謝金洙

云南中醫(yī)藥大學，云南 昆明 650500

2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)是現(xiàn)代流行性代謝綜合征、心血管疾病和腦血管疾病的主要危險因素，它的共存狀態(tài)，如氧化應激、胰島素抵抗(insulin resistance，IR)、炎癥和糖基化終產物(advanced glycation end products，AGEs)，是認知功能障礙(cognitive dysfunction，CD)的潛在發(fā)病因素[1]。CD是指由于各種原因誘發(fā)的認知功能損害，主要表現(xiàn)為學習、記憶、理解、執(zhí)行等能力下降，可伴有不同程度的精神癥狀[2]。T2DM后期可并發(fā)糖尿病認知功能障礙(diabetes cognitive dysfunction，DCD)，其確切病理、生理機制尚不清楚，但研究表明，微生物群及其代謝物通過迷走神經(vagvagnerve，VN)連接中樞神經系統(tǒng)(central nervous system，CNS)和腸神經系統(tǒng)(enteral nervous system，ENS)，調節(jié)腦組織和腦血管系統(tǒng)中淀粉樣蛋白β(amyloid β，Aβ)的清除，保護血腦屏障(blood-brain barrier，BBB)完整性，減輕CNS中的IR，從而維持大腦和腸道的雙向平衡，改善DCD。早期的干預治療對DCD的改善有重要作用，有研究認為，腸腦串擾可能在這一過程中起關鍵作用，腸腦串擾是一個非常復雜的網絡系統(tǒng)，它一方面維持胃腸道的穩(wěn)定，另一方面影響情緒和認知功能，這個網絡被稱為“微生物-腸-腦軸(microbiota-gut-brain axis，MGBA)”[3]。迄今為止，在人體試驗中可采用多樣性組成成譜測序進行Alpha分析和Beta分析，對微生物群豐富度和均一度以及群落之間的相似度和差異度進行評估[4]。在動物實驗中還涉及大腦中神經元、小膠質細胞、周細胞以及腸道上皮細胞的研究[5]。目前，在各種干預研究中，糞便微生物群移植(feces-based microbiome transplantation，F(xiàn)MT)、抗生素治療、飲食和益生菌均被認為能有效治療DCD，但具體效果及機制還有待探索。本文從MGBA角度探討微生物群在腸腦中的串擾作用，為治療DCD提供新思路。

1 微生物-腸-腦軸

腸道是一個復雜的生態(tài)系統(tǒng)，由微生物群、宿主細胞和營養(yǎng)物質組成。健康成人微生物群主要由厚壁菌門、變形桿菌門、擬桿菌門、放線桿菌門、梭桿菌門和疣狀桿菌門組成。擬桿菌和厚壁菌在人體腸道中占據主導地位，在營養(yǎng)吸收系統(tǒng)和支持腸屏障增強中起著關鍵作用[6]。微生物群介導MGBA的一個重要機制在于其對腸道屏障的影響，主要包括細胞屏障和免疫屏障[7]。最近，MGBA在維持機體平衡中的作用得到重視，腸道和大腦通過MGBA進行相互交流，交流路徑包括肝臟和膽囊代謝、免疫調節(jié)反應、神經支配、腸內分泌和微生物代謝信號[色氨酸代謝、短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)、支鏈氨基酸和肽聚糖等][8]。影響MGBA的因素包括遺傳、出生時的分娩方式、飲食、環(huán)境、運動、藥物和MG、壓力、晝夜節(jié)律等。同時，MGBA影響宿主的行為，表現(xiàn)在食物攝取量、社會行為、認知功能、精神狀態(tài)、壓力應急等方面[9]。研究表明，MGBA與許多疾病有關，包括自閉癥、抑郁癥、焦慮癥、厭食癥、肥胖癥、精神分裂癥、多動癥、強迫癥、腸應激綜合征、疼痛性疾病、癲癇、多發(fā)性硬化癥、帕金森病、阿爾茨海默病和亨廷頓病等[10-11]。因此，針對微生物群的調節(jié)，作為一種治療各種神經精神疾病的新療法被廣泛研究[12]。

2 中樞神經系統(tǒng)和腸神經系統(tǒng)

自主神經系統(tǒng)(autonomous nervous system，ANS)由交感神經、副交感神經和ENS組成，共同調節(jié)宿主的生理穩(wěn)態(tài)。ENS中約有1億個神經元將腸道包圍，其神經細胞數量僅次于CNS，它監(jiān)管著整個消化道，能夠獨立運作胃腸道系統(tǒng)，同時，ENS可以通過迷走神經(vagus nerve，VN)、神經內分泌、神經免疫、ANS和微生物代謝物等與大腦保持溝通[13]。VN是第10條顱神經，是連接腸道和大腦最快、最直接的通路，它由80%的傳入纖維和20%的傳出纖維組成，從胃腸道、呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)(自下而上)傳遞重要信息，并向內臟(自上而下)提供反饋[14]。ANS結合了ENS中微生物群的活性和CNS的調節(jié)，以及對內分泌、運動、自主行為的調控，從而負責維持宿主內穩(wěn)態(tài)[15]。研究表明，顱腦損傷患者往往伴有胃腸道功能障礙，揭示了微生物群在維持腸道-大腦生態(tài)平衡中具有重要作用[16]。在肝郁脾虛證模型大鼠中，通過研究微生物群對肝郁脾虛證抗抑郁機制的CNS和ENS的相互影響，發(fā)現(xiàn)CNS與ENS可以通過微生物群相互影響，通過椎前神經節(jié)接收CNS的信息，調節(jié)交感神經和副交感神經的興奮性，維持兩者之間的平衡，恢復腸的正常運動和腺體分泌。雖然體外研究表明，特定的細菌能產生調節(jié)因子如5-羥色胺(5-hydrootonin，5-HT)和SCFAs[17]，但這些調節(jié)因子是否能夠穿過BBB進入CNS內以及其特定靶點還未知[18]。

2.1 5-羥色胺5-HT是MGBA的關鍵調節(jié)因子之一，L-色氨酸(l-tryptophan，L-Trp)通過色氨酸羥化酶1(tryptophan hydroxylase 1，TPH1)對色氨酸進行酶降解，形成5-羥基-L-色氨酸，隨后合成5-HT[19]。5-HT可誘導局部和系統(tǒng)的一些變化，其基本功能包括增加腸道分泌和運動，通過VN的傳導來減緩胃排空和神經元間質細胞的表達[20]。有研究表明，來自人類和小鼠的孢子形成細菌增加了無菌小鼠結腸和血清5-HT水平，通過產生SCFAs，上調5-HT分泌以及腸內分泌細胞(enteral-endocrine cells，ECCs)中TPH1的表達，從而改善無菌小鼠相關的腸道運動障礙[21]，并且可以調節(jié)無菌小鼠腸內和血液5-HT水平[22-23]。在ENS中，腸道微生物群產生的SCFAs，直接刺激TPH1，導致 5-HT 合成和ECCs分泌增加，從腸內皮細胞基底膜釋放的5-HT與游離的脂肪酸受體相互作用[24]。在CNS中，SCFAs通過VN傳入神經向孤束核 (nucleus of the solitary tract，NTS) 和容納大腦的大部分5-HT神經元的中縫背核 (dorsal raphe nucleus，DRN) 發(fā)出信號，從而影響大腦微環(huán)境。

2.2 短鏈脂肪酸SCFAs由乙酸、丙酸和丁酸組成，可以通過影響上皮細胞(epithelial cell，EECs)釋放胃腸激素，影響樹突狀細胞調節(jié)免疫功能從而調節(jié)大腦的行為和認知功能。一項研究分析了783份糞便樣本中的10 913個亞基因組，并發(fā)現(xiàn)了促進SCFAs生物合成的多種細菌途徑，其潛在機制是醋酸鹽飲食減少了淋巴組織中自身免疫T細胞，而丁酸鹽飲食增加了調節(jié)性T細胞的數量和功能[25]。丁酸鹽還可以促進緊密連接蛋白的表達并影響?zhàn)つて琳瞎δ?，并且乙酸鹽在降低黏膜通透性和增強腸屏障功能方面也有良好的表現(xiàn)[26-27]。目前，已有研究證實，SCFAs對腸道屏障具有保護作用，SCFAs缺乏會導致產生丁酸的細菌數量減少，從而導致腸道通透性改變。SCFAs的作用機制包括激活L細胞的G蛋白，促進胰高血糖素樣肽-1(panylucagon-like peptide-1，GLP-1)和重組蛋白YY(recombinant peptide YY，PYY)的釋放[24]，調節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)[28]、IR和炎癥反應、氧化應激等。人體研究也表明，SCFAs參與了早期人類DCD的預防機制，并證實了SCFAs對早期人類DCD的保護作用[24]。臨床研究表明，膳食纖維可以促進微生物群產生SCFAs，且在DCD患者中SCFAs產生菌相對減少，將人體膳食纖維干預前后的腸道菌群移植到無菌小鼠體內，結果發(fā)現(xiàn)，腸道微生物群與改善纖維葡萄糖誘導的宿主血糖控制之間存在著顯著的聯(lián)系。同時，SCFAs 通過激活VN傳入神經元，在腸道信息和大腦之間建立聯(lián)系。

3 糖尿病認知障礙中“微生物-腸-腦軸”的改變

飲食習慣的改變和晝夜節(jié)律的紊亂，可能會導致腸道微生物群失衡，導致神經系統(tǒng)疾病的發(fā)生[29]。微生物群與大腦之間獨特的雙向交流可能在調節(jié)神經退行性疾病的發(fā)病率方面發(fā)揮關鍵作用[30]。微生物群誘導的5-HT效應及其對ENS的影響，可能會根據干預的性質和時間對神經發(fā)生、分化、細胞轉換和腸道功能產生不同的影響[17]。微生物群失調不僅會誘導DM，還會加重DM晚期的DCD癥狀[4]，但其潛在機制還不明確。

3.1 微生物群在淀粉樣蛋白β清除中的作用Aβ在腦組織和腦血管系統(tǒng)中的積累被認為是DCD主要病理生理機制。根據淀粉樣蛋白假說，Aβ肽不溶性形式的過度產生或清除受損，觸發(fā)導致神經炎斑塊和神經原纖維纏結形成的神經毒性級聯(lián)反應是DCD的病理標志[31]。最近的MGBA研究證明，微生物群可能與DCD中的Aβ通路有關，提供一種潛在的替代方法來改變大腦Aβ，能夠有效改善DCD癥狀[32]。有證據表明，在MGBA之間的雙向通信中，某些物質的干擾會使大腦和腸道產生神經炎癥，例如脂多糖、Aβ和其他促炎分子，這些物質從腸道積聚，在腸道泄漏并擴散到全身和大腦，導致全身CNS炎癥，造成DCD。有人假設Aβ與微生物群通過交叉播種，觸發(fā)神經元蛋白質的錯折疊，啟動先天的免疫系統(tǒng)，并激活神經炎癥。根據這一假設，Aβ會以一種類似朊病毒的方式擴散，在口服用藥時，朊病毒會在卵泡樹突細胞中積累并通過與卵泡的樹突狀細胞移動到ENS，從而擴散到大腦中?？傊⑸锶旱拇x物如脂多糖和Aβ可以通過各種機制改變DCD的Aβ穩(wěn)態(tài)，針對Aβ靶向治療，可能會延緩發(fā)作、降低發(fā)病率。益生菌補充劑可能會對DCD有治療作用[33]。

3.2 微生物群對血腦屏障通透性的影響血腦屏障(blood brain barrier，BBB)由外周神經微血管內皮細胞(peripheral nerve microvascular endothelial cells，PnMECs)、神經內膜微血管的周細胞和基底膜組成，用于調節(jié)血液循環(huán)和腦間質液之間內源性化合物和外源性物質的轉移。神經血管單元中的周細胞、星形膠質細胞、神經元和小膠質細胞相互協(xié)助，共同抵御有害物質進入大腦。目前已有研究表明，微生物群失調會增加BBB通透性，BBB損傷已經被認為是DCD的一個關鍵因素。微生物群影響B(tài)BB通透性主要與以下幾個方面有關：①PnMECs損傷。BBB的物理屏障由兩部分組成：PnMECs和基底膜。BBB通過PnMECs上的物理屏障和離子電荷來實現(xiàn)其生理功能，DM和持續(xù)高血糖會導致腸道微生物群失調，從而誘發(fā)PnMECs功能障礙，增加血小板聚集，減少腦血流量和腦血管表面積，從而導致血管內皮增生和血漿黏度增加，最終造成大腦損傷。因此，保護PnMECs的完整性對減少DM后期大腦損傷具有重要作用[34-35]。②腸道滲漏。在腸道微生物群失調的情況下，病原微生物可能會常駐宿主體內，穿過受損的屏障，例如腸道屏障，到達血管內隔室并最終穿過BBB，進入大腦。腸道微生物群失調會使腸道通透性受損或腸道滲漏，導致Aβ、脂多糖和血清淀粉樣蛋白 A(serum amyloid A，SAA) 進入腸道，造成促炎細胞因子水平異常，包括IL-6、IL-10、IL-12 p40、IL-17A、IL-22、IL-23p和TNF-α等[36]。BBB主要控制中樞Aβ，通過低密度脂蛋白受體相關蛋白1(low-density lipoprotein receptor-related protein 1，LRP1)，負責腦到血液的流出，DM晚期，糖基化終產物的受體(receptors of the late glycosylated terminal products，RAGE)負責血液到大腦的流入[3，37]。根據神經血管假說，在DCD中，LRP1/RAGE 介導的轉運失衡會導致Aβ大量積聚并誘發(fā)神經血管炎癥。改變 LRP-1/RAGE 受體的比例，大腦中Aβ的積累會引發(fā)炎癥，激活小膠質細胞和星形膠質細胞[38]。同時，AGEs 的積累會導致 BBB 基底細胞肥大，刺激外膜產生和分泌轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)，促進腦血管內皮細胞釋放血管內皮生長因子和 MMP-2，導致 BBB 的破壞。③緊密連接蛋白的低表達。在無菌小鼠中，BBB通常在胚胎發(fā)育的第二周左右形成，在胚胎發(fā)育的第15天左右通透性急劇下降。然而，在胚胎發(fā)育第16天至第18天，GF小鼠胚胎表現(xiàn)出BBB通透性增加和緊密連接蛋白的低表達，這種效應在出生后和成年后一直維持，但通過出生后微生物群的再定居，可以恢復BBB的完整性，這意味著微生物群在BBB發(fā)育中有一定作用。BBB 的通透性在GF小鼠中顯著增加，這歸因于腦內皮細胞中緊密連接蛋白(例如，occludin1 和 claudin5)的下調，一旦GF小鼠被來自無病原體小鼠的菌群常規(guī)化，BBB的完整性就會顯著增強。

3.3 微生物群失調與胰島素抵抗DM是一種以IR為特征的進行性疾病，IR可能影響參與胰島素信號傳導的不同蛋白質以及其他機制[39]。胰島β細胞分泌的胰島素，在調節(jié)血糖代謝中起核心作用，循環(huán)胰島素可以穿過BBB，其受體在海馬區(qū)的突觸中大量表達[40]。胰島素信號在大腦中抑制糖原合成酶激酶3(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3)引起tau蛋白磷酸化以誘導神經原纖維纏結[41]，影響神經元新生，導致DCD。研究表明，CNS中的胰島素信號參與了認知和神經元可塑性的調控[42]，胰島素在CNS中可以減輕腦炎癥并保持記憶功能[43]。脂多糖、SCFAs和膽汁酸是DM的主要調節(jié)因子，LPS與Toll樣受體4結合，引起輕度炎癥和IR[26，44]。膽汁酸由肝臟合成，并通過微生物群的代謝轉化為次級膽汁酸，次級膽汁酸激活法尼醇X受體，誘導成纖維細胞生長因子分泌增加，次級膽汁酸激活G蛋白偶聯(lián)受體，刺激腸L細胞分泌GLP-1。SCFAs激活L細胞，促進GLP-1和肽YY的釋放，提高胰島素敏感性[24，45]。綜上所述，腸道微生物失調產生SCFAs，脂多糖使機體發(fā)生IR，從而導致DCD發(fā)生。

4 糖尿病認知障礙中微生物群的調節(jié)作用

研究發(fā)現(xiàn)，微生物群可能參與DCD的進展。為分析伴或不伴認知功能障礙的DM患者微生物群的多樣性。Zhang等[4]采用16sRNA序列測定154例DM患者微生物群組成，結果表明，在154例DM患者中，有73例認知功能正常，1例認知功能障礙，其中DCD患者的血紅蛋白，高密度脂蛋白和軟骨素豐度相對較低。此外，DCD組鈣信號通路和腎素-血管緊張素系統(tǒng)上調，而促性腺激素釋放激素(gonadotropin-releasing hormone，GNRH)信號、內吞作用、異黃酮生物合成和細胞色素P450下調[46]。山藥粥是由山藥制成的經典藥膳，能增加雙歧桿菌的含量，調節(jié)氧化應激，降低空腹血糖水平。Pang等[47]報道了關于山藥粥對鏈脲佐菌素(streptoluzoonin，STZ)誘導的T2DM大鼠局灶性腦缺血再灌注損傷認知功能的影響，并探討了MGBA在這一過程中的作用機制，發(fā)現(xiàn)山藥粥可以改善認知功能，增加益生菌(雙歧桿菌、乳桿菌、瘤胃球菌、和梭菌)的相對含量，增加腸道和大腦皮層的SCFAs，減輕氧化應激和炎癥反應，促進神經遞質和腦源性神經營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的表達。因此，山藥粥對認知功能有保護作用，其機制與MGBA有關。

認知功能下降是DM晚期的常見癥狀，但其潛在發(fā)病機制尚不清楚[48]，有文章報道，猩猩、大鼠、小鼠、果蠅、倉鼠、斑馬魚、螞蟻、果蠅均可作為研究腸道微生物群的模型[49-50]，發(fā)現(xiàn)無菌小鼠和正常小鼠相比，它們的體脂和IR低于正常小鼠，并且無菌小鼠的胰島素和葡萄糖耐受性高于正常喂養(yǎng)的小鼠。實驗顯示，移植了改變微生物群的無菌小鼠肥胖顯著增加，并伴有相關的IR和CD表現(xiàn)[51]。Gao等[48]研究了DCD大鼠和年齡匹配的對照組血清和海馬腸道微生物群與代謝的相關變化，并探討了MGBA影響DCD的機制。①采用Morris水迷宮實驗觀察DCD大鼠的學習和記憶表現(xiàn)發(fā)現(xiàn)DCD大鼠學習和記憶能力受損。②使用16S rRNA 基因測序及其Alpha多樣性進行評估發(fā)現(xiàn)，DCD大鼠微生物群豐度下降。③分析健康人血清和海馬的典型1H NMR 譜圖發(fā)現(xiàn)了特殊代謝表型，其特征是三羧酸減少，氨基酸、膽堿代謝、谷氨酸/GABA-谷氨酰胺循環(huán)以及星形膠質細胞-神經元代謝紊亂。④使用Spearman相關分析評估發(fā)現(xiàn)，DCD大鼠的微生物代謝物干擾并改變了宿主的新陳代謝并導致認知下降。因此，通過調節(jié)微生物群來改變宿主代謝可能是一種新的預防和治療途徑。

迄今為止，在各種干預研究中，F(xiàn)MT、飲食和益生菌治療被認為是有效的[52-53]。在一項針對IR男性的隨機、雙盲對照實驗中，患者接受了來自瘦體質量捐贈者的腸道微生物群，對實驗結果的分析表明，F(xiàn)MT提高了胰島素敏感性，丁酸產生菌的數量也顯著增加。益生菌、益生元和合生元的補充對各種腸道病原體顯示出良好的效果，因為它們能夠與病原微生物競爭粘附位點，疏離病原體或刺激，通過啟動宿主腸道內外特定基因的激活來調節(jié)宿主的免疫應答[54]。益生菌對宿主有廣泛的影響，包括改善胰島素敏感性的調節(jié)，這也可能與微生物群平衡介導的宿主代謝、改善宿主代謝成分、減少促炎細胞因子和降低腸道通透性有關[55]。益生菌可以調節(jié)宿主的免疫反應，激活特定的基因，影響腸外過程[56]。益生菌也被證明可以調節(jié)DCD和刺激腸道血管生成[44]。益生元能促進有益細菌如雙歧桿菌和乳酸桿菌的生長，對改善失調及其相關炎癥狀態(tài)發(fā)揮有益作用。益生元也對CNS有積極的影響，可能在認知障礙、焦慮和抑郁的調節(jié)中起關鍵作用[57]。研究表明，攝入酸奶等發(fā)酵乳制品可以將乳酸菌輸送到腸道，改變微生物群組成，抑制脂多糖的產生，增加腸道上皮細胞的緊密聯(lián)系。雖然現(xiàn)在的各種干預手段都能通過改變微生物群組成，調節(jié)腸道與大腦的雙向通訊，但具體的機制仍然不明確，未來期望通過前期干預微生物群組成改善DCD。

5 小結

慢性高血糖和IR是引發(fā)DCD的主要因素，神經遞質異常、BBB損傷和炎癥反應也有助于糖尿病引起神經元損害和DCD?；仡櫼陨系奈墨I，有研究通過微生物群調節(jié)、糖代謝調節(jié)、改善IR、減少腦內Aβ沉積和減輕炎癥反應來限制神經變性和DCD，減緩DCD以及與DM有關的并發(fā)癥，但腸道微生物代謝物如何通過腸屏障和血腦屏障進入大腦發(fā)揮其調節(jié)作用的分子機制尚不明確，腸道微生物代謝物影響血液中哪些炎癥因子的高表達從而促發(fā)全身炎癥反應仍不清楚，并且治療DCD的藥物療效并不顯著，本文總結了MGBA參與調控DCD的相關影響因素，提示異常的微生物群可能是DCD潛在發(fā)病機制。