阿尔茨海默病、载脂蛋白E、肠道菌群三者相关性分析

付佳佳，邓爱萍，刘 焦，杨 静，陈雪平

1.四川大学华西临床医学院，四川 成都 610041；2.四川大学华西医院神经内科门诊部/四川大学华西护理学院；3.四川大学华西医院神经内科

脑-肠-菌群轴的功能可能在神经退行性疾病的发病机制中起重要作用。肠道微生物群组成的改变，可导致肠道屏障的通透性增加和免疫激活，从而导致全身炎症反应，进而可能破坏血脑屏障，促进神经炎症、神经损伤，最终导致神经退行性病变。阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是发生于老年和老年前期，与脑内淀粉样蛋白沉积和神经原纤维缠结有关的以认知功能进行性下降为特征的中枢神经系统退行性病变。新的证据表明，微生物群紊乱与AD相关，而神经炎症被认为是两者病因学上的联系[1]。载脂蛋白E(apolipoprotein E，APOE)基因的多态性是晚发型AD的主要遗传风险决定因素[2]，APOE4增加AD风险的一个主要途径是使APOE4携带者的大脑中更早地出现更丰富的淀粉样蛋白病变[3-4]。

Parikh等[5]新近研究发现，肠道微生物组成的结构与APOE等位基因密切相关，这是第一个针对肠道菌群与APOE基因型相关性的研究。尽管目前研究发现，APOE基因型、肠道菌群与AD密切相关，但无直接的研究证实晚发型AD最强的遗传风险因子APOE基因型是如何与肠道菌群相互作用影响的。Tran等[6]研究发现，相对于APOE4基因型，肠道菌群可能有助于APOE2和APOE3等位基因对AD的保护作用。但该方面研究证据甚少，AD、APOE基因型、肠道菌群三者之间是如何相互作用的仍然存在疑问。因此，本文总结近年来相关研究，从AD与APOE基因型，AD与肠道菌群，AD与APOE基因型及肠道菌群相关性三个角度进行阐述，为AD的病因、病理机制、干预措施方面的研究探寻方向。

1 AD与APOE基因型

APOE基因的多态性是晚发型AD的主要遗传风险因素，与常见的APOE3等位基因相比，APOE4等位基因增加AD风险[7-8]，APOE2等位基因降低AD风险[9-10]。

1.1 APOE与Aβ病理尽管临床和病理研究证据表明，APOE基因型与包括tau蛋白、过氧化物酶蛋白、TAR DNA结合蛋白43(TAR DNA-binding protein 43)在内的多种蛋白之间存在病理联系，但研究最多，关系最为密切的是APOE基因型与Aβ(β-amyloid)蛋白之间的关系[2，11-12]。对AD患者死后脑组织的病理学研究发现，APOE4加重了神经元内的Aβ蛋白[13]和脑实质中斑块沉积[14-15]，促进了神经毒性Aβ低聚物的形成[16]。相比之下，APOE2与神经炎性斑块数量减少[17]有关。一项临床纵向研究也表明，APOE4携带者与非APOE4携带者相比，脑皮质中Aβ蛋白沉积增加[18]。

1.1.1 APOE4降低Aβ清除效率：淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)的存在，使Aβ蛋白在大脑中持续产生，因此，有效地清除对于防止Aβ蛋白积累和聚集至关重要[19]。以APOE亚型依赖的方式从脑组织间液(the brain interstitial fluid，ISF)内清除可溶性Aβ蛋白的相关研究发现，APOE4的清除效率低于APOE2或APOE3[20]。最近的一项研究表明，在生理条件下APOE与Aβ蛋白之间的相互作用是最小的，而且在清除星形胶质细胞中的Aβ蛋白时APOE可能不被需要，但在体外研究发现，APOE与其他蛋白竞争低密度脂蛋白受体相关蛋白-1(low-density lipoprotein receptor-related protein-1，LRP-1)依赖的细胞摄取途径，阻断了星形胶质细胞约50%的细胞质清除[21]。因此，受体介导的星形胶质细胞Aβ蛋白的内化至少会部分受到不同APOE亚型和APOE受体的影响，其中APOE4会降低这些细胞对Aβ蛋白的清除效率。

1.1.2 APOE4增加Aβ产生：体内研究发现，APOE，特别是APOE4通过加速Aβ多肽的初始形成促进Aβ纤维的形成，鉴于APP产生的肽是AD发病中的关键因素，APOE可能在这一过程中起作用[22]。2018年发表的一项研究检测了HEK293细胞来源的APOE诱导的人类胚胎干细胞和诱导性多潜能干细胞(induced pluripotent stem cell，iPSC)来源的神经元的APP转录和产量，发现携带APOE4的人类iPSC来源神经元与APOE3携带者相比，Aβ分泌显著增加，推断可能是由于增加APP转录或翻译[23]。

1.2 APOE与非Aβ蛋白机制

1.2.1 APOE与tau蛋白病理：在AD中，tau蛋白的病理聚集与神经退行性病变和临床表现密切相关。研究[24]表明，神经元特异性APOE4过表达增加小鼠tau蛋白磷酸化，携带两个APOE4等位基因的个体比携带一个或无APOE4等位基因的个体在死后大脑病理分析中有更多的tau聚集物，但在无APOE4等位基因表达的大脑中未观察到这样的关联[25]。

1.2.2 APOE与神经炎症：APOE在调节淀粉样病变和神经退行性病变的先天性免疫反应中起重要作用。小胶质细胞在大脑中的免疫反应中起着核心作用，在AD患者死后的脑组织中，围绕着空斑有大量反应性小胶质细胞增生[26]。不同的APOE亚型在AD发病机制中调节不同的小胶质细胞功能[27]。携带APOE4的人类iPSC衍生小胶质细胞与携带APOE3的细胞相比，表现出形态改变和巨噬细胞吞噬水平降低[23]，APOE4还增加了小胶质细胞对淀粉样蛋白病理模型中的空斑的反应性[28]。

1.2.3 APOE与突触功能：研究显示，在AD患者的大脑中，APOE4的存在与突触变性的增加和低聚体的突触积累有关[29]，同时与树突密度、可塑性[30]、谷氨酸受体的减少[31]有关；APOE4靶向替代(targeted replacement，TR)小鼠与APOE3-TR小鼠相比，突触蛋白表达减少，树突棘密度和长度减少，突触传递受损，这与死后人类大脑的研究结果一致[32-33]。研究发现，APOE对脂蛋白和谷氨酸受体在细胞内转运的异形依赖效应是APOE4损伤突触可塑性的潜在机制，携带APOE4小鼠的海马神经发生γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)能神经传递受损[34]。

1.2.4 APOE与血脑屏障完整性：APOE是血管认知功能障碍的危险因素[35]，提示该等位基因可能与神经功能障碍有关。影像学研究证实，APOE4的存在与脑白质高信号的增加相关[36]。研究发现，在认知健康的个体中，APOE4携带者与APOE2携带者相比，脑脊液/血清白蛋白比值更高(脑脊液/血清白蛋白比值作为血脑屏障功能的衡量指标，比值越高，说明血脑屏障功能下降)[37]，提示APOE4携带者体内血脑屏障完整性被破坏。

2 AD与肠道菌群

肠道与大脑通过肠-脑轴紧密相连。来自中枢神经系统的输入可以改变肠道功能，而来自肠道到中枢神经系统的输入可以调节特定症状。肠道菌群组成的改变可能与AD大脑中Aβ纤维沉积有关。此外，寄生于肠道的细菌可释放大量的淀粉和脂多糖，可能参与了与AD发病机制相关的信号通路的调节和促炎细胞因子的产生。邓爱萍等[38]研究发现，一些AD患者与正常对照组相比，肠道菌群中乳酸杆菌下降，并发现与炎症因子相互作用。

2.1 Aβ纤维研究发现，大肠杆菌内毒素在体外可促进Aβ纤维的形成，因此可能与AD的发病机制有关，此外细菌淀粉样蛋白的全身负荷可能会导致脑内Aβ蛋白累积[39]。

2.2 细菌的淀粉样蛋白和脂多糖与肠道炎症细菌淀粉样蛋白可能启动先天性免疫系统，从而增强对大脑Aβ蛋白的炎症反应。研究发现，AD患者血浆脂多糖浓度也明显高于健康人群[40]。脂多糖激活先天性免疫系统小胶质细胞中表达的Toll样受体(Toll like receptors,TCRs)，脂多糖通过与CD14和MD-2蛋白相互作用，激活TLR4受体，促进炎症反应。细菌产生的脂多糖和淀粉样蛋白也会进一步加剧肠道的渗漏，并会提高细胞因子和其他小的促炎因子的水平，如与AD直接相关的白介素17A(IL-17A)和IL-22，可能通过胃肠道和血脑屏障进入大脑，进一步引发免疫原性反应[41]。

肠道炎症和肠道微生态失调与肠道屏障功能障碍直接相关，而肠道通透性增加可能是神经退行性病变的原因之一。肠道屏障由黏液层、肠上皮、固有层组成，这一屏障的破坏导致其渗透性增加，导致细菌移位和有害物质进入血流。微生物群组成决定了黏液层的性质，影响其渗透性。肠道炎症反应过程可以通过评估粪便钙保护素浓度间接测量。研究发现，钙保护素在AD患者中显著升高，并促进了淀粉样蛋白的形成和聚集，近70% AD患者的粪便钙保护素水平升高，升高的钙保护素可转移到循环系统进而导致神经炎症[42]。

2.3 神经递质GABA是人类中枢神经系统中主要的抑制性神经递质，GABA能系统功能障碍可以导致认知和记忆障碍。乳酸菌和双歧杆菌是肠道菌群中的有益菌，它们能将谷氨酸转化为GABA，胃肠道中GABA的增加促进其在中枢神经系统的可用性增加，通过GABA能神经元上调抑制信号传导[43]。肠道微生态失调影响肠道微生物群GABA的产生，从而导致中枢神经系统中可用GABA减少，这种效应导致GABA/谷氨酸活性失衡，使中枢神经系统易于发生兴奋性中毒[44]。此外，以大肠杆菌和肠球菌为主要代表的肠道菌种在调节血清素的产生中发挥重要作用，这也影响GABA在肠道和中枢神经系统中的可用性[45]。

3 AD与APOE基因型及肠道菌群

尽管最近的一些研究表明，肠道微生物组成、粪便短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)与AD的发生之间存在联系[46]，但目前尚无直接研究证实肠道微生物组成与晚发型AD最强的遗传风险因子APOE基因型之间存在联系。

Tran等[6]对不同APOE基因型匹配个体的粪便微生物扩增子进行了测序，结果显示，虽然肠道总体微生物多样性差异无统计学意义，但不同APOE基因型间细菌类群的相对丰度差异有显著统计学意义。与APOE4携带者相比，Ruminococcaceae菌群水平与APOE2/E3基因型相关性更大，Ruminococcaceae参与了SCFAs的产生，而SCFAs的代谢与炎症有关，因此猜测这些特定肠道微生物可能是APOE2和APOE3等位基因相对于APOE4基因型对AD保护作用的潜在机制之一。

Nagpal等[47]研究发现，APOE4中Gamellales和Gamellaceae的丰度更高，提示Gamella可能与APOE4等位基因有关，因此这可以用来确定在APOE4个体中MCI和/或AD的风险。这一发现也与Vogt等[48]先前的研究一致。

研究表明，肠道微生物在调节代谢、免疫功能、宿主体内的淀积中发挥关键作用，可能与AD病理[49]的调节有关。宿主与微生物菌群相互作用产生的代谢物包括SCFAs、胆汁酸、胰蛋白酶衍生代谢物，其中丁酸盐、乙酸盐、丙酸盐在内的SCFAs对代谢功能有显著影响[50]。胆汁酸显著影响宿主胆固醇、脂质、葡萄糖代谢、炎症反应的途径，并有可能改变宿主免疫和昼夜节律[51]。一些肠道菌群可分泌甲酰和脂多糖，激活小胶质细胞，导致神经炎症。Hoffman等[52]研究发现，与APOE3对照组小鼠相比，APOE4对照组小鼠表现出醋酸盐、丁酸盐、丙酸盐等代谢产物水平下降。在无症状APOE4携带者出现痴呆症状前几十年，就已经表现出肠道代谢功能障碍，这可能导致疾病进展。因此，早期保持代谢功能可能是降低AD风险的关键[53]。

4 展望

肠道微生物积极参与人体生理的各个方面，其功能障碍与包括AD在内的人类疾病密切相关。了解肠道菌群失调的早期原因以及肠道菌群与大脑生理之间的关系，可能有助于预防或减少与慢性肠道炎症和大脑炎症相关的神经疾病。此外，遗传风险因素APOE4等位基因可能更多地影响与疾病相关的微生物的存在。虽然AD的确切病因尚不清楚，但饮食习惯可能在AD的病理中所起的作用已被公认。新的证据表明，特定的饮食结构和肠道菌群组成，与淀粉样蛋白的产生或聚集有关[54]。因此，调节肠道菌群的饮食可能是一种有效的策略，可以影响AD和其他形式的痴呆的发展。AD和其他痴呆风险的增加与高饱和脂肪和简单碳水化合物的饮食模式有关，但高单不饱和脂肪和多不饱和脂肪、蔬菜、水果、瘦肉蛋白的饮食则与痴呆风险降低有关[55]，了解肠-脑轴环境下的饮食效应可能对未来预防无症状APOE4携带者发展为AD具有重要意义。因此，未来需要更多的研究从三者之间的相关性角度出发去研究肠道菌群、APOE基因型、AD的关系，为今后AD的病因、病理机制、干预的研究探寻方向。