腸道菌群與阿爾茨海默病的研究進展

馬光宇，宋崇東，韓語純，張榮福，張 哲，程 爽，蘇亞楠

(1.佳木斯大學醫學部臨床醫學院，黑龍江 佳木斯 154002；2.佳木斯大學醫學部康復醫學院，黑龍江 佳木斯 154002；3.佳木斯大學醫學部護理學院，黑龍江 佳木斯 154002；4.佳木斯大學附屬第一醫院 醫學教科部，黑龍江 佳木斯 154002)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是在記憶、認知等方面存在嚴重缺陷的常見神經退行性疾病。AD發病機制包括β-樣淀粉蛋白(amyloid β-protein, Aβ)過度聚集、tau蛋白過度磷酸化導致神經原纖維纏結(neurofib rillarytangles，NFTs)、神經炎癥、糖基化終產物(advanced glycation end products, AGEs)與其受體晚期糖基化終產物(receptor of advanced glycation endproducts, RAGE)相互作用導致的腦細胞損傷等，但AD發病機制至今還尚未完全研究清楚[1]。隨著研究深入，越來越多的研究證實腸道菌群失調與AD有關[2]。本文就腸道菌群目前在AD發病相關機制及治療進展闡述，以期為微生物-腸-腦軸與AD相關的研究提供理論參考。

1 腸道菌群失調與AD

對AD與非AD患者糞便菌群與血液炎性因子比較，AD患者糞便菌群組成中具有抗炎作用的直腸真桿菌豐度減少，而促炎作用的志賀菌豐度增加，且與炎性因子水平和AD嚴重程度呈正相關[3]，菌群多樣性改變可能觸發神經炎癥、Aβ聚集和tau蛋白病變。在人類衰老過程中，也發現了似AD菌群樣改變，腸道益生菌減少，促炎菌增加[4]。AD患者腸道菌群組成與人類腸道菌群生理演替基本相符，或許可以證明為什么AD是年齡相關疾病，老人易高發。

2 腸道菌群代謝產物與AD

2.1短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA) 研究發現，AD患者腸道SCFA顯著減少[4]。SCFA是結腸微生物降解膳食纖維的產物，有利于調節糖脂代謝、腸道菌群平衡、免疫力和促進神經遞質釋放，抗衰老等[5]。SCFA可經腸道進入血液循環，并依賴單羧酸轉運體通過血腦屏障(blood-brain barrier，BBB)，影響大腦功能[6]。AD廣泛存在組蛋白去乙酰化，乙酰基通過組蛋白乙酰轉移酶添加到組蛋白高度保守的N端L-賴氨酸殘基，并通過組蛋白脫乙酰基酶(histone deacetylase, HDAC)除去，HDAC抑制劑可改善記憶力、衰老、腦損傷、p25介導的神經元丟失和Aβ沉積，SCFA中丁酸鈉是HDAC抑制劑，可參與學習的基因的表達，恢復海馬組蛋白乙酰化水平，改善晚期AD記憶功能[7-8]。

SCFA有助于調節小膠質細胞的活化，在調節神經免疫過程中存在潛在益處，對AD起重要作用，缺乏SCFA受體FFAR2的無菌小鼠，小膠質細胞活化相關基因Mapk8、Fcgr2β、白細胞介素(interleukin, IL)-1α)、CD86等表達下調，小膠質細胞功能缺陷，喂養SCFA后，小鼠大腦皮質正常小膠質細胞密度恢復，SCFA缺乏或腸道菌群紊亂可能引起神經免疫障礙[9]。并且，小膠質細胞對于清除Aβ沉積物是至關重要的，SCFA缺乏可能導致Aβ清除障礙，引起AD的發生[10]，小膠質細胞活化異常或許可以通過腸道菌群或SCFA得到一定程度的糾正，緩解AD。

2.2脂多糖(lipopolysaccharides, LPS) 為胃腸道革蘭陰性菌細胞壁的結構成分，可經受損腸黏膜屏障進入血液循環，并可通過BBB，對神經元具有促炎作用物質。Zhao等[11]首次報道了AD海馬和上顳葉新皮層中LPS的存在，與年齡匹配的對照組相比，LPS水平從新皮層的兩倍增加到海馬區的3倍，晚期AD海馬病例樣本中的LPS可超過年齡匹配對照組的26倍，可見AD與LPS的過度分泌存在較為密切的關聯。LPS可激活氧化應激，產生活性氧，破壞BBB，引起細胞氧化、萎縮、突觸相關蛋白破壞和喪失，促進神經元變性[12]。

LPS也可觸發神經炎癥反應，激活Toll樣受體4(Toll-like receptor4，TLR4)導致小膠質細胞過度活化，產生過多IL、腫瘤壞死因子-α、NO，增強N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體介導的細胞毒性作用，導致不可逆性AD病理性改變和認知記憶功能障礙[13]。而血清中IL-1、IL-6、轉移生長因子等促炎因子的升高，可加速tau蛋白磷酸化，降低突觸可塑性，導致認知度障礙[14]。并且，脆弱擬桿菌(Bacteroidesfragilis, BF)的LPS可通過BBB進入神經細胞質，活化促炎性轉錄因子核蛋白(NF-κB)，激活microRNA-146a和microRNA-155的多個NF-κB結合位點，使miRNA-146a和miRNA-155顯著上調，隨后下調miRNA-146a-miRNA-155調節的補體因子H mRNA靶點，下調的SCFH可激活補體系統，導致神經炎癥[15]。LPS過度釋放導致的小膠質細胞和補體系統激活，可能是介導神經炎癥作用的重要因素之一，并且LPS已經應用于AD造模，進一步為LPS導致AD的炎癥學說提供了證據。

2.3Aβ 根據“Aβ假說”，Aβ肽在中樞神經系統神經元中的積累是驅動AD的主要因素。腸道內鼠傷寒沙門菌、金黃色葡萄球菌等細菌可產生Aβ[16]，AD胃腸道黏膜和BBB都具有高通透性[17]，腸道承受不住Aβ壓力，進入血液并在腦內積累，造成神經損傷，促AD病發。并且，細菌Aβ通過TLR2介導小膠質細胞活化，引起IL-17A和IL-22水平升高，活化TLR2觸發NF-κB信號轉導和環氧酶2(COX2)活化，誘導炎癥反應，細胞吞噬作用，加重腦損傷[18]。有趣的是，AD模型中過量的Aβ42肽也可激活小膠質細胞TLR2介導炎癥反應[19]，細菌Aβ與人Aβ有相同的免疫原性，共激活小膠質細胞，因此細菌Aβ的過渡積累能夠加重AD的炎癥反應，兩者起到協同作用。已有證據表明，LPS糖脂對神經元核膜具有異常高的親和力，而且Aβ42會促進LPS進入腦神經元細胞核，進入核后下調神經元特異性成分神經絲蛋白L和突觸蛋白1，導致神經功能缺陷，誘發AD[20]。

2.4神經遞質 研究發現，腸道內雙歧桿菌、乳酸桿菌等有益菌具有將谷氨酸轉化為γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)的能力，腸道的有益菌減少，會減少內源性GABA的產生，而大腦中GABA信號的異常與認知障礙、AD、焦慮和抑郁有關[21]。此外，有研究表明，腸道菌群還可以改變與突觸可塑性的蛋白質和受體[22]，腸道菌群可以通過影響鳥尿氨酸途徑等調節機制的神經遞質功能變化，或通過改變大腦中SCFA的含量來調節中樞神經系統中腦源性神經營養因子功能。但是，細菌性神經遞質如何調節大腦功能的研究仍處于起步階段，具體機制還尚未明確。

3 腸道微生態調節在AD的應用

3.1益生元、益生菌 研究表明大量攝入益生菌和益生元，能提高神經認知能力并降低AD病發風險。Pistollato等[23]給AD動物喂養低聚果糖后，發現腦內神經元凋亡數目減少，tau蛋白磷酸化減少和Aβ42表達下調。臨床盲選AD患者60例，隨機將患者分為兩組，分別給予12周的牛奶(對照組)和益生菌(治療組)治療，兩組分別智力狀態檢查量表(MMSE)評分，以評估益生菌對AD患者認知功能的影響，經過治療后，治療組MMSE評分有所改善[24]。并且，用乳酸桿菌和雙歧桿菌可減少海馬區注射Aβ42大鼠的腦內Aβ沉積，促進超氧化物歧化酶(SOD)生成，降低血清丙二醛(MAD)水平，因此乳酸桿菌和雙歧桿菌可改善AD記憶、學習缺陷和氧化應激[25]。益生元與益生菌在一定程度上可以延緩AD的進展，顯示出了其可能治療AD潛力，這種治療的成本可能相對便宜且無不良反應，或許可以與臨床治療AD藥物合用，以起到協同治療作用。

3.2中醫藥 其調節腸道菌群優勢逐漸被發現，巴戟天低聚果糖對AD產生有益作用，可增加SOD，過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)活性改善氧化應激，提高乙酰膽堿調節膽堿能系統，改善鈉鉀三磷酸腺苷酶(Na+/K+-ATPase)活性增加腦能量代謝，降低腦組織腫脹、神經元凋亡、下調Aβ1-42表達，以改善AD癥狀[26]。同時，影響腸道形態、黏蛋白和腸道通透性，降低厚壁菌門，增加嗜黏蛋白阿克曼菌、BF，羅斯菌，雙歧桿菌屬等有益菌豐度，維持菌群多樣性與穩定性[27]。另外，芍藥當歸散可增加APP/PSN轉基因AD小鼠腸道菌群中的乳酸桿菌科的豐度，降低幽門螺桿菌(Helicobacterpylori, Hp)屬、黏液性細菌相對豐度，升高5-羥色胺(5-hydroxytryptamine, 5-HT)與GABA水平[28]。中醫藥的雙重機制對于AD的治療可起到協同作用，可以說是潛在的微生態調節劑和治療藥物，也可能成為AD治療的新靶點。

3.3糞菌移植(fecal microbiota transplantation，FMT) 近年來，FMT確實給菌群失調類疾病的治療帶來了新的方向，將正常菌群移植到菌群失調個體腸道中以達到平衡菌群的目的。楊璐等[29]將APP+轉基因小鼠施行FMT，FMT可下調腦內P21、P53、Sirt1等衰老相關蛋白的表達，并減少腦內Aβ沉積，可見FMT能延緩AD的衰老過程，改善認知。國外一項類似研究顯示，ADLPAPT轉基因小鼠腸道菌群失調，腸黏膜受損，并患有慢性腸道和全身炎癥，將正常小鼠糞便移植到ADLPAPT小鼠，改善了Aβ沉積，NFTs，記憶缺陷和神經、腸道炎癥[30]。FMT的治療手段在實驗動物身上取得了很好療效，是很有前景的治療方法，但由于證據有限，并未找到臨床相關研究，仍需要驗證。

4 飲食條件與AD

4.1膳食纖維 膳食纖維來源的SCFA可干擾Aβ1-40和Aβ1-42肽組裝成神經毒性Aβ聚集體，抗Aβ聚集效力依次為：戊酸>丁酸>丙酸，并且一定程度上也干擾α-突觸核蛋白和tau蛋白的組裝，對AD起保護作用[31]。老年人咀嚼能力下降，膳食纖維吸收少，細菌結腸發酵能力下降，導致SCFA吸收少，可能加重AD。膳食纖維飲食可助于預防或緩解對AD的抵抗力，SCFA改善AD的其他機制仍需要探索，膳食纖維治療AD是可行性的，并且開發支持戊酸生成的膳食纖維制劑是有必要的。

4.2改良的地中海生酮飲食(MMKD) 飲食結構可能在AD的進程中起重要作用，含有高飽和脂肪和簡單碳水化合物的飲食模式可增加罹患AD風險，而多不飽和脂肪酸、蔬菜、水果和蛋白質含量高瘦肉飲食則降低了風險[32]。MMKD是在生酮飲食基礎上增加蔬菜和水果的攝入量和源自健康來源(如橄欖油和魚)的脂肪和蛋白質，MMKD可調節輕度認知障礙受試者的腸道微生物組和SCFA，有助于維持和恢復腸道微生物的穩態[33]。可見，特定飲食條件腸道微生物組的主要調節劑之一，MMKD有助于降低AD風險。

5 抗生素與AD

抗生素可以減少因腸道菌群失調而引起的神經炎癥，對AD產生有益效果，包括神經保護作用、抗炎、抗tau蛋白磷酸化、抗Aβ和抗膽堿能作用。在AD動物模型中給予利福平，可降低腦Aβ和炎性細胞因子的表達水平[34]。Budni等[35]發現米諾環素也有類似作用。此外，雷帕霉素除了可以減少Aβ聚集、小膠質細胞的活化、tau蛋白磷酸化外，可作為哺乳動物雷帕霉素靶蛋白抑制劑，改善AD認知缺陷[36]。由此推測抗生素治療AD是可行的，關鍵因素是鑒定與AD相關的腸道微生物群，研發具有選擇性的抗生素是極其重要的，目前，還沒有發現AD中哪些類型的腸道微生物發生改變的確切證據。盡管有這些發現，但抗生素耐藥性也存在著較大的風險。

值得注意的是，有證據表明抗生素可致AD，施用抗生素混合物的年輕小鼠，其腸道菌群組成改變和促炎因子增加, 并永久性改變其記憶與認知功能[37]。

6 Hp與AD

Hp屬于變形菌門，是腸道常見的致病菌。經研究發現，AD患者存在Hp感染，Hp感染的AD患者MMSE評分較低，與較嚴重的精神認知障礙相對應，并且腦脊液和血清中Hp特異性IgG抗體效價與AD的嚴重程度呈正相關[38]。Hp可釋放促炎性分子和誘導活性氧導致BBB破壞和神經細胞凋亡[39]。Hp濾液還可激活神經母細胞瘤細胞糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)，導致tau蛋白過度磷酸化[40]。這表明根除Hp可能預防和緩解AD的進展，因此其根除可能提高學習記憶，改善AD的認知障礙。

7 環境危害因素與AD

7.1慢性噪聲 慢性噪聲會導致持續神經炎癥、Aβ沉積、tau蛋白磷酸化和AD樣認知功能障礙[41]，持續性環境慢性噪聲暴露可能會增加罹患AD的風險。并且，慢性噪聲暴露也可導致腸和腦內皮屏障功能障礙，腸道菌群失調，血液GABA和5-HT降低，增加炎性介質水平，施行FMT后癥狀得到緩解[42]。這為慢性噪聲暴露與微生物-腸-腦軸之間存在密切聯系提供了證據：腸道菌群可能是慢性噪聲作用靶點，引起腸道菌群改變，導致AD相關的神經遞質和炎癥異常，促進AD樣變化；腸道菌群失調與慢性噪聲可能對AD傷害起協同作用；調節腸道菌群可能是防止或減緩慢性噪聲暴露導致AD的干預措施。

7.2鋁 人類可通過食物、食品添加劑、飲用水和鋁器具等接觸鋁。流行病學表明，鋁是AD發病機理中的環境因素之一，高濃度的鋁會增加Aβ聚集和沉積，激活NF-κB增加炎癥信號，也可引起氧化應激、細胞凋亡、基因表達缺陷等[43]。研究表明，鋁可誘導人胃腸道菌群BF的LPS的產生，可知鋁促炎特性不僅可以通過鋁本身介導，還可以通過刺激腸道菌群促進生成LPS來介導[44]。

腸道菌群與AD的發生存在著密切的聯系：(1)腸道細菌代謝產物SCFA，可改善學習與記憶功能，抗衰老，調節小膠質細胞活化，對神經起保護功能，缺乏可加重AD。(2)腸道菌群促炎產物LPS、Aβ可能是AD腦內炎癥的誘發因素，都是RAGE和TLR受體的強激活劑，受體共激活會放大炎癥信號，導致AD持續慢性炎癥。(3)有益細菌產生的細菌源性神經遞質，可影響大腦活動水平，其減少可增加患AD風險。(4)以減少腸道菌群失調介導的神經炎癥為出發點，利用微生態調節劑(益生元、益生菌、中醫藥、FMT)調整AD患者腸道菌群紊亂或使用抗生素和特點飲食進行預防性和治療性干預，可能緩解AD腦內炎癥。(5)要注意Hp，慢性噪聲因素對AD直接或間接影響。