肠道菌群调控防治阿尔茨海默病的研究进展

郝丽梅 陶婷 周卫东

1 肠道菌群

肠道菌群是寄生于人体和肠道的微生物群体，数量多以万亿，细菌数量与人体细胞数相当。肠道菌群包括至少1000个不同种系，其基因数量多达300万个。肠道菌群与人体健康密切相关，两者相互作用的研究报道较多。肠道菌群主要包括拟杆菌门(B)和厚璧菌门(F)两大门，两者的比值F/B可以看作肠道菌群健康的评估指标，出生后F/B比值逐渐增加，由婴儿期0.4逐步增加直至成年期相对稳定于10.9，然后到老年再逐步开始下降，直至高龄老年时F/B低至0.6[1]。肠道菌群和人体存在互动关系。肠道菌群可以合成多种分子，后者可对人体产生局部或系统的作用。除合成维生素B和K外，肠道菌群还可以产生色氨酸类物质和短链脂肪酸(SCFA)。SCFA是指只有6个以下碳原子(C)的脂肪酸，乙酸(含2个C)、丁酸(含4个C)和丙酸(含3个C)等最为常见，对于人体具有广泛的生理病理作用。色氨酸是人和菌群的大量代谢产物，包括五羟色胺、褪黑素、烟酸等的前体物质。色氨酸是必需氨基酸，人体只能从食物中吸收获得。90%色氨酸经过犬尿氨酸途径代谢，该途径与多个神经心理疾病有关。人体近90%的五羟色胺在肠道嗜铬肠杆菌细胞合成，可以引起局部和全身的改变[2]。

肠道菌群可以影响脑的活力。现有研究明确显示认知障碍患者菌群种类相对丰度有改变。与健康人比较，阿尔茨海默病(AD)患者肠道菌群能合成具有抗炎和神经保护作用的SCFA丁酸盐的细菌种类比例低，而具有促炎作用的细菌种类比例较高。老年人促炎细菌埃希氏菌、志贺氏菌丰度增加。PET影像显示有淀粉样蛋白沉积者其抗炎细菌直肠真杆菌丰度降低[3]，而且细菌种类也与脑脊液AD病理标志相关。有证据显示AD患者肠道菌群中厚璧菌属和双歧杆菌属物种多样性程度下降，拟杆菌属物种多样性程度增加。与健康对照和轻度认知障碍患者相比，AD患者主要的生成SCFA的菌群(包括厚壁菌科、毛螺菌科、梭菌科和瘤胃菌科)细菌缺乏[4]。研究显示AD患者肠道菌群中占优势的菌门是厚壁菌门(78%)和拟杆菌门(15%)，最占优势的菌科为毛螺旋菌科(39.1%)、瘤胃菌科(29.6%) 和拟杆菌科(9.8%)，这些改变与β淀粉样蛋白(Aβ)病理和p-Tau蛋白相关[5]。AD动物模型研究也显示粪便大肠菌群中的多样性及成分(如SCFA)改变，与重要的代谢通路相关，后者与AD淀粉样蛋白沉积和AD模型肠道超微结构改变有关[6]。

2 肠-脑轴通路与AD

肠道和脑的沟通通路至今并没有完全研究清楚，但肠道及其菌群可以通过下面的6个机制影响脑和行为。

2.1 自主神经系统自主神经系统由交感神经、副交感神经、肠道神经系统(ENS)组成，可以调节人体稳态。自主神经系统可以经由神经和神经内分泌机制通过控制肠道功能进而调节中枢神经系统的作用。肠道菌群可以产生神经调控递质如五羟色胺、γ氨基丁酸(GABA)、儿茶酚胺和色氨酸前体，这些神经递质可以和宿主神经元发生局部或中枢的交互联系。多个研究显示，在鼠模型的肠道接种空肠弯曲菌可以引起迷走神经感觉神经激活，后者可致感觉神经结和脑干迷走神经中级核的神经元激活标志物原癌基因蛋白c-fos表达增加，这表明局部肠道的代谢刺激可以通过自主神经系统调控脑活动[7]。多项关于迷走神经切断术和迷走神经刺激术的研究显示，通过迷走神经的双向交联对于适当的脑功能维持至关重要。迷走神经切断术可以减低海马新细胞的增殖和生存，减少幼稚神经元，激活海马小胶质细胞，这些改变在精神疾病中有类似发现。迷走神经刺激术可以增加海马神经发生，调节中枢神经系统中与焦虑抑郁相关脑区的去甲肾上腺素、五羟色胺和多巴胺分泌[8]。

2.2 ENSENS是自主神经系统的分支之一，负责胃肠道的运动和分泌功能。除调节胃肠局部功能外，ENS一般通过副交感神经系统(如迷走神经)和交感神经系统(如椎旁神经节)与中枢神经系统交流。胃肠道分泌的物质可以通过ENS发出的传入通路影响中枢神经系统。胃肠菌群可以通过不同机制影响ENS，如模式识别受体特别是Toll样受体2(TLR-2)和TLR-4。TLR-2缺陷鼠可以出现肠道运动功能改变，TLR-4缺陷鼠则会出现大便排出和水含量减少等胃肠神经系统改变。无肠道菌群鼠出生早期则表现为超微结构、神经生化和ENS功能改变，相似的改变也可以见于抗生素诱导的肠道菌群失调鼠和TLR缺陷鼠。另一方面，ENS缺陷的转基因斑马鱼模型研究显示，ENS缺乏时肠道菌群变化为促炎菌群，而移植ENS前体物质可以将异常的肠道菌群逆转为正常，也提示肠道菌群和ENS存在相互作用[9]。ENS异常可以是某些肠道疾病的原因，现有研究提示ENS异常也可以是AD、PD病理改变的原因之一[6，10]。研究显示APP/PS1突变转基因AD小鼠肠道神经元可逐渐形成Aβ堆积，后者可以导致肠道神经元数量下降、胃肠运动障碍以及胃肠炎症机会增加[11]。Chen等[12]报道，AD患者和3XTg小鼠的肠道炎症可以短暂激活CCAAT 增强子结合蛋白(C/EBP)β/δ分泌酶，启动Aβ和Tau小纤维病理改变，后者可以形成集聚的小纤维并通过膈神经扩散至大脑，最后导致AD的病理生理改变和认知功能障碍。

2.3 神经免疫当小胶质细胞激活并引起神经炎症反应时，可以分泌多种细胞因子，表达多种抗原标记，控制神经递质。有趣的是，研究显示肠道无菌的和经抗生素治疗的动物会出现小胶质细胞成熟、激活、分化和形态变化缺陷，从而对多种病原免疫反应不当。肠道菌群的多样性对于小胶质细胞的维持、成熟、健康和功能正常，甚至对中枢神经系统功能正常都是必要的。肠道菌群失调时细菌分泌的脂多糖(LPS)可以通过激活淀粉样蛋白生成的信号通路加重AD的病理改变。研究提示细菌表面的LPS可以与小胶质细胞的受体(TLR2、TLR4和CD14)结合，然后激活下游的核因子κB(NF-κB)转录因子。这些神经免疫反应和活化的小胶质细胞可以激活多种AD病理通路如淀粉蛋白前β-分解酶 1(BACE1)，从而加剧AD的病理变化[13]。

肠道菌群可能通过影响单核细胞从外周到中枢的移行而调节神经免疫。活化的小胶质细胞产生的肿瘤坏死因子α(TNF-α)具有该单核细胞移行功能，后者可以被8种菌株的混合物，包括4种乳酸杆菌、3种双歧杆菌和唾液链球菌嗜热亚种所逆转，进一步确认了肠道菌群可以影响中枢神经系统稳态[14]。另外，一种缺乏淋巴细胞的免疫缺陷的转基因鼠模型出现的认知下降和焦虑样行为，可以经由鼠李糖乳杆菌(L rhamnosus)和瑞士乳杆菌(L helveticus)两类细菌组成的益生菌逆转。因此，益生菌具有减轻适应性免疫损害及其所致行为异常的潜在作用，提示免疫系统在肠道菌群-肠-脑轴中的关键作用[15]。

2.4 SCFA越来越多的证据表明SCFA可调节CNS生理和宿主的行为。AD和PD患者SCFA水平下降已见诸报道，SCFA增加可见于自闭症和儿童慢性心理应激患者[10，16-18]。SCFA可以通过不同的分子机制影响脑和行为，如抑制组胺去乙酰化酶、诱导肠道内分泌信号、迷走神经刺激和抗炎症作用。SCFA不仅可以调节肠道通透性，还可以调节血脑屏障(BBB)通透性。粪便中连蛋白(zonulin)升高被认为可以反映各种原因引起的肠道漏出液情况[19]。血浆LPS和连蛋白则是肠道菌群改变和肠上皮通透性增加的标志。研究显示丙酸可以增加紧密连接蛋白如连蛋白和闭合蛋白的表达，从而有助于恢复肠道正常通透性。肠道无菌鼠的BBB通透性增加，其与紧密连接蛋白表达下降有关，可以经由SCFA减轻。口服丁酸钠可以增加这些肠道无菌鼠的闭合蛋白表达。肠道菌群产生的SCFA可以经由循环系统通过BBB，从而影响小胶质细胞，并控制其功能和成熟。证据显示丁酸钠可以经由降低促炎因子而减少小胶质细胞激活，以及增加激活的小胶质细胞抗炎调节因子的水平，从而表现出神经保护效果。在猪AD模型中注射SCFA的研究显示海马的神经发生、颗粒细胞层大小增加和海马糖代谢改变[20]。

2.5 神经递质多种细菌可以产生与人体生理相关的神经内分泌信号分子。人肠道菌群常共生的埃希氏菌属细菌可以合成儿茶酚胺如去甲肾上腺素，芽孢杆菌属细菌可以合成多巴胺和去甲肾上腺素，埃希氏菌属细菌和乳酸杆菌属细菌可以合成 GABA。这些细菌起源的神经递质如何影响宿主的生理功能尚待研究。

体外研究显示罗伊氏乳杆菌可以合成组胺，后者可以通过激活组胺H2受体而抑制活化的人单核样细胞中TNF-α的产生。研究表明细菌源的组胺可具有免疫调节作用。

五羟色胺是肠道嗜铬细胞中色氨酸羟化酶(TPH)催化色氨酸生成。有证据显示棒状杆菌、链球菌和大肠杆菌在培养中均可以生成五羟色胺。一些孢子细菌及其代谢产物特别是乙酸和丁酸可以刺激肠道嗜铬细胞生成五羟色胺。肠道无菌大鼠则可以检测到外周血循环和海马组织中五羟色胺水平降低，支持肠道菌群可以调节宿主五羟色胺水平。

色氨酸代谢可以产生犬尿氨酸及其衍生物，后者在中枢神经系统富集，与多种神经心理疾病相关。犬尿氨酸通路中的色氨酸-2，3-过氧化酶(TDO)和吲哚胺-2，3-过氧化酶(IDO)可分别被糖皮质激素和免疫系统调节。肠道菌群可以通过调节糖皮质激素和免疫系统IDO激活途径而间接调控宿主的犬尿素代谢。

肠道菌群可将L-色胺酸生成吲哚及其多种代谢产物，并可以作为配体依赖的转录因子芳香烃受体(aryl hydrocarbon receptor，AHR)的配体。吲哚代谢产物可以通过BBB并激活星形细胞AHR受体，从而抑制NF-κB通路和促炎反应。临床前和临床研究显示，通过口服抗生素和粪移植手段进行肠道菌群调控，具有抗炎和抗氧化作用，机制是增加血浆中神经保护激素、恢复受损的蛋白水解通路和促进肠道稳态，因此可以抗炎改善AD鼠类模型和AD患者的认知和行为表现[21]。

2.6 下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA)HPA是菌群-肠道-脑轴信息沟通中重要的非神经路径之一。应激小鼠的实验模型研究显示HPA和肠道菌群及其代谢产物的变化之间的联系。肠道菌群可介导应激变化稳态，并能保护脑免于出现应激诱导神经炎症，后者可以作为AD有关的危险因素[7]。

3 肠道菌群调控防治AD的因素

3.1 益生元干预益生元是不能消化的食物成分，通常包括比较复杂的碳水化合物、生物活性多糖类等。益生元在发酵后有益于肠道菌群的协调生长，从而促进宿主的健康[19]。有研究显示，在APP/PS1 AD转基因模型中，益生元FOS配方通过调节肠道菌群产生保护作用。FOS配方益生元可以减少肠道和大脑c-JUN氨基末端激酶(JNK)激活、增加 胰高糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)及其受体GLP-1R水平，而且可改善AD的核心特征突触结构异常，并减少Aβ的沉积[22]。合生元(益生元和益生菌的混合物)可以显著改善抗氧化能力和线粒体电子传递链复合体。合生元治疗还可以恢复乙酰胆碱活性，减少Aβ表达[23]。

3.2 益生菌干预益生菌含有人体肠道正常存在的微生物，如果数量得当均衡，对宿主有益。多个研究显示两个主要属类的菌群(乳酸杆菌属和双歧杆菌属)对宿主健康有益。益生菌L Fermentun NS9配方可以通过维持脑中N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体水平，改善抗生素诱导大鼠AD模型的生理和心理异常。人肠道源的细菌如乳酸杆菌和双歧杆菌可以增加抑制性神经递质GABA水平，而值得注意的是，很多AD患者尸检样本显示这种抑制性神经递质水平下降[24]。

有研究显示有些益生菌合剂可以改善AD患者的认知表现，同时伴有代谢改变。另有研究则显示益生菌治疗后认知表现、抗氧化状态和炎症标志物水平均无改变。尽管上述研究应用的相同的细菌菌群，但结果并不一致。一项随机临床研究则支持益生菌对神经认知的有益作用[25]。

3X转基因鼠模型中，服用益生菌SLAB51明显增加长寿蛋白sirtuin 1的神经保护蛋白水平和抗氧化水平，降低鼠脑中蛋白羰基标志和氧化应激标志。SLAB51服用还可以降低脑Aβ和炎症标志物水平，降低粪中乙酸、丙酸和丁酸含量[26]。

目前至少有4个关于益生菌治疗认知下降患者的随机双盲对照临床试验。Agahi等[27]研究了25例益生菌治疗12周的AD患者，对照组为23例AD患者，结果显示《测试你的记忆》量表(Test You Memory)记忆评分以及有关抗氧化和炎症指标治疗前后无明显变化，作者认为该组病例80%比较严重，因此可能对益生菌治疗不敏感。Akbari等[28]的纳入30例AD益生菌治疗12周和30例AD对照的RCT研究，结果显示明显改善了AD患者的简易精神状态检查量表(MMSE)评分。Tamtaji等[29]的研究中纳入27例AD患者接受益生菌加硒治疗12周，26例AD安慰剂对照，26例AD硒对照，研究显示益生菌加硒治疗明显改善了MMSE评分，并显著增加了抗氧化能力水平。Hwang等[30]研究了一种益生菌和豆奶混合剂DW2009治疗轻度认知障碍(MCI) 50例12周，对照50例，结果显示治疗组计算机化的认知检测显著改善，并与脑源性神经营养因子(BDNF)水平增加相关。

3.3 粪菌群移植(FMT)干预FMT是指将健康人或动物的粪菌群转移到患者或患病动物而重建正常菌群的方法。有研究显示FMT可以改善神经功能缺损。从CONVER-APP/PS1鼠的FMT可以加重GF-APP/PS1鼠的脑Aβ病理，而野生APP/PS1鼠的FMT不能有效增加GF-APP/PS1鼠的脑Aβ含量。移植健康的肠道菌群可以逆转AD动物模型的Aβ和Tau病理。Kim等[31]发现，从AD患者粪转移的鼠，其物体位置和物体识别等认知测试表现下降，而且其神经系统代谢必需的成分如GABA、牛磺酸、缬氨酸水平下降。据报道1例AD患者在接受300 mL其健康家属的粪移植后症状迅速改善。FMT治疗AD的效果尚需要大样本FMT的AD病例研究进一步明确[32]。

3.4 花青素花青素属于类黄酮，可溶于水，是可以赋予食品色彩的多酚类色素。有诸多水果和蔬菜，包括葡萄、黑李子和蓝莓、紫米和黑米和黑豆富含花青素。目前已知的花青素有700种。花青素可以抑制肠道的α淀粉酶而防止淀粉消化。这些未消化的淀粉到达大肠时，可以提供能量给大肠的肠道菌群，后者可以改善宿主的健康状况[33]。

花青素可以减轻肠道菌群失调引起的神经炎症和AD病理。肠道菌群失调时可以产生淀粉样蛋白和神经炎性介质，后者可以参与神经炎症、脑Aβ沉积和AD病理生理。有学说认为，胃肠道细菌源性的Aβ漏可以在全身和脑部聚集。还有研究显示花青素可以显著减低促炎细胞因子和活性氧(ROS)/JNK表达，因此防止神经炎症和AD病理。最近，Framingham后代研究发现，对2801例参与者进行了平均19.7年的研究，长期饮食摄入类黄酮、花青素较多者(>60百分位)相对于摄入较低者(≤15百分位)患AD及相关痴呆的风险低〔分别为风险比(HR)=0.54、P=0.003，HR=0.24、P<0.001〕，提示长期摄入较多的类黄酮患AD和AD相关痴呆风险明显降低[34]。

综上，肠道菌群在宿主的健康和疾病中发挥了重要作用，开发新的药物调控肠道菌群是医学科学研究的新热点。本文总结了肠道菌群调控在AD的临床前研究和临床研究结果，表明一些有潜力的肠道菌群治疗策略值得深入研究。同时，肠道菌群的检测数据比较众多，临床应用中不便于理解，如选择其中最为关键的参数则可能更有利于进一步研究。未来期待更多研究来明确肠道菌群调控在AD防治中的作用。