邓付星 李莉 翻译 刘志勇 校对
摘要：
肠道菌群及其对健康和疾病的影响是最近研究的重点领域。本综述总结了肠道菌群与身体其他器官的不同相互作用，着重探讨免疫、脑和损伤方面的相互作用。肠-脑轴是指连接中枢神经系统和肠道之间的神经系统网络，它是一条具有前馈和反馈机制的双向通路。肠道微生物在其中起关键作用，并在脑损伤后发生显着变化，导致中枢神经系统(CNS)内的促炎状态。本文研究创伤性脑损伤(TBI)中这个轴的内在改变，并探索潜在的干预措施，可能改善临床结局或预防继发性脑损伤。
介绍
最近对创伤性脑损伤(TBI)负担的统计表明，美国每年约有170万人遭受头部损伤。在西方国家，脑外伤是45岁以下死亡的主要原因。在美国，所有与伤害有关的死亡中，有30.5%是由脑外伤引起的；2000年由脑外伤引起的直接医疗支出和间接费用超过600亿美元。
颅脑损伤后的生理状态已得到越来越多的研究，其中肠功能障碍是重要的表现。脑-肠轴是大脑和胃肠系统之间主要的双向交流途径，它融合了神经、激素和免疫途径的传入和传出信号，可导致慢性胃肠系统功能障碍和缺失等后遗症。
人体生物群是一个复杂的生态系统，由3×1013个以上的细菌细胞组成，数量超过人体本身的细胞数量，是医学上的一个新兴趣领域。就肠道而言，结肠是人体内生物群定居最多的区域。既往研究表明，肠道微生物群的变化与自闭症、严重抑郁障碍和格林-巴利综合征有关，奥乔亚·雷帕拉兹和他的同事在动物研究中证实肠道菌群的改变可能导致中枢神经系统(CNS)免疫反应失调。他们的结论是肠道微生物群的变化可能加强自身免疫过程，或者说，保护中枢神经系统免受促炎条件的影响。霍尔登等人的一项临床前研究发现，中风和创伤性脑损伤后实验小鼠的肠道菌群发生了变化，从而证明大脑功能和肠道微生物群通过一种反馈环路的形式联系，在这种反馈环路中，每个部分都会相互影响。此外，我们的研究小组最近发现，在中度颅脑损伤后的2小时内，大鼠肠道微生物群出现了明显的α多样性丧失和菌群失调。此外，系统进化和α多样性与磁共振成像病变体积显着相关。在最近的一次系统综述中，布伦纳等人概述了迄今为止为数不多的针对脑外伤和/或创伤后应激障碍患者的益生菌和益生菌干预的临床研究，发现在涉及TBI患者的三项临床研究中，与对照组相比，益生菌或益生菌的作用过程改善了患者的健康。
鉴于肠道菌群的组成对中枢神经系统内稳态的影响，本文旨在描述有关肠道微生物群及其在免疫和损伤中的重要性。此外，我们还讨论了脑-肠轴与脑损伤，特别是与脑外伤之间的动态关系。通过了解大脑-肠轴在增强炎症或防止继发性损伤方面的作用，我们可以加强患者的重症治疗，确定神经保护的治疗靶点，降低并发症发生率，并改善患者结局。
肠道菌群及其在免疫中的作用
肠道菌群由数以万亿计的细菌组成，对人类的免疫力至关重要。胃肠道由来自1000多个不同物种，大约有
个微生物，数量超过了我们人体本身的细胞数量。微生物群主要由拟杆菌属构成，变形杆菌、放线杆菌、梭杆菌和韦氏杆菌较少。微生物群的组成因人而异，影响因素包括年龄、饮食、行为、环境和遗传。
肠道菌群在人体内具有多种功能，对我们的生存至关重要，因此被称为“被遗忘的器官”。它的作用包括消化多糖，促进免疫系统的发育，抵御感染，调节血管生成，以及生成基因不编码的必要蛋白质。肠道微生物区还构成肠道屏障，协助粘液的产生，并促进肠上皮细胞的再生。此外，肠道中的微生物刺激先天免疫系统，导致一系列瀑布反应，最终导致免疫系统成熟。此外，我们胃肠道中的菌群通过触发低水平的炎症来持续刺激我们的免疫系统，有助于我们的身体抵御有害微生物。
肠上皮促进营养吸收，电解质平衡，并提供机械屏障，防止共生生物进入和保护入侵的病原体。它还协调免疫反应，激活宿主防御。肠的保护机制包括机械防御，如紧密连接和上皮屏障本身的存在，以及蠕动和粘液层的产生。非机械性防御包括共生体的定植、免疫球蛋白(如IgA)的分泌、高度分化的树突状细胞网络并将管腔抗原运送到淋巴结的功能以及巨噬细胞和抗原受体(如Toll样受体(TLRs))。TLRs是天然免疫反应激活过程中不可或缺的一部分，主要由脾脏、外周血白细胞等具有免疫功能的组织中的细胞表达。它们也存在于暴露在环境中的组织中，比如肺部和胃肠道系统。
多项临床前研究的证据表明，共生肠道微生物区影响肠道免疫反应。共生菌影响肠道相关淋巴组织(GALT)的形成，通过诱导粘膜T细胞和IgA浆细胞诱导Peyer‘s斑块。肠道菌群可以诱导促炎和抗炎反应。研究表明，无菌小鼠小肠免疫系统的细胞密度和功能降低，浆细胞和上皮内淋巴细胞减少，IgA值降低，Peyer氏斑变小，固有层CD4+和上皮内CD8αβ+细胞减少，对病原菌的易感性增加。无菌小鼠也缺乏Th17细胞，Th17细胞是CD4+T细胞中分泌IL-17的一个亚群，IL-17是肠道固有层中发现的一个重要的T细胞群，通过改善屏障功能，刺激粘蛋白产生，影响紧密连接功能和IgA运输，帮助维持肠道的动态平衡。
大量涉及小鼠模型的研究已经证明了TLRs在胃肠道免疫系统中的关键作用。肠上皮细胞表达模式识别受体(PRRs)，包括TLR。细菌具有病原体相关分子模式(PAMPs)，可与PRRs相互作用，诱导先天免疫反应。TLRs识别共生成分，共生生物和TLRs之间相互作用的损害已被证明会促进慢性炎症和组织损伤。TLR2和TLR5受结肠菌群调控。无菌小鼠上皮细胞TLR表达降低，提示微生物群参与PRR的表达。MyD88蛋白参与多种炎症途径，包括天然免疫系统中的IL-1和TLR信号通路，与肠道T细胞中的TLR相互作用，协调包括T滤泡辅助细胞(TFH)在内的生发中心反应，从而促进IgA的分泌和B细胞的发育。TFH在无菌小鼠中发育不足，但通过给与TLR2激动剂可以恢复。鉴于肠道及其微生物群在与免疫系统的关系中的突出作用，微生物稳态的变化与许多疾病和状况有关也就不足为奇了。多项临床和临床前研究已将肠道微生物群与肥胖、脱髓鞘疾病和心血管疾病等疾病联系起来。许多炎症性疾病，包括类风湿性关节炎和炎症性肠病，也与肠道微生物群改变有关。例如，最近的一项临床研究显示，与健康人相比，患有牛皮癣(一种炎症性自身免疫性疾病)的患者表现出截然不同的肠道菌群--在这项研究中，每个牛皮癣患者的粪便杆菌数量都增加了，类杆菌数量减少了。一些临床研究甚至发现，肠道微生物区系的变化参与了非酒精性脂肪性肝病和1型糖尿病的发展。鉴于我们对胃肠道菌群在一系列炎症条件和疾病中作用的了解不断加深，未来有大量的治疗靶点可针对肠道菌群。
肠道菌群与全身性损伤
创伤、烧伤、脓毒症和手术损伤引起的胃肠环境改变会引发肠道菌群的失调，从而促进全身炎症反应的发展。这种类型的反应可能是由于儿茶酚胺激增，进而导致局部其他器官问题。几个研究小组发现，中风后的自主神经系统失调和应激反应连接了急性脑损伤和远程器官功能障碍之间的关系。
厄利等人发现，烧伤改变了胃肠道微生物群的组成，许多以前不太常见的类群过度生长，同时健康细菌的多样性减少，导致革兰氏阴性需氧细菌数量过多。作者还指出，结构的重要变化导致肠道通透性增加，再加上肠杆菌科的过度生长，使得这些细菌移位到肠系膜淋巴结。这些发现反过来表明，肠道上皮本身与烧伤后的细菌感染和/或脓毒症有关。已有证据表明，酒精和烧伤的混合损伤与粘蛋白的产生和紧密连接的表达失调，小肠和大肠中的肠杆菌科增加有关。
关于创伤性损伤，早川和他的同事发现，在受伤和突然的生理损伤(包括心脏骤停和中风)前几个小时内，肠道菌群就会在根本上受到破坏。同样，最近对严重受伤患者的一项研究表明，在受伤后的前72小时内，系统发育组成和相对丰度发生了显着变化。有全身炎症反应(SIRS)入院的危重患者，包括创伤患者，也被证明有肠道微生物群的改变，这些紊乱可以预测该类患者群体与脓毒症相关的死亡率。寿根等人在他们的研究中描述了另一个外科损伤改变肠道微生物群的例子，他们在研究中揭示了肠吻合损伤可以引起肠道微生物群的变化。此外，在长期住院的危重病人中，肠道微生物群的组成发生了巨大的变化，以至于出现了多样性极低的病原菌群落，并在宿主中引发了进一步的毒力。同样，危重疾病也会引起微生物群的转变，导致微生物失调，有益微生物丢失，病原菌开始垄断肠道。
肠道炎症增加和抗菌肽的减少似乎在损伤后的病理生理过程中起着关键作用。肠壁损伤导致粘膜屏障发炎，从而导致胃肠道改变、硝酸盐水平升高、粘膜氧梯度异常。因此，环境的变化导致变形杆菌增殖，如铜绿假单胞菌和大肠杆菌，以及其他某些微生物的增加，如金黄色葡萄球菌和肠球菌。因此，微生物生态系统的低多样性和不稳定性非常危险，接近于感染状态。克雷扎莱克等人进一步提出，由于脓毒症和手术损伤，微生物群转变为“病原体”。这种病原体是肠道微生物中数量最多的，可能侵袭宿主而致病，最终可能导致宿主死亡。
肠道缺血-再灌注也与肠道微生物群变化的病理生理学有关。肠缺血再灌注直接损伤结肠上皮屏障，导致肠道微生物群失调。大肠杆菌、口腔普雷沃特氏菌和乳杆菌被发现在其他有害影响中会大量繁殖并诱导肠道炎症。特别是，大肠杆菌似乎通过影响肠上皮屏障中紧密连接蛋白的变化而发挥破坏作用。肠道微生物群中的这些病理生理变化，通过不同的网络途径，如脑-肠轴，反馈到大脑，导致中枢神经系统的变化。
脑肠轴与神经损伤
脑-肠轴(BGA)，也被称为肠-脑轴，是连接中枢神经系统和肠道神经系统(ENS)的通信网络。该轴以双向方式工作；相互影响。从大脑到肠道的下游通讯涉及支配ENS的迷走神经通路，这对胃肠道的功能至关重要。从肠道到大脑的角度来看，许多因素，如肠道脂多糖、细胞因子、神经肽和蛋白质信使将胃肠道与大脑连接起来。
随着我们对肠道微生物群重要性的理解的进步，最近的文献中提到的脑-肠轴通常包括肠道菌群，一些研究人员将其更名为脑-肠道-肠道菌群。肠道微生物群对神经系统的发育至关重要。胃肠道菌群影响ENS，而ENS反过来向CNS发送信号。肠道微生物还调节肠道中的胶质细胞，这些细胞是连接ENS和CNS必不可少的要素。王等人指出，肠道微生物群通过许多途径影响大脑，包括通过神经、内分泌、免疫和新陈代谢系统。肠道微生物群可通过肠脑轴、神经内分泌-下丘脑-垂体-肾上腺轴的神经解剖学途径、肠道免疫系统、肠道菌群代谢系统以及肠粘膜屏障和血脑屏障等多种不同途径中的其一来影响大脑，因此肠道微生物群可以通过多种途径影响大脑--肠-脑轴、神经内分泌-下丘脑-垂体-肾上腺轴、肠道免疫系统、肠道菌群代谢系统、肠粘膜屏障和血脑屏障。此外，肠道健康还通过肠屏障功能和外周神经元活性的生理效应影响中枢神经系统。这些通路是双向的，从大脑向下延伸到肠道，神经生理行为的变化影响肠道菌群。
BGA的紊乱与许多神经系统疾病过程有关。此外，最近发现，肠道菌群对脑-肠轴重要性的相对导致了对中枢神经系统疾病的重新评估。肠道菌群可能在一系列神经疾病中发挥作用，包括自闭症、认知障碍、焦虑、抑郁、慢性疼痛、压力、阿尔茨海默病和帕金森。事实上，帕金森的肠道炎症和病理改变可能发生在中枢神经系统的病理变化之前几十年。肠道微生物群被认为既影响这些神经系统疾病的发生，也影响这些疾病的严重程度。此外，考虑到肠道菌群对药代动力学特性的影响，肠道微生物群也可能影响治疗这些疾病的药物的有效性或副作用。
肠道的变化也可以通过BGA促进中枢神经系统内应激相关疾病的进展。临床前模型大多聚焦于BGA的作用，也证明其与胃肠功能障碍和自闭症谱系障碍有关。此外，几项临床研究已经研究了肠道菌群和大脑活动之间的关系。平托·桑切斯等人对肠易激综合征(IBS)患者进行了研究，发现益生菌治疗有效地减轻了IBS患者的抑郁情绪，提高了患者的生活质量。另一项临床研究侧重于神经性厌食症，并记录了细菌多样性的减少与抑郁和焦虑程度增加之间的联系。纳吉·萨卡等人还将肠道生物失调与肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合征联系起来。在一项多中心临床研究中，胃肠道症状甚至与自闭症谱系障碍有关。
BGA紊乱和中枢神经系统疾病有联系的其他例子是自身免疫性或炎症性疾病。贝雷尔等人发现了一条潜在的途径，在该途径中，共生肠道微生物群是激活小鼠自身免疫性脱髓鞘的关键因素。李和他的同事进行的另一项单独的动物研究显示，肠道菌群调节肠道和中枢神经系统的促炎和抗炎反应。更具体地说，李等人的研究表明，来自肠道微生物群的信号可以通过Th1/Th17与Treg轴影响免疫系统，并在中枢神经系统引发肠道以外的炎症。他们还发现，肠道微生物群在实验性自身免疫性脑脊髓炎(多发性硬化症的一种实验模型)的诱导中起着重要作用。也有人认为BGA的破坏可能是造成炎症性肠病的一个因素。
中风后也可以出现肠道屏障的破坏和肠道菌群的变化。辛格等人在小鼠大脑中动脉中风模型中观察到，在中风后的几天里，组成肠道菌群的细菌多样性显着减少。该实验的其他发现包括胃肠动力降低，导致细菌过度生长，以及功能性肠道屏障受损。此外，作者还指出，细菌生态失调导致外周激活的T细胞移位到大脑，诱发炎症级联反应，最终导致卒中体积增加和更坏的结局。贝纳基斯等人也证明了肠道菌群影响中风后T细胞介导的神经炎症中的重要作用，表明影响肠道菌群的组成可能成为治疗的靶点。
具体到创伤性脑损伤，脑肠轴的破坏会引发后续的并发症。在成人TBI患者中，8-33%的患者表现出自主神经失衡。脑外伤引起的桥脑皮质连接的破坏可能导致自主神经功能障碍，这似乎通过BGA产生了显着的影响，其中桥脑皮质连接影响迷走神经复合体。在中风患者中观察到，去甲肾上腺素的释放引起肠道菌群的变化，使得临床上表现为腹痛、胃胀、肠动力改变、便秘或溃疡。同样，伴有自主神经功能障碍的TBI患者发生并发症会更多，预后更差。脑损伤患者肠道和迷走神经复合体之间的紊乱也会导致肠道生理性改变，这可能也会影响肠道菌群。
TBI还导致肠通透性增加，继而导致肠紧密连接蛋白ZO-1和闭合蛋白表达减少。随之而来的肠道解剖和功能完整性的破坏可能导致全身性炎症、细菌移位和脓毒症。此外，霍尔登等人发现TBI影响盲肠内肠道菌群的组成，并得出TBI的严重程度与菌群变化之间的联系，特别是在类杆菌、卟啉单胞菌科、菲尔米修斯菌和变形杆菌的组成方面。作者假设，这些观察结果可能是组织损伤引起的应激反应结果，也可能是大脑功能改变的继发性结果。此外，这些变化还与去甲肾上腺素水平升高有关，去甲肾上腺素是诱导菌群失调的已知因素。我们实验室的研究结果表明，在没有其他损伤模式或治疗干预的情况下，大鼠中度TBI后2小时内肠道菌群就会发生变化，不同的系统发育之间存在不同的趋势，物种多样性也会丧失。系统发育变化和生态失调持续了7天。观察到传统有益细菌的相对丰度下降，特别是乳螺科、莫氏菌科和反刍球菌属。相反，病原菌属有所增加，包括拟杆菌属的类杆菌科，变形杆菌属中的肠杆菌科和假单胞菌属。许多微生物改变是在脑外伤后3天观察到的，并与MRI峰值、病变体积和行为功能丧失相关。此外，我们发现，较大的脑损伤与菲尔米修斯菌水平的更大下降、变形杆菌的加剧增加以及α多样性的显着降低有关。虽然确切的机制尚不清楚，但由TBI引发的反馈环可能会影响BGA、增强神经炎性级联反应，从而导致继发性脑损伤，影响功能预后。继发于TBI的神经细胞死亡、缺血、出血和血脑屏障(BBB)破坏也可能最初通过激活促炎细胞因子级联反应影响BGA以及通过影响肠胶质细胞和调节性T细胞的激活和分化来触发肠道水平的变化。特别令人感兴趣的是，抑制Treg细胞分化可能会对肠道变化和神经炎症产生深远的影响。TBI引起的肠道菌群改变的生理和临床意义尚不清楚。对TBI后肠道菌群的进一步研究有可能提高TBI的检出率和预后，并作为潜在的治疗靶点。
潜在的治疗干预措施
对全身损伤和脑外伤背景下的BGA研究已经确定了几个有希望的干预目标。一种可能的治疗方法包括通过尝试恢复正常的肠道微生物群来缓解由TBI引起的肠道菌群失调。粪便移植(FMT)是一种解决方法，涉及从捐赠者身上提取粪便物质，将其与溶液混合，并将过滤后的粪便溶液放入患者体内，以取代丢失的有益细菌。FMT已经成功地用于治疗几种疾病，包括艰难梭菌感染、肠易激综合征、克罗恩病和溃疡性结肠炎。
虽然益生菌对TBI的治疗仍没被完全探索，但它可能通过增加IL-10的产生和减少肠上皮细胞产生促炎细胞因子来提供另一种潜在的治疗选择。此外，益生菌还被发现通过调节下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA)来降低肠道通透性。艾迪-巴勒格劳尤等人的一项研究发现，服用益生菌2周与促肾上腺皮质激素(ACTH)和皮质酮浓度下降以及应激下丘脑促肾上腺皮质激素释放因子(CRF)表达减少有关。他们还发现，益生菌可以预防结肠高通透性、内毒素血症和中枢神经炎症。如前所述，布伦纳等人的系统综述也发现了与益生菌和益生菌干预相关的积极结果，并指出了诸如增加调节性T细胞、改善免疫调节以及减少压力和炎症等效果。最后，TBI后使用特殊的肠道抗生素可以对抗生物失调，并通过增加Treg细胞的数量来产生神经保护作用。
其他几个治疗靶点目前也在进一步研究中。Bansal等人研究了TBI患者的迷走神经刺激，发现这种治疗促进了肠神经胶质细胞的活性，并限制了肠道通透性。尽管在急性TBI时使用黄体酮不能降低死亡率或不良预后，但孕酮通过抑制促炎细胞因子减轻肠道损伤。
虽然连蛋白是一种调节肠道通透性的关键蛋白，但尚未被广泛探索作为创伤性脑损伤的治疗靶点，但一个研究小组发现，连蛋白与几种自身免疫性、神经退行性和肿瘤性疾病有关，在这些情况下可以作为肠道屏障受损的指示器，也可以作为潜在的治疗靶点。最近的一篇综述还讨论了降低连蛋白水平并随后改善肠道通透性的潜在治疗方法。这篇综述引用了在奥地利进行的一项临床研究，该研究分析了补充沸石对耐力训练个体的影响，发现这种干预与降低连蛋白的分泌水平以及减少炎症有关。在接受500毫克牛初乳20天疗程的运动员中，也发现粪便中的连蛋白减少。益生菌也被认为是结直肠癌患者研究中的一种可能的方法，该研究发现，每天口服益生菌混合物后，术后脓毒血症和血清连蛋白浓度都有所降低。虽然这些研究表明，可以通过各种干预措施降低连蛋白水平，但结果数据仍然有限，特别是在创伤性脑损伤和脑-肠轴方面。
营养干预措施也在探索中。最近的研究表明，基于包括饮食在内的几个因素，肠道微生物多样性和丰度在个体之间存在差异。一项研究进一步将肠道菌群的多样性归因于一个人饮食中独特的植物种类的数量。在这项临床研究中，麦当娜等人发现，在饮食中含有高度植物多样性的个体中，分子α多样性显着增加。此外，David等人发现，肠道的微生物组成可以随着饮食的变化而迅速改变。这项研究将人类志愿者分成植物性饮食组或动物性饮食组，结果显示动物性饮食组与饮食相关的肠道微生物显着增加。特别值得注意的是，这种类型的变化在肠道微生物群中发生的速度有多快？David等人讨论说，在将受试者置于动物性饮食中的一天内，这种变化是明显的，而在结束饮食后的两天内，原始的肠道微生物群就恢复了。这一证据将使人相信，更有针对性的饮食改变可能是治疗TBI等可能改变肠道菌群的疾病的一种有前途的治疗途径。
此外，，医学研究所建议TBI患者应接受为期2周的高水平营养，以抑制炎症。早期肠内营养和谷氨酰胺、精氨酸、核苷酸和w-3脂肪酸的摄入为主的饮食治疗是另一种刺激免疫细胞和促进肠道屏障健康的潜在疗法。维生素和矿物质，如烟酰胺、锌和镁，在临床前模型中也显示出潜力。
结论
创伤性脑损伤是一个重大的公共卫生问题，可能会给患者造成长期的不利影响，包括严重的身体、认知、情感和/或行为残疾。颅脑损伤的临床治疗侧重于预防继发性损伤，但临床治疗进展可能很难跟踪。通过破坏BGA和GI菌群的密切参与，TBI可能会启动一个反馈回路，增强神经炎性级联反应，导致继发性脑损伤。颅脑损伤所致的菌群失调，产生对BGA的影响，可能会加重继发性损伤，影响功能恢复。
相对较少的研究关注TBI对肠道菌群的影响上，其生理和临床意义尚不清楚。我们综述中引用的许多研究都是临床前研究，涉及动物模型或细胞培养，这些概念是否会有效地转化为临床治疗还有待观察。临床数据有限，特别是关于TBI对微生物群的影响，以及微生物群如何进入该轴并进一步影响患者结局。
我们相信TBI和肠道菌群之间的关系代表了一个研究领域，未来可能在新的临床干预策略方面进行广泛的研究。肠道菌群的改变可能成为改善TBI预后和监测病情进展的生物标志物，或作为预防脑损伤患者继发性损伤的治疗靶点。FMT和益生菌等治疗策略可能通过靶向调控肠道-菌群-脑轴并将肠道菌群恢复到更健康的状态发挥保护神经的作用。令人兴奋的是，基于对TBI患者中肠道菌群的了解，可能影响脑损伤患者治疗和提高TBI患者生活质量。
