腸道菌群對帕金森病影響的研究進展

王林潔，袁建玲，鮑 波bc※

(廣東醫(yī)科大學 a.病理生理學教研室，b.實驗動物中心,c.實驗動物學教研室,廣東 湛江 524000)

人類胃腸道中寄居著數(shù)量龐大的腸道菌群，其所有基因組約有300萬個，主要由擬桿菌門、厚壁菌門、放線菌門和變形桿菌門4個門組成[1]。腸道菌群對人體生物學的幾個方面至關(guān)重要，包括難消化多糖的代謝，短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)、必需維生素的產(chǎn)生，腸上皮和免疫系統(tǒng)的發(fā)育和分化，組織穩(wěn)態(tài)的維持以及防止病原體入侵的保護[2]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物SCFAs能通過免疫、神經(jīng)和內(nèi)分泌等途徑調(diào)節(jié)腸道和大腦間的相互作用，能通過腸道菌群-腸-腦軸幫助維持腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)[3]。

帕金森病(Parkinson′s disease，PD)是第二常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，全世界有700萬～1 000萬人患有PD[4]。PD的主要病理特征在于中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的變性缺失和剩余多巴胺能神經(jīng)元中α突觸核蛋白(α-synuclein,α-syn)的異常聚集，導致靜止性震顫、運動遲緩、姿勢步態(tài)異常等運動癥狀的出現(xiàn)[5]。然而，在運動癥狀出現(xiàn)前數(shù)年，大多數(shù)PD患者已經(jīng)出現(xiàn)胃腸動力異常和便秘等癥狀[6]。研究表明，PD患者有腸道菌群失調(diào)表現(xiàn)，這可能促進α-syn從腸道至大腦的轉(zhuǎn)運[1]。因此，腸道菌群與PD的進展密切相關(guān)。現(xiàn)就腸道菌群在維持腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)和PD進展中所起的作用，以及基于腸道菌群的糞便微生物移植術(shù)(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT)治療PD的可行性進行綜述，為進一步防治PD提供科學依據(jù)。

1 腸道菌群在維持腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)中的作用

腸道菌群對中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)的幾種生理過程具有調(diào)節(jié)作用，可影響神經(jīng)發(fā)生、發(fā)展等腦生物過程和焦慮、學習和記憶等行為，有助于維持腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)[7]。目前認為腸道菌群-腸-腦軸在該調(diào)節(jié)過程中扮演關(guān)鍵角色[8]。

1.1腸道菌群對CNS功能的影響 腸道菌群對CNS功能的影響體現(xiàn)在以下3個方面。①腸道菌群有助于保持血腦屏障的完整性。Braniste等[9]研究發(fā)現(xiàn)，與無特定病原體小鼠相比，成年無菌小鼠的額皮質(zhì)、紋狀體和海馬中緊密連接蛋白，如閉合蛋白和claudin-5的表達降低，血腦屏障的通透性增加。隨后通過灌胃無特定病原體小鼠的糞便來定植這些無菌小鼠，可導致無菌小鼠緊密連接蛋白，如閉合蛋白和claudin-5表達顯著上調(diào)及細胞旁通透性的恢復，表明腸道菌群可通過調(diào)節(jié)緊密連接蛋白的表達影響血腦屏障的通透性。②腸道菌群可調(diào)節(jié)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達。Braniste等[9]還發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子表達下調(diào)，腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子是腸道中產(chǎn)生的最豐富的神經(jīng)營養(yǎng)因子之一，用于支持正常的大腦發(fā)育、神經(jīng)元存活和中腦多巴胺神經(jīng)元的分化。③腸道菌群可影響CNS免疫細胞的生長和功能。小膠質(zhì)細胞是大腦中最豐富的常駐免疫細胞，參與神經(jīng)發(fā)育、吞噬作用、抗原呈遞、細胞因子產(chǎn)生和炎癥反應的激活[10]。Erny等[11]研究發(fā)現(xiàn)，與無特定病原體小鼠相比，無菌小鼠中的小膠質(zhì)細胞體積更大，表現(xiàn)出未成熟的表型以及更多的分支形態(tài)，不能完善的發(fā)育以響應病理刺激。接著，用SCFAs混合物處理無菌小鼠可以恢復其小膠質(zhì)細胞的密度和形態(tài)。總之，這些發(fā)現(xiàn)表明腸道菌群顯著影響CNS中的幾個生理過程，包括維持血腦屏障通透性、神經(jīng)發(fā)育和免疫細胞活動，從而有助于維持腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)。

1.2腸道菌群維持腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)的可能機制 近年來，研究者們發(fā)現(xiàn)大腦和腸道之間存在著雙向功能交流：大腦通過調(diào)節(jié)運動、分泌、吸收和血流來調(diào)控腸道；反過來，腸道也可以影響大腦的功能和行為，這一通路被稱為“腸-腦軸”[12]。隨后的研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群對腦功能具有調(diào)節(jié)作用，于是將“腸-腦軸”的概念逐漸拓展為“腸道菌群-腸-腦軸”[13]。

腸道菌群通過腸道菌群-腸-腦軸在維持腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用，而腸道菌群-腸-腦軸通信的假設機制主要依賴于腸道菌群與腸上皮屏障、腸道免疫系統(tǒng)和腸道神經(jīng)系統(tǒng)(enteric nervous system,ENS)-迷走神經(jīng)通路的相互作用[14]。關(guān)于腸道菌群與腸上皮屏障的相互作用，Yano等[15]使用動物模型表明，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物(如SCFAs)可以促進宿主結(jié)腸腸嗜鉻細胞合成5-羥色胺，5-羥色胺可以擴散到血液中，到達大腦并直接影響CNS功能。反過來，腸上皮細胞調(diào)節(jié)特定的細菌產(chǎn)物，如SCFAs、維生素或乙酰膽堿、多巴胺、去甲腎上腺素等神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)移到血流中，再通過循環(huán)系統(tǒng)上行至CNS并調(diào)節(jié)其功能[14]。

腸道菌群還與ENS-迷走神經(jīng)通路相互作用。ENS由肌間神經(jīng)叢和黏膜下神經(jīng)叢構(gòu)成，能通過迷走神經(jīng)與CNS進行雙向通信。腸道菌群衍生的神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)肽可直接激活ENS的肌間神經(jīng)元，通過迷走神經(jīng)上行纖維，向大腦傳遞神經(jīng)輸入[16]。有研究顯示，迷走神經(jīng)切斷術(shù)防止了鼠李糖乳桿菌對野生型小鼠的抗焦慮和抗抑郁作用[19]。然而，腸道菌群-ENS-迷走神經(jīng)相互作用的機制仍有待明確。

總之，腸道菌群-腸-腦軸包含腸道菌群與腸上皮屏障、腸道免疫系統(tǒng)和ENS-迷走神經(jīng)通路的相互作用，有助于協(xié)調(diào)腦生理學。然而，未來需進一步研究在健康和病理狀態(tài)下，腸道菌群-腸-腦軸的分子和細胞機制。

2 腸道菌群在調(diào)節(jié)PD中的作用

在發(fā)生運動癥狀前，PD患者常出現(xiàn)前驅(qū)性非運動相關(guān)癥狀，其中胃腸功能障礙是最常見且最早出現(xiàn)的癥狀之一，甚至在發(fā)病幾年前就被檢測到。1980年，PD患者的胃腸道中首次發(fā)現(xiàn)了PD的重要標志物——α-syn[20]，提示PD可能起源于胃腸道。而腸道菌群與胃腸道的密切接觸和相互作用也引起人們的廣泛關(guān)注。

2.1PD患者腸道菌群的變化特征 許多臨床研究總結(jié)了PD患者腸道菌群的變化特征。①Keshavarzian等[21]發(fā)現(xiàn)PD患者表現(xiàn)出“促炎”的生態(tài)失調(diào)模式，其特征在于能產(chǎn)生丁酸鹽的“抗炎”細菌減少，如布勞特菌、糞球菌屬和羅氏菌屬，而“促炎”細菌如羅爾斯頓菌屬增多。②Scheperjans等[22]比較了72例PD患者和72名年齡匹配的對照者的糞便，觀察到PD患者中腸桿菌科的豐度增加，且腸桿菌科水平與姿勢不穩(wěn)和步態(tài)艱難的嚴重程度呈正相關(guān)，表明腸道菌群在PD表型中發(fā)揮作用。他們還發(fā)現(xiàn)PD患者糞便樣品中普雷沃菌的豐度減少。Bedarf等[23]發(fā)現(xiàn)PD患者糞便的普雷沃菌大量減少，而艾克曼菌增加。普雷沃菌產(chǎn)生黏蛋白可增強腸屏障的完整性，而艾克曼菌降解黏液層并使用黏液作為能量來源，普雷沃菌減少同時艾克曼菌增多可能與黏蛋白合成減少，黏液層變薄和腸道通透性增加有關(guān)，隨后導致全身暴露于細菌抗原和內(nèi)毒素的危險中[24]。普雷沃菌還可以分解復合碳水化合物，提供SCFAs、硫胺素和葉酸來促進腸道環(huán)境的健康，因此該菌的減少可導致這些重要微量營養(yǎng)素的產(chǎn)量下降[25]。③Unger等[26]報道，PD患者糞便中的SCFAs(如乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽)水平均明顯低于年齡匹配的正常對照人群。Felice等[27]研究顯示PD患者糞便中產(chǎn)生SCFAs的柔嫩梭菌減少。以上研究表明PD患者的腸道生態(tài)失調(diào)與SCFAs水平顯著降低相關(guān)，SCFAs的減少可能損害腸上皮屏障，促進免疫反應及改變腸神經(jīng)網(wǎng)絡，并且可能與觀察到的ENS蠕動調(diào)節(jié)受損及隨之而來的腸道運動障礙有關(guān)。雖然以上結(jié)果可能受到研究方法、研究人群等的差異及其他未知因素的影響，但仍能說明PD患者的腸道菌群具有明顯的變化特征。

2.2腸道菌群影響PD的可能機制 腸道菌群失調(diào)對PD進展的影響依賴于腸道菌群與腸上皮屏障、腸道免疫系統(tǒng)和ENS-迷走神經(jīng)通路的相互作用。腸道菌群失調(diào)可導致腸上皮屏障受損和腸道炎癥，使PD患者出現(xiàn)腸上皮屏障形態(tài)學改變，腸道內(nèi)促炎癥細胞因子水平增加以及腸神經(jīng)膠質(zhì)細胞活化[28]。腸神經(jīng)膠質(zhì)細胞在ENS中被稱為星形膠質(zhì)細胞，其激活有助于形成腸道免疫反應，并導致腸運動功能障礙，還可以通過腸道菌群-腸-腦軸的神經(jīng)免疫途徑促成神經(jīng)炎癥，以及隨后CNS中的神經(jīng)變性。

為了解腸道菌群失調(diào)與免疫網(wǎng)絡的相互作用在PD發(fā)病中所扮演的角色，已經(jīng)在PD的動物模型中進行了一些研究工作。①Yang等[29]觀察發(fā)現(xiàn)用魚藤酮誘導的PD小鼠存在腸道生態(tài)失調(diào)，其特征在于腸道α-syn的積聚和結(jié)腸炎癥發(fā)生在運動缺陷、中樞神經(jīng)變性和CNS中的α-syn聚集體形成前，表明腸道菌群與免疫網(wǎng)絡的改變可能是PD病理學的最早跡象之一。②外周注射細菌內(nèi)毒素已被用于模擬小鼠PD樣表型[30]。米諾環(huán)素是一種已知可改變腸道菌群組成的廣譜抗生素，向細菌內(nèi)毒素誘導的PD小鼠腹腔注射米諾環(huán)素，可導致中腦黑質(zhì)炎癥明顯改善，小膠質(zhì)細胞激活減少，黑質(zhì)中存活的多巴胺能神經(jīng)元的數(shù)量增加，說明改變腸道菌群多樣性的抗生素可以影響炎癥誘導的PD，突出了PD患者中腸道菌群-腸-腦軸通信潛在的神經(jīng)免疫特異性機制[31]。③Cote等[32]報道，用1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶誘導PD小鼠會激活腸道先天免疫細胞中髓樣分化因子88/核因子κB促炎信號通路的轉(zhuǎn)導，并有助于腸道和中樞神經(jīng)變性以及CNS中的小膠質(zhì)細胞激活。而向髓樣分化因子88敲除小鼠外周注射1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶則不會出現(xiàn)腸道和中樞神經(jīng)元丟失，表明先天免疫細胞在1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶引起的ENS和CNS神經(jīng)變性進展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。總之，這些臨床前研究結(jié)果表明腸道菌群失調(diào)和免疫系統(tǒng)的變化在PD進展過程中發(fā)揮重要作用。

腸道菌群失調(diào)可通過ENS-迷走神經(jīng)通路促進PD的進展。有研究提出，在PD發(fā)生早期，甚至早在黑質(zhì)紋狀體功能異常前，一種未知病原體就侵害了ENS及迷走神經(jīng)背側(cè)核[33]。Qin等[34]提出，PD中腸道菌群組成的變化主要是產(chǎn)生SCFAs的細菌喪失，可促進α-syn在ENS中的積累，α-syn隨后通過迷走神經(jīng)進入中腦黑質(zhì)并沉積，導致PD發(fā)生。Holmqvist等[35]也證實，將PD患者體內(nèi)分離出的α-syn裂解物注入成年野生型SD大鼠的腸壁，發(fā)現(xiàn)α-syn以時間依賴的方式通過迷走神經(jīng)進入迷走神經(jīng)背側(cè)核，并最終到達中腦黑質(zhì)。因此，腸道菌群可通過ENS-迷走神經(jīng)通路影響PD的進展。

綜上所述，腸道菌群能通過與腸上皮屏障、腸道免疫系統(tǒng)和ENS-迷走神經(jīng)通路的相互作用，導致腸功能障礙，促進中樞多巴胺能神經(jīng)變性的發(fā)生、發(fā)展，因此應進一步探究腸道菌群調(diào)節(jié)PD的病理生理學機制。

3 FMT治療PD

FMT是指將健康人群的糞便濾液輸注到腸道功能紊亂患者的腸道中，其目的是增加腸道中有益菌的數(shù)量，減少有害菌的數(shù)量，恢復被破壞的菌群穩(wěn)態(tài)[2]。近年來，F(xiàn)MT在治療難治性和復發(fā)性艱難梭菌感染方面表現(xiàn)出有效性和安全性，逐漸成為與腸道菌群失調(diào)有關(guān)的多種疾病的新興治療方法，包括PD、多發(fā)性硬化、肥胖和自閉癥等[36]。

有報道稱，1例有便秘癥狀的PD男性患者因便秘而接受抗生素(萬古霉素、秋水仙堿和甲硝唑)治療后，胃腸道癥狀有所改善，神經(jīng)系統(tǒng)癥狀消失，表明腸道菌群的重建有助于改善PD癥狀[37]。臨床前研究方面，Sun等[38]發(fā)現(xiàn)，用正常小鼠的糞便對PD小鼠進行FMT可減少腸道菌群生態(tài)失調(diào)，減輕身體損傷，增加紋狀體多巴胺和5-羥色胺含量。此外，F(xiàn)MT可減少黑質(zhì)中小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞的活化，從而抑制神經(jīng)炎癥，降低腸和腦中Toll樣受體4/腫瘤壞死因子-α信號通路的表達。以上研究證明了FMT治療PD的可能性[39]。FMT后的短期不良反應主要為腹瀉、腹痛、腹脹和便秘，這些癥狀大都是自限性的[40]。然而，關(guān)于FMT的長期免疫反應的信息較少，包括潛伏感染的發(fā)作，應進一步隨訪調(diào)查。此外，由于糞便提取物是供體和受體之間的介質(zhì)，即使進行嚴格的供體篩查，F(xiàn)MT也有可能傳播隱匿性感染[37]。因此，在將FMT視為治療策略前必須進一步確定其安全性和有效性。

4 小 結(jié)

腸道菌群對維持人體健康至關(guān)重要[2]。腸道菌群通過與腸上皮屏障、腸道免疫系統(tǒng)和ENS-迷走神經(jīng)通路相互作用，參與腸道菌群-腸-腦軸，進而在維持腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)和影響PD進展中發(fā)揮重要作用[16]。在維持腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)方面，腸道菌群有助于保持血腦屏障的完整性，促進腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子表達[9]，還能影響CNS免疫細胞的生長和功能[11]。在影響PD的進展方面，腸道菌群失調(diào)損害腸上皮屏障，誘發(fā)腸道炎癥反應，并通過腸道菌群-腸-腦軸促成CNS的炎癥及神經(jīng)變性[28]，還可促進α-syn在ENS中的積累，以及經(jīng)迷走神經(jīng)由腸到腦的運輸[34]。PD患者出現(xiàn)胃腸道功能紊亂癥狀比運動癥狀早數(shù)年，其腸道菌群也具有明顯的變化特征，這可能成為PD的早期生物標志物[6]。未來應進一步總結(jié)PD患者腸道菌群失調(diào)的特點，以便早期篩查和診斷PD，做到早發(fā)現(xiàn)、早治療；同時應深入研究腸道菌群對大腦功能及行為影響的具體作用機制及其在PD發(fā)病中的病理生理學作用，更好地應用腸道菌群來改善大腦功能，延緩甚至阻止PD的發(fā)生和發(fā)展。此外，基于改善腸道菌群失調(diào)的治療策略，如FMT，能夠恢復腸道菌群的正常組成，改善胃腸道功能，減輕PD癥狀[37]，且不良反應較小[40]，有望成為防治PD的有效措施。