腸道菌群對輕度認知障礙的影響及作用機制研究進展▲

雷 超 劉志華

(南方醫科大學附屬東莞醫院、東莞市人民醫院肛腸科,廣東省東莞市 512300)

【提要】 腸道菌群的構成與認知障礙密切相關,腸道菌群失調可能通過代謝通路及免疫通路影響患者的認知功能,靶向調節腸道菌群如糞菌移植、補充益生菌/益生元有望成為治療輕度認知障礙的重要手段。本文對腸道菌群失調對輕度認知障礙的影響、可能作用機制及腸道菌群調節在輕度認知障礙靶向治療中的應用效果進行綜述,以期為制訂新的輕度認知障礙治療策略提供理論依據。

輕度認知障礙(mild cognitive impairment, MCI)是指介于正常衰老和癡呆之間的、早期的認知衰退階段,是癡呆的一個重要風險因素,通常被認為是阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease, AD)的早期階段[1]。已有研究表明,有高達20%的老年人(年齡>65歲)患有MCI[2],并且每年有10%～15%的MCI患者發展為癡呆[3],MCI不僅影響老年患者的日常生活功能和生存質量,還會給其家庭和社會造成較大的經濟負擔和影響。然而,目前尚未有特異性治療MCI的有效藥物,明確該病的發病機制有助于臨床治療[4]。研究表明,MCI發病的危險因素包括遺傳因素、血管因素、生活習性等,而腸道菌群失調可能通過代謝通路及免疫通路影響患者的認知功能[5]。通過補充益生菌/益生元、糞菌移植等方法靶向調節腸道菌群,已在多種神經精神疾病的治療中顯現出一定的效果,為尋找MCI的靶向治療藥物提供了新的思路。本文就腸道菌群失調對MCI的影響及其可能的作用機制、MCI的靶向治療效果進行綜述,以期為MCI治療策略的制訂提供參考。

1 腸道菌群失調對MCI的影響及其作用機制

1.1 腸道菌群失調對MCI的影響 人類體表和腸道表面被大量微生物覆蓋,其中寄居在腸道中的細菌群落豐度最高、功能最多。腸道內的菌群數量是人類細胞總數和基因總數的10倍,并廣泛參與機體的能量吸收、生理代謝、免疫系統活性、神經系統發育等過程[6-7]。近年來,腸道菌群與神經系統的相互作用成為學者們研究的熱點。越來越多的研究表明,腸道菌群可能在記憶、學習、焦慮、壓力、神經發育和神經退行性疾病中發揮一定的作用[8-10]。然而,關于腸道菌群對認知功能影響的觸發因素和機制目前仍未完全明確,多數證據來自動物實驗,臨床試驗或流行病學調查較少。Saji等[11]采用末端限制性片段長度多態性分析技術評估61例MCI患者和20例健康志愿者的腸道菌群發現,MCI患者腸道菌群中的擬桿菌屬相對豐度顯著升高,并且擬桿菌屬相對豐度與MCI患者的癥狀,以及腦皮質和海馬體的萎縮程度均相關。Cattaneo等[12]發現,MCI患者腸道菌群中的大腸桿菌屬/志賀菌屬比例顯著升高,血清促炎細胞因子如白細胞介素(interleukin,IL)-6、C-X-C基序趨化因子配體2、NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3的水平隨之升高,抗炎細胞因子如IL-10的水平隨之下降。Liu等[13]發現,相較于健康志愿者,MCI患者腸道菌群中的γ變形桿菌、腸桿菌、腸桿菌科相對豐度明顯增加,且這些共生菌與患者臨床癥狀的嚴重程度呈正相關。此外,一項動物實驗研究結果顯示,通過抗生素處理或制作無菌小鼠模型可調節腸道菌群,進而影響小鼠的認知功能[14]。盡管已有不少研究表明MCI患者的腸道菌群構成發生了顯著變化[11-13],但目前的研究多為橫向研究,尚需要對腸道菌群進行縱向評估,以了解腸道菌群及其代謝物在MCI發生和發展中的潛在作用及機制。

1.2 腸道菌群失調對MCI的可能作用機制 腸道菌群在調節大腦認知功能方面具有重要的作用,其通過菌群-腸-腦軸維持正常的大腦認知功能。研究表明,腸道菌群失調主要通過代謝途徑和免疫途徑影響認知功能[15]。

1.2.1 代謝途徑:腸道菌群在人體腸道內進行復雜且活躍的代謝活動,不僅為自身提供了生長和繁殖所需的能量和營養,也產生了大量代謝產物進入人體的循環系統。隨著代謝組學的發展與應用,腸道菌群代謝產物對認知功能的影響逐漸被人們所發現。腸道菌群對認知功能的影響可以通過代謝來源的神經遞質及神經遞質前體物質如多種氨基酸、短鏈脂肪酸介導,其中部分代謝物可以通過腸屏障進入血液循環,有的甚至可以通過血腦屏障[16]。多巴胺是獎勵動機行為的主要神經遞質之一,與記憶、學習和注意力等認知功能相關[17]。既往研究表明,蠟樣芽孢桿菌、蕈狀芽孢桿菌可代謝產生多巴胺[18]。Diaz Heijtz等[19]發現,無菌小鼠紋狀體二羥基苯乙酸/多巴胺的比例高于無特定病原體級小鼠,并且與無特定病原體級小鼠相比,無菌小鼠的運動增加,這種行為表型與運動控制和焦慮樣行為的大腦區域的突觸長期增強有關;腸道菌群的定植可能通過調節哺乳動物體內多巴胺水平從而影響其大腦發育和隨后的成年行為。除多巴胺外,5-羥色胺亦是影響認知功能的重要神經遞質,有研究結果顯示,無菌小鼠的海馬組織和血漿中的5-羥色胺水平均升高[20]。Hoban等[21]使用廣譜抗生素誘導小鼠腸道菌群失調后,小鼠的海馬區腦源性神經營養因子的基因表達發生變化,腦源性神經營養因子是可促進神經元生長、發育和存活的神經營養因子,其可增加突觸可塑性以及促進神經發生。上述動物實驗通過提供無菌環境或使用抗生素處理的方式,初步闡釋了腸道菌群失調通過代謝途徑影響認知功能的機制。腸道菌群代謝組學與腸道菌群16S rDNA/RNA測序的關聯分析是解析腸道菌群與認知功能關系的必要環節,但目前有關腸道菌群16S rDNA/RNA測序與腸道菌群代謝組學聯合應用的研究較少,且多處于理論分析的階段,尚缺乏對已發現的差異代謝產物來源的驗證及解釋的相關研究,未來需要開展更多的聯合應用研究以驗證與認知功能相關的菌群代謝標志物。

1.2.2 免疫途徑:腸道菌群失調除了可直接導致神經炎癥,還可以通過調節免疫功能影響中樞神經系統的免疫穩態[22]。研究表明,腸道菌群失調可增加腸道屏障和血腦屏障的通透性,兩者通透性的增加可促進腸道菌群來源的內毒素和代謝產物如短鏈脂肪酸在中樞神經系統的蓄積,進而導致促炎微環境[23]。病原體相關分子模式/微生物相關分子模式通過宿主模式識別受體被免疫細胞如巨噬細胞、樹突狀細胞識別,巨噬細胞和樹突狀細胞誘導細胞因子和趨化因子的分泌,從而觸發機體免疫反應[24]。革蘭氏陰性菌裂解產生的脂多糖與Toll樣受體4相互作用并激活模式識別受體,亦可觸發機體免疫反應[25],故腸道菌群失調可誘導腸道免疫系統過度激活,進而引起腸屏障通透性增加[26]。有學者發現,腸道菌群代謝產物可參與調節機體的免疫功能,梭狀芽孢桿菌發酵纖維產生丙酸,丙酸可與腸上皮淋巴結中的γδ T細胞亞群表面的短鏈脂肪酸受體結合,抑制IL-17的分泌[27]。腸道菌群可以進行膽汁酸生物轉化反應,膽汁酸可激活在巨噬細胞、樹突狀細胞和自然殺傷T淋巴細胞等免疫細胞表面高度表達的法尼醇X受體和G蛋白偶聯膽汁酸受體1,并有助于維持免疫穩態[28]。此外,由腸道菌群代謝生成的吲哚衍生物可調節CD4+T淋巴細胞向調節性T淋巴細胞和Th17的功能分化,而穩定的調節性T淋巴細胞和Th17的比例對腦局部免疫穩態的維持至關重要[29]。越來越多的研究進一步驗證了腸道菌群代謝產物對神經系統免疫功能的影響,例如Hoogland等[30]發現在小鼠尾靜脈注射脂多糖可促進其腦部小膠質細胞的激活并誘導神經炎癥; Erny等[31]的研究表明,無菌小鼠表現出腦部小膠質細胞數量減少、不同類型小膠質細胞比例改變及表型不成熟,將正常環境飼養的小鼠的腸道菌群移植給無菌小鼠,一段時間后可觀察到無菌小鼠腦部小膠質細胞的生理特征恢復正常,推測可能與腸道菌群的代謝產物丁酸有關,而進一步實驗發現通過灌胃補充丁酸可恢復無菌小鼠腦部小膠質細胞內穩態,逆轉無菌小鼠腦部小膠質細胞表型的改變。

研究表明,免疫環境改變導致的神經炎癥參與多種與認知功能障礙相關的中樞系統疾病的發病過程,且神經炎癥參與調節包括學習、記憶、情緒在內的認知功能[32]。有學者發現,MCI患者外周血炎性生物標志物水平發生改變,提示免疫環境的改變可能為MCI的發病機制之一[33]。總之,腸道菌群失調可能通過免疫途徑促進MCI發生的機制尚有待更深入的研究探討。

2 腸道菌群調節在MCI靶向治療中的應用效果

目前,臨床上用于改善MCI患者認知功能的藥物較少,調節認知功能的藥物研發仍是當前神經精神領域重要的研究方向。現階段新藥研發主要集中在調節神經遞質、神經保護及疏通血管等方面,仍缺乏有效的治療藥物靶向性干預腸道菌群以改善MCI患者的預后,相關研究在MCI治療領域備受關注,通過補充益生菌/益生元或糞菌移植來恢復腸道菌群穩態有望成為未來治療MCI的新方案。

2.1 補充益生菌 研究表明,益生菌對MCI患者的病情具有改善作用,但其作用機制尚未完全明確,可能是益生菌直接與其他有益細菌相互作用從而有助于有益代謝物的產生,并與有害微生物競爭以抑制其對機體的不良影響,從而重新平衡腸道菌群的組成及其代謝物,進而改善MCI[34-35]。一項Meta分析結果顯示,服用單一菌株的益生菌不足12周即可增強研究對象的認知功能,且對認知受損個體的影響大于對健康個體的影響[35]。另一項Meta分析結果亦表明,益生菌可顯著改善AD患者和MCI患者的認知功能[36]。亦有學者評估了益生菌對健康老年人和認知障礙患者的潛在作用,例如Ohsawa等[37]發現,與安慰劑組相比,健康老年人服用瑞士乳桿菌益生菌制劑12周后,其認知功能得到改善;Kim等[38]發現,連續12周服用含有雙歧桿菌和長雙歧桿菌的益生菌制劑,老年MCI患者的認知功能和心理健康狀況均有所改善。

益生菌改善認知功能的效果取決于具體菌種,目前大多數研究局限于分析多種益生菌聯用的效果,亟須開展更多單菌種的試驗以驗證其具體效果。腸道菌群的多樣性可能對于老年人的認知功能改善更為重要,但目前有關使用益生菌補充劑后腸道菌群多樣性變化的研究較少,而其干預的成功與否與人體的基礎菌群組成有關,應通過觀察腸道菌群組成來評估益生菌攝入的有效性。此外,益生菌治療MCI患者的使用劑量及服用時間尚未達成共識,亦缺乏長期隨訪觀察的臨床證據,今后可針對上述問題開展深入研究。

2.2 補充益生元 益生元為不可消化的碳水化合物,可促進雙歧桿菌、乳酸菌等有益菌的生長,對改善腸道菌群失調及其相關的炎癥狀態具有積極作用。研究表明,益生元通過調節神經炎癥對中樞神經系統產生積極的影響,可能在改善認知障礙方面發揮重要作用[39]。殼寡糖衍生物是一種具有抗氧化活性、免疫調節和神經保護作用的益生元,其可通過增加腦部抗氧化酶的表達,并減少促炎細胞因子如腫瘤壞死因子α和IL-1β的表達,提高AD小鼠模型的記憶能力[40]。具有改善認知功能的另一種益生元是低聚果糖。Sun等[34]發現,采用低聚果糖灌胃6周可顯著改善AD小鼠模型的認知功能,其機制可能與腦部乙酰膽堿、血清素和腎上腺素等神經遞質,以及β-分泌酶的表達水平升高有關。有研究報告,其他益生元如水溶性人參寡糖、低聚木糖、低聚半乳糖等亦具有改善認知功能的作用[41]。多項研究結果表明,益生元可通過不同的機制改善認知功能[34,40-41],益生元的優勢在于其主要來源于水果和蔬菜,容易獲取,并且易于工業化生產,故益生元可能是輔助治療認知功能障礙的潛在藥物。目前研究的局限性主要在于缺乏對涉及認知功能障礙信號通路的研究,尚需進一步的臨床試驗來驗證益生元在MCI中的治療潛力。

2.3 糞菌移植 糞菌移植是一種基于恢復患者正常的腸道菌群構成來治療腸道菌群失調相關疾病的方法。糞菌移植已成功用于治療艱難梭菌感染的患者,其優勢是可增加患者腸道菌群的多樣性,相較于益生菌制劑,其在改善腸道菌群失調方面可能更具優勢。研究表明,糞菌移植治療可通過維持腸道菌群穩態來改善AD小鼠模型的學習和記憶能力[42]。糞菌移植可能是一種有效的MCI治療方法,但其作為一種新的“器官移植”方法,涉及糞菌來源(供體)的選擇和篩查、受體選擇,同時缺乏長期的安全性評價,在MCI患者中的應用尚需要更多的基礎研究和臨床循證研究證據支持。

3 小 結

MCI患者的腸道菌群構成發生顯著變化,腸道菌群失調主要通過代謝途徑及免疫途徑影響患者的認知功能。目前,靶向性調節腸道菌群的治療方案如補充益生菌/益生元、糞菌移植等仍處于臨床前研究階段,尚需開展進一步的人群研究證明其治療潛力,從而為MCI治療提供新的輔助方案,讓患者得到更大的臨床獲益。