腸道微生物群誘發(fā)炎癥導致阿爾茨海默病的研究進展*

果彤 陳麗

阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）是一種起病隱匿的中樞神經系統(tǒng)退行性疾病，多發(fā)于老年人，主要表現(xiàn)為進行性認知障礙與記憶力下降，最終導致患者生活自理能力的喪失。隨著老齡化社會的到來，AD已經成為一個重大的世界性公共衛(wèi)生問題。

AD的典型病理特征包括神經元胞外β淀粉樣蛋白（amyloid β protein，Aβ）沉積形成老年斑與胞內Tau蛋白過度磷酸化導致神經原纖維纏結（neurofibrillary tangles，NFT）[1]。截至目前，AD的發(fā)病機制尚不明確，眾多理論中普遍為人所接受的是Aβ級聯(lián)假說。同時近年來，AD的炎癥驅動假說也日益受到關注，并被越來越多的實驗證實。然而，目前對導致AD患者炎癥發(fā)生的機制并不清楚，現(xiàn)對近年來腸道微生物誘發(fā)炎癥導致AD的相關研究進展予以綜述。

1 腸道微生物群概述

人類腸道微生物群是指寄居在人體腸道內的微生物系統(tǒng)，由細菌、古細菌、病毒等成分組成，其中99%為厭氧菌[2]。作為人體最大的微生物群，腸道微生物種類繁多，可達1 000余種，且數量巨大（1013～1014），與人體細胞總數的估計值[（3 ～4）×1013]相當[3]。

在正常生理條件下，腸道微生物群與人體形成互利共生的關系，在促進營養(yǎng)物質吸收、維生素合成與維持免疫系統(tǒng)正常功能等方面發(fā)揮了重要作用[4]。人體腸道微生物群組成的變化與宿主年齡的增長密切相關。新生兒與哺乳期嬰兒的腸道微生物組成受分娩方式與飲食影響較大，具有較高的動態(tài)性；至2.5歲左右，其組成與功能即與成人相似，并保持長期的相對穩(wěn)定狀態(tài)[5]。隨著年齡的進一步增長，特別是步入老年后，人體腸道微生物群的多樣性開始降低，個體差異增加，而這與多種老年性疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關[6]。

2 腸道微生物誘發(fā)炎癥導致AD

截至目前，AD的發(fā)病機制尚不明確，其中占主導地位的理論是Aβ級聯(lián)假說。然而近年來，隨著研究的不斷深入，越來越多的研究結果與Aβ級聯(lián)假說這一傳統(tǒng)觀點相矛盾——Aβ沉積與AD的臨床表現(xiàn)并無直接關聯(lián)[7]。一方面，許多AD患者大腦中并沒有Aβ沉積，另一方面，無癡呆癥狀的老年人大腦中也出現(xiàn)了與AD患者相當數量的老年斑[8]。此外，清除AD患者大腦中Aβ的治療方法并不能改善其認知能力。如，Honig等[9]給予輕度AD患者茄尼醇單抗（用于清除其大腦中的可溶性Aβ）400 mg，每4周給藥一次，持續(xù)76周后發(fā)現(xiàn)，茄尼醇單抗對AD患者認知能力無顯著改善作用。Jansen等[10]通過分析非癡呆患者大腦淀粉樣病變的發(fā)生率，發(fā)現(xiàn)在認知能力正常的參與者中，大腦淀粉樣變的發(fā)生率從50歲時的10%增加到90歲時的44%。由此推測，Aβ沉積只是一個與年齡增長相關的現(xiàn)象，與AD的發(fā)生沒有必然聯(lián)系[7]。

與此同時，AD的炎癥假說日益受到重視。有學者認為，AD是一種系統(tǒng)性的全身疾病，它與CNS的神經炎癥和外周炎癥反應均有關聯(lián)，且該關聯(lián)性主要由小膠質細胞和星形膠質細胞的活化及炎性因子的過度產生介導[11]。更重要的是，在老年斑出現(xiàn)前的許多年，大腦的炎癥反應就已經有所表現(xiàn)[12]。由此推測，腦內Aβ的沉積的地位可能與AD類似——只是由炎癥反應引起的癥狀之一，而非引起AD的原因。

2.1 炎癥與AD的相關性

整體來看，炎癥反應對AD發(fā)生發(fā)展的影響具有兩面性，具體效應取決于炎癥反應的強度與持續(xù)時間。一方面，急性、自限性的神經炎癥反應對CNS具有保護作用。如，在正常生理條件下，小膠質細胞與大腦神經元相互作用，適時引起炎癥反應，吞噬Aβ，維持大腦穩(wěn)態(tài)；當神經元發(fā)生病理性改變時，小膠質細胞還可參與神經元的修復[13]。再如，自限性神經炎癥可以通過加強神經自噬作用，發(fā)揮對CNS的保護作用。NFT由Tau蛋白過度磷酸化形成，是AD的重要病理特征。異常磷酸化的Tau蛋白可阻礙微管蛋白的正常組裝，導致神經元細胞骨架結構異常甚至死亡[14]。Qin等[15]發(fā)現(xiàn)慢性、輕度的TLR4激活通過誘發(fā)自限性神經炎癥反應，增強了神經自噬作用，從而減緩了Tau蛋白的異常磷酸化進程并改善了小鼠的認知功能。另一方面，慢性炎癥反應在AD的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要的促進作用。隨著年齡的增加，人體血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）功能下降，病原體（如細菌、真菌、病毒等）、免疫細胞及其產物進入大腦，使小膠質細胞處于持續(xù)性激活狀態(tài)，過度表達促炎細胞因子（如IL-1β、IL-6與TNF-α），從而導致慢性炎癥，引發(fā)大腦損傷與神經元死亡，造成包含AD在內的神經退行性病變[16]。如，Liu等[17]通過測定APP/PS1轉基因小鼠體內小膠質細胞活化程度與炎癥相關細胞因子的水平，證實其體內小膠質細胞活化程度增加與IL-1β、TNF-α與iNOS表達水平升高存在因果關系。

2.2 腸道微生物誘發(fā)炎癥導致AD的機制

隨著年齡的增長，人體腸道微生物群的多樣性明顯降低，以厚壁菌門與擬桿菌門最為顯著[18]。Cattaneo等[19]測定了AD患者糞便中炎癥相關腸道微生物的豐度與血液中促炎細胞因子的表達水平，發(fā)現(xiàn)其腸道內促炎性埃希菌/志賀菌的豐度增加，血清促炎細胞因子水平明顯升高，而抗炎性菌群豐度明顯降低。類似的研究，Chen等[20]通過比較不同年齡的APP/PS1轉基因小鼠與對照組的腸道微生物組成，發(fā)現(xiàn)在CNS出現(xiàn)明顯的淀粉樣變與小膠質細胞活化之前，兩組小鼠腸道內炎癥相關菌屬的豐度即發(fā)生顯著差異：其中促炎性埃希菌/志賀菌、脫硫弧菌與布勞特氏菌的豐度增加，而抗炎性艾克曼菌豐度降低。上述實驗表明，腸道微生物群誘發(fā)炎癥與AD存在關聯(lián)。以下從三個方面分別介紹腸道微生物通過小膠質細胞、腸上皮屏障與代謝產物途徑誘發(fā)炎癥從而導致AD的機制。

2.2.1 小膠質細胞途徑 小膠質細胞是單核吞噬細胞系統(tǒng)中的先天性免疫細胞，在維持內環(huán)境穩(wěn)定和參與神經修復方面發(fā)揮重要作用[21]。正常生理條件下，在受到外界刺激時，小膠質細胞會進入活化狀態(tài)，根據其目前已明確的功能和標志物的不同，活化的小膠質細胞可分為M1與M2兩個亞型。現(xiàn)有研究結果表明：M1型小膠質細胞主要參與抗原呈遞與病原體的清除，具有促炎作用，而M2型小膠質細胞傾向于表達IL-10、幾丁質酶-3樣蛋白等物質以抑制炎癥反應，促進損傷修復[22]。適度的小膠質細胞活化有利于清除壞死神經元與病原體，從而維持神經系統(tǒng)微環(huán)境的相對穩(wěn)定；而當小膠質細胞過度活化時，M1型活化繼續(xù)增強，而M2亞型活化程度下降，導致小膠質細胞整體向M1亞型極化，后者會產生IL-1β、IL-6與TNF-α等炎性因子，加劇神經炎癥反應[23]。而腸道微生物群可通過腸-腦軸、代謝產物等多種途徑影響小膠質細胞的功能。如，Wang等[24]向實驗組小鼠的飲水中加入Mn2+（200 mg/L），持續(xù)5周后發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，實驗組小鼠腸道微生物組成改變，血液中IL-10等抗炎因子水平下降，而IL-6、NF-κB、IFN-γ等炎性因子水平升高，由此引發(fā)腦中COX-2、iNOS、NF-κB與TNF-α的基因表達量增加，表現(xiàn)為外周及中樞神經系統(tǒng)炎癥反應和小膠質細胞異?；罨M而出現(xiàn)進行性運動功能損害?？梢?，腸道微生物群可通過影響小膠質細胞的活化程度誘發(fā)體內炎癥反應，從而導致AD的發(fā)生。

2.2.2 腸上皮屏障途徑 腸上皮屏障（intestinal epithelial barrier，IEB）是指由腸道上皮與固有層通過緊密連接蛋白組成的屏障體系，在營養(yǎng)物質吸收、防止病原體等促炎物質進入黏膜組織與循環(huán)系統(tǒng)方面發(fā)揮重要作用。人體腸道微生物群組成的改變可影響IEB的緊密程度，加之衰老過程中其通透性增高和功能下降，病原體等有害物質可進入血液循環(huán)，從而引發(fā)包括腸道炎癥反應在內的外周炎癥反應，進而導致CNS炎癥反應，加劇神經退行性病變。如，Shi等[25]連續(xù)14 d給予實驗組小鼠常規(guī)治療劑量的氨芐青霉素，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，實驗組小鼠的腸道微生物組成發(fā)生明顯變化，腸上皮屏障通透性增加，其中結腸部緊密連接蛋白ZO-1與閉鎖蛋白的表達量僅為對照組水平的一半；同時，體內 IFN-γ、NF-κB、MCP-1與 REGIIIγ等免疫標志物水平顯著升高，提示機體出現(xiàn)免疫炎癥反應。再如，已知艾克曼菌可增加IEB的緊密程度，在健康人腸道內豐度較高（約3%）[26]，但隨著機體年齡增長，其豐度逐漸降低。而Lugt等[27]通過持續(xù)10周給予Ercc1-/Δ7小鼠一定劑量的艾克曼菌（口服灌胃），發(fā)現(xiàn)實驗組較對照組小鼠結腸黏液層厚度增加約3倍，甚至較補充植物乳桿菌WCFS1小鼠的黏膜層更厚，且免疫炎癥反應明顯減輕，B細胞表達量明顯減少。因此，該結果在表明腸道艾克曼菌可改善腸上皮屏障功能的同時，結合上文慢性炎癥對AD的促進作用，也佐證了腸道微生物可通過腸上皮屏障途徑誘發(fā)炎癥，從而促進AD的發(fā)生發(fā)展過程。又如，Leblhuber等[28]通過測定22名AD患者的糞便鈣衛(wèi)蛋白含量，發(fā)現(xiàn)其中16名患者的糞便鈣衛(wèi)蛋白濃度高于正常值，而這與腸上皮屏障的功能紊亂有關。但截至目前，仍然缺少較為具體的、AD患者腸上皮屏障形態(tài)與功能改變的直接實驗證據，如果未來得到補充，將進一步論證腸上皮屏障途徑誘發(fā)炎癥導致AD的結論。

2.2.3 代謝產物途徑 與炎癥和AD的關系類似，腸道微生物群的代謝產物對炎癥反應的影響同樣表現(xiàn)出兩面性。一方面，腸道微生物群可產生一系列降低腸上皮屏障緊密程度的化合物，進而導致其他代謝產物與有害物質進入循環(huán)系統(tǒng)，損傷BBB并促進神經炎癥反應，最終導致神經退行性病變。隨著年齡的增加，人體腸道內葡萄球菌、藍細菌及部分革蘭陰性菌（如大腸桿菌）的數量增加，導致其釋放更多包括IL-1、IL-6與TNF-α等在內的炎性因子與LPS，打破了原有的促炎-抗炎平衡，引發(fā)機體炎癥反應，推動神經退行性病變的發(fā)生發(fā)展[29]。如，Agostini等[30]向4.5月齡的APP/PS1小鼠與對照組體內注射LPS（100 μg/kg），4 h后測定其血液中炎癥相關細胞因子的水平并評估其行為改變情況，發(fā)現(xiàn)兩組小鼠血清中IL-6水平顯著升高，洞藏食物的行為減少，空間探索能力明顯下降。另一方面，腸道微生物的部分代謝產物展現(xiàn)出強大的抗炎作用。腸道微生物群中雙歧桿菌、丙酸桿菌、擬桿菌等可降解未被消化的糖類，并產生短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs），主要包括乙酸鹽、丙酸鹽與丁酸鹽。研究表明，SCFAs在維持IEB正常功能與抗炎方面發(fā)揮重要作用。具體來說，丁酸鹽可以增加腸上皮黏液的分泌和緊密連接蛋白（如緊密連接蛋白、閉鎖蛋白）的表達，從而降低IEB的通透性[31]。Neufeld等[32]的研究發(fā)現(xiàn)，無菌（germ-free，GF）小鼠體內具有調節(jié)屏障功能的緊密連接蛋白表達量降低，導致其BBB對大分子物質的滲透性增加。若將SCFAs注入GF小鼠腸道內，其小膠質細胞發(fā)育狀況與BBB通透性均有明顯改善。在抗炎方面，SCFAs可經由游離脂肪酸受體2/3（free fatty acid receptor 2 and 3，F(xiàn)FAR2/3）或THP-1細胞介導，調控相關促炎與抗炎因子的表達。Wenzel等[33]通過體外實驗證明，由乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽、戊酸鹽與甲酸鹽（16∶8∶8∶1∶1）五種SCFAs組成的高濃度（500 μM）混合物可顯著 降 低 THP-1細 胞 MCP-1、IL-1β 與 TNF-α 的產生量，其中五種SCFA均可單獨抑制MCP-1的表達，除丙酸鹽外的四種SCFA可抑制IL-1β的表達，而丙酸鹽、戊酸鹽與甲酸鹽可抑制TNF-α的表達。隨著年齡的增加，人體腸道內能夠產生SCFAs的雙歧桿菌和乳酸桿菌等益生菌的數量減少，使機體的抗炎能力下降，全身性與神經性炎癥的易感性增加，進而推動了AD的發(fā)生發(fā)展。

3 相關臨床應用

目前，由于對AD的發(fā)病機制不甚了解，臨床治療AD的藥物多為對癥治療。近年來，隨著腸道微生物在AD發(fā)生發(fā)展過程中的作用逐漸得到證實，口服益生菌與調整飲食習慣或許可為AD臨床治療提供新的選擇。

益生菌可通過TLR與腸上皮及相關免疫細胞相互作用，抑制炎性因子的產生并促進抗炎因子的表達，降低機體炎癥反應程度與IEB通透性，從而有利于緩解AD的臨床癥狀[34]。Deng等[35]對5項關于益生菌與AD認知改善的有效研究（包含297個樣本）進行了meta分析，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，益生菌組的高敏感性C反應蛋白水平下降，認知功能明顯改善。

低脂高纖維飲食一方面可降低機體產生LPS的數量，增加IEB緊密程度；一方面可為腸道微生物提供生成SCFAs與生長繁殖的原料，改變腸道微生物群的組成，從而減少全身炎癥反應的發(fā)生，緩解AD的臨床癥狀[36]。

目前，AD的發(fā)病機制尚不明確。本文從腸道微生物群與AD的關系出發(fā)，總結近年來腸道微生物群通過小膠質細胞、腸上皮屏障與代謝產物途徑誘發(fā)炎癥，從而導致AD發(fā)生的研究進展，以期為AD的發(fā)病機制與臨床治療提供新的視角。