物群在促进5-HT分泌方面发挥着关键作用。神经元5-HT已被确定为发育过程中的主要神经元生长因子,同时也是肠黏膜中生长的促进剂和炎症的抑制剂,5-羟色胺和硝酸可能与微生物群相互作用[37]。

BDNF是大脑中的一种主要神经营养因子,在神经元的生存和引导中起着重要作用。BDNF是大脑中神经元生存和正常功能所必需的,针刺可显著增加抑郁模型大鼠脑海马和血清中5-HT的含量,并上调抑郁模型大白鼠海马组织中BDNF/NMDAR的含量和BDNF/NMDAR的mRNA[6]。

中风患者和PSD患者中发现常见的异常代谢产物,这些代谢产物可能会增加中风后抑郁的风险。例如,酪氨酸和类固醇代谢与大脑功能密切相关,而三羧酸(TCA)循环在大脑能量调节和代谢中发挥着关键作用。有研究发现PSD患者的N-甲基-D-吸入物受体拮抗剂阿甲草甘膦水平低于对照组,PSD患者的水平显著高于对照组[38]。Liu等[28]发现电针能降低CD11b、F4/80、TLR4和MyD88,并保留了claudin-1和ZO-1的表达且能通过MyD88依赖性途径与TLR4信号传导调节肠道微生物的整体结构。综上,得知针刺可以通过调节肠道菌群从而改变代谢,影响PSD的进程。

3.5 对炎症反应的影响

肠道微生物群通过直接或间接控制炎症细胞的功能和数量来保护宿主,以应对全身或局部感染。根据针灸的调节作用,一方面,针灸可以恢复肠道菌群结构的平衡,调节致病菌和有益微生物的比例、丰度和数量,从而影响促炎和抗炎细胞的激活或抑制;另一方面,针灸可以保护肠黏膜屏障系统的结构和功能,防止致病菌和炎症物质的移位,从而避免体内炎症。Kim等[39]通过评估286例中风两周后患者的细胞因子浓度和多态性以及人口统计学和临床协变量。结果表明：两周时TNF-α水平、IL-1β水平上升与PSD相关。综上,TNF-α和IL-1β血清水平在PSD风险中发挥着重要作用。有研究发现针刺显著增强了肠道和海马中促炎因子IL-1b、IL-6和TNF-α的蛋白表达水平,并且显著提升了这3种促炎因子水平。综上,针刺治疗可改善肠道屏障功能,减少肠道和海马炎症反应且肠道微生物菌群与肠道炎症、神经炎症呈正相关。Xie等[40]发现针刺ST36和GB34可以随着拟杆菌门/厚壁菌门比例的增加抑制肠道微生物组的促炎转变,缓解肠道微生物群紊乱。Zhang等[41]研究发现电针可以调节肠道菌群的结构,主要通过上调厚壁菌门的丰度和下调拟杆菌门的丰度,进一步增加了肠道SCFA,影响了循环LPS水平,并降低了肠道炎症反应,恢复神经系统,减缓PSD症状。Liu等[28]发现电针能通过调节脂联素,改善肠道炎症,肠道菌群的整体结构得到了调整,使其联系更加紧密。Westfall等[42]认为合生元可以减轻雄性小鼠与慢性压力相关的抑郁和焦虑样行为,但合生元特异性代谢产物可能在抗原呈递细胞上或直接在幼稚的CD4+T细胞上作为AHR的配体,影响其对应激的反应,最终导致外周Treg和Th17淋巴细胞的比例改变。这种对外围炎症的抵抗力最终通过改变免疫细胞的募集来保护大脑免受神经炎症影响,并可能保护血脑屏障的完整性。

3.6 调节中枢神经元

脑卒中后抑郁症的抑郁样行为与中枢神经元生存状态有关。丹毒科是一种兼性厌氧菌,其失衡可能与神经类疾病丰度有关。丹毒科的相对丰度与IL-6、36以及TNF-α和CD14水平呈正相关,有研究发现丹毒科的高相对丰度会引起炎症,这会加剧多巴胺能神经元的损失。Han等[43]认为电针可以降低丹毒科的高丰度,使其达到正常的水平,减轻炎症,减少多巴胺能神经元的损失。Jang等[24]研究发现针灸增加了纹状体和黑质中多巴胺能纤维和神经元的水平,还恢复了纹状体和黑质中小胶质细胞和星形胶质细胞的过度表达以及Bax和Bcl-2表达的转化,表明针刺阻断了炎症反应和细胞凋亡。总之,针刺保护多巴胺能神经元的作用可能与调节肠道微生物失调有关,从而能抑制PSD的神经炎症。Li等[6]认为经过针刺治疗后,CUMS引起的血清和海马中多巴胺(DA)、5-羟色胺(5-HT)水平下降均得到改善,针刺治疗后引起的脑源性神经营养因子信号传导和海马星形胶质细胞表达下降均得到增加。

4 小结

本研究通过研究针灸、肠道微生物菌群与脑卒中后抑郁症之间的关系以及针灸在这种关系中起到的作用,总结出针灸能够通过保护肠黏膜屏障系统、避免HPA轴过度激活肠道免疫、调节代谢产物和代谢途径以维持肠道稳态、控制炎症细胞和炎症因子的平衡、避免神经炎症,保护中枢神经元等靶点治疗PSD并提出这些机制的共同和核心环节是调节局部肠道微生物群和系统免疫系统。基于肠道菌群探讨针刺治疗PSD的优势在于提供了一种突破传统治疗策略的新思路,可以实现个体化治疗,而且具有多种影响机制、相对安全和非药物依赖性等特点,作为一个新颖而有前景的研究领域,进一步的研究将有助于揭示针刺与肠道菌群之间的相互作用机制,为脑卒中后抑郁症的治疗提供更有效的方法和策略,然而需要进一步的研究来验证其临床应用的效果和可行性。且上述涉及针灸和肠道菌群结构调整的研究只能得出其具有相关性,而不能证明因果关系。从目前针灸治疗PSD的发展角度来看,针灸维持肠道菌群类型和数量之间的动态平衡以治疗和预防抑郁症的机制尚未得到深入研究。