肠道微生物与脓毒症相关性脑病
脓毒症相关性脑病(sepsis-associated encephalopathy，SAE)是继发于脓毒症的急性弥漫性脑功能障碍，可见于一半以上脓毒症患者，且常是首发症状。其病死率随病情严重程度而变化，最高可达70%，是儿童重症监护病房(PICU)患儿主要死亡原因之一。
SAE的发病机制尚未阐明，主流观点认为主要涉及神经炎症、缺血、代谢障碍三个过程。其主要临床特点是意识障碍，程度从谵妄到昏迷不等，与长期认知障碍有密切关系；目前尚无公认的诊断标准及特效治疗方案，临床上以排除性诊断、对症支持治疗为主。
肠道作为脓毒症发生发展的关键器官，肠道内微生物失调、代谢产物变化不仅影响肠道、心、肝、肾、肺等器官功能，且能通过神经、免疫、内分泌等途径经"微生物-肠-脑轴"(the microbiome-gut-brain axis，MGBA)远距离影响中枢神经系统(CNS)功能。
在对SAE动物模型研究中发现存在肠道微生物紊乱，通过粪菌移植(fecal microbiota transplantation，FMT)可明显改善实验动物的脑电图、神经炎症、认知障碍等，提示肠道微生物在SAE发生发展及治疗中起到重要作用。
本文就肠道微生物在SAE中的研究进展进行阐述。
1 肠道微生物
1.1 概述
人体微生物群不仅是机体健康的关键决定因素，也是机体生理的关键调节因素。研究发现微生物总数量是人体总细胞数的1.3倍，其中定植数最多、研究最多的是肠道微生物。结合人类微生物组计划及相关数据，已有近3 000种微生物从粪便中分离出来，其中变形杆菌、纤毛虫、放线杆菌、类杆菌占总数的90%以上，而梭杆菌、疣微菌门相对较少。在一项对124例受试者肠道微生物组宏基因组分析的试验中发现，每个机体至少含300多万个微生物基因，约为人基因组长度的150倍。个体微生物群的进化始于出生，机体遗传因素、饮食感知、新陈代谢、免疫防御等方面促进/抑制微生物群协调进化，其组成约在2～3岁之后变得相对稳定。肠道微生物与机体之间在健康状态下是共生关系：通过提供营养物质(如维生素和短链脂肪酸)协助维持肠屏障完整和机体健康，与肠黏膜共同组成的肠屏障影响病原微生物的定植从而保护其免受病原菌侵袭，并在全身免疫系统、炎症反应、神经系统的成熟与稳定中发挥重要作用；健康胃肠道环境则为微生物成长提供足够碳水化合物及适宜酸碱环境。疾病状态下，肠道微生物与机体之间转变为恶性循环：疾病通过影响胃肠道功能破坏微生物生存环境，减少共生微生物占比；致病菌比例的升高、代谢产物变化等不仅近处影响胃肠道功能，且通过细胞信号、血液循环、淋巴循环等途径影响远处器官(如脑、心、肺、肾、肝等)功能。最近提出的"肠道微生物-线粒体串扰"提示在细胞器水平上肠道微生物通过间接和直接途径影响各个器官细胞中线粒体生发及功能，从而影响器官能量代谢，左右机体健康及疾病进展。
1.2 肠道微生物-线粒体串扰
线粒体是真核细胞的双层细胞器，在细胞质中形成高度动态的多功能网络，是氧化磷酸化产生高能三磷酸腺苷的主要场所，被称为"细胞动力源"。线粒体除了在能量生产中起关键作用外，还构成细胞内稳态和生存的主要调节器(具体途径包括脂质代谢、钙信号、代谢物合成以及凋亡细胞死亡等)，而线粒体活性氧(reactive oxygen species，ROS)的产生在先天免疫反应和炎症过程中起着重要作用，经常成为病原菌的靶标。线粒体功能的稳态是通过严格调控线粒体的生物发生和清除的机制来维持的，自噬是细胞内有效清除受损或功能失调线粒体机制。现有研究表明炎症反应可干扰线粒体功能(包括活性氧和氮的产生、细胞内钙稳态、细胞凋亡调控等)。脓毒症作为宿主对感染的反应失调而导致的危及生命的器官功能障碍，可显著改变线粒体的功能，且其引起的线粒体功能改变与器官功能障碍/恢复的关系具有时间依赖性。
因线粒体与原核生物在结构和功能上的相似，近年来随着研究的深入，发现肠道微生物与线粒体之间存在一定互相作用，即"肠道微生物-线粒体串扰"，主要表现在：肠道微生物代谢产物短链脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFA)中醋酸可被线粒体用作能量来源，丁酸盐则通过促进线粒体生物发生发挥积极作用，肠内氢气衍生物水平与线粒体功能相关。几乎全部来自细菌的抗氧化剂吲哚-3丙酸可在神经退化和衰老的小鼠模型中重建线粒体呼吸和膜电位。在修复氧化应激状态下，核DNA改变时可出现细菌或线粒体DNA的插入，整体来讲即是微生物区系可控制线粒体活性、氧化还原动态平衡及线粒体基因核内转移。不论是健康状态下线粒体基因型还是疾病状态下线粒体功能的改变均调节肠道微生物ROS产生和菌群多样性，其中肠上皮细胞线粒体自噬可显著引起肠道微生物失调和宿主免疫反应失调。在肠道微生物对CNS炎症与稳态影响的研究中发现，肠道微生物紊乱通过驱动氧化和亚硝化应激信号，进而激活酸性鞘磷脂酶诱导的神经酰胺，而神经酰胺水平的升高对线粒体功能产生负面调节。
1.3 脓毒症状态下肠道微生物的变化
研究发现在长期危重疾病状态下肠道微生物与机体的关系从"共生"转变为"致病"。随着16S rRNA与全基因组测序分析等技术的应用，发现在脓毒症发生之前，肠道微生物的改变增加脓毒症的易感性，具体途径有：而脓毒症状态下肠道微生物微生物比例及功能状态进一步恶化并增加器官功能障碍的易感性，其恶化主要表现为肠道微生物α指标(Chao1指数、Shannon指数和Simpson指数)降低，表现为脓毒症相关菌株(如类杆菌、变形杆菌和放线菌)增加和厚壁菌门减少；同时微生物的功能也发生显著变化，具体表现为微生物代谢产物发生变化(如脓毒症粪便中二甲基三硫醚和神经酰胺升高，胞嘧啶和6-十三烯降低)。基于微生物组的治疗方法(包括益生菌、选择性消化道去污、FMT等)，可以降低脓毒症风险并改善部分患者脓毒症结局，需要注意的是，接受脓毒症患者FMT的小鼠比接受健康受试者FMT的小鼠表现出更严重的肝脏损伤和炎症。以上证据揭示了脓毒症状态下肠道微生物在组成和功能水平上的变化，以及这些变化对脏器的损害，表明了肠道微生物在脓毒症发生机制与治疗中的作用。
2 MGBA
MGBA是在"肠-脑轴"(gut-brain axis)的基础上提出，旨在强调肠道微生物对肠道健康及大脑正常功能的重要作用，其概念首次由Rhee等明确提出，并于近十余年间逐步完善。
MGBA是包括内分泌系统(下丘脑-垂体-肾上腺轴)、免疫系统(细胞因子、趋化因子)、自主神经系统(包括传出神经元和传入神经元)和肠道神经系统在内的双向生理网络。目前研究发现肠道微生物与CNS之间主要通过以下三个途径完成串扰：(1)神经：肠道微生物通过激活迷走神经调节中枢神经系统功能，进而对认知和行为产生作用，而切断迷走神经后，长杆菌减轻结肠炎(葡聚糖硫酸钠诱导)焦虑的效能消失；(2)免疫：在对节段性丝状细菌的研究中发现其可促进免疫细胞Th17应答及其与肠道免疫的密切关系，另外，作为中枢神经系统前哨免疫细胞的小胶质细胞的维持与成熟需要肠道微生物多样性；(3)内分泌：肠道微生物合成并响应宿主神经内分泌信号(儿茶酚胺、γ-氨基丁酸、组氨酸等)，其代谢产物脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)、SCFAs与次级胆汁酸等又可刺激肠内分泌L细胞分泌胰高血糖素样肽-1和YY肽，刺激肠嗜铬细胞分泌5-羟色胺，而这三种物质均可通过多种途径影响肠及中枢神经系统。在MGBA双向串扰的过程中，研究最多的是SCFAs(包括醋酸、丙酸和丁酸盐等)，参与包括胃肠道功能、血压调节、昼夜节律和(神经)免疫功能等在内的调节，并有研究证实其与儿童慢性心理压力相关。
3 肠道微生物与SAE
目前研究已表明肠道微生物通过各种直接和间接机制在血脑屏障与髓鞘形成、神经发生和小胶质细胞成熟等基本神经发生过程中发挥作用，并调节动物行为的许多方面，而儿童期肠道微生物紊乱可增加大脑功能障碍的发生率。在对无菌小鼠的研究中发现，肠道微生物可通过MGBA影响CNS发育成熟、血脑屏障稳态、能量代谢等方面，进而在CNS疾病中起到重要作用。
在对LPS(经股静脉注射)诱导的SAE大鼠模型研究中，发现与SH组相比，LPS组大鼠肠道微生物多样性明显降低(主要表现为变形杆菌增加、厚壁菌减少)、大脑皮层炎症指标(肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1β、白细胞介素-6、白细胞介素-10)水平明显升高、在水迷宫测试中靶象停留时间延长、大脑皮层Iba-1表达明显增加、大脑异常放电显著增强(脑电图表现为θ、δ过度活动和周期性惊厥样放电)，提示LPS诱导SAE大鼠模型制作成功；与LPS组相比，给予FMT干预的FMT+LPS组大鼠肠道微生物组成发生了显著的改变(厚壁菌显著增加，变形杆菌减少，且与SH组微生物组成相似)，水迷宫测试中靶象停留时间延长(但短于SH组)，大脑皮层肿瘤炎症标志物水平降低，大脑皮层Iba-1表达降低，大脑异常放电减少，表明FMT可改善LPS组大鼠的肠道微生物失衡与空间记忆能力，抑制脓毒症大鼠海马炎症细胞因子释放与大脑皮层的小胶质细胞激活，进而改善脓毒症大鼠脑功能障碍；接受迷走神经切断术干预的VGX+LPS+FMT组大鼠则表现出与LPS组类似的改变，提示迷走神经是肠道微生物与SAE之间的重要中介。
在粪菌移植对脓毒症相关性脑病影响的研究中发现：LPS组大鼠肠道微生物α多样性指数物种指数、Chao1指数较SH组明显降低，在门、属、科水平分析时发现，LPS组厚壁菌门、梭杆菌门、梭杆菌属比例较SH组显著降低，变形杆菌门、拟杆菌门和氨基酸球菌科、梭杆菌科、肠杆菌科及另枝菌属比例则明显升高，脑电图检查发现LPS组大鼠脑电图δ波比例较SH组明显增加；而FMT组则能逆转上述失衡，且可升高脑皮质α7烟碱型乙酰胆碱受体蛋白表达，减少Iba-1阳性小胶质细胞表达，降低脑皮质炎症指标。
4 总结与展望
SAE是PICU中最为常见的脑病之一，病情程度与患儿预后息息相关，其病理生理复杂多样，涉及神经炎症、缺血、代谢障碍等方面，在其发生发展中存在肠道微生物的失衡，对SAE动物模型行FMT治疗可改善神经症状和预后。目前研究揭示肠道微生物不仅在CNS发育成熟中发挥作用，且能在CNS疾病状态下影响疾病的进展与预后，但关于肠道微生物与SAE的研究甚少，且尚未涉及临床试验。未来进行SAE机制与治疗的研究时应重视肠道微生物，从菌群及其代谢产物等方面切入，着重探究在SAE状态下对神经炎症、血脑屏障、能量代谢等方面的作用，同时注重肠道微生物与CNS中线粒体的关联，理清其作用机制，积极向临床试验转化，寻找有效治疗靶点，从而改善SAE的预后。
引用: 王建东, 李凤艳, 方敩, 等. 肠道微生物与脓毒症相关性脑病 [J] . 国际儿科学杂志, 2021, 48(5) : 310-313.好记性不如点个赞！收藏起来以防忘记哦！
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