短鏈脂肪酸對腦卒中的保護作用機制及其與腦卒中后認知障礙關系的研究進展

劉環環，李瑞青，蘇凱奇，袁潔，李琪，馮曉東，*

本文要點：

腦卒中是造成全球范圍內人類殘疾和死亡的主要疾病，具有發病率高、病死率高、致殘率高等特點。近年來大量研究發現，腸道菌群及其代謝物短鏈脂肪酸（SCFAs）可通過調控小膠質細胞的生長發育、神經營養因子的釋放、血-腦脊液屏障通透性、組蛋白去乙?；吧窠浹装Y等影響中樞神經系統功能。認知障礙是腦卒中常見并發癥之一，SCFAs可能在腦卒中后認知障礙的發生、發展過程中發揮著重要的保護作用。

短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）又稱揮發性脂肪酸，是一種少于6個碳的有機線性羧酸，主要由膳食纖維和抗淀粉樣蛋白經結腸中腸道微生物群發酵產生［1］。SCFAs主要包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，并以乙酸鹽（C2）、丙酸鹽（C3）和丁酸鹽（C4）含量最為豐富（≥95%）［2］。生理條件下，結腸內SCFAs總濃度約為100 mmol/L，乙酸、丙酸、丁酸所占比例為4.0∶1.7∶1.0，C2、C3、C4摩爾比為60∶20∶20；外周循環血中SCFAs濃度較低，其中乙酸濃度為100～150 μmol/L，丙酸濃度為 4～5 μmol/L，丁酸濃度為 1～3 μmol/L［3］。

作為腸道與大腦溝通的關鍵信號分子，SCFAs可通過借助免疫和循環系統輕易地透過血-腦脊液屏障（blood brain barrier，BBB）進入大腦，繼而調控神經元和小膠質細胞的生長、發育、成熟及神經遞質的釋放等［4］。近年研究發現，SCFAs在心腦血管疾病的發生、發展過程中具有有益作用［5］，但其具體作用機制尚不完全清楚。本文就SCFAs對腦卒中的保護作用機制及其與腦卒中后認知障礙的關系進行綜述，以期為腦卒中的發病機制和治療研究等提供參考。

1 SCFAs與跨膜轉運蛋白和受體蛋白

SCFAs主要通過跨膜轉運蛋白和受體蛋白對腸道及腸道以外的器官進行調控。

1.1 跨膜轉運蛋白 SCFAs主要通過依賴于酸堿度的方式穿過細胞膜、與H+耦聯單羧酸轉運蛋白（proton-coupled monocarboxylate transporters，MCTs）和Na+耦聯單羧酸轉運蛋白（sodium-coupled monocarboxylate transporters，SMCTs）結合進行跨細胞膜轉運，而上述轉運蛋白主要存在于腸管腔上皮細胞頂端，可通過調控核轉錄因子（nuclear factor，NF）-kappa B信號通路誘導細胞凋亡，繼而發揮神經保護作用［6-7］。在大腦中，Na+耦聯單羧酸轉運蛋白1（sodium-coupled monocarboxylate transporter-1，SMCT1）主要存在于神經元中，而單羧酸轉運蛋白1（monocarboxylatetransporter-1，MCT1）主要存在于星形膠質細胞中，少量存在于小膠質細胞和少突膠質細胞中［8］；單羧酸轉運蛋白4（monocarboxylatetransporter-4，MCT4）是C4的高親和力轉運蛋白，生理條件下可通過分解乳酸鹽和酮體為神經元提供能量。

1.2 受體蛋白 SCFAs主要通過與細胞表面G蛋白耦聯受體（G protein-coupled receptors，GPCRs）家族結合而影響器官內細胞信號，主要涉及短鏈脂肪酸受體（G protein-coupled receptor-43，GPR43）〔又稱游離脂肪酸受體2（free fatty acid receptor-2，FFAR2）〕、G蛋白偶聯受體41（G proteincoupled receptor-41，GPR41）〔又稱游離脂肪酸受體3（free fatty acid receptor-3，FFAR3）〕、G蛋白偶聯受體109A（G protein-coupled receptor-109A，GPR109A）〔又稱羥基羧酸受體2（hydroxycarboxylic acid receptor 2，HCAR2）〕和G蛋白偶聯受體 164（G protein-coupled receptor-164，GPR164）（人OR51E1、小鼠Olfr558）［9］。研究表明，上述受體存在于不同的細胞中并共同參與調控生理功能［9］，其中FFAR2和FFAR3不僅存在于腸內分泌細胞，還存在于免疫細胞〔如中性粒細胞、單核細胞、調節性T細胞（Treg）〕和神經元（如去甲腎上腺素能交感神經元和腦干迷走神經節）［10］；HCAR2主要存在于哺乳動物大腦中，被激活后能夠促進蛋白質合成、增加縫隙連接神經元的溝通、增強學習和記憶能力，對大腦功能發揮具有良好的調控作用［11］。

2 SCFAs對腦卒中的保護作用機制

2.1 SCFAs與小膠質細胞 神經網絡的塑造是神經系統發展的標志，而神經網絡塑造的神經回路對維持正常認知、情感和行為至關重要［12］。神經膠質細胞尤其是小膠質細胞對過度或不必要突觸連接的修剪在神經回路的成熟和連接中發揮著不可替代的作用［13］。因此，調控中樞神經系統先天免疫功能對大腦發育具有重要作用。近年研究發現，腸道微生物群在中樞神經系統免疫功能發育和成熟中具有關鍵作用。ERNY等［14］研究發現，腸道微生物群能調控小膠質細胞的分化、成熟和功能：與定居的無特定病原體（specific pathogen free，SPF）小鼠相比，無菌（germ-free，GF）小鼠和使用抗生素的小鼠與小膠質細胞生長發育相關的基因〔如Mapk8、Fcgr2β、白介素（interleukin，IL）-1α、Ly86、Janus激酶（Janus kinase，Jak）-3和轉錄激活子（signal transducer and activator of transcription，Stat）-1〕表達下調、抑制轉錄的基因〔如Nfkbiα（編碼IκBα）〕表達上調并造成小膠質細胞發育缺陷，而口服3種主要SCFAs（乙酸酯、丙酸酯、丁酸酯）組成的混合物可修復GF小鼠小膠質細胞畸形和發育缺陷（不成熟）。

作為大腦“常駐”免疫細胞，小膠質細胞是大腦的“一道防線”和“哨兵”，但在腦損傷發生時其是一把“雙刃劍”［15］。研究表明，小膠質細胞的極化狀態不同則其發揮的作用也不盡相同［16］：缺血導致腦細胞損傷并釋放危險相關分子模式（danger-associated molecular patterns，DAMPs），而DAMPs通過激活小膠質細胞促炎表型——經典激活型（M1表型）釋放促炎因子〔包括腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、IL-1β、IL-12、IL-23、一氧化氮等〕、加重炎癥和腦組織損傷［17］，因此小膠質細胞在缺血性腦卒中急性期和出血性腦卒中患者中具有有害作用；與此相反，小膠質細胞抑炎表型——替代激活型（M2表型）的極化則在腦損傷中發揮著保護作用：極化的小膠質細胞M2表型可促進血管內皮細胞生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、腦源性神經生長因子（brain-derived nerve growth factor，BDNF）、CD163、細胞因子、IL-4、IL-10、轉化生長因子（transforming growth factor，TGF）-β表達上調，繼而抑制神經炎癥、促進缺血性腦卒中后血管再生和軸突生長，加速損傷組織修復［18-19］。

研究表明，C4能抑制由脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）誘導的小膠質細胞活化，繼而減少IL-6和TNF-α等促炎因子的分泌［20］。小膠質細胞原代培養結果顯示，SCFAs可通過免疫刺激THP-1細胞而減少IL-1、單核細胞趨化蛋白1、TNF-α和細胞毒素的分泌，繼而減少炎性反應信號［21］。JAWORSKA等［22］研究發現，大腦中動脈阻塞（middle cerebral artery occlusion，MCAO）大鼠口服SFCAs后CD4+Foxp3+Treg數量增加，小膠質細胞M1表型活化受抑制，離子鈣結合銜接分子1（ionized calcium binding adapter molecule-1，ba1）表達減少。此外，上調嘌呤能受體P2Y12的表達具有抗炎/吞噬作用，可抑制中樞神經過度免疫反應、減輕腦卒中患者神經炎癥嚴重程度、保護大腦組織、減輕神經元損傷［23-24］。

2.2 SCFAs與神經營養因子 神經營養因子是一類調控中樞和外周特定神經元分化、增殖、生長的神經營養遞質，對神經元的發育和存活至關重要。根據分子結構、受體和信號通路可將神經營養因子分為神經營養因子家族、膠質細胞源性神經營養因子家族（glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF）和神經細胞因子，其中神經營養因子家族〔主要包括神經生長因子（nerve growth factor，NGF）、BDNF、神經營養因子3、神經營養因子4、神經營養因子5〕在神經生長發育過程中最為重要［25］。研究表明，神經營養因子家族可與酪氨酸激酶受體的原肌球蛋白相關激酶（tropomyosin receptor kinase，Trk）家族結合并通過激活絲裂原活化蛋白激酶（mitogen associated protein kinase，MAPK）/細胞外信號調節激酶（extracellular related kinase，ERK）、磷脂酰肌醇 3-激酶（phospoinositide3-kinase，PI3K）/Akt和磷脂酶（phospholipase-C，PLC）-γ信號通路而調控神經元生長、分化和成熟［26］。

近年來，腸道微生物群及其代謝產物對神經元生長、發育和功能的影響已成為研究熱點。既往研究表明，腸道微生物群的主要代謝產物SCFAs在生理條件下可影響神經發生、增殖和凋亡相關基因B淋巴細胞瘤-2基因（B-cell lymphoma-2，BCL-2）、BH3 相互作用域死亡激動劑（BH3 interacting domain death agonist，BID）、Fas細胞表面死亡受體（Fas cell surface death receptor，FAS）、Necdin（NDN）及血管內皮生長因子A（Vascular endothelialgrowth factor A，VEGFA）的表達，促進人神經祖細胞生長和胚胎干細胞向神經元分化［27］。此外，SCFAs還可通過影響神經遞質和神經營養因子濃度而調控大腦功能。VARELA等［28］研究發現，于雙向情感障礙大鼠側腦室注射丁酸鈉可增加其相關腦區海馬和額葉皮質BDNF、NGF、GDNF的表達，促進海馬神經元和突觸生長，減輕其躁狂樣行為。JAWORSKA等［22］研究表明，丁酸鈉不僅可抑制組蛋白去乙?；?，促進新生缺氧缺血大鼠腦室下區神經發生，還可增加損傷半球TrkB受體的表達和轉錄因子環磷腺苷效應元件結合蛋白（cAMP-response element binding protein，CREB）磷酸化，并通過BDNF-TrkB信號通路促進同側半球神經元的發生、增加突觸的可塑性，最終改善新生缺氧缺血大鼠神經功能。

2.3 SCFAs與BBB BBB主要由毛細血管內皮細胞、基底膜和神經膠質細胞組成，是精確控制腦內穩態的物理和生化屏障［29］。由于BBB主要通過各種通道和轉運蛋白控制進出腦的營養物質、廢物、細菌及病毒，并主要通過調控中樞神經系統的離子穩態、神經遞質、神經活性物質等保護神經組織免遭病毒和有害物質等侵害［30］，因此，BBB的結構完整性和功能的正常發揮對維持各項大腦功能不可或缺。

近年研究表明，BBB結構完整性受腸道微生物群影響，使用抗生素治療的小鼠和GF小鼠BBB通透性增加、內皮細胞緊密連接失調，而采用SPF小鼠糞便或SCFAs對GF小鼠進行干預則會降低其BBB通透性，增加其內皮細胞緊密連接［31-32］。有研究發現SCFAs可經血液循環進入BBB并直接影響其結構完整性，如口服丁酸鈉能增加緊密連接蛋白的表達，降低GF小鼠BBB通透性［32-33］；此外，SCFAs還能通過非特異性炎性反應和氧化應激途徑保護BBB［34］。HOYLES等［35］通過對體外BBB模型——hCMEC/D3細胞采用C3進行干預發現，C3能抑制其Toll 樣受體4（Toll-like receptors，TLR4）的表達，阻止LPS與TLR結合而引發促炎反應，減少促炎因子1L-β、IL-1及TNF-α等的分泌，減輕神經炎癥所致BBB損傷；同時，C3也能激活抗氧化核因子E2相關因子2（nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2），增加抗氧化基因的表達并減少活性氧的釋放，進而保護BBB免遭氧化應激損傷。

BBB的破壞是缺血性腦卒中的病理學特征之一，而腦缺血引起的應激反應主要通過神經炎癥途徑、氧化應激、興奮性神經毒性等造成BBB緊密連接蛋白和內源性轉運蛋白表達減少，進而增加BBB通透性［29，36］；反過來，BBB的損壞會造成中樞神經系統離子穩態失衡、毒性和有害物質易于侵入腦內，繼而加重腦水腫和神經元損傷、引起認知障礙等［29］。CHEN等［37］研究證實，移植糞便細菌不僅能縮小缺血性腦卒中大鼠腦梗死體積、減輕腦水腫，還能降低血清總膽固醇和三酰甘油水平、減少神經損傷、改善認知功能。此外，SCFAs也可通過與血管內皮細胞上單羧酸轉運蛋白及GPR41（FFAR3）結合而增加腦卒中患者緊密連接蛋白的表達并恢復BBB結構完整性，減輕有害物質侵入大腦造成的腦損傷嚴重程度［1］。

2.4 SCFAs與組蛋白去乙?；福╤istone deacetylases，HDACs） 組蛋白乙?；且环N翻譯后修飾，主要發生在組蛋白3和組蛋白4的N末端賴氨酸殘基ε氨基上，主要過程為組蛋白乙酰轉移酶（histone acetyltransferases，HATs）將乙?；砑拥浇M蛋白尾部、HDACs將乙?；コ?。研究表明，乙?；慕M蛋白在調控細胞生長、增殖、分化、凋亡、酶活性、DNA損傷修復、自噬、蛋白質穩定性等方面發揮著重要作用，增強組蛋白乙?；纱龠M新蛋白質合成、對突觸可塑性和學習能力及記憶力的長期維持至關重要，且這種強化可通過組蛋白去乙?；敢种苿╤istone deacetylase inhibitor，HDACI）達到［38-40］。

作為HDACs特異性抑制劑，SCFAs常被用于臨床和動物研究。多項動物研究表明，C4可在記憶形成的關鍵時期提高大腦中組蛋白乙?；?、誘導長時程增強（long-term potentiation，LTP）、增加突觸結構和功能的可塑性、提高學習能力和記憶力［41-42］。KIM等［43］發現，HDACI丁酸鈉可通過激活BDNF啟動子Ⅳ、上調大鼠皮質神經元BDNF基因表達而激活BDNF-TrkB信號通路，促進永久性腦缺血大鼠腦室下區和海馬齒狀回細胞增殖、遷移和分化，修復缺血區損傷神經元并促進新神經元生長和發育，最終改善缺血所致認知功能缺陷。

2.5 SCFAs與神經炎癥 神經炎癥主要由中樞神經系統和外周免疫細胞引起，是神經組織抑制感染、清除病原體和細胞碎片及錯誤折疊蛋白質的一種自我保護方式［44］。作為中樞神經系統先天免疫的重要組成部分，神經炎癥在初期對神經組織具有一定保護和修復作用，但慢性和持續的神經炎癥則是導致各種神經疾病的關鍵原因。研究表明，神經炎癥與神經退行性疾病和中樞神經系統損傷性疾病的發生密切相關［45-46］。

神經膠質細胞是中樞神經系統中數量最多、分布最廣的細胞，其中小膠質細胞是中樞神經系統“常駐”先天免疫細胞，可與神經元、免疫細胞及血管相互作用，充當著大腦生理環境的“監測器”與中樞神經系統的“第一道防線”［47］。神經膠質細胞與其他免疫細胞一樣在神經炎癥中具有雙重作用，面對感染、機械損傷、毒性代謝物及自身免疫等具有高度可變性的神經炎癥，神經膠質細胞發揮著不同作用。因此，合理調控神經膠質細胞和外周免疫細胞在神經炎癥中發揮積極保護作用對于大腦組織來說很關鍵。

近年研究表明，腸道微生物群及其代謝產物可通過多種方式影響免疫細胞、調控神經炎癥［48-49］，如上文所提及的口服SCFAs能修復發育缺陷的小膠質細胞并促進其M2表型的激活，上調緊密連接蛋白的表達而增強BBB結構完整性，減少有害物質侵入大腦并降低神經炎癥嚴重程度等［14，33］。另有研究表明，SCFAs能激活GPR41和GPR43并抑制MAPK磷酸化，減少促炎因子的分泌和表達［50］。醋酸鹽是一種具有神經保護作用的SCFAs，能夠降低神經炎癥大鼠IL-1β濃度，減少LPS誘導的神經膠質細胞活化［51］；通過對阿爾茨海默病小鼠模型進行研究發現，醋酸鹽能激活 GPR41并抑制MAPKs磷酸化，繼而阻礙p38、JNK、ERK及NF-κB信號通路的激活并下調 P65的表達、減少促炎因子的釋放，最終減少β樣淀粉蛋白（amyloid β-protein，Aβ）和tau蛋白形成［52］。此外，SCFAs還能抑制小膠質細胞CD11b活化并促進小膠質細胞成熟，減少小膠質細胞介導的神經炎癥導致的神經退行性疾病的發生［52］。CHEN等［53］研究發現，口服丁酸可有效改善雙環己酮草酰雙腙誘導的脫髓鞘，且在小膠質細胞存在或不存在的情況下均能抑制溶卵磷脂誘導的脫髓鞘并增強再髓鞘化，表明丁酸可影響少突膠質細胞、促進未成熟少突的分化，這為控制多發性硬化脫髓鞘和再髓鞘化提供了一種新的治療策略。綜上，鑒于腸道微生物群及其代謝產物與神經炎癥密切相關，因此腸道微生物群可能成為治療神經炎癥所致疾病的一個新靶點。

3 SCFAs與腦卒中后認知障礙的關系

腦卒中后認知障礙指腦卒中引起的從輕度認知障礙到癡呆的一系列綜合征，主要表現為學習能力、記憶力、執行功能等下降，不僅直接影響患者日常生活自理能力，而且間接影響患者運動、感覺、言語、吞咽功能等康復過程中主動配合度，進而導致腦卒中患者整體康復難度增加，并在一定程度上阻礙了患者回歸家庭和社會、增加了患者及其家庭經濟負擔。

缺血誘導的興奮毒性、炎癥、鈣超載、氧化應激、自由基形成及神經元損傷、壞死、凋亡是導致腦卒中后認知障礙的主要原因，而腸道微生物群的多樣性也與腦卒中后認知障礙的發生密切相關。KOSZEWICZ等［54］研究發現，與腦卒中后無認知障礙的患者相比，腦卒中后認知障礙患者腸道內革蘭陽性厚壁菌門和革蘭陰性擬桿菌門數量減少，而它們正是產生SCFAs的優勢菌群。有研究者通過對腦卒中后認知障礙大鼠腸道內容物SCFAs進行定量分析發現，腦卒中早期階段其乙酸和丙酸濃度均低于假手術組，異丁酸和異戊酸早期增加、晚期缺乏，丁酸和戊酸均一直處于較低水平，提示腸道微生物群SCFAs濃度與腦卒中后認知障礙的發生和預后相關［37］。研究證實，SCFAs主要通過調控小膠質細胞、神經營養因子、BBB、神經炎癥及神經元凋亡等影響腦卒中后認知障礙的發展過程，在腦卒中后認知障礙的發生、發展過程中充當著“保護者”［37，55-56］。此外，丁酸鈉還是中樞神經系統內重要的神經調節劑，可通過激活GPR41受體而增加PI3K的表達、促進Akt磷酸化、減少神經元凋亡及腦梗死面積、降低腦水腫程度［56］。

近年研究表明，SCFAs能抑制外周免疫T細胞活化并阻止其激活軟腦膜γδ-T細胞，通過Treg抑制IL17+γδ T細胞增殖而降低腦內促炎因子IL-17濃度，同時Treg還能釋放抗炎因子IL-10、IL-22，有利于保護缺血時大腦免遭神經炎癥損傷［57］。SADLER等［58］通過體內廣域鈣顯像發現，補充SCFAs可改善光照血栓腦卒中大鼠皮質連通性，其作用機制為：SCFAs增加突觸前小泡分子突觸素和BDNF受體TrkB的表達，進而促進轉錄因子環磷腺苷效應元件結合蛋白（CREB）磷酸化、抑制缺血缺氧誘導的p75NTR表達、激活BDNFTrkB信號通路并促進短突觸棘生長、增加錐體皮質樹突棘密度和突觸數量、增加海馬齒狀回DCX+神經元和NeuN+神經元數量、促進海馬神經元再生和生長，最終改善腦缺血引起的認知障礙［59-60］。LEE等［23］研究發現，采用來自年輕小鼠的糞便進行糞便移植管飼法（fecal transplant gavage，FTG）可幫助老年小鼠重建腦卒中后腸道微生物群，改善老年腦卒中小鼠認知功能和執行功能，而這與年輕小鼠糞便含有更多SCFAs產生菌密切相關；進一步對4組小鼠分別采用無菌、單獨菊粉、單獨SCFA生產劑、菊粉+SCFA生產劑進行干預發現，菊粉+SCFA生產劑組老年腦卒中小鼠神經功能缺損評分、懸吊實驗中的運動協調性和力量明顯改善。CHEN等［37］研究也證實FTG可增加缺血性腦卒中大鼠SCFAs濃度，改善缺血所致神經功能障礙。

4 小結與展望

綜上所述，腸-腦軸的雙向交流為腦卒中及其他神經系統疾病的研究開辟了新領域，腸道微生物群及其代謝產物通過腸-腦軸溝通免疫、神經等途徑直接或間接影響著神經系統的發育和成熟?，F階段，臨床用于改善缺血性腦卒中患者神經保護的藥物療效不佳，而作為腸道菌群主要代謝產物的SCFAs通過多種途徑參與腦卒中及腦卒中后認知障礙的發生、發展，并可通過抑制神經炎癥及小膠質細胞活化、調控相關信號通路等發揮對腦卒中的保護作用。因此，通過改變飲食結構、補充益生菌或外源性SCFAs及FTG、研發新的靶點藥物可能有助于預防和治療腦卒中后認知障礙，而SCFAs或可成為神經系統疾病防治的安全有效的新靶點。

作者貢獻：劉環環進行文章的構思，負責撰寫論文；劉環環、袁潔、李琪負責文獻/資料收集、整理；李瑞青、蘇凱奇進行論文修訂；馮曉東負責文章質量控制及審校，對文章整體負責。

本文無利益沖突。

本文文獻檢索策略：

以“腦卒中”“腦缺血”“腦出血”“認知障礙”“腸道微生物群”“腸道菌群”“短鏈脂肪酸”“小膠質細胞”“神經營養因子”“血腦屏障”“組蛋白去乙?；薄吧窠浹装Y”為中文關鍵詞檢索中國生物醫學文獻服務系統（SinoMed）、中國知網、萬方數據知識服務平臺、維普網等中文數據庫，以“Stroke”“Cerebral ischemia”“Cerebral hemorrhage”“Cognition disorders”“Cognitive impairment”“Cognitive dysfunction”“Gut microbiome”“Intestinal flora”“Short-chain fatty acids”“SCFAs”“Fatty acids”“volatile”“Microglia”“Neurotrophic factor”“Blood-brain barrier”“BBB”“Histone deacetylase”“Neuroinflammation”為英文關鍵詞檢索PubMed、EMBase、the Cochrane Library、EBSCO等英文數據庫；檢索時限均為建庫至2021年2月。文獻納入標準：關于腸道菌群與腦卒中關系的臨床研究、基礎研究和文獻研究；文獻排除標準：重復發表、無法獲取全文和數據、質量較差、年份陳舊的文獻等。