糞菌移植治療神經(jīng)退行性疾病研究進(jìn)展

黃璐 馮美江

神經(jīng)退行性疾病(neurodegenerative diseases，NDs)是一組病因不明的慢性進(jìn)行性神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，主要包括AD、PD、肌萎縮性側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)、亨廷頓病(Huntington’s disease，HD)等，老年人常見，隨病程進(jìn)展出現(xiàn)功能障礙，表現(xiàn)為運動、認(rèn)知、記憶功能的喪失。常見的危險因素包括遺傳易感性、氧化應(yīng)激、生理創(chuàng)傷等[1-3]。研究表明，NDs的發(fā)生、發(fā)展常伴隨著蛋白質(zhì)異構(gòu)體的出現(xiàn)，包括神經(jīng)原纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles，NFTs)、Pick小體中的tau蛋白、Lewy小體中的α-突觸核蛋白(α-synuclein，α-Syn)、神經(jīng)元胞質(zhì)和神經(jīng)元核內(nèi)包涵體中的Tar DNA結(jié)合蛋白43(Tar DNA binding protein 43，TDP-43)，而且可能會沿著解剖學(xué)上連接的途徑在細(xì)胞之間傳播[4]。

研究發(fā)現(xiàn)，腸道和大腦之間存在著密切的聯(lián)系，NDs常伴隨著腸道微生態(tài)失調(diào)，調(diào)節(jié)腸道菌群可有效預(yù)防或改善神經(jīng)退行性變。證據(jù)表明，腸道菌群通過直接和間接途徑與中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)和腸道神經(jīng)系統(tǒng)(enteric nervous system，ENS)保持雙向相互作用，這些途徑涉及內(nèi)分泌(下丘腦-垂體-腎上腺軸)，免疫(趨化因子、細(xì)胞因子)，自主神經(jīng)系統(tǒng)(autonomic nervous system，ANS)和腸神經(jīng)系統(tǒng)，共同形成微生物-腸-腦(microbiota-gut-brain，MGB)軸[5]。

糞菌移植(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT)作為重建腸道菌群最有效的措施，最早起源于1700年前[6]，近年來受到臨床的廣泛關(guān)注。糞菌的制備基于智能糞菌分離系統(tǒng)(GenFMTer)，通過多級微濾和反復(fù)離心洗滌實現(xiàn)菌群的富集和純化，結(jié)合高效的臨床、實驗室配合，最終輸注至病人體內(nèi)或制備成凍存糞菌。將以上過程控制在1 h內(nèi)，又被稱為“糞菌移植一小時方案”(one-hour FMT protol)[7]。糞菌的給入途徑分為經(jīng)上消化道、中消化道、下消化道3種途徑。上消化道途徑主要指口服菌液、口服菌群膠囊；中消化道途徑包括胃鏡、鼻腸管、胃鏡鉗道孔、經(jīng)皮內(nèi)鏡下胃造瘺，以及經(jīng)內(nèi)鏡腸道植管術(shù)(transendoscopic enteral tubing，TET)等；下消化道途徑包括結(jié)腸鏡、灌腸、結(jié)腸途徑TET等。FMT最有效和研究最充分的適應(yīng)證是復(fù)發(fā)性艱難梭菌感染[8]。除在治療腸易激綜合征、炎癥性腸病等胃腸道疾病中取得不俗成就外，F(xiàn)MT在治療自閉癥、多發(fā)性硬化、PD、癲癇、糖尿病神經(jīng)病變、抽動穢語綜合征的臨床和動物模型研究中也顯示有益[9]。本文就FMT治療NDs的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 FMT與AD

AD是最常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，其臨床表現(xiàn)為進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙和記憶障礙，是癡呆最常見的形式。目前全球有4700 萬AD病人，預(yù)計到 2050 年將高達(dá) 1.31 億[10]。由于AD發(fā)病率高，加上缺乏有效的治療藥物，其預(yù)后不良，給家庭和社會帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和精神負(fù)擔(dān)。AD的主要病理特征為由β-淀粉樣蛋白(β-amyloid ，Aβ)聚集的細(xì)胞外神經(jīng)炎性斑和由過度磷酸化的tau蛋白聚集的神經(jīng)元內(nèi)NFTs[11]。目前關(guān)于AD發(fā)病機(jī)制的主流觀點是，Aβ的改變加速了疾病的進(jìn)程，并引發(fā)了一系列涉及tau病理和神經(jīng)退行性變的級聯(lián)反應(yīng)，被稱為淀粉樣蛋白級聯(lián)假說[12]。然而，鑒于許多旨在降低Aβ或tau磷酸化的臨床試驗的失敗，不少研究者提出對此假說的質(zhì)疑。正電子發(fā)射計算機(jī)斷層掃描(positron emission tomography，PET)發(fā)現(xiàn)Aβ和tau病理最初開始于不同的大腦區(qū)域，提示在新皮質(zhì)中可能存在驅(qū)動tau和Aβ病理的共享上游過程，包括：膽固醇代謝、細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運和小膠質(zhì)細(xì)胞免疫激活等，這被稱為雙級聯(lián)假說[13-14]。

不同腸道微生物構(gòu)成可以影響腦β-淀粉樣變性病的發(fā)展。Harach等[15]采用16S rRNA基因測序分析, 比較轉(zhuǎn)基因APP/PS1小鼠和年齡匹配的健康野生型(wild type, WT)小鼠腸道微生物區(qū)系組成的差異，研究發(fā)現(xiàn)，與WT組相比，APP/PS1小鼠的厚壁菌(firmicutes)、疣微菌(verrucomicrobia)、變形桿菌(proteobacteria)、放線菌(actinobacteria)的水平降低，而擬桿菌(bacteroidetes)和軟壁菌(tenericutes)水平增加。此外，通過建立無菌的APP/PS1小鼠模型，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)飼養(yǎng)的APP/PS1小鼠相比，無菌APP/PS1小鼠大腦中的Aβ顯著減少。但無菌APP/PS1小鼠如果移植了老年鼠或常規(guī)飼養(yǎng)的APP/PS1小鼠的腸道微生物，其大腦Aβ水平則明顯提高。Zhan等[16]研究發(fā)現(xiàn)，快速老化小鼠SAMP8的認(rèn)知功能顯著降低，與抗衰老小鼠SAMR1相比，SAMP8小鼠腸道26種細(xì)菌在6個系統(tǒng)發(fā)育水平(門、綱、目等)的相對豐度顯著降低，而類桿菌相對豐度明顯增加，α多樣性也顯著降低。這些結(jié)果表明，SAMP8小鼠的認(rèn)知功能障礙與腸道微生物區(qū)系的異常組成有關(guān)。在后續(xù)研究中，Zhan及其同事用大量抗生素構(gòu)建偽無菌小鼠，將SAMP8或SAMR1小鼠的糞便細(xì)菌移植到偽無菌小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)移植SAMR1小鼠的微生物區(qū)系能明顯改善偽無菌小鼠的認(rèn)知功能受損，這表明腸道微生物區(qū)系與認(rèn)知功能之間存在一定的因果聯(lián)系。Kim等[17]研究發(fā)現(xiàn)，長期、多次移植健康WT小鼠的糞便微生物群可以減輕ADLPAPT這種AD轉(zhuǎn)基因模式小鼠的Aβ沉積、tau過度磷酸化、反應(yīng)性膠質(zhì)增生和記憶障礙。有趣的是，長期將健康糞便微生物群移植給ADLPAPT小鼠，能使其腸道巨噬細(xì)胞活性和循環(huán)血Ly6chi單核細(xì)胞數(shù)量恢復(fù)到與WT小鼠相似的水平。遺憾的是，目前尚未有關(guān)于AD病人FMT的臨床研究報道，但ClinicalTrials.gov顯示，在AD病人中正在進(jìn)行FMT的隨機(jī)對照試驗。

2 FMT與PD

PD是第二種常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，我國65歲以上人群PD患病率約為1.7%，預(yù)計患病人數(shù)在2030年將高達(dá)500萬。PD臨床上以運動癥狀為主，包括靜止震顫、肌肉強(qiáng)直、運動遲緩和姿勢平衡障礙，非運動癥狀包括認(rèn)知功能障礙、自主神經(jīng)功能障礙、嗅覺減退、胃腸道功能障礙等。其中便秘、快速眼動(rapid eye movement，REM)、睡眠行為障礙等被認(rèn)為可能是PD最早的疾病表現(xiàn)[18]。目前PD以藥物治療為主，近年來神經(jīng)核毀損術(shù)和腦深部電刺激療法(deep brain stimulation, DBS)也引起了臨床的高度重視[19]。PD病理學(xué)特征以黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元減少和α-Syn異常聚集為主。在PD病人的大腦皮層下核、皮質(zhì)區(qū)、脊髓、外周和腸神經(jīng)系統(tǒng)均存在Lewy小體，它主要由α-Syn、親核蛋白-1(synophin-1)和泛素組成。有研究報道，Lewy小體首先出現(xiàn)在外周[20]；致病的α-Syn可以沿迷走神經(jīng)傳播到大腦；迷走神經(jīng)干切斷術(shù)可降低隨后PD的患病風(fēng)險[21]，提示迷走神經(jīng)在腸與腦之間發(fā)揮了橋梁作用，MGB軸參與了PD的發(fā)生與發(fā)展[22]。

研究表明，PD常伴隨著腸道微生物區(qū)系失調(diào)和微生物代謝產(chǎn)物的改變。Hasegawa等[23]對PD病人糞便進(jìn)行16S rRNA基因測序，結(jié)果顯示糞便樣本中乳桿菌(lactobacillus)數(shù)量較多，普氏桿菌(prevotella)、球狀梭菌(clostridium coccoides)和脆弱類桿菌(bacteroides fragilis)水平較低，而低水平的普氏桿菌被認(rèn)為與脂多糖結(jié)合蛋白(lipopolysaccharide-binding protein，LBP)合成減少、腸道通透性增加相關(guān)。另一項研究顯示，在1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶(MPTP)誘導(dǎo)的PD小鼠的糞便樣本中，發(fā)現(xiàn)了厚壁菌(firmicutes)和梭狀芽孢桿菌目(enterobacteriales)減少，而變形桿菌、圖里氏菌目(turicibacales)和腸桿菌目(enterobacteriales)增加[24]。雖然目前還不清楚哪種微生物群可以改善PD的癥狀，但是FMT作為改變腸道菌群區(qū)系的一項新興技術(shù)，發(fā)現(xiàn)其在改善PD小鼠和PD病人的癥狀和病理方面是有益的。Sampson等[25]建立了過表達(dá)人α-syn(ASO)的轉(zhuǎn)基因小鼠模型，發(fā)現(xiàn)ASO小鼠表現(xiàn)出α-syn包涵體、運動障礙和較少的小膠質(zhì)細(xì)胞激活；與健康對照組相比，移植了PD微生物群的ASO小鼠表現(xiàn)出更嚴(yán)重的PD癥狀。Sun等[24]發(fā)現(xiàn), 與對照組相比，接受FMT后PD小鼠運動功能障礙明顯改善，腦神經(jīng)遞質(zhì)增加，腦多巴胺能神經(jīng)元增加，微生物群組成接近正常, 提示FMT不僅改善了PD小鼠的腸道菌群，同時具有一定的神經(jīng)保護(hù)作用。Huang等[26]首次將FMT應(yīng)用于治療PD病人，在FMT治療后1周，病人腿部震顫幾乎消失，帕金森綜合評分量表(UPDRS)、便秘病人生存質(zhì)量量表(PAC-QOL)和Wexner便秘評分均顯著下降，但治療效果隨著時間的推移逐漸減弱。Xue等[27]對10例 PD病人實施結(jié)腸鏡下FMT(結(jié)腸鏡FMT組)，另5例 病人實施經(jīng)鼻-空腸管FMT(鼻腸FMT組)，發(fā)現(xiàn)在接受FMT治療后1個月和3個月時，F(xiàn)MT病人的匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)(PSQI)、漢密爾頓抑郁量表(HAMD)、漢密爾頓焦慮量表(HAMA)、人格診斷問卷(PDQ-39)、非運動癥狀問卷(NMSQ)、統(tǒng)一帕金森病評定量表(UPDRSⅢ)評分均顯著降低，且結(jié)腸FMT組療效明顯優(yōu)于鼻腸FMT組。

3 FMT與ALS

ALS是一種致命的NDs，其特征在于進(jìn)行性肌肉麻痹，與運動皮層、腦干和脊髓中運動神經(jīng)元的變性相關(guān)。大多數(shù)病人因呼吸麻痹而在3～5年內(nèi)死亡。ALS的致病機(jī)制仍不清楚，目前認(rèn)為可能涉及到蛋白質(zhì)錯誤折疊、SOD1突變介導(dǎo)的毒性、細(xì)胞骨架受損、RNA加工異常、線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激增加、興奮性毒性增強(qiáng)、神經(jīng)營養(yǎng)支持減少、膠質(zhì)細(xì)胞炎癥等[28]。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，ALS病人的微生物區(qū)系的變化可能與其發(fā)病機(jī)制有關(guān)。ALS病人糞便基因測序的結(jié)果提示，梭狀芽孢桿菌(clostridium )和酵母菌(yeast)的豐度較低，而大腸桿菌(e.coli)和腸桿菌的豐度較高[29]。研究表明，SOD1G93A轉(zhuǎn)基因ALS小鼠的生命早期常出現(xiàn)腸道微生物環(huán)境的改變，隨后出現(xiàn)運動功能障礙和肌肉萎縮，以及免疫細(xì)胞的增殖和激活[30]，提示腸道微生物組可能參與了ALS的發(fā)生與發(fā)展，并與免疫系統(tǒng)有著密切的聯(lián)系。Wu等[31]發(fā)現(xiàn)此類轉(zhuǎn)基因小鼠出現(xiàn)腸道結(jié)構(gòu)受損、腸道通透性增加，伴隨潘氏細(xì)胞數(shù)量異常和功能改變。研究表明，與ALS相關(guān)聯(lián)的C9ORF72基因中的六核苷酸重復(fù)(GGGGCC)擴(kuò)增是導(dǎo)致ALS的最常見遺傳變異，而FMT可以預(yù)防C9ORF72突變小鼠的炎癥和自身免疫性疾病，降低其過早死亡風(fēng)險[32]。2019年Mandrioli等[33]設(shè)計了一項FMT治療ALS的隨機(jī)臨床試驗，旨在通過對免疫細(xì)胞群、細(xì)胞因子水平和微生物群(腸道、糞便和唾液)的分析以揭示ALS的早期進(jìn)展過程，并觀察FMT對T淋巴細(xì)胞數(shù)量及功能的影響，但目前尚未見該項試驗的詳細(xì)研究結(jié)果報道。

4 結(jié)語

研究證實，NDs如AD、PD、ALS病人或動物常伴隨著明顯的腸道微生物區(qū)系改變和菌群失調(diào)，而FMT通過重建腸道微生態(tài)平衡影響NDs的發(fā)生和進(jìn)展。盡管目前尚未見FMT治療HD的研究報道，但相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)HD病人同樣存在腸道微生態(tài)失調(diào)[34]。因此，F(xiàn)MT可能為NDs的治療提供了一種新的治療策略。但FMT應(yīng)用于NDs的臨床治療實踐仍有很長的路要走。MGB軸在NDs中是如何發(fā)揮作用的？不同的NDs其腸道微生物區(qū)系的特點如何？FMT理想的治療時機(jī)、治療途徑如何選擇？FMT治療NDs的安全性如何保證？這些問題都有待今后進(jìn)行深入細(xì)致的研究來回答,但FMT無疑為NDs這類頑疾的治療帶來了新的希望。