2.腸道微生物及其代謝產(chǎn)物對血腦屏障的影響
盡管機制尚不清楚，但研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物及其代謝產(chǎn)物可以影響B(tài)BB完整性。壓力、飲食和口服抗生素等因素會引起腸道菌群結(jié)構(gòu)的變化，增加或減少的微生物可能通過多種途徑改善或加重血腦屏障的破壞。此外，許多腸道微生物來源的代謝物，例如脂多糖、短鏈脂肪酸、3-吲哚丙酸、膽汁酸和三甲胺等，具有多種信號傳導(dǎo)和調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的功能，可能對血腦屏障和大腦產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。相關(guān)文獻總結(jié)如表2所示。
表2腸道微生物代謝產(chǎn)物對血腦屏障的調(diào)節(jié)作用
2.1腸道微生物群對血腦屏障的影響
腸道微生物的缺乏和菌群組成的改變均會影響血腦屏障的結(jié)構(gòu)和功能。與具有正常腸道菌群的小鼠相比，無菌小鼠血腦屏障中的緊密連接蛋白（occludin和claudin-5）表達顯著下降，通透性增加。持續(xù)的心理壓力刺激會改變大鼠腸道微生物群的組成，并降低腸道和血腦屏障緊密連接蛋白（claudin5、occludin、α-actin和ZO-1）的表達水平。進一步分析顯示大鼠腸道內(nèi)變化的腸道菌群中，Allisonella和Odoribacter與緊密連接蛋白的表達呈負(fù)相關(guān)，norank_f_Peptococcaceae、Clostridium_sensu_stricto_1和Coprococcus_2與緊密連接蛋白的表達呈正相關(guān)。Wu等通過連續(xù)14 d口服抗生素（阿莫西林克拉維酸），顯著改變了恒河猴腸道微生物群的組成，并增加BBB的通透性。能夠產(chǎn)生的短鏈脂肪酸的9個細菌屬在給藥期間顯著減少，包括Phascolarctobacterium、Subdoligranulum、Faecalibacterium、Blautia、Roseburia、Ruminococcus、Coprococcus、Dorea和Anaerostipes。研究者推測這些微生物的變化可能與BBB通透性的增加有潛在聯(lián)系。另一項研究證實了腸道微生物組在自發(fā)性高血壓腦卒中大鼠（spontaneously hypertensive stroke prone rats,SHRSP）模型血腦屏障破壞中起著重要作用。研究者分別將SHRSP幼鼠和正常（wistar kyoto，WKY）幼鼠分為2組，由SHRSP品系和WKY品系的寄養(yǎng)母鼠分別交叉撫養(yǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)幼鼠的腸道微生物組受到寄養(yǎng)母鼠的影響。與寄養(yǎng)在SHRSP品系母鼠的幼鼠相比，寄養(yǎng)在WKY品系母鼠的幼鼠收縮壓下降，且顯著修復(fù)了SHRSP幼鼠血腦屏障完整性損傷。因此，雖然SHRSP大鼠是腦小血管病的遺傳模型，但環(huán)境因素（如寄養(yǎng)母鼠和巢穴環(huán)境）誘導(dǎo)的腸道微生物變化對BBB的完整性有重要影響。
5-羥色胺（5-hydroxytryptamine,5-HT）是一種具有多種功能的重要信號分子。人體95%以上的5-HT是由消化道上皮細胞中的腸嗜鉻細胞產(chǎn)生的。腸嗜鉻細胞能夠利用限速酶色氨酸羥化酶1（tryptophan hydroxylase 1，Tph1）將色氨酸（tryptophan）先轉(zhuǎn)化為5-羥基色氨酸（5-hydroxytryptophan,5-HTP），再由氨基酸脫羧酶催化轉(zhuǎn)化為5-HT。胃腸道產(chǎn)生的大部分5-HT會分泌到全身血液循環(huán)系統(tǒng)，儲存在血小板中，并在遠端腸外器官發(fā)揮作用。有報道5-HT能夠增加血腦屏障的通透性。Becker等發(fā)現(xiàn)刺激位于腦微血管內(nèi)皮細胞上的5-HT受體5-HT4，能夠通過下調(diào)緊密連接蛋白的表達、磷酸化Scr激酶和細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERK1/2），增加BBB的通透性。Sharma等的研究則證實在幼年小鼠短期強迫運動后，外周循環(huán)5-HT水平升高，誘導(dǎo)由5-HT2受體介導(dǎo)的血腦屏障結(jié)構(gòu)的破壞。
腸道微生物群可以直接或間接地調(diào)節(jié)宿主體內(nèi)5-HT水平。腸道菌群能夠直接作用于腸嗜鉻細胞，增加Tph1的表達并促進5-HT合成。一項研究利用GF小鼠（無菌小鼠）、HM小鼠（定殖人體腸道微生物群后的GF小鼠）和CR小鼠（正常小鼠）評估腸道微生物和宿主5-HT水平之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與GF小鼠相比，HM小鼠和CR小鼠結(jié)腸中Tph1 mRNA和蛋白質(zhì)水平顯著升高，且5-HT的含量也更高。另一項研究給予便秘模型大鼠飼喂中成藥混合物后，通過增加擬桿菌屬和阿克曼氏菌屬的相對豐度、降低普雷沃氏菌屬和乳酸桿菌屬的相對豐度，重構(gòu)了腸道微生物組成，并顯著恢復(fù)了便秘大鼠結(jié)腸內(nèi)5-HT及其受體濃度的下降。腸道微生物也可以通過產(chǎn)生多種微生物代謝物間接影響宿主5-HT系統(tǒng)，例如短鏈脂肪酸、色氨酸、色胺和次級膽汁酸等。乙酸鹽和丁酸鹽已在體外實驗中被證明能夠刺激腸嗜鉻細胞，促進Tph1相關(guān)基因的表達和5-HT的產(chǎn)生。色氨酸是一種必需氨基酸，也是合成5-HT的前體。腸道微生物群在色氨酸的代謝中起著積極作用。已知一些細菌具有酶解能力，能利用其分解代謝途徑中的關(guān)鍵酶直接代謝色氨酸，例如Clostridium sporogenes、大腸桿菌和乳酸桿菌。另一種受腸道微生物間接影響的關(guān)鍵代謝物是色胺。Takaki等的一項早期研究表明，色胺能刺激豚鼠消化系統(tǒng)釋放內(nèi)源性5-HT。腸道細菌在結(jié)腸中通過脫羥基作用對初級膽汁酸進行生物轉(zhuǎn)化，生成次級膽汁酸、脫氧膽酸和石膽酸，由芽孢桿菌代謝生成的脫氧膽酸已在體內(nèi)和體外實驗中被證明可以提高腸嗜鉻細胞中5-HT的生物合成，并增加Tph1的表達。
通常認(rèn)為5-HT含量升高是與抑郁癥、阿爾茨海默癥等癥狀改善有關(guān)，而以上這些研究表明腸道微生物可能在一定情況下通過影響5-HT或其受體含量變化進而影響B(tài)BB，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的相關(guān)影響及其機制還需要進一步研究。
2.2腸道微生物代謝產(chǎn)物對血腦屏障的負(fù)向調(diào)節(jié)
2.2.1脂多糖對血腦屏障的負(fù)向調(diào)節(jié)
脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）是革蘭氏陰性菌外膜的主要成分，會在細菌細胞膜被破壞后分泌釋放。在正常情況下，腸道屏障可最大限度地減少LPS從腸道進入體循環(huán)，但當(dāng)飲食或病原菌等因素破壞腸道屏障完整性時，可能會導(dǎo)致血液中LPS水平上升，產(chǎn)生并激活炎癥細胞因子，觸發(fā)宿主免疫反應(yīng)，影響全身免疫系統(tǒng)。不同細菌產(chǎn)生不同類型的LPS，其中一些更有可能導(dǎo)致炎癥反應(yīng)。例如，相比于擬桿菌，大腸桿菌產(chǎn)生的LPS毒性更大。在一項針對兒童腸道微生物組發(fā)育情況的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)兩種細菌（擬桿菌和大腸桿菌）產(chǎn)生的LPS在結(jié)構(gòu)上有所不同，大腸桿菌產(chǎn)生的LPS更易誘導(dǎo)腸道炎癥。
LPS可以以多種方式影響B(tài)BB，包括促進免疫細胞粘附和運輸，改變外排轉(zhuǎn)運蛋白（如P-糖蛋白）的表達，直接破壞緊密連接蛋白，以及誘導(dǎo)多種細胞（內(nèi)皮細胞、小膠質(zhì)細胞、周細胞和星形膠質(zhì)細胞）超微結(jié)構(gòu)發(fā)生異常變化，最終破壞BBB結(jié)構(gòu)的完整性1?4。因此，LPS常被用作BBB炎癥損傷模型的誘導(dǎo)試劑。Lin等將LPS腹腔注射到腦出血模型小鼠中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)LPS的注射誘導(dǎo)了嚴(yán)重的外周炎癥，增加了小鼠腦組織和血液循環(huán)中CC趨化因子配體5（C–C chemokine ligand 5，CCL5）的水平，進而升高多種細胞（包括小膠質(zhì)細胞、星形膠質(zhì)細胞和單核細胞）中CC趨化因子受體5（C-C chemokine receptor 5，CCR5）的表達，并通過JAK2/STAT3信號通路加重BBB的破壞和神經(jīng)行為功能障礙。Liu等也發(fā)現(xiàn)暴露于LPS能夠使大鼠大腦皮層中的細胞凋亡和壞死，氧化應(yīng)激和炎癥水平增加，緊密連接蛋白（occludin）、粘附連接蛋白（β-catenin）和P-糖蛋白表達下降，最終導(dǎo)致BBB功能障礙。
2.2.2膽汁酸對血腦屏障的負(fù)向調(diào)節(jié)
膽汁酸（bile acids，BAs）有多種不同的分子形式，可以分為兩類：主要由肝臟合成的初級膽汁酸，例如膽酸（cholic acid，CA）和鵝脫氧膽酸（chenodeoxycholic acid，CDCA）；主要由結(jié)腸中微生物代謝產(chǎn)生的二級膽汁酸，例如豬脫氧膽酸（hyodeoxycholic acid，HDCA）、脫氧膽酸（deoxycholic acid，DCA）和熊脫氧膽酸（ursodeoxycholic acid，UDCA）等。膽汁酸分子內(nèi)既含有親水性的羥基、羧基或磺酸基，又含有疏水性的烴核和甲基，因此膽汁酸在構(gòu)型上具有親水和疏水兩個側(cè)面。有研究發(fā)現(xiàn)部分疏水性膽汁酸的異常變化會破壞BBB功能。CDCA和DCA可以通過Rac1依賴性方式增加occludin磷酸化破壞TJs，導(dǎo)致BBB通透性增加。Fiaschini等采用高脂高糖飲食建立非酒精性脂肪性肝?。∟AFLD）小鼠模型，并利用DSS誘導(dǎo)非酒精性脂肪性肝炎（NASH），發(fā)現(xiàn)模型小鼠血液中HDCA和DCA含量均顯著增強，親水性UDCA含量顯著降低，腦微血管內(nèi)皮細胞中ZO-1和occludin表達下降，神經(jīng)炎癥加重，BBB結(jié)構(gòu)和功能損傷。
2.3腸道微生物代謝產(chǎn)物對血腦屏障的正向調(diào)節(jié)
2.3.1短鏈脂肪酸對血腦屏障的正向調(diào)節(jié)
短鏈脂肪酸主要由腸道中厭氧細菌發(fā)酵膳食纖維和低聚糖等產(chǎn)生，主要包括丙酸鹽、醋酸鹽、丁酸鹽等。SCFAs影響B(tài)BB的研究主要集中在通過抑制NF-κB活性（抗炎）、促進Nrf2內(nèi)源性抗氧化通路（抗氧化）以及上調(diào)細胞間緊密連接蛋白表達（降低細胞旁通透性）來保護和改善BBB功能。例如，丙酸鹽可以通過降低Toll樣受體（toll-like receptors，TLR）、白細胞分化抗原14（cluster of differentiation antigen，CD14）和外排轉(zhuǎn)運蛋白LRP-1的表達，并通過Nrf2信號通路保護BBB免受氧化應(yīng)激的影響。丁酸鹽和丙酸鹽能夠誘導(dǎo)肌動蛋白細胞骨架重排，增加緊密連接蛋白刺突狀結(jié)構(gòu)的表達，保護細胞間緊密連接，調(diào)節(jié)LPS誘導(dǎo)的線粒體功能障礙從而改善BBB的功能。Tang等也發(fā)現(xiàn)SCFAs可以緩解慢性應(yīng)激小鼠的海馬神經(jīng)衰退，改善其BBB損傷并抑制小膠質(zhì)細胞活化和神經(jīng)炎癥，從而改善小鼠抑郁樣水平。能夠產(chǎn)生SCFAs的細菌，例如乳酸桿菌、雙歧桿菌和梭狀芽孢桿菌等被發(fā)現(xiàn)在各種精神疾病中具有特殊的功能。普洱茶的攝入被證明可以通過重塑腸道微生物的組成（提高乳桿菌屬、阿克曼菌屬和糞桿菌屬的豐度，降低志賀氏菌、擬桿菌和鏈球菌豐度）促進短鏈脂肪酸的產(chǎn)生，尤其是丁酸，從而改善葡聚糖硫酸鈉鹽（DSS）誘導(dǎo)的腸炎和血腦屏障功能損傷。
2.3.2 3-吲哚丙酸對血腦屏障的正向調(diào)節(jié)
3-吲哚丙酸（3-indolepropionic acid，IPA）是腸道革蘭氏陽性微生物的代謝產(chǎn)物之一，具有抗炎和抗氧化作用。IPA可以通過降低缺氧缺血引起的大鼠腦微血管內(nèi)皮細胞內(nèi)活性氧水平的升高以及基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）的激活，調(diào)節(jié)PXR信號通路抑制NF-κB信號傳導(dǎo)來減輕炎癥，從而保護BBB免受損傷。IPA還可通過抑制細胞外基質(zhì)金屬蛋白酶誘導(dǎo)因子（EMMPRIN）/MMP9依賴的緊密連接蛋白的降解，激活Nrf2/HO-1信號通路，從而上調(diào)緊密結(jié)合蛋白的表達水平達到保護血腦屏障的作用。最新的研究還發(fā)現(xiàn)，一種新型的3-吲哚丙酸和5-甲氧基-吲哚羧酸的衍生腙雜合劑具有較強的神經(jīng)保護、抗氧化和單胺氧化酶抑制作用。
2.3.3膽汁酸對血腦屏障的正向調(diào)節(jié)
膽汁酸對細胞毒性的影響與BAs是否疏水密切相關(guān)，疏水性BAs可破壞細胞膜、促進活性氧產(chǎn)生、引起線粒體功能障礙、誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激以及導(dǎo)致細胞凋亡或壞死。但有研究發(fā)現(xiàn)UDCA及其衍生物?；切苊撗跄懰幔╰auroursodeoxycholic Acid，TUDCA）被認(rèn)為是親水性最強的BAs，具有抑制神經(jīng)炎癥、細胞凋亡和氧化應(yīng)激的功能，是治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的潛在活性物質(zhì)之一。親水性膽汁酸UDCA和甘氨熊脫氧膽酸（glycoursodeoxycholic acid，GUDCA）可以保護人腦微血管內(nèi)皮細胞免受膽紅素誘導(dǎo)的細胞凋亡以及超微結(jié)構(gòu)變化。UDCA還能有效抑制白細胞介素-6的表達從而保護BBB完整性。由此可見膽汁酸對血腦屏障的保護作用可能與其親水還是疏水有關(guān)。
2.4腸道微生物代謝產(chǎn)物對血腦屏障的雙向調(diào)節(jié)
腸道微生物的衍生代謝物如氧化三甲胺（trimethylamine N-oxide，TMAO）對血腦屏障有雙向調(diào)節(jié)作用。
TMAO是腸道微生物代謝膽堿產(chǎn)生的衍生代謝物，其前體三甲胺對內(nèi)皮細胞有損害作用，能夠破壞細胞骨架排列，誘發(fā)代謝應(yīng)激，破壞緊密連接完整性并最終損害BBB。相反，TMAO可以通過提高膜聯(lián)蛋白A1（ANXA1）的相關(guān)基因表達來修復(fù)因炎癥反應(yīng)而受損的BBB，且長期使用TMAO治療可以預(yù)防長期的亞急性炎癥反應(yīng)。然而，也有研究者發(fā)現(xiàn)在尿毒癥患者中，較高濃度的TMAO可以破壞緊密連接蛋白，誘導(dǎo)BBB通透性增加，且血漿中高濃度的TMAO還會增加中風(fēng)和血管認(rèn)知障礙的風(fēng)險。因此，目前無法就TMAO是否可以保護BBB得出明確的結(jié)論，可能與其在血漿中的濃度有關(guān)。
腸道微生物及其代謝產(chǎn)物可調(diào)節(jié)血腦屏障結(jié)構(gòu)和功能完整性（一）
腸道微生物及其代謝產(chǎn)物可調(diào)節(jié)血腦屏障結(jié)構(gòu)和功能完整性（二）
益生菌靶向腸道微生物群，改善血腦屏障及其相關(guān)疾病的研究（三）
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