腸道微生物菌群對阿爾茲海默癥的相關作用機制

張立愔，許 龍，呂冬云，孫 睿，張國超，盛 雪

(1.佳木斯大學 a.生命科學學院; b.基礎醫(yī)學院，黑龍江 佳木斯 154002；2.黑龍江省佳木斯市第十一中學，黑龍江 佳木斯 154002)

阿爾茲海默癥(Alzheimer disease's, AD)主要病理特征是認知、行為的嚴重喪失。組織中常見的病理特點為β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein, Aβ)和異常磷酸化Tau蛋白(AD p-Tau)纏結聚集。近年研究表明，AD影響的腦細胞中存在大量的脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)，這些腦細胞表現(xiàn)為在同一種突觸成分中存在顯著缺陷[1]。腸道微生物菌群對腦發(fā)育、認知功能、應激行為等中樞神經(jīng)系統(tǒng)活動均有影響[2]。作為神經(jīng)元間通訊的基本結構和功能的組成，具有足夠一致的蛋白質(zhì)質(zhì)量和數(shù)量的突觸對維持功能神經(jīng)的信息傳遞以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)中的神經(jīng)連接功能發(fā)揮至關重要的作用，而腸道微生物細菌分泌物與此結構的功能完整性密切相關[1]。在過去的幾年中證明多個突觸前和突觸后蛋白包括Neurexin家族、突觸體相關磷蛋白SNAP-25和突觸素-2(synapsin-2, SYN-2)、I型細胞黏附蛋白(neuroligin, NLGN)和富含脯氨酸的SH3-錨蛋白重復序列，這些重復序列包含細胞骨架Scaf，折疊蛋白Shank3等已被確定對在調(diào)節(jié)突觸神經(jīng)傳遞、神經(jīng)元間信號傳導和突觸可塑性中起關鍵作用[3]。越來越多的證據(jù)表明，這些關鍵的突觸元件和突觸相關蛋白聯(lián)合下調(diào)損害了跨突觸的通訊，影響這些神經(jīng)間信息傳遞障礙的因素被認為是腸道微生物細菌分泌物，最終導致神經(jīng)間傳遞信息障礙，伴隨著行為、認知和記憶功能的缺陷，而以上提到的缺陷又會影響機體的情緒，其中負性情緒占比增加則會導致腸道微生物菌群多樣性的進一步惡化，進而產(chǎn)生惡性循環(huán)[4]。

1 腸道微生物菌群

人類的胃腸道中包含一個復雜的微生物群，并且這個微生物群的組成取決于出生時所接觸的細菌[5]，并隨時間的推移腸道微生物組成會出現(xiàn)不同比例的變化。微生物群與整個生物體間已有的宿主相互作用和共生關系與人類健康和疾病存在顯著的關聯(lián)[4-6]。

微生物群主要由細菌組成。古細菌、真菌、微生物、真核生物、原生動物、病毒和其他微生物在其中構成了微妙平衡[5-6]。在目前公認的54個細菌門中，人類主要與其中兩個主要的分支：厚壁菌門(Phylum Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroides)共同進化，這2個主要細菌門代表了我們微生物群的“細菌核心”[6]。

某些類桿菌物種，如脆弱類桿菌(B.fragilis)，作為人類胃腸道的一種正常共生微生物, 它們能夠合成或代謝膳食纖維、復合糖和多糖，對人類健康有益；其次在代謝中所產(chǎn)生的葉酸、揮發(fā)性脂肪酸和其他營養(yǎng)素對宿主免疫和消化系統(tǒng)的發(fā)育、維護體內(nèi)穩(wěn)定平衡狀態(tài)發(fā)揮顯著作用[5]。然而，當類桿菌(包括脆弱桿菌)的腸毒性菌株增殖并分泌大量神經(jīng)毒素(如BF-LPS)時，會通過處于正常保護狀態(tài)的胃腸道黏膜屏障和血液系統(tǒng)，增加血漿中促炎細胞因子(interleukin-6, IL-6)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-alpha，TNF-α)與抗炎藥細胞因子IL-10和IL-1受體拮抗劑以及血漿皮質(zhì)醇、血漿去甲腎上腺素的分泌，這些變化伴隨著沮喪、焦慮情緒的增加等情緒刺激導致長期記憶受損[2，7]。自從瑞士EPFL的研究小組通過動物實驗證明：腸道微生物菌群與包括AD在內(nèi)的其他神經(jīng)退行性疾病具有直接關聯(lián)后(具體體現(xiàn)在β-淀粉樣斑塊的含量變化)，嘗試證明腸道微生物細菌分泌物是如何影響神經(jīng)間傳遞信息從而影響其功能障礙的，已成為目前首要攻克的難關[5]。

2 微生物細菌分泌物

脆弱擬桿菌釋放的脂多糖(B.fragilis-lipopolysaccharide, BF-LPS)是已知的最具神經(jīng)毒性和促炎性的脂多糖之一[6-8]。脆弱擬桿菌產(chǎn)生3種主要的有毒分泌產(chǎn)物：淀粉樣蛋白，LPS和腸毒素[6]。

2.1淀粉樣蛋白 淀粉樣蛋白即對任何不溶的，富含脂蛋白的分子而言。這些分子表現(xiàn)出垂直于其原纖維軸取向的β折疊的片狀結構[8]。腸道大量存在的微生物，尤其是細菌和真菌，會產(chǎn)生大量的細菌淀粉樣蛋白，LPS，腸毒素在內(nèi)的微生物滲出物[9-11]。所有已知蛋白質(zhì)中有一半以上都含有“非結構化”區(qū)域[11-12]。微生物和宿主淀粉樣蛋白之間可能存在常見的三級蛋白質(zhì)結構[6]。例如，表征AD的淀粉樣蛋白主要由富含40個氨基酸的Aβ40肽的“血管周圍”淀粉樣蛋白沉積組成；“實質(zhì)”淀粉樣蛋白則由富含42個氨基酸的Aβ42肽和“核”淀粉樣蛋白，它們由包含脂蛋白原纖維和致密淀粉樣蛋白聚集體的高度復雜的混合物組成[10-13]。雖然“分子擬態(tài)”的傳播和加速淀粉樣蛋白的生成在啟動宿主先天免疫系統(tǒng)和微生物群激活小膠質(zhì)細胞方面扮演重要作用，小膠質(zhì)細胞介導產(chǎn)生的神經(jīng)炎癥加之淀粉樣蛋白的積累、堆積可能誘發(fā)AD[13-15]。

2.2LPS LPS是大多數(shù)革蘭陰性細菌外膜單分子層的主要成分，像一個緊密的屏障[16](圖1)，由一個稱為 o-抗原的多糖、一個核心寡糖和脂質(zhì)A 3個不同的結構組成[17]。LPS具有區(qū)分G-細菌外膜外小葉成分進入細胞外空間的作用，研究中一直認為LPS可以發(fā)揮某種宿主-病原體免疫逃避策略，對細菌存在有益，在宿主內(nèi)引起強烈的免疫和促炎作用[11, 18-19]。LPS等細菌成分提供對先天免疫系統(tǒng)的低級強直刺激[2]。盡管LPS包含較大且高度可變的寡糖區(qū)域，但相對保守的脂質(zhì)區(qū)域的脂質(zhì)A核心(lipid A core)是負責誘導的內(nèi)毒素的生物活性部分[13, 20]。由于細菌失調(diào)、小腸細菌過度生長或腸道通透性增加而引起滲出的LPS過度刺激集體神經(jīng)系統(tǒng)，可能導致全身和中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥。近期研究試驗表明：(1)BF-LPS是已知的人類原代神經(jīng)元-神經(jīng)膠質(zhì)共培養(yǎng)物中最有力的核因子NF-κB(nuclear factor kappa-B, NF-κB)激活誘導劑之一[21-22]。(2)LPS和MD-2蛋白(MD-2 protein，MD-2)特異性激活人類Toll樣受體(toll-like receptor 4)，從而導致細胞因子和趨化因子的高度多效性混合物的產(chǎn)生，進而促進炎癥反應和先天免疫反應，促進淀粉樣蛋白的聚集[23-25]。

圖1 革蘭陰性菌包膜組成中的LPS (摘自于Rhee SH.Lipopolysaccharide: basic biochemistry, intracellular signaling, and physiological impacts in the gut[J].Intest Res, 2014, 12(2):90-95)

2.3腸毒素 腸毒素(fragilysin)，也稱為BFT，能被腸道吸收，直接或間接影響腸黏膜功能[2]。近期研究發(fā)現(xiàn)表明BFT的致病作用：(1)在亮氨酸附近具有廣泛的蛋白水解特異性, 中斷了細胞間黏附的完整性[2, 18];(2)通過分裂上皮細胞之間的細胞間蛋白質(zhì)(如 E-cadherin)，破壞了細胞旁屏障，導致出現(xiàn)“滲漏”屏障。促炎滲出物與先天免疫紊亂以及人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)內(nèi)的炎癥信號相互聯(lián)系很可能與AD相關[21]；(3)水解明膠，纖維蛋白原，細胞外基質(zhì)蛋白，例如E-鈣黏蛋白；快速降解細胞內(nèi)蛋白，例如肌動蛋白和肌球蛋白誘導上皮細胞-細胞分離，為受損和“漏出”的胃腸道屏障奠定了形態(tài)基礎[2, 19, 26]。

細菌淀粉樣蛋白也可通過受損腸膜，以血流的方式到達中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)，增加了Aβ聚集體的成核并引發(fā)包含Toll樣受體(TLR，CD14，TLR2)結合蛋白水平增加以及核因子活化B細胞κ輕鏈增強子(nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells, NF-κβ))的激活等一系列炎癥反應[4, 27]。細菌淀粉樣蛋白也增加外周單核細胞中TLR4-2的表達，TLR4-2識別細菌淀粉樣蛋白并觸發(fā)單核細胞分泌炎性細胞因子，在神經(jīng)變性和AD的發(fā)作和惡化中起觸發(fā)作用[4, 28]。

微生物細菌分泌物滲出在一定程度上說明了上皮細胞-GI屏障的損壞，是系統(tǒng)性炎性疾病開始和傳播早期主要體現(xiàn)之一[6, 13]。在人類初級神經(jīng)元-神經(jīng)膠質(zhì)共培養(yǎng)中，BF-LPS為促炎性轉(zhuǎn)錄因子NF-κB(p50/p65復合體)的有效誘導劑，促進AD神經(jīng)病理學的淀粉樣多肽；TNF-α、IL-1β、IL-2、IL-6、IL-8、IL-12、趨化因子、黏附分子、集落刺激因子；炎性基因TNF 受體相關因子(receptor-associated factors, TRAF1/TRAF2)等的表達，對AD病程進一步發(fā)展作用顯著[6, 12, 26]。

此外，人體腸道微生物群還以多種方式影響人類大腦健康：(1)細菌酶可產(chǎn)生D-乳酸、氨等神經(jīng)毒性代謝產(chǎn)物。短鏈脂肪酸包含乙酸、丙酸、丁酸等有益代謝產(chǎn)物也可能產(chǎn)生神經(jīng)毒性[2]。(2)腸道微生物能產(chǎn)生與人類相同的激素和神經(jīng)遞質(zhì)，如皮質(zhì)醇，內(nèi)分泌物，細胞因子等。這些激素的細菌受體影響微生物的生長和毒性[29]。(3)腸道微生物分泌物刺激腸神經(jīng)系統(tǒng)的傳入神經(jīng)元，如5-羥色胺(5-HT)，通過迷走神經(jīng)向大腦發(fā)送信號[30]。通過這些不同的機制共同影響人體記憶、情緒和認知功能。

3 益生菌治療

益生菌，是一組活的微生物，它們通過調(diào)節(jié)人體腸道中的微生態(tài)平衡而發(fā)揮對人體有益的作用。益生菌治療時通過修復宿主黏膜與系統(tǒng)免疫功能、減少腸道微生物細菌分泌物的滲出、恢復小腸上皮細胞通透性以抑制有害菌生長，共同調(diào)節(jié)腸道內(nèi)菌群平衡，具有促進營養(yǎng)吸收保持腸道健康的作用，從而產(chǎn)生有利于宿主健康的單微生物或組成明確的混合微生物。許多研究表明，腸道微生物群通過“腸道微生物細菌分泌物”途徑，調(diào)節(jié)人類大腦的發(fā)育和行為及情緒變化[2, 4, 6]。臨床研究表明，以抑郁癥患者舉例，益生菌給予4周以上，大腦的正性情緒表達提高，大腦行為認知活動增強，益生菌在預防和治療自閉癥譜系障礙，阿爾茲海默病，帕金森病，抑郁癥和多發(fā)性硬化癥以及其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面具有較好療效[36]。在益生菌結合合生元對小鼠急性結腸炎炎癥和微生物群的影響實驗當中，益生菌和合生元通過抑制有害菌屬的增殖，促進有益菌屬(乳酸桿菌，雙歧桿菌等)數(shù)量和功能的恢復，對恢復腸道微生物菌群平衡狀態(tài)具有顯著作用[33-36]。益生菌和合生元可減輕小鼠急性結腸炎的炎癥反應，減少某些有害菌分泌產(chǎn)物，通過腦-腸軸減少細菌分泌物對中樞神經(jīng)的毒害作用，進而影響Toll樣受體的過度表達，減少腦內(nèi)β-淀粉樣蛋白沉積和神經(jīng)原纖維纏結(NFT)[37]。由此可知益生菌可恢復機體腸道微生物菌群的多樣性、增強機體正性情緒，在增強腦內(nèi)神經(jīng)活動方面具有積極作用。

4 飲食-腸道微生物-神經(jīng)系統(tǒng)

飲食的成分對腸道微生物的功能具有重要的影響，飲食模式在改變腸道微生物時，亦通過腸-腦軸，下丘腦-垂體-腎上腺軸等多種復雜方式影響大腦[2, 32]。在人類成年人菌群中厚壁菌門和擬桿菌屬占主導地位，放線菌，變形桿菌和疣狀微生物僅占生物體的2%[2]。有益菌大部分屬于費氏桿菌，擬桿菌，優(yōu)桿菌，大腸桿菌和雙歧桿菌[32]。飲食中動物蛋白和脂肪含量占比高會使腸道擬桿菌門豐富度降低，素食或單糖含量高的飲食有利于雙歧桿菌的生長[33]。

飲食的營養(yǎng)價值對改變腸道微生物多樣性并非占據(jù)主導作用[34]。例如多酚是具有生物利用度的非營養(yǎng)植物化合物，生理作用很大程度上取決于它們通過腸道菌群進行轉(zhuǎn)化。因此，多酚會改變微生物的生長模式。一個人的多酚成分飲食可能比大量營養(yǎng)素飲食更有利于腸道微生物的穩(wěn)定[35]。據(jù)此，是否可以假設在我們的機體中存在將飲食-腸道微生物-神經(jīng)系統(tǒng)相互關聯(lián)的網(wǎng)絡。在此基礎上，通過改善包含AD在內(nèi)的相關神經(jīng)退行性疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的飲食，調(diào)節(jié)機體內(nèi)腸道微生物菌群多樣性及分泌物的產(chǎn)生，最終實現(xiàn)預防及治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的目的。Chen 等[38]在研究得出用弓狀魔芋提取物處理AD大鼠，可顯降低腦組織中Aβ1-40, Aβ1-42和乙酰膽堿酯酶的含量，使用AC治療可以顯著降低AD大鼠的氧化應激水平。經(jīng)組織病理學分析表明，AC提取物可以減少大鼠腦組織中淀粉樣斑塊的形成。腦內(nèi)淀粉樣蛋白(Aβ)的積累與AD的早期發(fā)病機制有關[39]。

目前研究表明飲食對微生物組的影響，大部分集中在代謝與肥胖，糖尿病和心血管疾病有關的不良反應疾病上，對飲食-微生物組-中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用機制的相關復雜性的研究，目前仍在不斷探索當中。

綜上所述，查閱當前有關文獻資料，結合腸道微生物細菌分泌物對中樞神經(jīng)系統(tǒng)CNS作用的同時再結合飲食習慣對腸道微生物的改變的基礎上提出飲食-腸道微生物-神經(jīng)系統(tǒng)的相互關聯(lián)。歸根結底，人的腸道微生物構成與出生時接觸的一系列細菌密切相關，而在此時也是幼兒大腦發(fā)育的重要時期。因此相關神經(jīng)退行性疾病的相關是否與飲食-腸道微生物-神經(jīng)系統(tǒng)這一網(wǎng)絡的起始聯(lián)系密切是我們尚不得知的。由于其中所包含的機制太過復雜，不可預知性與不可抗力的因素過多，目前尚不得知確切機制。但在腸道微生物的相關研究中不難發(fā)現(xiàn)，飲食習慣，腸道微生物，中樞神經(jīng)系統(tǒng)間必然存在著一條未曾探索過的“聯(lián)系線”，在以后的不斷研究探索中終將觸碰并理解這條“聯(lián)系線”，得出包含AD在內(nèi)的神經(jīng)退行性疾病的預防和治療策略。