肠道微生物多样性与神经系统疾病

张 银，闻 俊，周婷婷

[第二军医大学药学院，上海市药物(中药)代谢产物研究重点实验室，上海 200433]

随着人口数量的不断增加和老龄化情况的加重，神经系统疾病在全世界范围内逐渐成为人类致残和死亡的重要原因。人体内的微生物细胞总数多达100万亿，所含的基因更是超过人体自身基因的150倍[1]，其中绝大多数微生物寄居在人肠道中，包括细菌、产甲烷古菌、真菌、病毒等。肠道微生物多样性是指不同种类的生物体在人肠道内的数量和丰度分布[2]。平衡的肠道微生物状态在维持宿主正常生理功能和营养吸收等方面发挥着重要作用，对人体的健康至关重要。目前越来越多的研究表明，肠道微生物多样性与抑郁症、帕金森病(Parkinson's disease,PD)、阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,AD)等神经系统疾病联系紧密。虽然其中机制尚未明确，但近年来“微生物-肠-脑”轴的提出给研究人员指明了新的方向。“微生物-肠-脑”轴是肠道微生物与大脑进行双向沟通的渠道，包括神经、内分泌、免疫、代谢等途径。大脑可以通过这种渠道来改变肠道微生物的结构和多样性，反之，肠道微生物也可通过它来影响宿主的精神和神经状况。因此，肠道内是否有“合适”的微生物群，对神经系统疾病影响重大。本文通过对肠道微生物多样性与部分神经系统疾病的相关性进行综述，来揭示肠道微生物多样性与抑郁症、PD和AD的关系，期望在今后疾病的治疗中，能从肠道微生物的多样性出发，寻找新的治疗方法与策略。

1 肠道微生物多样性的研究方法

为研究肠道内微生物的多样性，需对微生物的种类和数量进行检测。由于微生物具有个体小、种类多、数量大的特点，所以目前通常采用分子生物学技术来分析微生物的结构，其中主要包括聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)、高通量基因测序和组学等方法。传统的PCR方法存在定量单一的缺陷，只能对单一种类的微生物进行数量的测定，不能满足同时准确测定多种微生物的需求。目前，主流的微生物研究方法是基于16S rRNA基因的高通量测序法[3]，这种方法具有特异性高、灵敏度高、测定量大、定量准确的优点，所以成为新一代微生物基因测序技术的代表，普遍应用于肠道微生物的定性和定量分析中。除此之外，近年来新兴的组学技术也被用来研究肠道微生物，包括宏基因组和蛋白质组学。他们不局限于特定的研究对象，通过对微生物整体的基因和蛋白分析，来揭示微生物的组成结构和功能，给肠道微生物多样性的研究提供了新的方向。

2 肠道微生物多样性与抑郁症

2.1 抑郁症中肠道微生物多样性抑郁症是一种精神障碍性疾病，患者表现为情绪低落、自尊心低，对正常活动丧失兴趣。发病原因与生理、精神、环境等多种因素相关。肠道微生物构成人体内的微环境，而这种微环境的改变可通过炎症反应，干扰神经传递信号和代谢通路来引起抑郁症的发病。目前越来越多的研究发现，无论是抑郁症患者，还是抑郁动物模型，肠道内都存在区别于正常人的微生物组成结构，见Tab 1。

2.1.1抑郁症患者的肠道微生物多样性 相较于正常人来说，抑郁患者的肠道微生物存在多样性减少的情况。荣晗等[4]采用宏基因组测序方法中的鸟枪法，对18例抑郁症患者和24例健康对照者进行肠道菌群种类、丰度及基因功能通路分析时，发现在肠道细菌种类水平上，抑郁症患者和健康对照者存在明显不同，抑郁症患者的菌群种类更少。而抑郁症患者与正常人肠道微生物的结构差异，在不同生物等级分类中逐一体现。Liu等[5]通过焦磷酸测序法，比较抑郁症患者和健康对照者的肠道微生物，发现相较于健康对照者，抑郁症患者的肠道菌在门的等级上，Bacteroidetes增多，而Firmicutes减少；在属的等级上，Bacteroides、Prevotella和Paraprevotella增多，而Lachnospiracea incertae sedis、Coprococcus和Clostridium XI减少。对于重度抑郁患者(major depressive disorder, MDD)来说，研究发现[6]，除了代表性的Bacteroidetes增多和Firmicutes减少外，还存在Proteobacteria、Actinobacteria、Enterobacteriaceae和Alistipes明显增加的现象，而Faecalibacterium是减少的。有趣的是，抑郁症患者的肠道微生物还与性别有关，Actinobacteria和Bacteroidia是男、女MDD患者肠道中差异最大的微生物。

2.1.2抑郁动物模型的肠道微生物多样性 抑郁动物模型可以通过慢性多变的压力刺激和粪菌移植来建立，近年来研究发现，抑郁动物模型与抑郁症患者存在相似的微生物结构。Yu等[7]采用16S rRNA基因测序法，对由慢性多变压力刺激建立的抑郁大鼠模型进行基因测定，发现与正常大鼠相比，抑郁大鼠肠道中Firmicutes含量是减少的，而Bacteroidetes含量是增加的，这与抑郁症患者研究结果一致。而在属等级上，Marvinbryantia、Corynebacterium、Psychrobacter、Christensenella、Lactobacillus、Peptostreptococcaceae incertae sedis、Anaerovorax、Clostridiales incertae sedis和Coprococcus明显降低，而Candidatus Arthromitu和Oscillibacter明显增加。当移植MDD患者的肠道微生物至无菌的实验鼠体内后，鼠表现出与抑郁症患者相似的行为。Kelly等[8]发现大鼠接受微生物移植后，在糖水偏爱实验中糖水的摄入量减少了，并且在强制游泳实验中不动时间延长。除了出现这些抑郁状行为，大鼠肠道内微生物的多样性也改变了。具体表现在门等级上，Actinobacteria和Candidate Division TM7丰度减少；在科等级上，Bifidobacteriaceae、Coriobacteriaceae、Porphyromonadaceae、Candidate division TM7 uncultured bacterium、Caldicoprobacteraceae和Alcaligenaceae丰度减少，而Propionibacteriaceae丰度增加；在属等级上，Bifidobacterium uncultured、Coriobacteriaceae uncultured、Caldicoprobacter、Roseburia、Allobaculum和Burkholderiales丰度减少，而Freudenreichii、Staphyloccus和Peptococcus丰度增加。这种转移抑郁的机制目前尚不清楚，但有研究认为这可能与肠道微生物改变了肝脏代谢有关。

Tab 1 Changes of gut microbiota in depression, PD and AD

综合目前对抑郁症的肠道微生物多样性研究报道可以看出，Bacteroidetes和Firmicutes是抑郁症的代表微生物，Bacteroidetes与抑郁症正相关，而Firmicutes与抑郁症负相关。Bacteroidetes与Firmicutes比例的改变会导致抑郁症的发生、发展，发病机制可能与以下3个方面有关：① 引发炎症反应，引起白细胞介素6等促炎细胞因子的增多；② 干扰宿主代谢，包括碳水化合物和氨基酸代谢等；③ 扰乱神经内分泌，降低神经肽在下丘脑和海马中的表达。

2.2 基于肠道微生物多样性的抑郁症治疗传统的抑郁症治疗方法包括抗抑郁药物治疗和心理治疗。其中，抗抑郁药物主要是通过提高大脑内突触间隙中5-羟色胺和去甲肾上腺素浓度来改善患者情绪和症状。近年来研究发现，抑郁症的治疗与肠道微生物多样性有关，药物治疗、益生菌摄入、粪菌移植、改善饮食等手段，可以通过介导肠道微生物来发挥抗抑郁作用。

2.2.1药物治疗 Yang等[9]用两种手性对映体的氯胺酮来治疗慢性社交失败压力(chronic social defeat stress, CSDS)引起的抑郁模型小鼠，发现小鼠在抑郁状态改善的同时，Deltaproteobacteria的含量减少，而Deltaproteobacteria可能通过炎症反应促成小鼠的抑郁样表型，因此认为氯胺酮的抗抑郁作用与肠道菌恢复有关。其中(R)-氯胺酮比(S)-氯胺酮抗抑郁效果更强，持续时间更久，这可能与(R)-氯胺酮明显降低小鼠的Mollicutes和Butyricimonas水平有关。而Butyricimonas能够产生丁酸盐，减少炎症并有助于保持健康的肠道。

2.2.2益生菌治疗 除了传统的抗抑郁药，益生菌也可以通过改变肠道微生物的结构来改善和预防抑郁症，目前发现有治疗效果的益生菌包括双歧杆菌、乳酸菌、丁基梭菌等。Yang等[10]采用CSDS制备小鼠的抑郁模型，发现抑郁的小鼠肠道内不存在双歧杆菌，而从抑郁状态恢复的小鼠肠道内出现了双歧杆菌。之后在对预先口服给予双歧杆菌的小鼠进行抑郁造模时发现，小鼠出现抑郁症状的情况减少，这证实了双歧杆菌预防抑郁症的作用。除此之外，干酪乳酸菌可以减少有害的大肠杆菌和粪肠球菌，从而改善大鼠抑郁行为。虽然益生菌抗抑郁的作用机制目前还未明确，但益生菌可减少MDD中常见的炎症激活情况，可以用作抑郁症的辅助治疗。而丁基梭菌可以改善糖皮质激素诱导的小鼠抑郁样行为，这与肠道胰高血糖素样肽-1的分泌刺激和大脑胰高血糖素样肽-1受体的激活有关。

2.2.3粪菌移植治疗 目前，研究发现粪便微生物移植(fecal microbiota transplantation,FMT)可以通过改变肠道微生物多样性来发挥抗抑郁作用。Kurokawa等[11]通过对接受了FMT治疗的功能性胃肠疾病患者随访发现，无论患者胃肠道症状改变如何，FMT都可使得肠道微生物的多样性增加，并且改善患者的抑郁和焦虑症状，这可能与益生菌降低了对多个脑区负面刺激的反应和血清高敏C反应蛋白含量有关。

2.2.4饮食治疗 饮食对改善抑郁状态至关重要。摄入富含多酚化合物的食物可以提高人体内的肠道细菌对多酚代谢物的生物利用能力，而这些多酚的代谢物能够促进心理状况，并且抵抗认知障碍。除此之外，omega-3脂肪酸的缺乏与5-羟色胺、多巴胺和去甲肾上腺素的神经传递功能障碍有关，老年人摄入omega-3脂肪酸还可预防抑郁症的发生。

3 肠道微生物多样性与PD

3.1 PD中肠道微生物多样性PD是一种常见于老年人的神经系统变性疾病，主要有脑黑质多巴胺能神经元的变性死亡，纹状体多巴胺含量明显降低，以及α-突触核蛋白在神经元内不溶性沉积等病理表现，发病的原因至今未明。临床上除了主要出现的运动症状以外，便秘也是PD患者最常见和最早出现的症状，研究发现，这与肠神经系统中α-突触核蛋白的积聚和神经变性有关。从而有假说认为PD的发病来源于肠道，与肠道微生物有关。如Tab 1所示，PD患者与正常人的肠道微生物在多样性上存在较大差别，并且在不同分类等级中都有体现。Keshavarzian等[12]利用16S rRNA基因扩增测序方法，比较了PD患者与健康对照者粪便中的微生物结构。发现在门分类等级上，PD患者的Bacteroidetes、Proteobacteria和 Verrucomicrobia增加，而Firmicutes减少；在属分类等级上，Akkermansia、Oscillospira和Bacteroides明显增加，而Blautia、Coprococcus和Roseburia明显减少。值得关注的是，某些特定的肠道微生物不仅与PD发病有关，还与PD患者的临床症状的严重程度有关。研究发现[13]，相对丰度在6%以下的Prevotellaceae在PD患者中具有一定的专属性和敏感性，而且Enterobacteriaceae的相对丰度与PD患者姿势步态障碍的严重程度呈正相关。除此之外，Unger等[14]还发现，PD患者肠道内Lactobacillaceae、Enterococcaceae和Faecalibacterium prausnitzii明显减少，而Bifidobacterium明显增多。

Verrucomicrobiaceae 和Prevotellaceae报道于现今绝大多数PD肠道微生物研究中，是PD患者的代表微生物。其中，Verrucomicrobiaceae与PD呈正相关，而Prevotellaceae与PD呈负相关。Verrucomicrobiaceae的增多和Prevotellaceae的减少可能从以下3个方面参与PD的病程进展：① 改变微生物群的代谢，加快色氨酸的降解速率，增加有害的代谢产物，影响机体的正常免疫功能；② 减少肠道内短链脂肪酸(short chain fatty acid,SCFA)含量，引起肠道神经系统发生变化，从而导致PD患者的胃肠道运动障碍；③ 影响细胞α-突触核蛋白的分泌，使之通过迷走神经从肠神经系统向中枢神经系统传输增加，引起PD病理改变。

3.2 基于肠道微生物多样性的PD治疗由于不能控制PD的病情进展，目前对于PD的治疗主要以改善症状为主，药物治疗是最主要的治疗手段。PD用药通过促进多巴胺的合成与利用，抑制其降解，来控制患者的临床症状。近年来研究发现，PD的药物治疗与改善肠道微生物有关，另外，益生菌和益生元的补充也为PD的治疗提供了新的方向。

3.2.1药物治疗 越来越多的文献报道了处方药物与肠道微生物的关系，肠道微生物可以在药物代谢中发挥作用，而这些药物又可以影响微生物的组成。Hill-Burns等[15]发现，PD患者服用儿茶酚-O-甲基转移酶(catechol-O-methyltransferase,COMT)抑制剂和抗胆碱能药后，Bifidobacterium和Lachnospiraceae Blautia的丰度发生明显变化。而Lachnospiraceae可以产生SCFA，SCFA缺乏可能解释大脑中的炎症和小胶质细胞激活，以及PD的胃肠道特征。此外，COMT抑制剂和抗胆碱能药物的胃肠道副作用也与菌群失调有关，了解肠道微生物的组成，能更好地评估PD药物的疗效和毒性。

3.2.2益生菌与益生元治疗 益生菌可以治疗PD患者的并发症便秘。有规律地摄入益生菌可以改变PD患者的大便稠度和排便习惯，减轻便秘症状。Barichella等[16]采用随机双盲试验，分别给予120名伴有便秘的PD患者含有多种益生菌菌株、益生元纤维和安慰剂的发酵乳，4周后，发现摄入益生菌和益生元的PD患者每周完全排便的次数明显增加，便秘情况得到改善。其中的机制可能与减少的免疫系统刺激、局部炎症和上皮通透性，以及细菌产物或代谢物引起的神经运动感觉功能障碍调节有关。

3.2.3其他 肠道微生物群产生的分子氢(hydrogen,H2)，具有抗氧化、抗凋亡、抗炎、细胞保护和信号传递作用。有研究认为，PD的发病是由肠道菌群产生内源性H2受损所致[17]，补充H2可能是PD的一种治疗方法。

4 肠道微生物与AD

4.1 AD中肠道微生物多样性AD是一种中枢神经系统退行性疾病，亦称痴呆症，其特征性的病理改变是β淀粉样蛋白沉积形成的细胞外老年斑和tau蛋白过度磷酸化形成的神经细胞内神经原纤维缠结。AD的发病原因虽尚未被阐明，但人们普遍认为是基因和环境因素共同参与的结果。与人体共生的微生物是影响宿主健康的重要环境因素，许多研究发现AD的发生与肠道微生物的结构和多样性密切相关，见Tab 1。

4.1.1AD患者的肠道微生物多样性 近年来，关于AD患者的肠道微生物研究日益增多。Vogt等[18]采用16S rRNA基因测序方法对AD患者的粪便样本进行细菌分类组成鉴定，发现AD患者的肠道微生物多样性发生明显变化，在门等级上，Firmicutes和Actinobacteria减少，而Bacteroidetes明显增加；在科等级上，Gemellaceae、Bacteroidaceae和Rikenellaceae增加，而Ruminococcaceae、Turicibacteraceae、Peptostreptococcaceae、Clostridiaceae、Mogibacteriaceae和Bifidobacteriaceae减少；在属等级上，Blautia、Phascolarctobacterium、Gemella、Bacteroides、Alistipes和Bilophila增加，而SMB53、Dialister、Clostridium、Turicibacter、cc115、Bifidobacterium和Adlercreutzia减少。除此之外，Cattaneo等[19]通过测定AD患者的肠道微生物和血液中细胞因子的表达，发现AD患者中Eubacterium rectale减少，与促炎因子呈负相关，而Escherichia增加，与促炎因子呈正相关。从而推测这两种细菌状态与AD患者外周炎症有关。

4.1.2AD动物模型的肠道微生物多样性 常用的AD模型小鼠通过转基因得到，近年来研究发现，AD小鼠的组织学和行为表征与特殊的肠道微生物有关。Shen等[20]发现，AD小鼠与野生型小鼠相比，认知功能严重受损，海马区的斑块负担也随年龄增长而增加，并且肠道微生物中Helicobacteraceae、Desulfovibrionaceae、Odoribacter和Helicobacter增加，而Prevotella减少。除此之外，研究发现[21]，AD小鼠的Proteobacteria和Verrucomicrobia急剧增多，而Ruminococcus和Butyricicoccus明显减少。

在绝大多数AD肠道微生物研究中，Bacteroidetes是AD患者的代表微生物，与AD呈正相关。增多的Bacteroidetes影响AD的机制主要包括以下3个方面：① 分泌一系列非常复杂的促炎性神经毒素，如细菌脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)，促使中枢神经系统发生炎症退化；② 诱导先天性免疫，激活神经炎症通路，造成β淀粉样蛋白的形成；③ 降低SCFA的含量，减少了对毒性可溶性β-淀粉样蛋白聚集体形成的干扰。

4.2 基于肠道微生物多样性的AD治疗目前没有治愈AD的方法，现有的治疗方法治标不治本，主要包括药物、心理和护理治疗等。药物治疗主要针对AD的认知功能和伴有的精神症状。近年来的研究发现，抗生素、中药复方、益生菌和益生元都对AD有明显的治疗作用，并且与肠道微生物息息相关。

4.2.1抗生素治疗 Minter等[22]对AD模型小鼠进行长期的广谱抗生素联合治疗，观察到小鼠肠道微生物的结构发生明显变化，Akkermansia和Lachnospiraceae增加。经过长时间转变的肠道微生物改变了外周循环细胞因子和趋化因子的组成，特别是升高了血清中CCL11的水平，减少了淀粉样斑块的沉积，并且增加了可溶性β淀粉样蛋白水平，使AD小鼠的病理情况得到好转。

4.2.2中药复方治疗 近年来，传统中药复方在AD的治疗中展示巨大潜力。研究发现[23]，六味地黄汤的提取物可以逆转由AD引起的肠道微生物转变，从而改善AD模型小鼠的认知功能。这可能与六味地黄汤通过肠道微生物代谢谷氨酸生成γ-氨基丁酸，减少焦虑有关。除此之外，Bacteroidales、Clostridiales和Desulfovibrionales都被认为与认知能力明显相关。据此猜测，中药复方可能是通过调节肠道微生物的多样性来发挥抗AD的作用。

4.2.3益生菌与益生元治疗 益生菌作为调整肠道微生物结构的生物制剂，在治疗和预防AD中得到广泛应用。Bonfili等[24]给予AD模型小鼠Lactobacilli和Bifidobacteria制剂后，观察到AD模型小鼠肠道内Bifidobacterium spp明显增加，而Campylobacterales明显减少。此外，益生菌的摄入增加了具有神经保护作用的肠肽激素水平，改善了AD小鼠的认知减退和大脑损伤症状，并且减少了淀粉样蛋白的沉积，延缓了AD的发展。益生菌抗AD的机制虽不明确，但有研究表明，这与β淀粉样蛋白基因表达的抑制和氧化应激的减少有关。除去益生菌，益生元也可用于治疗AD症状，巴戟天的低聚糖可以调节肠道菌群的组成和代谢，改善脑组织肿胀和神经元细胞凋亡症状，明显改善AD动物模型的记忆。

5 结语

在过去的十几年里，大量关于肠道菌的基础研究已经证实了肠道微生物的结构和多样性影响着大脑的发育和功能，甚至影响心理健康。无论是实验动物研究，还是临床的观察性研究，都揭示了肠道微生物的改变与神经和精神疾病具有重大关联[25]。肠道微生物多样性的改变和某些特定微生物的数量变化，能够引发甚至加快抑郁症、PD和AD的病情进展，而改善肠道微生物的状态就能预防和治疗疾病。虽然，目前针对肠道微生物多样性的神经系统疾病治疗还处于摸索阶段，但现今的研究已经发现，益生菌、抗生素，乃至中药复方提取物都可以通过恢复宿主肠道微生物结构，来改善抑郁状态，减轻PD患者的临床症状，以及促使AD患者的认知功能恢复。肠道微生物多样性的研究具有极高的临床价值，然而，其中还有许多问题亟待解决：首先，目前肠道菌群的研究方法主要是对延时的、离体的粪便微生物进行检测，不能够实时、在体地观察肠道微生物的动态变化；其次，通过肠道微生物治疗疾病的具体机制尚未被阐明，今后的研究应基于全面透彻的“微生物-肠-脑”轴基础，来探究疾病治疗的关键机制；再次，治疗药物的安全剂量与可能出现的毒副作用应接受全面考量，同时时刻注意是否会出现与治疗目的相反的菌群失调症；最后，除了实验动物研究，还需要大样本的临床数据支持。是否可以特定的肠道微生物结构作为疾病的标志物，从而针对其进行疾病的治疗，还有待进一步的探讨。