從代謝產(chǎn)物論述腸道菌群與阿爾茨海默病

李虹霖， 齊慧敏， 李書霖， 張 淼， 孫琦月， 佟曉薇， 欒凱迪，朱紅奇， 王鑫蕊， 李 雪， 張曉亮, 馬祺昊

(1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué) 附屬第二醫(yī)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué) 第二臨床醫(yī)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s Disease, AD)是一種常見的老年疾病，是一種神經(jīng)退行性疾病，起病隱匿，出現(xiàn)記憶力、判斷力、注意力持續(xù)時(shí)間和解決問題的能力受損，隨之而來的是嚴(yán)重的失用癥和認(rèn)知能力的全面喪失。該病主要發(fā)生于60歲以后，病理表現(xiàn)為嚴(yán)重的大腦皮質(zhì)萎縮、老年斑三聯(lián)征及神經(jīng)原纖維纏結(jié)等[1]。根據(jù)阿爾茨海默國(guó)際(Alzheimer′s Disease International)發(fā)布的“2018年阿爾茨海默病報(bào)告”[2]，全世界有5 000萬AD患者，每3秒即有1人得AD。2050年，AD人口將會(huì)上升至1.52億人。目前治療AD的花費(fèi)每年大約1萬億美元，預(yù)計(jì)到2030年會(huì)翻倍。隨著人口老齡化加重，AD已成為高發(fā)疾病，研究證明腸道菌群(Gut Microbiota, GM)與AD具有相關(guān)性。

1 腸道菌群

陰道分娩的嬰兒最初是由具有母體特征的菌群(富含乳酸菌和普雷沃特氏菌)定殖的，而剖宮產(chǎn)嬰兒的菌落則更接近皮膚菌群(富含葡萄球菌和丙酸桿菌)。微生物群在生命的最初幾周內(nèi)開始多樣化，形成一個(gè)復(fù)雜的、以厭氧菌為主的菌群[3]。 成人的菌群包括擬桿菌門和厚壁菌門，所占比例最高，變形桿菌門和放線菌門所占比例相對(duì)較低[4]。腸道微生物群在維持正常腸道環(huán)境和通過腸腦軸調(diào)節(jié)腸道信號(hào)方面起著重要作用。腸道微生物群的改變和腸道通透性的增加，可能引起全身炎癥、神經(jīng)炎癥和特定腦區(qū)域的功能障礙，如小腦和海馬[5]，也可能引起胰島素抵抗，這已被證明與AD的發(fā)病機(jī)制有關(guān)[6-8]。

關(guān)于AD的發(fā)病機(jī)制有很多種假說：①基因突變學(xué)說：根據(jù)有無家族史，分為家族性AD(FAD)和散發(fā)性AD(SAD)，研究證明位于14號(hào)、1號(hào)染色體上的早老素蛋白1基因(PS-1) 和早老素蛋白2基因(PS-2),位于19號(hào)染色體上的載脂蛋白 E(ApoE) 基因，位于21號(hào)染色體上的21號(hào)染色體上的 APP 基因與 AD 的發(fā)病有相關(guān)性[9]；②β淀粉樣蛋白學(xué)說：Aβ在腦組織中的異常沉積可以產(chǎn)生神經(jīng)毒性，導(dǎo)致AD的發(fā)生；③Tau蛋白學(xué)說：AD 特征的病理改變有細(xì)胞外老年斑的形成及細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)原纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles，NFTs)[10]，NFTs最主要的成分是異常過度磷酸化的Tau蛋白，已有研究表明，異常的 Tau 蛋白大量聚集于退行性病變的神經(jīng)元與AD病人的病情發(fā)展呈正相關(guān)[11]；④炎癥學(xué)說：膠質(zhì)細(xì)胞與星狀膠質(zhì)細(xì)胞作為促炎癥因子，可以引起腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞的異常凋亡，從而導(dǎo)致AD的發(fā)生；⑤膽堿能損傷學(xué)說：在患者尸檢中發(fā)現(xiàn)，老年腦和AD患者皮質(zhì)的乙酰膽堿 (Ach) 的含量顯著下降，膽堿能神經(jīng)元明顯減少[12]。

目前，已有研究表明腸道菌群參與AD的發(fā)生，當(dāng)腸道菌群發(fā)生改變時(shí)，不僅影響腸道神經(jīng)系統(tǒng)，還影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)以及大腦功能。隨著年齡的增長(zhǎng)，人體內(nèi)的菌群種類及數(shù)量也發(fā)生改變，如老人體內(nèi)雙歧桿菌的含量要遠(yuǎn)低于兒童，雙歧桿菌具有抗衰老的功能，補(bǔ)充雙歧桿菌可在一定程度上預(yù)防衰老引起的認(rèn)知障礙[13]。某些腸道菌群可以產(chǎn)生淀粉樣蛋白或其降解物，激活釋放炎癥因子，引起細(xì)胞凋亡，這些都與AD的發(fā)生有關(guān)[14]。腸道菌群與血腦屏障形成以及髓鞘形成等神經(jīng)生成過程有關(guān)，并調(diào)控動(dòng)物行為和認(rèn)知等[15]，部分腸道菌群的改變可以增加血腦屏障的通透性，使某些不能進(jìn)入的物質(zhì)進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)，對(duì)神經(jīng)元細(xì)胞造成影響。Aβ和脂多糖(lipopolysaccharide，LPS) 的重要來源是腸道菌群，其中革蘭陰性桿菌可產(chǎn)生大量的 LPS，LPS可以引發(fā)神經(jīng)炎癥，影響AD患者的認(rèn)知功能[16]。因此，腸道菌群的多樣性以及某些特定菌群的數(shù)量與AD相關(guān)，腸道菌群可以通過影響血腦屏障，引發(fā)神經(jīng)炎癥等參與AD的發(fā)病。

2 腸道菌群的代謝產(chǎn)物與AD的相關(guān)性

在19世紀(jì)80年代，“腸-腦軸”這一概念被首次提出[17]。之后越來越多的證據(jù)表明，胃腸道是連接微生物和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的渠道[18]，且中樞神經(jīng)系統(tǒng)和腸道微生物之間存在著雙向溝通作用[19]。腸-腦軸是指中樞神經(jīng)系統(tǒng)與腸道菌群之間的雙向影響的聯(lián)系方式，包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)、神經(jīng)內(nèi)分泌和神經(jīng)免疫系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)(ANS)的交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)手臂(ANS)、腸神經(jīng)系統(tǒng)(ENS)，其中最重要的是腸道微生物群[20]。

2.1 代謝產(chǎn)物三甲胺N-氧化物(TMAO)

腸道菌群通過代謝食物和宿主來源的底物，產(chǎn)生生物活性化合物(如G蛋白偶聯(lián)受體激動(dòng)劑)、生物前體和毒素而影響人類健康和導(dǎo)致疾病的發(fā)生，菌群代謝產(chǎn)物三甲胺N-氧化物(TMAO)參與身體代謝，與心腦血管疾病有關(guān)。Nicholas等[21]研究表明，TMAO的生產(chǎn)是通過兩步進(jìn)行的。首先，腸道菌群通過酶作用從食物(如膽堿)中代謝分解產(chǎn)生三甲胺(TMA)，三甲胺進(jìn)入機(jī)體循環(huán)，在肝臟中被含黃酮類的單加氧酶1和3 (FMO1和FMO3)氧化為TMAO。TMAO在腦脊液(CSF)中是可測(cè)量的，表明這種腸道菌群的代謝物可以到達(dá)中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)，從而引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)疾病。在此研究中，有證據(jù)證明AD患者腦脊液中TOMA含量升高，并且年齡越大，CSF中TMAO含量越高。同時(shí)發(fā)現(xiàn)TMAO與p-tau以及p-tau/Aβ42有關(guān),表明TMAO可能與淀粉樣沉積密切相關(guān)。而且TMAO也與神經(jīng)軸突損傷相關(guān)，而與樹突變性無關(guān)，盡管TMAO可能不是淀粉樣蛋白產(chǎn)生的主要驅(qū)動(dòng)因素，但它可能會(huì)影響脆弱的神經(jīng)元，并導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變，從而導(dǎo)致AD的發(fā)生。Li等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在大腦中TMAO可以誘導(dǎo)神經(jīng)元衰老，增加氧化應(yīng)激，損害線粒體功能，增加衰老細(xì)胞的數(shù)量，與腦老化有一定關(guān)系。血管因素越來越被認(rèn)為是AD的重要致病因素，研究表明，TMAO與動(dòng)脈粥樣硬化存在一定的因果關(guān)系[23],因此，TMAO在AD的發(fā)病機(jī)制中的作用之一是通過影響血管狀態(tài)，增加腦血管疾病風(fēng)險(xiǎn)。代謝產(chǎn)物TMAO通過導(dǎo)致神經(jīng)軸突損傷和改變血管狀態(tài)，引起神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

2.2 代謝產(chǎn)物γ-氨基丁酸(γ-Aminobutyric acid, GABA)

機(jī)體內(nèi)谷氨酸鹽可以被乳桿菌屬、乳球菌屬和雙歧桿菌屬細(xì)菌轉(zhuǎn)化為GABA。GABA是哺乳動(dòng)物大腦中最重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì), 其神經(jīng)元約占人體神經(jīng)元總量的25%～30%, 且在調(diào)控興奮電位傳導(dǎo)中具有重要的作用[24]。GABA可抑制大腦中興奮性神經(jīng)元，防止不受控制的超興奮(如癲癇發(fā)作時(shí)的興奮)，從而維持神經(jīng)系統(tǒng)正?；顒?dòng)。AD的發(fā)病機(jī)制中，有淀粉樣級(jí)聯(lián)假說(推測(cè)Aβ肽在腦實(shí)質(zhì)中沉積是AD發(fā)病的關(guān)鍵)， Aβ肽由淀粉樣蛋白前體蛋白(APP)通過β-分泌酶β位點(diǎn)APP切割酶1(BACE1)和含早老素的γ-分泌酶復(fù)合物的連續(xù)切割產(chǎn)生。APP通過兩種方式直接調(diào)節(jié)GABA神經(jīng)傳遞[25]，一是APP可與神經(jīng)元特異性氯化鉀協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相互作用并調(diào)節(jié)其水平和活性，后者是維持神經(jīng)元氯化物水平和GABA逆轉(zhuǎn)電位的關(guān)鍵；二是APP復(fù)合物與攜帶GABAB受體1a(GABABR1a)的GABAB受體二聚體共同轉(zhuǎn)運(yùn)至軸突突觸前質(zhì)膜。另一方面，由分泌酶切割產(chǎn)生的分泌的APP可以充當(dāng)調(diào)節(jié)突觸前囊泡釋放的GABABR1a結(jié)合配體。腸道菌群代謝產(chǎn)物GABA可以抑制大腦興奮性神經(jīng)元，與Aβ肽的前體APP相互調(diào)節(jié)，影響人體的認(rèn)知功能。

2.3 代謝產(chǎn)物乙酰膽堿(Acetylcholine，Ach)

在AD的發(fā)病機(jī)制中膽堿能學(xué)說是最被人們所認(rèn)可的，大多被美國(guó)食品和藥物管理局(Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)認(rèn)可的藥物也都是根據(jù)膽堿能學(xué)說制定的。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，長(zhǎng)軸突膽堿能通路的變性是AD的重要病理機(jī)制之一，神經(jīng)遞質(zhì)Ach的主要工作是進(jìn)行骨骼肌和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)之間的信息傳遞，與AD密切相關(guān)[26]。腸道菌群中乳桿菌屬、芽胞桿菌屬的代謝產(chǎn)物中有Ach，研究表明[27], 當(dāng)機(jī)體受到刺激時(shí),大腦內(nèi)膽堿能神經(jīng)元被激活, 使大腦、海馬及大腦皮層等區(qū)域的Ach釋放，并且Ach是進(jìn)行及維持高級(jí)神經(jīng)系統(tǒng)功能的一種重要介質(zhì), 可特異性作用于各類膽堿受體,與記憶、學(xué)習(xí)、注意等認(rèn)知活動(dòng)密切相關(guān)。當(dāng)海馬和大腦皮層等主管認(rèn)知的區(qū)域受損，可以引起認(rèn)知功能水平下降甚至可以直接導(dǎo)致癡呆。證明腦內(nèi)Ach水平可以影響人體的認(rèn)知功能，從而導(dǎo)致AD。在前期研究中發(fā)現(xiàn)[28],頭穴叢刺通過干預(yù)cAMP-PKA-CREB信號(hào)通路，激活cAMP,促進(jìn)PKA的釋放，增加CREB的表達(dá),降低乙酰膽堿酶(AchE)的活性，增加Ch AT(催化Ach生物合成的限速酶)，從而提高AD大鼠學(xué)習(xí)記憶能力。綜上，腸道菌群代謝產(chǎn)生Ach，改變體內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)Ach水平，可以影響學(xué)習(xí)記憶能力。

2.4 代謝產(chǎn)物β-甲基氨基-L-丙氨酸(BMMA)

腸道菌群中藍(lán)細(xì)菌綱的細(xì)菌可以代謝產(chǎn)出β-甲基氨基-L-丙氨酸(BMMA)，BMAA是一種天然的、非必需的、非蛋白質(zhì)性氨基酸[29]，其具有神經(jīng)毒性，可損傷神經(jīng)元，這可能與蛋白質(zhì)的錯(cuò)誤折疊有關(guān)。關(guān)于BMAA對(duì)AD等神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的影響，Laura等[30]研究分析結(jié)果證明，BMAA暴露后的大鼠背側(cè)紋狀體(尾狀核和殼核)出現(xiàn)了嚴(yán)重的神經(jīng)元丟失，同時(shí)BMAA暴露于雌性大鼠的前額葉皮質(zhì)也有β淀粉樣沉積。β-淀粉樣蛋白從海馬向前額葉皮質(zhì)的擴(kuò)散，與觀察到的神經(jīng)元丟失分布相對(duì)應(yīng)，表明BMAA誘導(dǎo)的雌性大鼠神經(jīng)病理學(xué)的進(jìn)展速度可能與雄性大鼠不同，或者說雌性大鼠的前額葉皮質(zhì)更易受到BMAA的毒性影響。應(yīng)用免疫組織化學(xué)方法觀察了BMAA暴露后大鼠的神經(jīng)炎癥反應(yīng)，所有雄性和雌性大鼠有持續(xù)的炎癥過程，表現(xiàn)為海馬內(nèi)存在反應(yīng)性小膠質(zhì)細(xì)胞。在張瑜[31]的研究中，BMAA導(dǎo)致大鼠脊髓細(xì)胞腫瘤壞死因子α(TNF-α)和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)蛋白的表達(dá)上調(diào)，結(jié)果同時(shí)存在膠質(zhì)細(xì)胞的反應(yīng)性增生，大鼠體內(nèi)持續(xù)進(jìn)行免疫炎癥反應(yīng)，可能導(dǎo)致神經(jīng)元減少或退變，從而導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。因此，代謝產(chǎn)物BMMA可以造成神經(jīng)元丟失，產(chǎn)生β淀粉樣沉積，同時(shí)刺激膠質(zhì)細(xì)胞增生，引起神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。

2.5 其他代謝產(chǎn)物

腸道菌群中其他屬的微生物也可以對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。大腸埃希菌、乳酸菌、鏈球菌等微生物可以代謝產(chǎn)生多巴胺 (dopamine,DA)，DA屬于兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)，有研究證明，在海馬區(qū)有多巴胺D1和D2受體,且以D1受體為主[32]，對(duì)學(xué)習(xí)記憶能力及相應(yīng)認(rèn)知過程起著重要作用。一些植物多糖不能被機(jī)體完全消化，腸道菌群(其中醋桿菌和乳酸菌起主要作用)把它分解成短鏈脂肪酸(short chain fatty acid，SCFA)，SCFA可以參與AD的發(fā)病。Feng等[33]運(yùn)用果蠅模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，AD果蠅模型中腸道菌群種類增加，乙酰桿菌和乳酸菌作為較豐富的菌群，其比例明顯下調(diào)，乙酸酯作為AD果蠅模型中最豐富的SCFA，特異性表達(dá)明顯下降。說明腸道菌群通過調(diào)節(jié)SCFA水平參與AD的發(fā)病。

一些菌群的代謝產(chǎn)物對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病存在抑制作用，如梭菌屬中生孢梭菌可以利用色氨酸的脫氨反應(yīng)產(chǎn)生3-吲哚丙酸[34]，它是一種抗氧化劑，可以保護(hù)神經(jīng)元。Wekerle[35]研究表明，通過補(bǔ)充色氨酸代謝物吲哚、3-吲哚硫酸酯(I3S)、3-吲哚丙酸(IPA)、3-吲哚醛(IAld)或細(xì)菌酶色氨酸酶，使用抗生素治療小鼠的中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥，其癥狀減輕。

3 展 望

本文綜述了腸道菌群代謝產(chǎn)生TMAO、GABA、Ach、BMMA、DA、內(nèi)毒素等，這些產(chǎn)物通過不同的機(jī)制影響AD，如TMAO通過參與機(jī)體代謝，穿過血腦屏障，影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)；GABA、DA與Ach是重要的神經(jīng)遞質(zhì)，參與學(xué)習(xí)記憶過程；BMMA是一種具有神經(jīng)毒性的氨基酸，可損害神經(jīng)元；內(nèi)毒素等物質(zhì)可以引發(fā)免疫炎癥反應(yīng)，損害神經(jīng)系統(tǒng)。以上代謝產(chǎn)物都對(duì)AD有一定的影響，雖然提出了代謝產(chǎn)物影響AD的機(jī)制，但還不甚明確，還需要進(jìn)一步循證醫(yī)學(xué)的支持。同時(shí)AD是一種多因素影響的疾病，針對(duì)單因素治療的效果不甚明顯，需要根據(jù)多靶點(diǎn)，多因素結(jié)合治療。是否通過GABA、DA以及Ach等改善AD患者的認(rèn)知；TMAO作為一種代謝氧化物，是否可以作為治療AD的靶點(diǎn)，是否可以通過改變肝臟內(nèi)FMO1和FMO3酶或改變TMAO的氧化途徑來減少其產(chǎn)生從而治療AD；因藍(lán)細(xì)菌綱代謝產(chǎn)物BMMA可以損傷神經(jīng)元，是否可以通過減少藍(lán)細(xì)菌綱的數(shù)量或阻斷代謝途徑治療AD；梭菌屬代謝產(chǎn)生吲哚酸類，可以保護(hù)神經(jīng)元，是否可以通過增加生孢梭菌數(shù)量或調(diào)節(jié)色氨酸對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行抗氧化處理，以上還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究證明。

腸道菌群可以通過自身代謝產(chǎn)物來影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致腦內(nèi)病理性改變，從而導(dǎo)致AD，腸道菌群作為一個(gè)熱點(diǎn)，有很多學(xué)者在進(jìn)行腸道菌群的研究，著眼腸道菌群論治AD，通過改善腸道環(huán)境治療AD。如蔡秋伶[36]提出脾胃虛弱也是AD的病因之一，對(duì)于AD來說，病位在腦，根在脾胃，脾為生痰之源，痰蒙清竅也可導(dǎo)致AD，通過健脾養(yǎng)胃，調(diào)節(jié)脾胃功能影響腸道菌群，從而治療AD。王穎[37]用柴胡疏肝散處理APP/PS1AD小鼠后發(fā)現(xiàn)小鼠腸道菌群中梭菌屬、羅氏菌屬、擬桿菌屬的菌群均有明顯降低，逆轉(zhuǎn)了AD小鼠腸道菌群紊亂，緩解小鼠腦內(nèi)老年斑的形成，證明柴胡疏肝散對(duì)AD有一定的治療作用。宋楠[38]研究證明矢車菊素-3-O-葡萄糖苷(Cy3G)可以用于緩解包括AD在內(nèi)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，Cy3G具有調(diào)節(jié)腦糖代謝異常以及調(diào)節(jié)腸道菌群紊亂，有助于改善認(rèn)知，預(yù)防和緩解AD。APPswe/PS1△E9AD小鼠被Gy3G處理后8周，小鼠空腹血糖水平降低，海馬區(qū)糖代謝異常情況得到緩解，減緩了小鼠腦萎縮程度，抑制了老年斑的形成，改善了認(rèn)知功能。同時(shí)Gy3G可以降低腸道菌群中藍(lán)藻細(xì)菌，厚壁菌門/擬桿菌門的豐度，改變AD小鼠腸道菌群群落種類及結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)腸道菌群紊亂。

我們?cè)谇捌谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，頭穴叢刺可以調(diào)節(jié)蛋白以及干預(yù)膽堿能系統(tǒng)，改善學(xué)習(xí)記憶功能，從而改善AD的癥狀。當(dāng)今社會(huì)，人口老齡化日益加重，AD患者也在逐年增加，給個(gè)人、家庭以及社會(huì)都帶來了負(fù)擔(dān)。盡管腸道菌群與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)系有待進(jìn)一步研究，但通過腸道菌群和AD的關(guān)系，提出是否可以運(yùn)用中醫(yī)特色方法(例如針灸)調(diào)節(jié)腸道菌群來改善人的認(rèn)知，從而改善AD癥狀，這為AD的防治提供了新的方向。