中风是一种常见的脑血管疾病,是一个重大的健康问题,每年影响全球超过 1500 万人。大约 70% 的中风是由脑缺血引起的,称为缺血性中风 。它通常是由阻塞大脑血管的血凝块 引起的。
缺血性中风一般有以下症状:
面部、手臂或腿部(尤其是身体一侧)突然麻木或虚弱
突然的混乱、说话或理解困难
一只或两只眼睛突然看不清
突然行走困难、头晕、失去平衡或协调
不明原因的突然剧烈头痛
中风后,高达 50% 的患者会出现胃肠道并发症,包括便秘、吞咽困难、胃肠道出血和大便失禁等问题,胃肠道并发症会影响患者治疗效果不佳。
多项研究证实,中风患者存在肠道菌群失调 。
肠道菌群可以调节疾病和健康之间的平衡 ,因为它们有可能产生各种代谢物 (如,短链脂肪酸、胆汁酸、维生素、氨基酸和氧化三甲胺)。这些代谢物可能参与调节宿主的生理功能。其中氧化三甲胺增强血小板反应性和血栓形成可能性 ,这可能是缺血性中风的潜在致病因素。
我们之前的文章也有关于这方面的详细介绍:
肠道菌群 —— 中风的关键参与者
然而之前的研究较少说明,短链脂肪酸对缺血性中风有保护作用 。短链脂肪酸是肠道微生物发酵 膳食纤维的最终产物 ,它的存在加深了微生物与宿主之间的联系。
根据最近的研究,通过移植富含短链脂肪酸的粪便微生物群,缺血性中风的恢复得到了有效改善。短链脂肪酸可能作为肠道菌群和大脑之间的媒介 ,参与调节缺血性中风的预后。
Fang Z, et al., Cell Mol Neurobiol. 2022
本文主要介绍关于缺血性中风和肠道菌群之间关系的研究,概述了短链脂肪酸作为它们之间桥梁的作用及其潜在机制,讨论了短链脂肪酸介导的治疗措施,如饮食、膳食补充剂(益生菌和益生元)、粪菌移植和药物治疗缺血性脑损伤的有益效果。
01 肠道菌群和缺血性中风
随着临床证据的不断增加,肠道菌群可能是中风的一个关键易感因素。
中风影响肠道微生物菌群失调
↓↓↓ 发现中风与肠道菌群关联的研究:
最早的一项横断面研究报告说,与健康、无症状的对照组相比,中风患者的条件致病菌更多 。这种生态失调与中风的严重程度有关。
分析粪便中的有机酸浓度发现,中风患者的乙酸 浓度显着降低 ,而戊酸 浓度显着升高 。然而,中风患者的总有机酸浓度降低 。
这些研究表明:
中风会影响肠道微生物的多样性,并导致微生物代谢物发生相应的变化 。
有了这个线索后,研究人员开始进一步探索中风、肠道菌群和短链脂肪酸之间 的相关性。
↓↓↓ 进一步研究表明:中风患者的产短链脂肪酸菌 及短链脂肪酸水平都较低
在大脑中动脉闭塞期间,小鼠的短链脂肪酸水平较低 ,尤其是丁酸盐 。
研究人员认为,急性缺血性中风患者肠道菌群失调的特征是:产短链脂肪酸菌的低 丰度和粪便短链脂肪酸的低 水平,尤其是那些中风较严重的患者 ,短链脂肪酸水平与严重程度之间可能存在负相关,也就说,短链脂肪酸水平越低,中风严重程度越高 。
↓↓↓ 然而事情没有这么简单。出现矛盾 的是:
一项临床研究发现,在缺血性中风中,随着个体产生短链脂肪酸的增加 ,肠道菌群 的调节异常 。但由于没有相应地测量短链脂肪酸水平,因此无法确定这种失调是否会导致粪便短链脂肪酸水平发生实质性变化。
此外,肠杆菌科 (条件致病菌)的扩张 也是中风患者肠道菌群失调的主要表现之一,但肠杆菌科也能产生乙酸盐 。
因此,中风患者短链脂肪酸低,可能不仅仅是由产短链脂肪酸菌的减少引起的,可能部分原因是 不同菌群的协同效应 。
除了疾病本身的进展,合并其他疾病(例如高血压、糖尿病)、年龄、饮食、吸烟和其他危险因素可能会加剧对缺血性脑损伤的病理生理反应,包括神经炎症。因此,肠道菌群对中风易感性和恢复的贡献是一个不断增长的研究领域。例如,高血压 、糖尿病、肥胖症和动脉粥样硬化,所有已知的中风危险因素都与肠道菌群密切相关 。
↓↓ 肠道菌群与中风风险关联的研究:高风险人群条件致病菌多,产丁酸盐菌少
一项横断面研究评估了肠道菌群与中风风险之间的关联,发现中风高风险人群 肠道中条件致病菌 (例如肠杆菌科和韦荣氏菌科)的比例显着高于低风险人 群。此外,产丁酸盐细菌的消耗 和粪便丁酸盐水平低 是中风风险增加 的潜在因素。
中风后并发症和肠道菌群
▸ 中风后认知障碍:梭杆菌↑ 肠杆菌科↑
中风后认知障碍 (PSCI)是中风后遗症之一。已有研究表明,PSCI患者肠道内梭杆菌含量增加 ,同时粪便中短链脂肪酸缺乏 。研究人员进一步构建了基于肠道菌群和短链脂肪酸的PSCI风险预测模型,该模型能够准确预测 中风发作3个月或更长时间后的PSCI。
另一项研究发现,与中风后非认知障碍组相比,PSCI组的肠杆菌科细菌增多 。这些革兰氏阴性病原体可能会促进神经系统 的炎症 变化。此外,患有其他中风后共病精神障碍(如抑郁症和情感障碍)的患者的肠道菌群也可能发生相应的变化。
▸ 中风后吞咽困难:管饲易引发胃肠道不良反应
大约65%的中风患者表现出吞咽困难。为了降低中风后吞咽困难导致吸入性肺炎和营养不良的风险,经常使用管饲代替口服 食物。
然而,最近的一项研究表明,当吞咽改善,恢复最初的口服摄入量时,中风患者的肠道菌群 发生了变化 。这可能是因为与肠内营养相比,口服食物的膳食纤维含量更高。
此外,与早期口服食物的患者相比,长期管饲患者 接受治疗的时间更长,感染风险更高 。长期肠内营养管理可能会产生许多胃肠道不良反应 (例如腹泻、便秘、胃食管反流)。
▸ 为什么中风患者表现出对感染的易感性增加(肺炎和尿路感染等)?
——肠道通透性增加、细菌易位
在中风后感染的患者中检测到的大多数微生物是通常存在于肠道中的常见共生细菌 ,这可能与中风后肠道通透性增加 以及共生细菌的易位和传播 有关。值得一提的是,肠道菌群组分的改变可能会增加菌血症 并改变宿主的免疫反应。
——产丁酸菌减少
此外,在一项前瞻性病例对照研究中,在中风患者住院24小时内 ,产丁酸的细菌很少 ,这可能会增加中风后感染 的风险。
尽管肠道菌群和短链脂肪酸可能对大多数中风后并发症有显著影响,但迄今为止尚未对其潜在机制和治疗应用进行研究。
▸ 肠道菌群失调具体通过什么与中风产生关联?
随着临床证据的增加,中风引起的肠道菌群失调已逐渐被解开。然而,这种微生物失调可能是由肠道菌群-肠-脑轴 中持续积累 的“自上而下”信号 引起的,而不是突然发作。
中风中的自下而上和自上而下的信号
Battaglini D, et al., Front Neurol. 2020
脑缺血会导致自主神经系统或 HPA 轴的紊乱,增加肠道通透性并改变肠道微环境。例如,条件致病菌积累,内毒素水平增加,产生短链脂肪酸的细菌耗尽,短链脂肪酸水平下降。反过来,这种改变会加剧中风或脑损伤并影响患者预后。
Fang Z, et al., Cell Mol Neurobiol. 2022
一般来说,微生物产生的短链脂肪酸可能与肠道菌群-肠-脑轴一起参与中风的病理生理学,短链脂肪酸影响中风的潜在机制将在后面章节讨论。
02 肠道菌群介导的免疫机制
免疫细胞和肠道微生物群
在缺血再灌注损伤和永久性缺血的情况下,神经炎症是中风进一步进展的关键因素 。
炎症过程始于血管内。当缺氧发生时,活性氧 (ROS)产生过多 ,从而激活 补体、血小板和内皮细胞。内皮细胞中的氧化应激(ROS)会降低 NO的生物利用度,从而间接影响血小板活性 。
在脑缺血期间,未刺激的T细胞可能通过IFN-γ和ROS促进组织损伤 。γδT细胞被小胶质细胞和巨噬细胞释放的IL-23激活,产生 细胞毒性细胞因子IL-17 ,参与 急性缺血性脑损伤。
然而,小胶质细胞和巨噬细胞也能促进Treg的成熟 ,分泌抗炎因子IL-10 ,抑制Th1和Th2反应,介导神经保护作用。
在健康条件 下,调节性T细胞(Treg)和效应性T细胞处于动态平衡状态 。而在缺血性中风中,这种平衡受到干扰。
中风后诱导的炎症反应可增加血脑屏障的通透性和脑水肿,扩大脑梗死面积,进一步加重缺血性脑损伤。
因此,研究人员继续测试免疫调节策略在中风患者中的治疗潜力。
肠道微生物群可能参与了中风的免疫调节。最近对啮齿类动物的两项研究表明,中风后的微生物群失调 会导致效应T细胞 (γδT细胞)从肠道 迁移到大脑外的脑膜 ,从而加剧 缺血性脑损伤。
中风后恢复健康的微生物成分 和应用抗生素诱导微生物失调都可以减轻神经炎症 ,减少缺血性脑损伤。这一过程与Treg细胞的启动 密切相关。
总体而言,肠道菌群可以调节宿主免疫系统,从而改善缺血性脑损伤。
对肠道菌群介导的免疫机制的研究仍处于起步阶段。然而,在这一复杂现象的背后,存在着通过生产短链脂肪酸的可能性。
03 短链脂肪酸影响中风的机制
在了解短链脂肪酸在中风中发挥作用之前,我们先来看下,短链脂肪酸是如何参与宿主免疫系统发挥作用。
短链脂肪酸的免疫作用
短链脂肪酸是一种潜在的免疫调节因子 ,与各种免疫细胞相互作用,介导全身炎症反应。短链脂肪酸也影响小胶质细胞的结构和功能完整性,并激活与神经炎症相关的小胶质细胞 。
丁酸盐 :研究最多的是丁酸盐 ,具有抗炎 作用。
丙酸盐: 会引起炎症,但丙酸盐的这些数据可能仍有一定争议 ,组织特异性可能是一种解释。
乙酸盐: 可以通过抑制炎症信号通路 来减轻炎症反应。
短链脂肪酸在免疫和炎症中的作用
Yao Y, et al., Crit Rev Food Sci Nutr. 2022
在肠道上皮细胞中,短链脂肪酸可通过被动扩散和转运进入肠道组织。转运蛋白包括MCT1、MCT4、SMCT1和SMCT2。此外,短链脂肪酸还能激活肠上皮细胞中的G蛋白偶联受体(GPRs),引起一系列下游反应。短链脂肪酸可以调节许多免疫细胞的活动,参与宿主免疫系统的调节。
短链脂肪酸调节炎症的机制
Yao Y, et al., Crit Rev Food Sci Nutr. 2022
在巨噬细胞、中性粒细胞和树突状细胞中,短链脂肪酸可以通过G蛋白偶联受体激活MAPK通路,抑制β - arrestin2/NF-κ b通路,抑制环腺苷一磷酸(cAMP)的合成,促进钙离子(Ca2+)进入细胞核,从而调节与炎症和免疫相关的基因表达。此外,短链脂肪酸可通过被动扩散进入细胞,抑制线粒体/AMPK/mTOR通路,抑制组蛋白去乙酰化,通过促进MKP表达抑制MAPK通路。
短链脂肪酸在中风中发挥的免疫作用机制
↓↓↓ 粪菌移植研究:是什么改善中风小鼠脑损伤并提高存活率?
一项关于小鼠粪菌移植的研究发现,通过灌胃改变年轻中风 小鼠(2-3个月)的微生物群,使其与老年小鼠(18-20个月)的微生物群相似,会增加死亡率和全身炎症反应 。
相比之下,用年轻小鼠的肠道菌群对老年小鼠进行定植可以改善脑损伤并提高存活率 。
老年 小鼠的粪便短链脂肪酸水平 和拟杆菌与厚壁菌的比率(B:F )显著低于 年轻 小鼠。
↓↓↓ 进一步研究:短链脂肪酸对缺血性中风具有保护作用
研究人员将富含短链脂肪酸的粪便微生物群移植到中风小鼠体内,可以减少神经功能缺损 ,消除脑水肿,减少梗死体积 。有趣的是,通过直接灌胃补充丁酸盐 也可获得类似的有益效果。因此,短链脂肪酸可能是影响中风恢复的关键代谢物。
↓↓↓ 进一步研究:微生物源性短链脂肪酸影响中风的潜在机制是什么?
Sadler等人提供了第一个证据,他们通过向中风小鼠的饮用水中添加短链脂肪酸 来增加其循环短链脂肪酸浓度。
这种方法可以改善运动功能 并调节中风后突触可塑性,但不会影响原发性脑梗死体积 。
更重要的是,在没有淋巴细胞的情况下,即使补充了短链脂肪酸,小胶质细胞的数量和形态也没有显著改变。这表明淋巴细胞可能介导短链脂肪酸对小胶质细胞的调节作用 。
另外的研究人员在中风小鼠中更直接地移植了四种产生短链脂肪酸的细菌和菊糖 (一种增加产生短链脂肪酸的益生元)。研究发现,短链脂肪酸可增强肠道完整性,扩张肠道和大脑中的调节细胞(Treg),并减少中风后IL-17+γδT细胞在大脑中的浸润 。
尽管小胶质细胞缺乏短链脂肪酸受体,但在小胶质细胞中发现了单羧酸转运蛋白的表达 。这可能是一种小胶质细胞调节机制,不涉及短链脂肪酸受体,这需要在未来进一步验证。
★ 短链脂肪酸参与T细胞的极化和迁移
现有证据表明,T细胞可以通过分泌促炎 和抗炎细胞因子 来调节 M1(促炎)和M2(抗炎)小胶质细胞的平衡 。
此外,短链脂肪酸还促进 了T细胞在生理条件下分化为效应T细胞 ,主要是通过增加Treg的数量和功能。有趣的是,在无菌小鼠中进行了中风后菌群再定植,这显著地诱导了Th1和Th17的极化 。
另一方面,抗生素治疗 导致Treg扩增和Th17细胞减少。因此,有理由怀疑短链脂肪酸参与了由肠道菌群失调诱导的T细胞极化过程。
Fang Z, et al., Cell Mol Neurobiol. 2022
总之,短链脂肪酸可以诱导T细胞极化,从而影响免疫系统,从而改善缺血性脑损伤。此外,尽管没有直接证据,但短链脂肪酸可能参与T细胞向大脑的迁移。
★ 短链脂肪酸激活GPCR
GPCR与细胞周围的化学物质结合,包括气体、光敏化合物、激素、趋化因子和神经递质 ,并激活 一系列细胞内信号通路,最终发挥不同的生理作用。
注:G蛋白偶联受体(GPCR)是一类由七个α螺旋组成的膜蛋白受体。
未知配体的两个GPCR(GPR41和GPR43)因与短链脂肪酸结合而改名为游离脂肪酸受体 (分别为FFAR3和FFAR2)。
FFAR2 更有可能结合较短 的脂肪链(如乙酸盐),FFAR3 优先结合较长 的脂肪链,包括丙酸盐、丁酸盐和戊酸盐。此外,G蛋白偶联受体109A 也可被丁酸和β-d-羟基丁酸激活 。
短链脂肪酸通过激活 肠上皮细胞上的GPR41和GPR43,导致快速丝裂原激活蛋白激酶信号、趋化因子和细胞因子 。但到目前为止,只有少数研究探索了短链脂肪酸激活GPCR对中风有益作用的机制。
目前的一项研究表明,与乙酸盐和丙酸盐相比,经鼻给予低剂量丁酸钠(7.5 mg/kg)可显著减少大脑中动脉阻塞后的梗死体积,改善神经功能。
这可能与丁酸钠 通过GPR41/Gβγ激活PI3K/Akt并减轻 大脑中动脉阻塞后神经细胞死亡的机制密切相关。值得一提的是,丁酸盐和乙酸盐 可以通过抑制氧化应激增加NO的生物利用度 。有趣的是,丁酸盐的这种保护作用似乎取决于GPR41/43的激活,而乙酸盐的这种作用似乎独立于GPCR。
★ 短链脂肪酸抑制HDAC活性
组蛋白脱乙酰酶(HDAC)是一类修饰和调节染色体结构和基因表达 的蛋白酶。在细胞核中,组蛋白乙酰化和组蛋白去乙酰化处于动态平衡 ,并由组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶共同调节。
研究表明,细胞内短链脂肪酸可以抑制HDAC活性 ,并且丁酸盐 相对于其他短链脂肪酸具有较强 的HDAC抑制作用。相比之下,乙酸盐几乎没有抑制作用。
大多数证明短链脂肪酸介导的HDAC抑制对中风影响的证据来自丁酸钠(SB)的动物研究。例如,在永久性缺血的大鼠模型中,皮下注射丁酸钠(300 mg/kg)可减少梗死体积,抑制小胶质细胞激活,并改善大鼠的运动、感觉和反射能力 。
此外,研究人员发现SB 在体外改变小胶质细胞中组蛋白3-赖氨酸9-乙酰化(H3K9ac,一种由HDAC调节的组蛋白修饰)的 基因启动子 。已经在小鼠中证实,SB可以通过表观遗传调节减少 小胶质细胞介导的神经炎症,H3K9ac水平的上调 可能是观察到的效应的一个重要原因。
令人惊讶的是,丁酸钠对脑缺血的改善作用在不同种类的大鼠和不同的给药方式下没有发生质的改变。除了减轻成人中风模型中的脑损伤,SB在新生儿缺氧-缺血中也具有潜在的神经保护作用 。
除了小胶质细胞激活的表观遗传调节外,短链脂肪酸还具有与抑制HDAC活性相关的其他神经保护和神经营养作用 。
例如,它们通过抑制 诱导Treg细胞产生的HDAC,独立于游离脂肪酸受体调节mTOR-S6K通路。短链脂肪酸还上调神经递质和神经营养因子 ,如神经生长因子(NGF)、胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)和脑源性神经营养因子(BDNF)的表达。
总之,短链脂肪酸目前可能通过影响T细胞极化 、与FFAR相互作用 以及抑制HDAC活性 来影响中风预后。
然而,目前还没有研究探索短链脂肪酸在人类中的这些作用机制。在进一步探索短链脂肪酸影响中风的其他机制(免疫途径、内分泌途径和其他体液途径)的同时,研究短链脂肪酸作为调节剂在应用膳食短链脂肪酸补充剂、益生菌/益生元、FMT(恢复肠道微生物组成)的人类中风患者中的有效性和安全性将是未来研究的关键。
04 治疗策略
饮食
不同的饮食习惯可能会对肠道菌群产生不同的影响。例如,长期摄入西方饮食 (高脂肪、高糖、低纤维)可能会减少肠道菌群多样性 。饮食中富含复合碳水化合物的人的肠道菌群种类增加。生产短链脂肪酸所需的底物(膳食纤维)主要来源于饮食。
现在有大量证据表明,增加膳食纤维摄入可以降低心血管疾病(包括中风)的风险,这种有益的效果可能与循环短链脂肪酸水平的增加 有关。
换句话说,增加膳食纤维的摄入可能是预防中风的有效方法之一 。适当减少钠摄入量 通常会对心血管系统产生有益影响,例如降低血压。此外,循环短链脂肪酸水平的增加可能维持心血管健康。
膳食补充剂
益生菌和益生元对宿主健康的益处已得到广泛研究和明确界定。益生菌中乳酸杆菌、丁酸梭菌Clostridium butyricum、地衣芽孢杆菌 对中风的有益作用已在啮齿动物模型中得到证实。
最近一项针对肥胖女性的研究显示,在摄入益生菌混合物(菊粉和低聚果糖的混合物 )长达三个月后,产丁酸菌显著富集 。有趣的是,功能型大麦 可以增加丁酸产生菌的数量,并增加 肠道中的丁酸 水平。
乳果糖 (由果糖和半乳糖组成)是一种常见的益生元,在结肠中被肠道菌群转化为低分子量有机酸,并通过保持水分软化大便,常用于治疗中风后便秘 。尽管乳果糖不是一种典型的益生元,但体外研究发现,它可以剂量依赖性地增加 肠道中短链脂肪酸 的水平(每天5克乳果糖,持续5天,可以产生完全的益生元效应)。
一项研究发现,乳果糖 (20 g/kg)干预6周后,小鼠的肠道和血清短链脂肪酸 水平发生改变。有趣的是,最近的一项研究发现,补充乳果糖可改善中风的功能预后 ,并降低中风后的炎症反应。
为了更好地利用益生菌和益生元之间的协同作用 ,创建了产品“合生元”,它是活性微生物(益生菌)和基质(益生元)的混合物 。
一项实验研究发现菊糖和产短链脂肪酸菌 之间有协同作用;与单独使用菊糖或单独使用产短链脂肪酸的菌相比,使用产短链脂肪酸菌和菊糖可改善中风后小鼠的神经功能缺损评分和行为结果 。
此外,近年来的证据表明,益生菌对人体的影响不一定与活性微生物直接相关,而是活性微生物的代谢产物或细菌成分(后生物)至关重要-短链脂肪酸,一种被肠道菌群分解的植物多糖产品。
粪菌移植FMT
FMT可能是未来改善中风的潜在选择 。然而,现有证据仍然很少,通过动物研究观察到的比较结果:移植富含短链脂肪酸 的粪便微生物群可以改善中风后的脑损伤 。
为了更好地阐明FMT在缺血性中风中的作用,有必要进一步扩大对小鼠FMT的研究,以探索有利于脑损伤恢复的肠道微生物群组成,并评估其安全性。在阐明FMT的潜在益处后,开始将其转化为人体试验。
药物
除了可以影响肠道菌群和短链脂肪酸的抗生素 ,中风患者常用的药物阿托伐他汀 可以逆转微生物组成 ,增加 粪便丁酸 水平,并增强 中风患者的肠道屏障功能 。这表明肠道微生物群和短链脂肪酸可能参与 阿托伐他汀的抗炎 作用。然而,其他常用于治疗中风的药物(如抗血小板和抗高血压药物)是否也发挥类似作用仍有待研究。
天然调节剂
白藜芦醇 是一种潜在的HDAC抑制剂,可增加产短链脂肪酸菌的数量 。此外,白藜芦醇和丙戊酸钠 (一种结构类似于丁酸盐的短链脂肪酸)的联合使用,减轻 了缺血性中风的脑损伤。
关于白藜芦醇,详见:如何调节肠道菌群?常见天然物质、益生菌、益生元的介绍
总的来说,药物会引起肠道菌群的改变。这种改变对中风的发展是有益的还是有害的,对中风的预后是重要的还是无关紧要的,都需要根据药物的类型进行进一步的探索和发现 。
05 结语
本文讨论了有关短链脂肪酸作为肠道菌群和缺血性中风之间桥梁,是如何影响中风的,通过机制的阐明,发现它们可以通过调节饮食、饮食补充、FMT等干预措施,调节缺血性中风的预后。
虽然短链脂肪酸和缺血性中风之间的联系在动物研究中逐渐得到巩固,但人类研究并没有同步进行。需要进一步扩大研究,以探索特定肠道菌群或短链脂肪酸的长期益处,并随后扩大转化为人体试验。
短链脂肪酸作为缺血性中风的潜在调节剂,为缺血性中风的菌群靶向治疗开辟了新的可能性 。
主要参考文献:
Fang Z, Chen M, Qian J, Wang C, Zhang J. The Bridge Between Ischemic Stroke and Gut Microbes: Short-Chain Fatty Acids. Cell Mol Neurobiol. 2022 Mar 28. doi: 10.1007/s10571-022-01209-4. Epub ahead of print. PMID: 35347532.
Battaglini D, Pimentel-Coelho PM, Robba C, et al. Gut Microbiota in Acute Ischemic Stroke: From Pathophysiology to Therapeutic Implications. Front Neurol. 2020;11:598. Published 2020 Jun 25. doi:10.3389/fneur.2020.00598
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本文转自:谷禾健康
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