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活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)——多种疾病风险的潜在标志物

谷禾健康

前几日,南方医科大学深圳医院院长周宏伟教授团队在国际顶尖医学期刊《Nature Medicine》上发表了一项重要研究。首次揭示一种名为活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)的细菌产生的物质——苯乙胺,在肝性脑病发生中的关键作用。

同时谷禾的人群检测数据及相关研究也发现,活泼瘤胃球菌(R.gnavus)广泛存在于人体中,超过90%的人可以检测到。并且在例如肥胖、抑郁症炎症性肠病2型糖尿病等疾病患者中丰度偏高

想必很多人对这个名字比较陌生,可能只知道瘤胃球菌属。虽然其名为活泼瘤胃球菌,但关于其的具体归属还有争议(有一段时间它被归类为Blautia属,但最近又被重新归为Mediterraneibacter属)。

活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)是一种革兰氏阳性严格厌氧的细菌,属于毛螺菌科普遍存在于人类和动物的肠道中,是婴儿肠道的早期定植者,并在成年后也持续存在,占健康个体肠道微生物群丰度的0.1%至2%

拉丁语gnavus的意思是忙碌,R.gnavus具有积极的碳水化合物发酵能力,可以将复杂的淀粉降解成更简单的分子。在淀粉麦芽糖和岩藻糖基化聚糖等食物消化中具有重要功能。并产生乙酸盐、丙酸盐、甲酸盐和乙醇,但不产生丁酸盐。

虽然R.gnavus有效利用植物性食物中的糖,但肠道中的糖并非全来自食物,人体自身也会生成糖类,如构成肠道内壁的粘蛋白聚糖。一些菌株依赖这些糖,并进化出策略以持续获取,可能破坏肠道屏障

活泼瘤胃球菌(R.gnavus)生活在我们的肠道内壁,因此可以很好地感知肠道环境的变化并将其与身体的其他部分进行沟通。这在我们的免疫系统中发挥作用,也会对体内其他器官的功能产生影响

研究发现R.gnavus能够产生一种炎性多糖,该分子诱导树突状细胞产生炎性细胞因子,如TNFα(肿瘤坏死因子),可能导致人体的炎症反应。并且越来越多的证据表明,R.gnavus过度生长可能与某些肠道疾病有关,包括炎症性肠病(IBD)、肠易激综合征(IBS)和结直肠癌

此外,研究还发现,患有影响身体其他部位的健康问题(包括感染、过敏肥胖代谢综合征2型糖尿病肝脏疾病神经系统疾病)的人肠道中活泼瘤胃球菌(R.gnavus)的水平较高,说明R.gnavus与这些疾病之间存在相关性

注:这种关联并不一定意味着R.gnavus是这些疾病的原因。相反,它可能只是表明这些疾病为R gnavus在肠道中的生长创造了有利条件。

活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)到底是多种疾病的风险标志物还是正常的肠道共生菌?让我们来一探究竟。

R.gnavus的基本属性

活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)是一种革兰氏阳性厌氧菌,属于厚壁菌门。R.gnavus于1974年首次从人类胃肠道的粪便和内容物中分离出来。当时它被描述为专性厌氧非孢子形成非运动或运动球菌,具有1-3个鞭毛,以链状或成对出现。

R.gnavus ATCC 35913 的扫描电子显微镜图像

拉丁语gnavus的意思是忙碌,指的是该物种的积极发酵能力。这种细菌具有特殊的酶,可以将复杂的淀粉降解成更简单的分子。在淀粉麦芽糖和岩藻糖基化聚糖等食物消化中具有重要功能。可以产生乙酸盐和甲酸盐,但不产生丁酸盐。

R.gnavus的细胞壁由一种复杂的葡配甘露聚糖组成,它具有高度的免疫原性,可以在宿主中诱导特异性抗体

R.gnavus的脂聚糖是一种附着在脂质上的聚糖,也是免疫原性的,可以调节宿主免疫系统。不同品系的R.gnavus具有不同的结构。

R.gnavus的基因组由一条约2.5Mb的圆形染色体和几个不同大小的质粒组成。它编码许多参与碳水化合物代谢的基因。其基因组DNA的G+C含量为43mol%。

虽然R.gnavus ATCC 29149无法在氧气存在下生长,但它确实表现出对大气氧气的一定耐受性,10%-15%的细胞在暴露于氧气1小时后仍保持活力,3小时后下降到0.05%-0.1%左右

该菌株对阿莫西林、替卡西林、头孢噻肟、亚胺培南、普那霉素、万古霉素、利奈唑胺、甲硝唑、利福平、甲氧苄啶/磺胺甲噁唑敏感,对林可霉素、红霉素、左氧氟沙星耐药

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R.gnavus与人体的共生关系

▸ 在生命早期就定植于肠道

活泼瘤胃球菌(R.gnavus)是“正常”人类肠道微生物群的常见成员,多项证据表明其在生命早期就普遍存在。

生命第一年,分娩方式、饮食和遗传等因素都会影响微生物定植。一项针对25名1至24个月大婴儿样本的研究中,确定R.gnavus普遍存在;具体来说,在25个样本中的22个(88%)都检测到了活泼瘤胃球菌(R.gnavus)

▸ 可能在婴儿消化与代谢中发挥作用

活泼瘤胃球菌(R.gnavus)可能是婴儿肠道主要物种,其水平与双歧杆菌属相当。通过16S rRNA基因测序分析的研究强调了R.gnavus与母乳喂养或不同配方奶粉之间的饮食关联

例如,在一项针对90名2个月大婴儿(每组30名)的比较研究中,与喂食牛奶的婴儿中更多样化的微生物特征相比,母乳或山羊奶喂养的婴儿中,毛螺菌科(Lachnospiraceae)的存在仅限于一种物种,即R.gnavus

在另一项随机对照试验比较了喂食乳糖牛奶配方奶粉(CMF)与广泛水解蛋白配方奶粉(EHF,适用于牛奶蛋白不耐受婴儿)的婴儿粪便微生物群。结果显示,随着时间推移,EHF组中R.gnavus丰度增幅最大,成为区分不同食物喂养微生物组的显著特征。

这些数据表明,R.gnavus可能在肠道微生物群构建中发挥作用,并与婴儿正常体重增长状态相关。

▸ 淀粉等固体食物会增加R.gnavus丰度

R.gnavus的相对丰度变化可能体现了婴幼儿微生物群的正常“成熟”。一些证据表明,R.gnavus在断奶后相对丰度增加,而其他物种,如双歧杆菌,已知相对丰度降低。

注:最近一项针对怀孕和分娩时婴儿肠道微生物群(脐带血)的研究显示,R.gnavus与产前血浆25-羟基维生素D(25[OH]D)呈正相关,但与脐带25[OH]D呈负相关

一项研究调查了断奶对605名婴儿微生物群的影响,结果显示首次引入固体食物后,R.gnavus所属的比例显著增加短链脂肪酸(SCFA)分析也反映了肠道微生物群的变化,数据显示断奶期间丁酸盐的产生发生变化。

对28名尼日利亚婴儿出生后第一年内粪便微生物群的分析显示,母乳喂养婴儿以R.gnavusCollinsellaSutterella为主。丁酸盐在断奶开始时(4-6个月大)首次检测到,引入固体食物后乙酸盐和乳酸仍然较高,12月龄时丁酸盐水平较低,与R.gnavus的已知发酵能力一致。

综上所述,这些研究支持R.gnavus肠道早期定植中的作用。一些R.gnavus菌株能够代谢人乳低聚糖(HMO)和粘蛋白,其结构聚糖相似性进一步支持该物种在其他细菌定植过程中发挥重要作用的假设。

▸ R.gnavus在成年后也持续存在于肠道

R.gnavus成年后也持续存在;根据对来自北美和欧洲的健康成年人的粪便样本的宏基因组测序,发现它是存在于≥90%的个体中的物种。

最近,在来自中国、埃塞俄比亚、西班牙、美国和瑞典的健康成年人的公开肠道微生物群宏基因组中发现了R.gnavus平均丰度为0.3%

谷禾多年的检测数据显示,国人活泼瘤胃球菌(R.gnavus)检出率超过95%,表明其在人群中普遍存在,是肠道微生物群的基本组成部分。

▸ R.gnavus有助于消化复杂的碳水化合物

瘤胃球菌分解碳水化合物最有效的细菌属之一。我们知道瘤胃球菌是“降解抗性淀粉的关键菌”。瘤胃球菌能有效地分解坚硬的植物物质,如细胞壁,这有助于人体消化水果蔬菜,不太可能引起胃痛。

注:抗性淀粉是在小扁豆、豆类和未加工的全谷物等高纤维食物中发现的复杂碳水化合物

这种细菌具有特殊的酶,可以将这些复杂的淀粉降解成更简单的分子。这也与它利用一些母乳低聚糖和在粘蛋白聚糖表位上觅食的能力有关。值得注意的是,R.gnavus ATCC 29149具有一种独特的唾液酸代谢途径,专门用于2,7-脱水Neu5Ac。

R.gnavus碳水化合物的最终发酵产物包括乙酸盐、甲酸盐和乙醇,以及丙醇和丙酸盐,但不包括丁酸盐。

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R.gnavus过高相关的疾病

尽管活泼瘤胃球菌(R.gnavus)是人类肠道微生物群的组成部分,正常情况下在健康个体的肠道中普遍存在,但许多研究表明,当其丰度过高时,可能与多种疾病的发生发展存在密切关联。这些疾病不仅包括与肠道相关的疾病,如炎症性肠病(IBD)、肠易激综合征结直肠癌,还涉及一些非肠道相关的疾病,如代谢性疾病免疫系统紊乱等。

R.gnavus与疾病和潜在分子介质的关联

Crost EH,et al.FEMS Microbiol Rev.2023

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炎症性肠病

克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC)是多因素慢性炎症性肠病,一直与肠道微生物失调有关。越来越多的研究表明R.gnavus炎症性肠病(IBD)之间存在正相关,尽管因果关系仍有待证明。

▸ R.gnavus在IBD患者中含量增加

分析了炎症性肠病(IBD)患者肠粘膜组织的早期研究表明,粘膜相关细菌的丰度增加。例如,与健康粘膜相比,R.gnavusR.torques在CD和UC粘膜中含量更高,而主要的粘液降解细菌A.muciniphila在CD和UC粘膜中的含量明显较低

在一项后续研究中,分析了68名CD患者、84名未受影响的亲属和55名匹配的对照者粪便样本,并使用实时PCR进行定量。结果显示,R.gnavus是五种与菌群失调相关的细菌中唯一在克罗恩病(CD)中丰度增加的物种。

通过内窥镜采集IBD患者粘膜表面样本(43名UC患者、26名CD患者和14名非IBD对照),利用16S rRNA 基因测序分析粘膜相关微生物群落。结果显示,与非IBD对照相比,CD患者变形菌门丰度显著增加,而厚壁菌门拟杆菌门丰度显著降低。其中,埃希氏菌属、瘤胃球菌属(R.gnavus)、放线杆菌属和肠球菌属显著增加,而粪杆菌属、粪球菌属、普雷沃氏菌属和罗氏菌属显著减少

▸ R.gnavus能够诱导产生炎性细胞因子

一项研究发现,肠道细菌R.gnavus产生了炎性多糖,其种群在克罗恩病患者的症状发作期间丰度增加R.gnavus可以合成并分泌具有鼠李糖骨架和葡萄糖侧链的复杂多糖glucorhamnan,它有效诱导树突细胞分泌炎性细胞因子(TNFα),并可能导致R.gnavus克罗恩病之间的关联。

另一项基于对40对双胞胎的肠道微生物群分析的研究显示,在回肠CD患者中,肠杆菌科R.gnavus丰度增加,而粪杆菌属(Faecalibacterium)和罗氏菌属(Roseburia)等核心细菌的消失。

▸ R.gnavus丰度与IBD疾病结果相关

R.gnavus是与克罗恩病相关的菌群,已被确定为导致克罗恩病症状的原因之一。在克罗恩病患者中活泼瘤胃球菌(R.gnavus)的相对丰度升高症状严重相关

通过Illumina MiSeq对IBD患者(70名UC,39名CD)及100名健康对照的粪便微生物群分析显示,它们在 IBD中表现出差异丰度。结合20名IBD患者和12名对照的宏基因组分析与R.gnavus分离株的全基因组测序,强调了R.gnavus菌株水平的重要性

研究还揭示了IBD特异性菌株特异性的基因,这些基因参与氧化应激反应粘附、铁获取粘蛋白利用,可能赋予R.gnavus在IBD患者肠道中的适应性优势。在小鼠模型中,提出了多种支持R.gnavus与 IBD关联的机制。

此外,分析了化疗后接受造血细胞移植和干细胞植入的癌症患者的>10000个纵向微生物群样本,发现R.gnavus的绝对丰度淋巴细胞率负相关,与其生长速率正相关,表明R.gnavus可能驱动高中性粒细胞淋巴细胞比率,这一特征与IBD不良预后密切相关。

注:R.gnavus的富集还与CD患者的心理评分正相关,与次级胆汁酸TDCA和TLCA呈负相关,进一步表明其与患者心理状态疾病进展的关联。

综上所述,一些研究人员认为R.gnavus可以作为 炎症性肠病(IBD)的生物标志物,但因果关系仍有待证明。

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肠易激综合征

肠易激综合征(IBS)是一种慢性异质性疾病,影响约6%的人口。IBS的病理生理学是多因素的,其中包括肠道微生物群的改变

对IBS患者、健康个体粪便和结肠活检样本,以及小鼠模型样本的细菌测序分析表明,症状和炎症的严重程度可能与粘液相关细菌(如R.gnavus)的变化密切相关

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▸ 在腹泻型IBS患者中明显更丰富

对80名IBS患者(16-70岁)和65名无IBS对照的粪便进行鸟枪法和16S rRNA 测序显示,R.gnavus毛螺菌科其他物种在 IBS 中显著更丰富,尤其在腹泻型IBS(IBS-D)患者中,与外周5-羟色胺(5-HT)水平和严重症状相关

这一现象也在R.gnavus单定植小鼠中得到验证。代谢组学宏基因组学研究表明,R.gnavus的富集与二氢蝶酸水平降低密切相关,二氢蝶酸是叶酸合成的重要中间体,其失调可能导致IBS病理变化

此外,在新诊断的初治IBD或IBS患者(13UC、10CD和26IBS)与健康对照中,基于粪便和粘膜微生物群的16S rRNA 基因测序进一步证实了R.gnavus 作为区分疾病表型潜在生物标志物的作用。

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结直肠癌

多项宏基因组学研究表明,结直肠癌(CRC)与肠粘膜相关微生物群的显著变化有关。

▸ 粘膜菌群失调与肿瘤形成存在关联

异常隐窝病灶(ACF)是CRC患者结肠中最早可识别的形态学病灶。对接受结肠镜筛查或监测个体的粘附细菌分析显示,与正常粘膜相比,ACF的细菌微生物组谱异质性显著更高;KRAS癌基因突变与R.gnavus呈正相关,提示特定结肠细菌与CRC相关突变之间可能存在联系

这些结果表明,正常粘膜微生物群的扰动可能是早期肿瘤形成的危险因素,粘膜菌群失调可能影响ACF的组织微环境和行为促进其向高级肿瘤发展。

此外,最近一项研究通过16S扩增子测序分析CRC患者治疗前后肠道微生物群,发现R.gnavus脂肪细胞因子信号通路过氧化物酶体通路相关。

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过敏、免疫和炎症

▸ R.gnavus可能对特应性皮炎有一定保护作用

肠道微生物组失调儿童过敏密切相关,R.gnavus 是儿童过敏的重要参与者。研究表明,患特应性皮炎(AD)的婴儿肠道微生物群与健康婴儿存在差异。通过对129名婴儿队列中随机选取的40名6个月大婴儿(20名对照组,20名AD患者)的肠道微生物组进行全宏基因组测序,发现与免疫发育相关的功能基因存在差异。AD组中A.muciniphilaR.gnavus和Lachnospiraceae bacterium 2_1_58FAA的定植减少,与免疫发育迟缓显著相关。临床前研究进一步支持了R.gnavus在特应性皮炎模型中的保护作用

▸ 食物或呼吸道过敏儿童中R.gnavus升高

相比之下,在受食物或呼吸道过敏影响的儿童中观察到R.gnavus(和F.prausnitzii)的丰度更高。在一项前瞻性双胞胎队列的研究中,在过敏表现出现之前观察到粪便微生物群中R.gnavus的丰度增加,并且与呼吸道过敏或呼吸道过敏与特应性湿疹共存有关。

在小鼠模型中,添加R.gnavus ATCC 29149 导致气道高反应性和炎症(哮喘),表现为结肠和肺中辅助T细胞2的扩增,以及嗜酸性粒细胞肥大细胞浸润结肠和肺实质。

▸ 一些炎症反应中R.gnavus增多

系统性红斑狼疮(SLE)患者中R.gnavus丰度显著增加,且与整体疾病活动呈正比,在狼疮性肾炎患者中尤为明显。狼疮性肾炎患者的粪便中sIgA包被的R.gnavus细菌更多,血清IgG水平升高,主要针对R.gnavus菌株特异性细胞壁脂聚糖抗原。

R.gnavus水平升高也与脊柱关节炎相关,这是一类炎症性风湿病,但其机制尚不明确。此外,COVID-19患者(未使用抗生素)及长期并发症患者的肠道微生物组中R.gnavus水平较高,可能与细菌的肠肺易位或免疫与炎症调节有关。

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代谢综合征

▸ R.gnavus与体脂率、腰围、血清甘油三酯等指标相关

R.gnavus代谢综合征多个特征密切相关,包括体脂百分比增加。这一关联得到了以挪威20-94岁参与者为基础的大型发现队列(n=2875)及两个复制队列(n=999和n=1341)的分析支持。

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在联合队列中,33.7%的参与者检测到R.gnavus,其存在与脂肪量腰围血清甘油三酯C反应蛋白(CRP)、HbA1c增加HDL降低相关。这些关联在调整混杂因素后依然显著,且在不同性别和年龄(以中位年龄 59.6 岁为界)分层分析中表现一致。

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肥胖

▸ R.gnavus在肥胖者中更丰富

在一项横断面多种族肥胖表型研究(812 名男性,843名女性,60-77 岁)中,16S rRNA 基因测序显示 R.gnavus能量调整饮食炎症指数(E-DII)和肥胖表型相关。

另一项研究发现,在41名BMI正常者中,R.gnavus 与内脏脂肪密切相关,并与代谢指标呈正相关。早期研究也表明,R.gnavus在肥胖者中明显更丰富,并在减重期间减少,且与高BMI呈正相关。此外,一项研究显示,R.gnavus在对减肥手术无反应的患者中更为丰富

注:瘤胃球菌喜欢植物中的多糖。如果肠道中有过多的瘤胃球菌,可想而知细胞会吸收更多的糖,那就不可避免地导致体重增加。

▸ R.gnavus会影响脂质代谢及信号通路

最近的动物研究表明,R.gnavus影响宿主代谢物。在高脂肪饮食小鼠中,R.gnavus影响肝脏的信号通路和下游脂质代谢,特别是降低FGF21表达,增加肝脏甘油三酯水平血清总胆固醇低密度脂蛋白(LDL)水平,所有这些都会导致代谢紊乱

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冠状动脉和肝脏疾病

▸ 冠状动脉疾病晚期患者R.gnavus相对丰度增加

肠道微生物组的改变心血管疾病相关。一项病例对照研究通过16S rRNA测序分析了53名晚期冠状动脉疾病(CAD)患者与53名年龄、性别、种族和BMI匹配的对照者的粪便微生物群,发现CAD患者的肠道微生物组丰富度和均匀度降低R.gnavus相对丰度增加超过数倍的五个分类群之一,并在调整糖尿病和血脂异常等风险因素后,与晚期CAD的存在显著相关

▸ 在脂肪性肝病肝硬化中丰度显著增加

宏基因组测序显示,R.gnavus脂肪性肝病(MASLD)肝硬化和脂肪性肝病-肝细胞癌(HCC)患者中最丰富的五种细菌之一,且在MASLD-HCC患者中丰度最高。

此外,R.gnavus与MASLD-HCC和MASLD肝硬化患者的细胞毒性CD8+ T细胞呈负相关,而在MASLD合并冠心病患者中,其丰度低于仅患冠心病的个体。然而,这些研究未包含MASLD对照组,限制了对MASLD肠道微生物组的理解。

已有研究表明,与健康对照和脂肪性肝病对照相比,脂肪性肝病肝硬化患者的R.gnavus丰度显著增加,暗示其可能与脂肪性肝病向肝硬化的进展有关。

▸ 驱动肝性脑病

高达50-70%肝硬化患者会发展为肝性脑病(HE),这与肠道菌群失调密切相关,机制尚不清楚。通过构建肠脑模块评估宏基因组数据集中的细菌神经毒素,研究人员发现主要来自R.gnavus的苯丙氨酸脱羧酶(PDC)基因在肝硬化患者中增加了约10倍,在HE患者中更高

R.gnavus定植的肝硬化、不健康的小鼠表现出脑苯乙胺(PEA)积累,以及记忆障碍、对称性震颤和皮层特异性神经元丢失,通常见于肝性脑病患者。

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2型糖尿病

▸ 2型糖尿病患者中R.gnavus较高,而抗炎细菌丰度较低

肠道菌群的变化慢性低度炎症2型糖尿病(T2D)发展中起关键作用。一项对T2D患者粪便样本的初步研究发现,R.gnavusLactobacillus ruminisBacteroides caccaeButyricimonas 和 Collinsella aerofaciens丰度较高,而抗炎细菌F.prausnitziiButyrivibrio丰度较低

在一项随访的人群队列研究中,R.gnavus被确定为与新发2型糖尿病(T2D)持续相关的四个物种之一。对134名糖尿病前期成年人的分析显示,梭菌目(Clostridiales)和阿克曼菌(A.muciniphila)丰度降低,而R.gnavus丰度增加。一项基于258名T2D患者的研究发现,富含R.gnavus的微生物簇与适中血糖严重胰岛素抵抗高胆固醇水平相关。

▸ 与妊娠晚期空腹血糖呈正相关

妊娠糖尿病(GDM)研究表明,R.gnavus妊娠晚期空腹血糖呈正相关。此外,糖尿病周围神经病变(DPN)研究显示,甘氨酸熊去氧胆酸和牛磺熊去氧胆酸与R.gnavusPhascolarctobacterium的丰度呈正相关

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感染与脓毒症

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▸ R.gnavus可能导致外周感染及血液感染

R.gnavus感染病例包括血液恶性肿瘤外周感染,如泌尿生殖系统感染。例如,一名患深部浸润性子宫内膜异位症和盆腔炎的女性在双侧输卵管卵巢脓肿中培养出R.gnavus

R.gnavus血流感染还与憩室病、化脓性关节炎胆囊穿孔多发性骨髓瘤乙状结肠癌化疗患者的肠穿孔以及小肠疝和穿孔引起的粪便腹膜炎相关。这些研究表明R.gnavus感染的致病性与胃肠道损伤密切相关。

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神经系统疾病

新出现的证据表明,微生物失调可导致神经认知障碍的发生和发展,如精神分裂症、抑郁症双相情感障碍焦虑症和痴呆症

有人认为,饮食生活方式遗传因素外部压力源“合作”调节肠道微生物群组成,从而影响大脑的反应。越来越多的研究报告了患有神经系统疾病的患者R.gnavus水平的变化

▸ 焦虑症、脑癫痫患者R.gnavus增加

尽管研究规模有限,但焦虑症患者的肠道微生物丰富度多样性显著降低,同时R.gnavus丰度增加。一项为期8周的临床试验测试了益生菌对抑郁症的治疗效果,结果显示益生菌组和安慰剂组均有症状减轻,但肠道微生物群未发生显著变化。然而,重度抑郁患者R.gnavus相对丰度显著增加,并与抑郁焦虑压力量表评分呈正相关。

另一项研究发现,R.gnavus脑癫痫患者的癫痫发作显著正相关,这种神经系统疾病以癫痫发作易感性为特征,与健康对照组相比差异明显。

▸ 阿尔茨海默病和认知障碍患者中R.gnavus丰度增加

随着人口老龄化的加剧,微生物代谢物在神经退行性疾病阿尔茨海默病(AD)和帕金森病(PD)进展中的作用受到越来越多关注。在AD患者中,主要特征是淀粉样蛋白β(Aβ)在记忆相关脑区的积累。一项基于AD小鼠模型的研究发现,Aβ蛋白的过表达显著影响肠道微生物群,其抗菌活性导致R.gnavus等物种的丰度变化。

另一项研究调查了PD患者的肠道微生物群,并根据疾病严重程度分组。结果显示,路易体痴呆患者中R.gnavus粪杆菌相对丰度更高。这与另一项研究的结果一致,该研究发现帕金森病(PD)患者肠道中R.gnavus的丰度显著高于健康对照组

易患神经认知障碍的老年人和患有心理症状的克罗恩病患者中观察到R.gnavus的富集。与健康对照相比,中风后认知障碍患者R.gnavus丰度增加,且与认知测试结果呈负相关。对患偏头痛的老年妇女与健康对照(年龄和BMI匹配)的粪便样本进行宏基因组学分析显示,R.gnavus偏头痛组中显著富集的物种之一。

综上所述,这些研究表明R.gnavus神经系统疾病中的丰度增加,尽管因果关系尚未明确。文献倾向于将粘膜相关或粘液溶解细菌的存在与肠道屏障通透性增加或炎症相关联,导致细菌代谢物或分子泄漏,触发炎症并向大脑发出信号。例如R.gnavus ATCC 29149 能够将色氨酸脱羧形成色胺,提高了肠道和中枢神经系统互作的可能性。

然而,目前尚无证据表明R.gnavus能物理改变粘膜屏障。与多形拟杆菌(Bacteroides thetaiotaomicron)或A.muciniphila等物种因其广泛的粘蛋白-聚糖降解能力可分解完整的粘蛋白聚糖链不同,R.gnavus的粘蛋白聚糖降解能力具有菌株特异性,仅限于从上皮屏障外觅食聚糖表位。

R.gnavus与疾病关联的研究

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Crost EH,et al.FEMS Microbiol Rev.2023

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调节R.gnavus的因素

▸ 高糖高肉会增加R.gnavus

饮食肠道微生物群的主要调节因素。在题为“满足欧洲老年人口健康老龄化特定需求的新饮食策略”(NU-AGE)的研究中,调查了饮食肠道微生物群认知之间的关联,结果表明R.gnavus和Collinsella spp.与富含动物产品的饮食有关,被称为“促炎物种”

通过对多种族队列研究(5936名参与者)的粪便样本进行16S rRNA基因测序,确定了饮食质量肠道微生物组的长期关联。结果显示,R.gnavus的存在与健康饮食指数负相关

健康饮食指数(HEI)由13个组成部分组成,最高100分,包括9个充足性组成部分(总水果、全水果、总蔬菜、蔬菜和豆类、全谷物、乳制品、总蛋白质食品、海鲜和植物蛋白以及脂肪酸)以及四个适度成分(精制谷物、钠、添加糖和饱和脂肪)。大多数成分按每1000大卡摄入量的摄入量评分。2

以羊肉、猪肉等红肉为基础的饮食会增加活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)的丰度。

此外,经常食用糖果饮料糕点等,也会导致Ruminococcus gnavus升高,并降低了肠道中某些有益菌

▸ 富含多酚的食物有助于减少R.gnavus

针对R.gnavus的饮食干预研究较少。一项对23名健康个体的随机交叉试验发现,在高红肉饮食中添加高直链淀粉玉米降低R.gnavus的比例;补充富含多酚的红树莓可减少糖尿病前期和胰岛素抵抗成人的R.gnavus。这表明针对活泼瘤胃球菌(R.gnavus)的饮食干预可作为促进健康的策略。

▸ 益生菌调节

唾液乳杆菌(Lactobacillus salivarius Ren)显著减少R.gnavus的数量。

Lactobacillus paracasei DG干预后,瘤胃球菌丰度下降55%(P = 0.016)

口服长双歧杆菌BB536 和鼠李糖乳杆菌HN001 1个月后,Ruminococcus gnavus丰度减少

此外,我们推测多形拟杆菌(Bacteroides thetaiotaomicron)等能够降解碳水化合物有益细菌可能会与R.gnavus竞争,从而抑制R.gnavus的丰度。

但在注射了乳杆菌的小鼠小肠微生物群中,瘤胃球菌过度生长

以下的细菌也可能对R.gnavus具有抑制作用

Bifidobacterium

Coriobacteriales

Adlercreutzia

Collinsella

Bacteroidales

Bacteroides

Porphyromonadaceae

Odoribacter

Parabacteroides

Porphyromonas

Prevotella

Rikenellaceae

Alistipes

Turicibacter

Streptococcus

Clostridiales

Catabacteriaceae

Clostridium

Clostridiales incertae sedis

Peptoniphilus

Clostridiales Family XIII. Incertae Sedis

Lachnospiraceae

Blautia

Lachnospiraceae

Coprococcus

Dorea

Eubacterium

Lachnobacterium

Lachnospira

Roseburia

Lachnospiraceae

Peptococcaceae

Ruminococcaceae

Ruminiclostridium

Acetivibrio

Eubacterium

Faecalibacterium

Oscillospira

Ruminococcus

Acidaminococcus

Dialister

Phascolarctobacterium

Veillonella

Rubrivivax

Alcaligenaceae

Oxalobacter

Bilophila

Desulfovibrio

Campylobacteraceae

Enterobacteriaceae

Escherichia

Erysipelotrichaceae

Erysipelotrichaceae

Holdemania

Akkermansia

▸ 益生元调节

施用低聚半乳糖(GOS)后,R.gnavus丰度下降

龙舌兰菊粉,3周,随机对照试验,交叉试验,R.gnavus减少

玉米可溶性纤维21g/d, 3周,随机对照试验,交叉试验,R.gnavus减少

结 语

尽管活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)是人类肠道微生物群的重要组成部分,通常在健康个体的肠道中广泛存在,但研究表明,其丰度的异常升高可能与多种疾病的发生和发展密切相关。这些疾病不仅包括肠道相关疾病,如炎症性肠病(IBD)、肠易激综合征(IBS)和结直肠癌,还涉及非肠道相关疾病,如神经发育障碍、神经系统疾病、代谢性疾病以及免疫系统紊乱等。

例如,除了最近《Nature Medicine》揭示活泼瘤胃球菌可通过苯丙氨酸脱羧酶及其代谢产物苯乙胺驱动肝性脑病,为肝性脑病提供了潜在诊疗靶点。 今年江南大学王鸿超团队基于机器学习识别关键菌群,发现肥胖个体中肠道共生菌活泼瘤胃球菌丰度增加,且与临床指标显著相关,且通过调节胆汁酸代谢(如促进次级胆汁酸的生成)对宿主代谢产生不利影响,间接阻碍了体重的下降;并可能导致肝脏损伤

因此,监测和预防活泼瘤胃球菌丰度的异常升高对于维持肠道菌群平衡和降低疾病风险具有重要意义。然而,要实现这一目标,需要建立可靠的健康人群和疾病人群的肠道微生物数据库,以明确健康状态下该菌的正常丰度范围及其在疾病状态下的异常变化边界。这些数据库应包括不同年龄、性别、生活方式和地理区域的健康人群数据,同时结合疾病人群的微生物组特征,明确活泼瘤胃球菌的丰度变化与疾病的关联模式。通过这些数据的积累和分析,不仅可以更准确地识别活泼瘤胃球菌的异常丰度阈值,还能为个性化的肠道健康管理和疾病预防策略提供科学支持

主要参考文献

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什么是烟雾病?从症状识别到治疗选择

谷禾健康

▶ 某天,10岁的豆豆开始感到奇怪,左半身隐约有些麻木,使不上劲儿,还有些“抽搐”的感觉。她的病是逐渐发作的,直到有一天在上学路上摔倒了。这时候家长意识到不对劲,豆豆说她不能运动,不能跳舞…

儿科医生怀疑她有神经系统问题,经过核磁共振扫描等系列检测,豆豆最后被确诊为“烟雾病”。

▶ 一名37岁男性,因突发性右臂无力和持续30分钟的言语停止而就诊,医生对他进行了头部CT、脑血管造影、脑数字减影血管造影检查,结果显示双侧颅内血管病变累及前循环左侧大于右侧,与烟雾病的发展最为一致…

烟雾病是一种慢性脑血管病,临床表现包括缺血性和/或出血性卒中和认知障碍儿童和成人均可发生,因此导致残疾和死亡的发生率较高。

烟雾病的主要特征是供应大脑前部的主要动发生进行性狭窄,包括颈内动脉及其分支。这种狭窄导致大脑的血液供应逐渐减少,进而促使大脑发展出代偿机制以防止缺血。

这些代偿机制之一是侧支循环的形成,即附近的血管生成小分支来供应血液不足的区域。在脑血管造影中,这些侧支血管形成的异常血管网状结构呈现出一种模糊的特征,类似于烟雾,因此这种疾病被形象地命名为“烟雾病”,在日语中的意思为“一股烟”。

尽管侧支循环能在短期内增加血液供应,但它们也容易破裂,限制血液流向大脑,从而增加患者中风的风险

大约10-15%的病例是家族性的,表明有很强的遗传成分。有几个基因与此有关,包括RNF 213,这在东亚人群中特别常见。

环境因素也可能与烟雾病的发展有关,感染,自身免疫性疾病辐射暴露可能会引发易感个体的疾病。

免疫炎症方面,全身免疫炎症指数(SII)、转化生长因子-β(TGF-β)等多个炎症标志物在烟雾病患者中显著升高。微生物组研究显示,活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)丰度升高与烟雾病风险增加约10倍相关,而双歧杆菌等有益菌群显著减少。此外,血浆代谢物分析发现鸟氨酸水平升高与成人烟雾病风险显著相关

本文我们来详细了解一下烟雾病的基本特征、临床表现和人群分布特点,包括该病的危险因素识别和发病机制研究进展,以及与肠道菌群的关联,同时也涵盖了一些常见的诊疗策略。

01
关于烟雾病

烟雾病(Moyamoya Disease,简称MMD)是一种罕见的慢性脑血管疾病。当医生们在进行脑血管造影检查时,发现患者脑底部形成的异常血管网在影像上呈现出袅袅升起的烟雾状,因此得名。

▼ 病理特征

  • 颈内动脉末端逐渐变窄,大脑前动脉和中动脉起始部发生狭窄;
  • 脑底部形成异常的代偿性血管网络;
  • 血管内膜逐渐增厚,最终可能导致血管完全闭塞。

▼ 烟雾病的典型症状有哪些?

烟雾病症状通常出现在儿童中年,包括中风,头痛和癫痫发作。这种情况及其症状在儿童中的进展速度比成人

突发症状

症状之一是典型的中风,它会引起广泛的神经系统症状,包括:

  • 严重头痛或头晕
  • 失去协调性,包括行走困难
  • 四肢或身体一侧的虚弱或瘫痪
  • 言语问题-无法说话或回忆词语
  • 恶心或呕吐
  • 癫痫发作或意识丧失
  • 视力障碍(包括视力丧失和模糊)

渐进性症状

一些患有烟雾病的儿童和成人的症状是逐渐出现的,然后随着时间的推移而变得更糟。这些症状包括:

  • 慢性头痛
  • 认知(思维)问题,如学习困难,注意力不集中或记忆困难
  • 发育迟缓
  • 不自主肌肉运动
  • 感觉障碍(听觉、视觉、嗅觉、味觉或触觉丧失)

烟雾病症状按照引起的原因可分为:

  • 脑缺血和脑出血。

缺血症状

症状通常取决于哪一个大脑区域缺血(例如,额叶、顶叶、颞叶)。常见症状包括轻偏瘫、失语、认知障碍、癫痫发作、晕厥、视力缺陷等。缺血性症状可能是短暂的(TIA)或永久性的(中风),并且通常在儿童中由过度换气(例如,哭泣,运动),脱水劳累引起。

颅内出血

临床症状根据出血部位而不同,出血部位可以是脑室内、脑实质内蛛网膜下腔。出血可归因于脆弱的侧支血管破裂,在某些情况下也可能由烟雾病相关的微动脉瘤引起。

在所有年龄组中,缺血(TIA或中风)是烟雾病最常见的表现,但成人出现颅内出血的可能性是儿童的7倍,这可能是由于成人血压较高时微小烟雾病血管破裂所致。

▼ 烟雾病的发病率如何?哪些人群易发?

烟雾病症状最常见于5~10岁的儿童30~50岁的成年人

烟雾病在全球范围内呈现出显著的地域性分布特征,其中亚洲地区,特别是东亚国家的发病率最高

美国缺血性症状是成人和儿童的主要表现,尽管成人发生颅内出血的可能性仍然是儿童的7倍(20% vs 2.8%)。相比之下,亚洲人群中出现出血的成年人比例(42%)远高于居住在美国的亚裔人群。

日本的流行病学研究中显示:

  • 年发病率为每10万人0.35-0.94例
  • 患病率为每10万人3.16例
  • 女性患者是男性的1.9倍
  • 约11-12%的患者有家族病史
  • 男性高发年龄在10-14岁,女性在20-24岁

韩国也观察到上升趋势,年发病率从2007年的每10万居民1.7例增加到2013年的每10万居民4.3例

美国2002年至2008年全国住院患者样本的一项研究表明:

  • 年发病率为每10万人0.57例
  • 平均诊断年龄为32岁
  • 女性患者是男性的2.6倍
  • 种族分布:白人占49%,黑人占24%,亚裔占11%
  • 其中西班牙裔占11%

中国烟雾病的流行病学研究,纳入了2016年~2018年期间来自 1312 家医院的 47443例新发患者,共 69680例住院记录。

  • 年发病率为每10万居民1.14例(95%CI,1.12 – 1.16),从2016年到2018年增长了约2倍。
  • 儿童发病率(0.18/10万/年,95%CI,0.17 ~ 0.20)明显低于成人(1.40/10万,95%CI,1.38 ~ 1.42)(P<0.001)
  • 发病高峰在45-54岁,其次为10-14岁儿童
  • 发病率的分布模式为聚集性区域分布模式(Moran ‘sI= 0.155,P= 0.018,Z= 2.375)。

02
为什么会得烟雾病?
主要的危险因素有哪些?

▼ 遗传因素

在亚洲国家,大约10-30%的烟雾病病例有遗传原因。

家族史:

  • 约10-12%的患者有烟雾病家族史
  • 有家族史者患病风险是普通人群的30-40倍
  • 一级亲属中,家族发病率和风险在有受影响双胞胎的个体中最高,其次是兄弟姐妹,当亲属是父亲时风险最低。

基因突变:

  • RNF213基因突变是最主要的遗传因素,尤其在东亚人群中
  • 东亚人群中RNF213 R4810K变异最为常见
  • 非东亚人群存在非R4810K变异
  • ACTA2基因的R179变异与特定类型烟雾病相关

RNF 213是一种与颅内大动脉狭窄/闭塞相关的锌环指蛋白,RNF 213的突变可能会影响与血管生成免疫活性相关的信号传导过程相关的一些微RNA和蛋白质的表达,这些信号传导过程是烟雾病病理和进展的基础。

▼ 人群特征因素

性别:女性发病率显著高于男性

年龄:呈双峰分布;

第一个高峰在5-10岁;第二个高峰在30-50岁

种族:

  • 东亚人群发病率最高
  • 即使在其他国家居住的亚裔也具有较高风险

▼ 环境和其他因素

放射治疗

在因脑瘤而暴露于颅辐射的患者中,烟雾病血管病变的发生率报告为2%-4.3%

在接受视神经胶质瘤放射治疗的神经纤维瘤病1型患者中,发病率可高达60%

感染相关

烟雾病血管病变的另一个非遗传性触发因素是感染,如钩端螺旋体病HIV感染

水痘带状疱疹病毒感染引起了人们的注意,因为它常发生可逆性动脉病,称为短暂性脑动脉病(TCA)或局灶性脑动脉病(FCA),有时会发展为烟雾病。

一名20岁女性在成功治疗肺炎链球菌脑膜炎后出现进行性血管病变。在她感染后的八个月内,血管造影显示出烟雾综合征的外观。

社会经济因素

低收入人群风险较高,这可能与医疗资源获取、生活方式等多个因素有关。

城市生活环境,这可能与城市环境中的压力因素、环境污染等因素有关。

▼ 相关疾病因素

多种基础疾病可能增加烟雾病的发病风险:

  • 血脂异常、高血压
  • 唐氏综合征
  • 镰状细胞病
  • 1型神经纤维瘤病
  • 甲状腺功能亢进症
  • 动脉粥样硬化
  • 自身免疫性疾病

理解这些危险因素对于疾病的预防、早期诊断和治疗具有重要意义。特别是对于具有多个危险因素的人群,应当进行更密切的监测和随访。同时,某些危险因素(如环境因素)是可以调控的,这为疾病的预防提供了可能的干预靶点。

03
烟雾病的病理生理

目前已经研究了烟雾病的流行病学、临床特征等,但对其病因和进展知之甚少。研究表明,烟雾病可能与免疫、炎症、微生物组等有关。

▼ 免疫和炎症

1993年,6例烟雾病患者的研究显示,在主要由平滑肌细胞组成的Willis环中,增厚的动脉内膜中有巨噬细胞和T细胞浸润。这为免疫系统和炎症参与烟雾病的病理生理学提供了见解。

慢性炎症损伤血管壁并引起微血栓,导致缺血性卒中。此外,由细胞因子的异常分泌形成的促炎环境也可能刺激内皮细胞和巨噬细胞的活化、平滑肌细胞的增殖新血管形成

一项前瞻性研究表明,与健康对照(HC)相比,烟雾病患者的循环TregTh17细胞显著升高

巨噬细胞

烟雾病患者中M2型巨噬细胞标记物sCD163的高表达,表明巨噬细胞可能在烟雾病的进展中发挥作用。

烟雾病患者中哪些细胞因子水平发生变化?

转化生长因子-β(TGF-β)是促炎细胞因子之一,能够调节多种细胞功能,如增殖、分化和迁移。研究发现,烟雾病患者的外周TGF-β水平增加,并与铃木分期烟雾病呈正相关TGF-β的增加表达可能诱导大量细胞外基质产生,并伴有正常猪动脉的内膜和中膜增生。

同样,烟雾病患者的血清IL-1β、TNF-α、IL-12水平也高于年龄和性别匹配的健康个体,血清中VIP、CCK、SST水平显著降低;这些水平也与这些受试者的脑脊液(CSF)中检测到的水平相关。

烟雾病患者免疫炎症标志物的比较与评估

一项对154例烟雾病患者(MMD组)和321例年龄、性别匹配的健康体检者(对照组)进行的回顾性病例对照研究,烟雾病组的全身免疫炎症指数(SII)中性粒细胞与淋巴细胞比率(NLR)血小板与淋巴细胞比率(PLR)值均显著高于对照组[分别为754 ± 499 vs.411 ± 205(P< 0.001),2.83 ± 1.98 vs.1.81 ± 0.72(P< 0.001)和152 ± 64 vs.120 ± 42(P< 0.001)]。

SII是一种新型、经济的生物标志物,能够反映炎症和免疫反应之间的平衡状态,ROC曲线分析显示SII的AUC为0.76,优于NLR(0.69)和PLR(0.66),可能是烟雾病患者炎症状态的可靠指标,特别是在评估疾病活动性和预测并发症风险方面具有潜在应用价值。

从免疫炎症的角度,中间阶段烟雾血管群的免疫炎症状态可能变得更加活跃,这一发现似乎意味着铃木阶段的III期和IV期烟雾病患者更容易患中风。 这可为外科手术时机的选择提供参考。

烟雾病与自身免疫疾病有何关联?

烟雾病与某些自身免疫性疾病的共存,促使研究者探索免疫调节紊乱和免疫蛋白异常表达在烟雾病进展中的机制。

Yanagawa等人报告了一例烟雾病患者,其类风湿因子和髓过氧化物酶-抗中性粒细胞胞质抗体的检测结果为阳性。蛋白质阵列数据分析和生物信息学分析帮助鉴定了165种烟雾病患者血清中显著过表达的自身抗体,这些抗体与翻译后修饰、炎症反应和DNA损伤修复及维护相关。

免疫复合物沉积导致的血管损伤

在烟雾病患者中发现的IgG和IgM沉积可能导致主要脑血管及其分支的内弹性层退化、迂曲和破裂。

在15例烟雾病病例的尸检中发现,内弹性板下以及颈内动脉和大脑前动脉及中动脉中发现了IgG和IgM的沉积。免疫复合物的沉积可能导致中膜平滑肌细胞大量迁移到内皮下,导致内膜增厚血管腔狭窄

▼ 内皮祖细胞

内皮祖细胞(EPCs)在肿瘤血管生成、缺血组织的血管生成、维持血管稳态以及胚胎期血管发育中发挥作用。

烟雾病患者中EPCs水平的变化

研究发现,烟雾病患者的循环EPCs水平高于动脉粥样硬化性脑血管疾病患者和健康对照组。特别是在有造影显示的烟雾血管的患者中观察到这一现象。

EPCs与烟雾病术后恢复的相关性

一项前瞻性临床试验还发现,在116例烟雾病患者中,EPC计数与术后侧支循环良好之间存在显著相关性。然而,看似矛盾的报告发现,一组未接受手术的高加索成年烟雾病患者和一组患有烟雾病的儿童的血液EPCs水平降低。

EPCs功能异常与烟雾病进展

早期EPC具有3种特异性表面标志物:CD34、CD133和血管内皮生长因子受体2(VEGFR-2),而晚期EPC仅表达2种标志物:CD34和VEGFR-2。不同时期的EPCs在烟雾病病理生理过程中可能发挥不同的作用。

▼ 一氧化氮与血管生成相关细胞因子

一氧化氮(NO)在烟雾病中的作用

一氧化氮(NO)通过与其受体鸟苷酸环化酶(sGC)结合,在烟雾病的血管重塑血管收缩调节中发挥重要作用。

NO通过NO-sGC-cGMP途径参与多种生理和病理生理活动,包括血管平滑肌重塑和血管收缩调节。L-精氨酸(NO的前体)对小鼠脑小动脉的扩张作用和NO合成抑制剂L-NMMA的收缩作用证实了这一点。

此外,23名烟雾病患者的脑脊液中NO水平显著高于16名非烟雾病患者的对照样本。sGC突变导致的NO信号传导障碍可能导致烟雾病。可以推测,NO水平的变化可能通过扩大侧支循环中的小血管,影响血管平滑肌,促进异常血管网络的形成,但具体机制尚待阐明。

烟雾病患者中Cav-1的作用

在烟雾病患者中,抑制性调节器Cav-1的减少可能对动脉重塑产生负面影响。

Cav-1是NO的抑制性调节因子,在烟雾病患者中被发现减少,体外研究表明Cav-1的下调抑制了内皮细胞的血管生成并诱导平滑肌细胞凋亡,表明其在烟雾病的动脉重塑中起负面作用。

烟雾病患者中细胞因子的变化

烟雾病患者的血浆中细胞因子,包括生长因子和与血管生成相关的细胞因子,显著改变。

烟雾病患者的血浆中细胞因子,包括生长因子如VEGF和PDGF-BB,以及与血管生成相关的细胞因子显著改变。VEGF的表达可由缺氧诱导,被认为是最有效的促血管生成生长因子。研究发现烟雾病患者的血浆中VEGF浓度显著更高

VEGF在烟雾病进展中的作用

局部脑缺氧可能通过改变VEGF的表达,促进烟雾血管的形成。

在烟雾病的进展中,局部脑缺氧可能引起VEGF表达的变化,这可能有助于烟雾血管的形成。此外,VEGF的受体sVEGFR-1和sVEGFR-2在烟雾病患者中减少,接受间接搭桥手术的烟雾病患者往往有更好的侧支形成,sVEGFR-1和sVEGFR-2水平更低

MMP-9及其他细胞因子在烟雾病中的作用

作为与血管生成相关的细胞因子,MMP-9靶向胶原IV,通过降解细胞-细胞和细胞-基质接触,破坏内皮基底膜的稳定性,并可能参与破坏血脑屏障。

一些零星的研究报告了烟雾病患者血清或脑脊液中其他细胞因子如bFGF、HGF、PDGF-BB、MCP-1的表达增加。这些细胞因子主要引起内皮细胞的增殖和平滑肌细胞的迁移,导致内膜增生和病理性侧支血管形成。然而,这些细胞因子是否在烟雾病的进展中起启动作用,或者仅仅是中间产物,尚不清楚,需要进一步研究。

▼ 血脂异常

血脂异常与烟雾病

  • 高密度脂蛋白(HDL)水平与烟雾病风险呈负相关;
  • 血脂异常是单侧烟雾病发展为双侧的危险因素;
  • 血脂异常与无症状烟雾病患者出现症状有关。

▼ 微生物组

肠道菌群

越来越多的证据表明,肠道微生物群是影响宿主代谢和免疫稳态的关键环境成分。肠道微生物组在心脑血管疾病如高血压、动脉粥样硬化中风中的重要性得到了很多关注。

在这些病症中,由肠道微生物组产生的许多代谢物被吸收到循环系统中,在循环系统中它们被宿主酶进一步加工,导致对靶器官的损伤。

2021-2022年进行的一项前瞻性病例对照研究,纳入2021年6月至2022年5月期间在首都医科大学附属北京天坛医院神经外科就诊的72例烟雾病型脑血管疾病成人患者(年龄≥ 18岁),排除了10名烟雾综合征患者和2名粪便样本不足的患者,也就是60例烟雾病患者vs 60例健康对照,采用16S rRNA测序技术,对烟雾病患者的肠道菌群进行了系统分析。

多样性

研究发现烟雾病组患者的α多样性指数显著降低,具体表现为Shannon指数和Chao 1指数的明显下降。这种多样性的降低,提示烟雾病患者肠道微生态系统的稳定性可能受到影响。同时,通过加权UniFrac距离分析的β多样性也显示出显著差异,表明烟雾病患者的菌群群落结构发生了明显改变。

烟雾病和对照组之间微生物多样性和微生物组组成的比较

doi.org/10.3389/fcimb.2023.1252681

菌群组成

研究发现了以下特征性改变:

门水平的变化

  • 梭杆菌门(Fusobacteria)相对丰度显著升高
  • 放线菌门(Actinobacteria)相对丰度明显降低

属水平的特征性改变

增加的菌属:

  • 梭杆菌属(Fusobacterium)
  • Lachnoclostridium

梭杆菌属(Fusobacterium)

梭杆菌属(Fusobacterium)是口腔或结肠中的一种机会性肠道厌氧菌。近年来,许多研究表明梭杆菌通过调节免疫炎症因子参与结直肠癌的生长和进展。此外,梭杆菌可以促进促炎因子和活性氧物质的产生,这可能在慢性炎症中起关键作用。

在该研究中,烟雾病组中梭杆菌的丰度高于HC组。因此,推测梭杆菌介导的慢性炎症可能与烟雾病的发生发展有潜在的关系是合理的。

  • 具体来说,基质金属蛋白酶(MMP)-9能够通过分解IV型胶原来破坏血管内皮的基底膜和紧密连接蛋白,当MMP-9过度活跃时,会导致血管内皮变得不稳定。
  • 进一步的前瞻性研究,基于84名烟雾病患者的血浆样本,发现血清中的MMP-9水平可以作为预测烟雾病患者出血风险的生物标志物。
  • 有研究表明梭杆菌能够诱导MMP-9的产生。
  • 因此,有理由推测梭杆菌可能通过促进MMP-9的生成来参与烟雾病的发病机制。

Lachnoclostridium

与正常人群相比,结直肠癌患者的该菌相对丰度更高。

心脏病患者血浆中的三甲胺-N-氧化物(TMAO)水平越高,其心血管疾病风险就越大,呈现明显的剂量依赖关系。后续研究进一步证实,血液中TMAO水平升高与高血压和高同型半胱氨酸血症的发生率密切相关。

TMAO的形成过程涉及肠道菌群代谢:首先,肠道微生物产生三甲胺(TMA)这一代谢产物,随后TMA在肝脏中经过含黄素的单加氧酶3的作用,转化为TMAO。近期研究发现,Lachnoclostridium能够促进TMA的产生,进而加速动脉粥样硬化的发展。

这一发现与烟雾病的研究产生了联系。既往研究已经表明,血液中同型半胱氨酸水平升高增加患烟雾病的风险。在本研究中,研究人员观察到烟雾病患者体内Lachnoclostridium的含量明显高于健康对照组。基于这些发现,研究团队提出一个新的假说:Lachnoclostridium可能通过影响同型半胱氨酸的水平,并促进TMAO的产生,参与烟雾病的发病过程

更值得注意的是,研究还发现在烟雾病患者中,Lachnolostridium属的含量与收缩压(SBP)呈现正相关。这一现象可能也与乳杆菌影响TMAO合成有关,提示乳杆菌的含量可能可以作为预测烟雾病患者血压变化的一个指标。

减少的菌属:

  • 双歧杆菌属(Bifidobacterium)
  • 肠杆菌属(Enterobacter)

双歧杆菌属(Bifidobacterium)

双歧杆菌是重要的肠道有益微生物。先前的研究已经表明双歧杆菌血浆TMAOTMA呈负相关。在该实验中,烟雾病组群具有比HC组群更少的双歧杆菌丰度。如前所述,这种趋势的出现是合乎逻辑的。

肠杆菌属(Enterobacter)

肠杆菌可在人类胃肠道中发挥益生菌作用。在这项研究中,烟雾病患者中肠杆菌属的相对丰度也降低了。

双歧杆菌和肠杆菌对烟雾病的发生、发展可能有拮抗作用。

在临床应用方面,研究者基于4个特征性属建立了预测模型,该模型的ROC曲线下面积达到0.921,显示出良好的诊断价值。这些发现为烟雾病的早期筛查提供新的指标。

一项研究通过分析27例烟雾病患者、7例ICAD患者和15例对照者的粪便样本16S rRNA测序数据,发现烟雾病患者中活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gavus)丰度显著升高,而Roseburia inulinivorans丰度显著降低,这两种菌群的变化与疾病风险增加约10倍相关。

活泼瘤胃球菌在烟雾病患者中丰度显著升高,是区分烟雾病和对照的有效生物标志物(AUC=0.81)。

活泼瘤胃球菌 (Ruminococcus gavus)

Ruminococcus gnavus是一种常见的肠道微生物,属于厚壁菌门,R. gnavus在肠道粘膜的粘液层中具有优势,能够降解粘液作为能量来源,并通过产生细菌素来保护和定植。

同时R. gnavus与多种炎症性疾病有关,包括炎症性肠病(IBD)、肠易激综合征(IBS)、湿疹、代谢紊乱和风湿性疾病。

R. gnavus已知能够产生一种炎症性多糖,这种多糖能够激活树突状细胞分泌肿瘤坏死因子-α(TNF-α),并以TLR4依赖的方式增加RNF213的表达。RNF213是一种可能的细菌感染感应器,其功能障碍可能导致病原体清除不足,从而引发持续的炎症,这可能与烟雾病的病理过程有关。

口腔菌群

日本烟雾病患者口腔菌群中弯曲杆菌丰度较高

研究通过对比日本烟雾病患者(未经手术治疗的)(n=16) 与健康人群(n=15)的口腔和肠道微生物组成发现,烟雾病患者口腔中弯曲杆菌的丰度显著高于健康人群。

烟雾病患者的口腔微生物多样性(Chao1指数和观察到的物种)高于健康对照组;两种分析方法(LEfSe和ANCOM-BC)均证实弯曲杆菌在烟雾病患者口腔中显著富集。

弯曲杆菌 (Campylobacter)

弯曲杆菌是一类革兰氏阴性、微需氧的细菌,广泛存在于鸟类、哺乳动物和人类的消化道,要通过粪口途径传播,是全球常见的细菌性腹泻病原体之一。

弯曲杆菌感染主要引起急性胃肠炎,症状包括腹泻(常带血)、腹痛、呕吐、发热和恶心等,大多数感染是自限性的,但免疫力低下的人群(如儿童、老年人和免疫抑制者)可能发展为严重并发症。

感染途径主要包括食用受污染的肉类、乳制品、蔬菜和水果,以及饮用未经处理的水或牛奶。

弯曲杆菌是如何参与烟雾病发病机制的?

在日常口腔卫生实践中,口腔细菌可以短暂地进入血液循环,弯曲杆菌可能通过这种短暂性血源感染到达血管组织,通过血液传播可能激活颅内动脉的免疫反应。

分子机制相互作用:

弯曲杆菌含有脂多糖(LPS),RNF213基因(烟雾病的易感基因)参与细胞内细菌脂多糖的泛素化过程,这种相互作用提示弯曲杆菌可能通过影响RNF213基因功能参与烟雾病发病。

免疫调节作用:

弯曲杆菌能够上调HT-29细胞中的TLR4和MD-2表达,虽然不是血管细胞系,但可通过这一机制调节免疫应答,这种免疫调节作用可能与烟雾病患者颅内动脉病变相关。

炎症反应激活:

这些发现表明弯曲杆菌可能是烟雾病发病机制中的重要环境因素,通过血源性感染、免疫调节与RNF213基因的相互作等多重途径参与疾病的发生发展。

▼ 代谢物水平

一项研究探讨了血浆尿素循环代谢物与成人烟雾病(MMD)风险之间的关系。研究发现,血浆鸟氨酸水平升高成人烟雾病风险增加显著相关,而精氨酸、尿素和全球精氨酸生物利用度比(GABR)水平升高则与烟雾病风险降低相关。

鸟氨酸是产生脯氨酸、多胺和瓜氨酸的必需结构单元,并且对于控制许多代谢活性至关重要。鸟氨酸与线粒体功能异常有关,可能受到炎症因子的影响。

精氨酸是一种与许多生物过程相关的氨基酸,包括蛋白质合成、免疫反应和一氧化氮的产生,精氨酸可能是缺血性脑血管疾病中的保护因子。具有抗炎效果;产生一氧化氮,帮助血管舒张;有助于预防血小板和白细胞粘附。

这些发现表明,血浆尿素循环代谢物可能是烟雾病风险的潜在生物标志物,有助于疾病的早期诊断,为治疗提供新的思路。当然,未来还需要更多的研究来验证这些发现。

04
如何诊断烟雾病?需要做哪些检查?

烟雾病的诊断是一个复杂的过程,涉及多种影像学检查方法,以观察脑部血管的异常变化。以下是烟雾病主要的诊断方法:

影像学检查

影像学检查是诊断烟雾病的关键步骤,可以帮助医生观察到脑部血管的异常变化,如颈内动脉狭窄或闭塞,以及异常血管网的形成。

-计算机断层扫描 (CT) 和 CT血管造影 (CTA)

CT可以显示脑部的结构,而CTA可以提供血管的详细图像,帮助识别颈内动脉的狭窄或闭塞。

-磁共振成像(MRI)

MRI能够提供脑部的详细图像,有助于识别烟雾病相关的脑组织变化,如脑缺血或出血。

-磁共振血管造影(MRA)

MRA是一种无创的血管成像技术,可以显示脑部血管的结构和血流情况,对于发现烟雾病的血管异常非常有用。

-数字减影血管造影(DSA)

DSA被认为是诊断烟雾病的“金标准”。通过将造影剂注入血管,并进行X射线成像,DSA可以清晰地显示血管的狭窄、闭塞和异常血管网。

烟雾病有哪些分期?不同分期有什么特点?

铃木分期法是一种根据血管造影结果对烟雾病进行分期的方法,它有助于评估疾病的严重程度和进展。

铃木分期法的六个阶段:

第一阶段(初期)

  • 颈内动脉末端和末段大脑中动脉开始狭窄。
  • 血管造影显示轻微的烟雾状血管出现,但尚未形成明显的侧支循环。

第二阶段(早期):

  • 烟雾状血管变得更加明显,基底动脉和大脑后动脉开始形成侧支循环。
  • 颈内动脉末端进一步狭窄,烟雾状血管增多。

第三阶段(中期):

  • 烟雾状血管进一步发展,形成更为密集的网状结构。
  • 颈内动脉和大脑中动脉的狭窄更加严重,侧支循环进一步增强。

第四阶段(晚期):

  • 烟雾状血管开始减少,表明代偿性侧支循环达到最大程度。
  • 颈内动脉和大脑中动脉的狭窄或闭塞更加明显,侧支循环开始出现减弱。

第五阶段(末期):

  • 烟雾状血管进一步减少,侧支循环开始消退。
  • 颈内动脉和大脑中动脉的狭窄或闭塞达到最大程度,脑血流依赖于颅底和颅外的侧支循环。

第六阶段(终末期):

  • 所有的烟雾状血管消失,颈内动脉和大脑中动脉完全闭塞。
  • 脑血流几乎完全依赖于颅底和颅外的侧支循环,这些侧支循环也可能出现硬化或闭塞。

以上是铃木分期法,不同分期的烟雾病患者可能需要不同的治疗方法。例如,早期患者可能只需要密切监测,而晚期患者可能需要手术治疗。

3、肠道菌群检测

随着医学研究的深入,肠道菌群检测作为一种新兴的辅助诊断手段,显示出其在烟雾病诊断中的潜力。

肠道菌群检测的优势在于其非侵入性易操作性。通过分析粪便样本中的微生物组成,可以为烟雾病的诊断提供重要的生物标志物

烟雾病患者的肠道菌群与健康对照组存在显著差异。通过前瞻性病例对照调查,研究人员发现,烟雾病患者的肠道菌群中,Lachnoclostridium和梭杆菌属(Fusobacterium)的相对丰度增加,而双歧杆菌属和肠杆菌属的相对丰度减少。这一发现揭示了肠道菌群与烟雾病之间的关联,并为无创辅助诊断提供了新的思路。通过识别特定的肠道微生物标志物,医生可以更早地发现烟雾病,从而及时干预改善患者的预后

此外,肠道菌群检测的结果还可以与影像学检查相结合,提高诊断的准确性。例如,通过比较肠道菌群检测结果与铃木分期法的分期,临床医生可以更全面地评估患者的病情,制定个性化的治疗方案。

05
烟雾病的治疗策略与预后管理

一、传统治疗方案选择

烟雾病的传统治疗主要集中在改善脑部血流,以减少缺血性和出血性卒中的风险。治疗方法包括药物治疗手术治疗

药物治疗

抗血小板药物:用于减少血栓形成,如阿司匹林。抗血小板药物治疗的获益和风险需要权衡。

根据2021年美国心脏协会/美国卒中协会(AHA/ASA)指南建议:

  • 对有缺血性卒中或TIA病史的烟雾病患者,可考虑使用抗血小板治疗,通常为阿司匹林单药治疗。
  • 推荐等级:2b级(弱推荐)
  • 获益≥风险
  • 证据水平:C-LD(有限数据)

2021年日本烟雾病管理指南同样提出:

  • 可以考虑对缺血性烟雾病患者口服抗血小板药物
  • 推荐等级:C级
  • 证据水平:低

例如,西洛他唑是一种多效抗血小板药物,它是一种选择性磷酸二酯酶III抑制剂,具有抗血小板、抗血栓形成和血管扩张作用。在一项大型人群研究中,西洛他唑与其他抗血小板药物相比,在新诊断的烟雾病患者中,死亡率下降幅度最大。已成为烟雾病管理的潜在治疗方法。

抗癫痫药物:控制癫痫发作,尤其是在有癫痫症状的患者中。

神经保护剂应用:主要用于改善神经功能,但缺乏大规模随机对照研究证据,临床应用需要个体化考虑。

钙通道阻滞剂:用于缓解由烟雾病引起的头痛,也有研究认为要谨慎使用。

烟雾病血管病变中的头痛治疗

典型地具有偏头痛(>50%伴先兆)或紧张型头痛的特征。烟雾病血管病变中头痛的病理生理机制和最佳治疗尚不确定,但应避免限制血管舒张(降钙素基因相关肽靶向治疗)、增强血管收缩(曲坦类、麦角类)或降低血压(β受体阻滞剂、钙通道阻滞剂)的药物。

一项前瞻性非随机研究中,手术血运重建后使用阿托伐他汀可改善术后数字减影血管造影的侧支循环。

在无烟雾病血管病变的患者中,阿托伐他汀已被证明可降低偏头痛的频率,但这尚未在烟雾病血管病变患者中进行专门评估。

手术治疗

直接血管搭桥手术:将颅外血管直接连接到颅内血管,以改善血流。

间接血管搭桥手术:通过各种方法(如贴敷术)促进新血管形成,增加血流。

二、手术治疗的具体方法

烟雾病的手术治疗旨在通过重建血流来改善脑的血供,减少卒中风险。

直接血运重建

颞浅动脉-大脑中动脉搭桥:将头皮的颞浅动脉直接连接到大脑中动脉,以改善血流,就像新建一条高速公路来绕过交通堵塞

  • 优点:效果立竿见影,能迅速改善局部血流。
  • 缺点:技术要求高,可能存在术后过度灌注的风险。

间接血运重建

大脑表面铺设血管组织(如肌肉或硬脑膜),随着时间的推移,鼓励新血管生长。这是一个缓慢的过程,但可能是有效的,特别是对儿童

脑肌血管粘连术:将带血管的肌肉贴附到大脑表面,促进新血管生成。

脑硬脑膜动脉血管粘连术:将硬脑膜及其血管贴附到大脑表面。

  • 优点:技术要求相对较低,适用于儿童和广泛脑血流不足的患者。
  • 缺点:效果较慢,需要数周至数月才能看到新血管生成。

这些技术之间的选择取决于各种因素,包括患者的年龄、疾病阶段和整体健康状况。通常,这两种方法的组合用来最大限度地提高成功的机率。

三、微生物组干预策略

近年来,微生物组干预作为一种新兴的治疗策略,开始在烟雾病治疗中受到关注。研究发现,烟雾病患者的肠道菌群与健康人存在显著差异,这可能与炎症和免疫反应有关。

通过调节肠道菌群平衡,可能有助于减轻炎症改善血管健康

通过补充双歧杆菌等显著减少的有益菌,改善烟雾病患者的肠道菌群平衡。

通过调整饮食结构,环境因素控制,粪菌移植等方式,促进有益菌群生长,减少可能影响肠道菌群的不利因素。

定期检测关键菌群的相对丰度变化,评估多样性指数及相关菌群变化情况,结合临床症状改善情况进行综合评估。

在这个过程中注意,选择安全性已验证的益生菌,避免过度干预。菌群干预作为综合治疗的组成部分,也可以与其他治疗方案协调,同时指导自我监测要点,制定长期维持计划,保持治疗方案的灵活性,根据患者反应及时调整。

四、危险因素控制

一些因素与预后相关,例如:

  • 糖尿病:是非手术和手术治疗患者复发性缺血性卒中的独立预测因素
  • 高血压和血脂异常:是无症状烟雾病患者发生脑血管事件的已知危险因素
  • 体重指数增加和同型半胱氨酸升高:可能与烟雾病风险增加相关

其他关于烟雾症的相关问题

应该什么时候看医生?

一些相关的自我判断如下:

  • 突然头痛剧烈,跟以前都不一样?
  • 脸的一侧感觉麻木吗?如果试着微笑,一边脸会下垂吗?
  • 能举起双臂吗?一只手臂会下沉吗?
  • 说话是否含糊不清或缓慢?能重复一个简单的短语吗?
  • 视力是否突然模糊?
  • 写字、系扣子或其他精细动作变得困难?

如果出现上述任何症状,尤其是当它们突然出现或迅速恶化时,应立即寻求医疗帮助。烟雾病是一种进展性的血管疾病,及时的诊断和治疗对于预防严重并发症至关重要。

需要终身服药吗?

烟雾病是否需要终身服药取决于患者的具体情况。烟雾病的治疗主要以手术为主药物治疗仅作为辅助手段,并不能从根本上解决问题。

  • 手术前:需要服用抗血小板或其他药物控制症状。
  • 手术后:通常需要服用抗血小板药物预防血栓形成。

对于无症状或病情较轻的患者,国内和日本的指南通常建议以随访和观察为主,不建议长期用药

然而,对于有症状或病情较重的患者,可能需要短期或长期使用药物来控制症状,如抗血小板药物、血管扩张剂等,但这些药物并不能完全治愈烟雾病。

请根据病情变化调整用药方案。不建议擅自停药。因为每个病人情况不同,需要个性化的治疗方案,具体用药方案需要遵医嘱。

术后护理和康复是治疗过程的关键组成部分

患者可能需要物理治疗,职业治疗或语言治疗来恢复受疾病或手术干预影响的功能。这是一个需要耐心、毅力和支持性护理的过程。

定期复查的频率是多少?

  • 最新的指南建议至少对患者进行每年一次的终身随访。
  • 单侧烟雾病患者应每年进行一次头颅CTA或MRA随访,以评估疾病的进展情况,至少持续3至5年。

初诊后未手术患者:

  • 首年:通常每3-6个月复查一次
  • 病情稳定后:可能延长到每6-12个月一次
  • 出现新症状时需及时就医

手术后患者:

  • 术后早期:可能要频繁复查(如1-3个月)
  • 术后稳定期:通常每6-12个月复查
  • 术后5年内:建议保持规律复查

复查内容可能包括:

  • 脑血管影像检查(如MRA、DSA等)
  • 血液检查
  • 神经系统功能评估
  • 并发症筛查

以上这些建议仅供参考,具体复查频率和内容需要根据个人情况由专科医生制定,并根据病情变化适时调整。

烟雾病患者在保守治疗与手术治疗之间的选择标准是什么?

手术治疗可以显著改善脑血流,减少症状发作频率和严重程度,防止脑卒中等并发症。然而,手术风险较高,需要医疗团队进行操作。

保守治疗可以有效控制症状,延缓疾病进展,提高患者生活质量,但需要长期坚持,且疗效因人而异。

烟雾病患者在选择保守治疗与手术治疗之间的标准主要取决于病情的严重程度、患者的年龄和健康状况、手术的风险与效果、个人意愿等。

病情严重程度:

轻微或初期烟雾病:对于症状较轻或病变较轻的患者,保守治疗是首选。保守治疗包括药物治疗(如抗血小板药物、血管扩张剂、神经营养药物等)、康复训练、生活方式管理等。

进展性或重度烟雾病:对于病情进展较快或症状较重的患者,手术治疗可能是更好的选择。手术治疗可以改善脑血流,减少症状发作频率和严重程度,防止脑卒中等并发症。

患者年龄和健康状况:

年轻患者:年轻患者身体恢复能力较强,手术治疗可能是更好的选择。

老年患者:老年患者身体承受能力较弱,药物治疗或保守治疗可能更为合适。

有其他严重基础疾病或并发症的患者:可能需要谨慎选择手术治疗,以免加重病情。

长期监测对于烟雾病患者至关重要。定期随访影像学神经系统评估有助于跟踪疾病进展和干预措施的有效性。

如何预防烟雾病?

保持情绪稳定,避免血压忽高忽低,对脑血管产生不利影响。

避免在生气、哭泣或吹气球时突然过度换气,以防短暂性脑缺血发作。

对于长期伴有睡眠障碍的患者,需要去心理科专科就诊,调节失眠。

控制高血压、糖尿病等慢性疾病,减少对血管的损害。

多吃富含维生素C、E等抗氧化成分的食物,如新鲜蔬果、坚果等,以增强免疫力。

保持适量的体育活动,有助于身体健康和血液循环。

烟雾病作为一种罕见而复杂的脑血管疾病,其发病机制和治疗策略一直是医学界关注的焦点。近年来的研究揭示了肠道菌群与烟雾病之间存在着密切联系,为疾病的诊断和治疗开辟了新的思路。

肠道菌群检测中,基于大数据建立的预测模型显示出良好的辅助诊断价值,这为无创性诊断方法的发展带来了新的希望。微生物组干预作为一种新兴的治疗策略,可能为传统的药物和手术治疗提供有益补充。

然而,我们也应该认识到,目前的研究仍处于探索阶段,需要更多的临床验证来确认这些发现的可靠性和实用性。同时需要多学科的协作努力,将基础研究与临床实践紧密结合,不断推进烟雾病诊疗水平的提升。

谷禾致力于推动肠道菌群与各类疾病之间的机制理解和临床应用,目前正与首都医科大学开展烟雾病患者队列的肠道菌群研究,并在多家医院进行多点临床验证。借助谷禾肠道菌群数据模型促进烟雾病的机理研究以及愈后和药物干预策略的改善。

注:本账号内容仅作交流参考,不作为诊断及医疗依据。

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