腸道菌群與阿爾茨海默病的相關研究進展

張林杰，詹 瑩，周哲屹，頓玲露，安紅偉※

(1.廣西中醫藥大學研究生院，南寧 530000； 2.柳州市中醫院腦病科，廣西 柳州 545000)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是一種進行性神經退行性疾病，多發于老年人，主要的臨床表現是認知功能障礙及記憶能力的降低，嚴重時導致癡呆。有報告顯示，2000—2013年美國腦卒中患者死亡人數下降了23%，而AD患者死亡人數增加了71%，預計2050年，每年累計新發AD患者約100萬例[1]。因此，早期發現并延遲或阻止AD發生發展十分重要。目前普遍認為，AD由β淀粉樣蛋白(β amyloid protein，Aβ)和tau蛋白的異常沉積導致突觸功能障礙和神經元凋亡所致[2]。Honig等[3]給予輕度AD患者茄尼醇單抗(用于清除大腦中的可溶性Aβ)400 mg每4周給藥1次，持續76周發現，茄尼醇單抗對AD患者認知能力無顯著影響，可見單純Aβ沉積并不能完全解釋AD的發病過程。越來越多的研究表明，神經炎癥在AD發病過程中起重要作用[4- 6]。腸道菌群可通過影響腦- 腸軸調節AD的神經炎癥。現對腸道菌群與AD相關研究進展予以綜述。

1 腸道菌群的組成和功能

胃腸道微生物是人體發現的細菌密度最高的微生物系統。腸道菌群總重量為1～1.5 kg，相當于1/3左右干糞便的量[7]。腸道微生物以厚壁桿菌、擬桿菌屬、變形桿菌以及放線菌為主，腸道微生物基因是人類基因的250～800倍，可作為人體的第二大基因組[8]。當機體腸道菌群處于穩態時，可對人體免疫和代謝發揮重要的生物學作用，并與機體形成互利共生關系，這種關系主要通過腦- 腸軸介導，腸道菌群通過刺激腸道上皮細胞再生、產生黏液增強腸道屏障功能，進而抑制病原微生物入侵；此外，還可通過直接合成各種神經遞質和神經調節劑(如血清素、短鏈脂肪酸)影響中樞神經系統疾病的發生；反之，完善的神經系統亦可通過迷走神經影響腸道菌群的運動、消化和吸收。

2 腸道菌群與AD的相關性

腸道菌群可隨機體年齡的增長表現出明顯的差異性。與腸道菌群種類豐富的成年人相比，老年人群腸道菌群的多樣性降低，厚壁菌門和擬桿菌門的比例明顯下降，此外，老年人群免疫力降低、腸道易感性增加均影響了腸道菌群構成和分布[9]。當機體處于病理狀態時，腸道菌群會發生相應的改變。Vogt等[10]對AD患者糞便的研究發現，AD患者的腸道菌群多樣性明顯下降，厚壁菌門和桿菌屬豐度降低，擬桿菌門豐度升高。Cattaneo等[11]對認知障礙和腦淀粉樣變性AD患者的研究發現，腸道促炎性大腸埃希菌/志賀氏菌豐度增加，抗炎分類菌群豐度明顯減少，血清促炎癥因子明顯升高，故由此推測，腸道菌群豐度降低與腸道周圍神經炎癥有關，而腸道長期處于炎癥狀態導致細菌定植增加，進一步破壞了機體腸道菌群的動態平衡。有研究發現，幽門螺桿菌可通過誘導產生抗炎癥因子白細胞介素(interleukin，IL)10逃避宿主的免疫反應，而血清幽門螺桿菌特異性IgG抗體的明顯增加會加重AD的病理過程[12- 13]。此外，一項對美國成人的回顧性隊列研究發現，男性幽門螺桿菌血清陽性與AD死亡率呈正相關[14]。由此可見，腸道菌群與AD的發生存在重要關聯。

3 腸道菌群導致AD的機制

腦- 腸軸反映了中樞神經系統與胃腸道之間的雙向持續溝通。大腦可通過調節自主神經功能影響腸道的運動和分泌，反之，腸道菌群亦可通過影響腸道功能、神經發生、代謝產物來調控腸道功能。腸道微生物可通過對腦- 腸軸的作用實現對AD的調控。

3.1腸道菌群與腸道功能 腸道菌群組成改變可導致腸道屏障破壞，引發腸道炎癥。腸道屏障由黏液層、腸上皮和固有層組成。研究表明，腸道菌群組成的改變會強烈影響黏液層的成熟和功能，且微生物群的組成也決定了黏液層的性質及滲透性[15- 16]。研究發現，腸道艾克曼菌的大量存在可以改善腸道屏障功能，長期補充艾克曼菌小鼠結腸黏液層的厚度較未補充艾克曼菌小鼠增加約3倍，甚至較補充植物乳桿菌WCFS1小鼠的黏膜層更厚；此外，長期補充艾克曼菌小鼠的免疫炎癥也明顯減輕，B細胞表達量明顯減少[5]。

當腸道黏膜結構紊亂時，腸道屏障中斷導致腸道上皮滲透性增加，細菌異位(過程稱為變態反應)或有害物質進入血流，引起腸道炎癥。腸道炎癥可通過評估糞便中鈣保護素水平間接測量。鈣結合蛋白是由鈣結合蛋白A8/A9形成的雜二聚體，屬于S100家族的鋅結合蛋白，具有明顯的抗菌作用[6]。S100鈣結合蛋白A8/A9具有淀粉樣基因氨基酸序列，本質上可形成與淀粉樣蛋白非常相似的淀粉樣低聚物。Leblhuber等[17]對22例AD患者糞便鈣保護素水平進行檢測發現，近70%AD患者糞便鈣保護素水平明顯升高。故推測，腸道炎癥與腸道屏障功能障礙直接相關，腸道炎癥可引起S100鈣結合蛋白A8/A9增高，進而誘導AD的發生。

3.2腸道菌群與神經發生和傳導 腸道微生物可通過神經營養物質及其受體控制神經元分化和存活通路，影響大腦不同區域的神經元，從而影響神經發生和傳導。研究表明，腸道微生物可影響血腦屏障形成以及髓鞘形成等神經生成過程，并調控動物行為和認知等[18]。將常規小鼠體內微生物定植到無菌小鼠(出生時缺乏微生物群)體內的研究發現，定植常規菌群的無菌小鼠的腸神經解剖結構更加完整，且小腸的運轉速率也明顯提高，表明腸道微生物可通過釋放血清素或激活血清素受體誘導腸神經的成熟[19]。Luczynski等[20]的研究發現，無菌小鼠的異常應激激素信號傳導、焦慮樣行為以及認知缺陷與其基底外側杏仁核的棘狀中間神經元和錐體神經元均出現樹突狀增大，海馬神經元較短有關。此外，無菌小鼠可出現初級傳入神經元鈣依賴性超極化后電位增強、肌間神經元的興奮性降低、神經元傳導功能受損，直接影響其行為認知[21]。

腸道微生物還可分泌神經調節劑(短鏈脂肪酸)，以調節重要免疫細胞和血腦屏障。研究表明，宿主微生物群對維持小膠質細胞內環境穩態起重要作用，無菌小鼠小膠質細胞發育停滯于未成熟狀態[22]。McVey Neufeld等[21]的研究發現，無菌小鼠內皮組織中調節屏障功能的緊密連接蛋白表達降低，導致無菌小鼠血腦屏障對大分子物質的滲透性增強。然而，將腸道細菌發酵產生的短鏈脂肪酸注入無菌小鼠腸道發現，未發育小膠質細胞以及血腦屏障滲透性均明顯改善，可見腸道菌群對小膠質細胞和血腦屏障的成熟及功能具有重要的調節作用[22- 23]。

3.3腸道菌群與AD的發生

3.3.1腸道代謝產物與神經炎癥 腸道菌群是Aβ和脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)的重要來源，其中革蘭陰性桿菌可分泌大量的LPS。腸道微生物可影響大腦Aβ的沉淀，對Aβ前體蛋白轉基因小鼠模型的研究發現，無菌Aβ前體蛋白轉基因小鼠可明顯降低Aβ的沉淀；與移植野生型小鼠腸道菌群的小鼠相比，移植Aβ前體蛋白轉基因小鼠腸道菌群的無菌Aβ前體蛋白轉基因小鼠大腦中Aβ水平明顯升高[24]。細菌Aβ與中樞神經系統Aβ的初級結構不同，但三級結構有相似之處，腸道細菌Aβ可能激活免疫系統，增強大腦對內源性神經Aβ產生的免疫反應。有研究發現，暴露于可產生卷曲蛋白的大腸桿菌環境下的大鼠腸道及其大腦神經突觸的核蛋白沉積增加，炎癥因子水平明顯升高，其中IL- 6和腫瘤壞死因子- α明顯升高，小膠質細胞和星形膠質細胞的數量也明顯增加[25]。

LPS可導致神經炎癥的發生率升高，影響 AD患者的認知。d′Avila等[26]給予幼年(2月齡)和老年小鼠(12月齡)低劑量LPS(每周1次，持續6周)的研究發現，與幼年小鼠相比，老年小鼠偶發全身炎癥的易感性增加，且全身炎癥使老年小鼠的探索性活動減少，情景記憶力和空間記憶力顯著下降；而全身炎癥可誘導幼年小鼠急性小膠質細胞的活化，并使其認知和記憶恢復到基本水平，因此，可將LPS作為細菌病原體入侵機體的檢測標志物之一。LPS可作用于白細胞和小膠質細胞Toll樣受體4- CD14/Toll樣受體2，刺激由核因子κB介導的炎癥因子的釋放，并促進大腦Aβ的產生，進而損害少突膠質細胞和髓鞘[27]。Aβ1～42還可作為Toll樣受體4受體激動劑，引起大腦Aβ水平持續增高，形成惡性循環，加重AD病情進展。

3.3.2腸道菌群代謝產物與AD 微生物組來源的Aβ和LPS對完善人體免疫和促進神經炎癥發揮重要作用。AD患者的神經炎癥和神經功能障礙存在聯系，其關聯性主要由小膠質細胞和星形膠質細胞的逐漸激活以及炎癥分子的過度產生介導[28]。生理狀態下，小膠質細胞與神經元通過相互作用調控中樞神經損傷引起免疫反應，維持大腦穩態，其中神經元能快速感應到炎癥信號，當神經元發生病理性改變時，小膠質細胞可及時參與神經元修復[29]。AD早期活化的小膠質細胞和星形膠質細胞是中樞神經系統的免疫防線，可調節可溶性介質的釋放，并吞噬中樞神經系統特異性碎片及Aβ和tau等異常聚集蛋白，避免了異常聚集蛋白的沉積，隨著疾病進展，活化的小膠質細胞通過過度表達促炎細胞因子(如IL- 1β、IL- 6和腫瘤壞死因子- α)引起神經元損傷，造成神經退行性改變。Chakrabarty等[30]對轉基因小鼠大腦模型的研究發現，IL- 10的過度表達能誘導Aβ沉積，導致記憶障礙。體外研究表明，IL- 10和血脂蛋白E可以單獨損害神經膠質細胞對Aβ的吞噬作用。由此可見，具有恢復小膠質細胞和星形膠質細胞正常生理功能的分子對預防AD具有重要意義。

神經炎癥中，調節免疫細胞功能的方法有多種，如降低細胞因子的基因表達、抑制細胞因子釋放、防止細胞因子與其受體結合等。Fu等[31]的研究發現，IL- 33可使淀粉樣前體蛋白/早衰蛋白1小鼠的小膠質細胞趨向于抗炎癥表型，并可減少促炎基因的表達，使可溶性Aβ水平和淀粉樣蛋白沉積降低，從而明顯改善AD小鼠的認知功能。

4 益生菌對AD的治療作用

益生菌是活的微生物，適量服用對宿主健康有益。益生菌可通過Toll樣受體與腸上皮細胞或固有層相關免疫細胞相互作用，誘導產生不同的細胞因子或趨化因子，刺激抗炎細胞因子并抑制炎癥細胞因子，加強腸道屏障和拮抗病原體對機體的侵襲[32- 33]。益生菌可能影響與神經遞質相關代謝物的水平，改變大腦功能。對大鼠的研究發現，與對照組(生理鹽水)大鼠相比，益生菌組大鼠(瑞士乳桿菌R0052和長雙歧桿菌R0175治療14 d)腦源性神經營養因子的表達升高，對炎癥反應的抑制更明顯，可見益生菌可減輕LPS引起的神經炎癥和記憶缺陷[34]。此外，益生菌補充劑可能通過預防氧化和神經炎癥來延緩與年齡相關的認知衰退。分別給予雄性和雌性衰老加速易感8小鼠生理鹽水和乳酸桿菌PS32的研究發現，乳酸桿菌PS32組小鼠的衰老評分較低，IL- 10水平降低，焦慮樣行為和記憶損害較輕[35]。

益生菌可逆轉腸道菌群失調引起的AD病程加重及記憶認知缺陷。Athari Nik Azm等[36]對60只Wistar大鼠的實驗研究發現，與AD組Wistar大鼠相比，益生菌組Wistar大鼠的空間記憶能力明顯改善，逃逸潛伏期和旅行距離均較短，且目標象限的停留時間較長，表明腸道菌群在AD病理機制中具有重要調節作用。

5 結 語

胃腸道菌群在腸道和大腦的雙向溝通中發揮著重要作用，可通過復雜的直接和間接途徑與神經系統相互作用。此外，淀粉樣斑塊、神經纖維纏結、腸道菌群和神經炎癥在AD中發揮重要作用，但具體機制尚不清楚。益生菌可通過調節腸道菌群穩態減少Aβ沉積，降低抗炎癥因子的過度釋放，顯著提高機體的認知功能，但臨床具體菌株及使用劑量周期仍需要大量實驗進一步明確。未來可能通過腸道菌群中菌屬變化預測AD的發生，并通過測定神經炎癥標志物早期診斷AD，或通過拮抗抗炎癥因子藥物延緩AD的病程。