病毒感染诱导癫痫与肠道微生物组交互：肠—脑轴、神经免疫炎症与癫痫发生

《WIREs Mechanisms of Disease》：Viral Infection-Induced Epilepsy and the Gut Microbiome Crosstalk

　　

病毒感染中枢神经系统（CNS）可显著增加癫痫发作风险，并在部分病例中导致长期癫痫发生。病毒感染后癫痫发作的发生涉及多种CNS机制，且新近证据提示外周因素，包括肠道微生物组组成和免疫炎症反应，亦参与其中。肠道微生物组是一个多层面的生态系统，在CNS健康中发挥重要作用；测序技术的进步使研究人员能够研究与癫痫发作相关的宿主和微生物基因组变化。尽管动物和人类研究均将肠道菌群失调（gut dysbiosis）与癫痫（包括感染诱导的癫痫）联系起来，但病毒诱导的癫痫发作对肠道微生物组的具体影响仍不清楚。此外，病毒触发的癫痫发生（epileptogenesis）的影响亦未得到充分理解。本综述总结与癫痫发作相关的病毒感染的最新知识，并强调在此背景下肠道微生物变化有限但不断增加的证据。研究人员重点讨论寨卡病毒（ZIKV）、西尼罗病毒（WNV）和1型单纯疱疹病毒（HSV-1），这些病毒均与人类癫痫发生相关，尽管直接的微生物组—癫痫发作联系仍然有限。研究人员还讨论严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2），该病毒引起神经系统症状，但在啮齿动物模型中尽管存在神经系统受累，并未一致诱导癫痫发作；以及泰勒鼠脑脊髓炎病毒（TMEV），这是一种小鼠病毒，因在小鼠中诱导毒株依赖性癫痫发作而被广泛用作感染诱导癫痫发作的模型。当前证据提示病毒感染、肠道微生物组改变和癫痫发作发生之间存在关联；然而，仍需进一步的因果研究来明确其作用并阐明潜在机制。

**1 Introduction**
**1.1 Infection-Induced Seizure and Epilepsy**
中枢神经系统（CNS）感染是癫痫发作和癫痫的重要危险因素。感染可造成神经元损伤并诱发感染后2周内的急性癫痫发作，部分患者可在数月至数年后出现无诱因发作，即癫痫。CNS感染还可诱发癫痫持续状态，并与较高死亡率相关。病毒可突破血脑屏障（BBB）和血—脑脊液屏障，经血液循环、嗅神经、脉络丛或外周神经等途径进入CNS，引起炎症和/或脑炎。感染相关癫痫发作和癫痫的机制涉及神经元损伤、神经炎症、神经递质信号紊乱及神经网络重塑，这些过程降低癫痫发作阈值、增加神经元兴奋性，并可能促成慢性癫痫。感染还与耐药性癫痫（DRE）高发相关；例如自身免疫性脑炎患者约16%在首年出现DRE，病毒性脑炎约10%—20%进展为长期药物难治性发作，病毒性脑炎患者发生难治性癫痫持续状态的比例（31%）高于非难治性病例（6.2%）。生酮饮食（KD）是DRE的有效膳食疗法，肠道微生物改变被认为是其抗癫痫作用的重要 contributor；DRE患者对KD等微生物组相关治疗有反应且更易感病毒感染，因此感染诱导癫痫模型中的肠道微生物影响值得研究。

**1.2 Gut Microbiome and Immune Signaling**
肠道微生物组与宿主免疫系统密切互作。杯状细胞和上皮细胞分泌黏蛋白，形成肠道黏液层物理屏障，限制外来细菌进入体循环并调节免疫功能。肠道菌群失调可破坏肠道稳态并参与炎症性肠病、代谢性疾病、神经/神经精神疾病、自身免疫病、心血管病及感染易感性等。调节微生物组可恢复免疫功能，例如粪菌移植可改善小鼠致死性脓毒症并增强病原清除。有益菌包括Akkermansia和Bifidobacterium pseudolongum；菌群失调常表现为Firmicutes和Bacteroides减少及Proteobacteria过度生长。微生物配体如脂多糖、鞭毛蛋白和肽聚糖可经宿主模式识别受体（如Toll样受体）激活核因子κB、丝裂原活化蛋白激酶和炎症小体通路，调节细胞因子产生、紧密连接和黏膜防御及免疫球蛋白A反应。短链脂肪酸（SCFA）如乙酸、丁酸和丙酸具有抗炎作用，可经G蛋白偶联受体信号和组蛋白去乙酰化酶抑制促进调节性T细胞和效应T细胞分化。Bacteroides fragilis多糖A可经Toll样受体2诱导产生白细胞介素（IL）-10的调节性T细胞，分节丝状菌促进肠道辅助性T细胞17分化。上述互作构成双向网络，微生物组成和代谢输出可精细调节宿主免疫张力、屏障保护和炎症防御。

**2 Models of CNS Infection in Epilepsy**
已有多种动物模型用于研究病毒感染与癫痫的机制，但感染诱导模型的发展受癫痫异质性和病毒攻击后啮齿动物高死亡率限制。HSV-1、WNV、SARS-CoV-2和ZIKV等模型可用于研究病毒神经侵袭、炎症和癫痫易感性，但各有局限：HSV-1模型发作报告不一致且常继发于严重脑炎病理；WNV模型可重现神经炎症和神经元损伤，但发作表型有限且长期癫痫发生少被评估；SARS-CoV-2和ZIKV模型多关注全身感染、神经发育缺陷或免疫反应，缺乏标准化行为或电生理发作评估。流感病毒、登革病毒和虫媒病毒等也与人类神经病理和发作相关，但专用且表征良好的动物模型仍缺乏。总体而言，病毒、微生物组改变与癫痫发生之间的直接机制联系尚未完全建立。TMEV是感染诱导癫痫和癫痫发生中最广泛表征的模型。

**2.1 Herpes Simplex Virus-1**
HSV-1为双链DNA病毒，经病变或感染体液直接接触传播。原发感染始于外周上皮细胞，病毒可播散至CNS，偏好颞叶和边缘系统。病毒在神经元和胶质细胞复制，诱导促炎细胞因子和趋化因子，包括肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、干扰素-γ（IFN-γ）和IL-6，并引起胶质增生、神经元丢失、BBB破坏和神经炎症。HSV-1是急性病毒性脑炎最常见病原，约占单纯疱疹脑炎（HSE）的90%。HSE急性期50%—75%患者出现发作，感染后癫痫见于40%—65%幸存者，常为耐药性颞叶癫痫。机制涉及海马神经元丢失、苔藓纤维重组、抑制性神经递质表达降低及病毒结合神经元后Ca²⁺信号改变。微生物方面，KD联合抗生素耗竭菌群可加重HSV-1感染小鼠神经退行症状、降低生存并改变KD相关神经炎症反应；KD限制HSE进展的保护作用部分依赖肠道菌群，但未直接量化发作。HSV-1鼻内感染小鼠15天感染后（dpi）可见Bacteroides sartorii、Bacteroides acidifaciens和Helicobacter ganmani增加、Lactobacillus gasseri减少；L. gasseri和Lactobacillus reuteri产生的烟酰胺N-氧化物可抑制HSE进展。Lactobacillus plantarum 06CC2可延迟皮损、降低脑病毒载量并增强Th1免疫和自然杀伤细胞活性。眼感染模型7 dpi可见性别特异性菌群改变，包括Firmicutes、Clostridium XIVa和Akkermansia muciniphila变化。直接因果联系仍未完全建立，但微生物组靶向干预可能作为减轻感染后癫痫的辅助策略。

**2.2 Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus-2 (SARS-CoV-2)**
SARS-CoV-2为有包膜正链单链RNA病毒，引起冠状病毒病-19（COVID-19），临床表现从轻症呼吸道疾病到重症肺炎、多器官衰竭和胃肠道（GI）症状。约30%患者出现神经系统异常，包括癫痫发作。病毒经血管紧张素转换酶2（ACE2）受体进入细胞，CNS入侵途径包括血液播散、轴突运输、细胞因子诱导BBB破坏和嗅球直接进入。病毒可感染星形胶质细胞、小胶质细胞、神经元和免疫细胞，诱导IL-1β、IL-6、胶质增生、神经元损伤和突触丢失，从而降低发作阈值。临床研究报告感染后2年内新发癫痫风险增加，既有癫痫患者发作频率增加，发作类型包括全面强直—阵挛发作和癫痫持续状态，儿童可见热性惊厥；有神经症状患者中约15%—30%出现发作。GI症状常见，且COVID-19患者肠道微生物多样性降低，Faecalibacterium prausnitzii、Eubacterium rectale和Bifidobacterium减少，Streptococcus、Veillonella、Rothia和Actinomyces增加；Bacteroides与重症正相关，Faecalibacterium与重症负相关。SCFA相关干预在急性感染中的直接抗病毒或疾病修饰作用有限且依赖情境。K18-hACE2鼻内模型显示病毒剂量与微生物多样性负相关，6 dpi Firmicutes及Lachnospiraceae、Oscillospiraceae减少，Verrucomicrobia/Akkermansiaceae增加；5—7 dpi有益共生菌减少、机会致病菌如Enterococcus、Streptococcus和Enterobacteriaceae增加，并伴上皮屏障破坏。抗生素治疗患者可见SCFA产生菌Faecalibacterium、Roseburia、Blautia和Bifidobacterium减少及机会病原增加。上述微生物改变对发作或癫痫发生的直接贡献仍未知。

**2.3 Zika Virus**
ZIKV为蚊媒黄病毒，主要由Aedes aegypti和Aedes albopictus传播，也可经性接触、母婴垂直传播和感染体液传播。ZIKV可跨胎盘，感染胎盘滋养层和Hofbauer细胞后进入胎儿循环，靶向皮层神经祖细胞、放射状胶质细胞、神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞，导致凋亡、焦亡和神经发生受损。先天性感染婴儿中发作常见，严重小头畸形者癫痫风险显著增加；有队列报告54%患儿发生癫痫，72%出现异常脑电图（EEG）。实验研究显示ZIKV感染人U-251胶质瘤星形细胞瘤细胞后48小时内多种星形细胞蛋白失调；人胎儿星形胶质细胞可支持ZIKV感染和复制，并促神经元凋亡；原代神经元感染后48小时内Ca²⁺、TNF-α、IL-1β和谷氨酸升高；ZIKV上调瞬时受体电位 canonical 4（TRPC4）通道，药理性抑制TRPC4可减少病毒复制、改善新生小鼠生存并减轻癫痫样行为。斑马鱼神经祖细胞中谷氨酸转运体vglut1下调，提示谷氨酸稳态紊乱。微生物方面，C57BL/6J小鼠静脉感染ZIKV后14 dpi可见Actinobacteria和Firmicutes减少、Deferribacteres和Spirochaetes增加，并伴肠上皮损伤和白细胞募集；部分菌群特征与伴腹泻癫痫患者相似，但ZIKV诱导菌群改变与发作发生或癫痫发生的直接证据仍缺乏。

**2.4 West Nile Virus**
WNV为黄病毒科嗜神经病毒，主要经Culex蚊传播，鸟类为储存宿主，人和其它脊椎动物为终末宿主。蚊叮咬后病毒局部复制，引起白细胞募集和细胞因子信号，随后可经内皮细胞感染、BBB破坏及运动/感觉/外周神经轴突运输进入CNS。临床可见脑干和深部灰质胶质增生、神经元丢失和炎症，老年人或免疫抑制者更易发生神经侵袭性疾病。脑膜炎和脑炎是最严重表现，病毒在神经元和胶质细胞（尤其星形胶质细胞和小胶质细胞）复制，诱导TNF-α、IL-6和干扰素-β（IFN-β）。WNV神经侵袭性疾病中发作不常见，但严重CNS受累时可发生；早期报告约30%脑炎患者出现EEG癫痫样活动，近期估计发生率可达15%，感染后慢性癫痫极罕见且表征不足。机制上，尸检显示神经元和胶质细胞感染；星形胶质细胞感染进展较慢且不显著影响活力，但ex vivo感染25 dpi可呈反应性神经毒性表型并分泌TNF-α等。鼻内WNV小鼠6 dpi海马可检测病毒，IFN-γ缺陷小鼠对WNV诱导发作具有明显抵抗，提示IFN-γ为感染相关发作的关键介质。颅内感染模型7 dpi可见海马神经元病毒侵袭及补体介导的突触前终末消除，导致突触丢失和环路不稳定。GI并发症常见；抗生素耗竭菌群可增加皮下接种WNV小鼠疾病严重度，膳食纤维未显著改变鼻内WNV感染结局；WNV可影响肠神经系统，引起肠停滞、腹泻和肠通透性增加，皮下足垫感染后肠动力障碍与CD4⁺和CD8⁺ T细胞介导的肠神经元和胶质损伤相关，并可持续至65 dpi。上述改变尚未直接联系到发作发生或癫痫发生。

**2.5 Theiler's Murine Encephalomyelitis Virus (TMEV)**
TMEV为无包膜正链单链RNA病毒，属Picornaviridae科Cardiovirus属，自然感染小鼠并引起肠道感染。Theiler's original亚组包括Daniels（DA）和BeAn 8386株，神经毒力较低，可引起非致死性CNS疾病和感染相关癫痫；强毒株可引起严重致死性脑炎和发作。TMEV是感染诱导癫痫最稳健的啮齿动物模型之一，死亡率低并重现人类颞叶癫痫的海马硬化和神经元丢失。模型通常将DA或BeAn株颅内注射至成年C57BL/6J小鼠，常用约3×10⁵空斑形成单位（PFU），但诱导发作所需剂量依赖病毒滴度。感染后约65%小鼠在3 dpi出现急性症状性无热发作，6 dpi达高峰；发作严重度常用Racine量表评估，症状性小鼠通常≥3级。3—7 dpi约50%—75%小鼠出现行为或EEG发作，急性发作小鼠中25%—40%发生慢性发作。TMEV神经炎症由病毒复制致神经元裂解及先天/适应性免疫反应共同驱动，包括小胶质增生、星形胶质增生、细胞因子释放和外周巨噬细胞浸润，海马CA1和CA2锥体神经元尤其易感。TNF-α经肿瘤坏死因子受体1/2与神经元凋亡和发作易感性相关；IL-6在DA株急性发作诱导中起关键作用，减少或缺失IL-6可降低发作。C57BL/6J小鼠发生发作和慢性癫痫，而SJL/J、FVB/N和BALB/c小鼠不发生；SJL/J小鼠表现为TMEV诱导的脱髓鞘疾病。微生物方面，TMEV感染可显著改变肠道微生物组，且随小鼠品系和疾病阶段变化，但部分研究报告效应较小，可能与饮食、实验设计和采样时间差异有关。C57BL/6J小鼠感染后5—7 dpi可见Prevotella和Bifidobacterium减少，Allobaculum丢失为TMEV感染标志且独立于发作表型；发作阴性感染小鼠可见Tenericutes、Bacteroidia、Mollicutes及Roseburia、Anaeroplasma等变化。饮食灭菌和配方可影响急性和慢性疾病负担及菌群组成。发作阳性小鼠较发作阴性小鼠可见S-equol产生菌Adlercreutzia equolifaciens减少；S-equol可透过BBB并具神经保护作用，膜片钳记录显示S-equol可降低TMEV感染发作阳性小鼠皮层切片神经元过度兴奋。突触层面，颅内感染后急性期（4—7 dpi）和慢性期（感染后2个月）海马CA3自发性兴奋性突触后电流（EPSCs）增加、抑制性突触后电流（IPSCs）减少；IL-6可降低γ-氨基丁酸（GABA）受体表面表达，TNF-α与CA3区α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异噁唑丙酸受体（AMPAR）表达增加相关，进一步促进兴奋性。总体而言，ZIKV、WNV、HSV-1和SARS-CoV-2研究显示临床相关性和模型局限；HSV-1提供最强的人类病毒相关癫痫发生证据；SARS-CoV-2显示全身感染和广泛菌群失调可能参与神经并发症。不同模型共同可见Actinobacteria、Firmicutes和Bifidobacterium等变化，但这些类群改变与癫痫发生的直接联系仍需标准化纵向研究。

**3 Summary and Future Studies**
历史上癫痫被视为脑结构或功能内在异常的疾病，但脑中心观点忽视全身代谢和生理状态对神经元兴奋性的影响。肠道微生物组研究显示微生物组成与癫痫易感性等神经结局相关，但因果关系尚待确定。整合CNS病毒感染后发作常见、病毒可重塑肠道微生物组、微生物代谢物可影响神经元过度兴奋等证据，可提出病毒破坏肠道微生物组可能是感染期间癫痫发生的关键机制，微生物组可作为连接CNS病毒病理与癫痫发生的中介。未来需明确CNS病毒感染如何调节特定菌群和微生物代谢物，尤其影响神经递质系统、免疫信号和神经元兴奋性；阐明病毒进入途径、嗜神经性和炎症反应与发作发生率及菌群变化的关系；开展纵向研究追踪病毒感染、发作发生和微生物扰动的时间序列以确立因果。还需实验性操纵肠道微生物组，包括抗生素耗竭、靶向益生菌补充、饮食干预和粪菌移植，以确定恢复或修改微生物群落能否预防或减轻感染诱导发作。理解微生物平衡（eubiosis）与失调（dysbiosis）如何影响CNS病毒结局，对阐明感染与脑兴奋性的双向关系十分重要。尽管感染诱导癫痫研究面临合适动物模型有限的挑战，TMEV模型因可重复的发作表型、强神经免疫激活和可测量的微生物改变，仍是研究病毒神经发病机制、肠道菌群失调与发作易感性交互的有力平台。未来工作需在同一实验框架内整合病毒学、免疫学、微生物组分析和神经生理学，并同时测量肠道微生物组成、免疫信号、微生物代谢物和神经元兴奋性，以将相关性观察转化为因果理解。