腸道微生物在阿爾茨海默病發(fā)病機(jī)制中作用研究進(jìn)展

李曉茹 許詔華 王效春

(1山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院放射科，山西 太原 030001；2山西省中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院)

阿爾茨海默病(AD)是一種以記憶喪失為特征的神經(jīng)退行性疾病，并伴有從情緒、言語到運(yùn)動障礙等多種類型的其他癥狀。這種類型的癡呆癥最顯著的表現(xiàn)是在日常生活中逐漸喪失自理能力，并且越來越依賴他人的護(hù)理。老齡化是發(fā)展為AD的主要風(fēng)險因素〔1〕。所以預(yù)期壽命延長、世界人口老齡化都使患AD的概率變得更大〔2〕。據(jù)《Word Alzheimer Report 2018》統(tǒng)計，2018年全球有近5 000萬例AD患者，到2050年預(yù)計將增加至1.52億例。但AD的病理機(jī)制有待進(jìn)一步明確，現(xiàn)有細(xì)胞外β-淀粉樣蛋白(Aβ)聚集生成老年斑(SP)，細(xì)胞內(nèi)Tau蛋白高度磷酸化聚集生成神經(jīng)纖維纏結(jié)(NFT)，Ca2+失衡、線粒體功能損傷、氧化應(yīng)激、膽堿能神經(jīng)遞質(zhì)減少及神經(jīng)炎性反應(yīng)等多種病理特征〔3〕。2018全基因組研究(GWAS)的結(jié)果已經(jīng)確定并證實了20個新的AD基因危險位點(diǎn)，如載脂蛋白(APO)E4等位基因、ABCA7、clusterin(CLU)、fermitin家族同源蛋白2(FERMT)2、磷脂酰肌醇結(jié)合網(wǎng)格蛋白(PICALM)〔4〕，但是沒有一個標(biāo)記位于編碼區(qū)內(nèi)，這表明表觀遺傳或環(huán)境因素對AD風(fēng)險的作用較大〔5〕。AD和腸道菌群之間有顯著關(guān)聯(lián)性。而腸-腦軸是解釋腸道微生物在AD發(fā)病機(jī)制中作用的基礎(chǔ)。

本文以腸-腦軸為基礎(chǔ)，對腸道微生物的組成變化、微生物分泌物、微生物引起的神經(jīng)炎在AD發(fā)病機(jī)制中的作用及從腸道微生物入手治療AD的新方法進(jìn)行綜述。

1 腸-腦軸

腸-腦軸在調(diào)節(jié)腸道微生物和大腦的雙向信號中起著顯著作用〔6〕。中樞神經(jīng)系統(tǒng)的高應(yīng)力水平可能會導(dǎo)致腸道生理功能紊亂，從而使腸道菌群失衡〔7〕。相反，營養(yǎng)不良(即腸道菌群紊亂)和腸道微生物組成的改變會導(dǎo)致人類多種疾病的發(fā)展。神經(jīng)炎癥和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制就可以通過腸-腦軸的作用得到解釋。例如：谷氨酸可被乳酸桿菌和雙歧桿菌代謝產(chǎn)生抑制性神經(jīng)遞質(zhì)γ氨基丁酸(GABA)，改變GABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與認(rèn)知障礙、AD、焦慮、抑郁和突觸損傷有關(guān)〔8〕。已知腸道藍(lán)細(xì)菌產(chǎn)生非蛋白原性氨基酸β-N-甲基氨基丙氨酸，通過與N-甲基-D-天門冬氨酸(NMDA)谷氨酸受體相互作用而引起興奮毒性的神經(jīng)毒素，在AD 患者大腦中發(fā)現(xiàn)β-N-甲基氨基-L-丙氨酸的水平升高NMDA受體被破壞〔9〕。

2 腸道微生物對AD的影響

2.1腸道微生物組成的變化對AD的影響 據(jù)估計腸道中微生物有1013～1014種〔10〕。就基因而言，腸道微生物中的基因數(shù)量十分龐大，是人類的100多倍。這些腸道微生物的總重量為1～2 kg，與人腦的重量相似〔11〕。厚壁桿菌門和擬桿菌門是腸道中兩個主要的菌門、其他菌群由變形桿菌、疣狀菌、放線菌、蛋白桿菌、梭桿菌、螺旋菌等組成〔12〕。由于羊水和胎盤中存在的不同微生物群落，所以人類腸道微生物定植是在子宮內(nèi)就開始啟動的，并在個體的生命周期內(nèi)保持相對穩(wěn)定。例如，擬桿菌/厚壁菌門的比率隨著時間的推移保持顯著穩(wěn)定〔13〕。

Brandscheid等〔14〕首次提出在5xFAD小鼠(具有嚴(yán)重淀粉樣變性的模型)中厚壁菌豐度顯著增加，擬桿菌豐度顯著下降。Harach等〔15〕發(fā)現(xiàn)了厚壁菌和擬桿菌的豐度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)一種增加，另一種減少。除了動物模型，Vogt等〔16〕采用16 S核糖體RNA(rRNA)基因測序分析AD患者腸道菌群組成，發(fā)現(xiàn)AD受試者的腸道微生物豐富度和多樣性降低，包括AD參與者微生物組中的厚壁桿菌、擬桿菌增加，雙歧桿菌減少。AD轉(zhuǎn)基因小鼠模型的最新研究表明，腦淀粉樣蛋白沉積可以通過腸道微生物群改變〔17〕。與健康人不同，AD患者腸道菌群的α多樣性降低，特別是腸道菌群中雙歧桿菌的數(shù)量低于健康人〔18〕。有研究表明減少益生菌如乳酸菌和雙歧桿菌，可能導(dǎo)致革蘭陰性菌產(chǎn)生細(xì)菌內(nèi)毒素，如脂多糖(LPS)，其增加腸道通透性，并將Treg轉(zhuǎn)換為T-炎性細(xì)胞(即Th17)，從而觸發(fā)Toll樣受體(TLRs)介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。在無菌條件下飼養(yǎng)的轉(zhuǎn)基因AD小鼠比傳統(tǒng)飼養(yǎng)的AD小鼠大腦淀粉樣蛋白沉積更少，這表明腸道微生物群組成改變會對淀粉樣蛋白病理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生影響〔11〕。

總之，在AD中觀察到的腸道微生物群最顯著的變化是，抗炎菌種(如短雙歧桿菌)的數(shù)量減少，而促炎細(xì)菌種(如厚壁菌和擬桿菌)的數(shù)量增加，這可能增加血漿炎癥水平和之后的中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥〔19〕。這些數(shù)據(jù)提出了一個假設(shè)，腸道菌群與AD的發(fā)病密切相關(guān)，而微生物群組成改變、多樣性降低可以觸發(fā)大腦中的多種病理學(xué)。

2.2腸道微生物分泌物對AD的影響

2.2.1LPS LPS也稱內(nèi)毒素，它是革蘭陰性菌外膜的主要組成成分。在實驗動物中，LPS常被用來誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)。Zhao等〔20〕首次報道了AD腦海馬和顳葉上新皮質(zhì)溶解液中細(xì)菌LPS的存在。平均LPS水平從新皮質(zhì)的2倍增加到海馬的3倍不等，一些晚發(fā)性AD海馬病例的樣本顯示LPS是年齡匹配的對照組的26倍。并且大鼠第四腦室內(nèi)長期注射LPS可復(fù)制AD的病理特征〔21〕。此外，最近的一項研究表明，體外LPS加強(qiáng)了Aβ纖維沉積〔22〕。小鼠多次腹腔注射LPS顯示出海馬高水平的Aβ42沉積和認(rèn)知缺陷〔23〕。小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的TLR4可以識別LPS，其功能依賴于共受體CD14〔24〕。因此，LPS受體TLR4/CD14可能在AD的病理生理過程中起作用。

2.2.2淀粉樣蛋白 一些腸道細(xì)菌可以生產(chǎn)淀粉樣蛋白〔25〕。細(xì)菌淀粉樣蛋白能破壞腸道屏障，引起細(xì)菌代謝產(chǎn)物移位。微生物淀粉樣蛋白穿過受損的腸道黏膜，通過血流到達(dá)中樞神經(jīng)系統(tǒng)，增加Aβ聚集物的成核并觸發(fā)一系列炎癥反應(yīng)〔26〕。然而，在生理條件下，功能性細(xì)菌淀粉樣蛋白通過小膠質(zhì)細(xì)胞/髓樣細(xì)胞(TREM)2受體激活小膠質(zhì)細(xì)胞，清除Aβ聚集物〔27〕。這些發(fā)現(xiàn)最近得到了體內(nèi)研究〔28〕和體外研究〔29〕的支持。在這些研究中發(fā)現(xiàn)微生物淀粉樣蛋白作為一種TREM2配體，在表達(dá)TREM2的BAC轉(zhuǎn)基因小鼠中，提高TREM2的表達(dá)水平可顯著增加Aβ40和Aβ42的降解，從而改善AD的表型。但細(xì)菌性淀粉樣蛋白在大腦中的積聚也觸發(fā)了許多其他下游事件，如核因子(NF)-κB的激活，導(dǎo)致促炎性microRNA-34a的上調(diào)、TREM2的下調(diào)〔27〕。此外，細(xì)菌來源的內(nèi)毒素和淀粉樣蛋白通過啟動免疫原性反應(yīng)〔30〕增加從腸道到大腦的促炎性細(xì)胞因子的水平，從而導(dǎo)致神經(jīng)退行性變。這些級聯(lián)事件的結(jié)果是抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的吞噬作用導(dǎo)致Aβ1～42含量升高〔31〕。

細(xì)菌來源的LPS和淀粉樣蛋白可加劇腸道的通透性，并增加細(xì)胞因子和其他促炎分子的水平，如與AD直接相關(guān)的白細(xì)胞介素(IL)-17A和IL-22〔32〕，這些細(xì)胞因子可能通過胃腸道和血腦屏障，進(jìn)入大腦并進(jìn)一步觸發(fā)免疫原性反應(yīng)、活性氧釋放和TLR 2/1、CD14和NF-κB的信號傳導(dǎo)〔27，30〕，在神經(jīng)退行性變中起著重要作用。

2.3腸道微生物引起神經(jīng)炎對AD的影響 實驗證據(jù)表明，神經(jīng)炎癥在AD的發(fā)生和發(fā)展中起著積極的作用〔33〕。在神經(jīng)炎癥反應(yīng)中，小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞是不可缺少的。

小膠質(zhì)細(xì)胞起源于髓樣細(xì)胞，約占大腦非神經(jīng)細(xì)胞的15%〔34〕，研究人員將活化的小膠質(zhì)細(xì)胞歸類為典型的促炎(M1)表型，其他的歸類為非炎性的替代性活化(M2)表型〔35〕。M1激活并分泌促炎細(xì)胞因子，包括腫瘤壞死因子(TNF)-α、IL-1、6、12和18，并伴隨吞噬能力受損〔36〕。M2型分泌抗炎性細(xì)胞因子，包括IL-4、10、13和轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β，伴吞噬能力增加〔37〕。動物和人類研究的新證據(jù)支持腸道微生物失調(diào)與AD發(fā)展過程中小膠質(zhì)細(xì)胞活化之間的相關(guān)性〔38〕。Minter等〔17〕證明長期使用抗生素治療的小鼠的腸道微生物群和外周炎性環(huán)境的組成發(fā)生了改變，這與淀粉樣斑塊病理學(xué)減弱相一致。此外，并觀察到這些小鼠體內(nèi)可溶性Aβ1～40和Aβ1～42水平升高，同時，小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞對斑塊定位的反應(yīng)性降低。在AD患者死后腦組織中發(fā)現(xiàn)腸道菌產(chǎn)生LPS及外周注射LPS可促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞活化，引起海馬Aβ斑塊堆積從而引起海馬炎癥〔39〕。Wang等〔40〕發(fā)現(xiàn)，在AD的進(jìn)程中，外周血中異亮氨酸、苯丙氨酸的異常增加都是由腸道菌群失衡引起的。這會使外周促炎性Th1細(xì)胞侵入腦內(nèi)，隨之腦內(nèi)固有的M1小膠質(zhì)細(xì)胞活化，經(jīng)過一系列的信號傳導(dǎo)導(dǎo)致AD相關(guān)神經(jīng)炎癥的發(fā)生。腸道微生物群受損引起的腸道異常炎性信號可導(dǎo)致腦淀粉樣變，從而干擾小膠質(zhì)細(xì)胞成熟導(dǎo)致斑塊清除率降低而聚集。

星形膠質(zhì)細(xì)胞占人類神經(jīng)細(xì)胞的30%～50%，其長期以來被認(rèn)為為神經(jīng)元提供重要的營養(yǎng)和代謝支持〔41〕。中樞神經(jīng)的完整性得益于星形膠質(zhì)細(xì)胞的保護(hù)，主要表現(xiàn)在損傷后對神經(jīng)組織的修復(fù)。這主要是通過星形膠質(zhì)增生實現(xiàn)的，星形膠質(zhì)增生是一種進(jìn)化上保守的事件，通過形成膠質(zhì)瘢痕和清除中樞神經(jīng)系統(tǒng)的病原體，有助于神經(jīng)保護(hù)和分離受損組織〔42〕。不同程度增生的星形膠質(zhì)細(xì)胞與認(rèn)知能力下降有著密不可分的關(guān)系〔43〕。

3 以腸道微生物為靶點(diǎn)治療AD新藥研究

目前臨床治療 AD 臨床用藥物有乙酰膽堿酯酶(AChE)抑制劑多奈哌齊等，NMDA受體拮抗劑美金剛及Ca2+通道抑制劑尼莫地平、氧化還原酶抑制劑艾地苯醌，這些藥物僅能在一定程度上緩解癥狀，而無法阻止 AD 疾病進(jìn)程〔3〕。由于單一靶向干預(yù)Aβ具有一定的局限性，所以抗Aβ的藥物Aducanumab(BIIB037)的3期臨床試驗最終停產(chǎn)〔44〕。有關(guān)Tau拮抗的多個藥物處于臨床的不同研究階段，如TRx0237、RO7105705、C2N 8E12、BIIB092等，然而降低Tau蛋白對AD的治療是否有效？減少其含量會導(dǎo)致其他的病理狀態(tài)嗎？這些問題目前尚存在巨大爭議〔45〕。最近興起的非藥物飲食療法顯示出一定優(yōu)勢。有研究表明通過跨組飲食干預(yù)，改良的地中海生酮飲食會引起腸道微生物及其代謝物的變化，這些變化與AD標(biāo)志物水平的降低相關(guān)〔46〕。Lee等〔47〕通過腸道抗炎長雙歧桿菌(NK46)抑制腸道菌群失調(diào)和LPS的產(chǎn)生，降低LPS介導(dǎo)的NF-κB活化來減輕認(rèn)知功能下降。在中國的一項3期臨床試驗中，GV-971(一種低錳精酸鈉)可通過抑制腸道代謝異常和相關(guān)的苯丙氨酸/異亮氨酸積累，抑制神經(jīng)炎癥并逆轉(zhuǎn)認(rèn)知障礙，從而顯示出對認(rèn)知改善〔40〕。

綜上，腸-腦軸在調(diào)節(jié)腸道和大腦的生理過程中起著不可替代的作用。在腸道微生物失調(diào)的情況下，微生物群中的細(xì)菌可產(chǎn)生淀粉樣蛋白、LPS和其他免疫原性成分〔31〕，這些成分可能參與神經(jīng)炎癥、腦Aβ沉積有關(guān)的信號通路及AD的發(fā)病機(jī)制。雖然腸道微生物和AD密切相關(guān)，但具體機(jī)制尚不清楚。為了研究腸道微生物與AD的關(guān)系，需要開發(fā)新的方法來輔助AD的臨床診斷。目前，腦結(jié)構(gòu)和功能的影像學(xué)生物標(biāo)記物已被應(yīng)用于AD的診斷。因此，在未來，也許可以結(jié)合腸道微生物生物標(biāo)志物的影像學(xué)表現(xiàn)早期診斷AD。明確腸道菌群的作用將可能有助于確定特定益生菌的作用，開發(fā)功能性飲食和新藥，為AD的治療提供新方法。