微生物-腸-腦軸在帕金森病中的研究進展

張子煒，齊月，黃金泳，趙國建，唐曉璐，薛進華

（1.贛南醫(yī)學(xué)院2020級碩士研究生；2.贛南醫(yī)學(xué)院2021級碩士研究生；3.贛南醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，江西 贛州 341000）

帕金森?。≒arkinson's disease，PD）也稱為震顫麻痹，是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。2016年全球范圍內(nèi)PD患者數(shù)量已超過600萬人［1］。在我國65歲以上老齡人群中，PD的發(fā)病率高達1.7%。預(yù)計到2030年，我國PD患者將達到500萬，占世界PD患者總數(shù)的60%［2］。PD的主要病理特征為黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元選擇性且進行性丟失以及存活神經(jīng)元內(nèi)α-突觸核蛋白（α-synuclein，α-Syn）異常聚集形成路易小體［3］。在臨床上，PD患者除了表現(xiàn)出典型的運動障礙如運動遲緩、靜止性震顫、肌強直和姿勢步態(tài)不穩(wěn)以外，還表現(xiàn)出許多非運動癥狀，如胃腸道（Gastrointestinal，GI）菌群功能紊亂、嗅覺喪失、認知障礙和神經(jīng)精神異常等［4］。這些癥狀可能會在運動癥狀出現(xiàn)前的幾年甚至幾十年間出現(xiàn)，在臨床上往往被忽略［5］。其中，GI功能障礙在PD患者中普遍存在［6］。臨床研究發(fā)現(xiàn)了一系列與PD相關(guān)的GI功能障礙，包括體重減輕、胃輕癱、便秘和排便功能障礙等［7］。這些證據(jù)表明早期胃腸功能障礙很可能是PD的前期癥狀［8］。近年來研究認為，人類胃腸道微生物（Gut microbiota，GM）在神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展中扮演了不可或缺的角色［9］。GM和中樞神經(jīng)系統(tǒng)（Central nervous system，CNS）之間的調(diào)節(jié)作用是雙向的，我們稱其為“微生物-腸-腦軸”（Microbiota-gut-brain axis，MGBA）［4］。一方面，微生物能夠產(chǎn)生許多神經(jīng)內(nèi)分泌活性分子如血清素、γ-氨基丁酸等，這些物質(zhì)經(jīng)由血液循環(huán)運輸至腦內(nèi)從而調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育和功能；另一方面，中樞神經(jīng)系統(tǒng)對胃腸道功能調(diào)節(jié)如對胃腸道運動調(diào)節(jié)則會進一步影響腸道微生物的組成。這種雙向調(diào)節(jié)作用在機體和微生物群之間形成了一個反饋環(huán)路，成為PD等神經(jīng)退行性疾病發(fā)生發(fā)展的生理基礎(chǔ)。本文就“微生物-腸-腦軸”在PD發(fā)病機制的研究進展進行綜述。

1 微生物-腸-腦軸

1.1 胃腸道微生物組人類GM包含1×1014個細菌［10］。除細菌外，古細菌、真菌、病毒和其他簡單的真核生物也參與GM的構(gòu)成［9］。它們的主要作用是在厭氧的環(huán)境下，分解與人體消化過程不相容的碳水化合物。

GM的建立從出生開始，并對出生后機體的免疫和腸神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育至關(guān)重要。GM還形成了抵御外部潛在危險刺激的完整防御屏障，并且對飲食、生活方式和周圍環(huán)境的變化具有高度適應(yīng)性。飲食、運動、益生菌和衛(wèi)生變化等可以改變GM的組成，抗生素和侵入性病原體的定植也可以引起GM組成的改變［11］。盡管腸道內(nèi)環(huán)境不斷變化，但GM組成在成年期間保持相對穩(wěn)定［12］。

1.2 微生物-腸-腦軸腸-腦軸是腸神經(jīng)系統(tǒng)（Enteric nervous system，ENS）與CNS之間的雙向通信通道，通過神經(jīng)、內(nèi)分泌和免疫信號進行調(diào)控［13］。ENS在PD的病理生理學(xué)中起著至關(guān)重要的作用，ENS不僅可以看作是“第二大腦”，而且可以看作是通往“第一大腦”的窗口［14］。近年來，腸道微生物與腸-腦軸的交互作用已得到公認，即腸微生物-腸-腦軸，微生物群可以合成神經(jīng)遞質(zhì)或類似神經(jīng)遞質(zhì)的前體，通過ENS直接或間接地將多種信號發(fā)送給CNS，例如乳酸桿菌和雙歧桿菌能合成γ-氨基丁酸（Gamma-aminobutyric acid，GABA）；埃希菌、芽孢桿菌和釀酒酵母菌種合成去甲腎上腺素；芽孢桿菌合成多巴胺，乳酸桿菌合成乙酰膽堿等［13］。這些神經(jīng)遞質(zhì)的產(chǎn)生使得微生物群間的細胞內(nèi)通訊成為可能。同時，短鏈脂肪酸（Short-chain fatty acids，SCFAs）還可以通過腸嗜鉻細胞促進血清素的合成與分泌，控制中樞神經(jīng)系統(tǒng)小膠質(zhì)細胞的成熟，通過G-蛋白偶聯(lián)受體如GPR41和GPR43來調(diào)節(jié)ENS活性，并通過組蛋白去乙?；閷?dǎo)遺傳調(diào)控［13］。另外，腸道微生物群還可以通過病原菌的脂多糖和合成的炎性細胞因子調(diào)節(jié)局部和全身性炎癥。腸道營養(yǎng)不良和小腸細菌過度生長及腸通透性增加引起的對先天免疫系統(tǒng)的過度刺激可能會導(dǎo)致全身性和中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥。越來越多的研究聚焦于腸道微生物群與中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間的雙向調(diào)節(jié)即微生物群-腸-腦軸，微生物群-腸-腦軸功能異常與阿爾茨海默病、腦中風(fēng)及帕金森?。?5］等多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理生理過程相關(guān)。

2 微生物-腸-腦軸與PD

2.1 帕金森病的Braak假說80%PD患者胃腸功能障礙的常見臨床特征包括流涎異常、吞咽困難、惡心、胃排空障礙和便秘［16］。在臨床流行病學(xué)的研究中發(fā)現(xiàn)路易小體在迷走神經(jīng)的ENS和背運動核中的早期積累，與運動和胃腸道癥狀嚴重程度相關(guān)。BRAAK H等［17］提出了“雙重打擊假說”，α-Syn聚集開始于大腦外，在ENS和嗅球內(nèi)沉積，由毒素和/或微生物所形成。有研究認為，神經(jīng)元α-Syn沉積發(fā)生在尾骨中，影響迷走神經(jīng)的背運動核，然后發(fā)展到黑質(zhì)的多巴胺能神經(jīng)元［18］。然而，這一假設(shè)仍然存在爭議，因為一些研究無法重復(fù)。α-Syn已被證明表現(xiàn)出類朊病毒的特性，具有錯誤折疊，形成聚集體并在細胞之間具有傳播的能力，進一步支持了BRAAK H的觀點［19］。在丹麥和瑞典人群中進行的隨訪研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，只有完全截斷迷走神經(jīng)才能降低患PD的風(fēng)險［20］，表明腸神經(jīng)系統(tǒng)在PD發(fā)生中扮演重要角色。此外，在PD小鼠模型中進行的半切開術(shù)可防止迷走神經(jīng)同側(cè)背運動核中的α-Syn積累［21］。有趣的是，瑞典最近的一項大型數(shù)據(jù)庫研究表明，早期進行闌尾切除術(shù)的人患PD的風(fēng)險降低20%［21］。盡管有這些發(fā)現(xiàn)，胃腸道中磷酸化的α-Syn的積累并不是PD的特征性標(biāo)志，在路易體癡呆、路易體阿爾茨海默病和無癥狀對照患者［22］中也可觀察到α-Syn的積累。腸道中病理性α-Syn蛋白的組成目前仍然未能確定［23］。

2.2 胃腸道功能障礙與PD胃腸道功能障礙是PD重要的臨床表現(xiàn)之一［24］。在EDWARDS L L等［25］研究中，評估了98例PD患者各種胃腸道癥狀的發(fā)生率，其中流涎、吞咽困難、惡心、便秘和排便功能障礙占比分別為70%、52%、24%、29%和66%。胃腸道功能障礙與PD活動持續(xù)時間相關(guān)，與患者的年齡、性別，活動水平或膳食纖維攝入量無相關(guān)性。PD患者的過度唾液分泌不是由于唾液分泌過多（實際上唾液分泌可能減少了），而是由于吞咽頻率降低引起的。50%以上的PD患者可能出現(xiàn)吞咽功能障礙。胃排空障礙是PD的重要表現(xiàn)，其特征表現(xiàn)為餐后腹脹或腹部不適、早飽及惡心等癥狀。通過胃電鏡圖檢查證實早期和晚期PD均存在胃動力異常。便秘是PD患者最突出的胃腸道功能障礙，也可能是疾病過程本身的早期表現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，在治療和未治療的實驗者中，甚至在無癥狀性便秘的PD患者中，也表現(xiàn)出結(jié)腸運輸時間的延長［26］。

2.3 腸道微生物群與PD希波克拉底曾經(jīng)說過“所有疾病都始于腸道”［27］。將PD患者的糞菌植入到過表達α-Syn的無菌小鼠中，會出現(xiàn)典型的運動缺陷和神經(jīng)炎癥。臨床和神經(jīng)病理學(xué)證據(jù)均表明，PD的神經(jīng)退行性改變以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷，這些改變前或后都會出現(xiàn)胃腸道癥狀［28］。研究發(fā)現(xiàn)，PD患者的腸道微生物群組成及其代謝產(chǎn)物發(fā)生了變化。在PD中，與腸道炎癥相關(guān)的腸道菌群變化可能導(dǎo)致α-Syn錯誤折疊。此外，腸道微生物群引發(fā)的先天免疫系統(tǒng)缺陷可能會增強α-Syn引起的炎癥反應(yīng)［27］。

在PD患者中觀察到，隨著微生物代謝產(chǎn)物的發(fā)生，微生物群的數(shù)量發(fā)生改變。PD患者普雷沃氏菌科明顯減少，腸桿菌科的豐度增加，擬桿菌門、變形桿菌門和疣微菌門在PD糞便標(biāo)本中水平較高。最近在中國人群中研究發(fā)現(xiàn)PD患者腸微生物組成存在顯著差異，PD患者梭狀桿菌屬Ⅳ、水桿菌屬、霍爾德曼氏菌屬、鞘氨醇單胞菌、梭狀桿菌屬ⅩⅧ、丁酸梭菌和厭氧菌的豐度增加，而大腸桿菌/志賀氏菌與疾病持續(xù)時間呈負相關(guān)［29］。

在魚藤酮誘導(dǎo)的PD動物模型中發(fā)現(xiàn)，乳酸桿菌和雙歧桿菌豐度增加，普雷沃氏菌豐度降低；在1-甲基-4-苯基1，2，3，6-四氫吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）誘導(dǎo)的PD動物模型中發(fā)現(xiàn)，擬桿菌和梭狀桿菌的水平降低，變形桿菌和大腸桿菌豐度增加，與PD患者腸道微生物改變一致［30］。與健康對照組相比，PD患者存在明顯的營養(yǎng)不良，這種現(xiàn)象與某些菌屬或種的相對豐度的變化有關(guān)，而不是與特定微生物種群的出現(xiàn)或消失有關(guān)［30］。以上研究結(jié)果表明，PD動物模型與PD患者均存在腸道微生物群的顯著改變。

一些包涵體包括異常聚集的α-Syn蛋白，稱為路易小體，是黑質(zhì)（SN）和胞漿包涵體形成的最早生物標(biāo)志物之一。α-Syn低聚物不僅沉積在SN中，也沉積在腦干、嗅球和胃腸道中，PUNSONI M等猜想異常的α-Syn在腸道中積累，并通過迷走神經(jīng)以朊病毒樣方式擴散到大腦［31］。病理生理學(xué)證據(jù)表明，ENS、舌咽神經(jīng)和迷走神經(jīng)中存在異常的包涵體，并且發(fā)現(xiàn)迷走神經(jīng)截肢患者患帕金森病的風(fēng)險降低［32］。最近的研究進一步證實了PUNSONI M等的猜想。當(dāng)PFFs（預(yù)成型的α-Syn纖維）被注射到幽門和十二指腸的肌間神經(jīng)叢時，pSer129-a-Syn（磷酸化絲氨酸129-a-Syn)的免疫反應(yīng)性可以檢測到野生型小鼠和BAC大鼠(轉(zhuǎn)基因鼠模型過表達完整的人類SNCA基因野生型形式）的原始注射部位。迷走神經(jīng)的背運動核、黑質(zhì)致密部這些只能在迷走神經(jīng)切斷的動物的原始注射部位檢測到，而不能在黑質(zhì)中檢測到［33］。這種生態(tài)失調(diào)可能導(dǎo)致局部炎癥、病理改變和腸道癥狀，最終導(dǎo)致PD發(fā)生發(fā)展。

3 腸道微生物-腸-腦軸在PD治療中的作用

3.1 抗生素抗生素能夠改變腸道微生物的組成結(jié)構(gòu)，殺死微生物或抑制微生物的生長。鑒于微生物-腸-腦軸在PD發(fā)生中的作用，抗生素在PD治療中的作用引起人們的重新關(guān)注?？股爻税邢蚣毦猓淇寡?、抗凝集以及抗氧化作用對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療也是有益的。米諾環(huán)素是一種抗炎抗生素，可自由通過血腦屏障，能夠阻斷紋狀體和伏隔核中的多巴胺消耗，并在MPTP給藥后降低誘導(dǎo)型一氧化氮合酶和caspase-1的表達，表明米諾環(huán)素在PD中具有潛在的神經(jīng)保護作用［6］。

3.2 糞便菌群移植（Fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT）FMT是一種將健康供體的糞便菌落（整個腸道菌群）輸送到患者的胃腸道中的技術(shù)，通過重建穩(wěn)定的腸道菌群來治療特定疾病。目前，盡管使用抗生素和益生菌干預(yù)能夠調(diào)節(jié)腸道菌群，但FMT仍然是一種恢復(fù)腸道菌群生態(tài)系統(tǒng)更全面的方法。與健康對照組的微生物菌群相比，PD患者的FMT加劇了PD小鼠α-Syn介導(dǎo)的運動功能障礙，表明腸道微生物群可以影響PD的大腦功能［34］。此外，最近的一項研究表明，健康供體FMT可以通過減少黑質(zhì)中的小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞的活化以及減少腸道和大腦中TLR4/TNF-α信號通路成分的表達，對MPTP誘導(dǎo)的PD小鼠發(fā)揮保護作用［35］。這些結(jié)果表明，腸道微生物群組成的改變，可能發(fā)現(xiàn)更多新的生物標(biāo)志物，為PD患者的診斷和治療提供更多選擇。腸道微生物群的鑒定和干預(yù)可能是預(yù)防PD新的有效措施。

3.3益生元和益生菌評估益生元和益生菌在PD和其他神經(jīng)精神疾病中的使用旨在為各種癥狀的潛在新機制提供有價值的見解。服用含有干酪乳桿菌的發(fā)酵乳5周可改善PD患者的糞便稠度并減少腹脹和腹痛［36］。最近的一項隨機對照試驗表明，攝入含有益生菌菌株和益生元纖維的發(fā)酵乳可顯著增加PD患者完全排便的頻率。研究發(fā)現(xiàn)，益生菌可通過多種機制對健康產(chǎn)生有益影響，包括增強腸上皮完整性、防止屏障破壞、刺激健康的黏膜免疫系統(tǒng)和抑制病原菌生長［37］。

通過補充益生菌能夠改善胃腸道功能也可以促進左旋多巴的吸收，并減少PD中常見的行為和認知缺陷，例如焦慮、抑郁和記憶問題［38］。益生元包括膳食可溶性纖維，如低聚半乳糖或低聚果糖，可以刺激內(nèi)在共生微生物群的生長，并且還對其對情緒的影響進行了深入研究。因此，益生菌和益生元的應(yīng)用可能通過減少ENS炎癥和α-Syn聚集來有力地改變GM成分，同時改善胃腸功能，從而為PD患者癥狀改善提供新的干預(yù)措施。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，腸道微生物-腸-腦軸與PD的發(fā)生發(fā)展有密切關(guān)系。腸道微生物的改變可作為PD新的生物標(biāo)志物，有利于提高PD的早期臨床診斷。腸道微生物對大腦功能的發(fā)展和維持至關(guān)重要。雖然對腸道微生物-腸-腦軸的研究仍處于初步階段，但是越來越多的科研工作者正致力于腸道微生物與腸-腦軸交互作用的機制研究。本文對腸道微生物-腸-腦軸與PD的關(guān)系進行了綜述，雖然腸道微生物失調(diào)與PD之間的因果關(guān)系尚需進一步研究，但這一研究可能為以調(diào)控腸道微生物菌群為基礎(chǔ)的PD防治提供新策略，如抗生素、益生菌和FMT的治療等。同時，通過對腸道微生物-腸-腦軸的研究，將有利于我們對帕金森病發(fā)病機制的進一步理解，早日實現(xiàn)PD的預(yù)防和治療。