阿尔茨海默病与肠道菌群相关性的研究进展

梁程钰，陈兆基，崔 蕾，杨立青，夏艳敏综述，李晓芳审校

随着全球性人口老龄化的趋势逐渐显现，对于认知障碍性疾病的起病原因、发病机制、行为表现及其防治措施的研究备受全社会的瞩目。阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)，是一种在老年人群中较为常见的以认知障碍为特征的中枢神经系统退行性疾病，是老年性痴呆中最常见的类型[1]。该病起病隐匿且缓慢，病情存在着进展性加重的特点。2017年在STEM CELLS以及STEM CELLS Translational Medicine发表的美国疾病控制与预防中心(Centers for Disease Control and Prevention，CDC)的最新数据显示，美国AD的死亡率正呈现上升趋势，这一年美国由每100000 AD患者中29例患者死亡增加到31例患者死亡，这意味着美国每年由于AD会增加数千名死亡人数[2]。这对每个存在AD患者的家庭无异于增加了一份沉重的精神负担和经济负担，并且对全社会也会造成严重的经济压力。

AD的典型组织病理学改变为神经细胞外β-淀粉样蛋白(β-amyloid protein，Aβ)的大量异常沉积形成老年斑以及神经细胞内的tau蛋白过度磷酸化形成神经元纤维缠结(neurofibrillary tangle，NFT)[3]。到目前为止，AD的具体发病机制并不清晰，但有越来越多的研究显示炎症的级联反应与神经系统退行性疾病存在着相关性，尤其是与AD[4，5]。并且已经有研究表明AD患者的肠道菌群(Gut microbiota，GM)与正常人群存在差异，其组成较健康人发生了很大的变化[6]。Heping Shen等[7]对照性的将AD患者的GM移植到APP/PS1双转基因小鼠体内，发现NLRP3炎症小体(NOD-like receptor protein 3 inflammasome，NLRP3 inflammasome)在小鼠肠道中表达增加，而且外周血中炎症因子的表达水平也明显增加。对比一直以来接受AD患者GM的小鼠较未接受AD患者GM的小鼠认知障碍更加严重，小鼠中央海马小胶质细胞激活，神经炎性因子表达增强。随后，在植入AD患者GM的APP/PS1小鼠中移植健康人的GM或口服二甲胺四环素来改善其GM的组成，发现NLRP3炎症小体在其肠道中表达下调，小鼠的认知能力提高，海马中部小胶质细胞活化被抑制，神经炎性因子表达也下调了。由此可见GM可以通过脑-肠轴来调控AD的炎症因子表达，故本文将围绕GM与AD的相关性的进展进行综述。

1 肠道菌群与中枢神经系统

近些年，越来越多的证据表明，宿主与微生物之间的相互作用几乎包含所有复杂的层次，从细胞间的直接通信到广泛的系统信号传递，涉及到各种器官和系统，其中就包括中枢神经系统(central nervous system，CNS)。微生物群落对于宿主新陈代谢起着至关重要的支持作用，并且会产生许多无法从宿主细胞中获得到的重要代谢物，这些都是通过构成微生物群落的遗传物质的多样性实现的[8]。微生物群对机体98%以上的遗传活动都负有责任，它就好像是人体的“第二个基因组”[9]。人类拥有庞大且复杂的微生物群，而绝大部分微生物群定植于肠道内。肠道是我们参与分子间交互的最大门户通路，各种各样的饮食成分已经被证实与发育中的大脑直接进行作用，并会诱导成熟大脑的功能改变[10]。肠道微生物群在指导和促进大脑发育过程中发挥了作用，这对CNS的健康活动有着长期的影响[11]。

1.1 肠道菌群 人体内的微生物群是由细菌、病毒、原生动物、古细菌和真菌组成的，重量约1.5 kg，被认为是由100多万亿个微生物组成，这个数字超过了宿主细胞的10倍，其中细菌是主要的分类群，细菌门主要有两种，即拟杆菌门和厚壁菌门，它们占人类肠道远端系统发育类型的90%以上，还有一些丰度相对较低的变形杆菌门、放线菌门、梭菌门及疣微菌门等，均生活在人体的不同部位[12，13]，超过70%的微生物群生活在胃肠道中，与人体之间存在着互利互惠的关系，从胃腔到小肠，再到结肠、直肠，其数量稳定增长[14]。几乎是在一个个体出生后不久，一个新的微生物生态系统就随之诞生了，这个微生物生态系统位于人体的胃肠道内[15]，有研究表明新生儿肠道的早期定殖菌多来自于其母亲，出生方式是影响足月婴儿早期GM形成的重要因素[16]，经阴道分娩的婴儿获得的细菌与其母亲阴道壁上的细菌相似，以乳酸杆菌属、双歧杆菌属为肠道内优势菌属，而经剖宫产分娩的婴儿获得的细菌则类似于皮肤表面的定殖菌，常以葡萄球菌属、棒状杆菌、丙酸菌属为肠道内优势菌属[17]。在生命刚开始的最初几周，微生物群开始变得多样化，逐渐形成一种复杂的、以厌氧菌为主的微生物群[18]。与此同时，下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴被激活，会对支配胃肠道的肠道神经系统(enteric nervous system，ENS)产生影响，人体肠道内的微生物迅速增多，在三岁时达到成人的水平，双歧杆菌向梭菌和拟杆菌的转变就发生在宿主由婴儿发育到成年人的过程中[19]。微生物群的组成在人的一生中都会发生变化，这与饮食类型、环境因素、疾病情况等都有关系。

微生物群在维持人体的健康中起着重要的作用，它可以帮助分解某些会被机体代谢掉的营养物质，并且得到一些具有神经活性的产物，就像肠道细菌会产生氨基酸(如：γ-氨基丁酸、色氨酸)[20，21]和单胺类神经递质(如：5-羟色胺、组胺、多巴胺)，这些产物作为神经递质或神经递质的前体，在神经系统的健康活动中意义重大[22，23]。这些神经活性产物可以通过血流作用进入CNS，也可以影响ENS中的神经元。只有处在平衡状态下，健康的胃肠道才会具有正常且稳定的GM，这时对人类健康有利的整个反应链才会发生。然而，当GM失衡时会导致炎症性肠病[24]、肠易激综合征[25]、胃肠道感染[26]、糖尿病、变态反应性疾病、代谢综合征等疾病[27～29]。

1.2 微生物-脑-肠轴(Microbiota-Gut-Brain Axis，MGB) 在19世纪80年代，美国心理学家威廉詹姆斯与丹麦心理学家卡尔兰格首次提出了在CNS和肠道器官之间的双向交流会在情绪的调节中起作用这一观点[30]，40年后，美国心理学家沃尔特坎农提出了大脑在胃肠道功能中起到重要作用的观点[31]。通过许多啮齿类动物的研究也能看出，从基础微生物学到转化医学，脑肠轴已经成为许多不同领域的研究重点。肠道和大脑之间的几种交流途径已经被研究过了[32]。迷走神经是连接肠道和脊髓的神经，其末端连接脑干核团，接收并发出传入神经纤维和传出神经纤维[33]。通过这种方式，脑干核团可以控制许多肠道功能，并且将信号发送到大脑的其他区域，如丘脑和皮质区域[34]。肠道和大脑之间的交流也可以通过血液循环进行[35]。肠粘膜和血脑屏障允许免疫和内分泌因子的通过，如细胞因子和激素，可以影响肠道和大脑的功能[36]。并且值得注意的是，通过与无菌小鼠对比证明了肠道菌群有助于免疫、内分泌及神经系统的成熟[37]。因此，MGB轴可以被视为一个多功能网络，其中CNS、周围神经系统(peripheral nervous system，PNS)、免疫以及内分泌系统均参与其双向交流[37]。

2 肠道菌群与AD

2.1 肠道菌群与神经递质 目前有很多研究表明，GM在AD患者中发生了改变，可能参与了AD的发病机制。一项通过对43例AD患者进行的16s rRNA测序得出在分类水平上，AD患者的细菌类群与对照组不同，例如拟杆菌、放线菌，瘤胃球菌，毛螺旋菌、硒单胞菌等在AD患者中明显增加。此外，许多细菌本身就能够合成和释放许多神经递质和神经调节因子，肠内分泌细胞能够分泌神经肽，这都表明肠道微生物群可能参与了AD的病理发展[38～40]。肠道内存在乳酸菌和双歧杆菌等革兰氏阳性菌可以产生γ-氨基丁酸(GABA)，GABA是人类中枢神经系统中的一种重要的抑制性神经递质[41]。神经系统中GABA的浓度与肠道中GABA的浓度有关，若肠道内乳酸菌、双歧杆菌等革兰氏阳性菌减少，肠道内的GABA便会减少，相应地会导致CNS中GABA的水平降低。然而，GABA介导神经调节和神经递质的传递，若其水平降低导致该系统功能障碍会引起认知障碍性疾病，例如AD。通过与未患AD的个体进行尸检对比得到，AD患者的额叶、颞叶、顶叶皮质中GABA的水平是减低的[42]。5-羟色胺(5-HT)在认知功能的调节中起着重要的作用，选择性5-HT再摄取抑制剂可以减少大脑中Aβ的合成，因此增加细胞外5-HT的水平可以减少老年斑的形成，从而降低AD的风险[43]。在肠道内假丝酵母菌、链球菌、大肠埃希菌等合成人体所需的95%以上的5-HT，而无菌小鼠血液中5-HT水平较GM正常的无致病性小鼠低60%左右，但是将无菌小鼠的GM重建后可以检测到5-HT浓度升高[44]。谷氨酸是人类CNS中一类重要的兴奋性神经递质，N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)谷氨酸受体在大脑正常学习和记忆中发挥着重要作用[45]。通过对无菌小鼠和给予抗生素饲养的小鼠的观察研究可以了解到NMDA受体与GM具有相关性，无菌小鼠和给予抗生素的小鼠脑内海马体部NMDA mRNA表达及NMDA受体水平明显降低[46]。除此之外，肠道内乳酸菌的减少会导致乙酰胆碱(Ach)水平相应地减低[47]，Ach的减少则会引起皮质中胆碱能神经递质功能紊乱，这是造成AD患者认知障碍的基础[48]。在AD患者脑和血清中发现在突触间阻止Aβ和tau蛋白大量聚集的脑源性神经营养因子(BDNF)的含量下降[49]，并且在无菌小鼠的海马中BDNF的表达较GM正常的无致病性小鼠也是低的[50]。肠道内蓝藻菌水平升高会产生过多的神经毒素，例如：β-N-甲基氨酸-I-丙氨酸(BMAA)会干扰NMDA的正常生理活动，并且长期暴露于BMAA环境中会造成细胞内神经元纤维缠结和Aβ的沉积，增加AD的风险[51]；蛤蚌毒素和鱼腥藻毒素-α等随着年龄的增长会进一步造成神经系统疾病，提高AD的患病风险[52]。

2.2 肠道菌群与炎症反应 另外长期以来，研究人员一直在研究神经系统退行性疾病可能的感染原因。已经有报道AD与单纯疱疹病毒、螺旋菌、肺炎衣原体以及真菌的感染有关[53～55]。在APP/PS1双转基因小鼠中初步观察到，与野生型对照组相对比这些动物的Allobaculum和Akkermansia(阿克曼菌)减少，而Rikenellaceae(理研菌科)增多[56]。神经炎症被认为是造成神经系统退行性疾病的病理学变化的主要原因之一[57]。在CNS和PNS中产生的促炎细胞因子调节神经元功能，并能够引起病理性细胞死亡[58]。小胶质细胞在预防和促进神经系统退行性疾病中有重要的意义，所以有理由推测GM可能会影响这些导致大脑衰老的炎症性疾病。GM的改变可能促进了炎症的过程，从而导致AD的神经炎症。GM中的某些细菌可分泌大量脂多糖(LPS)和淀粉样蛋白，这些LPS和淀粉样蛋白可能是导致AD在衰老方面的发病机制，随着年龄的增加胃肠道上皮细胞和血脑屏障的通透性增强。有人提出LPS和淀粉样蛋白可能直接或间接的通过受损的胃肠道或血脑屏障这些具有保护性的生理性屏障，然后触发细胞因子或其他正常转运的小促炎性分子[59，60]。最近有一项研究报道[61]，脆弱拟杆菌脂多糖(BF-LPS)暴露于人类主要的脑细胞是促炎性转录因子NF-kB(p50/p65)复合物的强效诱导因子，该复合物是炎症性神经系统退行性改变中致病通路表达的已知触发因子。并且AD患者大脑的特征是，BF-LPS也能够进一步识别TLR2、TLR4、CD14小胶质细胞受体及Aβ42。除了产生LPS外，许多肠道菌株也能产生大量淀粉样蛋白，包括大肠杆菌、枯草杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、肠沙门氏菌、结核分枝杆菌和金黄色葡萄球菌，通过蛋白质异常积累折叠成Aβ有助于形成AD的病理改变[62]。据推测，肠道细菌产生的功能性淀粉样蛋白可能是神经元蛋白质错误折叠的来源，并通过交叉播种启动先天免疫以及激活神经炎症[63]。

3 结 语

在体内处于稳态的健康的胃肠道具有正常且稳定的GM，能够为机体的正常生活提供营养和能量。肠道微生物群影响着人类的健康和疾病，肠道细菌可以通过MGB轴调节脑肠之间的相互作用。神经系统退行性疾病的发生与肠道微生物群和神经炎症密切相关，但具体机制尚不清楚。肠道微生物群可以产生氨基酸，作为神经递质的组成部分，影响CNS和ENS中的神经元的活动。此外，淀粉样蛋白的沉积、神经元纤维缠结、GM和神经炎症均证实在AD的发生中起到了重要的作用。目前，我们可以通过脑结构和功能的影像学标记来对AD进行诊断，在未来我们可能会结合神经炎症的影像学表现和炎症标志物对AD进行早期诊断，便于及时对AD患者进行干预指导。我们也有可能根据与AD相关的神经炎症和GM的变化，为AD患者的治疗找到新方法，如用于治疗神经炎的非甾体类抗炎药和改善肠道微生物的益生菌。

总的来说，GM可能通过淀粉样蛋白沉积、神经元纤维缠结和神经炎症的结合来引发AD。为了研究GM与AD之间的关系，需要开发新的方法来辅助AD的临床诊断。以GM这一方向为线索，可能会为临床医生对AD的早期诊断、预防和治疗提供新的更有效的途径。然而，这一些假设需要更多更有力的实验研究来得以证实。我们也十分期待能够以此为突破口，为AD患者及其家人带来希望。