肠道菌群与中枢神经系统疾病及粪便微生物群移植的治疗应用前景

吴慧杰， 王 灿， 李金遥， 马倩倩， 李 鸣综述， 杨 薇审校

肠道菌群与中枢神经系统疾病及粪便微生物群移植的治疗应用前景

吴慧杰， 王 灿， 李金遥， 马倩倩， 李 鸣综述， 杨 薇审校

肠道是人体中最大的微生物群落，肠道菌群调节宿主许多过程，包括新陈代谢、炎症和免疫反应，相反，宿主通过内外环境调节肠道菌群的组成和数量，这种宿主和菌群之间的复杂的相互作用对人体健康和功能至关重要。然而，当宿主与肠道菌群之间的共生关系被破坏时，可能导致或促进疾病[1]。本文回顾肠道菌群与宿主中枢神经系统的相互作用，讨论肠道菌群与常见中枢神经系统疾病之间的可能联系，最后提出通过纠正菌群失调以预防和治疗疾病的潜在方法。

1 脑-肠道-微生物轴(brain-gut-microbiota axis,BGMA)

肠道菌群(gut-microbiota，GM)与中枢神经系统(central nervous system,CNS)之间存在双向作用，即脑-肠道-微生物轴(brain-gut-microbiota axis,BGMA)。免疫系统是GM与CNS之间的重要中介。一方面，GM对CNS的影响：(1)影响神经发育、包括调节血脑屏障(Blood-brain Barrier，BBB)的形成和完整性、神经发生、小胶质细胞成熟和分化、髓鞘形成和神经营养蛋白的表达、神经递质及其各自的受体等；(2)调节机体行为、精神，通过各种直接或间接的机制将信息传递给大脑；(3)参与CNS的生理病理，调节神经变性(见图1)[2～5]。另一方面，CNS对GM的影响：(1)激活下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA)，影响肠道通透性、运动、分泌功能、屏障功能；(2)通过交感-迷走神经影响肠道运动、分泌功能、微生物群的组成；(3)CNS可以通过调节饱腹感，影响肠道营养从而调控数量GM及其组成[3,4,6]。

图1 a:GM产生人体必需代谢产物，胆汁酸、胆碱、短链脂肪酸等直接或间接地调节CNS的代谢反应；b:GM刺激肠道产生神经递质，5-HT、GABA、儿茶酚胺、色氨酸等作用于CNS；c:革兰阴性菌通过其细胞壁的脂多糖(LPS)与toll样受体(TLR)结合来刺激炎性因子(IL-6、IL-4等)的产生；d:肠道迷走神经的激活直接向CNS发出信号；e.胰高血糖素样肽-1(GLP-1)类似物、肽YY(PYY)、胆囊收缩素(CCK)等多肽通过内分泌途径对CNS产生影响；f:交感-迷走神经；g:HPA

2 GM与CNS常见疾病的关系

多项研究表明，GM与多种CNS疾病相关，如多发性硬化、视神经脊髓炎、帕金森病、阿尔茨海默病、偏头痛、肌萎缩侧索硬化等。

2.1 多发性硬化(multiple sclerosis,MS) MS是以中枢神经系统白质炎性脱髓鞘为特点的自身免疫性疾病，表现为视力障碍、肢体无力、认知功能障碍等，病程缓解复发交替，逐渐进展。GM产生的短链脂肪酸(SFAs)可以促进小胶质细胞的成熟，并且是维持成熟小胶质细胞所必需的[7]。而Haghikia等人将脂肪酸(FAs)作为多发性硬化的危险因素，它促进CD4+Th1细胞和/或CD4+Th17细胞介导的持续的特异性自身免疫性变态反应，引起神经炎性脱髓鞘[8]。MS患者肠道内的细菌数量及种类发生明显改变，包括拟杆菌门和厚壁菌门的减少，影响FAs的免疫调节[9]。另一项研究也发现高脂饮食加剧小鼠自身免疫性脑脊髓炎(EAE)的反应，而热量限制可以改善EAE的症状[10]。MS患者中产丁酸盐的粪便杆菌丰度减少，丁酸盐的产生与肠T调节(Treg)细胞分化、增强肠粘膜壁完整性有关[11]。近交系SJL和C57BL/6小鼠经口服广谱抗生素以减少GM数量和组成， 控制了EAE的进一步发展，表明疾病活动性降低与GM的改变相关[12]。脆弱拟杆菌的两性离子荚膜多糖A(PSA)可以防止CNS脱髓鞘疾病，给予小鼠纯化的PSA治疗可以增强在颈淋巴结中积累的CD103表达树突状细胞(DC)，初始DCs诱导CD4+T细胞转化为产生IL-10的FoxP3+Treg细胞，保护性炎性因子IL-10的增加与控制EAE的进展有关[13]。此外，B型梭菌属产生的ε毒素与髓磷脂结合也可能诱发自身免疫性脱髓鞘[14]。

2.2 帕金森病(Parkinson’s disease,PD) PD是中老年常见的CNS的退行性疾病，主要表现为震颤、运动迟缓、肌强直等运动症状及自主神经功能障碍等非运动症状。从38例PD组和34例健康对照组中收集了66例乙状结肠粘膜活检和65例粪便样本，产丁酸盐菌属(Blautia，Roseburia和Coprococcus属)在PD组粪便中显著增多，粪便杆菌、变性杆菌在PD组粘膜中明显较对照组更丰富，表明PD患者存在促炎性MG失调，并可能引发α-突触核蛋白(α-Syn)错误折叠和PD病理发展[15]。在患PD的小鼠模型中发现MG不仅促进α-Syn介导的运动缺陷和脑组织病理改变，还通过产生FAs调节小胶质细胞活化，参与PD的病理生理过程；而来自PD患者的GM诱导增强小鼠运动功能障碍[16]。Braak和Tredici研究表明，PD神经系统的损害从迷走神经背部运动核进展到黑质，最终到大脑皮质[17]。约80%的PD患者伴有便秘，且比运动症状提前20 y出现[5]。通过对细菌16S核糖体RNA基因的V1-V3区域进行焦磷酸测序比较了72名PD患者和72名对照受试者，表明GM组成在PD患者中发生改变，并且与PD的运动表型相关[18]。一个PD患者经过长达10 m的抗生素(万古霉素、甲硝唑等)治疗后，不仅胃肠道症状有所改善，而且震颤、肌强直等神经系统症状也消失了[5]。

2.3 阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD) AD是一种进行性认知功能障碍和行为损害为特征的CNS退行性病变，与神经元损失和进行性突触功能障碍相关，伴随着β-淀粉样蛋白(β-amyloid,Aβ)的沉积。随着年龄的增长，AD患病率逐渐上升。GM多样性随着年龄不断下降，而某些特殊菌群数量则显著增多。Cattaneo等人统计分析40个认知受损的淀粉样蛋白阳性患者(Amy+)和33个认知受损的淀粉样蛋白阴性患者(Amy-)粪便样品，发现Amy+组中志贺氏菌属的丰度显著增加，其变化与促炎因子(IL-6，CXCL2和NLRP3)水平变化呈正相关，促炎因子引发脑内神经炎症，从而引起神经元反复损伤及突触功能障碍[19]。最近有报告表明，在AD中形成的Aβ也作为消除脑内炎症的抗微生物剂，起着保护/破坏的双重作用[20]。GM发酵的葡萄籽多酚提取物(grape seed polyphenol extract,GSPE)能够穿BBB，有效地干扰Aβ在大脑中的寡聚化，从而减少Aβ在大脑中的沉积[21]。AD患者，特别是APOEε4等位基因携带者，抗病毒/抗菌治疗有效；同时，益生菌治疗也可以减少AD患者慢性炎症和Aβ水平[22]。

2.4 偏头痛(Migraine) 偏头痛是以中度至重度反复发作的头痛为特征的疾患，持续数小时或数天，常伴有恶心、呕吐、腹泻等胃肠道症状。患有偏头痛的患者经常患有胃肠道疾病，而胃肠道疾病患者更常发生偏头痛，这可能与肠道渗透性改变和炎症反应相关，益生菌可以增强肠道抵抗性。降钙素基因相关肽(CGRP)是在胃肠道和CNS内双重分布的脑肠肽，CGRP、物质P和神经激肽A等物质释放引起血管舒张、血浆蛋白质外渗和促炎因子的释放，进而激活三叉神经传入，即经典的三叉神经血管传入通路(trigeminal neurovascular afferent pathway)[23]。Sensenig等人报道，使用包含4种益生菌(嗜酸乳杆菌，保加利亚乳杆菌，肠球菌和双歧杆菌)的营养制剂90 d后，60%的受试者偏头痛几乎完全缓解[24]。一项开放性试验研究了29名偏头痛患者在12 w内规律口服益生菌，平均每月偏头痛日数下降了1.5 d(23%)，偏头痛相关残疾数(headache disability)也显著降低，表明益生菌对偏头痛的频率和严重程度均有改善[25]。

2.5 视神经脊髓炎(neuromyelitis optica,NMO) NMO是视神经与脊髓同时或相继受累的急性或亚急性炎性脱髓鞘疾病。NMO患者水通道蛋白-4(AQP4)的特异性T细胞与产气荚膜梭菌的蛋白质存在交叉反应。Cree等人从16名NMO患者、16名健康对照中检测了PhyloChip G3的肠道微生物，产气荚膜梭菌在NMO患者中的表达过量[26]。TNFR2缺乏导致TNFR22/2 2D2小鼠体内IL-17、IFN-g和IgG2b增多，出现自身免疫性CNS炎性脱髓鞘，口服抗生素可以消除小鼠自身免疫作用，提示GM的作用[27]。此外，越来越多的研究发现NMO与乳糜泻(CD)的关联性。但是，GM的改变在NMO发病中的具体机制尚未完全明了。

3 GM与FMT的治疗应用前景

恢复GM的生理性组合、增加肠道有益菌的数量是调整GM失调的重要手段。而粪便微生物群移植(fecal microbiota transplantation，FMT)正是一种以恢复肠道微生态平衡为目标的微生物靶向疗法。其在肠道疾病治疗中显示出优越的高效性、安全性和易耐受性，也给CNS、自身免疫系统、代谢、肿瘤等疾病的治疗带来了新的方向[28]。

FMT系通过供体粪便中分离的菌群、病毒等多种微生物、食物及微生物的各种代谢产物、天然抗菌物质等引入患病受体中，从而纠正受体肠道微生态失衡，重建正常肠功能。FMT供体可以来自配偶、亲属、健康志愿者等，必须经过严格的细菌和寄生虫感染检测。患者症状完全缓解或FMT治疗后8 w内症状没有复发提示FMT治疗有效[1～3]。截止至2012年，全世界约500例艰难梭菌感染(Clostridium difficile infection,CDI)的患者接受了FMT治疗，治愈率超过90%；3名伴长期便秘的MS患者，接受FMT治疗后，可以正常排便，同时MS症状也完全缓解(>15 y)；34例接受FMT治疗的肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合征患者，随访1～2 y 70%的患者相关症状缓解，40%的患者症状持续缓解[5]。全世界已有约15000例接受FMT治疗，美国已有2家非营利性粪便银行。然而，在这个过程中也出现了一系列不良反应，最常见的是胃肠不适，严重者可出现吸入性肺炎、脓毒血症、中毒性巨结肠等。

FMT的生产、加工、储存过程，FMT的规范应用，避免FMT的不良反应等，都是今后FMT临床应用面临的问题。现在FMT的供体选择主要基于临床病史、身体检查和实验室测试等，今后可以应用PCR等分子诊断工具或宏基因组学来选择最理想的供体微生物群，从而给患者带来最大的收益。FMT应用于CNS疾病的治疗大多数尚处于实验阶段，其潜力还需要进一步研究。

4 小 结

GM与CNS的关系密不可分。无论是通过饮食、益生菌、抗微生物制剂或FMT，针对GM的组成和数量以治疗和预防CNS疾病的意义深远，但健康微生物群的组成和功能特征、宿主-菌群相互作用尚待深入了解。

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1003-2754(2017)10-0951-03

R741

2017-08-09；

2017-10-02

(吉林大学第二医院神经内科，吉林 长春 130041)

杨 薇，E-mail：wei88linda@yahoo.com