肠道菌群来源的细胞外囊泡在缺血性脑卒中的作用机制及潜在应用研究进展

Abstract

Ischemic stroke (IS) is a common cerebrovascular accident that has garnered widespread attention due to its high rates of disability and mortality. Gut microbiota-derived extracellular vesicles (GMEVs), as a novel type of biological nanomaterial, can regulate various physiological processes in host cells by delivering bioactive substances and mediating membrane component-dependent physical interactions, demonstrating significant application value in the field of biomedicine. This review integrates relevant randomized controlled trials and mechanistic studies from both domestic and international research in recent years, firstly summarizing the evidence linking gut microbiota to IS, and then thoroughly exploring the potential mechanisms and engineering strategies of GMEVs in IS treatment. Finally, the article prospects the future directions for GMEVs in the precise intervention of IS. This review aims to provide a new perspective for understanding the role of the gut-brain axis in IS and to lay a theoretical foundation for the development of neuroprotective or reparative strategies based on GMEVs.

0. 引言

缺血性脑卒中（ischemic stroke，IS）是指由于脑部血流中断，脑组织缺血、缺氧而引起的神经功能障碍。IS为脑卒中最常见的类型，约占全部脑卒中的69.6%，具有高发病率、高致死率、高复发率等特点^[1]。2022年卒中患者数据分析显示，约有11.12%患者在IS后遗留明显神经功能障碍，严重影响生活质量，因此探索新型、有效的治疗手段具有重要意义^[2]。

细胞外囊泡（extracellular vesicles，EVs）是一类具有膜结构的颗粒，根据其生物来源和粒径差异，可分为外泌体、微囊泡和凋亡小体等^[3]。EVs通过多种机制参与IS的病理过程，并发挥神经保护作用^[4]。例如，干细胞来源的EVs可通过介导免疫反应、抑制铁死亡、促进神经元再生等多种途径，有效减轻继发性损伤并激活内源性修复机制^[5-6]。

肠道菌群，是维持肠道稳态的重要因素，其失衡不仅可引发胃肠道疾病，还与阿尔茨海默症、卒中等多种神经系统疾病相关^[7-8]。初步研究表明，肠道菌群来源的EVs（gut microbiota-derived EVs，GMEVs）可能参与调控IS相关的免疫反应、代谢及肠道稳态等病理过程^[8]，但具体作用机制及来源特异性尚不明确，尤其是将GMEVs应用于IS治疗方面时的机制仍不明晰。

因此，本文在梳理肠道菌群与IS之间的复杂关联的基础上，对GMEVs在IS中的潜在作用机制及临床应用前景进行综述，旨在评估GMEVs在IS中的应用潜力，为未来相关基础研究和临床实践提供新的思路。

1. 肠道菌群与IS的关系

肠道菌群在IS中的作用已成为近年来的研究热点。研究表明，IS后肠道稳态被打破，微生物多样性及丰度发生改变，肠道菌群通过“肠-脑轴”、炎症及代谢等途径影响IS的整个病理、生理过程^[9]。

在神经调节方面，肠道菌群及其代谢产物通过调节神经递质水平双向调控IS的关键信号通路。例如，拟杆菌产生的γ-氨基丁酸与患者不良预后相关，而双歧杆菌则通过促进血清素的合成抑制神经元兴奋毒性，从而发挥神经保护作用^[10-11]。除特定的菌株外，整体微生物群落的变化也同样重要。Wei等^[12]将健康小鼠粪菌移植到脑缺血再灌注小鼠体内，证实了肠道菌群可显著缩小脑梗死体积，并通过调控基因表达水平有效抵抗铁死亡所诱发的神经元损伤。

在免疫调节方面，肠道微生物及其代谢物（丁酸、胆汁酸、脂多糖等）通过调控免疫细胞的活性与功能、免疫信号通路及神经炎症因子的表达，进而影响神经炎症^[13]。Benakis等^[14]的研究表明，肠道菌群经“肠-脑轴”调节中枢神经系统，使γδ T细胞释放的白细胞介素-17A水平降低，削弱IS早期的有害免疫反应。同样，双歧杆菌补充剂可降低促炎因子水平、升高脑源性神经营养因子，从而改善患者的全身炎症状态^[15]。进一步研究认为，肠道菌群的作用可能依赖于其代谢产物分子，这些分子作为关键信号介质调控宿主生理功能，比如：丁酸通过抑制小胶质细胞的过度激活，减少促炎因子的产生，发挥免疫保护作用^[16]；胆汁酸通过G蛋白偶联胆汁酸受体1/环磷酸腺苷/蛋白激酶A信号通路，抑制核苷酸结合寡聚化结构域样受体热蛋白结构域包含蛋白3 （nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor family pyrin domain-containing 3，NLRP3）的激活，进而减少促炎细胞因子的释放^[17]；与之相反，机会致病菌代谢产物脂多糖，易位入血后可激活炎症通路，加剧神经损伤^[18]。

在代谢调节方面，肠道菌群的失调通过促进高血压、动脉粥样硬化、肥胖、糖尿病等代谢性疾病的发生发展而增加IS风险^[19]。Adnan等^[20]发现，接受自发性高血压小鼠菌群移植的正常小鼠，厚壁菌门与拟杆菌门丰度均增加，收缩压显著上升；此外，动脉粥样硬化患者中厚壁菌门/拟杆菌门比例异常，补充特定益生菌可减轻炎症反应并降低斑块风险^[21]。同样，菌群变化所驱动的胰高血糖素样肽-1水平升高，经“肠-脑轴”抑制促食欲激素的释放，从而改善肥胖表型；而菌群代谢产物，如短链脂肪酸还能通过激活G蛋白偶联受体改善胰岛素抵抗与肥胖^[22]。

总结来说，肠道菌群及其代谢产物通过“肠-脑轴”协同调控神经递质、外周免疫与代谢，影响IS的发生发展，为靶向GMEVs的卒中防治策略提供了重要的理论依据。

2. GMEVs对IS的潜在治疗机制

如前所述，肠道菌群与IS的关系已得到证实，干细胞等其他细胞来源的EVs在IS中的应用研究已广泛开展^[5]，但GMEVs在IS中作用的研究仍然相对缺乏。基于现有证据，可从肠道微生物稳态、免疫应答、代谢调节以及神经系统功能等层面探讨GMEVs干预IS的潜在机制。

在肠道微生物稳态层面，患者发生IS后肠道有益菌减少，机会致病菌增加。GMEVs可能通过纠正IS后肠道菌群失调，成为改善患者预后的潜在治疗靶点。例如，粪球肠菌、阿克曼氏菌及乳酸杆菌等来源的GMEVs可提高普拉梭菌等有益菌、降低大肠杆菌等致病菌的相对丰度，促进肠上皮细胞紧密连接蛋白和黏液的表达，从而维持肠道稳态^[23-25]；此外，呼吸链大肠杆菌EVs还能恢复肠道微环境厌氧状态，促进有益厌氧菌的增殖，减轻炎症反应，维持肠道平衡^[26]。

在免疫应答层面，GMEVs作为细菌—宿主间的通信媒介，携带多种微生物相关分子模式（microbe-associated molecular patterns，MAMPs），可激活宿主细胞中的模式识别受体，从而调控免疫炎症反应。乳杆菌、嗜酸杆菌及长双歧杆菌等有益菌来源的EVs能显著降低炎症因子水平，同时上调抗炎因子及相关受体表达，发挥炎症保护作用^[27-29]；相反，均匀拟杆菌等致病菌EVs则促进M1型巨噬细胞的极化，加剧炎症反应^[30]。

在代谢调节层面，GMEVs携带的蛋白质、miRNA等生物分子可能与宿主的糖脂代谢、肥胖和血压升高等多种代谢异常密切相关，间接影响IS进程。例如，每周单次补充阿克曼菌EVs可通过淋巴细胞介导的抗炎作用降低高血压模型小鼠的收缩压，改善脂代谢并减轻肥胖表型^[31-32]；大肠杆菌Nissle 1917来源的EVs可通过调节短链脂肪酸浓度，改善胰岛素敏感性并减少肝脂滴累积^[33]；多形拟杆菌EVs可增强饱腹相关激素表达，而脆弱拟杆菌EVs则普遍下调了食欲调节激素的相关基因的表达^[34]。

在神经系统层面，GMEVs可能经“肠-脑轴”调节神经递质的合成、转运和释放，影响神经可塑性，在IS中发挥神经保护作用。例如，脆弱拟杆菌EVs参与了抑制性神经递质γ-氨基丁酸的合成、转运和分泌^[35]；益生菌群EVs通过调控血清素系统相关基因的表达，促进神经分化及突触成熟，发挥神经保护作用，改善卒中后神经行为缺陷^[36-37]。

综上所述，既往研究证实了肠道菌群与IS存在多维度关联。从GMEVs角度出发，GMEVs可能通过重塑肠道微生态、调控免疫炎症、纠正代谢紊乱及促进神经修复四重协同机制干预IS，为GMEVs应用于IS的治疗新策略提供了理论依据。

3. GMEVs用于IS治疗的潜力、机制与工程化策略

3.1. IS的临床治疗现状

IS因其高发病率、高致残率和高死亡率，已成为全球重大公共卫生挑战。目前，IS的常见治疗策略包括急性期血管再通（静脉溶栓、血管内治疗）、药物治疗以及康复训练^[1]。然而，血管再通治疗受严格时间窗及医疗资源可及性限制，康复训练周期长，且缺乏能够有效促进神经修复和再生的特异性药物。2020—2021年全国IS住院患者数据显示，静脉溶栓治疗在时间窗内的给药率仅为6.04%，接受血管内治疗的比例更低，仅为2.14%^[2]。因此，开发不受时间窗限制、能够有效促进神经修复且安全性良好的新型治疗策略，已成为填补当前临床空白、改善IS患者预后的迫切需求。

3.2. GMEVs的独特优势

随着肠道菌群在“肠-脑轴”调控中的作用不断被认识，开发安全、有效的干预策略尤为关键。Gilmore等^[38]指出，直接使用细菌制剂可能引发菌血症甚至脓毒血症。相比之下，GMEVs在保留亲本菌治疗特性的同时，具备更高的生物安全性，被认为是具有应用前景的替代策略。

GMEVs的优势主要体现在以下三个方面：首先，固有的生物学特性，GMEVs不仅保留了亲本菌来源的生物活性大分子，还具有较好的消化稳定性和生物相容性等优点，较活菌治疗更加稳定和安全^[39-40]；其次，卓越的工程化可塑性，通过筛选特定益生菌种、优化培养条件（如温度、pH等），可定向调控GMEVs中生物活性物质的组成和功能，以增强疗效或降低潜在致病性^[41]；最后，高效的递送能力，作为天然纳米颗粒，GMEVs具有良好的稳定性和生物相容性，可通过膜融合或受体介导的方式进入靶细胞，部分EVs还能跨越血脑屏障，将神经递质、蛋白质等负载物靶向递送至中枢神经系统，从而实现对相关疾病的精准靶向治疗^{[39, 42-43]}。

总之，GMEVs凭借其独特的生物学特性、卓越的工程化可塑性及高效的递送能力，为应对IS当前的治疗困境提供了新的研究方向。

3.3. GMEVs 的功能调控与工程化应用

GMEVs的功能主要取决于囊泡内大分子组成，而这些成分受亲本菌的类型、生长环境及生物发生机制等多种因素影响^[40]。致病菌株通常产生富含毒力因子和毒素的GMEVs。例如，致病性脆弱拟杆菌产生的EVs可将多个与致病性相关的基因、毒素编码蛋白、分泌系统组分和黏附因子等传递至宿主细胞，产生致病作用^[35]。此外，EVs的蛋白组分亦受宿主细胞类型及外界环境的影响。以弯曲杆菌属为例，该菌在禽类中通常为共生菌，但在人类中常引发细菌性胃肠炎；并且相关研究发现，该菌在不同培养温度下产生的EVs的毒性，也存在明显差异。蛋白质组学分析表明，与37 ℃条件下产生的EVs相比，42 ℃培养条件下产生的EVs中毒力相关蛋白数量显著增加^[41]。

基于上述特点，筛选具有特定功能的目标菌株，并通过基因工程等技术手段对细菌进行改造，以增强治疗特性或赋予新的功能，将成为GMEVs未来研究的重点。目前，细菌来源的EVs（bacterial-derived EVs，BEVs）的工程化改造主要遵循三大策略：亲本菌株遗传学改造、纯化后BEVs内容物修饰以及对其表面功能化修饰^[44]。

亲本菌株遗传学改造，一方面是通过质粒转化等技术过表达目标基因，使BEVs在生物发生过程中自然富集特定蛋白或其他功能分子^[45]；另一方面通过基因敲除技术敲除有害基因，有效降低了有害基因介导的过度免疫反应与其他毒副作用，从而提升安全性^[44]。对纯化后BEVs的内容物进行修饰，则是通过电穿孔法、孵育法、超声处理和冻融循环等方法，将小分子药物、核酸等治疗分子装载入BEVs中，以增强治疗效应。而BEVs的表面功能化修饰，则是通过在表面偶联靶向配体以加快循环时间、提高靶向性，或借助膜融合技术与脂质体等纳米载体复合，提高囊泡稳定性^{[40, 46]}。

因此，解析不同GMEVs的功能组分，并利用工程化技术靶向调控其功能（抑制有害GMEVs、富集有益GMEVs），有望突破天然囊泡的应用局限性，在IS的治疗中展现出更大潜力。

4. 结论及展望

EVs作为细胞间通信的重要媒介，不仅具有固定生理特性，EVs还可以抑制细胞凋亡、促进神经再生并减轻炎症反应，无论是作为直接治疗剂，还是经工程化改造后作为药物载体应用，均具有重要研究价值。目前，EVs已成为心脑血管病研究热点，虽然干细胞等其他细胞来源的EVs在IS中的应用已较广泛，但GMEVs在IS治疗及诊断中的机制研究仍处于起步阶段。现有证据表明，GMEVs能够通过维持肠道稳定、参与免疫、代谢调节以及神经调节等途径，影响IS的发生发展，但其中的潜在机制有待进一步阐明。结合现有文献，本文首次总结了GMEVs在IS病理机制中的潜在作用，并探讨其治疗潜力及工程化策略。

尽管GMEVs具有广阔的发展前景，但在临床转化过程中仍面临着诸多挑战。首先，GMEVs分离、纯化、分析技术尚未统一，建立标准化的表征及质量控制体系是确保GMEVs的生物完整性、纯度以及降低异质性的前提。其次，GMEVs的生物发生过程、组分、分泌、靶向组织的具体机制尚未完全阐明，有必要开展更多基础研究。再次，近年来工程化EVs的研究快速发展，然而如何在EVs膜表面添加靶向配体，或通过膜融合提高其靶向能力，仍需进一步的探索。此外，GMEVs不仅可以作为潜在治疗工具，其内容物仍具备亲代细菌的特征，通过分离和表征IS患者粪便和生物体液中GMEVs，有望发现具有诊断价值的特征性差异，为IS的活检提供新的思路。最后，对GMEVs的生物安全性进行评估同样至关重要，建立完善的安全性评价与风险管理体系，将有助于推动GMEVs的临床应用。随着研究的不断深入，GMEVs有望成为IS治疗的新型纳米工具，为改善患者预后、提高患者生活质量提供新的策略。

重要声明

利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。

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