综述：微生物组相关代谢物在创伤性脑损伤中的作用及其临床意义：一项范围综述

《Neurocritical Care》：The Role of Microbiome-Associated Metabolites and Their Clinical Implications in Traumatic Brain Injury: A Scoping Review

　　

创伤性脑损伤(TBI)是一个重大的公共卫生挑战，具有异质性机制和有限的靶向治疗。尽管神经重症监护取得了进展，但能够显著改变长期预后的干预措施仍难以实现，治疗主要仍为支持性。与此同时，来自临床前模型和人体研究的越来越多证据表明，肠道微生物组通过微生物组-肠-脑轴（microbiome–gut–brain axis）——一个连接中枢神经系统、胃肠道和肠道微生物群的双向网络——作为神经损伤和恢复的动态调节因子。TBI及神经重症监护（包括机械通气、镇静、饮食调整和抗生素）会导致菌群失调(dysbiosis)和微生物代谢物产生改变。这些生物活性分子，如短链脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFAs)、色氨酸代谢物(tryptophan metabolites)、胆汁酸(bile acids)和多胺(polyamines)，在调节血屏障完整性、免疫激活、神经传递和能量代谢中发挥关键作用。在TBI中，新兴的临床前和临床数据表明，这些代谢物水平的变化可能影响继发性损伤级联反应并塑造恢复过程。在本综述中，研究人员综合了当前关于TBI后微生物组改变和微生物组相关代谢物信号传导的TBI特异性临床前和临床数据，并将这些发现置于微生物组-肠-脑研究的更广泛背景中。理解这些通路可为未来优化治疗的策略提供信息，包括靶向微生物组调节、饮食干预或代谢物补充。研究人员指出了关键的知识空白，并概述了转化研究的优先事项，以确定监测和治疗性操控微生物组-肠-脑轴能否改善患者的恢复轨迹。

**Introduction**
引言部分指出，肠道微生物组包含数万亿细菌、病毒、真菌和其他微生物，与人类共生，维持宿主稳态和应激反应，同时依赖宿主获取营养和稳定生态位。肠道微生物通过双向信号网络——微生物组-肠-脑轴(microbiome–gut–brain axis)与神经系统通信，该轴逐渐被认为是神经健康与恢复的关键决定因素。过去十年中，针对创伤性脑损伤(TBI)的微生物组-肠-脑轴研究逐渐增多，包括使用体内模型的机制性研究及对儿童和成人TBI患者的描述性研究。这些研究基于以下前提：TBI后微生物组因(1)微生物组与大脑间互作中断、(2)损伤的系统性效应、(3)住院、重症监护、饮食改变和抗生素暴露等相关因素而被破坏。临床前研究表明，靶向微生物组的疗法可能成为促进TBI恢复的新靶点；但人体数据仍主要为观察性且统计功效不足。除微生物群落结构外，肠道微生物产生的代谢物——如短链脂肪酸(SCFAs)、色氨酸衍生物、次级胆汁酸和多胺——在微生物组-肠-脑轴中作为关键信号分子，具有多种效应，包括影响小胶质细胞激活、血脑屏障完整性和神经递质系统。本范围综述总结了关于微生物代谢物对TBI影响的临床前和临床研究，并在相关数据有限时从其他神经系统疾病和危重症队列中推演可能效应，旨在为TBI后危重症患者的微生物代谢物靶向策略开发提供信息。

**Technical Advances in Microbial Metabolites Research**
该部分总结了微生物代谢物研究的技术进展。早期人类微生物组计划揭示，许多与人体相关的物种是功能不明的共生菌。过去十年中，测序技术的快速发展将微生物组研究从基础分类学描述推进至深度功能分析。靶向qPCR用于识别特定菌种，而高通量16S rRNA基因测序和全基因组鸟枪法宏基因组学实现了微生物分类的精确鉴定、菌株水平解析和功能基因含量预测。分析化学的并行进步，特别是高分辨率液相色谱-质谱联用(LC–MS)、气相色谱-质谱联用(GC–MS)和核磁共振波谱(NMR)技术，彻底改变了高灵敏度和特异性鉴定及定量微生物代谢物的能力。靶向和非靶向代谢组学平台能捕捉肠道微生物产生的广泛生物活性分子。结合同位素示踪和稳定标记技术，研究人员可绘制代谢物来源、追踪其全身分布并确定直接分子靶点。这些工具正在被系统性地应用于TBI模型和队列（如实验性TBI后SCFA谱分析、TBI患者胆汁酸谱分析和严重TBI患者血清代谢组学分析），使研究范围超越简单多样性指标，将特定微生物功能与宿主生理和疾病状态联系起来。

**Eubiotic vs. Dysbiotic Microbiome**
该部分描述了健康肠道微生物组（共生状态）与菌群失调状态的特征。健康肠道微生物组以高物种丰富度、均匀度和功能多样性为特征，群落结构稳定且具适应性。α多样性反映单个样本内的丰富度和均匀度，健康状态下通常较高，确保关键代谢和保护功能在短暂扰动下仍可持续；β多样性描述个体间或同一宿主不同部位的微生物组成差异。健康肠道以厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)的共生菌为主，两者合计占细菌序列的80%以上，维持消化效率和代谢稳态。菌群失调(dysbiotic)肠道微生物组表现为群落组成、结构或功能的变化超出系统稳定特性并损害宿主-微生物共生。TBI及其伴随的神经重症监护环境被认为是对肠道微生物组最具破坏力的因素之一，临床前证据显示实验性损伤后快速出现菌群失调，早期临床研究也证实重症监护室(ICU)管理引起显著微生物组变化。危重症患者的微生物组以多样性降低、病原菌富集和位点特异性丧失为特征。然而，TBI特异性（区别于重症疾病和管理的一般效应）引起的微生物组破坏的精确程度和纵向轨迹仍不完全明确，构成关键知识空白。

**Preclinical Investigations of the Microbiome in Traumatic Brain Injury**
该部分总结了TBI中微生物组的临床前研究。在实验性TBI后数小时至数天内，小鼠和大鼠的α多样性显著降低，属和种水平组成发生变化，专性厌氧菌减少，兼性/致病类群相对扩张。这些变化已在不同损伤严重程度和模型中被报告。实验性工作还记录了肠道通透性增加和细菌产物易位，将早期菌群失调与系统性内毒素血症和外周免疫激活联系起来。机制性研究通过抗生素耗竭共生菌或通过益生元、粪菌移植等治疗策略操控微生物组，可改变损伤后神经炎症、神经发生和行为结局，支持肠道微生物及其代谢物在继发性损伤级联中的因果作用。例如，Ma等人的研究首次证明了TBI后大脑与肠道之间的双向相互作用：TBI触发快速且持续的肠道改变，包括肠道通透性增加、上皮形态改变和肠道动力及免疫张力的显著变化，伴随显著菌群失调（关键共生类群减少、机会菌扩增）；同时，实验性菌群失调（由鼠柠檬酸杆菌感染诱导）加剧了胶质细胞激活和慢性神经病理结局，确认了微生物组-肠轴在TBI后恢复轨迹中的因果角色。重要提示：在TBI患者中观察到的许多微生物组变化（多样性降低、病原菌富集、位点特异性丧失）是重症疾病的普遍特征而非神经创伤所特有，区分特定于TBI的变化与ICU一般效应在临床研究中仍具挑战。

**Clinical Investigations of the Microbiome in Traumatic Brain Injury**
该部分总结了TBI中微生物组的临床研究。临床研究虽较少且异质性大，但提供了初步证据表明人类TBI与肠道微生物组扰动相关，并将这些变化与神经ICU暴露及神经学结局联系起来。在一项前瞻性儿童严重TBI队列中，Rogers等人报告了ICU病程中微生物组的时空变化，包括多样性降低、机会病原菌富集和位点特异性丧失。抗生素暴露（尤其是具有抗厌氧活性的广谱抗生素）与更大的微生物组扰动强相关。SCFA产生菌（主要是厚壁菌门和拟杆菌门的专性厌氧菌）对常用抗生素敏感。重要的是，这些变化随时间未改善，反而随在ICU停留时间延长而更显著。抗生素和机械通气等暴露与患者-健康对照间更大差异相关，而肠内营养则与差异减小相关。这些发现与临床前数据和一般ICU菌群失调文献一致，但也提示TBI患者有独特的暴露因素（如神经外科手术、镇静方案）可能塑造微生物组轨迹。然而，这些发现并非普遍，其他报告未显示TBI患者与无TBI史患者之间的差异。聚焦于TBI幸存者的纵向研究仍有限，但新兴报告提示微生物组改变可持续超过急性期，并可能与慢性神经精神症状和系统性共病相关。

**Microbial Metabolites and TBI**
该部分指出，肠道微生物群构成高度活跃的代谢群落，如同“额外器官”持续处理饮食、内源性和外源性底物，产生大量代谢物介导宿主-微生物互作并影响肠道和远端器官（包括大脑）。代谢组学平台（能检测氨基酸、有机酸、生物胺等）适合识别肠道微生物来源化合物，是TBI代谢组学研究的自然演变。通过发酵膳食纤维，共生菌产生短链脂肪酸(SCFAs)，如乙酸、丙酸和丁酸，为结肠细胞供能、增强肠道屏障完整性并调节免疫细胞活性。微生物对饮食和宿主来源色氨酸的代谢产生吲哚和犬尿氨酸通路中间体，可影响肠上皮信号、芳烃受体(AhR)激活、神经炎症和中枢神经系统(CNS)功能。次级胆汁酸通过细菌对初级胆汁酸的解离和转化形成，参与脂质代谢并通过宿主受体（如FXR和TGR5）影响代谢和免疫通路。此外，肠道微生物产生多胺、维生素（维生素K、B族维生素）等生物活性分子，调节宿主代谢、炎症和神经元信号。以下聚焦四类代谢物：SCFAs、色氨酸代谢物、次级胆汁酸和多胺，注意TBI相关证据有限但增长，必要时谨慎从更广泛神经系统或系统性疾病文献推演。

**Short-Chain Fatty Acids**
在TBI模型中，菌群失调常伴随粪便和系统性SCFA水平降低，与肠道通透性增加和系统性炎症相关。丁酸(butyrate)具有抗炎特性，通过增强紧密连接蛋白表达维持肠道上皮屏障功能。产丁酸菌的丧失损害肠道屏障完整性，促进脂多糖(LPS)等微生物成分易位，加剧系统和神经炎症。肠道来源的SCFA是肠道T淋巴细胞的关键调节因子，这些细胞在CNS损伤（如TBI或卒中）后迁移至大脑。乙酸(acetate)是门静脉和体循环中浓度最高的SCFA，可穿过血脑屏障，是小胶质细胞成熟和代谢功能所必需。临床前TBI研究中，补充丁酸或产丁酸益生菌可减少神经炎症标志物、降低小胶质细胞激活并改善损伤后行为结局；补充乙酸、丁酸和丙酸可减轻组织体积丢失、增加粪便微生物多样性并降低炎症。Xiong等人的研究显示，在控制性皮层撞击小鼠模型中，长期（6个月）补充乙酰化和丁酰化高直链玉米淀粉(HAMSAB)可改善空间记忆和筑巢行为，维持粪便乙酸和丁酸浓度，促进肠道微生物组重塑（富集Bifidobacterium、Akkermansia、Bacteroides和Acetatifactor等产SCFA菌属），并促进小胶质细胞向疾病相关小胶质细胞(DAM)表型分化（具有增强吞噬和碎片清除能力而非促炎激活），减少周挫伤区皮层中神经退行性疾病相关基因表达和磷酸化tau沉积。然而，目前尚无临床数据将SCFA与TBI结局直接关联，也无SCFA靶向干预试验在TBI患者中完成。

**Tryptophan Metabolites**
部分膳食蛋白（约6-18克/天）逃逸消化进入结肠，成为微生物发酵底物。色氨酸(tryptophan)作为必需氨基酸，是多种生物活性代谢物（影响免疫功能、神经传递和神经炎症）的关键前体，可能调节TBI进展和恢复。肠道微生物调节色氨酸可用性，将其导向三大代谢途径：犬尿氨酸通路、5-羟色胺合成和吲哚衍生物产生，均影响CNS。犬尿氨酸通路是色氨酸降解的主要途径，产生犬尿氨酸、犬尿喹啉酸和喹啉酸。干扰素-γ(IFN-γ)（TBI后急性和慢性时间点循环和组织中升高）是吲哚胺2,3-双加氧酶1(IDO1)的强效诱导剂，催化犬尿氨酸通路的限速步骤。在TBI临床前模型中，IDO1在周挫伤组织中上调（可能在小胶质细胞和浸润巨噬细胞中）。外周产生的犬尿氨酸可通过完整的血脑屏障（通过大中性氨基酸转运体1(LAT1)主动转运）或通过TBI后破坏的血脑屏障进入CNS。在TBI临床前模型中，给予天然吲哚的生物可利用形式BR4044可保留感觉运动功能并减少神经元丢失。犬尿氨酸通路代谢物通过调节N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体发挥背景依赖的神经毒性或神经保护效应：3-羟基犬尿氨酸和喹啉酸促进兴奋性毒性和氧化应激，而犬尿喹啉酸可具神经保护作用。临床证据显示，严重TBI患者脑脊液中喹啉酸浓度在损伤后约72小时显著升高，且前5天较高水平与6个月不良预后相关；血浆分析显示慢性改变包括犬尿氨酸:色氨酸比值升高（提示IDO1活性增强）和犬尿喹啉酸:犬尿氨酸比值降低（提示神经保护代谢物产生减少）。此外，犬尿氨酸能激活炎症小体并促进促炎白介素IL-1β和IL-18分泌。这一偏向神经毒性代谢物的失衡代表了一个潜在的神经代谢级联反应，急性及慢性神经炎症反应均参与其中。色氨酸产生吲哚主要通过肠道细菌的独特酶途径（色氨酸酶直接转化色氨酸为吲哚，芳香族氨基酸氨基转移酶(ArAT)转化为吲哚-3-丙酮酸(IPYA)，进而产生吲哚-3-乳酸(ILA)和吲哚-3-乙酸(IAA)等衍生物）。吲哚通过芳烃受体(AhR)调节炎症反应并维持肠道屏障完整性，影响TBI后系统性炎症和神经免疫信号。3,3'-二吲哚基甲烷(DIM)是一种天然双吲哚，在流体冲击损伤模型中显示出神经保护效应：静脉注射高溶解度DIM制剂可减轻皮质和海马水肿、减少挫伤体积、保护皮层和CA3海马神经元，通过抑制AhR介导的促炎和促凋亡基因表达（包括抑制促凋亡转录因子Nr4a1、激活神经保护性TrkB/CREB/BDNF信号、抑制NLRP3炎症小体激活）改善感觉运动和认知缺陷。5-羟色胺(serotonin)是从色氨酸合成的单胺类神经递质，调节情绪、认知、疼痛感知和突触可塑性。肠道是5-羟色胺的主要产生部位（>90%由肠上皮嗜铬细胞合成，受微生物调节）。TBI后，肠神经系统(ENS)显示区域易损性，尤其结肠中胆碱能(Chat)和氮能(Nos1)神经元标志物持续下调。Frankot等人的研究显示，TBI短暂减少十二指肠和结肠中ENS标志物，结肠变化持续至伤后3天，伴随结肠5-羟色胺合成和降解通路改变（色氨酸羟化酶1(Tph1)表达降低，单胺氧化酶A(Maoa)和5-羟色胺转运体(Slc6a4)表达增加），整体减少5-羟色胺可用性。TBI引起的肠道病理具有区域特异性：急性期主要影响小肠（通透性增加、绒毛缩短、上皮脱落等），而慢性期（28天后）结肠通透性增强更显著，与微生物组变化密切相关。免疫荧光显示结肠黏膜中5-羟色胺免疫反应细胞数急性增加，随后每细胞荧光强度降低，导致恢复期循环5-羟色胺水平下降。TBI差异性地影响共生菌群，其丰度与5-羟色胺相关基因强相关，提示微生物-宿主5-羟色胺互作在脑损伤后被破坏，可能影响宿主和微生物的多种生理过程。

**Secondary Bile Acids**
次级胆汁酸(secondary bile acids)是肝脏合成并分泌至肠道的初级胆汁酸的微生物修饰衍生物，作为重要信号分子与法尼醇X受体(FXR)和G蛋白偶联胆汁酸受体(TGR5)结合，调节代谢、免疫和炎症通路。在TBI背景下，新兴研究提示次级胆汁酸谱存在改变，可能影响系统性炎症、肠道屏障完整性和神经炎症反应，参与复杂继发性损伤级联。临床前小鼠研究（You等人）显示，TBI导致血浆和粪便中初级胆汁酸和次级胆汁酸浓度在伤后24小时显著降低，尤其次级胆汁酸如脱氧胆酸(DCA)、石胆酸(LCA)和牛磺熊去氧胆酸(TUDCA)减少，这些代谢物此前被证明在肠道中具有抗炎特性。次级胆汁酸表现出复杂且背景依赖的免疫调节功能：DCA和LCA可通过激活炎症小体、氧化应激和破坏肠道屏障完整性促进促炎反应，而熊去氧胆酸(UDCA)则通过抑制NFκB信号、减少促炎细胞因子产生和促进调节性T细胞分化发挥强效抗炎效应。这种双重性质创造了微妙平衡：TBI后菌群失调可能使次级胆汁酸谱偏向促炎或抗炎物种。临床数据仍有限，一些针对危重症患者（包括脑损伤患者）的观察性研究报告了与系统性炎症和器官功能障碍严重程度相关的循环胆汁酸谱改变。TBI患者胆汁酸的纵向分析可阐明其作为损伤进展和恢复生物标志物的作用。

**Polyamines**
多胺(polyamines)（如腐胺、亚精胺和精胺）是由宿主细胞和肠道微生物产生的重要生物活性代谢物。微生物组通过氨基酸脱羧途径显著贡献肠道多胺池，其产生受饮食、微生物组组成和宿主生理影响。在TBI中，控制性皮层撞击模型研究发现，TBI触发多胺分解代谢酶（亚精胺/精胺-N1-乙酰转移酶(SSAT)和精胺氧化酶(SMO)）的显著且持久增加：SSAT mRNA在伤后2-6小时早期升高并持续至7天；SMO mRNA在伤后3-7天升高。多胺水平发生剧烈变化：腐胺（正常低水平）在6-72小时内升高达6倍，亚精胺先降低后在72小时升高50%，精胺在24小时轻度降低。SSAT活性产物N-乙酰亚精胺在24-72小时可检测到，证实分解代谢酶活性增加。免疫组化显示SSAT在损伤同侧神经元和胶质细胞中表达增加，尤其海马CA3锥体神经元和近挫伤皮层区域。增强的多胺分解代谢在TBI中是“双刃剑”：消耗有益多胺（精胺和亚精胺具有抗氧化和神经保护特性），同时生成毒性代谢物（H₂O₂、氨基醛和腐胺）。在严重TBI患者中，Banoei等人识别出多胺代谢的显著改变：腐胺在伤后6-72小时内急剧升高（达6倍）后降至骨科对照水平；精胺早期升高后持续升高。第1天腐胺早期升高伴随葡萄糖、乳酸和丙酮酸增加，反映原发性脑损伤机制（能量代谢破坏和氧化应激）；第4天精胺升高伴随兴奋性毒性标志物（谷氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸）和神经元降解标志物（酰基肉碱、溶血磷脂酰胆碱）增加，与继发性脑损伤过程相关。此外，TBI患者面临慢性创伤性脑病(CTE)和进行性神经变性的增加风险，可能由损伤自噬（导致神经毒性蛋白聚集体tau积累）和持续性神经炎症（由自身反应性T细胞介导）两个汇聚机制驱动。多胺亚精胺因其诱导保护性自噬（通过抑制乙酰转移酶导致自噬相关蛋白去乙酰化，增强毒性蛋白聚集体清除）和抑制自身反应性T细胞反应的双重能力而受到关注，可能成为预防CTE进展的潜在治疗候选物。

**Evidence for Microbial Metabolites in TBI Management**
该部分讨论了微生物代谢物在TBI管理中的证据。当前TBI患者的管理主要为支持性，饮食及其他影响肠道微生物组的因素在急性和慢性管理中的效应尚未阐明。概念模型突出了当前理解：ICU暴露（包括机械通气、镇静、饮食改变、抗生素）导致肠道菌群失调，后者影响微生物代谢物，而增强微生物代谢物提供治疗干预机会；微生物代谢物的治疗性操控可能减轻神经炎症和多器官功能障碍。益生菌可直接或间接补充代谢活性细菌以增强SCFA等代谢物产生。Tan等人对52例严重TBI患者（格拉斯哥昏迷量表GCS 5-8）的研究显示，每日鼻饲益生菌（长双歧杆菌、保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌）21天后，患者循环细胞因子水平改变（IFN-γ升高，IL-4降低），晚期感染率显著降低（4% vs. 38.5%, p=0.002），抗生素种类需求减少，ICU住院时间缩短。与益生菌相比，益生元补充或直接给予纯化微生物代谢物在TBI人群中可能具有显著优势：益生菌面临强大定植抵抗力和胃肠道恶劣条件（胃酸、胆汁盐、降解酶）的挑战，且严重TBI中系统性抗生素的频繁使用限制其效果；而益生元纤维选择性刺激患者肠道内已存在的有益内源性细菌生长，直接给予纯化代谢物（如丁酸盐或SCFA释放型抗性淀粉）可实现独立于细菌定植的可预测治疗浓度，允许剂量控制干预并避免向屏障功能受损的危重症患者施用活菌的安全性问题。

**Future Directions/Research Agenda**
未来研究方向部分指出，临床前和临床文献支持一个模型：TBI急性扰乱肠道生态系统（降低多样性、改变分类、耗竭保护性代谢物），进而反馈放大系统性炎症并损害恢复；随时间推移，该循环可能稳定为慢性改变的微生物组，导致持续性神经炎症、修复障碍和更差功能轨迹。将见解转化为临床效益需在五个相互关联领域取得进展：(1) 建立人类TBI队列中代谢物-结局关系：需进行纵向队列研究，评估代谢物谱与长期功能恢复、神经认知结局或生活质量的关系；(2) 确定代谢物作用位点和机制：许多代谢物（如SCFAs、犬尿氨酸通路代谢物、多胺）可由肠道细菌和人体细胞共同产生，需区分来源；(3) 确定最佳干预时机、持续时间和递送配方；(4) 开发监测基础设施：新兴高通量测序和代谢组学平台可能实现ICU中菌群失调和微生物组靶向干预反应的实时表征；(5) 导航基于微生物组的治疗方法的转化和监管途径：需标准化多中心研究基础设施、统一样本收集和处理方案、严格多组学数据分析流程和考虑微生物组反应高度个体化特征的临床试验设计。随着过去十年临床前和观察性研究大幅增长，未来十年有望将微生物组监测和治疗性试验引入TBI患者。机制理解、技术能力、可用治疗选择和临床需求的融合为通过微生物组-肠-脑轴视角转变TBI护理创造了前所未有的机会。