腸道微生物菌群對(duì)阿爾茲海默癥的相關(guān)作用機(jī)制

張立愔，許 龍，呂冬云，孫 睿，張國(guó)超，盛 雪

(1.佳木斯大學(xué) a.生命科學(xué)學(xué)院; b.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154002；2.黑龍江省佳木斯市第十一中學(xué)，黑龍江 佳木斯 154002)

阿爾茲海默癥(Alzheimer disease's, AD)主要病理特征是認(rèn)知、行為的嚴(yán)重喪失。組織中常見(jiàn)的病理特點(diǎn)為β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein, Aβ)和異常磷酸化Tau蛋白(AD p-Tau)纏結(jié)聚集。近年研究表明，AD影響的腦細(xì)胞中存在大量的脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)，這些腦細(xì)胞表現(xiàn)為在同一種突觸成分中存在顯著缺陷[1]。腸道微生物菌群對(duì)腦發(fā)育、認(rèn)知功能、應(yīng)激行為等中樞神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)均有影響[2]。作為神經(jīng)元間通訊的基本結(jié)構(gòu)和功能的組成，具有足夠一致的蛋白質(zhì)質(zhì)量和數(shù)量的突觸對(duì)維持功能神經(jīng)的信息傳遞以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)中的神經(jīng)連接功能發(fā)揮至關(guān)重要的作用，而腸道微生物細(xì)菌分泌物與此結(jié)構(gòu)的功能完整性密切相關(guān)[1]。在過(guò)去的幾年中證明多個(gè)突觸前和突觸后蛋白包括Neurexin家族、突觸體相關(guān)磷蛋白SNAP-25和突觸素-2(synapsin-2, SYN-2)、I型細(xì)胞黏附蛋白(neuroligin, NLGN)和富含脯氨酸的SH3-錨蛋白重復(fù)序列，這些重復(fù)序列包含細(xì)胞骨架Scaf，折疊蛋白Shank3等已被確定對(duì)在調(diào)節(jié)突觸神經(jīng)傳遞、神經(jīng)元間信號(hào)傳導(dǎo)和突觸可塑性中起關(guān)鍵作用[3]。越來(lái)越多的證據(jù)表明，這些關(guān)鍵的突觸元件和突觸相關(guān)蛋白聯(lián)合下調(diào)損害了跨突觸的通訊，影響這些神經(jīng)間信息傳遞障礙的因素被認(rèn)為是腸道微生物細(xì)菌分泌物，最終導(dǎo)致神經(jīng)間傳遞信息障礙，伴隨著行為、認(rèn)知和記憶功能的缺陷，而以上提到的缺陷又會(huì)影響機(jī)體的情緒，其中負(fù)性情緒占比增加則會(huì)導(dǎo)致腸道微生物菌群多樣性的進(jìn)一步惡化，進(jìn)而產(chǎn)生惡性循環(huán)[4]。

1 腸道微生物菌群

人類的胃腸道中包含一個(gè)復(fù)雜的微生物群，并且這個(gè)微生物群的組成取決于出生時(shí)所接觸的細(xì)菌[5]，并隨時(shí)間的推移腸道微生物組成會(huì)出現(xiàn)不同比例的變化。微生物群與整個(gè)生物體間已有的宿主相互作用和共生關(guān)系與人類健康和疾病存在顯著的關(guān)聯(lián)[4-6]。

微生物群主要由細(xì)菌組成。古細(xì)菌、真菌、微生物、真核生物、原生動(dòng)物、病毒和其他微生物在其中構(gòu)成了微妙平衡[5-6]。在目前公認(rèn)的54個(gè)細(xì)菌門中，人類主要與其中兩個(gè)主要的分支：厚壁菌門(Phylum Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroides)共同進(jìn)化，這2個(gè)主要細(xì)菌門代表了我們微生物群的“細(xì)菌核心”[6]。

某些類桿菌物種，如脆弱類桿菌(B.fragilis)，作為人類胃腸道的一種正常共生微生物, 它們能夠合成或代謝膳食纖維、復(fù)合糖和多糖，對(duì)人類健康有益；其次在代謝中所產(chǎn)生的葉酸、揮發(fā)性脂肪酸和其他營(yíng)養(yǎng)素對(duì)宿主免疫和消化系統(tǒng)的發(fā)育、維護(hù)體內(nèi)穩(wěn)定平衡狀態(tài)發(fā)揮顯著作用[5]。然而，當(dāng)類桿菌(包括脆弱桿菌)的腸毒性菌株增殖并分泌大量神經(jīng)毒素(如BF-LPS)時(shí)，會(huì)通過(guò)處于正常保護(hù)狀態(tài)的胃腸道黏膜屏障和血液系統(tǒng)，增加血漿中促炎細(xì)胞因子(interleukin-6, IL-6)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-alpha，TNF-α)與抗炎藥細(xì)胞因子IL-10和IL-1受體拮抗劑以及血漿皮質(zhì)醇、血漿去甲腎上腺素的分泌，這些變化伴隨著沮喪、焦慮情緒的增加等情緒刺激導(dǎo)致長(zhǎng)期記憶受損[2，7]。自從瑞士EPFL的研究小組通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明：腸道微生物菌群與包括AD在內(nèi)的其他神經(jīng)退行性疾病具有直接關(guān)聯(lián)后(具體體現(xiàn)在β-淀粉樣斑塊的含量變化)，嘗試證明腸道微生物細(xì)菌分泌物是如何影響神經(jīng)間傳遞信息從而影響其功能障礙的，已成為目前首要攻克的難關(guān)[5]。

2 微生物細(xì)菌分泌物

脆弱擬桿菌釋放的脂多糖(B.fragilis-lipopolysaccharide, BF-LPS)是已知的最具神經(jīng)毒性和促炎性的脂多糖之一[6-8]。脆弱擬桿菌產(chǎn)生3種主要的有毒分泌產(chǎn)物：淀粉樣蛋白，LPS和腸毒素[6]。

2.1淀粉樣蛋白 淀粉樣蛋白即對(duì)任何不溶的，富含脂蛋白的分子而言。這些分子表現(xiàn)出垂直于其原纖維軸取向的β折疊的片狀結(jié)構(gòu)[8]。腸道大量存在的微生物，尤其是細(xì)菌和真菌，會(huì)產(chǎn)生大量的細(xì)菌淀粉樣蛋白，LPS，腸毒素在內(nèi)的微生物滲出物[9-11]。所有已知蛋白質(zhì)中有一半以上都含有“非結(jié)構(gòu)化”區(qū)域[11-12]。微生物和宿主淀粉樣蛋白之間可能存在常見(jiàn)的三級(jí)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)[6]。例如，表征AD的淀粉樣蛋白主要由富含40個(gè)氨基酸的Aβ40肽的“血管周圍”淀粉樣蛋白沉積組成；“實(shí)質(zhì)”淀粉樣蛋白則由富含42個(gè)氨基酸的Aβ42肽和“核”淀粉樣蛋白，它們由包含脂蛋白原纖維和致密淀粉樣蛋白聚集體的高度復(fù)雜的混合物組成[10-13]。雖然“分子擬態(tài)”的傳播和加速淀粉樣蛋白的生成在啟動(dòng)宿主先天免疫系統(tǒng)和微生物群激活小膠質(zhì)細(xì)胞方面扮演重要作用，小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)產(chǎn)生的神經(jīng)炎癥加之淀粉樣蛋白的積累、堆積可能誘發(fā)AD[13-15]。

2.2LPS LPS是大多數(shù)革蘭陰性細(xì)菌外膜單分子層的主要成分，像一個(gè)緊密的屏障[16](圖1)，由一個(gè)稱為 o-抗原的多糖、一個(gè)核心寡糖和脂質(zhì)A 3個(gè)不同的結(jié)構(gòu)組成[17]。LPS具有區(qū)分G-細(xì)菌外膜外小葉成分進(jìn)入細(xì)胞外空間的作用，研究中一直認(rèn)為L(zhǎng)PS可以發(fā)揮某種宿主-病原體免疫逃避策略，對(duì)細(xì)菌存在有益，在宿主內(nèi)引起強(qiáng)烈的免疫和促炎作用[11, 18-19]。LPS等細(xì)菌成分提供對(duì)先天免疫系統(tǒng)的低級(jí)強(qiáng)直刺激[2]。盡管LPS包含較大且高度可變的寡糖區(qū)域，但相對(duì)保守的脂質(zhì)區(qū)域的脂質(zhì)A核心(lipid A core)是負(fù)責(zé)誘導(dǎo)的內(nèi)毒素的生物活性部分[13, 20]。由于細(xì)菌失調(diào)、小腸細(xì)菌過(guò)度生長(zhǎng)或腸道通透性增加而引起滲出的LPS過(guò)度刺激集體神經(jīng)系統(tǒng)，可能導(dǎo)致全身和中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥。近期研究試驗(yàn)表明：(1)BF-LPS是已知的人類原代神經(jīng)元-神經(jīng)膠質(zhì)共培養(yǎng)物中最有力的核因子NF-κB(nuclear factor kappa-B, NF-κB)激活誘導(dǎo)劑之一[21-22]。(2)LPS和MD-2蛋白(MD-2 protein，MD-2)特異性激活人類Toll樣受體(toll-like receptor 4)，從而導(dǎo)致細(xì)胞因子和趨化因子的高度多效性混合物的產(chǎn)生，進(jìn)而促進(jìn)炎癥反應(yīng)和先天免疫反應(yīng)，促進(jìn)淀粉樣蛋白的聚集[23-25]。

圖1 革蘭陰性菌包膜組成中的LPS (摘自于Rhee SH.Lipopolysaccharide: basic biochemistry, intracellular signaling, and physiological impacts in the gut[J].Intest Res, 2014, 12(2):90-95)

2.3腸毒素 腸毒素(fragilysin)，也稱為BFT，能被腸道吸收，直接或間接影響腸黏膜功能[2]。近期研究發(fā)現(xiàn)表明BFT的致病作用：(1)在亮氨酸附近具有廣泛的蛋白水解特異性, 中斷了細(xì)胞間黏附的完整性[2, 18];(2)通過(guò)分裂上皮細(xì)胞之間的細(xì)胞間蛋白質(zhì)(如 E-cadherin)，破壞了細(xì)胞旁屏障，導(dǎo)致出現(xiàn)“滲漏”屏障。促炎滲出物與先天免疫紊亂以及人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)內(nèi)的炎癥信號(hào)相互聯(lián)系很可能與AD相關(guān)[21]；(3)水解明膠，纖維蛋白原，細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，例如E-鈣黏蛋白；快速降解細(xì)胞內(nèi)蛋白，例如肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白誘導(dǎo)上皮細(xì)胞-細(xì)胞分離，為受損和“漏出”的胃腸道屏障奠定了形態(tài)基礎(chǔ)[2, 19, 26]。

細(xì)菌淀粉樣蛋白也可通過(guò)受損腸膜，以血流的方式到達(dá)中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)，增加了Aβ聚集體的成核并引發(fā)包含Toll樣受體(TLR，CD14，TLR2)結(jié)合蛋白水平增加以及核因子活化B細(xì)胞κ輕鏈增強(qiáng)子(nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells, NF-κβ))的激活等一系列炎癥反應(yīng)[4, 27]。細(xì)菌淀粉樣蛋白也增加外周單核細(xì)胞中TLR4-2的表達(dá)，TLR4-2識(shí)別細(xì)菌淀粉樣蛋白并觸發(fā)單核細(xì)胞分泌炎性細(xì)胞因子，在神經(jīng)變性和AD的發(fā)作和惡化中起觸發(fā)作用[4, 28]。

微生物細(xì)菌分泌物滲出在一定程度上說(shuō)明了上皮細(xì)胞-GI屏障的損壞，是系統(tǒng)性炎性疾病開始和傳播早期主要體現(xiàn)之一[6, 13]。在人類初級(jí)神經(jīng)元-神經(jīng)膠質(zhì)共培養(yǎng)中，BF-LPS為促炎性轉(zhuǎn)錄因子NF-κB(p50/p65復(fù)合體)的有效誘導(dǎo)劑，促進(jìn)AD神經(jīng)病理學(xué)的淀粉樣多肽；TNF-α、IL-1β、IL-2、IL-6、IL-8、IL-12、趨化因子、黏附分子、集落刺激因子；炎性基因TNF 受體相關(guān)因子(receptor-associated factors, TRAF1/TRAF2)等的表達(dá)，對(duì)AD病程進(jìn)一步發(fā)展作用顯著[6, 12, 26]。

此外，人體腸道微生物群還以多種方式影響人類大腦健康：(1)細(xì)菌酶可產(chǎn)生D-乳酸、氨等神經(jīng)毒性代謝產(chǎn)物。短鏈脂肪酸包含乙酸、丙酸、丁酸等有益代謝產(chǎn)物也可能產(chǎn)生神經(jīng)毒性[2]。(2)腸道微生物能產(chǎn)生與人類相同的激素和神經(jīng)遞質(zhì)，如皮質(zhì)醇，內(nèi)分泌物，細(xì)胞因子等。這些激素的細(xì)菌受體影響微生物的生長(zhǎng)和毒性[29]。(3)腸道微生物分泌物刺激腸神經(jīng)系統(tǒng)的傳入神經(jīng)元，如5-羥色胺(5-HT)，通過(guò)迷走神經(jīng)向大腦發(fā)送信號(hào)[30]。通過(guò)這些不同的機(jī)制共同影響人體記憶、情緒和認(rèn)知功能。

3 益生菌治療

益生菌，是一組活的微生物，它們通過(guò)調(diào)節(jié)人體腸道中的微生態(tài)平衡而發(fā)揮對(duì)人體有益的作用。益生菌治療時(shí)通過(guò)修復(fù)宿主黏膜與系統(tǒng)免疫功能、減少腸道微生物細(xì)菌分泌物的滲出、恢復(fù)小腸上皮細(xì)胞通透性以抑制有害菌生長(zhǎng)，共同調(diào)節(jié)腸道內(nèi)菌群平衡，具有促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)吸收保持腸道健康的作用，從而產(chǎn)生有利于宿主健康的單微生物或組成明確的混合微生物。許多研究表明，腸道微生物群通過(guò)“腸道微生物細(xì)菌分泌物”途徑，調(diào)節(jié)人類大腦的發(fā)育和行為及情緒變化[2, 4, 6]。臨床研究表明，以抑郁癥患者舉例，益生菌給予4周以上，大腦的正性情緒表達(dá)提高，大腦行為認(rèn)知活動(dòng)增強(qiáng)，益生菌在預(yù)防和治療自閉癥譜系障礙，阿爾茲海默病，帕金森病，抑郁癥和多發(fā)性硬化癥以及其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面具有較好療效[36]。在益生菌結(jié)合合生元對(duì)小鼠急性結(jié)腸炎炎癥和微生物群的影響實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，益生菌和合生元通過(guò)抑制有害菌屬的增殖，促進(jìn)有益菌屬(乳酸桿菌，雙歧桿菌等)數(shù)量和功能的恢復(fù)，對(duì)恢復(fù)腸道微生物菌群平衡狀態(tài)具有顯著作用[33-36]。益生菌和合生元可減輕小鼠急性結(jié)腸炎的炎癥反應(yīng)，減少某些有害菌分泌產(chǎn)物，通過(guò)腦-腸軸減少細(xì)菌分泌物對(duì)中樞神經(jīng)的毒害作用，進(jìn)而影響Toll樣受體的過(guò)度表達(dá)，減少腦內(nèi)β-淀粉樣蛋白沉積和神經(jīng)原纖維纏結(jié)(NFT)[37]。由此可知益生菌可恢復(fù)機(jī)體腸道微生物菌群的多樣性、增強(qiáng)機(jī)體正性情緒，在增強(qiáng)腦內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)方面具有積極作用。

4 飲食-腸道微生物-神經(jīng)系統(tǒng)

飲食的成分對(duì)腸道微生物的功能具有重要的影響，飲食模式在改變腸道微生物時(shí)，亦通過(guò)腸-腦軸，下丘腦-垂體-腎上腺軸等多種復(fù)雜方式影響大腦[2, 32]。在人類成年人菌群中厚壁菌門和擬桿菌屬占主導(dǎo)地位，放線菌，變形桿菌和疣狀微生物僅占生物體的2%[2]。有益菌大部分屬于費(fèi)氏桿菌，擬桿菌，優(yōu)桿菌，大腸桿菌和雙歧桿菌[32]。飲食中動(dòng)物蛋白和脂肪含量占比高會(huì)使腸道擬桿菌門豐富度降低，素食或單糖含量高的飲食有利于雙歧桿菌的生長(zhǎng)[33]。

飲食的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值對(duì)改變腸道微生物多樣性并非占據(jù)主導(dǎo)作用[34]。例如多酚是具有生物利用度的非營(yíng)養(yǎng)植物化合物，生理作用很大程度上取決于它們通過(guò)腸道菌群進(jìn)行轉(zhuǎn)化。因此，多酚會(huì)改變微生物的生長(zhǎng)模式。一個(gè)人的多酚成分飲食可能比大量營(yíng)養(yǎng)素飲食更有利于腸道微生物的穩(wěn)定[35]。據(jù)此，是否可以假設(shè)在我們的機(jī)體中存在將飲食-腸道微生物-神經(jīng)系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)改善包含AD在內(nèi)的相關(guān)神經(jīng)退行性疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的飲食，調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)腸道微生物菌群多樣性及分泌物的產(chǎn)生，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)防及治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的目的。Chen 等[38]在研究得出用弓狀魔芋提取物處理AD大鼠，可顯降低腦組織中Aβ1-40, Aβ1-42和乙酰膽堿酯酶的含量，使用AC治療可以顯著降低AD大鼠的氧化應(yīng)激水平。經(jīng)組織病理學(xué)分析表明，AC提取物可以減少大鼠腦組織中淀粉樣斑塊的形成。腦內(nèi)淀粉樣蛋白(Aβ)的積累與AD的早期發(fā)病機(jī)制有關(guān)[39]。

目前研究表明飲食對(duì)微生物組的影響，大部分集中在代謝與肥胖，糖尿病和心血管疾病有關(guān)的不良反應(yīng)疾病上，對(duì)飲食-微生物組-中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用機(jī)制的相關(guān)復(fù)雜性的研究，目前仍在不斷探索當(dāng)中。

綜上所述，查閱當(dāng)前有關(guān)文獻(xiàn)資料，結(jié)合腸道微生物細(xì)菌分泌物對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)CNS作用的同時(shí)再結(jié)合飲食習(xí)慣對(duì)腸道微生物的改變的基礎(chǔ)上提出飲食-腸道微生物-神經(jīng)系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)。歸根結(jié)底，人的腸道微生物構(gòu)成與出生時(shí)接觸的一系列細(xì)菌密切相關(guān)，而在此時(shí)也是幼兒大腦發(fā)育的重要時(shí)期。因此相關(guān)神經(jīng)退行性疾病的相關(guān)是否與飲食-腸道微生物-神經(jīng)系統(tǒng)這一網(wǎng)絡(luò)的起始聯(lián)系密切是我們尚不得知的。由于其中所包含的機(jī)制太過(guò)復(fù)雜，不可預(yù)知性與不可抗力的因素過(guò)多，目前尚不得知確切機(jī)制。但在腸道微生物的相關(guān)研究中不難發(fā)現(xiàn)，飲食習(xí)慣，腸道微生物，中樞神經(jīng)系統(tǒng)間必然存在著一條未曾探索過(guò)的“聯(lián)系線”，在以后的不斷研究探索中終將觸碰并理解這條“聯(lián)系線”，得出包含AD在內(nèi)的神經(jīng)退行性疾病的預(yù)防和治療策略。