菌群靶向治疗对围术期及非围术期认知功能障碍的影响
鲁礎睿1译 王伊凡2译 代志明2修订
1. 大连医科大学麻醉学系
2. 咸阳市第一人民医院麻醉科
01、摘要
背景
肠-脑轴包含肠道菌群与中枢神经系统之间的相互通信。本项研究旨在探究益生菌和益生元,即菌群靶向治疗(Microbiome-targeted Therapies, MTTs),能否改善认知及预防术后认知功能障碍(Post-operative Cognitive Dysfunction, POCD)。
方法
我们通过检索系统数据库检索(PubMed、EMBASE、Cochrane Library、Web of Science),确定了相关的动物及人体研究,并着重于MTTs对炎症、围术期及非围术期认知功能障碍的影响。筛选及数据提取由两位研究人员独立进行。动物研究采用SYRCLE工具评估偏倚风险,临床研究采用RoB-2工具评估偏倚风险。
结果
共24项研究纳入,包括16项动物研究和8项临床研究。研究结果表明,MTTs可以降低围术期及非围术期炎症反应。在16项动物研究中,5项为围术期研究(其中2项与谵妄相关,3项与POCD相关),研究发现MTTs能显著改善围术期认知功能,减轻炎症反应。另外11项动物研究为非围术期研究,在所有的动物研究中,MTTs显示出对学习和记忆功能的改善作用。MTTs下调促炎细胞因子水平,并上调与认知功能相关的生物标志物水平。在8项临床研究中,仅有1项研究了MTTs与围术期认知功能的相关性。该项研究表明,MTTs能够降低POCD的发病率同时改善患者的认知功能。其余7项非围术期研究中,6项研究结果表明MTTs改善了非围术期患者的认知行为测评结果及认知能力,另1项研究表明MTTs与记忆、炎症生物标志物、氧化因子水平等无显著相关。
结论
本项系统评价研究显示MTTs在围术期及非围术期可通过下调炎症细胞因子和氧化应激来降低炎症反应。MTTs可能通过神经、免疫、内分泌和代谢途径对认知功能产生积极影响。然而,这些影响尚未达成关于预防策略或治疗方法的共识。基于目前的研究结果,我们认为MTTs可能是一种潜在的新型预防术后认知功能障碍的策略。
02、前言
近年来越来越多的研究证实,肠-脑轴即胃肠道内菌群与大脑之间存在相互通信。研究认为,菌群对宿主功能的影响远超出胃肠道疾病范畴,如肥胖、糖尿病、心血管疾病、自闭症以及神经认知障碍(包括轻度认知障碍及阿尔兹海默症)等。其中,肠道菌群与POCD的相关性越来越受重视。POCD指麻醉手术后患者的认知改变或减退,通常持续数周或数月。在60岁以上患者中,预估发生率为25~42%。患者注意力、记忆力和专注度长时间功能异常,能够引起永久性认知功能障碍或痴呆的风险。肠道菌群可能通过中枢神经系统中的促炎细胞因子和氧化应激反应影响认知功能。研究表明,在人类和动物模型中神经炎症与AD和POCD的发生发展相关。神经炎症一般与以下因素相关:血脑屏障(BBB)的破坏,小胶质细胞和星形胶质细胞的激活,手术、创伤和麻醉等造成的氧化应激。近年来有临床前研究表明,一些围术期药物如麻醉药、阿片类镇痛药和抗生素可能通过改变肠道菌群的构成或多样性来影响术后认知功能。围术期的应激源(如情绪、环境、生理、手术损伤、药物及感染等)会导致肠道菌群变化及失调。肠道菌群的构成可能发生快速且极端的变化,并可能导致多器官功能障碍(如神经、呼吸、胃肠道、心血管和肾脏)。有研究发现,MTTs尤其是补充益生菌和/或益生元,可以通过免疫、代谢和内分泌途径改善肠道菌群的平衡并调节神经功能。目前为止,多数与MTTs相关的围术期研究主要关注于感染性疾病,如呼吸机相关肺炎和手术部位的感染,而与认知功能相关研究较少。
因此,本项系统评价旨在研究MTTs与认知功能障碍的相关性并进一步探讨神经炎症通过肠-脑轴引起认知功能障碍的病理生理机制。
03、方法
合格标准
研究纳入了MTTs与动物或人类(成年人,尤其是老年人)认知功能相关性的的随机对照研究或交叉研究。非认知功能研究及非英文文献研究予以排除。临床研究方案部分在PROSPERO网站注册(ID:CRD42020178197),动物研究部分无需在线注册。
文献检索
本系统综述严格依据PRISMA方案实施,两位独立作者分别使用PubMed, EMBASE, Cochrane和Web of Science检索相关文献(截止日为2021年10月),检索关键词为:microbiome,microbiota(菌群), gastrointestinal microbiome(胃肠道菌群),probiotic,probiotics(益生菌), cognitive dysfunction(认知障碍),delirium(谵妄),cognitive impairment(认知障碍), confusion, mental deterioration(精神障碍),cognition disorders(认知障碍), anesthesia/adverse effects(麻醉/不良反应),postoperative complications/therapy(术后并发症/治疗), postoperative complications/prevention and control(术后并发症/预防及控制), dysbiosis/therapy(失调/治疗),inflammation/drug therapy(炎症/药物治疗), inflammation/complications(炎症/并发症),aged,elderly and geriatric(老年及超高龄病人)。同时对相关文章和灰色文献的参考文进行进一步检索。
数据选择及提取
通过浏览文章标题和摘要,根据如下标准排除相关性较低的文献:(P)人口:老年或成人,(I)干预:MTTs,如补充益生菌和/或益生元,或与安慰剂相较的粪便菌群移植,(O)结果:预先定义的临床预后,如认知功能改善或恶化、术后并发症、生物标志物的差异,包括蛋白或mRNA的表达差异。所有纳入研究均为英文撰写。
数据收集和论文质量评估
数据是从纳入的动物研究和临床研究中收集的。在动物研究中,数据包含了如下信息:动物模型、鼠龄、益生菌或益生元的类型、干预时长和结局。在临床研究中,则包含患者年龄、疾病、益生菌类型、干预时长和结局。
两位作者应用RoB2工具独立评估了临床研究的文献质量,RoB2包含5个领域:1)随机化过程中的偏倚,2)偏离既定干预措施的偏倚,3)结局数据缺失的偏倚,4)结局测量的偏倚,5)选择性报告结果的偏倚。我们对每项偏倚进行评估,确定了系统评价结果的总体偏倚风险。
此外,我们应用SYRCLE风险偏倚工具评估动物研究的文献质量,其包含1)选择性偏倚,2)实施偏倚,3)测量偏倚,4)损耗偏倚,5)报告偏倚,6)其他偏倚。此工具是基于Cochrane RoB工具设计的,用于动物干预研究中对文献偏倚的评估。SYRCLE风险偏倚工具是评估动物干预研究方法学质量最常用工具。
04、结果
文献检索
文献检索的结果分为两组:1)动物研究中的MTTs与认知功能障碍,2)临床研究中的MTTs与认知功能障碍。检索文献1631篇(1616篇通过数据库检索,15篇通过手动检索)。1458篇论文因缺乏相关性而被排除,通过阅读摘要或非英文撰写排除另外29篇文献。最终,纳入16篇动物研究文献和8篇临床研究文献(图1)。在16项动物研究中,5项研究与围术期认知功能障碍相关(2篇与谵妄相关,3篇与POCD相关)。8项临床研究为随机、双盲、安慰剂对照试验,其中7项为非围术期研究,1项为围术期研究。所有临床研究纳入人群的年龄范围是50~100岁。
偏倚风险
每项研究都存在偏倚风险,其中3项研究的总体偏倚风险为低风险,4项研究为可能存在偏倚风险,1项研究归为可能存在高风险。动物研究的SYRCLE的偏倚风险评估中,16项研究共存6类偏倚,其中1项研究在所有类别中为低风险,另外15项研究在6项评价中的至少一个方面因缺乏信息而存在偏倚。
05、肠道菌群,MTTs和动物的认知功能关系
围术期认知功能改变的动物研究
在评估MTTs对认知功能影响的16项动物研究中,有5项研究了围术期动物的认知功能变化。其中4项是应用益生元或益生菌的干预性研究(表1),另1项为粪菌移植。通过行为测试(包括水迷宫测试、新物体识别实验和广场实验)的评估,这些研究的共同发现是记忆功能和/或行为有所改善。这些研究检测了麻醉/手术后肠道菌群组成的改变,据Jiang等报道,术前给予VSL#3(几种益生菌培养物的混合)预处理10天的小鼠,在术后48小时粪便样本的实时定量PCR检测结果显示,37种在麻醉/手术过程中改变的菌种有8种恢复到基线水平。而这种现象在未手术的VSL#3组中没有发现。Yang等报道,在麻醉/手术前行3周的益生元治疗,能显著缓解术后的认知功能减退,且能改变肠道菌群的β多样性。Liu等发现,麻醉/手术会引起老年小鼠肠道菌群组份的显著改变。麻醉/手术后这些小鼠的谵妄行为,能通过术前唾液乳杆菌和鼠李糖乳杆菌治疗得到缓解。由Wen等进行的益生菌干预性研究发现,应用乳杆菌混合物也减少了麻醉/手术引起的老年小鼠POCD。Zhan等进行的研究评估了不同粪便细菌在小鼠POCD中的差异,发现Dehalobacteriaceae科和Dehalobacterium属与POCD发生显著相关。总之,以上研究表明围术期MTTs可以通过调节肠道菌群改善认知功能。
非围术期认知功能改变的动物研究
我们总结了11项非围术期干预性研究。6项研究使用阿尔兹海默症模型小鼠或药物诱导的神经炎症模型小鼠,3项使用SAMP8小鼠,2项使用痴呆模型小鼠(表2)。有研究报道,与年龄匹配的正常小鼠相比,模型鼠肠道菌群的构成与之有显著差异。Chen等报道,补充益生元改善了AD模型小鼠肠道菌群的多样性。对AD模型小鼠的在体研究发现,益生元改善了小鼠空间学习和记忆能力。多巴胺(DA)、5-羟色胺(5-HT)和脑源性神经营养因子(BDNF)的表达与记忆缺陷相关。SAMP8和痴呆模型小鼠的研究发现,空间学习和记忆功能的改善与血清和大脑中DA, 5-HT和BDNF水平的增加相关。此外,所有研究中都发现SCFAs水平升高,SCFAs可能通过直接体液反应、内分泌、免疫以及神经通路影响大脑。这些发现表明MTTs可能通过调节神经递质和SCFAs,对认知功能产生积极影响。
06、肠道菌群和MTTs对人类认知功能的影响
围术期认知变化的临床研究
Wang等实施了一项围术期MTTs与认知功能相关性的临床随机对照研究。受试者为接受非心脏手术的老年患者,患者住院期间,被分为摄入口服益生菌组(长双歧杆菌、嗜酸乳杆菌及粪肠球菌的组合)或安慰剂组。研究结果发现,益生菌组POCD的发生率低于安慰剂组(5.1% vs 16.4%, P = 0.046)。此外,与对照组相比益生菌组术后的血浆IL-6及皮质醇水平更低(IL-6:-117.90 ± 49.15 vs -14.93 ± 15.21, P = 0.044;皮质醇:-158.70 ± 53.52 vs 40.98 ± 72.48, P = 0.010)
非围术期认知功能临床研究
过去十年中,一些研究表明MTTs可能会影响神经系统疾病。这些研究主要关注了精神疾病,如焦虑、情绪障碍和抑郁。一些研究和系统综述报道了肠道菌群或MTTs与认知衰弱之间的关系,包含了其对MCI、AD、帕金森病和痴呆的影响(表3)。一份对AD患者肠道菌群成份的分析表明,AD患者的菌群中抗炎菌株的丰度降低,而促炎菌株的丰度升高,且这种改变与全身炎症的生物标志物向促炎状态的转变相关。有研究表明,这种变化可以通过摄入益生菌和益生元,或特定饮食逆转,这种饮食包括改良的地中海生酮饮食和高脂牛奶。一项对AD患者的干预性研究表明,连续12周饮用含有乳酸菌、干酪乳杆菌、两歧杆菌及发酵乳杆菌的乳饮料后,简易智能精神状态检查量表(MMSE)评分、超敏C反应蛋白(hs-CRP)及氧化应激产物丙二醛(MDA)均有改善。另一项对AD患者的研究评估了联合使用硒和益生菌制剂(包含嗜酸乳杆菌、双歧杆菌和长芽孢杆菌)的效果,结果显示患者的MMSE评分提高,而血清hs-CRP、胰岛素和评估胰岛素抵抗的稳态模型(HOMA-IR)水平降低。有报道证实,糖代谢异常及胰岛素抵抗与AD的发生和进展有关。然而,在另一项类似的对AD患者的研究中,通过检测认知功能及生化因子的改变,并未发现含乳酸菌或双歧杆菌的益生菌制剂有正向作用,作者认为益生菌无效可能是受AD的严重程度、其在突触减少及神经衰弱进展中的不可逆性影响。一项随机对照试验表明,MCI患者连续摄入植物乳杆菌C29发酵大豆12周后,其认知功能(尤其注意力)得到了改善。这种改善与血清BDNF水平升高呈正相关。在另一项对117名有记忆缺陷的老年受试者的调查发现,连续服用益生菌B. breve补充剂12周后,受试者的“瞬时记忆”显著改善。众所周知,微生物(尤其是双歧杆菌)具有产生丙酸和调节下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴的作用,这对学习、记忆等认知过程十分重要。Mohammadi等进行的一项研究表明,连续服用益生菌酸奶和多种益生菌胶囊补充剂6周不会影响HPA轴,但一般健康问卷(GHQ)和抑郁、焦虑和压力量表(DASS)在干预组有显著改善。
07、讨论
主要发现
本研究聚焦于MTTs能否改善围术期和非围术期的认知功能。16项动物研究结果表明MTTs对围术期和非围术期的认知都有积极的影响。8项临床研究中,只有一项研究关注了MTTs在围术期的影响,该研究表明,益生菌组POCD的发生率显著低于安慰剂组。另外7项研究显示MTTs改善了非围术期患者的认知功能。
益生菌的流行病学
据评估医生应用益生菌的研究报告来看,51%的医生在行医过程中至少会向部分患者建议应用益生菌。一项研究表明,越来越多的住院患者在美国医院接受了益生菌治疗,出院患者的益生菌应用比例从2006年的1.0%增加到了2012年的2.9%。
益生菌的利与弊
表4列举了部分益生菌产品。一般而言,多数人都认为益生菌和益生元具有促进健康的作用。然而,2019年发表的一篇综述称,在某些情况下应用益生菌会产生副作用,这些副作用包含全身感染、胃肠道副作用、皮肤并发症及心内膜炎。最常报道的是由酿酒酵母及其亚种S.boulardii引发的真菌血症。S. cerevisiae(面包酵母)是一种有益真菌,是人类胃肠道系统的常见定殖体,在欧洲被用于治疗和预防艰难梭菌相关性腹泻。所有报道的真菌血症或败血症均见于免疫抑制者、危重患者及老年患者,所以此类患者应谨慎应用益生菌。此外,肠道菌群的一种代谢物氧化三甲胺(TMAO),已被证明对许多疾病的发病有促进作用,包括心血管疾病和AD。高循环TMAO可通过增加促炎细胞因子、小胶质细胞活化和活性氧含量加重老年鼠术后海马体依赖性认知功能障碍。
神经炎症、衰老及POCD
衰老、脑血管疾病既往史、饮酒、阿片类药物、低学历均与POCD发生相关。HPA和胆碱能抗炎通路的激活(手术应激相关)也是POCD发生的潜在围术期危险因素。近年来,神经炎症被认为是造成神经元凋亡、神经元突触可塑性和合成降低的重要机制之一。衰老与慢性低级别促炎环境的形成有关,这称为“炎性衰老”。炎症还可导致脑血屏障(BBB)的破坏,小胶质细胞和星形胶质细胞的激活,以及小胶质细胞表型从静息状态(M2)向炎症表型(M1)转化,即小胶质细胞活化。除了炎性衰老,手术也可能引起全身炎症,其通过激活NFkB而增加TNF-α的合成、减少紧密连接蛋白,导致内皮细胞和血管周围细胞的损伤。综上,这些作用增加了血脑屏障的渗透性。老年患者的小胶质细胞启动过程一旦受到围术期损伤的刺激,往往会延迟,从而产生细胞因子、活性氧和其他促炎因子,这可能加快围术期神经炎症的进展。损伤相关分子模式(DAMPs),如高迁移率族蛋白B1(HMGB-1)及S100钙结合蛋白(S100β)也参与了术后认知障碍的进展。手术和麻醉可以驱动树突细胞和巨噬细胞释放HMGB1,这则取决于组织损伤的严重程度。术后小胶质细胞和星形胶质细胞激活的同时,还出现了BDNF的减少,以及神经更替、突触更替及神经可塑性的改变。这些机制均可诱发术后认知功能障碍关键部位(如海马和纹状体)的神经炎症,从而导致POCD的发生。
菌群靶向治疗MTTs
根据WTO的定义,益生菌是“当摄入足量时,对宿主健康有益的活性微生物”,益生元是“一种选择性发酵的成分,其能使胃肠道菌群的构成和/或活性发生特定变化,从而对宿主的健康有益”。共生素是指益生菌和益生元合在一起的制剂。微生物可粘附于肠道粘膜上,从而在胃酸pH值和胃肠道中的胆汁中存活。MTTs主要可分为益生菌和/或益生元补充剂;粪便菌群移植。在本文中,我们对前者进行了总结。在文献中,补充益生菌和/或益生元的制剂通常用于:(1)增强胃肠道屏障功能,(2)提高对某些传染性细菌的免疫力,(3)提高定植抗力,(4)减轻炎症。这些功能可能有助于降低肠道pH值,产生抗菌物质,凝集有害细菌,促进肠道分泌粘液和保护物质产生,如SCFA。
MTTs对炎症的益处
衰老与慢性低级别促炎环境形成有关,称为“炎性衰老”。与年龄相关的菌群变化因多样性减少及炎性衰老,降低了肠道菌群的丰度和宿主免疫系统活性,且对破坏肠道屏障、丧失遏制细菌的能力有促进作用。基于上节所述机制,MTTs有望用于阻止细菌易位,抑制促炎因子的系统循环。在AD、痴呆或SAMP8小鼠模型中,围术期和非围术期应用益生菌和益生元显著降低促炎细胞因子(包含IL-6,TNF-α)、小胶质细胞活化及氧化水平。
有研究提供了MTTs降低炎症临床数据。一项meta分析探究了益生元和合生素对全身炎症的影响,结果表明,在系统系炎症患者人群中,补充益生元和合生素与降低炎症标志物(包含CRP、IL-6和TNF-α)相关。其他研究结果表明,择期手术患者围术期应用益生菌,IL-6、IL-1β和CRP等标志物水平显著下调。
限制
本综述也有局限性。第一,一些文献的摘要或全文无法线上获得而被排除,这些文章中可能存在与本研究相关的数据。第二,几篇报道MTTs发挥积极作用的文章都来自动物研究。Nagpal等报道了鼠肠道菌群的宿主物种特异性的特征及其与人类的异同,他们发现,基于菌群的β多样性,小鼠的菌群似乎比大鼠更接近人类。本研究还证明了人类菌群的厚壁菌门/拟杆菌门比例高于鼠。人类肠道菌群以拟杆菌属为主,而小鼠肠道菌群则以S24-7科的菌类为主,而大鼠菌群中普氏菌属含量更高。此外,鼠类粪便中的乳酸含量高于人类,而人类粪便中的醋酸含量最高。考虑到物种差异,在将结果应用于人类时,我们应当谨慎。
08、最终评论
当前研究认为,益生菌、益生元和合生素疗法可以改善肠道菌群的构成和渗透性。肠道通透性通常随着年龄的增长而增加。图2为POCD中菌群-肠-脑轴潜在的机制通路图。MTTs可能会通过提高SCFAs产量而改善手术引起的炎症。此外,微生物可以促进有益神经递质(如BDNF)的合成,因其处在大脑中学习和记忆的重要功能区域,故可以改善细菌易位、全身炎症或神经炎症,因此,MTTs可能会减轻POCD的严重程度。然而,支持MTTs的数据还不充足,仍需要有进一步的基础和临床研究,尤其是应用不同菌株、剂量水平及其组合的更大规模的随机对照研究加以证实。此外,若将益生菌和益生元的干预时间作为特定变量,进行与认知功能障碍相关的可测量生物学和临床结果相关的研究,将得出更客观的结论。
参考文献:The effects of microbiome-targeted therapy on cognitive impairment and postoperative cognitive dysfunction-A systematic review. PLoS One. 2023 Feb 7;18(2):e0281049. doi: 10.1371/journal.pone.0281049. eCollection 2023.
作者
代志明 博士
代志明,咸阳市第一人民医院麻醉科学科带头人,麻醉与脑研究室主任,博士,副主任医师,副研究员,H指数(h-index)14。2016年毕业于西安交通大学,获临床医学专业博士学位。研究方向为生物信息学分析临床应用、肠道菌群与心血管疾病临床与基础,已发表SCI论文30篇。其中通讯作者或第一作者发表SCI论文10篇,总影响因子IF=42,单篇SCI最高影响因子IF=12.09,单篇SCI论文最高他引次数190次。参与国家自然科学基金面上项目1项,主持西安交通大学横向课题1项,授权发明专利1项。担任国际知名期刊Scientific Reports、Annals of Hematology、World Journal of Surgical Oncology等SCI期刊的独立审稿人。学会任职:中国抗癌协会整合肿瘤学分会委员;陕西省医师协会疼痛医师专业委员会委员;陕西省医师协会麻醉学分会委员。
内容来源:代志明博士投稿
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