腸道菌群失衡在帕金森病α-突觸核蛋白誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞活化中的作用

蔡金鳳 王洪財 葛汝麗

濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，濱州 256603

帕金森病（Parkinson's disease，PD）是一種慢性、進(jìn)行性地影響運(yùn)動系統(tǒng)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，原發(fā)性運(yùn)動障礙和α-突觸核蛋白（alpha-synuclein，α-syn）病是PD 的特征性表現(xiàn)［1］。隨著世界人口的老齡化，PD的患病率也呈上升趨勢。據(jù)報道，預(yù)計到2040 年，PD 患者的數(shù)量將從2015 年的690 萬增加一倍，達(dá)到1 420 萬［2］。有臨床試驗(yàn)和PD 動物模型已經(jīng)確定腸道菌群失調(diào)與PD 的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)［3］。最近研究結(jié)果表明，腸道菌群不僅在調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞成熟和功能方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，而且是PD 疾病中小膠質(zhì)細(xì)胞激活、α-syn病理和運(yùn)動缺陷所必需的，小膠質(zhì)細(xì)胞在PD疾病過程中不斷被激活而引起神經(jīng)炎癥，因此腸道菌群在PD疾病進(jìn)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用［4-6］。本綜述中，我們探討了腸道菌群及其代謝物對PD 臨床表型的影響以及腸道菌群參與α-syn介導(dǎo)PD小膠質(zhì)細(xì)胞激活之間的機(jī)制聯(lián)系。

腸道菌群與中樞神經(jīng)系統(tǒng)

人類微生物群大部分集中在腸道，其中包含超過10 萬億細(xì)胞和多達(dá)1 000種不同的微生物種類，腸道微生物群是生活在腸道中的所有共生體的總稱。迄今為止，大多數(shù)關(guān)于腸道微生物的研究都集中在腸道細(xì)菌上。腸道細(xì)菌主要分為厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、梭菌門、變形菌門、疣微菌門和藍(lán)藻門7 個分支，其中，擬桿菌門和厚壁菌門的數(shù)量占90%以上［7］。腸道菌群失調(diào)被定義為胃腸道微生物群與宿主之間的“正常”平衡被破壞。

越來越多的研究開始揭示微生物群對神經(jīng)發(fā)育和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的深遠(yuǎn)影響，腸道細(xì)菌控制腸道、外周和大腦中免疫細(xì)胞的分化和功能［5］，對于維持健康的神經(jīng)系統(tǒng)至關(guān)重要［7］。一方面，腸道菌群在神經(jīng)生成過程中發(fā)揮著重要作用，如小膠質(zhì)細(xì)胞的成熟、血腦屏障形成及神經(jīng)發(fā)生等；另一方面，胃腸道微生物群對免疫系統(tǒng)非常重要，因?yàn)樗鼈兛刂菩∧z質(zhì)細(xì)胞的成熟及其功能，而無菌小鼠在細(xì)胞和結(jié)構(gòu)水平上都表現(xiàn)出免疫缺陷。

腸道菌群與PD發(fā)病

目前，有研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群及其代謝物的改變可能參與了PD的發(fā)病機(jī)制和臨床表型［8］。PD是一種慢性、進(jìn)行性和致殘性的神經(jīng)退行性疾病，影響中老年人群，臨床特征包括運(yùn)動緩慢、肌肉僵直、靜息性震顫和姿勢不穩(wěn)，這些癥狀與黑質(zhì)紋狀體通路的多巴胺能神經(jīng)元死亡密切相關(guān)［9］。有研究表明，PD 患者的腸道菌群發(fā)生改變，PD 患者的普雷沃氏菌屬、毛螺菌屬、棲糞桿菌屬、羅氏菌屬顯著減少，而瘤胃球菌科、雙歧桿菌科、克里斯滕森菌科、疣微菌科、巨球形菌屬和阿克曼氏菌增多［10］?，F(xiàn)如今PD 腸道菌群變化，尚未有定論。迄今為止，最一致的與PD 相關(guān)腸道微生物組成變化包括疣微菌科和阿克曼氏菌的相對豐度增加，普雷沃氏菌科的相對豐度減少［10］。普雷沃氏菌是PD 的一種高度特異性的前驅(qū)癥狀標(biāo)志物，與PD 的快速眼球運(yùn)動及PD 嚴(yán)重程度評分顯著相關(guān)［10］，可通過降低保護(hù)性短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）使α-syn 病潛在發(fā)展，從而導(dǎo)致與SCFAs依賴基因表達(dá)相關(guān)的細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外蛋白清除機(jī)制的破壞［7，11］。有研究表明，普雷沃菌科的減少會導(dǎo)致黏液蛋白產(chǎn)量降低，并增加腸道通透性［12］。此外，腸桿菌科細(xì)菌的數(shù)量與PD 患者步態(tài)困難、炎癥和姿勢不穩(wěn)定的嚴(yán)重程度存在直接聯(lián)系［1］。擬桿菌的豐度增加與其運(yùn)動障礙的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)［13］。阿克曼氏菌可降解黏蛋白，引起腸道炎癥和通透性，增加內(nèi)毒素血癥和全身炎癥，最終促進(jìn)神經(jīng)病理［13］。而幽門螺桿菌感染可能與PD 風(fēng)險相關(guān)［7］，與運(yùn)動功能障礙的嚴(yán)重程度增加、大腦中多巴胺水平降低、左旋多巴吸收減少以及自身免疫和炎性反應(yīng)有關(guān)［10］。

腸道菌群可以通過纖維發(fā)酵參與神經(jīng)活性SCFAs（如乙酸、丙酸和丁酸）的合成。Chen 等［14］研究表明，在PD 患者糞便中的短鏈脂肪酸減少，血漿中的短鏈脂肪酸增加，尤其是血漿中丙酸鹽濃度的增加，這可能與特定的腸道菌群變化和PD 的臨床嚴(yán)重程度有關(guān)，其中，血漿丙酸水平與運(yùn)動癥狀嚴(yán)重程度呈正相關(guān)，而糞便丁酸的降低與認(rèn)知能力下降相關(guān)。此外，糞便中的丁酸還會影響緊密連接蛋白的表達(dá)，這種改變可能會進(jìn)一步影響腸道通透性，最終導(dǎo)致腸道漏出和腸道炎癥的增加，這與加重PD 疾病的進(jìn)程有關(guān)［7］。這些研究證明PD 患者的腸道菌群變化及其微生物代謝物的改變參與了PD 的發(fā)病機(jī)制和臨床表型，提示腸道菌群與PD之間存在潛在關(guān)系。

腸道菌群與PD小膠質(zhì)細(xì)胞

小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的主要免疫細(xì)胞，在提供宿主防御病原體和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中起著關(guān)鍵作用。早在20 世紀(jì)80 年代，有研究報道PD 患者的黑質(zhì)中存在大量活化的小膠質(zhì)細(xì)胞，其中小膠質(zhì)細(xì)胞持續(xù)過度活化，釋放大量促炎細(xì)胞因子來介導(dǎo)炎癥，最終導(dǎo)致多巴胺神經(jīng)元凋亡并加速PD 的進(jìn)展，這是PD 神經(jīng)炎癥發(fā)病機(jī)制的重要特征［6］。近年有研究顯示，腸道微生物群有助于小膠質(zhì)細(xì)胞的成熟和激活［8］。Heiss 等［15］研究表明，成年期時的小膠質(zhì)細(xì)胞對腸道微生物群落的擾動高度敏感，需要復(fù)雜的腸道微生物群持續(xù)輸入來維持體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)。研究表明，無菌小鼠和4 周抗生素處理的小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞幾乎相同，而來自微生物復(fù)雜性有限小鼠的小膠質(zhì)細(xì)胞表現(xiàn)出與無菌小鼠的小膠質(zhì)細(xì)胞相似的遺傳特征和形態(tài)。Erny等［16］研究證明腸道菌群產(chǎn)物SCFAs 也可恢復(fù)未成熟小膠質(zhì)細(xì)胞表型，調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。此外，糞菌移植也可減輕PD 小鼠運(yùn)動障礙和神經(jīng)變性，減輕神經(jīng)炎癥，降低糞便中SCFAs，抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的激活［10，17］。這些證據(jù)提示PD 進(jìn)展過程中腸道微生物與小膠質(zhì)細(xì)胞成熟和激活密切相關(guān)。

PD腸道菌群經(jīng)α-syn參與小膠質(zhì)細(xì)胞激活

腸道菌群失調(diào)會增加小膠質(zhì)細(xì)胞激活和神經(jīng)炎性反應(yīng)，這是PD發(fā)病機(jī)制中的中心事件［10］。α-syn是在PD黑質(zhì)中形成的標(biāo)志性聚集體蛋白質(zhì)，腸道中較早出現(xiàn)，并以朊病毒樣方式通過迷走神經(jīng)傳播到大腦［18］。多項研究表明，腸道菌群失調(diào)可通過誘導(dǎo)免疫反應(yīng)提高炎癥水平，導(dǎo)致PD 患者腸道神經(jīng)系統(tǒng)中α-syn 的錯誤折疊和異常聚集，促進(jìn)與疾病有關(guān)的特定大腦區(qū)域內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞的α-syn 依賴激活，促進(jìn)神經(jīng)元變性和運(yùn)動功能障礙［5，17，19］。Sampson 等［5］證明腸道菌群是過表達(dá)α-syn 的PD 小鼠出現(xiàn)運(yùn)動障礙、小膠質(zhì)細(xì)胞激活和α-syn 病理所必需的，通過使用抗生素“雞尾酒”療法消除腸道菌群可以減少活化的小膠質(zhì)細(xì)胞和α-syn的聚集來改善PD 運(yùn)動缺陷，這些證據(jù)都表明腸道菌群對于α-syn介導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞激活及神經(jīng)炎癥是必需的。

1.腸道菌群通過迷走神經(jīng)介導(dǎo)α-syn 激活信號通路參與小膠質(zhì)細(xì)胞激活

PD腸道菌群失調(diào)可以介導(dǎo)α-syn通過迷走神經(jīng)直接影響大腦小膠質(zhì)細(xì)胞激活［20］。研究表明，腸道菌群失調(diào)及其衍生代謝物，如脂多糖、參與腸黏膜炎癥的炎癥因子、活性氧∕氮等，可以誘導(dǎo)PD 患者腸道神經(jīng)系統(tǒng)中α-syn異常聚集和錯誤折疊［6］。異常聚集的α-syn 通過迷走神經(jīng)投影和自主腸纖維以每天5～10 mm 的速度從腸道神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)街袠猩窠?jīng)系統(tǒng)，隨后通過腦干、中腦、基底前腦在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中擴(kuò)散，最終通過類似朊病毒的機(jī)制到達(dá)皮層區(qū)域。此時，由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)黑質(zhì)中α-syn 聚集的增加，導(dǎo)致嗜酸性路易小體在細(xì)胞質(zhì)中形成，促進(jìn)多巴胺神經(jīng)元出現(xiàn)線粒體功能紊亂及多巴胺神經(jīng)元降解，最后破壞小膠質(zhì)細(xì)胞的自噬和吞噬作用，誘導(dǎo)激活NOD 樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3 炎癥小體，促進(jìn)神經(jīng)炎性反應(yīng)，最終加重多巴胺神經(jīng)元損傷，促進(jìn)PD進(jìn)展［6］。

PD 腸道菌群失調(diào)后，通過啟動和激活Toll 樣受體（Toll-like receptors，TLRs），識別有害刺激，產(chǎn)生促炎因子做出反應(yīng)，而α-syn 與TLRs 的結(jié)合是激活小膠質(zhì)細(xì)胞的重要觸發(fā)因素［6］，α-syn 與TLRs 相互作用可觸發(fā)多個信號通路。其中，脂多糖是一種炎性微生物代謝產(chǎn)物，已被證明可以加速α-syn 的聚集。有研究推測脂多糖通過與α-syn 結(jié)合而促進(jìn)TLR4∕MyD88∕NF-KB∕腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF-α）信號通路參與結(jié)腸神經(jīng)和內(nèi)臟神經(jīng)中炎癥的激活，誘導(dǎo)PD 小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的激活［13，21］。在PD 的早期階段，腸內(nèi)聚集性α-syn 可以通過與脂多糖作用減少腸道菌群衍生物SCFAs，增加黏膜膠質(zhì)激活和巨噬細(xì)胞含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-1依賴性炎癥小體及白細(xì)胞介素1β 的產(chǎn)生，最終降低結(jié)腸閉鎖小帶蛋白1 和閉合蛋白的表達(dá)，損害腸道屏障，最終通過迷走神經(jīng)向黑質(zhì)擴(kuò)散，誘導(dǎo)黑質(zhì)小膠質(zhì)細(xì)胞的彌漫性激活，導(dǎo)致PD 的發(fā)生［22］。此外，Zhong 等［23］研究表明，PD 腸道菌群可能激活大腦中α-syn 介導(dǎo)的TLR4∕PI3K∕AKT∕NF-KB 途徑而使小膠質(zhì)細(xì)胞失活。Sun 等［8］研究證明，PD 腸道菌群可能通過激活TLR4∕TBK1∕∕NF-KB∕TNF-α 信號通路來刺激小膠質(zhì)細(xì)胞活化，促進(jìn)PD模型小鼠的神經(jīng)炎癥進(jìn)展。

2.腸道菌群通過腸道炎性屏障激活α-syn 及T 細(xì)胞參與小膠質(zhì)細(xì)胞激活

最近的人類和小鼠研究表明，氧化的α-syn 構(gòu)成了參與PD 的T 細(xì)胞介導(dǎo)免疫反應(yīng)的主要抗原，這將進(jìn)一步促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞激活。PD 患者腸道生態(tài)失調(diào)后，出現(xiàn)腸道緊密連接成分下調(diào)，從而可能破壞腸道屏障，這可能是增加T 細(xì)胞進(jìn)入結(jié)腸黏膜的原因［24］。這時某些腸道菌群菌株會觸發(fā)由先天免疫細(xì)胞介導(dǎo)的初始炎癥，從而通過自身蛋白的共價修飾促進(jìn)局部氧化應(yīng)激，促進(jìn)形成α-syn 包涵體（尤其是硝化的α-syn）。這種包涵體被腸道黏膜抗原呈遞細(xì)胞捕獲，并呈遞給針對路易體衍生抗原的幼稚輔助性CD4 T 細(xì)胞，促進(jìn)輔助性T 細(xì)胞（helper T cell，Th）1 和Th17 的形成。然后Th1和Th17通過受損的血腦屏障進(jìn)入大腦并激活小膠質(zhì)細(xì)胞，誘導(dǎo)PD 神經(jīng)炎癥，最終導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元死亡和PD的進(jìn)行性發(fā)展［25］。

此外，小膠質(zhì)細(xì)胞也可作為局部的抗原呈遞細(xì)胞，呈遞主要組織相容性復(fù)合體Ⅱ類上的α-syn 衍生肽抗原，從而重新刺激T 細(xì)胞，使腦內(nèi)輔助性CD4 T 細(xì)胞被激活，釋放高水平的局部γ 干擾素和TNF-α，促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞M1 樣極化，激活的M1 小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生高水平的谷氨酸、TNF-α 和活性氧∕氮，進(jìn)而誘導(dǎo)神經(jīng)元死亡，并進(jìn)一步生成硝化的α-syn，刺激巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞中的Toll 樣受體，從而引發(fā)神經(jīng)炎癥及氧化應(yīng)激，進(jìn)一步產(chǎn)生α-syn 包涵體，這就構(gòu)成了慢性炎癥和路易體生成的惡性循環(huán)，從而損害神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元，降低多巴胺水平［25-26］。研究表明，在PD 中腸道菌群可通過調(diào)節(jié)對腸道調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞亞群的分化，從而調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞，抑制小膠質(zhì)細(xì)胞炎癥和輔助性CD8 T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞對α-syn 聚集的細(xì)胞毒性活性，介導(dǎo)黑質(zhì)紋狀體保護(hù)［27］。

3.腸道菌群通過分泌三甲胺N-氧化物（trimethylamine N-oxide，TMAO）影響α-syn構(gòu)象變化介導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞激活

TMAO 是腸道微生物產(chǎn)生的一種代謝物，主要來源于飲食成分中的膽堿和肉堿，可以在腦脊液中檢測到，對PD患者具有保護(hù)作用。Tan 等［28］研究表明，PD 晚期階段患者的糞便膽堿水平更高，PD 糞便中TMAO 的水平降低。Jamal等［29］證明TMAO 對PD 患者具有保護(hù)作用可能是因?yàn)門MAO 可以將α-syn 從一種構(gòu)象轉(zhuǎn)化為另一種構(gòu)象，防止α-syn 聚集和形成導(dǎo)致PD 的不溶性原纖維，減少小膠質(zhì)細(xì)胞激活及神經(jīng)炎癥因子釋放，延緩PD進(jìn)展。

結(jié)論

腸道微生物群的失衡在PD 中發(fā)揮重要作用，可能通過α-syn激活小膠質(zhì)細(xì)胞，從而介導(dǎo)神經(jīng)炎癥過程，促進(jìn)PD進(jìn)展。目前，尚不明確觀察到與PD 疾病相關(guān)的微生物群落變化是大腦功能改變的原因還是結(jié)果，但目前多項研究結(jié)果顯示，針對微生物群的干預(yù)可以恢復(fù)小膠質(zhì)細(xì)胞功能，并對神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)退行性疾病產(chǎn)生有益影響［5，13，23，30］。腸道菌群傳遞到大腦的信號有可能緩解或加劇PD 癥狀，這些變化的機(jī)制可能是通過腸道α-syn 介導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞行為變化而起作用。因此，腸道微生物學(xué)與PD 的進(jìn)展機(jī)制值得繼續(xù)探索，這可能帶來新的治療前景。目前，以腸道微生物為靶標(biāo)的干預(yù)治療措施，包括益生元、益生菌和糞菌移植策略，在PD 臨床前和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭酗@示了較有效的結(jié)果，并已經(jīng)涉及到中樞神經(jīng)系統(tǒng)的小膠質(zhì)細(xì)胞，對腸道菌群與小膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)一步研究可能會提高臨床上利用腸道微生物群開發(fā)創(chuàng)新的、非侵入性的、有效的PD治療策略的潛力。

作者貢獻(xiàn)聲明蔡金鳳：起草文章；王洪財、葛汝麗：對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱