阿爾茨海默病與腸道菌群相關性的研究進展

梁程鈺，陳兆基，崔 蕾，楊立青，夏艷敏綜述，李曉芳審校

隨著全球性人口老齡化的趨勢逐漸顯現，對于認知障礙性疾病的起病原因、發病機制、行為表現及其防治措施的研究備受全社會的矚目。阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)，是一種在老年人群中較為常見的以認知障礙為特征的中樞神經系統退行性疾病，是老年性癡呆中最常見的類型[1]。該病起病隱匿且緩慢，病情存在著進展性加重的特點。2017年在STEM CELLS以及STEM CELLS Translational Medicine發表的美國疾病控制與預防中心(Centers for Disease Control and Prevention，CDC)的最新數據顯示，美國AD的死亡率正呈現上升趨勢，這一年美國由每100000 AD患者中29例患者死亡增加到31例患者死亡，這意味著美國每年由于AD會增加數千名死亡人數[2]。這對每個存在AD患者的家庭無異于增加了一份沉重的精神負擔和經濟負擔，并且對全社會也會造成嚴重的經濟壓力。

AD的典型組織病理學改變為神經細胞外β-淀粉樣蛋白(β-amyloid protein，Aβ)的大量異常沉積形成老年斑以及神經細胞內的tau蛋白過度磷酸化形成神經元纖維纏結(neurofibrillary tangle，NFT)[3]。到目前為止，AD的具體發病機制并不清晰，但有越來越多的研究顯示炎癥的級聯反應與神經系統退行性疾病存在著相關性，尤其是與AD[4，5]。并且已經有研究表明AD患者的腸道菌群(Gut microbiota，GM)與正常人群存在差異，其組成較健康人發生了很大的變化[6]。Heping Shen等[7]對照性的將AD患者的GM移植到APP/PS1雙轉基因小鼠體內，發現NLRP3炎癥小體(NOD-like receptor protein 3 inflammasome，NLRP3 inflammasome)在小鼠腸道中表達增加，而且外周血中炎癥因子的表達水平也明顯增加。對比一直以來接受AD患者GM的小鼠較未接受AD患者GM的小鼠認知障礙更加嚴重，小鼠中央海馬小膠質細胞激活，神經炎性因子表達增強。隨后，在植入AD患者GM的APP/PS1小鼠中移植健康人的GM或口服二甲胺四環素來改善其GM的組成，發現NLRP3炎癥小體在其腸道中表達下調，小鼠的認知能力提高，海馬中部小膠質細胞活化被抑制，神經炎性因子表達也下調了。由此可見GM可以通過腦-腸軸來調控AD的炎癥因子表達，故本文將圍繞GM與AD的相關性的進展進行綜述。

1 腸道菌群與中樞神經系統

近些年，越來越多的證據表明，宿主與微生物之間的相互作用幾乎包含所有復雜的層次，從細胞間的直接通信到廣泛的系統信號傳遞，涉及到各種器官和系統，其中就包括中樞神經系統(central nervous system，CNS)。微生物群落對于宿主新陳代謝起著至關重要的支持作用，并且會產生許多無法從宿主細胞中獲得到的重要代謝物，這些都是通過構成微生物群落的遺傳物質的多樣性實現的[8]。微生物群對機體98%以上的遺傳活動都負有責任，它就好像是人體的“第二個基因組”[9]。人類擁有龐大且復雜的微生物群，而絕大部分微生物群定植于腸道內。腸道是我們參與分子間交互的最大門戶通路，各種各樣的飲食成分已經被證實與發育中的大腦直接進行作用，并會誘導成熟大腦的功能改變[10]。腸道微生物群在指導和促進大腦發育過程中發揮了作用，這對CNS的健康活動有著長期的影響[11]。

1.1 腸道菌群 人體內的微生物群是由細菌、病毒、原生動物、古細菌和真菌組成的，重量約1.5 kg，被認為是由100多萬億個微生物組成，這個數字超過了宿主細胞的10倍，其中細菌是主要的分類群，細菌門主要有兩種，即擬桿菌門和厚壁菌門，它們占人類腸道遠端系統發育類型的90%以上，還有一些豐度相對較低的變形桿菌門、放線菌門、梭菌門及疣微菌門等，均生活在人體的不同部位[12，13]，超過70%的微生物群生活在胃腸道中，與人體之間存在著互利互惠的關系，從胃腔到小腸，再到結腸、直腸，其數量穩定增長[14]。幾乎是在一個個體出生后不久，一個新的微生物生態系統就隨之誕生了，這個微生物生態系統位于人體的胃腸道內[15]，有研究表明新生兒腸道的早期定殖菌多來自于其母親，出生方式是影響足月嬰兒早期GM形成的重要因素[16]，經陰道分娩的嬰兒獲得的細菌與其母親陰道壁上的細菌相似，以乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬為腸道內優勢菌屬，而經剖宮產分娩的嬰兒獲得的細菌則類似于皮膚表面的定殖菌，常以葡萄球菌屬、棒狀桿菌、丙酸菌屬為腸道內優勢菌屬[17]。在生命剛開始的最初幾周，微生物群開始變得多樣化，逐漸形成一種復雜的、以厭氧菌為主的微生物群[18]。與此同時，下丘腦-垂體-腎上腺(HPA)軸被激活，會對支配胃腸道的腸道神經系統(enteric nervous system，ENS)產生影響，人體腸道內的微生物迅速增多，在三歲時達到成人的水平，雙歧桿菌向梭菌和擬桿菌的轉變就發生在宿主由嬰兒發育到成年人的過程中[19]。微生物群的組成在人的一生中都會發生變化，這與飲食類型、環境因素、疾病情況等都有關系。

微生物群在維持人體的健康中起著重要的作用，它可以幫助分解某些會被機體代謝掉的營養物質，并且得到一些具有神經活性的產物，就像腸道細菌會產生氨基酸(如：γ-氨基丁酸、色氨酸)[20，21]和單胺類神經遞質(如：5-羥色胺、組胺、多巴胺)，這些產物作為神經遞質或神經遞質的前體，在神經系統的健康活動中意義重大[22，23]。這些神經活性產物可以通過血流作用進入CNS，也可以影響ENS中的神經元。只有處在平衡狀態下，健康的胃腸道才會具有正常且穩定的GM，這時對人類健康有利的整個反應鏈才會發生。然而，當GM失衡時會導致炎癥性腸病[24]、腸易激綜合征[25]、胃腸道感染[26]、糖尿病、變態反應性疾病、代謝綜合征等疾病[27～29]。

1.2 微生物-腦-腸軸(Microbiota-Gut-Brain Axis，MGB) 在19世紀80年代，美國心理學家威廉詹姆斯與丹麥心理學家卡爾蘭格首次提出了在CNS和腸道器官之間的雙向交流會在情緒的調節中起作用這一觀點[30]，40年后，美國心理學家沃爾特坎農提出了大腦在胃腸道功能中起到重要作用的觀點[31]。通過許多嚙齒類動物的研究也能看出，從基礎微生物學到轉化醫學，腦腸軸已經成為許多不同領域的研究重點。腸道和大腦之間的幾種交流途徑已經被研究過了[32]。迷走神經是連接腸道和脊髓的神經，其末端連接腦干核團，接收并發出傳入神經纖維和傳出神經纖維[33]。通過這種方式，腦干核團可以控制許多腸道功能，并且將信號發送到大腦的其他區域，如丘腦和皮質區域[34]。腸道和大腦之間的交流也可以通過血液循環進行[35]。腸粘膜和血腦屏障允許免疫和內分泌因子的通過，如細胞因子和激素，可以影響腸道和大腦的功能[36]。并且值得注意的是，通過與無菌小鼠對比證明了腸道菌群有助于免疫、內分泌及神經系統的成熟[37]。因此，MGB軸可以被視為一個多功能網絡，其中CNS、周圍神經系統(peripheral nervous system，PNS)、免疫以及內分泌系統均參與其雙向交流[37]。

2 腸道菌群與AD

2.1 腸道菌群與神經遞質 目前有很多研究表明，GM在AD患者中發生了改變，可能參與了AD的發病機制。一項通過對43例AD患者進行的16s rRNA測序得出在分類水平上，AD患者的細菌類群與對照組不同，例如擬桿菌、放線菌，瘤胃球菌，毛螺旋菌、硒單胞菌等在AD患者中明顯增加。此外，許多細菌本身就能夠合成和釋放許多神經遞質和神經調節因子，腸內分泌細胞能夠分泌神經肽，這都表明腸道微生物群可能參與了AD的病理發展[38～40]。腸道內存在乳酸菌和雙歧桿菌等革蘭氏陽性菌可以產生γ-氨基丁酸(GABA)，GABA是人類中樞神經系統中的一種重要的抑制性神經遞質[41]。神經系統中GABA的濃度與腸道中GABA的濃度有關，若腸道內乳酸菌、雙歧桿菌等革蘭氏陽性菌減少，腸道內的GABA便會減少，相應地會導致CNS中GABA的水平降低。然而，GABA介導神經調節和神經遞質的傳遞，若其水平降低導致該系統功能障礙會引起認知障礙性疾病，例如AD。通過與未患AD的個體進行尸檢對比得到，AD患者的額葉、顳葉、頂葉皮質中GABA的水平是減低的[42]。5-羥色胺(5-HT)在認知功能的調節中起著重要的作用，選擇性5-HT再攝取抑制劑可以減少大腦中Aβ的合成，因此增加細胞外5-HT的水平可以減少老年斑的形成，從而降低AD的風險[43]。在腸道內假絲酵母菌、鏈球菌、大腸埃希菌等合成人體所需的95%以上的5-HT，而無菌小鼠血液中5-HT水平較GM正常的無致病性小鼠低60%左右，但是將無菌小鼠的GM重建后可以檢測到5-HT濃度升高[44]。谷氨酸是人類CNS中一類重要的興奮性神經遞質，N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)谷氨酸受體在大腦正常學習和記憶中發揮著重要作用[45]。通過對無菌小鼠和給予抗生素飼養的小鼠的觀察研究可以了解到NMDA受體與GM具有相關性，無菌小鼠和給予抗生素的小鼠腦內海馬體部NMDA mRNA表達及NMDA受體水平明顯降低[46]。除此之外，腸道內乳酸菌的減少會導致乙酰膽堿(Ach)水平相應地減低[47]，Ach的減少則會引起皮質中膽堿能神經遞質功能紊亂，這是造成AD患者認知障礙的基礎[48]。在AD患者腦和血清中發現在突觸間阻止Aβ和tau蛋白大量聚集的腦源性神經營養因子(BDNF)的含量下降[49]，并且在無菌小鼠的海馬中BDNF的表達較GM正常的無致病性小鼠也是低的[50]。腸道內藍藻菌水平升高會產生過多的神經毒素，例如：β-N-甲基氨酸-I-丙氨酸(BMAA)會干擾NMDA的正常生理活動，并且長期暴露于BMAA環境中會造成細胞內神經元纖維纏結和Aβ的沉積，增加AD的風險[51]；蛤蚌毒素和魚腥藻毒素-α等隨著年齡的增長會進一步造成神經系統疾病，提高AD的患病風險[52]。

2.2 腸道菌群與炎癥反應 另外長期以來，研究人員一直在研究神經系統退行性疾病可能的感染原因。已經有報道AD與單純皰疹病毒、螺旋菌、肺炎衣原體以及真菌的感染有關[53～55]。在APP/PS1雙轉基因小鼠中初步觀察到，與野生型對照組相對比這些動物的Allobaculum和Akkermansia(阿克曼菌)減少，而Rikenellaceae(理研菌科)增多[56]。神經炎癥被認為是造成神經系統退行性疾病的病理學變化的主要原因之一[57]。在CNS和PNS中產生的促炎細胞因子調節神經元功能，并能夠引起病理性細胞死亡[58]。小膠質細胞在預防和促進神經系統退行性疾病中有重要的意義，所以有理由推測GM可能會影響這些導致大腦衰老的炎癥性疾病。GM的改變可能促進了炎癥的過程，從而導致AD的神經炎癥。GM中的某些細菌可分泌大量脂多糖(LPS)和淀粉樣蛋白，這些LPS和淀粉樣蛋白可能是導致AD在衰老方面的發病機制，隨著年齡的增加胃腸道上皮細胞和血腦屏障的通透性增強。有人提出LPS和淀粉樣蛋白可能直接或間接的通過受損的胃腸道或血腦屏障這些具有保護性的生理性屏障，然后觸發細胞因子或其他正常轉運的小促炎性分子[59，60]。最近有一項研究報道[61]，脆弱擬桿菌脂多糖(BF-LPS)暴露于人類主要的腦細胞是促炎性轉錄因子NF-kB(p50/p65)復合物的強效誘導因子，該復合物是炎癥性神經系統退行性改變中致病通路表達的已知觸發因子。并且AD患者大腦的特征是，BF-LPS也能夠進一步識別TLR2、TLR4、CD14小膠質細胞受體及Aβ42。除了產生LPS外，許多腸道菌株也能產生大量淀粉樣蛋白，包括大腸桿菌、枯草桿菌、鼠傷寒沙門氏菌、腸沙門氏菌、結核分枝桿菌和金黃色葡萄球菌，通過蛋白質異常積累折疊成Aβ有助于形成AD的病理改變[62]。據推測，腸道細菌產生的功能性淀粉樣蛋白可能是神經元蛋白質錯誤折疊的來源，并通過交叉播種啟動先天免疫以及激活神經炎癥[63]。

3 結 語

在體內處于穩態的健康的胃腸道具有正常且穩定的GM，能夠為機體的正常生活提供營養和能量。腸道微生物群影響著人類的健康和疾病，腸道細菌可以通過MGB軸調節腦腸之間的相互作用。神經系統退行性疾病的發生與腸道微生物群和神經炎癥密切相關，但具體機制尚不清楚。腸道微生物群可以產生氨基酸，作為神經遞質的組成部分，影響CNS和ENS中的神經元的活動。此外，淀粉樣蛋白的沉積、神經元纖維纏結、GM和神經炎癥均證實在AD的發生中起到了重要的作用。目前，我們可以通過腦結構和功能的影像學標記來對AD進行診斷，在未來我們可能會結合神經炎癥的影像學表現和炎癥標志物對AD進行早期診斷，便于及時對AD患者進行干預指導。我們也有可能根據與AD相關的神經炎癥和GM的變化，為AD患者的治療找到新方法，如用于治療神經炎的非甾體類抗炎藥和改善腸道微生物的益生菌。

總的來說，GM可能通過淀粉樣蛋白沉積、神經元纖維纏結和神經炎癥的結合來引發AD。為了研究GM與AD之間的關系，需要開發新的方法來輔助AD的臨床診斷。以GM這一方向為線索，可能會為臨床醫生對AD的早期診斷、預防和治療提供新的更有效的途徑。然而，這一些假設需要更多更有力的實驗研究來得以證實。我們也十分期待能夠以此為突破口，為AD患者及其家人帶來希望。