微生物感染与阿尔茨海默病发病关系的研究进展

宋丹利，蔡宏斌，朱燕萍，邵康梅，葛朝明

(兰州大学第二医院，兰州 730000)

阿尔茨海默病(AD)是一种神经退行性疾病，以进行性认知功能障碍为特征。在AD的发病过程中，炎症机制有很重要的作用，甚至神经炎症的出现早于AD典型的神经病理学改变。某些微生物可能会通过各种途径进入AD患者的大脑内并引起神经炎症，这些入侵者可激活胶质细胞并产生多种炎性因子，刺激机体产生淀粉样蛋白，以抵御微生物的侵袭，保护大脑免受感染。但随着感染被频繁的重新激活，Aβ的生成逐渐增多，其抗菌作用可能会因Aβ聚集形成斑块而减弱，同时由于神经炎症从急性转变为慢性炎症状态，不断扰乱大脑稳态，可能会促进AD的发生。研究[1]证实，Aβ有抗细菌和抗真菌的作用，抗菌作用甚至比LL-37更为显著，Aβ是抗菌肽的事实间接证明微生物感染与AD的发生有关。流行病学显示，多种病原体与AD的发生有关。文献[2]报道，AD与单纯疱疹病毒1型(HSV-1)感染有关，而携带载脂蛋白E4(ApoE-4)等位基因可增强这一关联。除此之外，肠道菌群可通过微生物—肠—脑轴影响宿主的大脑功能，菌群紊乱引起的“肠漏”和继发性血脑屏障通透性增加会促进神经退行性疾病的发生，例如AD。螺旋体感染[3]以及牙周炎[4]也与AD相关，且重度牙周炎与AD的关联更明显。研究[5]证实，幽门螺杆菌感染与痴呆的发生显著相关。研究者在AD患者血液和脑脊液中发现了真菌DNA、蛋白质和多糖，并在大脑不同部位直接检测到真菌细胞。现就单纯疱疹病毒1型、肠道菌群、牙龈卟啉单胞菌、幽门螺杆菌、螺旋体、真菌感染与AD发病关系的研究进展情况综述如下。

1 HSV-1感染与AD发病的关系

HSV-1是一种嗜神经病毒，估计有80%的人感染HSV-1，原发感染后病毒潜伏于三叉神经节。关于AD的发生有一种假说，即APOE-4携带者体内潜伏的HSV-1可被免疫抑制、外周感染等事件间歇性地激活，病毒可趁机进入大脑，随着病毒侵袭和炎症反应导致的损害不断累积，最终发展为AD。Wozniak等[6]不但发现HSV-1 DNA存在于AD患者和正常老年人的大脑中，还发现了一个惊人的共定位，即在AD患者的大脑中，90%的斑块含有HSV-1 DNA，72%的HSV-1 DNA与斑块相关，而在正常老年人的大脑中，只有24%的HSV-1 DNA与斑块相关，表明HSV-1与Aβ和斑块的形成有关。

Piacentini等[7]用HSV-1感染小鼠皮质神经元，发现感染引起GSK-3的激活和Aβ的细胞内积累，这可能与小鼠神经元的突触传递被抑制有关。Civitelli等[8]用HSV-1感染小鼠皮质神经元和SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞，发现HSV-1感染引起几种淀粉样蛋白前体蛋白(APP)片段的产生及其在宿主细胞核的内定位。这些片段能够结合NEP基因和GSK-3β基因的启动子区域，已知这些基因在淀粉样蛋白级联反应中有关键作用，这项实验表明HSV-1感染可刺激神经元的产生APP，促进淀粉样蛋白级联反应，类似于AD患者大脑中的病理改变。Eimer等[9]发现HSV-1和HHV6可以在24～48 h内诱导感染小鼠产生淀粉样斑块，而且Aβ可能通过病毒包膜糖蛋白的肝素结构域诱捕病毒，保护大脑免受感染。上述研究揭示了HSV-1在AD发病中的可能机制，证实Aβ沉积是大脑对HSV-1感染的先天性免疫应答。Tzeng等[10]调查了8 362例于2000年新诊断的HSV感染者和25 086例随机选择的无HSV感染者，在2001年～2010年的10年间，HSV感染组发生痴呆的风险是对照组的2.56倍，发生痴呆者主要为HSV-1而非HSV-2感染者；一组HSV感染者接受了抗疱疹药物治疗，其后期痴呆的发病率显著降低近10倍。这些数据，强烈支持HSV-1在AD发病中的因果作用，并表明抗病毒治疗与痴呆风险的降低有关。

2 肠道菌群感染与AD发病的关系

人类微生物组的共生微生物大约有95%位于肠道内，肠道菌群大约编码4 000 000个基因，因此肠道菌群对宿主健康有不可忽视的作用。肠道菌群可能通过微生物—脑—肠轴影响神经元的功能，菌群的组成和功能变化也会影响宿主的行为。肠道菌群和大脑稳态之间的关系非常密切，微生物群的变化可能会间接影响神经疾病的发生，有证据表明肠道菌群异常与AD、孤独症谱系障碍、抑郁症和帕金森等疾病有关。Gareau等[11]将无特定病原体小鼠、无菌小鼠与野生型小鼠进行了比较，发现前两者存在多种认知缺陷；与模拟感染组相比，在感染柠檬酸杆菌的小鼠中未观察到异常行为和认知改变，但当小鼠暴露于急性应激时，则出现应激诱导的记忆障碍，若在感染前1周和实验期间施用益生菌可预防应激性记忆缺陷，改善血清皮质酮水平。Tillisch等[12]使健康女性连续4周食用含益生菌的发酵乳制品，功能性磁共振成像显示摄入益生菌4周后改变了静息期大脑的内在活动，并影响控制情绪和感觉处理的大脑区域的活动，表明肠道菌群可直接影响大脑活动。

肠道菌群可以释放大量的淀粉样蛋白、脂多糖等微生物副产物，菌群失调导致的肠漏使血脑屏障通透性增加，导致各种细菌产物侵入大脑，之后可通过激活小胶质细胞引起神经炎症，促进Aβ在脑内的蓄积。肠道菌群还通过其代谢产物间接与神经元交流，影响宿主的认知功能。N-甲基-D-天冬氨酸谷氨酸(NMDA)受体是谷氨酸受体的一个亚型，与学习、记忆密切相关。Neufeld等[13]发现在无菌小鼠中，由于过度的谷氨酸能活性，海马中NMDA受体的mRNA表达下调，表明肠道菌群的代谢活性与谷氨酸能神经传递之间的关系也很密切。脑源性神经营养因子(BDNF)在认知过程的突触重构中有很关键的作用，其可用性也受肠道菌群的影响。研究发现，BDNF在无菌小鼠的海马区表达下降，导致小鼠认知受损。肠道菌群的重要性引起了神经化学、神经精神病学领域的研究人员的关注，越来越多的研究涉及肠道菌群对大脑功能、认知和行为的影响，这是神经科学中的一个新兴领域，未来需要研究确定微生物群修饰对认知障碍和神经退行性疾病的治疗潜力。

3 牙龈卟啉单胞菌感染与AD发病的关系

牙周炎是一种慢性多微生物感染，美国一项调查发现47.2%的30岁及以上的成年人患有牙周炎，由牙周致病菌介导的反复短暂性菌血症引起的全身慢性炎症，可能使大脑暴露于与AD发病机制有关的免疫原性毒力因子和炎症介质中。研究表明，牙周病原体及牙周疾病与AD之间存在风险因素关系。Kamer等[14]发现老年人海马中较高的Aβ负荷与轻度牙周炎有关，认知功能下降的速度与牙周疾病进展的快慢有显著的相关性。牙龈卟啉单胞菌(Pg)是一种重要的牙周致病菌，Pg及其产物存在于AD患者的大脑中，与AD的发生关系密切。Dominy等[15]发现，AD患者的大脑及脑脊液中存在Pg，牙龈蛋白酶也在AD患者的大脑中被鉴定出。他们还证实，牙龈蛋白酶抑制剂能显著降低小鼠大脑中的Pg负荷，阻断Aβ1-42的产生，挽救海马中的神经元。

Ilievski等[16]发现，慢性牙周病原体感染可引起与AD一致的神经病理学的发展，并从基因角度揭示Pg引起这些病理改变的机制。研究者给C57BL/6小鼠口服Pg 22周诱导慢性牙周炎，后在实验组小鼠的海马中检测到Pg/牙龈蛋白酶，Pg在实验组小鼠的胶质细胞、神经元的核内及核外均有表达，与对照组相比，实验组的APP基因和BACE1基因表达增加，ADAM10基因表达明显下降，且在感染小鼠的脑组织中检测到细胞外Aβ42、磷酸化tau蛋白及明显的神经元纤维缠结，而在对照组中则没有检测到。Zhang等[17]认为，牙龈卟啉单胞菌的脂多糖(LPS)可通过炎症机制引起小鼠认知障碍，也间接验证了Toll样受体(TLR-4)在AD发病中的重要作用。研究者对8周大的C57BL/6小鼠腹腔注射Pg-LPS，同时施用或不施用TLR-4抑制剂(TAK-242)，对照组给予等量的盐水。与对照组比较，单独施予Pg-LPS的小鼠出现空间学习和记忆障碍，免疫组化显示Pg-LPS激活小鼠皮质和海马中的胶质细胞，促进细胞因子的表达，Pg-LPS还激活了TLR4/NF-κB信号通路。而同时施以Pg-LPS和TAK-242的实验小鼠没有出现认知下降，因为TAK-242显著阻止Pg-LPS诱导的病理变化。牙周致病菌介导的慢性炎性会影响血脑屏障的毛细血管壁，可能阻止Aβ从中枢神经系统流出进入血液循环，Aβ反而沉积在颅内血管周围。除此之外，牙龈假单胞菌感染可改变小胶质细胞的光/暗分子钟活性，导致其吞噬功能缺陷及宿主睡眠模式紊乱，加剧AD的发生发展。

4 幽门螺杆菌感染与AD发病的关系

幽门螺杆菌(Hp)不仅与胃溃疡和胃癌有关，也与消化外疾病相关，如动脉粥样硬化、高血压、心脑血管疾病等，这些都是AD的危险因素，可导致血脑屏障受损并促使AD不断恶化。Hp可通过口腔—鼻腔—嗅觉通路进入大脑或通过循环中的单核细胞(由于自噬缺陷感染Hp)经由破坏的血脑屏障进入大脑，细菌也可能经过从胃肠道到大脑的快速逆行神经通路进入大脑，导致神经退行性病变。一些临床研究证实Hp与痴呆的发生有关。Kountouras等[18]发现，AD患者的脑脊液和血清中的抗Hp IgG抗体水平显著高于年龄匹配的认知正常对照组，AD的严重程度与患者脑脊液中的抗Hp IgG抗体的水平相关。Kountouras等[19]对Hp阳性的AD患者进行HP根除治疗，所有患者随访2年，84.8%的患者Hp根除成功，与根除治疗失败组相比，根除成功亚组的患者在认知和功能状态方面均得到改善。

相关研究从基因和分子水平探究Hp引起认知障碍的机制，为Hp参与AD的发病提供了理论依据。Wang等[20]发现，对大鼠腹腔注射Hp滤液可诱导大鼠空间学习和记忆障碍。因为注射Hp滤液后可增加大鼠海马和皮层中的Aβ和早老素-2(PSEN-2)水平，抑制海马树突棘的成熟并降低突触蛋白的表达。众所周知，PSEN-2是γ-分泌酶的关键蛋白成员。上述研究表明，Hp可通过增强γ-分泌酶的活性直接促进Aβ的产生和释放，并通过中断突触功能诱导认知障碍。Felice等[21]将人胃细胞MNK-28与Hp(2-20)肽一起孵育，之后通过全局基因表达监测激活的基因。结果提示Hp(2-20)肽调节了77个基因，其中65个列在AlzBase数据库中，包括已知的AD致病基因APP、APOE、PSEN1、PSEN2，大部分调节基因(77个中的30个)属于炎症途径。来自临床研究和动物实验的数据令人鼓舞，因为这些数据为Hp感染和AD之间的关联提供了生物学上的合理性。当前研究者对Hp感染的致病机制提出了一些假设，包括分子模拟机制和低度炎症状态的诱导，这些假设仍需要我们去验证、补充。

5 螺旋体感染与AD发病的关系

螺旋体是嗜神经病原体，可侵入大脑并产生持续性感染。感染螺旋体后会引起严重的大脑功能紊乱，比如脑低灌注、脑血管病变及毛细血管网紊乱。螺旋体已被发现与AD有关，作为导致痴呆的病原体而备受关注。伯氏疏螺旋体是莱姆病的病原体，在疾病晚期可引起与皮质萎缩和小胶质细胞增生相关的痴呆。苍白密螺旋体感染是麻痹性痴呆的病因，可引起慢性进行性痴呆、皮质萎缩和局部淀粉样变性，过去注意到该病的临床症状和病理标志与AD相似。Miklossy等[22]从3个AD患者的死后大脑中成功培养出伯氏疏螺旋体，并证实伯氏疏螺旋体的抗原及DNA与AD脑中的老年斑和神经原纤维缠结共定位。Miklossy等[23]用螺旋体感染原代细胞和脑器官型聚集体，4周后在所有的细胞和器官型聚集体中均观察到Aβ沉积，还在其中发现了Aβ42和外表面蛋白A(OspA)阳性的缠结样形成物及类似于AD神经元中的颗粒空泡变性，且磷酸化tau蛋白的含量也增加，未被感染的对照培养物中未发现有上述改变。

Riviere等[24]分析来自34例受试者的额叶皮质切片，在5例AD患者(共16例)和1例对照者(共18例)中检测到伯氏疏螺旋体DNA，在这6例受试者中，伯氏疏螺旋体与口腔螺旋体共感染；他们还在14例(共16例)AD患者和4例(共18例)对照者的脑组织中检测到至少一种口腔螺旋体，甚至在一例AD患者的大脑中检测出6种不同的螺旋体，与对照组相比，单个AD患者脑中螺旋体的种类明显更多，表明AD患者的大脑内存在多个螺旋体的共同感染。Miklossy等[25]对143例AD患者和71例对照的大脑中所有类型的螺旋体进行分析，AD患者中有102例存在螺旋体，对照中仅6例阳性。他们对AD患者大脑中关于螺旋体的数据进行统计分析，并根据Koch和Hill的标准分析螺旋体与AD之间的关联，结果显示两者之间具有统计学意义的因果关系。慢性螺旋体感染可能促进颅内炎症反应及对AD 的易感性，不仅可导致痴呆，还能在患者大脑内重现AD的典型病理学特征。年龄是AD的一个危险因素和驱动因子，随着螺旋体感染的时间延长，致病因子不断积累，而由衰老引起的机体防御功能却不断下降，使患者脑内螺旋体的数量不断增加，痴呆及脑萎缩的程度也逐渐加剧。

6 真菌感染与AD发病的关系

播散性真菌病被认为是AD的致病因子或危险因素。大量证据表明，真菌成分可以在AD患者的死后脑组织中找到，而在对照组中却未发现。Alonso等[26]从AD患者的大脑中鉴定出的真菌包括链格孢属、葡萄孢属、假丝酵母属、枝孢霉属和马拉色菌属。Pisa等[27]给裸鼠静脉注射光滑假丝酵母菌，感染3个月后从小鼠不同的器官获取组织切片，免疫组化显示了脾脏、肝脏和大脑样本中的真菌细胞定位，通过共聚焦显微镜检查提示这些真菌定位在细胞质内，而未感染小鼠的免疫组织染色为阴性。真菌感染可以通过产生IL-1、IL-6和IL-12来诱导Th1通路，从而产生保护性免疫，也可以通过产生IL-4和IL-10来诱导Th2反应，Th2反应与疾病恶化相关。但哪一种被诱导取决于各种情况，例如患者的免疫状态、真菌种类和感染途径等。Th1和Th2细胞因子之间的平衡可能对机体的抗真菌机制很重要。如果这种平衡持续偏向Th2反应，真菌的生长会被激发，从而导致AD的发展。

淀粉样小体是直径为10～50 μm的圆形体，在AD患者的大脑中含量丰富。Diana等[28]在AD患者的淀粉样小体中检测到一些特定的真菌蛋白，如真菌烯醇酶、β-微管蛋白，但未检测到几丁质。Pisa等[29]在一位AD患者的内嗅皮质、海马等脑区均检测到真菌细胞，对另外10例AD患者的大脑切片进行分析，发现所有患者都感染了真菌，其血管中也存在真菌结构。由于真菌感染可引起血管病变，这可能解释AD患者中常出现的脑血管疾病，如脑淀粉样血管病、微梗死、出血等。由于在单个AD患者大脑中可检测到几种真菌，所以AD患者脑内存在混合真菌感染，这可解释不同AD患者的病情演变和严重程度的差异。此外，真菌在感染过程中于细胞表面表达淀粉样沉积物，这些物质导致了含有葡聚糖和其他多糖的原纤维的发展，这些原纤维与人血清淀粉样蛋白P相互作用，覆盖真菌细胞和菌丝以逃避宿主免疫系统。

综上所述，AD患者的大脑中存在多种感染性病原体，从病毒到细菌再到真菌，并发现其与AD的发生发展密切相关。AD的“微生物感染假说”从另一个方面揭示AD可能的发病机制，为AD发病机制的探索提供了新的思路，深入了解这些复杂的机制肯定有助于全球医学界确定新的治疗靶标。“微生物感染假说”也为临床上应用抗生素、抗真菌及抗病毒药物预防和治疗AD提供了新的证据。有些研究者认为，老年斑是一种生物膜，可使病原体长期生存并保存它们的毒力，甚至其中的微生物可以通过群体感应进行交流。基于他们的假设，我们可以进一步深入研究，尝试开发小分子、疫苗等治疗手段，以针对生物膜或产生生物膜的微生物，这也将会是我们未来努力的方向。