肠道菌群与围手术期神经认知障碍研究进展

【综述】

术后脑功能障碍是常见的麻醉手术相关并发症。既往与麻醉及手术相关的神经认知改变主要包括术后谵妄（postoperative delirium, POD）和术后认知功能障碍（postoperative cognitive dysfunction, POCD）。2018年，由麻醉学、神经病学等多个学科专家组成的命名共识工作组推荐使用“围手术期神经认知障碍（perioperative neurocognitive disorders, PND）”来描述患者围手术期的认知功能改变[1]。PND包括术前存在的认知功能障碍、POD、神经认知恢复延迟（delayed neurocognitive recovery, DNR）、术后神经认知障碍（postoperative neurocognitive disorders, PNCD）和手术12个月后出现的认知障碍。以往研究中的POCD包括了DNR和PNCD。PND多见于老年患者，可造成患者术后并发症及病死率的增加，生活质量严重降低，同时加重医疗负担及社会负担。随着老年手术患者的逐年增加，目前对于PND发病机制和预防治疗的相关研究越来越受到重视，成为了麻醉及围手术期医学研究的热点和重点问题。

随着神经科学的飞速发展，越来越多的证据表明，大脑并非独立于其他器官和系统，大脑的功能和稳态与全身整体的健康稳态息息相关。近年来神经科学最为重要的发现之一就是大脑与肠道之间存在着密切的交互作用，这种关联称为“肠‑脑轴”[2]。肠道菌群是沟通肠‑脑轴关联作用的重要一环。肠道菌群的作用不仅局限于消化系统，更能够通过肠‑脑轴途径形成菌‑肠‑脑轴，对大脑功能和行为产生显著影响。目前证据表明，在多种神经精神疾病的起病和进展中，肠道菌群失调引起的菌‑肠‑脑轴功能紊乱是一个重要的致病因素。本文对目前肠道菌群在PND领域相关研究进展进行综述，以期为临床及科学研究提供参考。

消化道是人体内菌群微生物含量最丰富的器官，在人类肠道中菌群定植数量为1013~1014，这一数量超过人体真核细胞10倍以上，其所编码的基因约是人类基因组的150倍。对于成年人，肠道内菌群种类超过10 000种，其中拟杆菌门和厚壁菌门比例最高，约占总菌群的90%。此外，变形菌门、放线菌门和疣微菌门数量也较多。出生时，婴儿分娩通过产道接触发生菌群定植。出生后早期，婴儿肠道菌群的结构具有母系特征，至1岁后，逐渐转变为个体化结构。2岁时，肠道菌群逐步发育为类似成年人的水平[3]。而老年时期肠道菌群的构成与青年人相比会发生显著的改变，出现厚壁菌门与拟杆菌门比值降低，兼性厌氧菌增加，双歧杆菌减少等变化，并且肠道菌群结构与其健康状况直接相关[4‑5]。

麻醉和手术对于机体来说是一个重大的外界刺激因素，会对全身各个器官和系统产生影响，这其中就包括肠道组织。麻醉药物及外科手术创伤均会对肠道菌群造成影响。

2.1　麻醉药物

早在上个世纪，就有许多研究发现吸入麻醉药具有明显的“类抗生素”作用，可有效抑制多种革兰阳性和革兰阴性细菌的增殖，并且对一些多重耐药菌也有明显的抗菌作用[6]。近年来多项研究开始关注并发现吸入麻醉药对肠道菌群会产生显著的影响。Schoster等[7]发现，吸入异氟醚可引起健康成年马肠道菌群多样性及结构显著改变。Serbanescu等[8]在小鼠中发现了相似的现象，该研究让成年小鼠暴露于1.5%异氟醚4 h，结果发现麻醉后出现了明显的小鼠肠道菌群失调并且持续到了麻醉后1周，麻醉后小鼠菌群α多样性较麻醉前明显降低。对菌群结构的分析也发现了多个菌种丰度出现明显差异。在幼年动物模型中也同样观察到吸入麻醉药能够导致肠道菌群发生明显改变[9]。

阿片类药物是临床麻醉常用镇痛药物。阿片类药物对肠道功能、免疫微环境及通透性有着明显影响。Banerjee等[10]通过小鼠观察发现，吗啡持续5~6 d慢性给药能够通过肠道μ阿片受体影响肠道菌群结构，造成肠道菌群失调，同时肠道乳酸杆菌表达丰度明显降低。通过给予阿片受体拮抗剂，能够逆转这一影响。此外，一项临床研究也发现，长期使用阿片类药物治疗会对肝硬化患者肠道菌群造成影响，主要表现为其可引起肠道类杆菌科、Clostridiales ⅩⅣ及瘤胃球菌科的相对丰度下降[11]。

常用的局部麻醉药（利多卡因、布比卡因及罗哌卡因）也具有抗菌作用，体内及体外实验均证实其可对多种革兰阳性和阴性细菌产生明显的抗菌作用[12]。然而，局部麻醉药物的抗菌作用不仅受到药物浓度、使用时间的影响，还与合并用药密切相关。诸如抗生素、防腐剂、阿片类药物、肾上腺素、异丙酚等药物可与局部麻醉药物结合，通过协同或拮抗作用影响其抗菌作用。此外，目前尚缺乏相关研究观察局部麻醉药物对肠道菌群是否存在影响。

2.2　外科手术

外科手术创伤刺激对患者全身内环境造成重大影响，其中也包括消化系统。对于心脏手术，近年临床研究观察到，行择期心脏手术重症患者术后恢复期其肠道菌群多样性明显降低，且菌群结构改变，多种潜在致病菌表达丰度增加[13]。在动物研究中，Yu等[14]也发现成年大鼠接受全身麻醉心脏手术术后1周肠道菌群发生了明显的改变。主要体现在α多样性显著下降。另外，手术大鼠与非手术大鼠相比，在多个水平出现表达丰度不同的差异菌。

对于非心脏手术，尤其是胃肠道手术，对肠道菌群稳态会产生巨大影响。肠道手术会使肠腔暴露在氧气中，导致肠道正常厌氧环境改变，进而导致肠道菌群紊乱[15]。同时，手术过程中血管结扎等造成的局部缺血也会导致肠道菌群失调。肠道手术对肠道菌群的影响具有一定的持续性。在小肠切除手术小鼠模型中，手术引起的回肠菌群改变在手术后90 d仍可以被观察到[16]。除肠道手术外，其他非心脏手术后也可发生肠道菌群紊乱。如在腹部探查手术和骨折手术动物模型中，研究者都观察到了术后肠道菌群发生多样性和结构的显著改变[17‑18]。

2.3　其他因素

围手术期还有许多因素会引起术后肠道菌群失调。如禁食水和肠道准备是常见的术前准备措施。Kasiraj等[19]基于健康犬的研究发现，空腹8 h后犬空肠菌群α多样性降低，同时β‑变形菌纲和类杆菌目丰度显著降低。基于健康人群的临床研究则发现，术前灌肠可对肠道菌群造成明显影响，并且这种影响会持续至灌肠后2~4周[20]。此外，抗生素的使用对于预防术后感染起着重要的作用，但其同时也是造成术后肠道菌群失调的重要因素。

麻醉与手术对于肠道菌群可产生巨大影响，越来越多的研究开始关注术后肠道菌群紊乱与术后神经认知损伤之间的潜在联系。Zhang等[21]以成年小鼠POD模型探讨了肠道菌群紊乱与术后认知损伤的关系。该研究对成年小鼠实施异氟醚全身麻醉下腹部探查手术，手术6 h后进行认知功能行为学测试并根据测试结果采用层次聚类分析的方法，识别出术后发生POD和未发生POD的小鼠，对其肠道菌群进行观察。结果发现，全身麻醉手术后，发生POD的小鼠与未发生POD的小鼠相比，肠道菌群α多样性显著降低，同时β多样性也存在着显著的差异。对于菌群表达丰度方面，在门水平，POD小鼠软壁菌门相对丰度显著降低；在纲水平，γ‑变形菌丰度在POD小鼠显著降低；而在目水平，POD小鼠厌氧原体目和双歧杆菌目表达也出现了显著降低。另外，该研究还进一步通过粪菌移植方法，证实存在认知功能异常的伪无菌（pseudo germ‑free, PGF）小鼠分别接受POD和非POD小鼠的粪菌移植后，接受非POD小鼠粪便细菌移植的PGF小鼠表现出认知功能的改善，而接受POD小鼠粪便细菌移植的PGF小鼠其认知功能则未见改善。这一结果证明了肠道菌群失调引起的肠‑脑轴功能紊乱是术后认知损伤的内在病因，而非疾病发展中的并存现象。

Zhan等[22]则观察了老年POCD动物模型的肠道菌群变化，结果也显示在全身麻醉腹部手术后1周，发生认知损伤的老年雄性小鼠与未发生认知损伤小鼠相比，其肠道菌群α多样性显著降低，同时β多样性出现显著改变。另外，在多个水平出现了表达丰度具有显著差异的菌种。POCD大鼠软壁菌门和部分厚壁菌门丰度明显减少。该研究还发现大肠埃希菌相对表达丰度与空间学习记忆能力损伤呈显著正相关。而Dehalobacterium属表达丰度对预测小鼠POCD的发生具有较高的敏感性和特异性。

4.1　肠道菌群‑宿主共代谢产物异常

肠道菌群可为宿主提供人体自身不具备的生物酶与生物转化途径，并与宿主发生共代谢作用，通过多种代谢途径产生维生素、脂肪酸、胆汁酸等代谢产物并转移至循环系统，进而对脑内微环境和大脑功能进行调控。肠道菌群代谢产物已被证实具有神经活性或毒性作用。近期的研究表明，术后认知损伤患者存在着明显的代谢异常。Qian和Wang[23]对接受全身麻醉手术的患者术后血清代谢产物进行分析后发现，发生术后认知损伤的患者与未发生认知损伤的患者相比，有多种代谢产物的表达存在着显著差异。并且，术后认知损伤患者脂肪酸代谢、脂质代谢和肉碱代谢等代谢通路都发生了明显的改变。此外，有研究对特定的肠道代谢产物在术后认知损伤中的作用进行了观察。氧化三甲胺（trimethylamine oxide, TMAO）是肠道菌群对食物胆碱、磷脂酰胆碱和L‑肉毒碱等酵解的代谢产物。肠道菌群代谢产生的TMAO可通过血脑屏障，进入大脑产生神经毒性作用，其产生增加与神经精神疾病的认知损伤密切相关。Zhao等[24]对老年大鼠进行观察发现，循环高水平的TMAO可抑制七氟醚暴露大鼠海马脑区抗氧化酶蛋氨酸亚砜还原酶A的表达进而增加大脑对氧化应激反应的敏感性，同时增加海马小胶质细胞激活数量和促炎因子的释放，最终加重七氟醚暴露介导的学习记忆能力损伤。另一项动物研究结果也显示，TMAO水平增加可加重全身麻醉腹部手术老年大鼠术后认知损伤的程度[25]。

4.2　神经炎症反应异常

麻醉和手术创伤对于机体来说是强力的刺激因子，其可诱发严重的外周炎症反应，导致大量的促炎因子进入循环系统，进而透过血脑屏障进入中枢神经系统，从而诱发脑内神经源性炎症反应。脑内神经源性炎症反应过度放大，会造成突触和神经元凋亡坏死，进而引起认知功能损伤[26]。小胶质细胞是中枢神经系统内主要固有免疫细胞，是介导脑内神经源性炎症反应的主要效应细胞。手术创伤造成脑内小胶质细胞过度激活，并释放促炎因子是术后认知障碍起病和进展的重要原因[27]。

肠道菌群对大脑神经免疫微环境的调节是肠‑脑交互的重要一环。正常的肠道菌群对维持大脑内免疫微环境稳态和小胶质细胞功能的调控起着不可或缺的作用。与无特定病原体（specific pathogen free, SPF）小鼠相比，无菌（germ‑free, GF）小鼠脑内小胶质细胞在形态、表型方面都存在着明显差异，并且GF小鼠小胶质细胞在免疫应答反应方面明显低于SPF小鼠[28]。在POCD动物模型中，小胶质细胞过度激活及促炎因子表达升高与肠道菌群失调相关，并且通过调节肠道菌群能够改善手术介导的小胶质细胞过度激活，抑制神经炎症反应并改善术后认知损伤[29]。

4.3　屏障功能异常

肠道屏障功能异常被认为是肠‑脑轴功能异常的重要原因。正常的肠道菌群相当于为肠道形成一道保护性的生物屏障,而肠道菌群紊乱除可以产生神经毒性因子外，还可影响肠黏膜通透性，形成“肠漏”，进而造成大量炎症因子和神经毒性因子进入中枢神经系统[30]。动物模型显示，全身麻醉手术后会出现肠道通透性增加及肠道菌群紊乱的“肠漏”现象，并且与术后认知损伤密切相关[14]。

随着肠‑脑轴相关研究的深入，涌现了许多以肠道菌群为靶点，调节肠道菌群结构，进而通过菌‑肠‑脑轴改善神经精神疾病引起的行为学异常的相关报道。目前调节菌群的有效方法主要有通过饮食补充益生菌、益生元法以及一些非饮食干预的方法。近年来，越来越多的研究开始关注应用不同的方法通过调节肠道菌群来干预术后认知损伤（表1）

5.1　基础研究

5.1.1　益生菌法

益生菌是活的、达到一定的量时可以对宿主健康产生有益作用的微生物。肠道补充益生菌的作用并不仅局限于肠道中，还可以到达整个肠‑脑轴，对宿主的行为学造成明显的影响。动物研究显示，通过术前给予益生菌，能够预防术后认知损伤的发生。Yu等[14]在成年大鼠实施心脏手术前，给予混合益生菌（长型双歧杆菌、嗜酸乳杆菌和粪肠球菌）胃肠喂养2周，发现其能显著减少大鼠术后认知功能损伤。Liufu等[18]基于老年小鼠腹部手术模型，连续20 d给予鼠李糖乳杆菌喂养至手术前，发现益生菌喂养小鼠术后早期POD和术后1周的认知功能损伤均显著降低。术后给予益生菌也显示出可能对POCD具有改善作用。伍晓莹等[31]在老龄小鼠接受全身麻醉腹部手术结束后，开始喂养混合益生菌，连续喂养7 d，之后通过水迷宫实验证明，术后喂养益生菌老年大鼠术后认知功能较对照大鼠更好。Jiang等[17]则在老年小鼠接受骨折手术前10 d开始喂养，并在术后7 d内继续喂养混合益生菌，结果也显示围手术期持续喂养益生菌能够改善小鼠术后认知功能损伤。

5.1.2　益生元法

益生元是一类能够被宿主微生物选择性利用的底物，增加有益菌的表达，为人体健康带来益处的物质。常见的益生元包括果聚糖、半乳糖等。连续服用益生元可以显著调节肠道菌群结构，增加双歧杆菌、乳酸杆菌等益生菌的表达丰度，通过调节肠‑脑轴的功能来起到改善宿主行为和认知的作用。益生元低聚果糖喂养可以改善应激和阿尔茨海默病动物的行为学异常。Yang等[29]在全身麻醉腹部手术术前和术后连续使用益生元低聚半乳糖对成年大鼠进行喂养，发现围手术期接受益生元喂养大鼠较普通饮食大鼠其全身麻醉手术后大脑激活小胶质细胞数量明显减少，同时促炎因子水平也显著降低，并且通过行为学实验证明益生元喂养对术后认知功能损伤有一定的改善作用。

5.1.3　非饮食干预法

目前，一些非饮食的方法也发现具有调节肠道菌群进而改善宿主大脑功能的作用。代谢综合征是肠道菌群紊乱参与的一类重要疾病，通过适宜的运动锻炼，可恢复健康菌群稳态，进而改善代谢综合征的异常表现。Feng等[32]发现，代谢综合征表型大鼠较对照大鼠更容易出现全身麻醉手术后认知损伤，而术前进行连续6周的运动锻炼，可显著增加大鼠术后肠道菌群多样性，改善肠道菌群结构，抑制术后大脑神经炎症反应，进而改善术后认知功能。

母牛分枝杆菌是一种非结核分枝杆菌，对人和动物都不致病。皮下注射母牛分枝杆菌可改变肠道菌群结构和多样性。术前进行皮下注射母牛分枝杆菌可显著降低老年大鼠术后大脑促炎因子IL‑1β表达水平，提高抗炎因子IL‑4表达水平，并改善术后学习记忆能力[33]。值得注意的是，这项研究还观察了皮下注射母牛分枝杆菌对成年大鼠（3月龄）全身麻醉术后认知功能的影响，但由于成年大鼠在术后3 d时并未出现认知损伤，所以无法证实皮下注射母牛分枝杆菌是否对成年大鼠术后认知功能具有影响。因此，皮下注射母牛分枝杆菌的方法是否能够改善成年患者术后认知损伤，仍待进一步研究。

5.2　临床研究

近期发表了一项临床随机对照研究，观察了围手术期益生菌喂养对围手术期认知功能的影响[34]。该研究共纳入120例行髋或膝关节置换术以及结直肠癌手术，年龄60~90岁的老年患者，随机分为益生菌喂养组和安慰剂对照组。益生菌喂养组患者在入院后开始服用混合益生菌胶囊（长型双歧杆菌、嗜酸乳杆菌和粪肠球菌活菌）至出院。该研究主要终点为POCD发生率，患者的认知功能通过使用简易精神状态检查（Mini‑Mental State Examination, MMSE）量表分别在入院和术后8 d进行评估。研究结果显示，益生菌喂养组患者POCD发生率明显低于安慰剂对照组（5.1%比16.4%，P=0.046）。此外，该研究还发现益生菌喂养组患者术后5~7 d血浆炎症因子IL‑6和皮质醇下降水平显著高于安慰剂对照组。这些结果提示，围手术期混合益生菌喂养能够通过调节肠道菌群，进而改善术后炎症和应激反应，从而对POCD的发生起到预防作用。但是，该研究对于POCD的诊断仅使用了MMSE量表，这一工具虽然常用于认知异常的筛查，但其过于简单并且敏感性较差，并非诊断POCD的最佳工具，因此未来仍需要开展更多的临床研究，更加系统地对调节肠道菌群对POCD的预防作用进行评价。

现有证据已充分表明肠道菌群的稳态对于大脑功能调节起着至关重要的作用。肠道菌群紊乱会通过肠‑脑轴多个途径对认知功能造成不良影响。目前的证据提示，麻醉和手术介导的术后肠道菌群紊乱参与了PNCD。此外，研究结果表明以调节肠道菌群为靶点，通过饮食或非饮食的方法调节肠道菌群紊乱能够对PNCD起到有效的干预作用。未来需要更多设计合理的临床研究对调节肠道菌群预防和治疗PNCD的安全性和有效性进行更为全面的探究。