微生物-腸-腦軸在阿爾茨海默病中的相關(guān)研究進(jìn)展

汪怡婷 鄭凱旋 李茂全▲

1.成都醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院，四川成都 610500；2.成都市青白江區(qū)中醫(yī)醫(yī)院中藥房，四川成都 610300

阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）是一種退行性神經(jīng)系統(tǒng)疾病，占所有老年癡呆病例的60%～80%。全世界目前估計(jì)有超過5000萬癡呆患者，到2050年該患病數(shù)量可能會達(dá)到1.3億，給社會帶來巨大負(fù)擔(dān)[1]。AD患者最常見的表現(xiàn)是認(rèn)知障礙和精神行為癥狀，主要病理機(jī)制為β-淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）異常沉積，tau蛋白過度磷酸化導(dǎo)致神經(jīng)元纏結(jié)和氧化應(yīng)激等[2]。腸道和大腦之間雙向交流的途徑被稱為微生物-腸-腦軸（microbiota-gut-brain axis，MGBA），AD患者腸道微生物失調(diào)可破壞免疫功能、加劇炎癥反應(yīng)并誘導(dǎo)Aβ沉積。飲食、益生菌和糞便微生物移植（fecal microbial transplantation，F(xiàn)MT）等以微生物為靶點(diǎn)的治療方式有助于改善AD癥狀[3]。本文從AD的腸道菌群變化，微生物對神經(jīng)內(nèi)分泌、免疫和代謝的影響以及潛在的以微生物為靶點(diǎn)的治療方式等方面對MGBA在AD中的作用與機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 AD患者腸道菌群變化

人體微生物組由各種細(xì)菌、真核生物和病毒構(gòu)成，它們之間以及與宿主之間相互作用，影響消化、腸道微生物合成、新陳代謝和炎癥等。人體中定植的微生物至少有100萬億，遠(yuǎn)超人體細(xì)胞的數(shù)量，其中大部分能夠在胃腸道中發(fā)現(xiàn)[4]。人體腸道由平衡的微生物群組成，主要有厚壁菌門和擬桿菌門，占總數(shù)的90%。腸道微生物群處于不斷變化中，受到許多因素影響，如飲食不均衡、心理壓力、抗生素過度使用、疾病等。

微生物群與AD病理的關(guān)系已得到證明，患者認(rèn)知功能的改變可能與腸道促炎性菌群引起的外周系統(tǒng)性炎癥存在密切聯(lián)系。Vogt等[5]研究發(fā)現(xiàn)AD患者腸道中的厚壁菌門和放線菌門豐度降低，擬桿菌門豐度升高，可能會促進(jìn)神經(jīng)炎癥和Aβ斑塊的形成。AD小鼠腸道中擬桿菌門升高且雙歧桿菌喪失了保護(hù)性，同時大腦中炎性體和白細(xì)胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）的表達(dá)更高，表明腸道菌群可通過神經(jīng)炎癥觸發(fā)AD病理[6]。纖維缺乏喂養(yǎng)的小鼠腸道中擬桿菌顯著減少且變形菌增加，損害了腸道屏障并減少了短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFA）的產(chǎn)生，造成小鼠認(rèn)知能力下降[7]?？傊?dāng)M桿菌豐度增加而放線菌豐度減少的AD患者更可能具有較低的整體認(rèn)知和記憶功能，其作用機(jī)制為促進(jìn)Aβ沉積、神經(jīng)炎癥和氧化應(yīng)激等，這表明腸道微生物變化可能是AD的潛在病理。

2 MGBA的神經(jīng)內(nèi)分泌作用

神經(jīng)遞質(zhì)是一種化學(xué)物質(zhì)，分為興奮性和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，通過突觸在神經(jīng)元之間傳遞，可傳遞信息來調(diào)節(jié)人體運(yùn)動、情緒、記憶等行為。腸道菌群既可以產(chǎn)生神經(jīng)遞質(zhì)前體，也可以通過飲食代謝催化神經(jīng)遞質(zhì)的合成，或兩者結(jié)合通過神經(jīng)內(nèi)分泌途徑影響MGBA。興奮和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)的不平衡導(dǎo)致神經(jīng)活動異常，可能是促成AD病理的機(jī)制。

2.1 5-羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）

胃腸道中產(chǎn)生的5-HT由腸嗜鉻細(xì)胞從膳食蛋白質(zhì)中攝取色氨酸作為底物合成，占人體總量的90%以上。腸道微生物可通過與宿主結(jié)腸內(nèi)皮細(xì)胞相互作用調(diào)節(jié)結(jié)腸和血清中5-HT，還通過調(diào)節(jié)腸嗜鉻細(xì)胞中限速酶色氨羥化酶1的基因表達(dá)來影響5-HT合成[8]。植物乳桿菌能夠減輕壓力和焦慮，改善記憶和認(rèn)知能力，其機(jī)制為增加色氨羥化酶2的表達(dá)，色氨羥化酶2可在大腦中將色氨酸轉(zhuǎn)化為5-HT[9]。5-HT對AD患者認(rèn)知功能有正向作用，將5-HT直接注入小鼠海馬可降低腦間質(zhì)液中Aβ水平[10]。5-HT傳導(dǎo)與Aβ沉積以及淀粉樣前體蛋白的表達(dá)相關(guān)聯(lián)，通過神經(jīng)內(nèi)分泌途徑介導(dǎo)AD病理。

2.2 γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid，GABA）

GABA是中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）最主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，雙歧桿菌和乳酸桿菌等多種細(xì)菌能夠產(chǎn)生GABA[11]。GABA與認(rèn)知相關(guān)，其在正常衰老過程中呈下降趨勢，在AD患者中趨勢更明顯[12]。維生素A缺乏會導(dǎo)致小鼠的認(rèn)知障礙并降低GABA受體的表達(dá)，這可能是由于長期缺乏維生素A后乳酸菌屬豐度下降造成的[13]。海馬是AD中進(jìn)行性記憶障礙的主要靶點(diǎn)，前額葉皮層和海馬兩個區(qū)域都支持認(rèn)知功能，而GABA傳遞不足導(dǎo)致的前額葉和海馬神經(jīng)去抑制可導(dǎo)致認(rèn)知衰退。持續(xù)暴露于海馬過度活躍可能導(dǎo)致發(fā)作性記憶喪失、Aβ/tau積累和萎縮，最終導(dǎo)致癡呆發(fā)生的可能性增加[14]，證明GABA功能障礙是AD特征的神經(jīng)異常以及隨后記憶障礙的先兆。

3 微生物分泌和代謝產(chǎn)物對免疫功能的影響

腸道微生物對于免疫十分重要，超過70%的免疫細(xì)胞存在于腸道中[15]。微生物及其代謝物可誘導(dǎo)外周免疫激活并促進(jìn)全身免疫反應(yīng)，調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞向大腦的遷移。腸道微生物產(chǎn)生的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）和SCFA與小膠質(zhì)細(xì)胞的成熟和功能有關(guān)[16]。腸道微生物及其產(chǎn)物和免疫系統(tǒng)相互作用，可導(dǎo)致系統(tǒng)性循環(huán)炎癥和屏障受損，最終導(dǎo)致神經(jīng)炎癥和AD發(fā)生。

3.1 LPS

擬桿菌屬是腸道微生物組中最大的革蘭氏陰性菌門，其產(chǎn)生的LPS等內(nèi)毒素可激活外周免疫系統(tǒng)，促進(jìn)外周免疫細(xì)胞向腦內(nèi)浸潤，從而引發(fā)CNS炎癥。在大腦發(fā)育過程中注射LPS可增強(qiáng)小膠質(zhì)細(xì)胞活性，并導(dǎo)致IL-1β等水平升高，海馬區(qū)Aβ升高并出現(xiàn)認(rèn)知障礙[17]。從人類大腦研究中發(fā)現(xiàn)，與正常年齡對照組的灰質(zhì)和白質(zhì)腦樣本相比，AD患者LPS水平更高[18]。LPS可激活Toll樣受體，隨后誘導(dǎo)細(xì)胞因子產(chǎn)生炎癥、吞噬作用和先天免疫防御反應(yīng)，還可誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化為具有神經(jīng)毒性的A1星形膠質(zhì)細(xì)胞，進(jìn)而誘導(dǎo)神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞死亡[19]。而給小鼠服用長雙歧桿菌能夠抑制腸道菌群失調(diào)和LPS產(chǎn)生，并通過調(diào)節(jié)LPS介導(dǎo)的核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）活化來減輕認(rèn)知能力下降[20]。LPS能夠通過小膠質(zhì)細(xì)胞誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥來導(dǎo)致AD，而益生菌的干預(yù)對其具有保護(hù)作用。

3.2 SCFA

SCFA中最豐富的是乙酸、丙酸和丁酸，均由腸道厭氧細(xì)菌把未消化的碳水化合物或膳食纖維糖酵解產(chǎn)生的，在AD患者中含量較低。SCFA能調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，其具有誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞凋亡的能力，可降低巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞中腫瘤壞死因子、白細(xì)胞介素-6（interleukin-6，IL-6）和白細(xì)胞介素-12（interleukin-12，IL-12）等炎性因子的表達(dá)[21]。丁酸鹽由分布于革蘭氏陽性厚壁菌門的細(xì)菌產(chǎn)生，可作為組蛋白去乙?；敢种苿┮约巴ㄟ^G蛋白受體信號發(fā)揮作用，這兩種方式都可以抑制NF-κB信號通路。乙酰化酶與AD發(fā)病機(jī)制中的突觸可塑性缺陷有關(guān)，而丁酸鹽和丙酸鹽可抑制乙酰化酶[22]。SCFA對AD病理的影響機(jī)制還可能是維持血腦屏障的穩(wěn)定性[16]。這些研究表明SCFA能通過誘導(dǎo)免疫耐受、減少炎癥和抑制屏障通透性來影響AD發(fā)生發(fā)展。

4 微生物對血腦屏障和腸上皮屏障的影響

血腦屏障和腸上皮屏障在腸道和CNS中都發(fā)揮著重要作用，它們限制有害物質(zhì)的滲透，對免疫識別和維持體內(nèi)平衡有重要影響，微生物可通過調(diào)節(jié)屏障穩(wěn)定性從而在MGBA中發(fā)揮作用。

血腦屏障控制循環(huán)系統(tǒng)和腦實(shí)質(zhì)之間分子和營養(yǎng)物質(zhì)的交換，并確保CNS穩(wěn)態(tài)。腸道微生物是血腦屏障完整性的潛在調(diào)節(jié)劑，缺乏微生物的無菌小鼠血腦屏障的通透性增加，其機(jī)制可能為緊密連接蛋白的表達(dá)降低[23]。微生物代謝物能影響血腦屏障通透性[16]，LPS可能通過全身免疫激活損傷血腦屏障。無菌小鼠在生產(chǎn)丁酸鹽的酪丁酸梭菌定植后，通過上調(diào)緊密連接蛋白降低血腦屏障通透性[24]。腸上皮屏障由黏液層、腸上皮和固有層組成。這種屏障的障礙導(dǎo)致滲透性增加，細(xì)菌易位和有害物質(zhì)進(jìn)入血液而導(dǎo)致神經(jīng)退行性變。微生物群組成決定了影響其滲透性的黏液層特性，大腸桿菌和幽門螺桿菌等微生物可改變緊密連接蛋白的表達(dá)[25]。微生物組成還會影響免疫系統(tǒng)的發(fā)育并調(diào)節(jié)免疫介質(zhì)，進(jìn)而影響腸道屏障，增加疾病易感性。

5 以腸道微生物為靶點(diǎn)的治療方式

5.1 益生菌

攝入益生菌后能夠改變腸內(nèi)微生物群、調(diào)節(jié)免疫功能和改善腸道屏障功能。長期口服復(fù)合益生菌制劑可顯著改善老年小鼠的MGBA缺陷和認(rèn)知功能[26]。Ton等[27]運(yùn)用混合益生菌對AD患者進(jìn)行干預(yù)，患者認(rèn)知功能明顯改善，炎癥的細(xì)胞因子及氧化應(yīng)激標(biāo)志物明顯減少。益生菌在改善認(rèn)知方面的潛在能力，可能是通過降低AD中氧化和炎癥標(biāo)志物的水平，且其有效性可能受劑量、菌株比例、患者嚴(yán)重程度等影響。

5.2 食物

飲食是影響腸道微生物組成和豐度的關(guān)鍵因素，因此通過改變飲食結(jié)構(gòu)來改善腸道微生物進(jìn)而延緩AD癥狀是一種可行的治療方式。地中海生酮飲食能夠顯著降低輕度認(rèn)知障礙人群放線菌門豐度，還能使包括丁酸鹽在內(nèi)的有益SCFA略有增加[28]。中藥巴戟天的寡糖能通過增加轉(zhuǎn)基因小鼠腸道乳桿菌和異芽孢桿菌的豐度，下調(diào)Aβ表達(dá)來改善小鼠模型記憶障礙[29]。未來研究應(yīng)側(cè)重于什么飲食結(jié)構(gòu)與有效成分能影響MGBA，從而提高干預(yù)有效性。

5.3 FMT

FMT可通過直接改變腸道微生物群組成來治療疾病，是最有效的微生物干預(yù)方法。對小鼠進(jìn)行FMT治療后變形桿菌減少，擬桿菌增加并刺激SCFA的產(chǎn)生，從而降低認(rèn)知缺陷并減少Aβ沉積[30]。對AD小鼠進(jìn)行紅景天珠菌治療后記憶改善，再將治療后小鼠的糞便通過FMT轉(zhuǎn)移到無菌小鼠中，記憶缺陷改善，證明了紅景天珠菌對AD的治療效果以及FMT的有效性[31]。人體實(shí)驗(yàn)安全性是目前FMT研究的主要問題，需要接受潛在致病細(xì)菌、病毒和寄生蟲等檢查來保障治療的安全性，且待移植糞便樣品的最佳微生物組成需要進(jìn)一步研究。

6 總結(jié)

腸道微生物失調(diào)會通過MGBA加重AD的Aβ沉積和神經(jīng)炎癥，因此恢復(fù)和重塑腸道微生物群組成可能會使治療出現(xiàn)重大突破。微生物分泌的5-HT和GABA等神經(jīng)遞質(zhì)，主要通過影響神經(jīng)信號傳導(dǎo)和氧化應(yīng)激來介導(dǎo)AD發(fā)生發(fā)展。革蘭氏陰性菌可產(chǎn)生LPS，陽性菌產(chǎn)生SCFA，前者通過小膠質(zhì)細(xì)胞活化誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥，后者誘導(dǎo)免疫耐受從而減少炎癥，且都能夠影響血腦屏障和腸上皮屏障通透性導(dǎo)致AD的發(fā)生。通過益生菌、飲食和FMT調(diào)節(jié)能夠改變腸道微生物組成并改善系統(tǒng)炎癥、氧化應(yīng)激和細(xì)胞損傷，可減輕AD病理減緩疾病進(jìn)程。目前研究還存在許多局限性，大多數(shù)臨床研究樣本量較小，缺乏對微生物組成和功能的全面分析。另外每個人的腸道微生物存在差異，未來研究應(yīng)基于對個體的影響，進(jìn)一步提高微生物干預(yù)的有效性。