肠道菌群与阿尔茨海默病的相关研究进展

张林杰，詹 莹，周哲屹，顿玲露，安红伟※

(1.广西中医药大学研究生院，南宁 530000； 2.柳州市中医院脑病科，广西 柳州 545000)

阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是一种进行性神经退行性疾病，多发于老年人，主要的临床表现是认知功能障碍及记忆能力的降低，严重时导致痴呆。有报告显示，2000—2013年美国脑卒中患者死亡人数下降了23%，而AD患者死亡人数增加了71%，预计2050年，每年累计新发AD患者约100万例[1]。因此，早期发现并延迟或阻止AD发生发展十分重要。目前普遍认为，AD由β淀粉样蛋白(β amyloid protein，Aβ)和tau蛋白的异常沉积导致突触功能障碍和神经元凋亡所致[2]。Honig等[3]给予轻度AD患者茄尼醇单抗(用于清除大脑中的可溶性Aβ)400 mg每4周给药1次，持续76周发现，茄尼醇单抗对AD患者认知能力无显著影响，可见单纯Aβ沉积并不能完全解释AD的发病过程。越来越多的研究表明，神经炎症在AD发病过程中起重要作用[4- 6]。肠道菌群可通过影响脑- 肠轴调节AD的神经炎症。现对肠道菌群与AD相关研究进展予以综述。

1 肠道菌群的组成和功能

胃肠道微生物是人体发现的细菌密度最高的微生物系统。肠道菌群总重量为1～1.5 kg，相当于1/3左右干粪便的量[7]。肠道微生物以厚壁杆菌、拟杆菌属、变形杆菌以及放线菌为主，肠道微生物基因是人类基因的250～800倍，可作为人体的第二大基因组[8]。当机体肠道菌群处于稳态时，可对人体免疫和代谢发挥重要的生物学作用，并与机体形成互利共生关系，这种关系主要通过脑- 肠轴介导，肠道菌群通过刺激肠道上皮细胞再生、产生黏液增强肠道屏障功能，进而抑制病原微生物入侵；此外，还可通过直接合成各种神经递质和神经调节剂(如血清素、短链脂肪酸)影响中枢神经系统疾病的发生；反之，完善的神经系统亦可通过迷走神经影响肠道菌群的运动、消化和吸收。

2 肠道菌群与AD的相关性

肠道菌群可随机体年龄的增长表现出明显的差异性。与肠道菌群种类丰富的成年人相比，老年人群肠道菌群的多样性降低，厚壁菌门和拟杆菌门的比例明显下降，此外，老年人群免疫力降低、肠道易感性增加均影响了肠道菌群构成和分布[9]。当机体处于病理状态时，肠道菌群会发生相应的改变。Vogt等[10]对AD患者粪便的研究发现，AD患者的肠道菌群多样性明显下降，厚壁菌门和杆菌属丰度降低，拟杆菌门丰度升高。Cattaneo等[11]对认知障碍和脑淀粉样变性AD患者的研究发现，肠道促炎性大肠埃希菌/志贺氏菌丰度增加，抗炎分类菌群丰度明显减少，血清促炎症因子明显升高，故由此推测，肠道菌群丰度降低与肠道周围神经炎症有关，而肠道长期处于炎症状态导致细菌定植增加，进一步破坏了机体肠道菌群的动态平衡。有研究发现，幽门螺杆菌可通过诱导产生抗炎症因子白细胞介素(interleukin，IL)10逃避宿主的免疫反应，而血清幽门螺杆菌特异性IgG抗体的明显增加会加重AD的病理过程[12- 13]。此外，一项对美国成人的回顾性队列研究发现，男性幽门螺杆菌血清阳性与AD死亡率呈正相关[14]。由此可见，肠道菌群与AD的发生存在重要关联。

3 肠道菌群导致AD的机制

脑- 肠轴反映了中枢神经系统与胃肠道之间的双向持续沟通。大脑可通过调节自主神经功能影响肠道的运动和分泌，反之，肠道菌群亦可通过影响肠道功能、神经发生、代谢产物来调控肠道功能。肠道微生物可通过对脑- 肠轴的作用实现对AD的调控。

3.1肠道菌群与肠道功能 肠道菌群组成改变可导致肠道屏障破坏，引发肠道炎症。肠道屏障由黏液层、肠上皮和固有层组成。研究表明，肠道菌群组成的改变会强烈影响黏液层的成熟和功能，且微生物群的组成也决定了黏液层的性质及渗透性[15- 16]。研究发现，肠道艾克曼菌的大量存在可以改善肠道屏障功能，长期补充艾克曼菌小鼠结肠黏液层的厚度较未补充艾克曼菌小鼠增加约3倍，甚至较补充植物乳杆菌WCFS1小鼠的黏膜层更厚；此外，长期补充艾克曼菌小鼠的免疫炎症也明显减轻，B细胞表达量明显减少[5]。

当肠道黏膜结构紊乱时，肠道屏障中断导致肠道上皮渗透性增加，细菌异位(过程称为变态反应)或有害物质进入血流，引起肠道炎症。肠道炎症可通过评估粪便中钙保护素水平间接测量。钙结合蛋白是由钙结合蛋白A8/A9形成的杂二聚体，属于S100家族的锌结合蛋白，具有明显的抗菌作用[6]。S100钙结合蛋白A8/A9具有淀粉样基因氨基酸序列，本质上可形成与淀粉样蛋白非常相似的淀粉样低聚物。Leblhuber等[17]对22例AD患者粪便钙保护素水平进行检测发现，近70%AD患者粪便钙保护素水平明显升高。故推测，肠道炎症与肠道屏障功能障碍直接相关，肠道炎症可引起S100钙结合蛋白A8/A9增高，进而诱导AD的发生。

3.2肠道菌群与神经发生和传导 肠道微生物可通过神经营养物质及其受体控制神经元分化和存活通路，影响大脑不同区域的神经元，从而影响神经发生和传导。研究表明，肠道微生物可影响血脑屏障形成以及髓鞘形成等神经生成过程，并调控动物行为和认知等[18]。将常规小鼠体内微生物定植到无菌小鼠(出生时缺乏微生物群)体内的研究发现，定植常规菌群的无菌小鼠的肠神经解剖结构更加完整，且小肠的运转速率也明显提高，表明肠道微生物可通过释放血清素或激活血清素受体诱导肠神经的成熟[19]。Luczynski等[20]的研究发现，无菌小鼠的异常应激激素信号传导、焦虑样行为以及认知缺陷与其基底外侧杏仁核的棘状中间神经元和锥体神经元均出现树突状增大，海马神经元较短有关。此外，无菌小鼠可出现初级传入神经元钙依赖性超极化后电位增强、肌间神经元的兴奋性降低、神经元传导功能受损，直接影响其行为认知[21]。

肠道微生物还可分泌神经调节剂(短链脂肪酸)，以调节重要免疫细胞和血脑屏障。研究表明，宿主微生物群对维持小胶质细胞内环境稳态起重要作用，无菌小鼠小胶质细胞发育停滞于未成熟状态[22]。McVey Neufeld等[21]的研究发现，无菌小鼠内皮组织中调节屏障功能的紧密连接蛋白表达降低，导致无菌小鼠血脑屏障对大分子物质的渗透性增强。然而，将肠道细菌发酵产生的短链脂肪酸注入无菌小鼠肠道发现，未发育小胶质细胞以及血脑屏障渗透性均明显改善，可见肠道菌群对小胶质细胞和血脑屏障的成熟及功能具有重要的调节作用[22- 23]。

3.3肠道菌群与AD的发生

3.3.1肠道代谢产物与神经炎症 肠道菌群是Aβ和脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)的重要来源，其中革兰阴性杆菌可分泌大量的LPS。肠道微生物可影响大脑Aβ的沉淀，对Aβ前体蛋白转基因小鼠模型的研究发现，无菌Aβ前体蛋白转基因小鼠可明显降低Aβ的沉淀；与移植野生型小鼠肠道菌群的小鼠相比，移植Aβ前体蛋白转基因小鼠肠道菌群的无菌Aβ前体蛋白转基因小鼠大脑中Aβ水平明显升高[24]。细菌Aβ与中枢神经系统Aβ的初级结构不同，但三级结构有相似之处，肠道细菌Aβ可能激活免疫系统，增强大脑对内源性神经Aβ产生的免疫反应。有研究发现，暴露于可产生卷曲蛋白的大肠杆菌环境下的大鼠肠道及其大脑神经突触的核蛋白沉积增加，炎症因子水平明显升高，其中IL- 6和肿瘤坏死因子- α明显升高，小胶质细胞和星形胶质细胞的数量也明显增加[25]。

LPS可导致神经炎症的发生率升高，影响 AD患者的认知。d′Avila等[26]给予幼年(2月龄)和老年小鼠(12月龄)低剂量LPS(每周1次，持续6周)的研究发现，与幼年小鼠相比，老年小鼠偶发全身炎症的易感性增加，且全身炎症使老年小鼠的探索性活动减少，情景记忆力和空间记忆力显著下降；而全身炎症可诱导幼年小鼠急性小胶质细胞的活化，并使其认知和记忆恢复到基本水平，因此，可将LPS作为细菌病原体入侵机体的检测标志物之一。LPS可作用于白细胞和小胶质细胞Toll样受体4- CD14/Toll样受体2，刺激由核因子κB介导的炎症因子的释放，并促进大脑Aβ的产生，进而损害少突胶质细胞和髓鞘[27]。Aβ1～42还可作为Toll样受体4受体激动剂，引起大脑Aβ水平持续增高，形成恶性循环，加重AD病情进展。

3.3.2肠道菌群代谢产物与AD 微生物组来源的Aβ和LPS对完善人体免疫和促进神经炎症发挥重要作用。AD患者的神经炎症和神经功能障碍存在联系，其关联性主要由小胶质细胞和星形胶质细胞的逐渐激活以及炎症分子的过度产生介导[28]。生理状态下，小胶质细胞与神经元通过相互作用调控中枢神经损伤引起免疫反应，维持大脑稳态，其中神经元能快速感应到炎症信号，当神经元发生病理性改变时，小胶质细胞可及时参与神经元修复[29]。AD早期活化的小胶质细胞和星形胶质细胞是中枢神经系统的免疫防线，可调节可溶性介质的释放，并吞噬中枢神经系统特异性碎片及Aβ和tau等异常聚集蛋白，避免了异常聚集蛋白的沉积，随着疾病进展，活化的小胶质细胞通过过度表达促炎细胞因子(如IL- 1β、IL- 6和肿瘤坏死因子- α)引起神经元损伤，造成神经退行性改变。Chakrabarty等[30]对转基因小鼠大脑模型的研究发现，IL- 10的过度表达能诱导Aβ沉积，导致记忆障碍。体外研究表明，IL- 10和血脂蛋白E可以单独损害神经胶质细胞对Aβ的吞噬作用。由此可见，具有恢复小胶质细胞和星形胶质细胞正常生理功能的分子对预防AD具有重要意义。

神经炎症中，调节免疫细胞功能的方法有多种，如降低细胞因子的基因表达、抑制细胞因子释放、防止细胞因子与其受体结合等。Fu等[31]的研究发现，IL- 33可使淀粉样前体蛋白/早衰蛋白1小鼠的小胶质细胞趋向于抗炎症表型，并可减少促炎基因的表达，使可溶性Aβ水平和淀粉样蛋白沉积降低，从而明显改善AD小鼠的认知功能。

4 益生菌对AD的治疗作用

益生菌是活的微生物，适量服用对宿主健康有益。益生菌可通过Toll样受体与肠上皮细胞或固有层相关免疫细胞相互作用，诱导产生不同的细胞因子或趋化因子，刺激抗炎细胞因子并抑制炎症细胞因子，加强肠道屏障和拮抗病原体对机体的侵袭[32- 33]。益生菌可能影响与神经递质相关代谢物的水平，改变大脑功能。对大鼠的研究发现，与对照组(生理盐水)大鼠相比，益生菌组大鼠(瑞士乳杆菌R0052和长双歧杆菌R0175治疗14 d)脑源性神经营养因子的表达升高，对炎症反应的抑制更明显，可见益生菌可减轻LPS引起的神经炎症和记忆缺陷[34]。此外，益生菌补充剂可能通过预防氧化和神经炎症来延缓与年龄相关的认知衰退。分别给予雄性和雌性衰老加速易感8小鼠生理盐水和乳酸杆菌PS32的研究发现，乳酸杆菌PS32组小鼠的衰老评分较低，IL- 10水平降低，焦虑样行为和记忆损害较轻[35]。

益生菌可逆转肠道菌群失调引起的AD病程加重及记忆认知缺陷。Athari Nik Azm等[36]对60只Wistar大鼠的实验研究发现，与AD组Wistar大鼠相比，益生菌组Wistar大鼠的空间记忆能力明显改善，逃逸潜伏期和旅行距离均较短，且目标象限的停留时间较长，表明肠道菌群在AD病理机制中具有重要调节作用。

5 结 语

胃肠道菌群在肠道和大脑的双向沟通中发挥着重要作用，可通过复杂的直接和间接途径与神经系统相互作用。此外，淀粉样斑块、神经纤维缠结、肠道菌群和神经炎症在AD中发挥重要作用，但具体机制尚不清楚。益生菌可通过调节肠道菌群稳态减少Aβ沉积，降低抗炎症因子的过度释放，显著提高机体的认知功能，但临床具体菌株及使用剂量周期仍需要大量实验进一步明确。未来可能通过肠道菌群中菌属变化预测AD的发生，并通过测定神经炎症标志物早期诊断AD，或通过拮抗抗炎症因子药物延缓AD的病程。