中华急诊医学杂志  2026, Vol. 35 Issue (5): 649-657   DOI: 10.3760/cma.j.cn114656-20251223-00939

姜黄素通过调节肠道微生物稳态减轻心脏骤停后脑损伤
刘梦娜 , 陆兆丰 , 杨天宇 , 杨静爽 , 付琳鹏     
河南科技大学第一附属医院开元院区急诊科, 洛阳 471000
摘要: 目的 本实验研究姜黄素(Curcumin, CUR)是否能够对心脏骤停(cardiac arrest, CA)后发挥脑保护作用,以及CUR的作用是否依赖于肠道菌群的变化。方法 采用窒息法诱导建立CA模型,CUR干预72 h后先进行神经行为功能学评分; 随后通过检测脑组织含水量; 尼氏染色及免疫荧光检测神经元数量; 苏木精-伊红染色观察脑、结肠病理变化; 酶联免疫吸附法检测S-100β、白细胞介素(interleukin, IL)-6、IL-1β、二胺氧化酶(diamineoxidase, DAO)、脂多糖及肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF-α)炎症因子水平; 免疫荧光测紧密连接蛋白ZO-1表达; 对大鼠粪便用16S核糖体RNA基因(16S rRNA)分析肠道微生物群的变化。分别使用抗生素鸡尾酒治疗(Antibiotic Cocktail Treatment, ABX)和粪便微生物群移植(Fecal Microbiota Transplantation, FMT)来消耗和恢复肠道微生物群进一步验证,其中每组大鼠6只。结果 CUR改善CA后大鼠的神经功能,减少脑组织细胞凋亡、水肿,降低脑组织S-100β、IL-6及TNF-α(P=0.002、0.013、< 0.001)炎症细胞因子水平。同时,CUR增强紧密连接蛋白ZO-1的表达,改善肠道通透性,促进有益菌的恢复、抑制有害细菌的增殖,此外,ABX治疗后CUR的神经保护效应几乎被完全取消,而经过FMT后可以逆转结果,尤其脑组织含水量明显减少(P值< 0.001)。结论 CUR可以发挥CA后脑保护作用,其作用或许依赖于肠道微生物群轴,该方法是CA后神经保护的潜在治疗策略。
关键词: 心脏骤停后脑损伤    心脏骤停    姜黄素    肠-脑-微生物群轴    肠道微生物    粪便微生物群移植    
Curcumin mitigates post-cardiac arrest brain injury via modulating gut microbiota homeostasis
Liu Mengna , Lu Zhaofeng , Yang Tianyu , Yang Jingshuang , Fu Linpeng     
Emergency Department, Kaiyuan Campus, The First Affiliated Hospital of Henan University of Science and Technology, Luoyang 471000, China
Abstract: Objective To investigate the neuroprotective effects of Curcumin (CUR) after cardiac arrest (CA), and to determine whether these effects are mediated through modulation of the gut microbiota and related metabolites. Methods A rat model of asphyxia-induced CA was established. After 72 h of CUR treatment, neurological function was evaluated. Subsequently, brain water content was measured; neuronal counts were evaluated using Nissl staining and immunofluorescence; histopathological changes in the brain and colon were observed via hematoxylin and eosin staining; levels of S-100β, interleukin (IL)-6, IL-1β, diamine oxidase (DAO), lipopolysaccharide, and tumor necrosis factor (TNF)-α were measured by enzyme-linked immunosorbent assay; expression of the tight junction protein ZO-1 was detected by immunofluorescence; and alterations in gut microbiota were analyzed using 16S ribosomal RNA (16S rRNA) gene sequencing of rat fecal samples. Antibiotic cocktail treatment (ABX) and fecal microbiota transplantation (FMT) were used to deplete and restore the gut microbiota, respectively, for further validation, with six rats per group. Results CUR significantly improved neurological outcomes, reduced brain edema and neuronal injury, and reduced levels of inflammatory cytokines S-100β, IL-6, and TNF-α (P=0.002, 0.013, < 0.001, respectively). Additionally, CUR enhanced the expression of ZO-1, ameliorated intestinal permeability, promoted the recovery of beneficial bacteria, and inhibited the proliferation of harmful bacteria. Notably, the neuroprotective effects of CUR were almost completely abolished after ABX treatment, but were reversed by FMT, with a particularly significant reduction in brain water content (P < 0.001). Conclusion CUR confers neuroprotection after CA predominantly through modulation of gut microbiota homeostasis and the gut–brain axis, suggesting its potential as a therapeutic strategy for post-cardiac arrest brain injury.
Key words: Post-cardiac arrest brain injury    Cardiac arrest    Curcumin    Gut-brain-microbiota axis    Gut microbiota    Fecal microbiota transplantation    

在心脏骤停(cardiac arrest, CA)及自发循环恢复(restoration of spontaneous circulation, ROSC)对大脑的损伤被称为心脏骤停后脑损伤(post-cardiac arrest brain injury, PCABI),病理生理有两个阶段:全脑缺氧缺血及再灌注损伤[1],随着抢救措施的提高,越来越多患者从CA中幸存,但复苏后脑损伤是CA后的常见后遗症,是急危重症面临的严重问题。因此,研究重点需转向改善CA后幸存者的神经预后。

研究表明,肠道微生物群与宿主形成了不可分割的共生关系[2],处于动态平衡状态,在营养代谢、肠道免疫保护及神经系统发育中发挥重要作用[3-4]。由于脑损伤后的高死亡率和致残率,通过饮食调整或口服药物等改善肠道菌群失调,从而改善脑损伤预后逐渐受到关注[5]

姜黄素(Curcumin, CUR)是一种无毒天然多酚,具有抗炎、抗氧化、神经保护及线粒体保护[6-7]等作用,其在多种脑部病变中抑制胶质细胞活化并改善神经功能[8-9]。虽然CUR水溶性差、生物利用度低限制其疗效,但研究证实[10-11],口服CUR可在胃肠道中调节微生物生态,改善肠道屏障功能,减少炎症等发挥肠道保护作用。CUR是否可以通过肠道菌群对PCABI具有保护作用仍未知,本研究基于从肠-脑-微生物群轴(gut-brain-microbiota axis, GBMA),探讨CUR对CA后脑损伤的治疗效果。

1 材料与方法 1.1 实验动物

实验动物为雄性Sprague-Dawley(SD)大鼠(300~350g),由山西医科大学实验动物中心购入,许可证号:SCXK(晋)2024-0004,于普莱柯生物股份有限公司饲养,许可证号:SYXK(豫)2021-0023,通风笼中,温度为20~25 ℃),相对湿度为60%,光照/黑暗循环(12 h/12 h),自由获得食物和水。所有动物护理和实验经河南科技大学第一附属医院医学伦理委员会批准(批准批号:D-2025-B016)。

1.2 药物及仪器

研究使用药物包括CUR、羧甲基纤维素钠、舒泰、盐酸赛拉嗪(武汉赛维尔生物科技有限公司,中国),万古霉素、硫酸新霉素、甲硝唑、氨苄西林(Macklin公司,中国),无水乙醇、二甲苯(国药集团化学试剂有限公司,中国)、苏木素-伊红(HE)、尼氏高清恒染、S-100β、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF-α)、白细胞介素(interleukin, IL)-6、IL-1β、二胺氧化酶(diamineoxidase, DAO)、脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)试剂盒(上海碧云天生物技术有限公司,中国)。CUR药品配置:0.3 g粉末溶入7 mL浓度0.1%羧甲基纤维素钠中,按300 mg/(kg·d)灌胃大鼠。

研究使用仪器包括JB-P5包埋机(武汉俊杰电子有限公司,中国),泰盟BP-100A无创血压机器,泰盟HX-300大鼠呼吸机(成都泰盟软件有限公司,中国),FT 3400小动物体温仪(山东,中国),三锐小动物心电图机(广州,中国),NIKON正置白光拍照显微镜(尼康,日本),LG-S80数字病理切片扫描仪(广州,中国)。

1.3 CA/ROSC模型建立

实验采用窒息法建立CA/ROSC模型,参照Yu等[12]窒息法诱导大鼠CA法:经舒泰联合盐酸赛拉嗪腹腔注射麻醉成功后,仰卧位经口气管插管后连接呼吸机、无创血压、心电图机及温度计,监测大鼠模型建立中的呼吸、血压、心电图及温度变化,记录大鼠正常基础生理指标。基本操作准备后开始机械通气(频率70次/min,潮气量0.8 mL/100 g)。通气10 min后关闭呼吸机同时夹闭经口气管插管,诱导窒息,以平均动脉压降至25 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)以下且心电图显示无脉性电活动、窦性停搏或室颤为CA标准。窒息4 min后开始复苏,予以手动胸外按压(频率200次/min,深度为胸廓前后径1/3)并同步恢复机械通气。以平均动脉压恢复至≥60 mmHg并维持10 min以上室上性心律为复苏成功标准,未恢复的判定为失败。ROSC后继续严密监测大鼠生命体征3 h,各项指标稳定后CA/ROSC模型成功,放回笼中待后续实验。Sham组仅基本手术操作准备,不给予窒息操作措施。

所有大鼠复苏失败或在标本取材前死亡的,进行补充实验至每组6只。

1.4 研究设计 1.4.1 实验1

研究CUR对PCABI的影响,将SD大鼠随机(随机数字法)分为假手术(Sham)、模型(CA+Vehicle)及CUR组(CA+CUR)。CA/ROSC后3 h首次给予CUR或溶剂(Vehicle),之后每日一次共3次,干预结束24 h,先进行改良神经功能缺损评分(modified neurological severity scores, mNSS),随后进行含水量、HE、尼氏及免疫荧光染色、酶联免疫吸附(ELISA)检测脑S-100β、TNF-α、IL-6含量。

1.4.2 实验2

研究CUR对CA后肠道微生物及屏障的影响,分组及实验干预同实验1,干预结束24 h,先取粪便进行检测菌群,再取肠行HE、免疫荧光染色及匀浆后ELISA检测DAO、LPS、IL-1β量。

1.4.3 实验3

为了研究CUR的脑保护是否依赖于肠道微生物,进行抗生素鸡尾酒治疗(Antibiotic Cocktail Treatment,ABX)。将SD大鼠随机(随机数字法)分为假手术(Sham)、模型对照(Vehicle+CA+Vehicle)、CUR治疗(Vehicle+CA+CUR)、抗生素预处理模型(ABX+CA+Vehicle)及抗生素预处理CUR组(ABX+CA+CUR)五组。CA/ROSC前4周ABX相关组的饮用水中加入广谱抗生素混合物(氨苄西林500 mg/L、甲硝唑500 mg/L、新霉素500 mg/L、万古霉素250 mg/L,溶解在含5%蔗糖的蒸馏水中)。每天更换确保效价。其余组给予4周5%蔗糖溶剂水(Vehicle)。随后模型建立、CUR干预及取材检测参考实验1、2。ROSC后72 h进行mNSS评分并测定脑含水量,通过比较ABX+CA+Vehicle与Vehicle+CA+Vehicle组评估抗生素对脑损伤的影响。剩余组评价CUR作用对肠道菌群的依赖性。

1.4.4 实验4

为了研究粪便微生物群移植(fecal microbiota transplantation, FMT)对PCABI的影响,将SD大鼠随机(随机数字法)分为假手术(Sham)、FMT溶剂[CA+FMT (Vehicle)]及FMT-CUR[CA+ FMT (CUR)]组。CA+ FMT (Vehicle)及CA+FMT (CUR)组均进行同实验3肠道微生物清除后经3 d FMT喂养。建模、取材同上实验。其中FMT来自实验2的模型组(CA+Vehicle)及CUR组(CA+CUR)于末次灌胃后24 h收集新鲜粪便,用于后续粪菌悬液制备与移植。具体实验流程参考见附图 1。

1.5 标本采集及检测 1.5.1 mNSS

干预后,先行mNSS评估神经功能。实验参考文献[13],从运动、感觉、平衡、反射4方面评分,相加得总分。此部分实验由不知动物分组情况的人员测试、记录并分析。

1.5.2 心脏灌注

干预后,麻醉后快速暴露心脏,经左心室插灌注针并剪开右心耳,先灌生理盐水至右心耳流出液清澈,再切换4% PFA灌注,见动物四肢僵直、尾巴翘起,灌注完成。

1.5.3 脑组织含水量

心脏灌注后取全脑,滤纸吸干水分称取湿重(Ww),随后置于80℃烘箱内干燥称取干重(Wd)。含水量为:(Ww - Wd)/ Ww × 100%,精度0.1 mg。

1.5.4 HE染色

心脏灌注后取脑与结肠组织,经脱水、石蜡包埋及切片后,进行HE染色,光学显微镜下观察病理形态。

1.5.5 尼氏染色

大鼠心脏灌注后取脑组织,经脱水、石蜡包埋及切片后,进行尼氏染色,扫描图片后进行保存,通过Image-J进行神经元个数定量分析。

1.5.6 ELISA检测

心脏灌注后取脑及结肠组织,-80℃冰箱保存。后将组织匀浆取上清,按ELISA试剂盒说明书分别检测脑的S-100β、TNF-α、IL-6含量及结肠DAO、LPS、IL-1β含量。

1.5.7 免疫荧光方法

心脏灌注后取脑及结肠组织,经固定、通透并经血清封闭后,加入一抗、二抗孵育; DAPI复染细胞核后封片,激光共聚焦显微镜下成像并ImageJ软件定量分析。

1.5.8 16S rRNA测序粪便菌群

末次给药24 h后,收集大鼠新鲜粪便样本3~5粒至-80℃冰箱保存。后委托武汉塞维尔生物科技有限公司进行粪便细菌总DNA提取、质检、PCR扩增及高通量测序,统计物种相对丰度、计算Alpha与Beta多样性并绘图。

1.5.9 FMT方法

分别于末次干预后24 h后收集实验2中CA+Vehicle及CA+CUR大鼠粪便,将粪便和PBS的混合物放入无菌离心管中进行涡旋、离心,制成混悬液后经过滤后取上清液,加入无菌甘油进行分装与-80℃冷冻保存进行后续实验4中移植,1次/d,每次2 mL粪便混悬液,共三次。

1.6 统计学方法

统计学分析采用GraphPad Prism、SPSS 25.0及R软件进行,计量资料经正态性检验后,各实验组间比较满足正态分布且方差齐,以均数±标准差(x±s)示。多组采用单因素方差分析(one-way ANOVA),若组间整体差异具有统计学意义,进一步采用Tukey's HSD检验进行事后两两比较(已进行P值校正)。仅涉及两组间的比较时,采用独立样本t检验。结果均以P < 0.05为差异有统计学意义。16S rRNA测序中,α多样性指标根据数据分布采用Kruskal-Wallis检验,并采用Dunn's test进行事后两两比较,β多样性基于Bray-Curtis距离采用主坐标分析(PCoA)并结合PERMANOVA进行组间差异检验。实验数值用小提琴图表示的部分,采用GraphPad Prism 9.0制作。

2 结果 2.1 CUR对CA后神经功能及神经炎症的影响

HE、尼氏染色显示,CA+Vehicle组较Sham组海马DG区神经元细胞体积缩小、染色加深嗜碱性增强、胞浆空泡化明显(图 1A); 尼氏小体溶解、神经元损伤个数增多(图 1B)。CUR治疗后,CA+CUR组上述神经元损坏较CA+Vehicle组减轻(图 1A~B),神经元计数增加(图 2DP < 0.01); 同时mNSS评分升高(图 2BP < 0.01),脑含水量降低(图 2CP < 0.05)。免疫荧光显示CA+CUR组NeuN阳性细胞率较CA+Vehicle组升高(图 2EP < 0.01); ELISA结果显示CA+CUR组S-100β(P=0.002)、TNF-α(P < 0.001)、IL-6(P=0.013)炎症因子水平较CA+Vehicle组降低(表 1)。

注:图A为HE染色(×100、×200倍)蓝箭头示细胞缩小、嗜碱性增强,橙箭头示胞浆空泡化及水肿; 图B为尼氏染色(×200、×400倍)红箭头示尼氏小体溶解 图 1 脑组织HE、尼氏染色(n=6/组) Fig 1 HE and Nissl staining of brain tissue (n=6 per group)

注:图A为DG区NeuN免疫荧光(×200倍,NeuN绿色,DAPI蓝色、Merge两者共表达); 图B为mNSS; 图C为脑含水量; 图D~E为尼氏、免疫荧光定量分析; a、b代表P < 0.05,P < 0.01,且差异有统计学意义 图 2 免疫荧光及功能评估图(n=6/组) Fig 2 Immunofluorescence and functional assessment diagram (n=6 per group)

表 1 脑组织炎症因子水平(x±sn=6/组) Table 1 Levels of inflammatory factors in brain tissue (x±s, n=6 per group)
组别 TNF-α(pg/mL) IL-6(pg/mL) S-100β(pg/mL)
Sham 95.34 ± 14.67 78.98 ± 12.34 68.45 ± 9.34
CA+vehicle 343.80±20.72 230.30±51.08 804.7±94.42
CA+CUR 130.70±16.43 154.30±34.14 621.5±57.82
F 347.2 22.36 189.4
aP < 0.001 < 0.001 < 0.001
bP < 0.001 0.013 0.002
注:TNF-α为肿瘤坏死因子,IL-6为白介素-6,S-100β为S-100β蛋白,aP为Sham vs. CA+vehicle,bP为CA+CUR vs. CA+vehicle 
2.2 CUR对PCABI后的肠道通透性及炎症反应的影响

HE结果中CA+vehicle组肠道黏膜层上皮细胞脱落、固有层伴有大量淋巴细胞浸润及多处静脉与毛细血管淤血,CA+CUR组上述结构损伤明显改善(图 3A); 同时免疫荧光结果显示,CA+CUR较CA+vehicle组ZO-1荧光强度增强(图 3B),定量分析后差异具有统计学意义(图 3CP < 0.001)。ELISA结果提示CA+CUR组DAO(P=0.002)、LPS(P=0.032)、IL-1β(P=0.018)炎症因子水平较CA+vehicle组明显下降(表 2)。

注:图A为肠HE染色(×200倍)蓝箭头为上皮脱落、黄箭头为淋巴细胞浸润、绿箭头为血管淤血; 图B为ZO-1免疫荧光(ZO-1绿色、DAPI蓝色、Merge两者共表达); 图C为ZO-1定量分析; a、b代表P < 0.05,P < 0.001,且差异有统计学意义 图 3 肠组织HE、免疫荧光染色(n=6/组) Fig 3 HE and immunofluorescence staining of intestinal tissue (n=6 per group)

表 2 肠组织炎症因子水平(x±sn=6/组) Table 2 Levels of inflammatory factors in intestinal tissue (x±s, n=6 per group)
组别 DAO(EU/mL) LPS(µg/mL) IL-1β(pg/mL)
Sham 0.15 ± 0.05 4.68 ± 2.04 22.56 ± 4.34
CA+vehicle 2.61±0.27 30.72±5.69 78.34±13.21
CA+CUR 1.96±0.31 24.57±2.11 45.55±10.24
F 180.2 70.3 48.6
aP < 0.001 < 0.001 < 0.001
bP 0.002 0.032 0.018
注:DAO为二胺氧化酶,LPS为脂多糖,IL-1β为白细胞介素-1β,aP为Sham vs. CA+vehicle ,bP为CA+CUR vs. CA+vehicle
2.3 CUR对CA/ROSC后的肠道微生物多样性的影响

实验利用16S RNA测序对大鼠粪便样本行微生物群落组成分析,α多样性分析显示,与CA+Vehicle相比,CA+CUR组Shannon指数(图 4AP < 0.01)及Simpson指数升高(图 4BP < 0.001)。基于Bray-Curtis差异进行了β多样性分析比较整体微生物群结构,PCOA结果表明三组微生物种群具有不同的类聚并存在明显分离,CA+Vehicle组的菌群结构相对于sham组的位移最大,CA+CUR组位于CA+Vehicle组和sham组之间(图 4C)。为进一步探索肠道微生物结构的变化,本研究分析了门(phy.)、种(sp.)水平的菌群的相对物种丰富度,在门水平(图 4D),厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌群占主导地位,与Sham组相比,CA+Vehicle组中变形菌门等致病菌增加、拟杆菌门等有益菌减少,厚壁菌门/拟杆菌门比值升高; CA+CUR组厚壁菌门/拟杆菌门比值向Sham组恢复,同时变形菌门等致病菌丰度显著降低。在种水平(图 4E),CA+CUR组较CA+Vehicle组,罗伊氏乳杆菌、动物双歧杆菌及口乳杆菌等菌群等核心有益菌相对丰度升高,而白喉棒状杆菌被认为有害菌相对丰度降低。

注:图A~B为α多样性分析; 图C为β多样性分析; 图D~E为分别为门、种水平相对物种丰富度; a、b、c分别代表P < 0.05、P < 0.01、P < 0.001且差异具有统计学意义 图 4 肠道菌群分析(n=6/组 Fig 4 Analysis of gut microbiota (n=6 per group)
2.4 ABX的处理对CUR脑保护作用的影响

为进一步验证肠道微生物的作用,实验3进行了采用ABX建立菌群耗竭模型。实验分为Sham、Vehicle+CA+Vehicle、Vehicle+CA+CUR、ABX+CA+Vehicle、ABX+CA+CUR组。首先对ABX+CA+Vehicle组与Vehicle+CA+Vehicle组进行脑功能评估,结果显示炎症因子TNF-α(P=0.501)、IL-6(P=0.254)及脑含水量(P=0.567)差异无统计学意义(表 3)。

表 3 脑组织炎症因子及含水量(x±sn=6/组) Table 3 Inflammatory factors and water content in brain tissue (x±s, n=6 per group)
组别 TNF-α(pg/mL) IL-6(pg/mL) 脑含水量(%)
ABX+CA+Vehicle 332.80±17.34 278.34±46.56 84.67±2.67
Vehicle+CA+Vehicle 336.34±14.53 268.67±57.98 85.87±3.67
t -0.523 1.043 -1.234
P 0.501 0.254 0.567
注:TNF-α为肿瘤坏死因子,IL-6为白介素-6

16S rRNA测序对Sham组、Vehicle+CA+CUR组及ABX+CA+CUR组大鼠粪便样本进行了测序,α多样性分析显示,同样给予CUR治疗,ABX抗生素预处理后的ABX+CA+CUR组较Vehicle+CA+CUR组,Shannon及Simpson指数显著降低(附图 2A~B,P < 0.01,P < 0.05),验证了ABX后菌群基本耗竭。β多样性分析中两组菌群结构也存在明显分离(附图 2C)。此外,相对物种丰富度结果显示,在门水平(附图 2D),ABX+CA+CUR组较Vehicle+CA+CUR组,有害菌变形菌群增加,有益菌厚壁菌门、拟杆菌门减少; 在种水平上(附图 2E),有益菌罗伊氏乳杆菌、动物双歧杆菌及口乳杆菌也明显降低,而有害菌白喉棒状杆菌比例升高。

进一步研究ABX产生的肠道微生物群的变化影响CUR对CA/ROSC后的脑组织作用。在大鼠脑HE染色显示,与Vehicle+CA+CUR组相比,ABX+CA+CUR组脑组织胞浆空泡化、水肿明显(图 5)。

注:HE染色(×100、×200倍)蓝箭头示细胞缩小、嗜碱性增强,橙箭头示胞浆空泡化及水肿 图 5 脑组织HE染色(n=6/组) Fig 5 HE staining of brain tissue (n=6 per group)
2.5 FMT对PCABI的影响

在粪便移植实验4结果中,HE、免疫荧光染色显示,与CA+FMT (Vehicle)相比,CA+FMT(CUR)组肠道上皮细胞脱落、淋巴细胞浸润及血管淤血减轻(附图 3A)、ZO-1表达增强(附图 3B),定量分析差异具有统计学意义(附图 3C,P < 0.01),ELISA检测肠组织炎症因子DAO(P < 0.001)、LPS(P=0.014)、IL-1β(P=0.005)的含量也下降,并有统计学意义(表 4)。

表 4 肠组织炎症因子水平(x±sn=6/ 组) Table 4 Levels of inflammatory factors in intestinal tissue (x±s, n=6 per group)
组别 DAO(EU/mL) LPS(µg/mL) IL-1β(pg/mL)
Sham 0.23 ± 0.04 4.98 ±3.12 24.23 ± 3.05
CA+FMT(Vehicle) 2.60±0.34 33.77±3.49 84.31±15.41
CA+FMT(CUR) 1.20±0.32 28.22±2.93 56.59±16.82
F 128.1 92.5 26.9
aP < 0.001 < 0.001 < 0.001
bP < 0.001 0.014 0.005
注:DAO为二胺氧化酶,LPS为脂多糖,IL-1β为白细胞介素-1β,aP为Sham vs. CA+FMT(Vehicle),bP为CA+FMT(CUR) vs. CA+FMT(Vehicle)

CA+FMT(CUR)较CA+FMT(CUR)组,在脑功能及结构的评估中,HE(图 6A)、尼氏(图 6B)及NeuN免疫荧光(图 7A)均显示神经元损伤减轻,定量分析差异具有统计学意义(图 7DP < 0.001,图 7EP < 0.01); 神经功能评分(图 7BP < 0.001)、脑组织含水量(图 7CP < 0.01)均降低。

注:图A为HE染色(×100、×200倍)蓝箭头示细胞缩小、嗜碱性增强,橙箭头示胞浆空泡化及水肿; 图B为尼氏染色(×200、×400倍)红箭头示尼氏小体溶解 图 6 脑组织HE、尼氏染色(n=6/组) Fig 6 HE and Nissl staining of brain tissue (n=6 per group)

注:图A为DG区NeuN免疫荧光(×200倍,NeuN绿色,DAPI蓝色、Merge两者共表达); 图B为mNSS; 图C为脑含水量; 图D~E为尼氏、免疫荧光定量分析; a、b、c代表P < 0.05,P < 0.01,P < 0.001,且差异有统计学意义 图 7 免疫荧光及功能评估图(n=6/组) Fig 7 Immunofluorescence and functional assessment diagram (n=6 per group)
3 讨论

在本实验中研究了CUR对PCABI的影响,结果显示CUR治疗可减轻CA/ROSC的神经功能损伤及神经炎性反应,同时伴随肠道屏障功能改善及肠道菌群结构的调整。进一步通过ABX及FMT实验,提示CUR治疗效果依赖于肠道微生态平衡作用。微生物群落的组成的改变对于神经系统疾病至关重要。对脑-肠轴的理解已经从传统上的肠-脑轴转移到更广泛的GBMA,强调了肠道微生物及代谢物在脑和肠的相互作用的重要地位[14]

本研究观察到模型组脑中TNF-α、IL-6及S-100β炎症因子水平升高,而CUR干预后上述指标下降; 同时,HE染色显示脑组织结构损伤减轻,尼氏染色提示神经元数量增加,NeuN免疫荧光阳性率升高; 此外,神经功能评分改善,脑组织含水量下降。

CA后观察到肠道出现典型的肠道菌群失调:α多样性下降、厚壁菌门与拟杆菌门比例的失衡、有益菌(如罗伊氏乳杆菌、动物双歧杆菌)耗竭,而致病菌(如白喉棒状杆菌)及促炎菌门(变形菌门)扩张。这些变化与既往脑缺血缺氧模型研究结果一致[15-16]。同时,肠道紧密连接蛋白ZO-1表达降低,DAO、LPS水、IL-1β平升高,提示肠道屏障功能受损并伴随肠源性物质进入循环系统的增加[17]

既往研究表明,肠道屏障受损后,肠源性产物可进入体循环并参与全身炎症反应[18-20]。本研究中,CA后脑组织TNF-α和IL-6等炎性因子的大量聚集很可能部分源于此肠源性途径。这些炎性因子可进一步破坏血脑屏障,使大脑细胞暴露于更严重的炎症浸润中,上述改变与“肠道屏障损伤→全身炎症→神经炎症”的结果[19]相一致。这与Chidambaram等[21]研究结果中显示肠道菌群的生态失衡会破坏肠道屏障的完整性,使病原体和有毒代谢物侵入体循环,导致GBMA失调,随之而来的免疫系统失调和神经炎症最终引发神经元死亡恶性循环相一致。因此,PCABI后的神经损伤可被视为一种由CA触发的脑缺氧缺血、肠微生物-脑轴通路持续放大的系统性疾病,即脑损伤在CA后出现“三重打击”损害[22]

在微生物群落结构层面,本研究观察到CUR处理修复了CA引起的α和β多样性的改变,表明CUR治疗对CA手术引起的微生物群失调具有一定保护作用。同时,本研究观察到,门水平上,CA后菌群组成发生改变,变形菌门、脱硫杆菌门等致病菌增多、大量拟杆菌门益生菌减少; 种水平上,CA后的白喉棒状杆菌、巴斯德氏菌科等致病菌增多、罗伊氏杆菌、动物双歧杆菌等有益菌减少,然而CUR逆转了上述菌群失调的变化,同时罗伊氏乳杆菌较CA组比例升高。近年来研究指出[23-24],该菌能产生组胺和吲哚类代谢物等参与抗炎和维持上皮完整性,这提示CUR可能通过调节肠道微生态环境间接发挥作用。

在机制层面,本研究中CUR减轻了肠屏障紧密连接蛋白ZO-1损伤、降低DAO、LPS水平,并伴随IL-1α炎症指标下降,相关研究提示,肠源性分子可通过TLR介导的免疫途径参与炎症反应调控[25-26]。本研究结果与此趋势一致,但由于未进一步检测相关受体及信号通路,因此具体分子机制仍有待进一步阐明。

综合上述结果,本研究推测CUR的脑保护作用可能涉及多环节的协同调节过程:其首先通过改善肠道微生态环境及屏障功能,减少肠源性相关分子进入循环系统,进而与全身炎症反应的降低相关,最终为脑组织功能恢复提供相对有利的内环境,这与蒯鑫等[27]研究发现的CUR通过抑制炎症反应减轻大鼠脑缺血-再灌注损伤也是一致的。

CUR对PCABI的保护作用不能简单归因于其传统的抗氧化,在本研究中,ABX实验发现肠道微生物群被消耗后,CUR的神经保护效应几乎被完全取消。而FMT实验提示移植含有CUR粪便,成功复制了CUR的神经功能保护及肠道菌群、肠屏障修复效果,上述变化共同证实了CUR在CA后发挥脑保护作用可能需要一个完整的、具有特定功能的肠道微生态系统。

需要指出的是,本研究虽检测到LPS水平变化,并结合肠道屏障及炎症指标进行分析,但尚未进一步检测TLR4及其下游信号通路的表达或激活情况,因此对其具体分子机制的阐释仍有限,在后续研究中,本团队将进一步检测TLR4及其下游信号通路,以深入阐明相关分子机制。

本实验结果具有深远的转化医学意义:以菌群为靶点的治疗策略,如益生菌、益生元、合生元或特定FMT本身可能成为PCABI的独立干预手段。但是同时存在一定局限性:首先,本研究主要观察CA/ROSC后72 h内的早期变化,缺乏长期神经功能及预后评估。其次,仅采用16S rRNA测序分析菌群结构,尚未结合代谢组学进一步明确关键代谢物的作用。再次,如果药物的疗效高度依赖于宿主特定的微生物群,那么在微生物组成迥异的人类个体中,其疗效可能出现差异。最后,虽通过ABX及FMT实验验证了肠道微生物的参与,但尚未明确具体功能菌群及其作用机制,仍需进一步研究。

CUR是可以通过肠道微生物群重塑、抑制肠道炎性和肠道屏障功能增强来治疗CA/ROSC后脑损伤。这是一种潜在依赖于调节微生物-肠-脑轴机制的治疗方法。

利益冲突  所有作者声明无利益冲突

作者贡献声明  刘梦娜:设计实验、实施研究、论文撰写; 刘梦娜、杨天宇:实验操作、采集数据; 杨静爽、付琳鹏:数据收集及整理; 陆兆丰:研究指导、提供研究经费

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参考文献
[1] Li CB, Cao SC, Zheng Y, et al. Chinese clinical practice consensus for device-supported treatment in adults with post-cardiac arrest syndrome (2024 Edition)[J]. World J Emerg Med, 2025, 16(1): 3-9. DOI:10.5847/wjem.j.1920-8642.2025.019
[2] Zou XL, Wang LY, Xiao LX, et al. Gut microbes in cerebrovascular diseases: Gut flora imbalance, potential impact mechanisms and promising treatment strategies[J]. Front Immunol, 2022, 13: 975921. DOI:10.3389/fimmu.2022.975921
[3] Schoeler M, Caesar R. Dietary lipids, gut microbiota and lipid metabolism[J]. Rev Endocr Metab Disord, 2019, 20(4): 461-472. DOI:10.1007/s11154-019-09512-0
[4] Adak A, Khan MR. An insight into gut microbiota and its functionalities[J]. Cell Mol Life Sci, 2019, 76(3): 473-493. DOI:10.1007/s00018-018-2943-4
[5] Sorboni SG, Moghaddam HS, Jafarzadeh-Esfehani R, et al. A comprehensive review on the role of the gut microbiome in human neurological disorders[J]. Clin Microbiol Rev, 2022, 35: e00338-e00320. DOI:10.1128/cmr.00338-20
[6] White CM, Pasupuleti V, Roman YM, et al. Oral turmeric/curcumin effects on inflammatory markers in chronic inflammatory diseases: a systematic review and meta-analysis of randomized controlled trials[J]. Pharmacol Res, 2019, 146: 104280. DOI:10.1016/j.phrs.2019.104280
[7] Chaurasiya ND, Leon F, Muhammad I, et al. Natural products inhibitors of monoamine oxidases: potential new drug leads for neuroprotection, neurological disorders, and neuroblastoma[J]. Molecules, 2022, 27(13): 4297. DOI:10.3390/molecules27134297
[8] Cui C, Han YY, Li HX, et al. Curcumin-driven reprogramming of the gut microbiota and metabolome ameliorates motor deficits and neuroinflammation in a mouse model of Parkinson's disease[J]. Front Cell Infect Microbiol, 2022, 12: 887407. DOI:10.3389/fcimb.2022.887407
[9] Tang MX, Taghibiglou C. The mechanisms of action of curcumin in Alzheimer's disease[J]. J Alzheimers Dis, 2017, 58(4): 1003-1016. DOI:10.3233/JAD-170188
[10] Chashmniam S, Mirhafez SR, Dehabeh M, et al. A pilot study of the effect of phospholipid curcumin on serum metabolomic profile in patients with non-alcoholic fatty liver disease: a randomized, double-blind, placebo-controlled trial[J]. Eur J Clin Nutr, 2019, 73(9): 1224-1235. DOI:10.1038/s41430-018-0386-5
[11] Islam T, Koboziev I, Albracht-Schulte K, et al. Curcumin reduces adipose tissue inflammation and alters gut microbiota in diet-induced obese male mice[J]. Mol Nutr Food Res, 2021, 65(22): e2100274. DOI:10.1002/mnfr.202100274
[12] Yu SH, Wu CH, Zhu Y, et al. Rat model of asphyxia-induced cardiac arrest and resuscitation[J]. Front Neurosci, 2023, 16: 1087725. DOI:10.3389/fnins.2022.1087725
[13] Hong Y, Liu Q, Peng MN, et al. High-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation improves functional recovery by inhibiting neurotoxic polarization of astrocytes in ischemic rats[J]. J Neuroinflammation, 2020, 17(1): 150. DOI:10.1186/s12974-020-01747-y
[14] Zhang YF, Yang H, Hou S, et al. Influence of the brain-gut axis on neuroinflammation in cerebral ischemia-reperfusion injury (Review)[J]. Int J Mol Med, 2024, 53(3): 30. DOI:10.3892/ijmm.2024.5354
[15] Benakis C, Poon C, Lane DE, et al. Distinct commensal bacterial signature in the gut is associated with acute and long-term protection from ischemic stroke[J]. Stroke, 2020, 51(6): 1844-1854. DOI:10.1161/strokeaha.120.029262
[16] Wang XY, Zhang JM, Wang SS, et al. Berberine modulates gut microbiota to attenuate cerebral ferroptosis induced by ischemia-reperfusion in mice[J]. Eur J Pharmacol, 2023, 953: 175782. DOI:10.1016/j.ejphar.2023.175782
[17] Cui MF, Xu XY, Ye JL, et al. Effect of traumatic brain injury severity on intestinal barrier and gastrointestinal function[J]. World J Emerg Med, 2025, 16(1): 82-84. DOI:10.5847/wjem.j.1920-8642.2025.010
[18] Bergt S, Grub A, Mueller M, et al. Toll-like receptor 4 deficiency or inhibition does not modulate survival and neurofunctional outcome in a murine model of cardiac arrest and resuscitation[J]. PLoS One, 2019, 14(8): e0220404. DOI:10.1371/journal.pone.0220404
[19] Zhang SX, Chen QY, Jin MQ, et al. Notoginsenoside R1 alleviates cerebral ischemia/reperfusion injury by inhibiting the TLR4/MyD88/NF-κB signaling pathway through microbiota-gut-brain axis[J]. Phytomedicine, 2024, 128: 155530. DOI:10.1016/j.phymed.2024.155530
[20] Nie HF, Ge JW, Yang KL, et al. Naotaifang Ⅲ protects against cerebral ischemia injury through LPS/TLR4 signaling pathway in the microbiota-gut-brain axis[J]. Drug Des Dev Ther, 2023, 17: 3571-3588. DOI:10.2147/dDDT.s421658
[21] Chidambaram SB, Essa MM, Rathipriya AG, et al. Gut dysbiosis, defective autophagy and altered immune responses in neurodegenerative diseases: Tales of a vicious cycle[J]. Pharmacol Ther, 2022, 231: 107988. DOI:10.1016/j.pharmthera.2021.107988
[22] 刘梦娜, 陆兆丰. 脑肠轴在CA/ROSC中HIBI神经-血管单元中作用的研究进展[J]. 中华急诊医学杂志, 2025, 34(9): 1318-1324. DOI:10.3760/cma.j.cn114656-20241206-00848
[23] Zhang QQ, Zhao Q, Li T, et al. Lactobacillus plantarum-derived indole-3-lactic acid ameliorates colorectal tumorigenesis via epigenetic regulation of CD8+ T cell immunity[J]. Cell Metab, 2023, 35(6): 943-960. e9. DOI:10.1016/j.cmet.2023.04.015
[24] Han JX, Tao ZH, Wang JL, et al. Microbiota-derived tryptophan catabolites mediate the chemopreventive effects of statins on colorectal cancer[J]. Nat Microbiol, 2023, 8(5): 919-933. DOI:10.1038/s41564-023-01363-5
[25] Kim HJ, Kim H, Lee JH, et al. Toll-like receptor 4 (TLR4): new insight immune and aging[J]. Immun Ageing, 2023, 20(1): 67. DOI:10.1186/s12979-023-00383-3
[26] Zeng F, Li Y, Zhang XX, et al. Immune regulation and inflammation inhibition of Arctium lappa L. polysaccharides by TLR4/NF-κB signaling pathway in cells[J]. Int J Biol Macromol, 2024, 254: 127700. DOI:10.1016/j.ijbiomac.2023.127700
[27] 蒯鑫, 王立峰, 李永宁, 等. 姜黄素通过抑制炎症反应和GPX4介导的铁死亡减轻大鼠脑缺血-再灌注损伤[J]. 中华急诊医学杂志, 2023, 32(9): 1200-1205. DOI:10.3760/cma.j.issn.1671-0282.2023.09.010