腸道微生物多樣性與神經系統疾病

張 銀，聞 俊，周婷婷

[第二軍醫大學藥學院，上海市藥物(中藥)代謝產物研究重點實驗室，上海 200433]

隨著人口數量的不斷增加和老齡化情況的加重，神經系統疾病在全世界范圍內逐漸成為人類致殘和死亡的重要原因。人體內的微生物細胞總數多達100萬億，所含的基因更是超過人體自身基因的150倍[1]，其中絕大多數微生物寄居在人腸道中，包括細菌、產甲烷古菌、真菌、病毒等。腸道微生物多樣性是指不同種類的生物體在人腸道內的數量和豐度分布[2]。平衡的腸道微生物狀態在維持宿主正常生理功能和營養吸收等方面發揮著重要作用，對人體的健康至關重要。目前越來越多的研究表明，腸道微生物多樣性與抑郁癥、帕金森病(Parkinson's disease,PD)、阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)等神經系統疾病聯系緊密。雖然其中機制尚未明確，但近年來“微生物-腸-腦”軸的提出給研究人員指明了新的方向?！拔⑸?腸-腦”軸是腸道微生物與大腦進行雙向溝通的渠道，包括神經、內分泌、免疫、代謝等途徑。大腦可以通過這種渠道來改變腸道微生物的結構和多樣性，反之，腸道微生物也可通過它來影響宿主的精神和神經狀況。因此，腸道內是否有“合適”的微生物群，對神經系統疾病影響重大。本文通過對腸道微生物多樣性與部分神經系統疾病的相關性進行綜述，來揭示腸道微生物多樣性與抑郁癥、PD和AD的關系，期望在今后疾病的治療中，能從腸道微生物的多樣性出發，尋找新的治療方法與策略。

1 腸道微生物多樣性的研究方法

為研究腸道內微生物的多樣性，需對微生物的種類和數量進行檢測。由于微生物具有個體小、種類多、數量大的特點，所以目前通常采用分子生物學技術來分析微生物的結構，其中主要包括聚合酶鏈反應(polymerase chain reaction,PCR)、高通量基因測序和組學等方法。傳統的PCR方法存在定量單一的缺陷，只能對單一種類的微生物進行數量的測定，不能滿足同時準確測定多種微生物的需求。目前，主流的微生物研究方法是基于16S rRNA基因的高通量測序法[3]，這種方法具有特異性高、靈敏度高、測定量大、定量準確的優點，所以成為新一代微生物基因測序技術的代表，普遍應用于腸道微生物的定性和定量分析中。除此之外，近年來新興的組學技術也被用來研究腸道微生物，包括宏基因組和蛋白質組學。他們不局限于特定的研究對象，通過對微生物整體的基因和蛋白分析，來揭示微生物的組成結構和功能，給腸道微生物多樣性的研究提供了新的方向。

2 腸道微生物多樣性與抑郁癥

2.1 抑郁癥中腸道微生物多樣性抑郁癥是一種精神障礙性疾病，患者表現為情緒低落、自尊心低，對正?；顒訂适d趣。發病原因與生理、精神、環境等多種因素相關。腸道微生物構成人體內的微環境，而這種微環境的改變可通過炎癥反應，干擾神經傳遞信號和代謝通路來引起抑郁癥的發病。目前越來越多的研究發現，無論是抑郁癥患者，還是抑郁動物模型，腸道內都存在區別于正常人的微生物組成結構，見Tab 1。

2.1.1抑郁癥患者的腸道微生物多樣性 相較于正常人來說，抑郁患者的腸道微生物存在多樣性減少的情況。榮晗等[4]采用宏基因組測序方法中的鳥槍法，對18例抑郁癥患者和24例健康對照者進行腸道菌群種類、豐度及基因功能通路分析時，發現在腸道細菌種類水平上，抑郁癥患者和健康對照者存在明顯不同，抑郁癥患者的菌群種類更少。而抑郁癥患者與正常人腸道微生物的結構差異，在不同生物等級分類中逐一體現。Liu等[5]通過焦磷酸測序法，比較抑郁癥患者和健康對照者的腸道微生物，發現相較于健康對照者，抑郁癥患者的腸道菌在門的等級上，Bacteroidetes增多，而Firmicutes減少；在屬的等級上，Bacteroides、Prevotella和Paraprevotella增多，而Lachnospiracea incertae sedis、Coprococcus和Clostridium XI減少。對于重度抑郁患者(major depressive disorder, MDD)來說，研究發現[6]，除了代表性的Bacteroidetes增多和Firmicutes減少外，還存在Proteobacteria、Actinobacteria、Enterobacteriaceae和Alistipes明顯增加的現象，而Faecalibacterium是減少的。有趣的是，抑郁癥患者的腸道微生物還與性別有關，Actinobacteria和Bacteroidia是男、女MDD患者腸道中差異最大的微生物。

2.1.2抑郁動物模型的腸道微生物多樣性 抑郁動物模型可以通過慢性多變的壓力刺激和糞菌移植來建立，近年來研究發現，抑郁動物模型與抑郁癥患者存在相似的微生物結構。Yu等[7]采用16S rRNA基因測序法，對由慢性多變壓力刺激建立的抑郁大鼠模型進行基因測定，發現與正常大鼠相比，抑郁大鼠腸道中Firmicutes含量是減少的，而Bacteroidetes含量是增加的，這與抑郁癥患者研究結果一致。而在屬等級上，Marvinbryantia、Corynebacterium、Psychrobacter、Christensenella、Lactobacillus、Peptostreptococcaceae incertae sedis、Anaerovorax、Clostridiales incertae sedis和Coprococcus明顯降低，而Candidatus Arthromitu和Oscillibacter明顯增加。當移植MDD患者的腸道微生物至無菌的實驗鼠體內后，鼠表現出與抑郁癥患者相似的行為。Kelly等[8]發現大鼠接受微生物移植后，在糖水偏愛實驗中糖水的攝入量減少了，并且在強制游泳實驗中不動時間延長。除了出現這些抑郁狀行為，大鼠腸道內微生物的多樣性也改變了。具體表現在門等級上，Actinobacteria和Candidate Division TM7豐度減少；在科等級上，Bifidobacteriaceae、Coriobacteriaceae、Porphyromonadaceae、Candidate division TM7 uncultured bacterium、Caldicoprobacteraceae和Alcaligenaceae豐度減少，而Propionibacteriaceae豐度增加；在屬等級上，Bifidobacterium uncultured、Coriobacteriaceae uncultured、Caldicoprobacter、Roseburia、Allobaculum和Burkholderiales豐度減少，而Freudenreichii、Staphyloccus和Peptococcus豐度增加。這種轉移抑郁的機制目前尚不清楚，但有研究認為這可能與腸道微生物改變了肝臟代謝有關。

Tab 1 Changes of gut microbiota in depression, PD and AD

綜合目前對抑郁癥的腸道微生物多樣性研究報道可以看出，Bacteroidetes和Firmicutes是抑郁癥的代表微生物，Bacteroidetes與抑郁癥正相關，而Firmicutes與抑郁癥負相關。Bacteroidetes與Firmicutes比例的改變會導致抑郁癥的發生、發展，發病機制可能與以下3個方面有關：① 引發炎癥反應，引起白細胞介素6等促炎細胞因子的增多；② 干擾宿主代謝，包括碳水化合物和氨基酸代謝等；③ 擾亂神經內分泌，降低神經肽在下丘腦和海馬中的表達。

2.2 基于腸道微生物多樣性的抑郁癥治療傳統的抑郁癥治療方法包括抗抑郁藥物治療和心理治療。其中，抗抑郁藥物主要是通過提高大腦內突觸間隙中5-羥色胺和去甲腎上腺素濃度來改善患者情緒和癥狀。近年來研究發現，抑郁癥的治療與腸道微生物多樣性有關，藥物治療、益生菌攝入、糞菌移植、改善飲食等手段，可以通過介導腸道微生物來發揮抗抑郁作用。

2.2.1藥物治療 Yang等[9]用兩種手性對映體的氯胺酮來治療慢性社交失敗壓力(chronic social defeat stress, CSDS)引起的抑郁模型小鼠，發現小鼠在抑郁狀態改善的同時，Deltaproteobacteria的含量減少，而Deltaproteobacteria可能通過炎癥反應促成小鼠的抑郁樣表型，因此認為氯胺酮的抗抑郁作用與腸道菌恢復有關。其中(R)-氯胺酮比(S)-氯胺酮抗抑郁效果更強，持續時間更久，這可能與(R)-氯胺酮明顯降低小鼠的Mollicutes和Butyricimonas水平有關。而Butyricimonas能夠產生丁酸鹽，減少炎癥并有助于保持健康的腸道。

2.2.2益生菌治療 除了傳統的抗抑郁藥，益生菌也可以通過改變腸道微生物的結構來改善和預防抑郁癥，目前發現有治療效果的益生菌包括雙歧桿菌、乳酸菌、丁基梭菌等。Yang等[10]采用CSDS制備小鼠的抑郁模型，發現抑郁的小鼠腸道內不存在雙歧桿菌，而從抑郁狀態恢復的小鼠腸道內出現了雙歧桿菌。之后在對預先口服給予雙歧桿菌的小鼠進行抑郁造模時發現，小鼠出現抑郁癥狀的情況減少，這證實了雙歧桿菌預防抑郁癥的作用。除此之外，干酪乳酸菌可以減少有害的大腸桿菌和糞腸球菌，從而改善大鼠抑郁行為。雖然益生菌抗抑郁的作用機制目前還未明確，但益生菌可減少MDD中常見的炎癥激活情況，可以用作抑郁癥的輔助治療。而丁基梭菌可以改善糖皮質激素誘導的小鼠抑郁樣行為，這與腸道胰高血糖素樣肽-1的分泌刺激和大腦胰高血糖素樣肽-1受體的激活有關。

2.2.3糞菌移植治療 目前，研究發現糞便微生物移植(fecal microbiota transplantation,FMT)可以通過改變腸道微生物多樣性來發揮抗抑郁作用。Kurokawa等[11]通過對接受了FMT治療的功能性胃腸疾病患者隨訪發現，無論患者胃腸道癥狀改變如何，FMT都可使得腸道微生物的多樣性增加，并且改善患者的抑郁和焦慮癥狀，這可能與益生菌降低了對多個腦區負面刺激的反應和血清高敏C反應蛋白含量有關。

2.2.4飲食治療 飲食對改善抑郁狀態至關重要。攝入富含多酚化合物的食物可以提高人體內的腸道細菌對多酚代謝物的生物利用能力，而這些多酚的代謝物能夠促進心理狀況，并且抵抗認知障礙。除此之外，omega-3脂肪酸的缺乏與5-羥色胺、多巴胺和去甲腎上腺素的神經傳遞功能障礙有關，老年人攝入omega-3脂肪酸還可預防抑郁癥的發生。

3 腸道微生物多樣性與PD

3.1 PD中腸道微生物多樣性PD是一種常見于老年人的神經系統變性疾病，主要有腦黑質多巴胺能神經元的變性死亡，紋狀體多巴胺含量明顯降低，以及α-突觸核蛋白在神經元內不溶性沉積等病理表現，發病的原因至今未明。臨床上除了主要出現的運動癥狀以外，便秘也是PD患者最常見和最早出現的癥狀，研究發現，這與腸神經系統中α-突觸核蛋白的積聚和神經變性有關。從而有假說認為PD的發病來源于腸道，與腸道微生物有關。如Tab 1所示，PD患者與正常人的腸道微生物在多樣性上存在較大差別，并且在不同分類等級中都有體現。Keshavarzian等[12]利用16S rRNA基因擴增測序方法，比較了PD患者與健康對照者糞便中的微生物結構。發現在門分類等級上，PD患者的Bacteroidetes、Proteobacteria和 Verrucomicrobia增加，而Firmicutes減少；在屬分類等級上，Akkermansia、Oscillospira和Bacteroides明顯增加，而Blautia、Coprococcus和Roseburia明顯減少。值得關注的是，某些特定的腸道微生物不僅與PD發病有關，還與PD患者的臨床癥狀的嚴重程度有關。研究發現[13]，相對豐度在6%以下的Prevotellaceae在PD患者中具有一定的專屬性和敏感性，而且Enterobacteriaceae的相對豐度與PD患者姿勢步態障礙的嚴重程度呈正相關。除此之外，Unger等[14]還發現，PD患者腸道內Lactobacillaceae、Enterococcaceae和Faecalibacterium prausnitzii明顯減少，而Bifidobacterium明顯增多。

Verrucomicrobiaceae 和Prevotellaceae報道于現今絕大多數PD腸道微生物研究中，是PD患者的代表微生物。其中，Verrucomicrobiaceae與PD呈正相關，而Prevotellaceae與PD呈負相關。Verrucomicrobiaceae的增多和Prevotellaceae的減少可能從以下3個方面參與PD的病程進展：① 改變微生物群的代謝，加快色氨酸的降解速率，增加有害的代謝產物，影響機體的正常免疫功能；② 減少腸道內短鏈脂肪酸(short chain fatty acid,SCFA)含量，引起腸道神經系統發生變化，從而導致PD患者的胃腸道運動障礙；③ 影響細胞α-突觸核蛋白的分泌，使之通過迷走神經從腸神經系統向中樞神經系統傳輸增加，引起PD病理改變。

3.2 基于腸道微生物多樣性的PD治療由于不能控制PD的病情進展，目前對于PD的治療主要以改善癥狀為主，藥物治療是最主要的治療手段。PD用藥通過促進多巴胺的合成與利用，抑制其降解，來控制患者的臨床癥狀。近年來研究發現，PD的藥物治療與改善腸道微生物有關，另外，益生菌和益生元的補充也為PD的治療提供了新的方向。

3.2.1藥物治療 越來越多的文獻報道了處方藥物與腸道微生物的關系，腸道微生物可以在藥物代謝中發揮作用，而這些藥物又可以影響微生物的組成。Hill-Burns等[15]發現，PD患者服用兒茶酚-O-甲基轉移酶(catechol-O-methyltransferase,COMT)抑制劑和抗膽堿能藥后，Bifidobacterium和Lachnospiraceae Blautia的豐度發生明顯變化。而Lachnospiraceae可以產生SCFA，SCFA缺乏可能解釋大腦中的炎癥和小膠質細胞激活，以及PD的胃腸道特征。此外，COMT抑制劑和抗膽堿能藥物的胃腸道副作用也與菌群失調有關，了解腸道微生物的組成，能更好地評估PD藥物的療效和毒性。

3.2.2益生菌與益生元治療 益生菌可以治療PD患者的并發癥便秘。有規律地攝入益生菌可以改變PD患者的大便稠度和排便習慣，減輕便秘癥狀。Barichella等[16]采用隨機雙盲試驗，分別給予120名伴有便秘的PD患者含有多種益生菌菌株、益生元纖維和安慰劑的發酵乳，4周后，發現攝入益生菌和益生元的PD患者每周完全排便的次數明顯增加，便秘情況得到改善。其中的機制可能與減少的免疫系統刺激、局部炎癥和上皮通透性，以及細菌產物或代謝物引起的神經運動感覺功能障礙調節有關。

3.2.3其他 腸道微生物群產生的分子氫(hydrogen,H2)，具有抗氧化、抗凋亡、抗炎、細胞保護和信號傳遞作用。有研究認為，PD的發病是由腸道菌群產生內源性H2受損所致[17]，補充H2可能是PD的一種治療方法。

4 腸道微生物與AD

4.1 AD中腸道微生物多樣性AD是一種中樞神經系統退行性疾病，亦稱癡呆癥，其特征性的病理改變是β淀粉樣蛋白沉積形成的細胞外老年斑和tau蛋白過度磷酸化形成的神經細胞內神經原纖維纏結。AD的發病原因雖尚未被闡明，但人們普遍認為是基因和環境因素共同參與的結果。與人體共生的微生物是影響宿主健康的重要環境因素，許多研究發現AD的發生與腸道微生物的結構和多樣性密切相關，見Tab 1。

4.1.1AD患者的腸道微生物多樣性 近年來，關于AD患者的腸道微生物研究日益增多。Vogt等[18]采用16S rRNA基因測序方法對AD患者的糞便樣本進行細菌分類組成鑒定，發現AD患者的腸道微生物多樣性發生明顯變化，在門等級上，Firmicutes和Actinobacteria減少，而Bacteroidetes明顯增加；在科等級上，Gemellaceae、Bacteroidaceae和Rikenellaceae增加，而Ruminococcaceae、Turicibacteraceae、Peptostreptococcaceae、Clostridiaceae、Mogibacteriaceae和Bifidobacteriaceae減少；在屬等級上，Blautia、Phascolarctobacterium、Gemella、Bacteroides、Alistipes和Bilophila增加，而SMB53、Dialister、Clostridium、Turicibacter、cc115、Bifidobacterium和Adlercreutzia減少。除此之外，Cattaneo等[19]通過測定AD患者的腸道微生物和血液中細胞因子的表達，發現AD患者中Eubacterium rectale減少，與促炎因子呈負相關，而Escherichia增加，與促炎因子呈正相關。從而推測這兩種細菌狀態與AD患者外周炎癥有關。

4.1.2AD動物模型的腸道微生物多樣性 常用的AD模型小鼠通過轉基因得到，近年來研究發現，AD小鼠的組織學和行為表征與特殊的腸道微生物有關。Shen等[20]發現，AD小鼠與野生型小鼠相比，認知功能嚴重受損，海馬區的斑塊負擔也隨年齡增長而增加，并且腸道微生物中Helicobacteraceae、Desulfovibrionaceae、Odoribacter和Helicobacter增加，而Prevotella減少。除此之外，研究發現[21]，AD小鼠的Proteobacteria和Verrucomicrobia急劇增多，而Ruminococcus和Butyricicoccus明顯減少。

在絕大多數AD腸道微生物研究中，Bacteroidetes是AD患者的代表微生物，與AD呈正相關。增多的Bacteroidetes影響AD的機制主要包括以下3個方面：① 分泌一系列非常復雜的促炎性神經毒素，如細菌脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)，促使中樞神經系統發生炎癥退化；② 誘導先天性免疫，激活神經炎癥通路，造成β淀粉樣蛋白的形成；③ 降低SCFA的含量，減少了對毒性可溶性β-淀粉樣蛋白聚集體形成的干擾。

4.2 基于腸道微生物多樣性的AD治療目前沒有治愈AD的方法，現有的治療方法治標不治本，主要包括藥物、心理和護理治療等。藥物治療主要針對AD的認知功能和伴有的精神癥狀。近年來的研究發現，抗生素、中藥復方、益生菌和益生元都對AD有明顯的治療作用，并且與腸道微生物息息相關。

4.2.1抗生素治療 Minter等[22]對AD模型小鼠進行長期的廣譜抗生素聯合治療，觀察到小鼠腸道微生物的結構發生明顯變化，Akkermansia和Lachnospiraceae增加。經過長時間轉變的腸道微生物改變了外周循環細胞因子和趨化因子的組成，特別是升高了血清中CCL11的水平，減少了淀粉樣斑塊的沉積，并且增加了可溶性β淀粉樣蛋白水平，使AD小鼠的病理情況得到好轉。

4.2.2中藥復方治療 近年來，傳統中藥復方在AD的治療中展示巨大潛力。研究發現[23]，六味地黃湯的提取物可以逆轉由AD引起的腸道微生物轉變，從而改善AD模型小鼠的認知功能。這可能與六味地黃湯通過腸道微生物代謝谷氨酸生成γ-氨基丁酸，減少焦慮有關。除此之外，Bacteroidales、Clostridiales和Desulfovibrionales都被認為與認知能力明顯相關。據此猜測，中藥復方可能是通過調節腸道微生物的多樣性來發揮抗AD的作用。

4.2.3益生菌與益生元治療 益生菌作為調整腸道微生物結構的生物制劑，在治療和預防AD中得到廣泛應用。Bonfili等[24]給予AD模型小鼠Lactobacilli和Bifidobacteria制劑后，觀察到AD模型小鼠腸道內Bifidobacterium spp明顯增加，而Campylobacterales明顯減少。此外，益生菌的攝入增加了具有神經保護作用的腸肽激素水平，改善了AD小鼠的認知減退和大腦損傷癥狀，并且減少了淀粉樣蛋白的沉積，延緩了AD的發展。益生菌抗AD的機制雖不明確，但有研究表明，這與β淀粉樣蛋白基因表達的抑制和氧化應激的減少有關。除去益生菌，益生元也可用于治療AD癥狀，巴戟天的低聚糖可以調節腸道菌群的組成和代謝，改善腦組織腫脹和神經元細胞凋亡癥狀，明顯改善AD動物模型的記憶。

5 結語

在過去的十幾年里，大量關于腸道菌的基礎研究已經證實了腸道微生物的結構和多樣性影響著大腦的發育和功能，甚至影響心理健康。無論是實驗動物研究，還是臨床的觀察性研究，都揭示了腸道微生物的改變與神經和精神疾病具有重大關聯[25]。腸道微生物多樣性的改變和某些特定微生物的數量變化，能夠引發甚至加快抑郁癥、PD和AD的病情進展，而改善腸道微生物的狀態就能預防和治療疾病。雖然，目前針對腸道微生物多樣性的神經系統疾病治療還處于摸索階段，但現今的研究已經發現，益生菌、抗生素，乃至中藥復方提取物都可以通過恢復宿主腸道微生物結構，來改善抑郁狀態，減輕PD患者的臨床癥狀，以及促使AD患者的認知功能恢復。腸道微生物多樣性的研究具有極高的臨床價值，然而，其中還有許多問題亟待解決：首先，目前腸道菌群的研究方法主要是對延時的、離體的糞便微生物進行檢測，不能夠實時、在體地觀察腸道微生物的動態變化；其次，通過腸道微生物治療疾病的具體機制尚未被闡明，今后的研究應基于全面透徹的“微生物-腸-腦”軸基礎，來探究疾病治療的關鍵機制；再次，治療藥物的安全劑量與可能出現的毒副作用應接受全面考量，同時時刻注意是否會出現與治療目的相反的菌群失調癥；最后，除了實驗動物研究，還需要大樣本的臨床數據支持。是否可以特定的腸道微生物結構作為疾病的標志物，從而針對其進行疾病的治療，還有待進一步的探討。