粪菌移植治疗神经退行性疾病研究进展

黄璐 冯美江

神经退行性疾病(neurodegenerative diseases，NDs)是一组病因不明的慢性进行性神经系统变性疾病，主要包括AD、PD、肌萎缩性侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)、亨廷顿病(Huntington’s disease，HD)等，老年人常见，随病程进展出现功能障碍，表现为运动、认知、记忆功能的丧失。常见的危险因素包括遗传易感性、氧化应激、生理创伤等[1-3]。研究表明，NDs的发生、发展常伴随着蛋白质异构体的出现，包括神经原纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFTs)、Pick小体中的tau蛋白、Lewy小体中的α-突触核蛋白(α-synuclein，α-Syn)、神经元胞质和神经元核内包涵体中的Tar DNA结合蛋白43(Tar DNA binding protein 43，TDP-43)，而且可能会沿着解剖学上连接的途径在细胞之间传播[4]。

研究发现，肠道和大脑之间存在着密切的联系，NDs常伴随着肠道微生态失调，调节肠道菌群可有效预防或改善神经退行性变。证据表明，肠道菌群通过直接和间接途径与中枢神经系统(central nervous system，CNS)和肠道神经系统(enteric nervous system，ENS)保持双向相互作用，这些途径涉及内分泌(下丘脑-垂体-肾上腺轴)，免疫(趋化因子、细胞因子)，自主神经系统(autonomic nervous system，ANS)和肠神经系统，共同形成微生物-肠-脑(microbiota-gut-brain，MGB)轴[5]。

粪菌移植(fecal microbiota transplantation，FMT)作为重建肠道菌群最有效的措施，最早起源于1700年前[6]，近年来受到临床的广泛关注。粪菌的制备基于智能粪菌分离系统(GenFMTer)，通过多级微滤和反复离心洗涤实现菌群的富集和纯化，结合高效的临床、实验室配合，最终输注至病人体内或制备成冻存粪菌。将以上过程控制在1 h内，又被称为“粪菌移植一小时方案”(one-hour FMT protol)[7]。粪菌的给入途径分为经上消化道、中消化道、下消化道3种途径。上消化道途径主要指口服菌液、口服菌群胶囊；中消化道途径包括胃镜、鼻肠管、胃镜钳道孔、经皮内镜下胃造瘘，以及经内镜肠道植管术(transendoscopic enteral tubing，TET)等；下消化道途径包括结肠镜、灌肠、结肠途径TET等。FMT最有效和研究最充分的适应证是复发性艰难梭菌感染[8]。除在治疗肠易激综合征、炎症性肠病等胃肠道疾病中取得不俗成就外，FMT在治疗自闭症、多发性硬化、PD、癫痫、糖尿病神经病变、抽动秽语综合征的临床和动物模型研究中也显示有益[9]。本文就FMT治疗NDs的研究进展进行综述。

1 FMT与AD

AD是最常见的中枢神经系统退行性疾病，其临床表现为进行性认知功能障碍和记忆障碍，是痴呆最常见的形式。目前全球有4700 万AD病人，预计到 2050 年将高达 1.31 亿[10]。由于AD发病率高，加上缺乏有效的治疗药物，其预后不良，给家庭和社会带来了巨大的经济和精神负担。AD的主要病理特征为由β-淀粉样蛋白(β-amyloid ，Aβ)聚集的细胞外神经炎性斑和由过度磷酸化的tau蛋白聚集的神经元内NFTs[11]。目前关于AD发病机制的主流观点是，Aβ的改变加速了疾病的进程，并引发了一系列涉及tau病理和神经退行性变的级联反应，被称为淀粉样蛋白级联假说[12]。然而，鉴于许多旨在降低Aβ或tau磷酸化的临床试验的失败，不少研究者提出对此假说的质疑。正电子发射计算机断层扫描(positron emission tomography，PET)发现Aβ和tau病理最初开始于不同的大脑区域，提示在新皮质中可能存在驱动tau和Aβ病理的共享上游过程，包括：胆固醇代谢、细胞内转运和小胶质细胞免疫激活等，这被称为双级联假说[13-14]。

不同肠道微生物构成可以影响脑β-淀粉样变性病的发展。Harach等[15]采用16S rRNA基因测序分析, 比较转基因APP/PS1小鼠和年龄匹配的健康野生型(wild type, WT)小鼠肠道微生物区系组成的差异，研究发现，与WT组相比，APP/PS1小鼠的厚壁菌(firmicutes)、疣微菌(verrucomicrobia)、变形杆菌(proteobacteria)、放线菌(actinobacteria)的水平降低，而拟杆菌(bacteroidetes)和软壁菌(tenericutes)水平增加。此外，通过建立无菌的APP/PS1小鼠模型，发现与传统饲养的APP/PS1小鼠相比，无菌APP/PS1小鼠大脑中的Aβ显著减少。但无菌APP/PS1小鼠如果移植了老年鼠或常规饲养的APP/PS1小鼠的肠道微生物，其大脑Aβ水平则明显提高。Zhan等[16]研究发现，快速老化小鼠SAMP8的认知功能显著降低，与抗衰老小鼠SAMR1相比，SAMP8小鼠肠道26种细菌在6个系统发育水平(门、纲、目等)的相对丰度显著降低，而类杆菌相对丰度明显增加，α多样性也显著降低。这些结果表明，SAMP8小鼠的认知功能障碍与肠道微生物区系的异常组成有关。在后续研究中，Zhan及其同事用大量抗生素构建伪无菌小鼠，将SAMP8或SAMR1小鼠的粪便细菌移植到伪无菌小鼠体内，发现移植SAMR1小鼠的微生物区系能明显改善伪无菌小鼠的认知功能受损，这表明肠道微生物区系与认知功能之间存在一定的因果联系。Kim等[17]研究发现，长期、多次移植健康WT小鼠的粪便微生物群可以减轻ADLPAPT这种AD转基因模式小鼠的Aβ沉积、tau过度磷酸化、反应性胶质增生和记忆障碍。有趣的是，长期将健康粪便微生物群移植给ADLPAPT小鼠，能使其肠道巨噬细胞活性和循环血Ly6chi单核细胞数量恢复到与WT小鼠相似的水平。遗憾的是，目前尚未有关于AD病人FMT的临床研究报道，但ClinicalTrials.gov显示，在AD病人中正在进行FMT的随机对照试验。

2 FMT与PD

PD是第二种常见的神经系统退行性疾病，我国65岁以上人群PD患病率约为1.7%，预计患病人数在2030年将高达500万。PD临床上以运动症状为主，包括静止震颤、肌肉强直、运动迟缓和姿势平衡障碍，非运动症状包括认知功能障碍、自主神经功能障碍、嗅觉减退、胃肠道功能障碍等。其中便秘、快速眼动(rapid eye movement，REM)、睡眠行为障碍等被认为可能是PD最早的疾病表现[18]。目前PD以药物治疗为主，近年来神经核毁损术和脑深部电刺激疗法(deep brain stimulation, DBS)也引起了临床的高度重视[19]。PD病理学特征以黑质多巴胺能神经元减少和α-Syn异常聚集为主。在PD病人的大脑皮层下核、皮质区、脊髓、外周和肠神经系统均存在Lewy小体，它主要由α-Syn、亲核蛋白-1(synophin-1)和泛素组成。有研究报道，Lewy小体首先出现在外周[20]；致病的α-Syn可以沿迷走神经传播到大脑；迷走神经干切断术可降低随后PD的患病风险[21]，提示迷走神经在肠与脑之间发挥了桥梁作用，MGB轴参与了PD的发生与发展[22]。

研究表明，PD常伴随着肠道微生物区系失调和微生物代谢产物的改变。Hasegawa等[23]对PD病人粪便进行16S rRNA基因测序，结果显示粪便样本中乳杆菌(lactobacillus)数量较多，普氏杆菌(prevotella)、球状梭菌(clostridium coccoides)和脆弱类杆菌(bacteroides fragilis)水平较低，而低水平的普氏杆菌被认为与脂多糖结合蛋白(lipopolysaccharide-binding protein，LBP)合成减少、肠道通透性增加相关。另一项研究显示，在1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶(MPTP)诱导的PD小鼠的粪便样本中，发现了厚壁菌(firmicutes)和梭状芽孢杆菌目(enterobacteriales)减少，而变形杆菌、图里氏菌目(turicibacales)和肠杆菌目(enterobacteriales)增加[24]。虽然目前还不清楚哪种微生物群可以改善PD的症状，但是FMT作为改变肠道菌群区系的一项新兴技术，发现其在改善PD小鼠和PD病人的症状和病理方面是有益的。Sampson等[25]建立了过表达人α-syn(ASO)的转基因小鼠模型，发现ASO小鼠表现出α-syn包涵体、运动障碍和较少的小胶质细胞激活；与健康对照组相比，移植了PD微生物群的ASO小鼠表现出更严重的PD症状。Sun等[24]发现, 与对照组相比，接受FMT后PD小鼠运动功能障碍明显改善，脑神经递质增加，脑多巴胺能神经元增加，微生物群组成接近正常, 提示FMT不仅改善了PD小鼠的肠道菌群，同时具有一定的神经保护作用。Huang等[26]首次将FMT应用于治疗PD病人，在FMT治疗后1周，病人腿部震颤几乎消失，帕金森综合评分量表(UPDRS)、便秘病人生存质量量表(PAC-QOL)和Wexner便秘评分均显著下降，但治疗效果随着时间的推移逐渐减弱。Xue等[27]对10例 PD病人实施结肠镜下FMT(结肠镜FMT组)，另5例 病人实施经鼻-空肠管FMT(鼻肠FMT组)，发现在接受FMT治疗后1个月和3个月时，FMT病人的匹兹堡睡眠质量指数(PSQI)、汉密尔顿抑郁量表(HAMD)、汉密尔顿焦虑量表(HAMA)、人格诊断问卷(PDQ-39)、非运动症状问卷(NMSQ)、统一帕金森病评定量表(UPDRSⅢ)评分均显著降低，且结肠FMT组疗效明显优于鼻肠FMT组。

3 FMT与ALS

ALS是一种致命的NDs，其特征在于进行性肌肉麻痹，与运动皮层、脑干和脊髓中运动神经元的变性相关。大多数病人因呼吸麻痹而在3～5年内死亡。ALS的致病机制仍不清楚，目前认为可能涉及到蛋白质错误折叠、SOD1突变介导的毒性、细胞骨架受损、RNA加工异常、线粒体功能障碍、氧化应激增加、兴奋性毒性增强、神经营养支持减少、胶质细胞炎症等[28]。

近年来研究发现，ALS病人的微生物区系的变化可能与其发病机制有关。ALS病人粪便基因测序的结果提示，梭状芽孢杆菌(clostridium )和酵母菌(yeast)的丰度较低，而大肠杆菌(e.coli)和肠杆菌的丰度较高[29]。研究表明，SOD1G93A转基因ALS小鼠的生命早期常出现肠道微生物环境的改变，随后出现运动功能障碍和肌肉萎缩，以及免疫细胞的增殖和激活[30]，提示肠道微生物组可能参与了ALS的发生与发展，并与免疫系统有着密切的联系。Wu等[31]发现此类转基因小鼠出现肠道结构受损、肠道通透性增加，伴随潘氏细胞数量异常和功能改变。研究表明，与ALS相关联的C9ORF72基因中的六核苷酸重复(GGGGCC)扩增是导致ALS的最常见遗传变异，而FMT可以预防C9ORF72突变小鼠的炎症和自身免疫性疾病，降低其过早死亡风险[32]。2019年Mandrioli等[33]设计了一项FMT治疗ALS的随机临床试验，旨在通过对免疫细胞群、细胞因子水平和微生物群(肠道、粪便和唾液)的分析以揭示ALS的早期进展过程，并观察FMT对T淋巴细胞数量及功能的影响，但目前尚未见该项试验的详细研究结果报道。

4 结语

研究证实，NDs如AD、PD、ALS病人或动物常伴随着明显的肠道微生物区系改变和菌群失调，而FMT通过重建肠道微生态平衡影响NDs的发生和进展。尽管目前尚未见FMT治疗HD的研究报道，但相关研究发现HD病人同样存在肠道微生态失调[34]。因此，FMT可能为NDs的治疗提供了一种新的治疗策略。但FMT应用于NDs的临床治疗实践仍有很长的路要走。MGB轴在NDs中是如何发挥作用的？不同的NDs其肠道微生物区系的特点如何？FMT理想的治疗时机、治疗途径如何选择？FMT治疗NDs的安全性如何保证？这些问题都有待今后进行深入细致的研究来回答,但FMT无疑为NDs这类顽疾的治疗带来了新的希望。