大脑活动和氧合炎症性肠病 (IBD) 患者

急性全身炎症的假设条件将与肠道微生物组特征的变化、脑氧饱和度 (StO2) 降低和微血管脑血灌注模式改变（由近红外光谱 NIRS 确定）相关。

基本原理 研究人员正在研究近红外光谱 (NIRS) 在一系列临床相关医疗条件下检测大脑功能和氧合作用改变的能力。

NIRS 允许对皮质脑组织中的氧合 (O2Hb) 和脱氧血红蛋白 (HHb) 浓度进行非侵入性测量。 因此，NIRS 可用于量化皮质组织氧饱和度 (StO2)，它反映了代谢率和灌注的变化。 此外，功能性 NIRS (fNIRS) 可用于以与功能性 MRI 类似的方式探测大脑活动，假设血液灌注和氧合的测量变化是由于功能性充血（即 神经活动引起的血液动力学变化）。 在患者身上使用 NIRS，大脑血液灌注模式的改变和大脑氧合水平的降低已被证明与疲劳和认知受损相关，将皮质灌注减少与据报道在 IBD 患者中出现的症状联系起来。

严格调节脑血流对于确保正常的脑氧合和功能至关重要。 脑血管功能障碍和缺氧与一系列神经退行性和神经炎症性疾病有关，包括阿尔茨海默病和多发性硬化症 (MS)。 在最近一项使用 fNIRS 的研究中，研究人员发现免疫介导性肝病原发性胆汁性胆管炎 (PBC) 患者的任务改变与血流动力学反应和脑缺氧有关。 此外，小鼠实验工作表明，这些变化可能是由于 TNFα 对脑血管系统的作用。 它还表明，多发性硬化症患者的半球间相干性降低，缺氧。 这些观察结果引发了一个问题，即一般全身性炎症或大脑/肠道相互作用是否与 NIRS 可检测到的异常大脑功能和缺氧有关。

Fujiwara T 等人最近对 IBD 患者进行的 NIRS 研究支持了这一假设。 他们表明，在执行任务期间，与健康对照组相比，IBD 患者额叶中的平均氧合血红蛋白浓度显着降低。 然而，之前没有在静息状态下或在 IBD 患者的外周炎症标志物、生活质量测量和症状负担或肠道微生物组特征的背景下检查脑氧合的变化。

目前提出的这项子研究是检查炎症性肠病 (IBD) 患者的缺氧水平、fNIRS 功能反应和 fNIRS 相干性。

IBD 在世界范围内的发病率和流行率正在增加。 有几个因素与 IBD 的发展有关，包括在暴露于刺激性环境因素的遗传易感宿主中对改变的微生物群的免疫反应失调，但 IBD 的具体原因仍然未知。 共病的适应不良行为和疼痛在 IBD20-26 患者中很普遍。 这些心理健康合并症使 IBD 的管理变得复杂，对患者的结果和健康产生不利影响，并增加了医疗保健系统的资源负担。 然而，对 IBD 患者的共病心理健康问题和症状知之甚少且治疗不足，与加拿大普通人群未满足的心理健康治疗需求相平行。 因此，更好地了解与 IBD 相关的大脑变化是如何发生的，以及它们在症状发展中的潜在作用以及与全身炎症和肠道微生物组特征的联系对于改善这些患者的管理具有重要意义。

胃肠道是肠道微生物群的动态局部生态系统。 肠道菌群失调是导致宿主疾病的肠道微生物组成的改变，发生在 IBD 患者中。 具体而言，与健康对照相比，IBD 患者表现出较低的微生物 α 多样性，并且富含几组细菌。 最近，临床前、转化和临床研究表明，微生物组结构组成或功能的改变可能导致精神疾病的发展，包括抑郁样行为，因此，它是连接肠-脑轴的重要组成部分. 与此相一致的是，肠道微生物群的改变与慢性炎症性疾病（如 IBD）的发展之间存在很强的相关性，这表明生态失调是胃肠道疾病和心理健康的重要因素。 然而，人们对 IBD 肠道菌群失调可能改变行为的确切机制知之甚少。

IBD 中发生的外周炎症如何导致大脑功能发生远程变化仍不清楚，因此，临床上可用于解决该问题的治疗选择有限。 已经描述了一些将全身性炎症与大脑中发生的变化联系起来的一般途径，这些变化反过来会导致行为改变。 这些通路传统上包括通过神经通路（主要是迷走神经传入）和免疫信号（主要通过循环细胞因子，如 TNFα，直接进入大脑或激活脑内皮细胞）发出信号。 最近，卡尔加里大学的研究人员描述了一种新的炎症信号通路，它涉及增加外周 TNF-α 的产生，从而推动小胶质细胞激活增加，随后单核细胞募集到脑血管系统和脑实质中，这反过来又推动了疾病行为的发展。 TNFα 是一种多功能细胞因子，可介导一系列可直接影响大脑功能（通过调节神经传递）和肠道（例如肠道）的作用。 影响肠屏障通透性）和调节组织炎症（例如 激活巨噬细胞以诱导细胞因子和趋化因子表达）。 TNFα 循环水平升高和循环白细胞产量升高通常记录在慢性炎症性疾病患者中，这些患者与疾病行为和情绪障碍（包括 IBD）的高患病率相关。 因此，阻断 TNFα 信号已在 IBD 的临床研究中得到广泛评估。 此外，在疾病活动发生明显变化之前，TNFα 信号抑制对症状的改善在接受治疗的慢性炎症性疾病患者中通常很明显。 在 IBD 患者中，抗 TNFα 治疗与治疗开始后早期睡眠、抑郁和焦虑的显着改善相关，并且这些改善是持续的。 此外，另一项研究评估了抗 TNFα 疗法对克罗恩病患者内感受信号的影响，并证明抗 TNFα 给药后内脏敏感性降低，认知-情感处理得到改善，同时幸福感得到改善。 认知的变化与前额叶和边缘脑区的神经活动变化有关。 此外，观察到的快速行为和神经变化与粪便钙卫蛋白水平（肠道炎症标志物）的显着变化无关，这表明它们不太可能与肠道炎症的同时减少有关。 抗 TNFα 疗法也会改变 IBD 患者的肠道微生物组。 具体而言，IBD 患者的抗 TNFα 治疗可将肠道微生物物种丰富度和系统多样性提高到与健康对照组相似的水平。 此外，抗 TNF 疗法降低了 IBD 患者促炎细菌埃希氏菌和肠球菌的相对丰度，并增加了产生短链脂肪酸的属，短链脂肪酸在肠道中具有公认的抗炎作用。

健康的脑内皮细胞 (CEC) 对于脑血流调节以及血脑屏障 (BBB) 的正常功能至关重要。 源自中枢神经系统或存在于外周血循环中的细胞因子，包括 TNFα，可诱发 CEC 功能障碍并增加 BBB 通透性，已知这与许多神经系统疾病（包括阿尔茨海默氏症和 MS）以及外周诱发的神经炎症有关. 事实上，暴露于 TNFα 的 CECs 表达较少的内皮间蛋白并且产生更多的活性氧，导致 BBB 通透性增加。 此外，CEC 可被血液中存在的细胞因子或与 CEC 密切接触的循环免疫细胞释放的细胞因子激活，以产生与细胞内细胞相互作用的次级信号分子（例如，额外的细胞因子、前列腺素 E2、一氧化氮）改变 NVC 反应的大脑。 与此建议一致，在外周炎症的小鼠模型中，显示脑循环中活化的单核细胞粘附在 CEC 上并通过 TNFα-TNF 受体-1 相互作用诱导 CEC 激活。 这种免疫细胞和 TNFα 驱动的 CEC 激活上调了 CEC 中可诱导的一氧化氮合酶表达，并与脑内小胶质细胞的激活（尤其是那些靠近血管的细胞）直接相关，并最终改变了行为。 该小组的这些先前发现提供了一种机制，通过该机制，外周炎症可以影响 CEC 的功能，从而改变脑血管功能。 阻止循环中激活的免疫细胞粘附到 CEC 会增加任务诱导的皮层血流（即 NVC）66，这表明免疫细胞-CEC 粘附相互作用可导致神经血管解偶联。 CEC 还可以通过被动地让血管平滑肌放松和收缩，在调节脑血流中发挥重要作用。 有趣的是，活化的白细胞已被证明可促进内皮细胞依赖性血管痉挛并减少体外和体内的动脉松弛。 此外，在血液中存在蛋白质聚集体的情况下，内皮细胞依赖性血管痉挛加剧，这将有效降低血管舒张的动态范围。 考虑到之前的发现，即外周炎症导致粘附分子 P-选择素的 CEC 呈递增加，这反过来又促进白细胞和血小板粘附到 CEC，这一点特别有趣。 综上所述，这些发现表明，与外周炎症相关的白细胞-CEC 相互作用增加可能会显着导致外周炎症性疾病中脑血管动力学的改变和潜在的神经血管解偶联，这表现为脑氧合的改变。

考虑到与慢性外周炎症相关的神经炎症，皮质灌注和氧合的改变可能至少部分导致与 IBD 相关的行为症状和与疾病相关的健康相关生活质量 (QoL) 的降低。

IBD 诊所定期测试 IBD 的新疗法。 他们已同意将 NIRS 整合到试验方案中，以确定是否有足够的证据保证对 NIRS 作为 IBD 神经系统受累的生物标志物进行更长时间的试验。

研究人员提出了以下一系列实验，使用 NIRS 来确定 (A) IBD 患者是否表现出皮质氧饱和度降低和微血管脑血灌注模式改变； (B) NIRS 发现的氧饱和度和灌注是否与 IBD 患者的临床疾病活动标志物、疾病特异性肠道微生物组特征和/或症状和生活质量评分相关； (C) 抗 TNF 疗法（按照临床指示进行管理，作为实践标准）对 NIRS 变化、粪便微生物组、全身炎症标志物和症状严重程度的影响。