肠道微生物群诱发炎症导致阿尔茨海默病的研究进展*

果彤 陈丽

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是一种起病隐匿的中枢神经系统退行性疾病，多发于老年人，主要表现为进行性认知障碍与记忆力下降，最终导致患者生活自理能力的丧失。随着老龄化社会的到来，AD已经成为一个重大的世界性公共卫生问题。

AD的典型病理特征包括神经元胞外β淀粉样蛋白（amyloid β protein，Aβ）沉积形成老年斑与胞内Tau蛋白过度磷酸化导致神经原纤维缠结（neurofibrillary tangles，NFT）[1]。截至目前，AD的发病机制尚不明确，众多理论中普遍为人所接受的是Aβ级联假说。同时近年来，AD的炎症驱动假说也日益受到关注，并被越来越多的实验证实。然而，目前对导致AD患者炎症发生的机制并不清楚，现对近年来肠道微生物诱发炎症导致AD的相关研究进展予以综述。

1 肠道微生物群概述

人类肠道微生物群是指寄居在人体肠道内的微生物系统，由细菌、古细菌、病毒等成分组成，其中99%为厌氧菌[2]。作为人体最大的微生物群，肠道微生物种类繁多，可达1 000余种，且数量巨大（1013～1014），与人体细胞总数的估计值[（3 ～4）×1013]相当[3]。

在正常生理条件下，肠道微生物群与人体形成互利共生的关系，在促进营养物质吸收、维生素合成与维持免疫系统正常功能等方面发挥了重要作用[4]。人体肠道微生物群组成的变化与宿主年龄的增长密切相关。新生儿与哺乳期婴儿的肠道微生物组成受分娩方式与饮食影响较大，具有较高的动态性；至2.5岁左右，其组成与功能即与成人相似，并保持长期的相对稳定状态[5]。随着年龄的进一步增长，特别是步入老年后，人体肠道微生物群的多样性开始降低，个体差异增加，而这与多种老年性疾病的发生发展密切相关[6]。

2 肠道微生物诱发炎症导致AD

截至目前，AD的发病机制尚不明确，其中占主导地位的理论是Aβ级联假说。然而近年来，随着研究的不断深入，越来越多的研究结果与Aβ级联假说这一传统观点相矛盾——Aβ沉积与AD的临床表现并无直接关联[7]。一方面，许多AD患者大脑中并没有Aβ沉积，另一方面，无痴呆症状的老年人大脑中也出现了与AD患者相当数量的老年斑[8]。此外，清除AD患者大脑中Aβ的治疗方法并不能改善其认知能力。如，Honig等[9]给予轻度AD患者茄尼醇单抗（用于清除其大脑中的可溶性Aβ）400 mg，每4周给药一次，持续76周后发现，茄尼醇单抗对AD患者认知能力无显著改善作用。Jansen等[10]通过分析非痴呆患者大脑淀粉样病变的发生率，发现在认知能力正常的参与者中，大脑淀粉样变的发生率从50岁时的10%增加到90岁时的44%。由此推测，Aβ沉积只是一个与年龄增长相关的现象，与AD的发生没有必然联系[7]。

与此同时，AD的炎症假说日益受到重视。有学者认为，AD是一种系统性的全身疾病，它与CNS的神经炎症和外周炎症反应均有关联，且该关联性主要由小胶质细胞和星形胶质细胞的活化及炎性因子的过度产生介导[11]。更重要的是，在老年斑出现前的许多年，大脑的炎症反应就已经有所表现[12]。由此推测，脑内Aβ的沉积的地位可能与AD类似——只是由炎症反应引起的症状之一，而非引起AD的原因。

2.1 炎症与AD的相关性

整体来看，炎症反应对AD发生发展的影响具有两面性，具体效应取决于炎症反应的强度与持续时间。一方面，急性、自限性的神经炎症反应对CNS具有保护作用。如，在正常生理条件下，小胶质细胞与大脑神经元相互作用，适时引起炎症反应，吞噬Aβ，维持大脑稳态；当神经元发生病理性改变时，小胶质细胞还可参与神经元的修复[13]。再如，自限性神经炎症可以通过加强神经自噬作用，发挥对CNS的保护作用。NFT由Tau蛋白过度磷酸化形成，是AD的重要病理特征。异常磷酸化的Tau蛋白可阻碍微管蛋白的正常组装，导致神经元细胞骨架结构异常甚至死亡[14]。Qin等[15]发现慢性、轻度的TLR4激活通过诱发自限性神经炎症反应，增强了神经自噬作用，从而减缓了Tau蛋白的异常磷酸化进程并改善了小鼠的认知功能。另一方面，慢性炎症反应在AD的发生发展过程中发挥重要的促进作用。随着年龄的增加，人体血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）功能下降，病原体（如细菌、真菌、病毒等）、免疫细胞及其产物进入大脑，使小胶质细胞处于持续性激活状态，过度表达促炎细胞因子（如IL-1β、IL-6与TNF-α），从而导致慢性炎症，引发大脑损伤与神经元死亡，造成包含AD在内的神经退行性病变[16]。如，Liu等[17]通过测定APP/PS1转基因小鼠体内小胶质细胞活化程度与炎症相关细胞因子的水平，证实其体内小胶质细胞活化程度增加与IL-1β、TNF-α与iNOS表达水平升高存在因果关系。

2.2 肠道微生物诱发炎症导致AD的机制

随着年龄的增长，人体肠道微生物群的多样性明显降低，以厚壁菌门与拟杆菌门最为显著[18]。Cattaneo等[19]测定了AD患者粪便中炎症相关肠道微生物的丰度与血液中促炎细胞因子的表达水平，发现其肠道内促炎性埃希菌/志贺菌的丰度增加，血清促炎细胞因子水平明显升高，而抗炎性菌群丰度明显降低。类似的研究，Chen等[20]通过比较不同年龄的APP/PS1转基因小鼠与对照组的肠道微生物组成，发现在CNS出现明显的淀粉样变与小胶质细胞活化之前，两组小鼠肠道内炎症相关菌属的丰度即发生显著差异：其中促炎性埃希菌/志贺菌、脱硫弧菌与布劳特氏菌的丰度增加，而抗炎性艾克曼菌丰度降低。上述实验表明，肠道微生物群诱发炎症与AD存在关联。以下从三个方面分别介绍肠道微生物通过小胶质细胞、肠上皮屏障与代谢产物途径诱发炎症从而导致AD的机制。

2.2.1 小胶质细胞途径 小胶质细胞是单核吞噬细胞系统中的先天性免疫细胞，在维持内环境稳定和参与神经修复方面发挥重要作用[21]。正常生理条件下，在受到外界刺激时，小胶质细胞会进入活化状态，根据其目前已明确的功能和标志物的不同，活化的小胶质细胞可分为M1与M2两个亚型。现有研究结果表明：M1型小胶质细胞主要参与抗原呈递与病原体的清除，具有促炎作用，而M2型小胶质细胞倾向于表达IL-10、几丁质酶-3样蛋白等物质以抑制炎症反应，促进损伤修复[22]。适度的小胶质细胞活化有利于清除坏死神经元与病原体，从而维持神经系统微环境的相对稳定；而当小胶质细胞过度活化时，M1型活化继续增强，而M2亚型活化程度下降，导致小胶质细胞整体向M1亚型极化，后者会产生IL-1β、IL-6与TNF-α等炎性因子，加剧神经炎症反应[23]。而肠道微生物群可通过肠-脑轴、代谢产物等多种途径影响小胶质细胞的功能。如，Wang等[24]向实验组小鼠的饮水中加入Mn2+（200 mg/L），持续5周后发现，与对照组相比，实验组小鼠肠道微生物组成改变，血液中IL-10等抗炎因子水平下降，而IL-6、NF-κB、IFN-γ等炎性因子水平升高，由此引发脑中COX-2、iNOS、NF-κB与TNF-α的基因表达量增加，表现为外周及中枢神经系统炎症反应和小胶质细胞异常活化，进而出现进行性运动功能损害。可见，肠道微生物群可通过影响小胶质细胞的活化程度诱发体内炎症反应，从而导致AD的发生。

2.2.2 肠上皮屏障途径 肠上皮屏障（intestinal epithelial barrier，IEB）是指由肠道上皮与固有层通过紧密连接蛋白组成的屏障体系，在营养物质吸收、防止病原体等促炎物质进入黏膜组织与循环系统方面发挥重要作用。人体肠道微生物群组成的改变可影响IEB的紧密程度，加之衰老过程中其通透性增高和功能下降，病原体等有害物质可进入血液循环，从而引发包括肠道炎症反应在内的外周炎症反应，进而导致CNS炎症反应，加剧神经退行性病变。如，Shi等[25]连续14 d给予实验组小鼠常规治疗剂量的氨苄青霉素，发现与对照组相比，实验组小鼠的肠道微生物组成发生明显变化，肠上皮屏障通透性增加，其中结肠部紧密连接蛋白ZO-1与闭锁蛋白的表达量仅为对照组水平的一半；同时，体内 IFN-γ、NF-κB、MCP-1与 REGIIIγ等免疫标志物水平显著升高，提示机体出现免疫炎症反应。再如，已知艾克曼菌可增加IEB的紧密程度，在健康人肠道内丰度较高（约3%）[26]，但随着机体年龄增长，其丰度逐渐降低。而Lugt等[27]通过持续10周给予Ercc1-/Δ7小鼠一定剂量的艾克曼菌（口服灌胃），发现实验组较对照组小鼠结肠黏液层厚度增加约3倍，甚至较补充植物乳杆菌WCFS1小鼠的黏膜层更厚，且免疫炎症反应明显减轻，B细胞表达量明显减少。因此，该结果在表明肠道艾克曼菌可改善肠上皮屏障功能的同时，结合上文慢性炎症对AD的促进作用，也佐证了肠道微生物可通过肠上皮屏障途径诱发炎症，从而促进AD的发生发展过程。又如，Leblhuber等[28]通过测定22名AD患者的粪便钙卫蛋白含量，发现其中16名患者的粪便钙卫蛋白浓度高于正常值，而这与肠上皮屏障的功能紊乱有关。但截至目前，仍然缺少较为具体的、AD患者肠上皮屏障形态与功能改变的直接实验证据，如果未来得到补充，将进一步论证肠上皮屏障途径诱发炎症导致AD的结论。

2.2.3 代谢产物途径 与炎症和AD的关系类似，肠道微生物群的代谢产物对炎症反应的影响同样表现出两面性。一方面，肠道微生物群可产生一系列降低肠上皮屏障紧密程度的化合物，进而导致其他代谢产物与有害物质进入循环系统，损伤BBB并促进神经炎症反应，最终导致神经退行性病变。随着年龄的增加，人体肠道内葡萄球菌、蓝细菌及部分革兰阴性菌（如大肠杆菌）的数量增加，导致其释放更多包括IL-1、IL-6与TNF-α等在内的炎性因子与LPS，打破了原有的促炎-抗炎平衡，引发机体炎症反应，推动神经退行性病变的发生发展[29]。如，Agostini等[30]向4.5月龄的APP/PS1小鼠与对照组体内注射LPS（100 μg/kg），4 h后测定其血液中炎症相关细胞因子的水平并评估其行为改变情况，发现两组小鼠血清中IL-6水平显著升高，洞藏食物的行为减少，空间探索能力明显下降。另一方面，肠道微生物的部分代谢产物展现出强大的抗炎作用。肠道微生物群中双歧杆菌、丙酸杆菌、拟杆菌等可降解未被消化的糖类，并产生短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs），主要包括乙酸盐、丙酸盐与丁酸盐。研究表明，SCFAs在维持IEB正常功能与抗炎方面发挥重要作用。具体来说，丁酸盐可以增加肠上皮黏液的分泌和紧密连接蛋白（如紧密连接蛋白、闭锁蛋白）的表达，从而降低IEB的通透性[31]。Neufeld等[32]的研究发现，无菌（germ-free，GF）小鼠体内具有调节屏障功能的紧密连接蛋白表达量降低，导致其BBB对大分子物质的渗透性增加。若将SCFAs注入GF小鼠肠道内，其小胶质细胞发育状况与BBB通透性均有明显改善。在抗炎方面，SCFAs可经由游离脂肪酸受体2/3（free fatty acid receptor 2 and 3，FFAR2/3）或THP-1细胞介导，调控相关促炎与抗炎因子的表达。Wenzel等[33]通过体外实验证明，由乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐、戊酸盐与甲酸盐（16∶8∶8∶1∶1）五种SCFAs组成的高浓度（500 μM）混合物可显著 降 低 THP-1细 胞 MCP-1、IL-1β 与 TNF-α 的产生量，其中五种SCFA均可单独抑制MCP-1的表达，除丙酸盐外的四种SCFA可抑制IL-1β的表达，而丙酸盐、戊酸盐与甲酸盐可抑制TNF-α的表达。随着年龄的增加，人体肠道内能够产生SCFAs的双歧杆菌和乳酸杆菌等益生菌的数量减少，使机体的抗炎能力下降，全身性与神经性炎症的易感性增加，进而推动了AD的发生发展。

3 相关临床应用

目前，由于对AD的发病机制不甚了解，临床治疗AD的药物多为对症治疗。近年来，随着肠道微生物在AD发生发展过程中的作用逐渐得到证实，口服益生菌与调整饮食习惯或许可为AD临床治疗提供新的选择。

益生菌可通过TLR与肠上皮及相关免疫细胞相互作用，抑制炎性因子的产生并促进抗炎因子的表达，降低机体炎症反应程度与IEB通透性，从而有利于缓解AD的临床症状[34]。Deng等[35]对5项关于益生菌与AD认知改善的有效研究（包含297个样本）进行了meta分析，发现与对照组相比，益生菌组的高敏感性C反应蛋白水平下降，认知功能明显改善。

低脂高纤维饮食一方面可降低机体产生LPS的数量，增加IEB紧密程度；一方面可为肠道微生物提供生成SCFAs与生长繁殖的原料，改变肠道微生物群的组成，从而减少全身炎症反应的发生，缓解AD的临床症状[36]。

目前，AD的发病机制尚不明确。本文从肠道微生物群与AD的关系出发，总结近年来肠道微生物群通过小胶质细胞、肠上皮屏障与代谢产物途径诱发炎症，从而导致AD发生的研究进展，以期为AD的发病机制与临床治疗提供新的视角。