肠道菌群与阿尔茨海默病的研究进展

马光宇，宋崇东，韩语纯，张荣福，张 哲，程 爽，苏亚楠

(1.佳木斯大学医学部临床医学院，黑龙江 佳木斯 154002；2.佳木斯大学医学部康复医学院，黑龙江 佳木斯 154002；3.佳木斯大学医学部护理学院，黑龙江 佳木斯 154002；4.佳木斯大学附属第一医院 医学教科部，黑龙江 佳木斯 154002)

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是在记忆、认知等方面存在严重缺陷的常见神经退行性疾病。AD发病机制包括β-样淀粉蛋白(amyloid β-protein, Aβ)过度聚集、tau蛋白过度磷酸化导致神经原纤维缠结(neurofib rillarytangles，NFTs)、神经炎症、糖基化终产物(advanced glycation end products, AGEs)与其受体晚期糖基化终产物(receptor of advanced glycation endproducts, RAGE)相互作用导致的脑细胞损伤等，但AD发病机制至今还尚未完全研究清楚[1]。随着研究深入，越来越多的研究证实肠道菌群失调与AD有关[2]。本文就肠道菌群目前在AD发病相关机制及治疗进展阐述，以期为微生物-肠-脑轴与AD相关的研究提供理论参考。

1 肠道菌群失调与AD

对AD与非AD患者粪便菌群与血液炎性因子比较，AD患者粪便菌群组成中具有抗炎作用的直肠真杆菌丰度减少，而促炎作用的志贺菌丰度增加，且与炎性因子水平和AD严重程度呈正相关[3]，菌群多样性改变可能触发神经炎症、Aβ聚集和tau蛋白病变。在人类衰老过程中，也发现了似AD菌群样改变，肠道益生菌减少，促炎菌增加[4]。AD患者肠道菌群组成与人类肠道菌群生理演替基本相符，或许可以证明为什么AD是年龄相关疾病，老人易高发。

2 肠道菌群代谢产物与AD

2.1短链脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA) 研究发现，AD患者肠道SCFA显著减少[4]。SCFA是结肠微生物降解膳食纤维的产物，有利于调节糖脂代谢、肠道菌群平衡、免疫力和促进神经递质释放，抗衰老等[5]。SCFA可经肠道进入血液循环，并依赖单羧酸转运体通过血脑屏障(blood-brain barrier，BBB)，影响大脑功能[6]。AD广泛存在组蛋白去乙酰化，乙酰基通过组蛋白乙酰转移酶添加到组蛋白高度保守的N端L-赖氨酸残基，并通过组蛋白脱乙酰基酶(histone deacetylase, HDAC)除去，HDAC抑制剂可改善记忆力、衰老、脑损伤、p25介导的神经元丢失和Aβ沉积，SCFA中丁酸钠是HDAC抑制剂，可参与学习的基因的表达，恢复海马组蛋白乙酰化水平，改善晚期AD记忆功能[7-8]。

SCFA有助于调节小胶质细胞的活化，在调节神经免疫过程中存在潜在益处，对AD起重要作用，缺乏SCFA受体FFAR2的无菌小鼠，小胶质细胞活化相关基因Mapk8、Fcgr2β、白细胞介素(interleukin, IL)-1α)、CD86等表达下调，小胶质细胞功能缺陷，喂养SCFA后，小鼠大脑皮质正常小胶质细胞密度恢复，SCFA缺乏或肠道菌群紊乱可能引起神经免疫障碍[9]。并且，小胶质细胞对于清除Aβ沉积物是至关重要的，SCFA缺乏可能导致Aβ清除障碍，引起AD的发生[10]，小胶质细胞活化异常或许可以通过肠道菌群或SCFA得到一定程度的纠正，缓解AD。

2.2脂多糖(lipopolysaccharides, LPS) 为胃肠道革兰阴性菌细胞壁的结构成分，可经受损肠黏膜屏障进入血液循环，并可通过BBB，对神经元具有促炎作用物质。Zhao等[11]首次报道了AD海马和上颞叶新皮层中LPS的存在，与年龄匹配的对照组相比，LPS水平从新皮层的两倍增加到海马区的3倍，晚期AD海马病例样本中的LPS可超过年龄匹配对照组的26倍，可见AD与LPS的过度分泌存在较为密切的关联。LPS可激活氧化应激，产生活性氧，破坏BBB，引起细胞氧化、萎缩、突触相关蛋白破坏和丧失，促进神经元变性[12]。

LPS也可触发神经炎症反应，激活Toll样受体4(Toll-like receptor4，TLR4)导致小胶质细胞过度活化，产生过多IL、肿瘤坏死因子-α、NO，增强N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体介导的细胞毒性作用，导致不可逆性AD病理性改变和认知记忆功能障碍[13]。而血清中IL-1、IL-6、转移生长因子等促炎因子的升高，可加速tau蛋白磷酸化，降低突触可塑性，导致认知度障碍[14]。并且，脆弱拟杆菌(Bacteroidesfragilis, BF)的LPS可通过BBB进入神经细胞质，活化促炎性转录因子核蛋白(NF-κB)，激活microRNA-146a和microRNA-155的多个NF-κB结合位点，使miRNA-146a和miRNA-155显著上调，随后下调miRNA-146a-miRNA-155调节的补体因子H mRNA靶点，下调的SCFH可激活补体系统，导致神经炎症[15]。LPS过度释放导致的小胶质细胞和补体系统激活，可能是介导神经炎症作用的重要因素之一，并且LPS已经应用于AD造模，进一步为LPS导致AD的炎症学说提供了证据。

2.3Aβ 根据“Aβ假说”，Aβ肽在中枢神经系统神经元中的积累是驱动AD的主要因素。肠道内鼠伤寒沙门菌、金黄色葡萄球菌等细菌可产生Aβ[16]，AD胃肠道黏膜和BBB都具有高通透性[17]，肠道承受不住Aβ压力，进入血液并在脑内积累，造成神经损伤，促AD病发。并且，细菌Aβ通过TLR2介导小胶质细胞活化，引起IL-17A和IL-22水平升高，活化TLR2触发NF-κB信号转导和环氧酶2(COX2)活化，诱导炎症反应，细胞吞噬作用，加重脑损伤[18]。有趣的是，AD模型中过量的Aβ42肽也可激活小胶质细胞TLR2介导炎症反应[19]，细菌Aβ与人Aβ有相同的免疫原性，共激活小胶质细胞，因此细菌Aβ的过渡积累能够加重AD的炎症反应，两者起到协同作用。已有证据表明，LPS糖脂对神经元核膜具有异常高的亲和力，而且Aβ42会促进LPS进入脑神经元细胞核，进入核后下调神经元特异性成分神经丝蛋白L和突触蛋白1，导致神经功能缺陷，诱发AD[20]。

2.4神经递质 研究发现，肠道内双歧杆菌、乳酸杆菌等有益菌具有将谷氨酸转化为γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)的能力，肠道的有益菌减少，会减少内源性GABA的产生，而大脑中GABA信号的异常与认知障碍、AD、焦虑和抑郁有关[21]。此外，有研究表明，肠道菌群还可以改变与突触可塑性的蛋白质和受体[22]，肠道菌群可以通过影响鸟尿氨酸途径等调节机制的神经递质功能变化，或通过改变大脑中SCFA的含量来调节中枢神经系统中脑源性神经营养因子功能。但是，细菌性神经递质如何调节大脑功能的研究仍处于起步阶段，具体机制还尚未明确。

3 肠道微生态调节在AD的应用

3.1益生元、益生菌 研究表明大量摄入益生菌和益生元，能提高神经认知能力并降低AD病发风险。Pistollato等[23]给AD动物喂养低聚果糖后，发现脑内神经元凋亡数目减少，tau蛋白磷酸化减少和Aβ42表达下调。临床盲选AD患者60例，随机将患者分为两组，分别给予12周的牛奶(对照组)和益生菌(治疗组)治疗，两组分别智力状态检查量表(MMSE)评分，以评估益生菌对AD患者认知功能的影响，经过治疗后，治疗组MMSE评分有所改善[24]。并且，用乳酸杆菌和双歧杆菌可减少海马区注射Aβ42大鼠的脑内Aβ沉积，促进超氧化物歧化酶(SOD)生成，降低血清丙二醛(MAD)水平，因此乳酸杆菌和双歧杆菌可改善AD记忆、学习缺陷和氧化应激[25]。益生元与益生菌在一定程度上可以延缓AD的进展，显示出了其可能治疗AD潜力，这种治疗的成本可能相对便宜且无不良反应，或许可以与临床治疗AD药物合用，以起到协同治疗作用。

3.2中医药 其调节肠道菌群优势逐渐被发现，巴戟天低聚果糖对AD产生有益作用，可增加SOD，过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活性改善氧化应激，提高乙酰胆碱调节胆碱能系统，改善钠钾三磷酸腺苷酶(Na+/K+-ATPase)活性增加脑能量代谢，降低脑组织肿胀、神经元凋亡、下调Aβ1-42表达，以改善AD症状[26]。同时，影响肠道形态、黏蛋白和肠道通透性，降低厚壁菌门，增加嗜黏蛋白阿克曼菌、BF，罗斯菌，双歧杆菌属等有益菌丰度，维持菌群多样性与稳定性[27]。另外，芍药当归散可增加APP/PSN转基因AD小鼠肠道菌群中的乳酸杆菌科的丰度，降低幽门螺杆菌(Helicobacterpylori, Hp)属、黏液性细菌相对丰度，升高5-羟色胺(5-hydroxytryptamine, 5-HT)与GABA水平[28]。中医药的双重机制对于AD的治疗可起到协同作用，可以说是潜在的微生态调节剂和治疗药物，也可能成为AD治疗的新靶点。

3.3粪菌移植(fecal microbiota transplantation，FMT) 近年来，FMT确实给菌群失调类疾病的治疗带来了新的方向，将正常菌群移植到菌群失调个体肠道中以达到平衡菌群的目的。杨璐等[29]将APP+转基因小鼠施行FMT，FMT可下调脑内P21、P53、Sirt1等衰老相关蛋白的表达，并减少脑内Aβ沉积，可见FMT能延缓AD的衰老过程，改善认知。国外一项类似研究显示，ADLPAPT转基因小鼠肠道菌群失调，肠黏膜受损，并患有慢性肠道和全身炎症，将正常小鼠粪便移植到ADLPAPT小鼠，改善了Aβ沉积，NFTs，记忆缺陷和神经、肠道炎症[30]。FMT的治疗手段在实验动物身上取得了很好疗效，是很有前景的治疗方法，但由于证据有限，并未找到临床相关研究，仍需要验证。

4 饮食条件与AD

4.1膳食纤维 膳食纤维来源的SCFA可干扰Aβ1-40和Aβ1-42肽组装成神经毒性Aβ聚集体，抗Aβ聚集效力依次为：戊酸>丁酸>丙酸，并且一定程度上也干扰α-突触核蛋白和tau蛋白的组装，对AD起保护作用[31]。老年人咀嚼能力下降，膳食纤维吸收少，细菌结肠发酵能力下降，导致SCFA吸收少，可能加重AD。膳食纤维饮食可助于预防或缓解对AD的抵抗力，SCFA改善AD的其他机制仍需要探索，膳食纤维治疗AD是可行性的，并且开发支持戊酸生成的膳食纤维制剂是有必要的。

4.2改良的地中海生酮饮食(MMKD) 饮食结构可能在AD的进程中起重要作用，含有高饱和脂肪和简单碳水化合物的饮食模式可增加罹患AD风险，而多不饱和脂肪酸、蔬菜、水果和蛋白质含量高瘦肉饮食则降低了风险[32]。MMKD是在生酮饮食基础上增加蔬菜和水果的摄入量和源自健康来源(如橄榄油和鱼)的脂肪和蛋白质，MMKD可调节轻度认知障碍受试者的肠道微生物组和SCFA，有助于维持和恢复肠道微生物的稳态[33]。可见，特定饮食条件肠道微生物组的主要调节剂之一，MMKD有助于降低AD风险。

5 抗生素与AD

抗生素可以减少因肠道菌群失调而引起的神经炎症，对AD产生有益效果，包括神经保护作用、抗炎、抗tau蛋白磷酸化、抗Aβ和抗胆碱能作用。在AD动物模型中给予利福平，可降低脑Aβ和炎性细胞因子的表达水平[34]。Budni等[35]发现米诺环素也有类似作用。此外，雷帕霉素除了可以减少Aβ聚集、小胶质细胞的活化、tau蛋白磷酸化外，可作为哺乳动物雷帕霉素靶蛋白抑制剂，改善AD认知缺陷[36]。由此推测抗生素治疗AD是可行的，关键因素是鉴定与AD相关的肠道微生物群，研发具有选择性的抗生素是极其重要的，目前，还没有发现AD中哪些类型的肠道微生物发生改变的确切证据。尽管有这些发现，但抗生素耐药性也存在着较大的风险。

值得注意的是，有证据表明抗生素可致AD，施用抗生素混合物的年轻小鼠，其肠道菌群组成改变和促炎因子增加, 并永久性改变其记忆与认知功能[37]。

6 Hp与AD

Hp属于变形菌门，是肠道常见的致病菌。经研究发现，AD患者存在Hp感染，Hp感染的AD患者MMSE评分较低，与较严重的精神认知障碍相对应，并且脑脊液和血清中Hp特异性IgG抗体效价与AD的严重程度呈正相关[38]。Hp可释放促炎性分子和诱导活性氧导致BBB破坏和神经细胞凋亡[39]。Hp滤液还可激活神经母细胞瘤细胞糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)，导致tau蛋白过度磷酸化[40]。这表明根除Hp可能预防和缓解AD的进展，因此其根除可能提高学习记忆，改善AD的认知障碍。

7 环境危害因素与AD

7.1慢性噪声 慢性噪声会导致持续神经炎症、Aβ沉积、tau蛋白磷酸化和AD样认知功能障碍[41]，持续性环境慢性噪声暴露可能会增加罹患AD的风险。并且，慢性噪声暴露也可导致肠和脑内皮屏障功能障碍，肠道菌群失调，血液GABA和5-HT降低，增加炎性介质水平，施行FMT后症状得到缓解[42]。这为慢性噪声暴露与微生物-肠-脑轴之间存在密切联系提供了证据：肠道菌群可能是慢性噪声作用靶点，引起肠道菌群改变，导致AD相关的神经递质和炎症异常，促进AD样变化；肠道菌群失调与慢性噪声可能对AD伤害起协同作用；调节肠道菌群可能是防止或减缓慢性噪声暴露导致AD的干预措施。

7.2铝 人类可通过食物、食品添加剂、饮用水和铝器具等接触铝。流行病学表明，铝是AD发病机理中的环境因素之一，高浓度的铝会增加Aβ聚集和沉积，激活NF-κB增加炎症信号，也可引起氧化应激、细胞凋亡、基因表达缺陷等[43]。研究表明，铝可诱导人胃肠道菌群BF的LPS的产生，可知铝促炎特性不仅可以通过铝本身介导，还可以通过刺激肠道菌群促进生成LPS来介导[44]。

肠道菌群与AD的发生存在着密切的联系：(1)肠道细菌代谢产物SCFA，可改善学习与记忆功能，抗衰老，调节小胶质细胞活化，对神经起保护功能，缺乏可加重AD。(2)肠道菌群促炎产物LPS、Aβ可能是AD脑内炎症的诱发因素，都是RAGE和TLR受体的强激活剂，受体共激活会放大炎症信号，导致AD持续慢性炎症。(3)有益细菌产生的细菌源性神经递质，可影响大脑活动水平，其减少可增加患AD风险。(4)以减少肠道菌群失调介导的神经炎症为出发点，利用微生态调节剂(益生元、益生菌、中医药、FMT)调整AD患者肠道菌群紊乱或使用抗生素和特点饮食进行预防性和治疗性干预，可能缓解AD脑内炎症。(5)要注意Hp，慢性噪声因素对AD直接或间接影响。