孫百花,李年應(yīng),王 濤,吳 瓊,喬 晉*
(1西安市第三醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,西安 710018;2西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科;3陜西省森林工業(yè)職工醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科;4西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科;*通訊作者,E-mail:qiaojn123@163.com)
帕金森病(Parkinson disease,PD)是一種中老年人常見的慢性神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病,病理特征為黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元大量變性、脫失,神經(jīng)元α-突觸核蛋白(alpha synuclein,ɑ-SYN)沉積及路易小體(Lewy body,LB)形成[1]。中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)與胃腸道的腸神經(jīng)系統(tǒng)(enteric nervous system,ENS)和自主神經(jīng)系統(tǒng)(autonomic nervous system,ANS)之間存在雙向交流,近年來,研究發(fā)現(xiàn)腦-腸軸的相互作用受腸道菌群的調(diào)節(jié),腸道微生物通過神經(jīng)內(nèi)分泌、免疫、直接神經(jīng)機制影響大腦功能活動,并與PD患者運動癥狀及非運動癥狀有關(guān)[2]。有學(xué)者提出PD腸道起源學(xué)說,認為PD開始于腸道神經(jīng)元,并逐漸進展到CNS,進而造成黑質(zhì)紋狀體多巴胺能神經(jīng)元損傷,出現(xiàn)一系列運動及非運動癥狀[2,3]。國外很多研究[4-6]已證實PD患者腸道菌群組成與正常健康人群相比發(fā)生變化,且代謝功能影響腸道及CNS活動。但國內(nèi)對此方面研究較少,中國南方地區(qū)(廣東)對腸道菌群與PD方面有相關(guān)研究[7]。本研究旨在探索陜西地區(qū)PD患者腸道菌群變化與臨床表現(xiàn)之間的關(guān)系,希望能夠為PD病理生理機制提供科學(xué)依據(jù),對于PD治療提供新的思路。
根據(jù)入選、排除標準,連續(xù)收集2018年3月至2018年11月西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科門診及住院部就診的30例帕金森病患者糞便標本,并選取同期就診于西安交通大學(xué)第一附屬的健康體檢者或患者家屬22例作為對照組,對照組按年齡(±5歲)、性別及飲食習(xí)慣與病例組匹配。所有研究對象均取得知情同意。
1.1.1 病例組 納入標準:所有患者均符合2015年MDS臨床確診的或很可能的帕金森病診斷標準[8]。
排除標準:①排除繼發(fā)性帕金森綜合征,如外傷后、藥物性、腦炎后、血管性等;②排除帕金森疊加綜合征,如多系統(tǒng)萎縮、紋狀體黑質(zhì)變性、進行性核上性麻痹及額顳葉癡呆等;③排除因精神障礙、重度認知功能障礙等原因不能完成量表評定的患者;④排除合并急慢性胃腸道疾病或近1月服用激素、免疫抑制劑、抗生素及菌群調(diào)節(jié)劑者。
1.1.2 對照組 收集2018年3月至2018年11月期間在西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院就診的健康體檢者或患者家屬,所有對照組人群與病例組根據(jù)年齡(±5歲)、性別、飲食習(xí)慣相互配對。
采用統(tǒng)一的帕金森病評定量表(unified Parkinson’s disease rating scale,UPDRS)Ⅲ部分對運動癥狀進行評分;依據(jù)改良的Hoehn-Yahr(H-Y)分級標準進行臨床癥狀嚴重程度分期;采用非運動評價量表(non-motor symptom related scales,NMSS)評估非運動癥狀的程度及頻率;帕金森患者生活質(zhì)量問卷-39(PDQ-39)評定生活質(zhì)量;按照有無便秘將患者分為便秘組及非便秘組,按照羅馬Ⅲ功能性便秘的診斷標準評價便秘,Wexner評分評價便秘嚴重程度。
根據(jù)發(fā)病年齡分為早發(fā)組(≤50歲)及晚發(fā)組(>50歲)[9]。根據(jù)改良Hoehn-Yahr(H-Y)分期分為輕度組(1-1.5期)、中度組(2-2.5期)、重度組(3-4期)[10]。根據(jù)UPDRS評分量表第2部分第16項及第3部分第20,21項的平均分定義為震顫得分;UPDRS第2部分第5,7,12-15項及第3部分18-19,22-31項的平均分為非震顫得分。根據(jù)震顫得分/非震顫得分是否大于1,將運動癥狀分為2種亞型:震顫為主型(震顫得分/非震顫得分>1)和非震顫為主型(強直少動型,震顫得分/非震顫得分≤1)[11]。
①選擇一個干凈的蹲廁或馬桶,沖洗干凈,排便前先排盡尿液,然后在便池內(nèi)墊兩層干凈的衛(wèi)生紙;②將糞便排在鋪好的干凈紙巾上;③打開包裝,帶上一次性手套,取出采樣保護裝置(Loogsee糞便微生物基因組保護液套裝),旋開采集管,采集糞便團塊中心約1粒黃豆粒大小的糞便,將取好的糞便采樣桿插回管內(nèi),旋緊密封旋蓋;④手握采集管,在靠近易折桿側(cè)用拇指推壓盛液管中部,使盛液管中的桿子沿根部折斷,露出小孔,輕擠盛液管使保護液通過小孔流入裝有糞便的管內(nèi);⑤將盛液管中的液體全部擠入下端管中,輕輕晃動采集管,讓采樣頭凹槽中的大便樣本與采樣頭分離并與保護液充分混勻,使管內(nèi)液體呈懸濁狀;⑥將樣本保存于-80 ℃冰箱中。
根據(jù)原始序列(FASTQ格式)的barcodes信息(樣本唯一),運用QIIME2 demux插件對不同樣本的序列進行拆分[12]。將拆分后的序列,運用QIIME2 dada2插件進行質(zhì)控,修剪(參數(shù)為-p-trunc-len-f 290,-p-trunc-len-r 256,-p-trim-left-f 26,-p-trim-left-r 26),去噪,拼接,以及去除嵌合體后,得到了最終的sOTU(sub-operational-taxonomic-unit)[13]。接著,運用QIIME2 feature-classifier插件將sOTU的代表序列比對到預(yù)先訓(xùn)練好的13-8版本99%相似度的GREENGENES數(shù)據(jù)庫(根據(jù)338F/806R引物對將數(shù)據(jù)庫修剪到V3V4的區(qū)域),得到了物種的分類信息表[14]。之后用QIIME2 feature-table插件剔除了所有污染性的線粒體和葉綠體序列。接著用QIIME2 core-diversity插件計算多樣性矩陣,用emperor插件進行可視化[15]。最后,ANCOM, ANOVA, Kruskal Wallis, LEfSe和DEseq2的方法被用來鑒定分組和樣本間豐度有差異的細菌[16]。
選取2017年8月~2018年8月在我院治療的神經(jīng)內(nèi)科患者180例作為研究對象,將其隨機分為對照組與觀察組,各90例。其中,觀察組男52例,女38例,年齡45~78歲,平均年齡(63.47±5.25)歲,腦出血8例.腦梗死65例,肌萎縮側(cè)索硬化17例;對照組男50例,女40例,年齡45~79歲,平均年齡(63.52±5.16)歲,腦出血7例、腦梗死62例、肌萎縮側(cè)索硬化21例。兩組患者一般資料對比,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。所有患者及其家屬均知曉本次實驗的研究目的、方法和意義,自愿配合,且經(jīng)我院倫理委員會批準同意。
菌群分析,不同分組間菌群相對豐度差異檢驗使用LEfSe檢驗(非參數(shù)檢驗和線性判別分析的結(jié)合),線性判別分析log10LDA>2認為差異有統(tǒng)計學(xué)意義,P<0.05。α多樣性由observed-otu,shannon,faith’s phylogenetic diversity(faith-pd)及chao1等指數(shù)來評估,各個指數(shù)之間的比較采用Wilcox分析方法,P<0.05認為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。臨床表型數(shù)據(jù)與微生物之間相關(guān)性采用Spearman相關(guān)分析,P<0.05認為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
PD共30例,男20例,女10例,年齡(62.93±7.88)歲,體質(zhì)量指數(shù)BMI(23.51±2.53)kg/m2;健康對照組22人,男14人,女8人,年齡(62.59±7.90)歲;BMI(23.43±3.18)kg/m2,兩組間年齡、性別和BMI差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。
PD患者發(fā)病年齡(58.97±9.09)歲,病程(3.89±3.09)年,震顫型12例,非震顫型18例,H-Y分級1.75(1.5,2.0),UPDRS Ⅲ評分(16.27±8.16)分,左旋多巴劑量平均(440.48±215.13)mg/d,其中使用左旋多巴制劑21例,多巴胺受體激動劑13例,MAO-B抑制劑10例,金剛烷胺6例。伴發(fā)運動波動8例,異動癥3例;伴發(fā)便秘患者15例;早發(fā)型8例,晚發(fā)型22例。
2.2.1 測序數(shù)據(jù) 兩組52個樣本共2 455 309條可用序列,序列平均長度407 bp,對所有樣品全部的有效序列進行聚類/去噪,獲得2 634個可操作分類單元(operational taxonomic units,OTU)。選取OTU的代表性序列與核糖體RNA數(shù)據(jù)庫(GREENGENES Database 13-8版本,按99%序列相似性聚類)進行比對獲得物種注釋信息?;贠TU的絕對豐度及注釋信息,對每個樣品在一共7個分類水平種、屬、科、目、綱、門、界(Species,Genus, Family, Order, Class, Phylum,Kingdom)上的序列數(shù)目占總序列數(shù)的比例進行統(tǒng)計。
2.2.2 菌群多樣性分析 對某個樣品中物種多樣性的分析主要采用α多樣性分析,用observed-otus,chao1,shannon以及faith’s phylogenetic diversity(faith-pd)指數(shù)來評估樣本的物種多樣性。本研究發(fā)現(xiàn)PD患者相較于正常對照在faith-pd指數(shù)、chao1指數(shù)、observed-otus指數(shù)、shannon指數(shù)方面均增高,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.001 4,0.001 8,0.001 9,0.001 8)。結(jié)果顯示,與對照(control)組相比較,PD組在菌群豐度及多樣性方面均增高(見圖1)。
圖1 PD組與對照組α多樣性比較
表1 PD組與對照組在門水平細菌豐度比較
在科水平,雙歧桿菌科(Bifidobacteriaceae)、瘤胃菌科(Ruminococcaceae)、腸桿菌科(Enterobacteriaceae)、鏈球菌科(Streptococcaceae)、草酸桿菌科(Oxalobacteraceae)、醋酸桿菌科(Acetobacteraceae)、紅椿菌科(Coriobacteriaceae)、克里斯滕森菌科(Christensenellaceae)、組織菌科(Tissierellaceae)、紅螺菌科(Rhodospirillaceae)、叢毛單胞菌科(Co-mamonadaceae)和紫單胞菌科(Porphyromonadaceae)的豐度PD組明顯高于對照組(LEfSe檢驗,均P<0.05)。韋榮球菌科(Veillonellaceae)的豐度PD組明顯減低(LEfSe檢驗,P=0.031,見圖2)。
圖2 PD組與對照組在科水平菌群豐度比較
在屬水平,PD組卟啉菌屬(Porphyromonas)、雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)、乳酸菌屬(Lactococcus)、腸桿菌屬(Enterobacter)、顫螺菌屬(Oscillospira)、草酸桿菌(Oxalobacter),毛螺菌屬(Lachnospira)、腸球菌屬(Enterococcus)、脫硫弧菌(Desulfovibrio)、吉米菌屬(Gemmiger)、柯林斯氏菌屬(Collinsella)、丁酸弧菌屬(Butyricimonas)、另枝菌屬(Alistipes)和熒光桿菌屬(Odoribacter)的豐度明顯增高,而PD組光崗菌屬(Mitsuokella)豐度顯著減低(LEfSe檢驗,均P<0.05,見圖3)。
圖3 PD組與對照組在屬水平菌群豐度比較
2.2.4 腸道菌群與PD臨床表現(xiàn) 按照不同分類方法,對PD患者進行臨床分型,分別分析不同臨床表現(xiàn)中腸道菌群組成差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn),伴發(fā)便秘患者(15人)與非便秘患者(15人)、震顫型(12人)與非震顫型(18人)、早發(fā)型(8人)與晚發(fā)型(22人)、伴發(fā)運動并發(fā)癥(11人)與不伴發(fā)運動并發(fā)癥(19人)、男性(20人)與女性(10人)、經(jīng)藥物治療(24人)與未經(jīng)藥物治療(6人),不同臨床分型菌群α多樣性指數(shù)observed-otus、chao 1、shannon以及faith-pd均未見明顯差異(Wilcox檢驗,均P>0.05)。
2.2.5 腸道菌群與臨床特征相關(guān)關(guān)系 在門水平,厚壁菌門及放線菌門豐度與UPDRS Ⅲ評分、NMSS評分、Wexner評分、PDQ-39評分均呈正相關(guān);擬桿菌門豐度與UPDRS Ⅲ評分、NMSS評分、Wexner評分、PDQ-39評分均呈負相關(guān),與臨床分型、病程、H-Y分級、左旋多巴等效劑量等無明顯相關(guān)性(見表2)。
表2 門水平菌群豐度與臨床特征相關(guān)關(guān)系
在科水平,雙歧桿菌科、腸桿菌科及紫單胞菌科豐度與UPDRS Ⅲ評分、NMSS評分、PDQ-39評分均呈正相關(guān)正相關(guān)(P<0.05,見表3)。
表3 科水平菌群豐度與臨床特征相關(guān)關(guān)系
根據(jù)Braak病理分期,PD病變部位最早可能起始于嗅球及腸道肌間神經(jīng)叢。近年來研究發(fā)現(xiàn)PD的病理改變可能是通過腸道菌群波及腸道神經(jīng)系統(tǒng)。腸道菌群的改變導(dǎo)致α-突觸核蛋白(alpha synuclein,α-SYN)的錯誤折疊,這些病理性α-SYN通過肌間神經(jīng)叢被腸黏膜吸收進入腸道神經(jīng)叢,然后沿迷走神經(jīng)逆行傳入腦干及大腦,造成黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元損傷[17]。另外,腸道菌群通過產(chǎn)生與宿主神經(jīng)系統(tǒng)相互作用的激素和神經(jīng)遞質(zhì),如單胺類、γ-GABA、短鏈脂肪酸等,對宿主神經(jīng)活動產(chǎn)生直接影響,造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)膠質(zhì)細胞活化、促炎信號分子產(chǎn)生和氧化應(yīng)激等反應(yīng),這可能是導(dǎo)致PD神經(jīng)退行性變的重要機制[18]。
既往研究報道了腸道菌群與PD關(guān)系。Ali等[19]的研究發(fā)現(xiàn),PD患者中擬桿菌門、變形菌門及疣微菌門豐度明顯增高,而厚壁菌門豐度明顯減低,在屬水平,Akkermansia(疣微菌門,疣微菌綱)、顫螺菌屬(厚壁菌門,梭狀芽胞桿菌綱)、擬桿菌屬(擬桿菌門,擬桿菌綱)豐度明顯增高。在我們的研究中,發(fā)現(xiàn)部分門水平菌群變化與他們的研究結(jié)果相似,我們發(fā)現(xiàn)變形菌門相對豐度明顯增高,厚壁菌門、放線菌門豐度增高,而擬桿菌門豐度明顯減低,這與我國李悅等[20]的研究結(jié)果相似。在屬水平,顫螺菌屬、乳酸菌屬、雙歧桿菌屬豐度明顯增加。Hasegawa等[21]的研究發(fā)現(xiàn)PD患者乳酸菌明顯增高,且腸道菌群與左旋多巴及其他抗帕金森病藥物均未發(fā)現(xiàn)明顯相關(guān)性。乳酸菌豐度增高可造成腸道激素ghrelin水平減低,ghrelin可調(diào)節(jié)黑質(zhì)紋狀體多巴胺水平,亦可抑制PD神經(jīng)元變性。在PD患者中,可觀察到ghrelin分泌受損[22]。乳酸菌亦可調(diào)節(jié)腸道神經(jīng)元和迷走神經(jīng)傳入活動,從而影響細胞內(nèi)α-SYN的分泌。Scheperjans等[6]的研究發(fā)現(xiàn),PD患者普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)豐度減少了77.6%。Gabrielli等[23]的研究發(fā)現(xiàn),PD患者更易伴發(fā)小腸細菌過度增殖癥,PD伴發(fā)小腸細菌過度增殖癥患者非運動癥狀發(fā)生率增高,且普雷沃氏菌豐度減低。普雷沃氏菌是結(jié)腸的共生菌,不僅降低腸道黏膜層的植物多糖、黏蛋白及糖蛋白,也與免疫系統(tǒng)相互作用,它與短鏈脂肪酸的水平相關(guān),也與硫胺素及葉酸的生物合成相關(guān)。普雷沃氏菌減少導(dǎo)致腸道黏蛋白合成減少,黏膜通透性增高,局部或系統(tǒng)暴露于細菌毒素,導(dǎo)致結(jié)腸α-SYN表達增加[24]。但在我們的研究中發(fā)現(xiàn),PD患者中普雷沃氏菌科豐度減低,但差異無統(tǒng)計學(xué)意義。在中國南方Lin等[7]的研究中發(fā)現(xiàn),厚壁菌門豐度明顯減低,而擬桿菌門及疣微菌門豐度增加,但差異無統(tǒng)計學(xué)意義;在科水平,發(fā)現(xiàn)毛螺旋菌科豐度減低,韋榮球菌科、疣微菌科豐度增高。在趙程等[25]的研究中,擬桿菌門明顯減低,而放線菌門豐度明顯增高;在科水平,鏈球菌科及腸桿菌科在PD患者糞便中明顯增高。而在我們的研究中發(fā)現(xiàn),相較于正常對照組,PD組患者腸道菌群組成中毛螺旋菌科、腸桿菌科、鏈球菌科、雙歧桿菌科、瘤胃菌科、草酸桿菌科、醋酸桿菌科等豐度明顯增高,而韋榮球菌科豐度減低。我們的研究結(jié)果與國內(nèi)研究結(jié)果部分一致。
正常人體內(nèi)腸道微生物中占主導(dǎo)地位的是厚壁菌門和擬桿菌門,其次是放線菌門、變形菌門[26]。腸道菌群組成與不同地區(qū)飲食習(xí)慣差別有密切關(guān)系,在我們的研究中,患者大部分來源于陜西地區(qū),主食以面食為主者居多,且面食以小麥面為主,少部分患者主食以大米為主。有研究表明,食用全谷物為主的人相較于食用小麥及大米為主的人,腸道中雙歧桿菌的水平明顯增加,雙歧桿菌屬于放線菌門[27],而我們的研究結(jié)果中雙歧桿菌科豐度增高,這與飲食習(xí)慣導(dǎo)致菌群改變并不一致,因此我們結(jié)果中菌群改變并不是因飲食影響,而是由于疾病本身因素導(dǎo)致。另有研究表明,食魚肉等肉類為主的小鼠體內(nèi)擬桿菌門明顯增加而厚壁菌門數(shù)量明顯減低[27],中國南方飲食習(xí)慣以魚肉、海鮮類、稻米等居多,這可能是他們的研究結(jié)果與我們不同的一個原因?!案咛妓衔?、高脂”為西方常見的飲食模式,以高糖高脂飲食為主的小鼠體內(nèi)擬桿菌門明顯減少,而厚壁菌門的數(shù)量增加[27,28]。這與西方研究結(jié)果也不相符,所以,PD腸道菌群的組成及豐度的變化為疾病本身改變,非飲食習(xí)慣所致。
既往研究發(fā)現(xiàn),普雷沃氏菌與UPDRS Ⅲ評分相關(guān),臨床表型以姿勢步態(tài)異常為主的PD患者腸桿菌科的數(shù)量明顯多于震顫型患者,且腸桿菌科豐度與抗帕金森藥物COMT抑制劑有關(guān)[6]。Unger等[5]的研究中發(fā)現(xiàn),雙歧桿菌屬及腸桿菌科在PD患者豐度增高,但腸桿菌科與臨床表型亦未發(fā)現(xiàn)明顯相關(guān)性。但在我們的研究中,相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),在門水平,厚壁菌門、放線菌門,在科水平,腸桿菌科、雙歧桿菌科、紫單胞菌科豐度與UPDRS Ⅲ、NMSS、PDQ-39評分呈正相關(guān),但與臨床表型、病程、病情嚴重程度等未發(fā)現(xiàn)明顯相關(guān)性。并且在我們的研究中,服用COMT抑制劑患者只有2例,遂未分析菌群與藥物關(guān)系,未服用抗帕金森藥物的患者僅有6例,研究未發(fā)現(xiàn)菌群組成與左旋多巴之間的關(guān)系。有研究表明,早發(fā)型患者中梭桿菌門明顯增高,健康人群中,梭桿菌門含量極少,梭桿菌與腸道黏膜屏障改變及細胞代謝有明顯關(guān)聯(lián)。我們的研究中未發(fā)現(xiàn)早發(fā)型及晚發(fā)型PD患者腸道菌群α及β多樣性之間差異。有研究表明,PD的嚴重程度和病程與腸道菌群具有明顯相關(guān)性,毛螺旋菌科與PD病程呈負相關(guān)性,此菌科包含多種產(chǎn)丁酸菌,產(chǎn)丁酸菌的豐度減低,可引起丁酸鹽(短鏈脂肪酸中一種)含量減低,短鏈脂肪酸可引起腸道通透性增加,促進腸道炎癥反應(yīng)[24]。對PD患者及正常人糞便中短鏈脂肪酸水平進行定量研究,發(fā)現(xiàn)PD患者糞便樣品中乙酸、丙酸和丁酸的絕對濃度顯著下降,丁酸鹽的濃度相對減少,且應(yīng)用恩他卡朋與丁酸濃度呈負相關(guān)[5]。Forsyth等[24]報告PD患者糞便中大腸桿菌(腸桿菌科中一種)含量增加,大腸桿菌可導(dǎo)致腸道屏障功能受損,腸黏膜通透性增加,使腸道神經(jīng)系統(tǒng)更容易與病原接觸。我們的研究雖沒有發(fā)現(xiàn)PD患者中大腸桿菌水平增高,但發(fā)現(xiàn)腸桿菌科水平增高。在我們的研究中,可能由于研究樣本數(shù)量較少,某些菌群變化與既往研究不相符,且在不同臨床表現(xiàn)分型與腸道菌群組成單因素分析中,不同臨床表現(xiàn)的分型數(shù)量少,未發(fā)現(xiàn)明顯有意義的菌群差異,在相關(guān)性研究中雖發(fā)現(xiàn)某些菌群與UPDRS Ⅲ評分、NMSS評分及Wexner評分等相關(guān),但相關(guān)系數(shù)低,需要擴大樣本量進一步研究。
糞便菌群移植(fecal microbiota transplantation,FMT)作為一種新型的改善腸道微生物群態(tài)的手段。通過收集正常健康人群糞便,通過灌腸、結(jié)腸鏡等方法移植于患者低位或高位腸道內(nèi),重建患者腸道菌群,從而治療各種胃腸道疾病及胃腸外疾病。目前已有在臨床中關(guān)于糞便菌群移植應(yīng)用于頑固型便秘、炎癥性腸病、腸易激綜合征、肥胖等疾病治療成功的案例。隨著對“腦—腸—微生物軸”認識的進展,糞便移植應(yīng)用于PD、多發(fā)性硬化、阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病仍在進行探索[29]。但因糞便移植健康標本等的篩選、制備及移植方式等尚未有統(tǒng)一結(jié)論,且循證依據(jù)不足,限制了糞便移植在臨床中的應(yīng)用。未來可能需要更多的研究支持這方面結(jié)論,為PD治療提供一種新的思路。