腸道菌群與帕金森病

林悄然 趙程 于會艷 秦斌

腸道菌群與帕金森病

林悄然 趙程 于會艷 秦斌

帕金森病(Parkinson disease，PD)是一種α突觸核蛋白(alpha-synuclein，α-syn)異常沉積于腦內(nèi)、外多神經(jīng)系統(tǒng)的退行性疾病，除了典型的運動癥狀外，還有許多非運動癥狀，特別是胃腸道癥狀如腸道蠕動慢、吸收差、便秘等是常見的PD非運動癥狀。有研究表明腸道菌群失衡會導(dǎo)致α突觸核蛋白在腸道神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)沉積，且沿腦-腸軸上升遷移至腦內(nèi)并沉積，最后導(dǎo)致PD發(fā)生，故有學(xué)者推測PD的早期發(fā)病可能在腸道，是由菌群失調(diào)所致。因此，探索腦-腸道-微生物軸的相互作用關(guān)系，明確腸道菌群改變與PD發(fā)病的因果關(guān)系及作用機制，將有助于深刻理解PD的發(fā)病機制，并可能為PD的預(yù)防和未來治療提供新的證據(jù)。

帕金森?。荒X-腸軸；腸道菌群

帕金森病(Parkinsondisease，PD)是一種常見的多神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，主要臨床表現(xiàn)包括靜止性震顫、肌強直、運動遲緩以及部分非運動癥狀，α-突觸核蛋白(α-synuclein，α-syn)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)黑質(zhì)和周圍神經(jīng)結(jié)構(gòu)的沉積及聚集為其典型的病理特征。最新研究顯示，腸道菌群失調(diào)可能導(dǎo)致α-syn錯誤折疊、通過腦-腸軸影響包括中樞神經(jīng)、自主神經(jīng)及腸道周圍神經(jīng)在內(nèi)的各級神經(jīng)功能[1-5]，并與PD患者非運動癥狀和運動癥狀密切相關(guān)。故有學(xué)者提出PD最早發(fā)病在腸道。對于腸道菌群、α-syn、腦-腸軸及其相互作用的深入探究或許有助于更加深刻的理解PD的病理生理過程，從而揭開PD發(fā)病機制。所以關(guān)注以腸道菌群為代表的腸道神經(jīng)系統(tǒng)生物標記物，不但有利于PD的早期診斷，而且對PD早期預(yù)防也有重要作用。

1 帕金森病的非運動癥狀

帕金森病的非運動癥狀(non-motor dysfunction，NMD)主要包括認知功能障礙、精神障礙、睡眠障礙、自主神經(jīng)功能障礙和感覺障礙。自主神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙表現(xiàn)在消化系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、泌尿生殖系統(tǒng)、汗腺調(diào)節(jié)系統(tǒng)、體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、瞳孔、睡眠及呼吸系統(tǒng)。PD非運動癥狀中以胃腸道癥狀最常見，它們常常于PD臨床診斷前5～10年即已存在。Edwards等[6]的研究顯示，流涎、吞咽困難、惡心、便秘和排便功能障礙發(fā)生率分別為70%、52%、24%、29%和66%。隨著研究進展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)髓質(zhì)、脊髓和外周自主神經(jīng)系統(tǒng)的損傷是導(dǎo)致PD胃腸道功能障礙的重要原因[7-8]。

2 腦-腸軸：

2.1 腦-腸軸的組成 胃腸道和中樞神經(jīng)系統(tǒng)間存在雙向功能交流途徑，該途徑即腦-腸軸，由免疫、神經(jīng)通路和神經(jīng)內(nèi)分泌途徑構(gòu)成，負責(zé)腸道和大腦之間的聯(lián)系，在調(diào)控腸道功能和影響宿主大腦功能等方面發(fā)揮著非常重要的作用。因此，有學(xué)者提出腸是人類的第二大腦。

調(diào)控胃腸道功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(包括中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng))是一個分為四級的綜合體系。第一級是以腸基層神經(jīng)元(Auerbach's)、黏膜下層神經(jīng)元(Meissner's)及腸道膠質(zhì)細胞為代表的腸道神經(jīng)系統(tǒng)[9]，如小腸移行性復(fù)合運動、蠕動反射等局部反射都是腸道神經(jīng)系統(tǒng)通過腸道初級傳入神經(jīng)元控制的。腸道初級傳入神經(jīng)元位于腸基層及黏膜下層神經(jīng)叢，通過樹突突觸投射到運動神經(jīng)元和中間神經(jīng)元。神經(jīng)元通過表達血管活性腸肽(VIP)和(或)一氧化氮(NO)使得平滑肌舒張，黏膜下層的血管活性腸肽還可以刺激腸液的分泌[10]。第二級是椎前神經(jīng)節(jié)，它參與許多外周內(nèi)臟反射的調(diào)節(jié)[11]。第三級是自主神經(jīng)系統(tǒng)，包括交感神經(jīng)系統(tǒng)(第5胸椎至第2腰椎脊神經(jīng))和副交感神經(jīng)系統(tǒng)(第2-4骶椎脊神經(jīng))，以及位于腦干的孤束核和迷走神經(jīng)背側(cè)運動核。第四級是高級神經(jīng)中樞，包括大腦的軀體感覺皮層、扣帶前回皮質(zhì)、腦島以及中腦、脊髓。來自大腦皮質(zhì)和皮質(zhì)下神經(jīng)中樞(包括初級神經(jīng)節(jié)、漏斗至腦干的部分神經(jīng)元)的信息調(diào)配多種消化道功能[12]。

2.2 α-syn沿腦-腸軸的傳播 在生理條件下，中樞神經(jīng)系統(tǒng)包括神經(jīng)傳遞過程中都富含α-syn。磷酸化后難以溶解的α-syn纖維已在多種神經(jīng)變性病病例中被發(fā)現(xiàn)[13]。α-syn和PD的關(guān)系早在1997年就被Polymeropoulos等[14]通過基因?qū)W方法證實并報道，他們認為SNCA基因的A533T位點突變導(dǎo)致α-syn的重新編碼。近期的研究亦顯示SNCA基因單核苷酸多態(tài)性與散發(fā)性PD的發(fā)生有密切關(guān)系。

PD有兩個病理標志，一個是黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元缺失，另一個是細胞質(zhì)中含有嗜酸性的α-syn內(nèi)含物，即即路易小體。路易小體存在于核周體和路易神經(jīng)軸突內(nèi)神經(jīng)傳遞過程中[15]。然而，在PD的病理改變中，這些包涵體并不僅存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，它也存在于外周組織和體液中[16-17]。自主神經(jīng)系統(tǒng)支配區(qū)域均可見到路易小體，包括下丘腦、交感神經(jīng)系統(tǒng)(胸髓交感神經(jīng)節(jié)中間外側(cè)核)，以及副交感神經(jīng)系統(tǒng)(迷走神經(jīng)和骶骨副交感神經(jīng)核)。路易小體亦可見于腎上腺髓質(zhì)和神經(jīng)叢支配的腸道和心臟[18]。

既往研究表明，腸道神經(jīng)系統(tǒng)損傷發(fā)生在PD的非常早期階段，甚至早于中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷[19-22]。這是Braak假說產(chǎn)生的基礎(chǔ)，這一學(xué)說認為α-syn產(chǎn)生于腸道神經(jīng)系統(tǒng)黏膜下層神經(jīng)叢并通過迷走神經(jīng)背核運動核節(jié)前神經(jīng)節(jié)逆行傳播至中樞神經(jīng)系統(tǒng)[23]。Staffan等[24]在大鼠的動物實驗中驗證了Braak這一假說，他們將死亡PD患者含有α-syn的腦組織裂解物標記后注射到斯普拉格-道利鼠成年大鼠胃腸道內(nèi)，分別經(jīng)過12 h、48 h、72 h，取出大鼠迷走神經(jīng)背核和中腦進行檢測，結(jié)果顯示在迷走神經(jīng)背核和中腦黑質(zhì)內(nèi)均可檢測到標記的α-syn。

3 腸道菌群與PD

3.1腸道菌群 人體腸道中定植了大量細菌，其基因總數(shù)約為人體基因數(shù)量的 150倍[25]。腸道菌群結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由厚壁菌、擬桿菌、放線菌、變形桿菌4個門類組成，厚壁菌門中又以梭狀芽孢菌科為主。腸道菌群與人體不同時期都處于相對平衡的狀態(tài)，包括數(shù)量和種類。正常的菌群結(jié)構(gòu)對維持人體代謝、免疫、內(nèi)分泌等生理功能十分重要，菌群結(jié)構(gòu)紊亂會導(dǎo)致糖尿病、肥胖、中樞神經(jīng)系統(tǒng)變性病等諸多疾病的發(fā)生[26]。研究發(fā)現(xiàn)，老年人糞便中的腸道菌群與非老年人顯著不同，擬桿菌數(shù)量相對增多，難辨梭菌菌群聚集模式也發(fā)生改變，一些潛在的致病菌(如變形菌綱)增多，有益菌(如雙歧桿菌屬)減少。不同個體間菌群差異很大[27]。老年期腸道菌群更容易受生活環(huán)境、飲食習(xí)慣、健康狀態(tài)和藥物干預(yù)的影響[28]。

3.2 腸道菌群致病機制 腸道微生物包括共生物和致病微生物，其在腦-腸軸中的重要作用已經(jīng)得到證實[29]。有人提出腸道菌群、腦-腸軸以及大腦三者之間關(guān)系密切并將它們組成的系統(tǒng)命名為腦-腸道-微生物軸[30]。腸道微生物群落通過免疫、神經(jīng)內(nèi)分泌以及神經(jīng)調(diào)節(jié)機制而發(fā)揮作用[31]。

研究顯示腸道菌群致病機制包括分子模擬機制和免疫/炎性機制。分子模擬機制是通過細菌中的淀粉類物質(zhì)，如單核細胞Toll樣受體2(TLR2)、 TLR1、C14和核轉(zhuǎn)錄因子κB(NFκB)實現(xiàn)的。分子模擬的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是相似的蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)，甚至可以延伸為RNA的相似分子結(jié)構(gòu)，腸道菌群可以通過模擬這些結(jié)構(gòu)參與PD的發(fā)生發(fā)展[32]。腸道細菌蛋白可以通過分子模擬機制導(dǎo)致體內(nèi)α-syn的異常折疊與沉積。

腸道微生物成分的變化會引起腸道防御功能和小腸滲透性的變化，從而影響胃腸道上皮細胞、免疫系統(tǒng)，以及包括神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞在內(nèi)的腸道神經(jīng)系統(tǒng)[33]?！按竽X”和“腸道”通過腦-腸軸的雙向作用可以調(diào)控促炎和抗炎反應(yīng)[34]。腸道微生物群落的變化可能導(dǎo)致小腸炎性反應(yīng)、氧化應(yīng)激反應(yīng)以及細胞毒性反應(yīng)，開啟α-syn的錯誤折疊，啟動或影響PD的發(fā)展[35-37]。腸道感染還能導(dǎo)致小膠質(zhì)細胞補充通路的激活從而引起多巴胺神經(jīng)元破壞[38]。在無菌動物模型中可以發(fā)現(xiàn)：腸道菌群可以影響血腦屏障的滲透性，其可能的機制是與腸道菌群的同源的緊密連接蛋白表達減少[39]。此外，Sui等[40]的研究表明了α-syn可能具有通過血腦屏障進出大腦的雙向作用。

Scheperjans等[41]對72對PD患者及健康對照的糞便樣本進行焦磷酸測序，發(fā)現(xiàn)和健康對照組相比PD患者普雷沃氏菌科豐度水平下降77.6%。同時，他們發(fā)現(xiàn)以姿勢步態(tài)障礙為主的PD患者腸桿菌科的細菌數(shù)量遠多于那些以震顫為主的PD患者。普雷沃細菌參與腸道黏膜層黏蛋白合成和生產(chǎn)，可以刺激神經(jīng)組織的短鏈脂肪酸(SCFA)纖維發(fā)酵[42]。因此,普雷沃菌科細菌數(shù)量減少可能導(dǎo)致黏液合成減少和腸道通透性增加，從而導(dǎo)致胃腸道與細菌抗原和毒素接觸增加，引起α-syn過表達甚至啟動其錯誤折疊[43-44]。還有研究指出普雷沃菌科細菌數(shù)量下降與腸道激素，特別是胃促生長素水平下降有關(guān)[45]。腸道激素能夠調(diào)節(jié)黑質(zhì)多巴胺功能以及限制神經(jīng)元變性[46]，因此其水平下降也可能是導(dǎo)致PD發(fā)病的原因。

Keshavarzian等[47]比較了PD患者與健康對照人群的糞便樣本和結(jié)腸黏膜樣本，發(fā)現(xiàn)Blautia、Coprococcus和Rosburia等菌屬在PD患者中顯著減少，這些菌屬的共同特點是能夠產(chǎn)生丁酸并且短鏈脂肪酸豐度較低。短鏈脂肪酸是一種細菌代謝難溶膳食纖維產(chǎn)生的不飽和脂肪酸，具有營養(yǎng)神經(jīng)和抗炎的作用。丁酸具有整腸作用，它可抑制腸道中的致病菌，促進腸道中有益菌的生長。Ralstonia菌屬在PD患者的糞便和結(jié)腸黏膜樣本中顯著增加，這一菌屬被認為有潛在的促炎作用。

Barichella等[48]進行了一項隨機雙盲對照研究，他們選取120名確診PD患者隨機分為實驗組與對照組，分別給予含有多種益生菌菌株的發(fā)酵牛奶和安慰劑，觀察患者完整排便次數(shù)及頻率，結(jié)果顯示，相比于安慰劑，含有益生菌的發(fā)酵牛奶能夠顯著增加PD患者完整排便次數(shù)及頻率。盡管這項研究的病例數(shù)過少而且沒有評價PD其他癥狀是否有所改善，但是仍可以為PD治療開啟全新的思路，從改善腸道菌群著手干預(yù)PD可以減輕患者痛苦、提高生活質(zhì)量、減輕藥物不良反應(yīng)等。

綜上所述，目前有大量研究顯示腸道菌群可能是帕金森病發(fā)病的始動因素。細菌蛋白通過分子模擬機制、免疫/炎性機制啟動α-syn的錯誤折疊，并以迷走神經(jīng)為媒介沿腦-腸軸傳播，最終導(dǎo)致PD的發(fā)生。因此，對腦-腸道-微生物軸的相互作用的更好理解會給關(guān)于PD病理生理的研究帶來全新視角。

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(本文編輯：鄒晨雙)

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