2.肠道微生物及其代谢产物对血脑屏障的影响
尽管机制尚不清楚，但研究发现肠道微生物及其代谢产物可以影响BBB完整性。压力、饮食和口服抗生素等因素会引起肠道菌群结构的变化，增加或减少的微生物可能通过多种途径改善或加重血脑屏障的破坏。此外，许多肠道微生物来源的代谢物，例如脂多糖、短链脂肪酸、3-吲哚丙酸、胆汁酸和三甲胺等，具有多种信号传导和调节内环境稳态的功能，可能对血脑屏障和大脑产生调节作用。相关文献总结如表2所示。
表2肠道微生物代谢产物对血脑屏障的调节作用
2.1肠道微生物群对血脑屏障的影响
肠道微生物的缺乏和菌群组成的改变均会影响血脑屏障的结构和功能。与具有正常肠道菌群的小鼠相比，无菌小鼠血脑屏障中的紧密连接蛋白（occludin和claudin-5）表达显著下降，通透性增加。持续的心理压力刺激会改变大鼠肠道微生物群的组成，并降低肠道和血脑屏障紧密连接蛋白（claudin5、occludin、α-actin和ZO-1）的表达水平。进一步分析显示大鼠肠道内变化的肠道菌群中，Allisonella和Odoribacter与紧密连接蛋白的表达呈负相关，norank_f_Peptococcaceae、Clostridium_sensu_stricto_1和Coprococcus_2与紧密连接蛋白的表达呈正相关。Wu等通过连续14 d口服抗生素（阿莫西林克拉维酸），显著改变了恒河猴肠道微生物群的组成，并增加BBB的通透性。能够产生的短链脂肪酸的9个细菌属在给药期间显著减少，包括Phascolarctobacterium、Subdoligranulum、Faecalibacterium、Blautia、Roseburia、Ruminococcus、Coprococcus、Dorea和Anaerostipes。研究者推测这些微生物的变化可能与BBB通透性的增加有潜在联系。另一项研究证实了肠道微生物组在自发性高血压脑卒中大鼠（spontaneously hypertensive stroke prone rats,SHRSP）模型血脑屏障破坏中起着重要作用。研究者分别将SHRSP幼鼠和正常（wistar kyoto，WKY）幼鼠分为2组，由SHRSP品系和WKY品系的寄养母鼠分别交叉抚养。结果发现幼鼠的肠道微生物组受到寄养母鼠的影响。与寄养在SHRSP品系母鼠的幼鼠相比，寄养在WKY品系母鼠的幼鼠收缩压下降，且显著修复了SHRSP幼鼠血脑屏障完整性损伤。因此，虽然SHRSP大鼠是脑小血管病的遗传模型，但环境因素（如寄养母鼠和巢穴环境）诱导的肠道微生物变化对BBB的完整性有重要影响。
5-羟色胺（5-hydroxytryptamine,5-HT）是一种具有多种功能的重要信号分子。人体95%以上的5-HT是由消化道上皮细胞中的肠嗜铬细胞产生的。肠嗜铬细胞能够利用限速酶色氨酸羟化酶1（tryptophan hydroxylase 1，Tph1）将色氨酸（tryptophan）先转化为5-羟基色氨酸（5-hydroxytryptophan,5-HTP），再由氨基酸脱羧酶催化转化为5-HT。胃肠道产生的大部分5-HT会分泌到全身血液循环系统，储存在血小板中，并在远端肠外器官发挥作用。有报道5-HT能够增加血脑屏障的通透性。Becker等发现刺激位于脑微血管内皮细胞上的5-HT受体5-HT4，能够通过下调紧密连接蛋白的表达、磷酸化Scr激酶和细胞外调节蛋白激酶（ERK1/2），增加BBB的通透性。Sharma等的研究则证实在幼年小鼠短期强迫运动后，外周循环5-HT水平升高，诱导由5-HT2受体介导的血脑屏障结构的破坏。
肠道微生物群可以直接或间接地调节宿主体内5-HT水平。肠道菌群能够直接作用于肠嗜铬细胞，增加Tph1的表达并促进5-HT合成。一项研究利用GF小鼠（无菌小鼠）、HM小鼠（定殖人体肠道微生物群后的GF小鼠）和CR小鼠（正常小鼠）评估肠道微生物和宿主5-HT水平之间的关系。结果发现与GF小鼠相比，HM小鼠和CR小鼠结肠中Tph1 mRNA和蛋白质水平显著升高，且5-HT的含量也更高。另一项研究给予便秘模型大鼠饲喂中成药混合物后，通过增加拟杆菌属和阿克曼氏菌属的相对丰度、降低普雷沃氏菌属和乳酸杆菌属的相对丰度，重构了肠道微生物组成，并显著恢复了便秘大鼠结肠内5-HT及其受体浓度的下降。肠道微生物也可以通过产生多种微生物代谢物间接影响宿主5-HT系统，例如短链脂肪酸、色氨酸、色胺和次级胆汁酸等。乙酸盐和丁酸盐已在体外实验中被证明能够刺激肠嗜铬细胞，促进Tph1相关基因的表达和5-HT的产生。色氨酸是一种必需氨基酸，也是合成5-HT的前体。肠道微生物群在色氨酸的代谢中起着积极作用。已知一些细菌具有酶解能力，能利用其分解代谢途径中的关键酶直接代谢色氨酸，例如Clostridium sporogenes、大肠杆菌和乳酸杆菌。另一种受肠道微生物间接影响的关键代谢物是色胺。Takaki等的一项早期研究表明，色胺能刺激豚鼠消化系统释放内源性5-HT。肠道细菌在结肠中通过脱羟基作用对初级胆汁酸进行生物转化，生成次级胆汁酸、脱氧胆酸和石胆酸，由芽孢杆菌代谢生成的脱氧胆酸已在体内和体外实验中被证明可以提高肠嗜铬细胞中5-HT的生物合成，并增加Tph1的表达。
通常认为5-HT含量升高是与抑郁症、阿尔茨海默症等症状改善有关，而以上这些研究表明肠道微生物可能在一定情况下通过影响5-HT或其受体含量变化进而影响BBB，出现这种现象的相关影响及其机制还需要进一步研究。
2.2肠道微生物代谢产物对血脑屏障的负向调节
2.2.1脂多糖对血脑屏障的负向调节
脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）是革兰氏阴性菌外膜的主要成分，会在细菌细胞膜被破坏后分泌释放。在正常情况下，肠道屏障可最大限度地减少LPS从肠道进入体循环，但当饮食或病原菌等因素破坏肠道屏障完整性时，可能会导致血液中LPS水平上升，产生并激活炎症细胞因子，触发宿主免疫反应，影响全身免疫系统。不同细菌产生不同类型的LPS，其中一些更有可能导致炎症反应。例如，相比于拟杆菌，大肠杆菌产生的LPS毒性更大。在一项针对儿童肠道微生物组发育情况的调查中发现两种细菌（拟杆菌和大肠杆菌）产生的LPS在结构上有所不同，大肠杆菌产生的LPS更易诱导肠道炎症。
LPS可以以多种方式影响BBB，包括促进免疫细胞粘附和运输，改变外排转运蛋白（如P-糖蛋白）的表达，直接破坏紧密连接蛋白，以及诱导多种细胞（内皮细胞、小胶质细胞、周细胞和星形胶质细胞）超微结构发生异常变化，最终破坏BBB结构的完整性1−4。因此，LPS常被用作BBB炎症损伤模型的诱导试剂。Lin等将LPS腹腔注射到脑出血模型小鼠中，结果发现LPS的注射诱导了严重的外周炎症，增加了小鼠脑组织和血液循环中CC趋化因子配体5（C–C chemokine ligand 5，CCL5）的水平，进而升高多种细胞（包括小胶质细胞、星形胶质细胞和单核细胞）中CC趋化因子受体5（C-C chemokine receptor 5，CCR5）的表达，并通过JAK2/STAT3信号通路加重BBB的破坏和神经行为功能障碍。Liu等也发现暴露于LPS能够使大鼠大脑皮层中的细胞凋亡和坏死，氧化应激和炎症水平增加，紧密连接蛋白（occludin）、粘附连接蛋白（β-catenin）和P-糖蛋白表达下降，最终导致BBB功能障碍。
2.2.2胆汁酸对血脑屏障的负向调节
胆汁酸（bile acids，BAs）有多种不同的分子形式，可以分为两类：主要由肝脏合成的初级胆汁酸，例如胆酸（cholic acid，CA）和鹅脱氧胆酸（chenodeoxycholic acid，CDCA）；主要由结肠中微生物代谢产生的二级胆汁酸，例如猪脱氧胆酸（hyodeoxycholic acid，HDCA）、脱氧胆酸（deoxycholic acid，DCA）和熊脱氧胆酸（ursodeoxycholic acid，UDCA）等。胆汁酸分子内既含有亲水性的羟基、羧基或磺酸基，又含有疏水性的烃核和甲基，因此胆汁酸在构型上具有亲水和疏水两个侧面。有研究发现部分疏水性胆汁酸的异常变化会破坏BBB功能。CDCA和DCA可以通过Rac1依赖性方式增加occludin磷酸化破坏TJs，导致BBB通透性增加。Fiaschini等采用高脂高糖饮食建立非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）小鼠模型，并利用DSS诱导非酒精性脂肪性肝炎（NASH），发现模型小鼠血液中HDCA和DCA含量均显著增强，亲水性UDCA含量显著降低，脑微血管内皮细胞中ZO-1和occludin表达下降，神经炎症加重，BBB结构和功能损伤。
2.3肠道微生物代谢产物对血脑屏障的正向调节
2.3.1短链脂肪酸对血脑屏障的正向调节
短链脂肪酸主要由肠道中厌氧细菌发酵膳食纤维和低聚糖等产生，主要包括丙酸盐、醋酸盐、丁酸盐等。SCFAs影响BBB的研究主要集中在通过抑制NF-κB活性（抗炎）、促进Nrf2内源性抗氧化通路（抗氧化）以及上调细胞间紧密连接蛋白表达（降低细胞旁通透性）来保护和改善BBB功能。例如，丙酸盐可以通过降低Toll样受体（toll-like receptors，TLR）、白细胞分化抗原14（cluster of differentiation antigen，CD14）和外排转运蛋白LRP-1的表达，并通过Nrf2信号通路保护BBB免受氧化应激的影响。丁酸盐和丙酸盐能够诱导肌动蛋白细胞骨架重排，增加紧密连接蛋白刺突状结构的表达，保护细胞间紧密连接，调节LPS诱导的线粒体功能障碍从而改善BBB的功能。Tang等也发现SCFAs可以缓解慢性应激小鼠的海马神经衰退，改善其BBB损伤并抑制小胶质细胞活化和神经炎症，从而改善小鼠抑郁样水平。能够产生SCFAs的细菌，例如乳酸杆菌、双歧杆菌和梭状芽孢杆菌等被发现在各种精神疾病中具有特殊的功能。普洱茶的摄入被证明可以通过重塑肠道微生物的组成（提高乳杆菌属、阿克曼菌属和粪杆菌属的丰度，降低志贺氏菌、拟杆菌和链球菌丰度）促进短链脂肪酸的产生，尤其是丁酸，从而改善葡聚糖硫酸钠盐（DSS）诱导的肠炎和血脑屏障功能损伤。
2.3.2 3-吲哚丙酸对血脑屏障的正向调节
3-吲哚丙酸（3-indolepropionic acid，IPA）是肠道革兰氏阳性微生物的代谢产物之一，具有抗炎和抗氧化作用。IPA可以通过降低缺氧缺血引起的大鼠脑微血管内皮细胞内活性氧水平的升高以及基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）的激活，调节PXR信号通路抑制NF-κB信号传导来减轻炎症，从而保护BBB免受损伤。IPA还可通过抑制细胞外基质金属蛋白酶诱导因子（EMMPRIN）/MMP9依赖的紧密连接蛋白的降解，激活Nrf2/HO-1信号通路，从而上调紧密结合蛋白的表达水平达到保护血脑屏障的作用。最新的研究还发现，一种新型的3-吲哚丙酸和5-甲氧基-吲哚羧酸的衍生腙杂合剂具有较强的神经保护、抗氧化和单胺氧化酶抑制作用。
2.3.3胆汁酸对血脑屏障的正向调节
胆汁酸对细胞毒性的影响与BAs是否疏水密切相关，疏水性BAs可破坏细胞膜、促进活性氧产生、引起线粒体功能障碍、诱导内质网应激以及导致细胞凋亡或坏死。但有研究发现UDCA及其衍生物牛磺熊脱氧胆酸（tauroursodeoxycholic Acid，TUDCA）被认为是亲水性最强的BAs，具有抑制神经炎症、细胞凋亡和氧化应激的功能，是治疗神经系统疾病的潜在活性物质之一。亲水性胆汁酸UDCA和甘氨熊脱氧胆酸（glycoursodeoxycholic acid，GUDCA）可以保护人脑微血管内皮细胞免受胆红素诱导的细胞凋亡以及超微结构变化。UDCA还能有效抑制白细胞介素-6的表达从而保护BBB完整性。由此可见胆汁酸对血脑屏障的保护作用可能与其亲水还是疏水有关。
2.4肠道微生物代谢产物对血脑屏障的双向调节
肠道微生物的衍生代谢物如氧化三甲胺（trimethylamine N-oxide，TMAO）对血脑屏障有双向调节作用。
TMAO是肠道微生物代谢胆碱产生的衍生代谢物，其前体三甲胺对内皮细胞有损害作用，能够破坏细胞骨架排列，诱发代谢应激，破坏紧密连接完整性并最终损害BBB。相反，TMAO可以通过提高膜联蛋白A1（ANXA1）的相关基因表达来修复因炎症反应而受损的BBB，且长期使用TMAO治疗可以预防长期的亚急性炎症反应。然而，也有研究者发现在尿毒症患者中，较高浓度的TMAO可以破坏紧密连接蛋白，诱导BBB通透性增加，且血浆中高浓度的TMAO还会增加中风和血管认知障碍的风险。因此，目前无法就TMAO是否可以保护BBB得出明确的结论，可能与其在血浆中的浓度有关。
益生菌靶向肠道微生物群，改善血脑屏障及其相关疾病的研究（三）