肠道菌群与急性中枢神经系统损伤（节选）

01

研究背景

●中枢神经系统(CNS)的急性损伤，如卒中、创伤性脑损伤(TBI)、脊髓损伤(SCI)，是严重的全球性健康问题。继发于急性中枢神经系统损伤的过程涉及一系列复杂的病理生理机制，包括兴奋性毒性、电解质失衡、氧化应激、炎症、凋亡、焦亡、铁死亡、自噬和脑水肿。这些细胞和分子损伤加剧了神经元细胞的死亡。尽管一些临床前研究人员做出了许多努力，以制定有效的治疗策略，但严重急性中枢神经系统损伤患者的预后仍然较差。鉴于急性中枢神经系统损伤引起的残疾或死亡的流行，探索一种新的和有效的治疗方案势在必行。

  此外，越来越多的研究表明，肠道菌群在宿主的健康和疾病中起着关键作用，特别是在中枢神经系统中。肠道菌群是指在消化道定植的细菌、古生菌、病毒和真核微生物的集合。肠道菌群包含数万亿微生物，超过1000种不同的已知细菌，大约是人类基因组的100 ~ 150倍多的基因。在门水平上，肠道菌群主要包括厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、变形菌门和疣菌门。其中，厚壁菌门和拟杆菌门约占所有细菌的90%。此外，个体肠道菌群的组成受饮食、年龄、性别、环境和基因的影响。尽管微生物群在空间上局限于肠道，但它已被证明可以调节远处器官的功能。值得注意的是，肠道菌群测序的进展揭示了复杂的生态系统和中枢神经系统之间的密切联系。

  以往的研究主要集中在探讨肠道菌群与中枢神经系统之间的双向交流途径，称为“微生物-肠道-大脑”轴(MGBA)。中枢神经系统和肠道菌群之间的双向交流途径包括免疫、内分泌、代谢和神经途径。最近的研究表明，MGBA参与了许多神经疾病的发病机制，如神经退行性疾病(如MGBA)，神经发育和神经精神疾病(如焦虑、抑郁、自闭症和精神分裂症)、自身免疫疾病(如多发性硬化症)和急性中枢神经系统损伤(如中风、脑外伤和脊髓损伤)。在这篇综述中，提供了肠道菌群和急性中枢神经系统损伤之间联系的最新进展。

图1 |肠道菌群与大脑之间的双向交流途径。

02

出血性卒中

●出血性卒中包括颅内出血和蛛网膜下腔出血。颅内出血占出血性卒中的80%，占所有卒中的10-15%，主要由高血压诱发的小血管破裂引起，而蛛网膜下腔出血则主要由颅内动脉瘤破裂引起。出血性卒中具有高死亡率和高发病率的特点，给社会和家庭带来沉重的负担。然而，迄今为止，很少有研究关注出血性卒中与肠道菌群的相关性。少数研究报告肠道菌群失调可导致高血压和颅内动脉瘤，然而，肠道菌群与出血性卒中之间的直接关系尚未被研究。未来的临床和动物研究都是必要的。

03

创伤性脑损伤(TBI)

●创伤性脑损伤(TBI)是最常见的神经系统疾病之一，估计全世界每年约有5000万人患病，导致数千人死亡和残疾。TBI可诱发各种继发性进行性脑损伤，导致不同的功能结果。TBI还影响肠道屏障的完整性、肠道功能和肠道菌群组成。反过来，肠道菌群的改变可能调节TBI后的促炎反应，加重继发性脑损伤。然而，关于TBI诱导的肠道菌群失调的信息目前还很少。相关研究汇总见表2。

● 最近，一项观察性研究调查了101例TBI患者的肠道菌群特征，发现入院后第0天、第3天和第7天直肠拭子的微生物属于变形菌门，其中肠杆菌科为最大类群。Hou等人还分析了一个小队列的肠道菌群组成(10名健康对照志愿者与24名TBI患者)，并报道了TBI患者肠球菌、Parabacteroides、Akkermansia和Lachnoclostridium的丰度显著增加，而双歧杆菌和粪杆菌的丰度降低。在控制性皮层撞击模型(CCI)小鼠中，CCI后24h，胃乳杆菌、黄胃瘤胃球菌和胃真杆菌的肠道菌群显著减少，Eubacterium sulci 和Marvinbryantia formatexigens的菌群显著增加。在实验坠落损伤模型中，TBI的严重程度与拟杆菌门、卟啉单胞菌科、厚壁菌门和变形菌门的改变相关。Nicholson等发现，损伤后2h肠道菌群组成中厚壁菌门(Firmicutes) /拟杆菌门(Bacteroidetes)比例的降低与MRI检测的病变体积和行为功能缺陷显著相关。You等在侧流冲击损伤小鼠模型中也观察到了肠道菌群和胆汁酸谱的变化。进一步分析发现，特定的细菌类群如葡萄球菌和螺旋菌科可能与胆汁酸代谢变化有关，从而导致肠道炎症。有趣的是，Angoa-Pérez等人发现，重复性的轻度TBI不会引起肠道菌群组成的改变。虽然在动物模型中观察到TBI后肠道菌群组成的差异，但确切的调节机制仍不清楚。有研究认为迷走神经传入改变，TBI诱导的胆囊收缩素水平升高，可能是通过激活经迷走反射的NTS抑制通路导致肠道功能障碍的原因。此外，在另一项TBI实验中，肠道上调了糖蛋白的表达，以招募免疫细胞并激活炎症信号，导致黏膜完整性改变。渗漏的肠道允许有毒的细菌成分，如LPS进入循环，通过激活TBI后的小胶质细胞介导神经炎症。此外，在TBI后6h内，血脑屏障(BBB)的通透性可增加至正常的4倍。血脑屏障通透性的增加通过LPS暴露、γδT细胞激活和激活的小胶质细胞分化为M1表型加重了肠道紊乱引起的神经炎症。Celorrio等人最近进行的一项临床前研究表明，在TBI前建立的抗生素诱导的肠道微生物失调显著恶化了神经元损失，减少了Ly6Chigh单核细胞和T淋巴细胞的皮质浸润，增加了小胶质促炎症标志物，并损害了TBI后的神经发生。

● 在CCI前2周接受AMNV预处理的CCI小鼠在损伤后72小时出现海马神经元密度增加，而在CCI后立即接受AMNV治疗的CCI小鼠在22天出现病变体积减小和联想学习缺陷减弱。丁酸梭菌治疗的TBI小鼠也改善了神经功能缺损，减轻了脑水肿，改善了神经退行性变，并通过提高肠道胰高血糖素样肽1(GLP-1)的分泌来缓解血脑屏障损伤。补充SCFAs还通过激活神经营养酪氨酸激酶受体1型(TrkA)通路，改善了CCI诱导的TBI后的空间学习。补充益生菌还可显著改善实验性TBI后肠道菌群失调，降低肠道通透性，减轻小肠黏膜损伤，减轻脑损伤。在人体研究中，益生菌治疗可缓解全身炎症反应，降低医院感染率，促进TBI患者康复。有趣的是，迷走神经刺激降低了TBI后肠道屏障的通透性，这是通过抑制TNF-α释放介导的。最近有研究表明，FMT可通过TMA-TMAO-MsrA信号通路介导，恢复TBI后肠道菌群失调，改善神经功能障碍。

表2 |关于肠道菌群和创伤性脑损伤的临床前和人体研究总结

04

脊髓损伤（SCI）

●创伤性脊髓损伤(SCI)是另一种急性中枢神经系统损伤，每年影响全球数百万人。近年来开展了涉及SCI及对肠道菌群双向影响的研究，总结见表3。本节回顾了SCI后发生的肠道菌群变化的研究。

● 在一项中国队列研究中，Zhang等人观察到慢性创伤性完全脊髓损伤患者中变形菌门(Proteobacteria)和Verrucomicrobia增加，拟杆菌科(Bacteroidaceae)和拟杆菌科(Bacteroides)减少。Lin等人还分析了46名中国受试者(23名SCI患者与23名健康对照)，并报道了在SCI患者中Parabacteroides、aliistipes、Phascolarctobacterium、Christensenella、Barnesiella、Holdemania、Eggerthella、nestiinimonas、Gordonibacter、Bilophila、黄酮分解菌和Coprobacillus的丰度高于健康个体。另一项涉及54名土耳其参与者的临床研究(41名脊髓损伤患者与13名健康对照组)发现，脊髓损伤患者中厚壁菌门产生丁酸的微生物明显少于健康对照组。最近，Bazzocchi等人调查了大量意大利脊髓损伤急性期人群和年龄和性别匹配的健康意大利人。他们的研究显示，脊髓损伤患者肠道菌群的丰度在潜在致病性、促炎症和粘液降解菌群中增加，而在SCFAs产生菌群中减少。此外，肠道菌群失调与脊髓损伤后病变的严重程度密切相关。Yu等人进行的一项病例对照研究(45名脊髓损伤患者vs 24名健康个体)显示，完全性胸脊髓损伤(CTSCI)患者中放线菌和协同菌的丰度显著高于健康个体。同时，不完全性胸脊髓损伤(ITSCI)患者拟杆菌门(Bacteroidetes)、蓝藻门(Cyanobacteria)和变形菌门(Proteobacteria)较健康人明显减少。此外，他们比较了CTSCI和ITSCI患者的肠道菌群组成，发现CTSCI患者的肠道菌群中科里杆菌科(corobacteriaceae)、协同菌科(Synergistetes)、真杆菌(Eubacterium)和cloacbacillus的丰度显著增加，而ITSCI患者的肠道菌群中乳酸菌科(lactobacillus)、乳杆菌科(Lachnospiraceae)、真杆菌(Eubacterium)、梭菌(Clostridium)和梭菌(Sutterella)的丰度较高。类似地，实验性SCI小鼠胸9挫伤(T9)诱导的肠道菌群失调也表现为拟杆菌门的扩大和厚壁菌门的减少。然而，Kigerl等人在T9挫伤性脊髓损伤小鼠模型的临床前研究报告显示，脊髓损伤小鼠的拟杆菌类(Bacteroidales)减少，梭状芽胞杆菌(Clostridiales)增加。在SCI大鼠模型中，肠道菌群组成发生了显著变化，肠乳杆菌、disporicum梭菌和脉络双歧杆菌的丰度增加，糖化梭菌的含量减少。结果的差异可能是实验偏差造成的。此外，上述对SCI诱导的肠道菌群失调的分析是通过16S rRNA扩增子测序进行评估的，该测序无法分析菌群功能或识别病毒。Du等人使用基因组和基因解析宏基因组分析研究了T4或T10期实验SCI后的肠道菌群失调。结果表明，小鼠脊髓损伤后，有益共生菌(约氏乳杆菌和CAG-1031 spp.)的丰度显著降低，而潜在致病菌(Weissella cibaria，Lactococcus lactoactis_A, Bacteroides thetaiotaomicron)的丰度增加。在功能上，脊髓损伤后粪便中由微生物基因编码的色氨酸、维生素B6和叶酸生物合成减少。有趣的是，Du等人的研究报告显示，有益共生宿主(CAG-1031、乳酸菌和Turicibacter)的噬菌体减少。相比之下，脊髓损伤后致病性宿主(韦塞尔菌属、乳球菌和梭菌属)的噬菌体增多。在一个在T2或T10挫伤性脊髓损伤的尤卡坦小型猪模型中，Doelman等人提出了脊髓损伤后微生物组变化的动态视图，并确定了急性阶段(脊髓损伤后0-14天)作为一个特殊的时间框架，在恢复到“基线”水平之前，许多细菌波动会发生。

● SCI通过增加B细胞、CD8+ T细胞、DC和巨噬细胞的数量和减少CD4+ T细胞的数量，促进肠道渗漏和与GALTs免疫细胞激活相关的细菌易位。γδT细胞缺陷小鼠脊髓损伤后功能恢复明显改善。此外，脊髓损伤后肠道菌群组成的变化可以预测运动障碍。此外，肠道菌群失调可通过激活TLR4/髓系分化因子88信号通路加重SCI。用商业益生菌(VSL#3)喂养的SCI小鼠减少了神经病理，改善了运动恢复，并通过增加GALTs中Treg细胞的数量促进了抗炎反应。此外，每日服用褪黑素的SCI小鼠通过减少梭状芽胞杆菌的丰度和增加乳酸菌和乳酸杆菌的数量，改善了肠道屏障的完整性和功能恢复，这与更有利的细胞因子相关。补充乳酸也被证明能改善脊髓损伤后的功能恢复。FMT可预防SCI诱导的菌群失调、运动功能和焦虑样行为的发展。FMT可增加脊髓损伤后粪便中SCFAs的数量，下调脊髓中IL-1b/NF-kB信号通路和肠道中NF-kB信号通路。最近的一项研究也报道了二甲胺四环素治疗通过改变厚壁菌门/拟杆菌门的比例来减弱SCI诱导的焦虑样行为和全身炎症反应。靶向MGBA的工程脂质体也可能是一种潜在的治疗方法。

表3 |关于肠道菌群和脊髓损伤的临床前和人体研究总结

05

结论和展望

●肠道菌群通过多种机制密切参与急性中枢神经系统疾病的发展和进展，包括免疫、内分泌、代谢和神经通路。FMT和益生菌通过恢复急性中枢神经系统损伤引起的肠道菌群失调显著改善脑损伤。肠道菌群可能是协助治疗急性中枢神经系统损伤的潜在靶点。然而，尽管关于肠道菌群的研究越来越多，但仍有几个方面需要思考。

● 首先，人类肠道菌群组成与啮齿类动物不同。虽然厚壁菌门和拟杆菌门是小鼠和人体内最丰富的菌群，但以属水平计算，在小鼠肠道中发现的细菌有80%以上没有在人肠道中定殖。其次，啮齿类动物的免疫学特征也与人类不同。此前的一项研究表明，人类的肠道特性与老鼠的相似。然而，人们已经发现小鼠和人类在肠道免疫方面的差异，在人的上皮内隔室中发现γδT细胞的频率明显低于小鼠。第三，肠道病毒、真菌和噬菌体的作用不可忽视。噬菌体具有较高的宿主特异性，通过改变细菌病原体相关分子模式和维持宿主粘膜屏障，塑造肠道菌群组成，调节宿主免疫反应。虽然肠道病毒对健康和疾病的影响尚不清楚，但也应考虑到吞噬病毒-真菌-细菌-宿主在肠道中的相互作用。此外，它们在人类急性脑损伤或动物模型中的作用迄今尚未得到研究。第四，应考虑GF小鼠的发育障碍。GF小鼠具有发育不良的免疫结构，肠道免疫细胞群与SPF小鼠不同，如产生IgA的浆细胞和固有层CD4+T细胞。此外，GF小鼠含有较少的血清免疫球蛋白，特别是IgG。在缺乏肠道菌群的情况下，CNS也会发生血脑屏障“渗漏”和异常小胶质细胞形态和功能。最后，在FMT治疗中确定合格、健康供体的标准尚未完全确立。FMT的安全性和效率有待广泛研究。

 

朱侗明

博士，复旦大学附属华山医院神经外科主治医师，博士期间师从朱剑虹教授进行神经再生及干细胞研究，目前为神经外科急救及神经重症团队成员

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