從腸道菌群角度認(rèn)識(shí)阿爾茨海默病的潛在發(fā)病機(jī)制

王虹，牛辰，汪慧菁，趙超,3

1. 復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院教育部、衛(wèi)健委、醫(yī)科院醫(yī)學(xué)分子病毒學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032； 2. 上海健康醫(yī)學(xué)院神經(jīng)精神藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)室，上海 201318； 3. 國(guó)家老年疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心(復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院，上海 200041)

隨著人口逐漸老齡化，探究老年癡呆的認(rèn)知、行為表現(xiàn)與其大腦潛在病理之間的關(guān)系已成為一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是世界范圍內(nèi)普遍存在的神經(jīng)退行性疾病，也是引發(fā)老年癡呆的主要原因之一，占所有老年癡呆病例的50%～70%。雖然AD發(fā)病緩慢，但病情會(huì)進(jìn)行性加重，由最初的短期記憶喪失發(fā)展為語(yǔ)言障礙和定向障礙等行為問(wèn)題，逐漸喪失機(jī)體功能，最終導(dǎo)致死亡[1]。

AD與神經(jīng)元損傷及進(jìn)行性的突觸功能障礙有關(guān)。是否存在腦細(xì)胞外淀粉樣肽β(amyloid β，Aβ)的沉積和細(xì)胞內(nèi)Tau蛋白(tau protein，Tau)過(guò)度磷酸化而神經(jīng)原纖維纏結(jié)(neurofibrillarytangle，NFT)是該疾病的病理診斷標(biāo)準(zhǔn)[2]。淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)是一種高表達(dá)的神經(jīng)元正常跨膜蛋白，在細(xì)胞的代謝過(guò)程中由β和γ分泌酶裂解成Aβ，Aβ聚集到細(xì)胞外形成低聚物和纖維，最終形成斑塊[3]。Tau蛋白是一種細(xì)胞內(nèi)微管結(jié)合蛋白，過(guò)度磷酸化時(shí)，會(huì)引起微管的解體，從而導(dǎo)致軸突轉(zhuǎn)運(yùn)障礙[4]。AD的確切病因尚未明了，至今缺乏有效治愈AD的方法。

人類胃腸道中的微生物數(shù)量龐大，總數(shù)約為1014個(gè)，其中約99%是厭氧菌，其余的是太古菌、原生動(dòng)物和真菌等[5]。腸道微生物對(duì)人體健康發(fā)揮著重要的作用，包括能量的攝取、維生素的生物合成和病原入侵的防止等[6]。在分娩時(shí)和哺乳期，新生兒接觸到來(lái)自于母體與環(huán)境中的大量微生物，這些微生物會(huì)逐漸定植在胃腸道中。嬰兒時(shí)期的微生物組成是高度動(dòng)態(tài)的，約在7歲時(shí)逐步穩(wěn)定，與成人的構(gòu)成相似。此后，體內(nèi)微生物組的構(gòu)成長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，但個(gè)體間差異較大。伴隨著年齡的增加，腸道菌群的多樣性減少，個(gè)體間差異變大，該變化與多種老年慢性疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)[7]。近年來(lái)報(bào)道AD的發(fā)生與腸道菌群改變有關(guān)，微生物和中樞神經(jīng)系統(tǒng)相互作用的假說(shuō)也成為AD發(fā)生的可能機(jī)制之一。因此，全面了解腸道微生物組遺傳及功能的多樣性，分析其與AD發(fā)生的關(guān)聯(lián)性，對(duì)有關(guān)AD的臨床危險(xiǎn)因素和發(fā)病機(jī)制的研究具有較大推動(dòng)作用，可為找出有效干預(yù)手段提供線索。

1 腸道菌群與中樞神經(jīng)系統(tǒng)相互作用的基礎(chǔ)——腸腦軸

大腦和腸道微生物群之間通過(guò)腦-內(nèi)臟-交感神經(jīng)軸(腦腸軸)進(jìn)行交流。腦腸軸由中樞神經(jīng)系統(tǒng)、神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)的交感神經(jīng)、副交感神經(jīng)分支、腸神經(jīng)系統(tǒng)和腸道微生物群構(gòu)成[8]。腸道與大腦之間的溝通主要有3種方式：傳入神經(jīng)纖維，通過(guò)神經(jīng)免疫調(diào)控和利用神經(jīng)內(nèi)分泌途徑[9]。腸道微生物群參與調(diào)控大腦的許多功能，例如：細(xì)菌通過(guò)迷走神經(jīng)和腎上腺素能神經(jīng)等多種通訊方式，調(diào)控外周神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)。調(diào)節(jié)下丘腦-垂體-腎上腺(hypothalamic pituitary adrenal，HPA)軸的激活狀態(tài)， HPA軸受刺激而釋放皮質(zhì)醇，進(jìn)而控制腦小膠質(zhì)細(xì)胞的活化狀態(tài)；影響細(xì)胞因子的釋放及單核細(xì)胞從外周向大腦的遷移；產(chǎn)生神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)肽和激素等多種物質(zhì)，影響宿主的精神健康[10]。

另外，腦損傷及不同的心理狀態(tài)均可影響腸道微生物群的組成，并可能誘發(fā)疾病。如卒中引起的腦損傷被證明會(huì)改變小鼠盲腸菌群的組成，表現(xiàn)為普雷沃菌科顯著降低，腸球菌科比例升高，并與腦損傷的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[11]。急性抑郁癥患者的擬桿菌、變形桿菌和放線菌比例較高，而厚壁菌門(mén)的比例顯著降低[12]。

2 腸道微生態(tài)與AD的相關(guān)性

腸道微生態(tài)的構(gòu)成已被證明與衰老和AD存在密切的關(guān)聯(lián)。此外，動(dòng)物模型、糞便微生物群移植和益生菌干預(yù)等多種試驗(yàn)也被用于研究腸道微生物群與AD的相關(guān)性。

2.1 腸道微生物群與衰老和AD的關(guān)聯(lián)

衰老與腸道微生物群組成的變化明顯有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，在老化的腸道中，腸道微生物的多樣性降低，某些被認(rèn)為有益的細(xì)菌，如擬桿菌、乳酸菌和雙歧桿菌的數(shù)量會(huì)減少，盡管厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)仍然占主導(dǎo)地位，但相對(duì)比例發(fā)生了變化。Mariat等[13]對(duì)嬰兒、成年人和老年人3個(gè)年齡組人群的糞便菌群進(jìn)行比較，研究表明，在這3個(gè)年齡組中，厚壁菌門(mén)/擬桿菌門(mén)的比值分別為0.4、10.9和0.6；Biagi等[14]強(qiáng)調(diào)了核心腸道微生物群(疣微菌科、擬桿菌科和毛螺菌科)的存在，老化的特征是亞優(yōu)勢(shì)種的豐度增加，而核心微生物群的豐度降低。Shen等[15]比較了中國(guó)西南地區(qū)老年人組和中年人組的糞便菌群組成，糞球菌和薩特菌屬的含量明顯較高，毛螺旋菌屬和草酸桿菌屬則相反，結(jié)果顯示，另枝菌屬的存在與年齡呈負(fù)相關(guān)。Scott等[16]評(píng)估了老年小鼠的行為、生理與盲腸微生物群的關(guān)系，老齡(20～21月齡)小鼠與低齡(2～3月齡)的小鼠相比，表現(xiàn)出更明顯的空間記憶缺陷、焦慮樣行為以及更高的腸道通透性，其卟啉單胞菌科和臭桿菌屬的豐度亦明顯增加。

Zhuang等[17]發(fā)現(xiàn)AD患者的細(xì)菌種群與對(duì)照組相比，擬桿菌、放線菌、反芻球菌、變形桿菌、硒單胞菌等顯著增加。Vogt等[18]觀察到AD患者腸道菌群的物種多樣性顯著降低，且其腦脊液中的生物標(biāo)志物YKL-40與擬桿菌、梭菌科的數(shù)量呈正相關(guān)。Lukiw等[19]對(duì)AD患者的研究表明，其血清中豐富的脆弱擬桿菌脂多糖是促炎轉(zhuǎn)錄因子核因子κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB) (p50/p65)復(fù)合體的誘發(fā)物，且NF-κB (p50 / p65)復(fù)合體是一個(gè)炎性神經(jīng)退行性疾病致病通路的誘發(fā)器。以上研究結(jié)果也提示了腸道菌群與AD的關(guān)聯(lián)性。

2.2 AD動(dòng)物模型與微生物群移植

越來(lái)越多的動(dòng)物模型被用于評(píng)估腸道菌群對(duì)AD的影響。Zhang等[20]比較了野生型和AD模型小鼠不同年齡段的糞便微生物組成。結(jié)果表明，微生物群組成在8～12月齡時(shí)發(fā)生了變化，表現(xiàn)為AD模型小鼠的疣微菌門(mén)和變形菌門(mén)豐度顯著增加，而瘤胃球菌屬和丁酸球菌的豐度顯著下降，具有益生菌潛能的丁酸酯產(chǎn)生菌普魯卡菌的豐度也顯著降低。Kong等[21]發(fā)現(xiàn)AD果蠅中乙酸桿菌和乳酸菌比例顯著下降，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀測(cè)定腸道菌群代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)的結(jié)果也顯示，乙酸酯的產(chǎn)量明顯下調(diào)。該研究證明腸道菌群失調(diào)可能通過(guò)調(diào)節(jié)SCFAs的含量參與AD的發(fā)病。

與普通動(dòng)物模型相比，無(wú)菌(germ free， GF)動(dòng)物模型的主要優(yōu)勢(shì)在于可以在不同的發(fā)育時(shí)間點(diǎn)引入特定的細(xì)菌群，以便研究其機(jī)制。Harach等[22]發(fā)現(xiàn)8月齡的APPPS1(APP/PS1 transgenic mice)小鼠與8月齡的對(duì)照組小鼠相比，厚壁菌門(mén)、疣微菌門(mén)、變形菌門(mén)和放線菌顯著減少，擬桿菌門(mén)和軟壁菌門(mén)同時(shí)增多。GF-APPPS1小鼠模型的Aβ淀粉樣病變顯著少于常規(guī)飼養(yǎng)的APPPS1小鼠，但被移植APPPS1小鼠的糞便后可顯著增加腦內(nèi)Aβ的沉積。由于GF-APPPS1小鼠免疫系統(tǒng)發(fā)育受限，提示腸道微生物群可能通過(guò)非免疫途徑參與AD的病理發(fā)展。

2.3 益生菌干預(yù)

益生菌是活的微生物，通常可以改善或恢復(fù)腸道菌群的功能。Sanborn等[23]證明了使用益生菌鼠李糖乳桿菌(LactobacillusrhamnosusGG,LGG)干預(yù)對(duì)中老年人情緒和認(rèn)知功能具有積極的影響。Akbari等[24]在60名AD患者中評(píng)估益生菌補(bǔ)充劑(嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌、雙歧桿菌、發(fā)酵乳桿菌)對(duì)認(rèn)知功能和代謝狀態(tài)的影響。結(jié)果顯示，益生菌干預(yù)組的簡(jiǎn)易精神狀態(tài)檢查表(mini-mental state examination，MMSE)評(píng)分較對(duì)照組有了顯著提高。Distrutti等[25]通過(guò)使用益生菌混合物(VSL3)改變腸道菌群組成來(lái)改善神經(jīng)元間的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)作用(long-term potentiation，LTP)與年齡關(guān)系。VSL 3是一種由8株革蘭陽(yáng)性菌株，包括嗜熱鏈球菌、長(zhǎng)雙歧桿菌、嗜酸乳桿菌和植物乳桿菌等組成的益生菌混合物。研究表明，經(jīng)VSL 3處理的老齡大鼠，年齡相關(guān)性的LTP缺陷(即老齡動(dòng)物維持LTP的能力減弱)有所減輕，同時(shí)小膠質(zhì)細(xì)胞活化標(biāo)志物輕度減少，腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)和突觸蛋白表達(dá)增加。

但是， Deschasaux等[6]發(fā)現(xiàn)感染LGG改變了小鼠的微生物群，反而引起應(yīng)激性記憶障礙。因此，不是所有使用益生菌的干預(yù)都有積極的效果。這些數(shù)據(jù)支持了腸道微生物群可以影響神經(jīng)元功能，從而影響AD發(fā)生、發(fā)展的觀點(diǎn)。

3 腸道菌群影響AD的可能機(jī)制

腸道菌群可通過(guò)包括代謝產(chǎn)物、神經(jīng)遞質(zhì)及慢性神經(jīng)炎癥等多途徑，影響AD的發(fā)生(圖1)。

3.1 細(xì)菌代謝產(chǎn)物影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)

腸黏膜屏障在保持吸收營(yíng)養(yǎng)能力的同時(shí)，還能阻隔有害物質(zhì)進(jìn)入體內(nèi)環(huán)境，保護(hù)黏膜組織和循環(huán)系統(tǒng)免受微生物、毒素和抗原等促炎物質(zhì)的侵害。當(dāng)細(xì)胞間的緊密連接出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，會(huì)引起腸漏，誘發(fā)各類疾病。在衰老過(guò)程中，腸黏膜屏障和血-腦屏障的通透性也會(huì)增高。Leblhuber等[26]通過(guò)高效液相色譜分析發(fā)現(xiàn)AD患者血液中的鈣網(wǎng)蛋白濃度顯著升高，表明鈣網(wǎng)蛋白可穿過(guò)紊亂的腸道屏障功能，從腸道進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)導(dǎo)致神經(jīng)炎癥。提示腸道菌群產(chǎn)生的有害代謝產(chǎn)物，可穿過(guò)血-腦屏障損害神經(jīng)元的功能。

腸道菌群可以產(chǎn)生脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)、多胺、SCFAs等代謝產(chǎn)物影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)。Zhao等[27]首次報(bào)道了AD患者大腦海馬和顳上葉新皮質(zhì)中存在LPS。與對(duì)照組相比，老年AD患者大腦新皮質(zhì)的平均LPS水平增加了26倍。Zhan等[28]用免疫印跡和免疫組化方法檢測(cè)AD患者和對(duì)照組的腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)標(biāo)本，結(jié)果顯示AD患者的大腸埃希菌K99蛋白和LPS水平均高于對(duì)照組，LPS與Aβ共定位于AD的腦淀粉樣斑塊及血管周?chē)Ａ硗猓罅垦芯孔C明大腸埃希菌、枯草芽胞桿菌、傷寒沙門(mén)菌、腸炎沙門(mén)菌、結(jié)核分枝桿菌、金黃色葡萄球菌等能誘生大量的細(xì)菌性淀粉樣肽。三甲胺N-氧化物(trimethylamine N-oxide，TMAO)是一種腸道微生物代謝產(chǎn)生的小分子。Vogt等[29]檢測(cè)了AD、輕度認(rèn)知障礙(mild cognitive impairment，MCI)和對(duì)照組腦脊液中的TMAO和AD生物標(biāo)志物(NFT和Aβ42)水平，在AD和MCI患者中兩者的表達(dá)水平均較對(duì)照組明顯升高，并伴隨有神經(jīng)元變性。然而，多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)用微生物產(chǎn)生的SCFAs可以改善GF動(dòng)物受損的小膠質(zhì)細(xì)胞功能，小膠質(zhì)細(xì)胞與清除腦內(nèi)碎片、斑塊等聚集物有關(guān)[30]。因此，并非所有的微生物代謝產(chǎn)物都對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生消極影響。

3.2 腸道菌群通過(guò)神經(jīng)遞質(zhì)影響AD

壓力和情緒會(huì)導(dǎo)致大腦通過(guò)釋放激素或神經(jīng)遞質(zhì)影響腸道微生物組成，腸道菌群也可通過(guò)產(chǎn)生神經(jīng)遞質(zhì)前體或調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)，影響大腦功能。如：抑郁和焦慮常常伴隨著結(jié)腸運(yùn)動(dòng)的改變，而結(jié)腸運(yùn)動(dòng)又改變了腸道微生物的組成和穩(wěn)定[31]。腸道菌群可以合成γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)，刺激腸壁嗜鉻細(xì)胞分泌5-羥色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)，影響腦內(nèi)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、多巴胺( dopamine，DA)的表達(dá)等[32]。

GABA通過(guò)與突觸前和突觸后神經(jīng)元傳遞過(guò)程中質(zhì)膜上的特定跨膜受體結(jié)合，作用于大腦中的抑制性突觸，該系統(tǒng)的功能障礙可導(dǎo)致認(rèn)知障礙。Solas等[33]對(duì)AD患者的尸檢研究發(fā)現(xiàn)，其額葉、顳葉和頂葉皮質(zhì)的GABA水平均降低，證明了GABA缺乏與AD發(fā)生的相關(guān)性。消化道中存在乳酸菌、乳球菌、雙歧桿菌、鏈球菌等大量革蘭陽(yáng)性兼性厭氧菌或微嗜氧菌，可將谷氨酸脫羧合成為GABA。Bravo等[34]發(fā)現(xiàn)給小鼠喂食鼠李糖乳桿菌JB-1，可降低GABA Aα2 mRNA在前額葉皮質(zhì)和杏仁核的表達(dá)，并減少應(yīng)激誘導(dǎo)的皮質(zhì)酮及焦慮樣行為的產(chǎn)生。

5-HT是一種單胺類神經(jīng)遞質(zhì)，在調(diào)節(jié)認(rèn)知、學(xué)習(xí)、記憶和許多生理過(guò)程中起重要的作用。超過(guò)95%的5-HT在腸道中合成，假絲酵母、鏈球菌、大腸埃希菌、腸球菌等在5-HT的合成中發(fā)揮重要的作用。Linstow等[35]采用高壓液相色譜法對(duì)18月齡的AD轉(zhuǎn)基因小鼠新皮質(zhì)、海馬、紋狀體、腦干和小腦中5-HT含量進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，與野生型小鼠相比，AD小鼠所有單胺的區(qū)域特異性水平發(fā)生了變化，其中新皮質(zhì)中5-HT含量降低了30%，腦干中5-HT含量升高了18%。Yano等[36]發(fā)現(xiàn)GF小鼠血液中5-HT含量大約比無(wú)特定病原體(specific pathogen free,SPF)小鼠低60%，且在重建GF小鼠腸道菌群時(shí)5-HT濃度明顯升高。

3.3 腸道菌群與慢性神經(jīng)炎癥

炎癥反應(yīng)對(duì)大腦既有利又有害。一方面，慢性、輕度TLR4刺激可通過(guò)激活神經(jīng)元自噬來(lái)減少Tau蛋白的過(guò)磷酸化[37]；另一方面，炎癥在AD的發(fā)展過(guò)程中起促進(jìn)作用。促炎細(xì)胞因子(proinflammatory cytokines)可增強(qiáng)APP的表達(dá)，促進(jìn)Aβ在海馬體中的形成。細(xì)菌淀粉樣蛋白被認(rèn)為是一種病原相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular pattern，PAMP)的識(shí)別分子，可引起TLR2的活化。研究發(fā)現(xiàn)TLR2誘導(dǎo)Notch1的上調(diào)和小膠質(zhì)細(xì)胞的活化，并可促進(jìn)AD的發(fā)展[38]。腸道微生物群可通過(guò)激活宿主的先天免疫系統(tǒng)，從而增強(qiáng)對(duì)腦內(nèi)Aβ的炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致神經(jīng)炎癥[39]。

外周炎癥可在慢性神經(jīng)炎癥的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮作用。Villarán等[40]用硫酸葡聚糖鈉(dextran sulfate sodium，DSS)誘導(dǎo)建立潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis，UC)大鼠模型，向其黑質(zhì)內(nèi)注射LPS誘導(dǎo)中腦炎癥反應(yīng)，以驗(yàn)證外周炎癥是否會(huì)改變中腦炎癥。結(jié)果顯示，UC增強(qiáng)了LPS的炎癥反應(yīng)，血清炎癥標(biāo)志物(TNFα、IL-1β、IL-6和急性期蛋白C反應(yīng)蛋白)水平升高，黑質(zhì)內(nèi)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶、細(xì)胞間黏附分子-1、小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞群增加。腸漏導(dǎo)致LPS滲漏可引起外周炎癥，從而影響AD的發(fā)生。

因此，腸道微生物群對(duì)宿主免疫系統(tǒng)的誘導(dǎo)、培育起重要作用，免疫系統(tǒng)的在很大程度上維持著宿主與這些高度多樣化和不斷進(jìn)化的微生物之間的共生。腸道菌群與神經(jīng)系統(tǒng)的正常運(yùn)作密切相關(guān)，但當(dāng)微生物群的穩(wěn)態(tài)變化導(dǎo)致腸道通透性增加時(shí)，可促進(jìn)細(xì)菌和內(nèi)毒素在腸道上皮屏障上的易位，引發(fā)與促炎細(xì)胞因子產(chǎn)生相關(guān)的免疫應(yīng)答，從而導(dǎo)致各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

圖1 腸道菌群影響AD的可能途徑

Fig.1 Possible pathways of gut microbiota affecting AD

4 結(jié)語(yǔ)

AD是一種復(fù)雜的慢性疾病。AD病因的復(fù)雜性導(dǎo)致了人們對(duì)其認(rèn)識(shí)的局限性，限制了該領(lǐng)域研究的發(fā)展。增齡、遺傳、外周病變和環(huán)境因素都可能是誘發(fā)因素。越來(lái)越多的臨床和生物醫(yī)學(xué)證據(jù)表明，腸道微生物群及其代謝產(chǎn)物可能影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能，導(dǎo)致個(gè)體行為偏差，菌群失調(diào)已被證明與認(rèn)知障礙有關(guān)。

環(huán)境因素(如飲食失衡、抗生素的濫用和生活方式的改變)都可能改變腸道微生物群的組成甚至致其崩潰，進(jìn)而腸道通透性(腸漏)和血-腦屏障通透性(腦漏)增加，引起外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥，最終導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生。據(jù)此推斷，長(zhǎng)期的個(gè)性化飲食調(diào)整或益生菌干預(yù)而調(diào)節(jié)腸道微生物群是一種可實(shí)現(xiàn)的策略，用于包括AD在內(nèi)的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的創(chuàng)新治療。微生態(tài)的干預(yù)研究也將為重新認(rèn)識(shí)AD并找出預(yù)防和治療AD的新方法帶來(lái)希望。