腸肝腦軸在帕金森病發病中的作用*

李斐，梁建慶，韓政陽，董海玉，王佳華，許晨璐

1 甘肅中醫藥大學 甘肅蘭州 730000

2 敦煌醫學與轉化教育部重點實驗室 甘肅蘭州 730000

3 甘肅省中醫方藥挖掘與創新轉化重點實驗室 甘肅蘭州 730000

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）以軀體運動障礙為主要表現，是發病率位居第二，病死率增長最快的神經退行性疾病，影響1%～2% 65歲以上的人口，全球負擔不斷加劇[1]，其發病機制復雜不明[2]。腸肝腦軸是胃腸道（GI）、肝臟、中樞神經系統（CNS）在分子基礎上建立彼此通訊的復雜神經、內分泌、免疫網絡，信息呈雙向交流，胃腸道微生物群（GM）在“信息洪流”中發揮至關重要的導向作用。腸肝腦軸內在的良性互動有益于腦神經元[3]，而異常信號從GI至肝臟、大腦的上行路線揭示PD的發病機制，對認識PD具有重要意義。

GM穩態失衡是腸肝腦軸途徑觸發PD的啟動因素

GM以百萬億計，約占人體菌群的78%[4]，其構成龐大而復雜的生態系統，被稱為宿主的“獲得性器官”。GI由近端至遠端，菌群數量呈遞增趨勢，以結腸每克腸內容物的細菌數109～1012個為最高[5]，厚壁菌門和擬桿菌門在GI內最具優勢。大腦結構快速增長和功能網絡構建的時期與GM定植的關鍵期在嬰兒階段重合[6]，在此期間，大腦與GM發生密集的交互作用，對人體的長期發育至關重要。GM影響大腦功能最直接的證據是無菌小鼠的大腦產生負性發育[7]。GM不僅調控GI蠕動、食物消化吸收等，還是人體重要的神經內分泌、免疫調節器。腸型（菌群組成的樣本聚類）與人類疾病的相關性已被廣泛報道，包括PD。

GM可以通過調節血清素（5-HT）能、多巴胺（DA）能、γ-氨基丁酸（GABA）能等神經元影響神經遞質合成、傳遞與代謝過程，同時自己也可以生產這些神經活性物質，常見的神經遞質在GI內基本均可生成。如念珠菌、大腸桿菌、腸球菌能生產5-HT；雙歧桿菌、乳酸桿菌是GABA生成者；芽孢桿菌和沙雷氏菌制造DA。上述神經遞質異常均與PD發病密切相關。

需要注意的是，誘發PD更主要的驅動因素是GM抗炎及促炎特性紊亂。GM的高密度性決定了人體GI是一個獨特的免疫場所，免疫系統需要不斷地在共生菌耐受和致病菌免疫之間保持微妙的平衡，這種平衡的實現方式包括腸上皮淋巴細胞的干涉以及共生菌構成腸屏障，競爭性抑制致病菌的定植空間，產生抑菌物質，殺滅病原微生物。一旦這種平衡被打破，免疫系統經干擾導致GI炎癥，則大量致病菌及其代謝產物、促炎因子跨越受損的腸屏障進入肝臟，并損傷血腦屏障（BBB）[8]，使炎性反應在腸肝腦軸中彌漫擴大化。炎癥是PD主要特征之一，PD患者普遍存在GI、血液[9]、大腦和腦脊液[10]中炎癥分子水平升高。Scheperjans等人[11]報告稱，PD患者主要表現出致病性革蘭氏陰性菌顯著增加，如腸桿菌（科）、疣微菌（科），而普氏菌（科）減少。Keshavarzian等人[12]研究發現GM在門水平中，PD患者擬桿菌（門）、變形桿菌（門）和疣微菌（門）豐度顯著增加，而健康對照組厚壁菌（門）豐度較高；在屬水平上，PD患者擬桿菌（屬）、阿克曼菌（屬）、顫螺菌（屬）豐度增加，而抗炎短鏈脂肪酸（SCFAs）的生成菌顯著降低，如經黏液真桿菌（屬）、糞球菌（屬）、羅氏菌（屬）。幽門螺桿菌（Hp）與PD亦存在因果關系，Hp可釋放穿過BBB的神經毒素，如膽固醇葡糖苷，導致DA能神經退行性變，還可以通過激活免疫介質，如單核細胞，引起炎性因子的釋放，誘導大腦炎癥及神經元凋亡[13]。可以說，促炎菌比抗炎菌具有優勢是PD的GM突出特點。

關鍵病理標志物α-突觸核蛋白在腸肝腦軸中逆行上傳

α-突觸核蛋白（α-syn）在黑質DA能神經元異常折疊、聚集是PD最突出的病理改變[14]。此外，PD患者顯示腸神經系統（ENS）功能受累。ENS遍布整個GI，與CNS通過脊神經和迷走神經（VN）實現交流，VN占用80%～90%的纖維負責傳遞腸腦信號[15]。2003年Braak以此為框架提出了相應假說[16]：PD是腸道α-syn經VN向大腦逆行所致。后經大量學者逐步充實了此假說的證據鏈。首先，PD腸黏膜下神經叢和肌間神經叢中存在α-syn[17]，進一步研究[18]顯示，GI炎癥可觸發ENS內α-syn病理性構象變化。其次，α-syn在ENS中可引起GI功能障礙，如便秘，這是PD常見的非運動癥狀，甚至比運動癥狀提前20年出現[19]。第三，GI有密集的神經纖維由迷走神經背核（DMV）發出，α-syn通過朊蛋白樣激活機制在神經纖維中傳播[20]，在傳播過程中，可作為模板傳染正常神經元α-syn改變[21]。實驗證明，健康小鼠體內注射人α-syn造成VN和腦干中的α-Syn聚集，切斷小鼠軀干VN可阻止了這一現象以及相應的神經變性和運動障礙[22]。一項橫跨18年的流行病學研究得到相同的結論，即軀干VN切斷術對PD具有保護作用[23]。最后，α-syn通過氧化應激、線粒體損傷、小膠質細胞激活并釋放促炎因子引起神經炎癥[24]等機制造成DA能神經元凋亡，最終引起PD。

在α-syn的移行過程中，肝臟具有重要的清除作用。一項結合細胞、動物和臨床的研究[25]首次報道了肝實質、肝血竇及門靜脈均存在α-syn。因為肝臟內缺乏α-syn mRNA的表達，故而肝內α-syn來源于GI或大腦，傳播的媒介是VN或血液。在神經元和少突膠質細胞中參與α-syn攝取的間隙連接蛋白-32（Cx32）在肝細胞中也高度表達，Cx32/α-syn通過蛋白質內化清除α-syn，這一過程與肝細胞的毒素清除作用一致。當然，α-syn過渡積累亦會產生肝毒性，導致肝臟炎癥。

典型的內毒素脂多糖誘發腸肝腦軸級聯炎癥反應

脂多糖（LPS）是典型的內毒素，部分構成革蘭氏陰性細菌外膜，其升高往往伴隨GI炎癥[26]。Toll樣受體4（TLR4）是LPS的推定受體和核因子κB（NF-κB）信號通路的啟動子，結腸組織中表達TLR4的細胞在PD中增加，TLR4進一步加劇腸道炎癥[27]。敲除TLR4證明對魚藤酮毒性具有保護作用，暗示其在GI炎癥和神經退化中的關鍵作用[28]。此外，糞便α1-抗胰蛋白酶和連蛋白可用于評估腸上皮屏障完整性，PD患者糞便中兩者均顯著增高[29]，意味著PD患者腸上皮屏障通透性增加。LPS針對緊密連接（TJ）破壞腸上皮屏障[30]，腸屏障通透性增加則促進機會病原體、內毒素、炎性因子暴露。研究證明PD患者血液中LPS結合蛋白降低，LPS增加[31]，表明周圍組織和免疫細胞更多地接觸了LPS。

肝臟在面對沖破腸上皮屏障逃逸出來的各種內毒素及促炎因子等，則行使“屏障”功能將它們清除或排泄。高度開窗的肝臟與GI的相同胚胎起源決定了彼此間解剖和功能聯系密切，肝臟通過門靜脈接受來自GI的血液，并且肝竇內皮細胞是抗原呈遞細胞，積極參與抗原反應并調節免疫細胞運輸[32]。當發生“腸漏”，肝臟激活庫普弗細胞（KCs）的吞噬作用并產生抗炎因子，如IL-10，在清除病原的同時抑制炎癥反應。肝細胞還能合成眾多輔助因子參與吞噬、增殖白細胞的抗感染過程。此外，人體合成的初級膽汁酸（BAs）超過90%在肝臟完成，部分初級BAs在肝腸循環過程中經GM脫羥作用生成次級BAs，次級BAs表現出很強的抗菌活性[33]。當肝臟清解能力崩潰，LPS等內毒素不但會引起肝損傷，導致BAs分泌減少致使GM發生紊亂，反向促進腸上皮屏障損傷，而且進一步向外周逃逸的LPS則依賴環氧化酶誘導BBB損傷并激活腦小膠質細胞[34]，最終引起腸肝腦軸級聯式炎癥狀態。

值得重視的是，LPS還可以上調誘導型一氧化氮合酶和α腫瘤壞死因子的表達來增加α-syn的硝化和寡聚化[35]，同時，LPS與α-syn的α螺旋中間體結合形成脂質-蛋白質復合物，作為α-syn的纖維支架，加速α-syn的異常聚集[36]。總之，LPS不僅破壞腸、肝、腦屏障的完整性，誘發機體炎癥反應，還通過參與α-syn的通訊加速PD神經退行性變。

SCFAs在腸肝腦軸中發揮多效性作用

SCFAs是膳食纖維經結腸內菌群酵解的重要代謝物，以乙酸、丙酸、丁酸為主。SCFAs在PD中的作用機制與其維護屏障，調節機體神經內分泌、免疫等生理功能異常相關。SCFAs通過激活O-糖基化蛋白（MUC2）啟動子，上調MUC2的表達，促進杯狀細胞分泌黏液，阻止微生物入侵[37]，還可以上調TJ蛋白組件的表達和增加跨上皮電阻來降低腸上皮屏障及BBB的通透性[38]。免疫調節主要通過激活免疫細胞表達的G蛋白偶聯受體（GPCRs）和抑制組蛋白去乙酰化酶（HDAC）實現[39]，GPCRs包括GPR41、GPR43、GPR109A，其SCFAs的依賴性可增強固有免疫細胞抗炎能力、誘導B細胞分化產生免疫球蛋白A、促進T細胞的成熟分化。SCFAs做為HDAC抑制劑，可進一步抑制雷帕霉素靶蛋白、巨噬細胞釋放促炎介質及NF-κB通路活性[40]，從而抑制神經炎癥和小膠質細胞活化。此外，SCFAs刺激腸嗜鉻細胞產生5-HT，影響CNS 功能[41]。丁酸鹽還能激活結腸上皮細胞中的過氧化物酶體增殖物，激活受體γ信號[42]，降低呼吸電子受體的生物利用度以抑制腸桿菌科擴張。穿過BBB的SCFAs不但直接作用于小膠質細胞，還通過大腦中游離脂肪酸受體調控神經遞質和兒茶酚胺產生[43]。肝臟是SCFAs的重要代謝場所，SCFAs可誘導肝臟內幾種代謝途徑上調，包括BAs合成、糖異生、脂代謝等，同時，SCFAs影響肝臟中KCs的炎癥表型[3]。總體來說，SCFAs對腸肝腦軸發揮多效性作用阻止PD發展。

Unger等人[44]發現，SCFAs和SCFAs產生菌的耗竭可能會導致ENS中路易小體的形成。另一項研究[45]認為補充SCFAs可以緩解甚至逆轉PD癥狀。Aho等人[46]證實了PD患者SCFAs缺陷和糞便鈣衛蛋白升高同時存在，意味著低水平SCFAs促進GI炎癥進展。Shin等人[38]表示丙酸鹽水平與統一帕金森病評定量表-Ⅲ（UPDRS-Ⅲ）呈負相關。在一項基于PD的流體平臺技術研究中[3]，通過將腸、肝、腦微處理系統連接循環以仿生人體腸肝腦軸，當其中添加SCFAs時可導致炎癥介質明顯減少。

總 結

基于腸肝腦軸引發PD的過程，公認的結論為GM擾亂、各級屏障功能破壞、持續的炎癥反應，導致α-syn異常聚集和神經變性，最終引起大腦DA能神經元凋亡。因此，宿主與GM建立神經免疫和內分泌免疫穩態對預防PD尤為重要。然而，目前諸多研究集中于微生物群-腸腦軸，這體現了GM的變化在PD發病機制中的核心作用，卻忽視了與腸、腦關系密切，具有重要代謝和解毒功能的肝臟，它的作用同樣舉足輕重。總之，將腸、肝、腦三者結合的“軸”系統，有益于PD發病機制更完整地認識，未來需要適當將研究重心向肝臟傾斜。

關于PD的一個爭議焦點是α-Syn究竟起源于腸道或是大腦，事實上，兩種觀點均有充足可信的證據支持。α-syn不僅局限于大腦、GI及肝臟，也不僅只以神經系統作為擴散通道，多項研究表明，視網膜、皮膚、心臟以及包括血液、腦脊液、唾液在內的體液中也存在α-syn，α-syn可以被紅細胞攜帶[47]，通過循環系統運輸并穿過BBB[48]。α-syn傳播的方向也不是單一由GI向大腦移行，α-syn的中腦過表達也被證明可以到達胃壁[49]，注入嗅球的α-syn同樣會向大腦多個區域擴散[50]。最近一項研究[51]提出將大腦優先型和身體優先型分別作為PD的亞型具有很強的說服力。因此，有理由認為這一爭議已得到答案，即兩種起源并列存在，但是基于腸肝腦軸的腸道起源論中，關于各環節彼此間的互作機制仍有大量空白需要在未來重點研究，不斷填補。

另一個熱點是關于SCFAs悖論，即SCFAs的研究結論存在諸多矛盾。一項體外實驗[52]表明，丁酸鈉給藥造成α-Syn mRNA和促炎因子上調，并激活細胞凋亡。丁酸鹽可顯著加重1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（MPTP）誘導的DA能神經元耗竭、膠質細胞介導的神經炎癥和運動障礙[53]。不同物種、不同樣本間SCFAs濃度變化也不同。例如，PD患者糞便中SCFAs減少[54]，血漿中SCFAs水平卻有所增加[38]，而MPTP處理或移植PD患者糞便的小鼠糞便中SCFAs增加[55]。有諸多觀點試圖解釋上述差異：人類與小鼠的GM及GI解剖結構不同，決定了SCFAs的利用方式可能不同；自然狀態下，SCFAs主要在結腸生產、吸收，而PD動物模型以灌胃或口服SCFAs治療，造成其可能被小腸吸收，不能有效干預GM及腸上皮屏障，服用益生元或益生菌有益彌補此方法漏洞；SCFAs的結腸吸收率達到95%，糞便信息非常有限，以糞便SCFAs濃度做為評價指標明顯不足，有必要對糞便、血液、SCFAs產生菌的數據進行綜合分析。這些原因不排除客觀存在，然而，更為合理的解釋可能是SCFAs在不同的環境背景及PD階段中，發揮不同的生理病理作用。正如Trapecar[3]觀察到在體外PD腸肝腦軸模型中引入或不引入CD4+Treg/Th17（對維持GI免疫穩態具有重要作用的T細胞），SCFAs效用相反。由此觀點拓展思路便可以理解他汀類藥物、根除Hp的治療總體上改善或加重PD為什么無法達成共識。

此外，基于GM對宿主生理、病理全方位的影響，PD的GM多樣性及豐度發生變化是不言而喻的，大量研究也證實了這一點。然而，該領域僅為橫斷面、小樣本研究，普遍集中在分析糞便樣本的細菌種類，存在年齡、性別、飲食、生活習慣、用藥等諸多混雜因素，加之GM的改變與多種神經系統疾病相關，如阿爾茨海默病、多發性硬化癥、精神分裂癥、自閉癥、癲癇、癡呆等[56]，故而仍然無法準確識別PD的GM特異性。Qian等人[57]通過鳥槍宏基因測序，發現GM基因標記不受PD病情嚴重程度及用藥干擾，故而提出基于GM基因的診斷模型。因此，更多的縱向、前瞻性臨床試驗結合宏基因組測序是未來研究的一個有前景的方向。