肠道菌群与帕金森病的研究进展

张博枰，申延琴

(江南大学无锡医学院神经退行性疾病研究室，江苏 无锡 214112)

帕金森病(parkinson′s disease，PD)是世界上罹患人数最多的第二大神经退行性疾病，高发于中老年人。如今，世界上有700～1000万人患有PD，随着全球老龄化，预计未来10年内，这一数字将会翻倍[1]。PD患者常表现为肌肉强直，静止性震颤，步态障碍，运动迟缓等运动症状，近年来发现，PD非运动症状常在运动症状前就能出现，以胃肠道运动障碍尤为突出，严重影响PD患者的生活质量[2-3]。PD主要的病理变化是中脑黑质—纹状体区域多巴胺能神经元的丢失、神经递质多巴胺水平下降以及α突触核蛋白(α-synuclein，α-syn)的异常积聚等[2]，常伴随出现在肠脑轴所涉及的中枢、肠神经系统。目前研究普遍认为肠道菌群失调是PD发生的潜在因素。肠道菌群的失调使肠通透性增强，引发肠免疫系统激活，可能导致肠内炎症、肠神经功能异常以及肠道α-syn的异常积聚[4]。

人胃肠道存在大量的微生物群体，人体内的微生物数量超过宿主细胞，并且表达着比宿主更多的基因组，维持宿主的正常生理功能[5]。人体与微生物之间是共生关系，生理情况下通过反馈机制维持其动态平衡。肠道菌群促进机体新陈代谢，与肠道免疫系统共同维持肠道屏障功能。研究发现，肠道菌群及其代谢产物可以促进神经递质、神经营养因子等分子的产生，进一步调控肠神经及中枢神经系统的功能[6]。

近几年，人体内的共生微生物和PD的关系受到关注，新的见解和信息迅速积累，使得PD研究呈现出新的发展状态。为更好地总结最新的研究进展，探索今后的研究方向，本文针对肠道菌群在肠和脑内稳态中起到的作用、肠道菌群在PD中的变化特征、肠道菌群失调影响PD发病的潜在机制以及基于肠道菌群治疗PD的方法等几方面展开综述。

1 肠道菌群及其功能

1.1 肠道菌群

人体肠道中定植了体内最大的微生物群—肠道菌群(gut microbiota，GM)，数量约100万亿(约1×1014)个，其基因组约有300万个。消化道中占主导地位的GM由四大门类构成，包括厚壁菌门，拟杆菌门，放线菌门和变性菌门。GM对人体健康至关重要，包括营养素吸收代谢、化合物合成、肠道免疫以及维持肠道屏障等方面的作用[7]。肠道菌群及代谢物短链脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)不仅参与维持肠功能稳态，还通过周围神经系统、免疫系统、神经内分泌系统等多途径与中枢神经系统进行联络，参与脑神经系统的发育与维持[8]。近年来研究表明，肠道菌群的失调与PD、阿尔茨海默病等神经退行性疾病密切相关[9]，GM已成为众多学者聚焦的热点。

1.2 肠道菌群对肠功能的影响

GM与肠上皮屏障、肠神经系统以及肠道免疫系统之间相互作用。肠上皮屏障的完整性主要通过紧密连接、间隙连接、桥粒等细胞结构来维持。GM降解碳水化合物产生SCFAs、维生素以及氨基酸等，同时调节脂肪代谢，协调肠道生理功能，保持肠屏障功能的完整性[10]。致病菌会增强肠上皮的通透性，使肠上皮屏障完整性遭到破坏[11]。而产丁酸菌代谢生成的丁酸盐，能促进肠上皮紧密连接蛋白的表达，参与保护肠上皮屏障的完整性[12]。肠神经系统(enteric nervous system，ENS)包括肠神经元与肠神经胶质细胞(enteric glial cells，EGCs)。GM不仅对肠神经元的正常兴奋性是必需的[13]，也会影响EGCs的定植。无菌小鼠中EGCs的数量显著下降。EGCs主要位于肠固有层，连通肠神经元与肠上皮细胞，维持细胞的稳态[14]。EGCs分泌胶质细胞源性营养因子GDNF、转化生长因子TGF-1等，参与肠神经系统发育，维持肠上皮的完整性[15]。GM与先天免疫系统和适应性免疫系统共同参与肠道免疫调节，包括调节淋巴细胞、T细胞、B细胞、巨噬细胞及树突状细胞。GM能促进机体免疫系统的发育成熟，防御外周病原的入侵，SCFAs，特别是丁酸盐也参与了Tregs细胞的发育。研究表明，SCFAs可以激活肠上皮细胞表达的G蛋白偶联受体，进一步调节Tregs细胞的功能[16]。

1.3 肠道菌群对脑功能的影响

GM不仅在维持肠道功能稳定方面发挥重要作用，还对中枢神经系统具有一定的调节作用。GM在早期脑发育中发挥了关键的作用。用抗生素处理的小鼠会降低海马区神经发生，由此推测GM可能介导小鼠神经发育[17]。BDNF是一种神经营养因子，能促进神经元生长发育与存活，与正常小鼠相比，无菌小鼠的BDNF表达水平降低。给予断奶后小鼠微生物定植无法逆转成年海马神经发生的变化，表明断奶前GM的存在是成年海马发生的关键因素[6]。GM能促进血脑屏障(blood brain barrier，BBB)完整性与功能稳定。研究报道，无菌小鼠在纹状体、额叶皮层及海马中均检测到紧密连接蛋白Occludin与Claudin-5的表达降低，导致BBB的通透性增加。随后，经粪菌移植或直接给予无菌小鼠产SCFAs的菌株后，发现小鼠BBB完整性增强，通透性下降，表明GM会引起脑内皮细胞的紧密连接的表达水平发生变化，从而影响BBB的通透性[18]。GM还可以调节中枢神经系统小胶质细胞的发育、成熟与功能。小胶质细胞被称为中枢神经系统的“巨噬细胞”，在重塑突触、清除病原体、维持脑组织形态与功能稳态等方面有着至关重要的作用。在缺乏GM的小鼠体内，小胶质细胞形态发育不良，免疫能力受损，而给予GM再定植后，小胶质细胞的损伤可得到一定程度的改善[19]。此外，GM还能改变小鼠学习能力。研究发现，经抗生素处理的小鼠和无菌小鼠均有恐惧消退的学习能力缺陷，而给新生无菌小鼠定植多样化的GM可改善其学习能力的下降[20]。

1.4 肠道菌群的紊乱与神经退行性疾病

GM调节肠—脑轴可能在神经退行性疾病中发挥关键作用。已经有大量动物实验研究表明，GM的变化与许多神经退行性疾病的发生有关，如阿尔茨海默病，多发性硬化症以及肌萎缩侧索硬化症等。研究表明，相比于对照人群，阿尔茨海默病患者肠道菌群中代表促炎性的肠埃希菌/志贺菌属(Escherichia/Shigella)表达增加，而代表抗炎性的直肠真杆菌属(Eubacteriumrectale)表达下降，菌群的失衡会增加脑内淀粉样蛋白的沉积以及神经炎症的发生[21]。多发性硬化症同时也是一种自身免疫性疾病，研究者发现患者体内普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)、拟杆菌属(Bacteroides)相对丰度降低，继而诱导激活Tregs细胞等免疫细胞，加剧多发性硬化症的炎症反应[22]。检测肌萎缩侧索硬化症模型小鼠粪便中肠道菌群结果显示，产丁酸的肠道菌群水平降低，菌群的失调可导致血清与肠道中促炎因子IL-17的升高[23]。总之，肠道菌群的紊乱与神经退行性疾病的发生密切相关。

2 肠道菌群及代谢物的紊乱与PD

许多临床研究显示，PD患者肠道菌群不同分类群的相对丰度有失调现象(见表1)。PD通过16s rDNA高通量测序来检测粪便菌群的基因序列，发现72名PD患者相比72名对照受试者，PD患者普雷沃氏菌科的相对丰度下降，肠杆菌科(Enterobacteriaceae)相对丰度升高，其表达水平与步态困难的严重程度成正相关[24]。在另一份调查研究中，研究者发现PD患者的厌氧棍状菌(Anaerotruncusspp.)、梭状芽孢杆菌XlVa菌(ClostridiumXIVa)的升高以及毛螺菌科(Lachnospiraceae)相对丰度的下降与PD患者运动障碍症状有关，而艾克曼菌属(Akkermansia)的升高则与PD患者非运动症状的出现有关[25]。普雷沃氏菌与艾克曼菌参与肠道黏蛋白的合成与降解，这可能与PD肠道通透性增加有关[24-25]。此外，研究发现，与健康对照组相比，PD患者的丁酸菌属(Butyricicoccus)与梭状芽孢杆菌XlVb菌(ClostridiumXlVb)显著升高，这可能与PD的认知障碍有关[26]。有研究证明发现PD患者中布特劳氏菌属(Blautia)、粪球菌属(Coprococcus)、罗氏菌属(Roseburia)等相对丰度下降，其中布特劳氏菌被认为是产丁酸盐的菌，具有抗炎的作用，而具有促炎作用的粪杆菌属(Faecalibacterium)相对丰度却显著升高[27]。PD患者不仅肠道菌群出现紊乱，菌群代谢产物SCFAs会有所变化。PD患者SCFAs消耗增加，这也与毛螺菌科的相对丰度在PD患者中下降具有一致性[28]。总之，大量研究证明，PD患者的确与肠道菌群及其代谢物紊乱相关，而PD与肠道菌群紊乱的研究将为增进我们对PD发病机制的理解提供基础。

表1 PD肠道菌群及其代谢物紊乱

3 肠道菌群失调是PD发病的潜在机制

GM参与肠—脑之间的双向交流途径，通过免疫途径、神经途径等多条途径对脑发挥调控作用，在调节脑功能和行为中起着重要作用[29]。

3.1 肠道菌群影响PD小鼠脑部病理变化与运动能力

GM及其代谢物SCFAs的失调与PD小鼠脑部病理沉积与运动障碍的发生有关。已有研究发现，在过表达α-syn的转基因小鼠(ASO小鼠)中，相较于正常小鼠(SPF-ASO)，无菌的ASO小鼠(GF-ASO)显示出更少的小胶质细胞激活、α-syn的沉积以及运动功能障碍，而在给予ASO小鼠SCFAs后，其脑内小胶质细胞的激活、α-syn的沉积以及运动障碍均加剧[30]。

3.2 肠道菌群及其代谢物通过肠—脑轴参与PD发生

在LPS诱导的PD小鼠模型中，疾病早期发现小鼠肠道通透性增强，此后在其肠神经系统中发现了α-syn的沉积。这提示肠道通透性的增强可能是ENS出现α-syn积累的前提条件[31]。一方面，GM失调能激活Toll样受体，促进CD4+T细胞和CD8+T细胞的发育和分化，还可以提高B细胞活性并促进IgA的产生，参与维持肠黏膜免疫力[32]。另一方面，衰老过程中GM的改变使肠通透性增加，进一步激活肠道内免疫系统，免疫细胞被激活后产生TNFα以及IL-1β等促炎性细胞因子，这些炎症因子能进入机体循环，穿越BBB转运入大脑，进一步引发脑内神经炎症[33]。GM的失调也可通过迷走神经影响脑内病理变化。研究发现，肠神经系统α-syn可以通过迷走神经传入中脑黑质纹状体区域，导致多巴胺能神经元损伤[34]。紊乱的GM引发脑内炎症的发生。GM的变化可间接影响小胶质细胞的功能，同时会改变未成熟表型细胞的比例[19]。本实验室前期研究成果发现，将正常小鼠粪便中提取的菌液移植给PD小鼠后发现其脑黑质区域的小胶质细胞和星形胶质细胞活化数量下降，其脑与肠道中TLR4/TNF-炎症信号通路的激活也受到显著的抑制[35]。此外，不可忽视的是肠道菌群的代谢产物SCFAs。SCFAs是膳食纤维在肠道菌群分解发酵后的主要代谢产物，SCFAs主要是有拟杆菌、双歧杆菌、梭状芽胞杆菌等介导发酵产生的，其种类取决于微生物种群的类别，在微生物—肠—脑轴中发挥着重要的作用。SCFAs参与调节包括GABA受体在内的神经递质的合成及其受体的表达，其中，丁酸酯和丙酸酯通过调节酪氨酸羟化酶基因的表达，调控儿茶酚胺类神经递质的生物合成、转运与降解等过程[8]。PD中产丁酸盐的细菌丰度水平较低，可能是PD出现肠屏障功能障碍的原因。SCFAs可以直接刺激肠嗜铬细胞，产生神经肽或神经递质扩散至血液后到达脑部，进而对中枢神经系统发挥作用[28，36]。

3.3 胃肠道细菌感染是肠道菌群失调的影响因素

流行病学显示，幽门螺杆菌感染会使PD的发病风险增加2～3倍[37]。幽门螺杆菌可能会触发自身免疫，通过肠—脑轴影响脑正常功能，增加PD发生的风险。值得关注的是，幽门螺杆菌感染与GM的失调有关，感染者肠道内乳酸杆菌升高。菌群可由正常菌群向PD样菌群转变，从而引发肠道局部以及全身性炎症，对神经元的损害[38]。因此，同时伴有幽门螺杆菌感染可能是引起PD肠道菌群失调的不可忽视的因素之一。PD患者中有大约54%～67%同时患有小肠细菌过度生长(small intestinal bacterial overgrowth，SIBO)，研究证明SIBO可能破坏小肠完整性，引起肠道通透性改变，通过肠脑轴将细菌与内毒素由肠道上皮转运至脑，引起中枢神经系统的促炎反应。SIBO可能加剧了PD肠道菌群的失调，引起PD患者肠神经及免疫系统的紊乱[39]。

3.4 小结

总之，胃肠道感染等因素会引起GM失调，肠上皮通透性增加，肠屏障功能下降。致病菌或毒素等侵入肠上皮，激活肠免疫细胞，刺激分泌炎症因子，从而引起肠道炎症以及异常的α-syn的积聚，这些异常的信号通过循环系统与迷走神经向脑部扩散，引起纹状体内多巴胺能神经元的损伤及EGCs的激活，进一步激活神经炎症。这可能是GM的失调诱发PD的潜在机制。

图1 肠道菌群紊乱是诱发PD的潜在机制

4 帕金森病的菌群治疗方案

4.1 益生菌

益生菌是一类活性微生物。最常见的益生菌种类是双歧杆菌属(Bifidobacterium)、乳酸杆菌属(Lactobacillus)、酵母菌(Saccharomycesspp.)等[40]。一项临床试验表明，持续12周每天接受益生菌给药的PD患者相比较安慰剂组，PMDS-UPDRS量表(PD运动功能量化指标)的评分降低，说明益生菌治疗有效改善PD患者的运动障碍。实验中用到的益生菌主要成分是嗜酸乳杆菌(Lactobacillusacidophilus)、双歧杆菌(Bifidobacteriumbifidum)、罗伊乳杆菌(Lactobacillusreuteri)以及发酵乳杆菌(Lactobacillusfermentum)等[41]。益生菌在PD动物中显示具有神经保护能力。研究证明，口服益生菌一个月对MPTP诱导的PD小鼠及鱼藤酮诱导的PD小鼠具有神经保护的作用，益生菌改善多巴胺能神经元的变性，可能通过减少神经胶质细胞的激活，增加脑神经营养因子BDNF和胶质源性神经营养因子GDNF的水平[42]。不可否认的是，益生菌在调节肠道菌群及肠屏障稳态等方面有着良好的效果，但益生菌对PD潜在影响的作用机制仍有待进一步阐明。

4.2 粪菌移植

粪菌移植(fecal microbiota transplant，FMT)疗法是指将健康人群的粪便菌群移植到肠功能紊乱的患者体内，重构正常的肠道菌群，改善菌群紊乱。大多数PD患者患有胃肠道功能紊乱相关症状，如便秘，而多项研究表明，FMT可显著改善患者的胃肠功能障碍症状[43]。近期一份病例报告指出，对PD病史7年、便秘症状3年并且进行通便治疗失败的患者进行FMT治疗，其便秘症状明显好转[44]。在动物实验方面，小鼠接种PD患者的粪便菌群后，运动功能受到明显损伤，同时菌群测序显示毛螺菌科与瘤胃菌科(Ruminococcaceae)显著降低[45]。本实验室前期研究发现，将健康小鼠的粪便中菌群菌液移植到PD小鼠胃肠道内，发现PD小鼠如拟杆菌门和梭菌目等优势菌的增加，同时也发现FMT不仅改善PD小鼠运动障碍，缓解脑内SCFAs的下降，也抑制了小胶质细胞和星形胶质细胞的激活[46]。这些证据提示FMT能通过改善PD肠道菌群失调，调节神经递质与神经炎症，发挥神经保护功能。

4.3 饮食限制

饮食限制包括热量限制与间歇性禁食等。热量限制是指每日进行食物摄入，但对摄入的卡路里进行人为的控制。间歇性禁食是指不限制每日摄入的卡路里，而是控制进食的时间，如隔日禁食、限时禁食以及5天摄食—2天禁食法等。模拟空腹饮食(fasting mimicking diet，FMD)在小鼠和人体内均被证明可以改善IBD肠道病理改变以及炎症指标，而这种改变与肠道菌群的调整有关[47]。实验室前期研究结果发现，给予3个循环的FMD后，MPTP诱导的PD小鼠其肠道菌群构成成分的紊乱得到明显改善。FMD抑制PD小鼠瘤胃菌属、颤螺菌属(Oscillospira)、梭菌属(clostridium)、霍尔德曼菌属(Holdemania)等的异常升高。此外，FMD挽救了小鼠脑内多巴胺、5-羟色胺等神经递质的丢失，神经胶质细胞的激活也受到抑制[48]。此外，作者前期研究结果表明，隔日禁食(alternative day fast，ADF)，以24 h为禁食周期的间歇性禁食。在给予17个循环的ADF后，PD小鼠粪便中艾克曼菌科(Akkermansiacean)的相对丰度显著降低并维持在较低的稳定水平，继而发挥保护肠道屏障的作用，与此同时ADF也改善了PD小鼠的运动功能障碍[49]。尽管动物实验已证明饮食限制参与调节肠道菌群的紊乱而起到治疗PD的惊人效果，但未来仍需要大量的可行的临床试验来进一步验证，为预防与治疗PD提供新思路。

5 展望

综上所述，肠道菌群及其代谢物的失调与PD有着密切的关系。肠道菌群通过神经、免疫、内分泌等多途径参与肠—脑轴的双向通讯。基于肠道菌群的PD治疗方案如服用益生菌、菌群移植以及饮食限制等也逐渐受到广泛的关注。目前的临床研究仍存在问题值得讨论，例如，针对PD患者出现肠道菌群及代谢物失调这一现象，大多临床试验均通过横断面病例对照研究得到结论，并不能在其中推断出菌群改变与PD发生之间最根本的因果关系。因此，更准确的结论需要大规模的队列研究来验证与支持。

深入认识和理解肠道菌群在PD发病过程中的病理生理作用，有助于提供有效预防与治疗PD的方案。未来，基于肠道菌群及其代谢物的新兴治疗方法如益生菌、FMT以及饮食限制疗法等将会有更广阔的应用前景。