吳慧杰， 王 燦， 李金遙， 馬倩倩， 李 鳴綜述， 楊 薇審校

腸道菌群與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病及糞便微生物群移植的治療應用前景

吳慧杰， 王 燦， 李金遙， 馬倩倩， 李 鳴綜述， 楊 薇審校

腸道是人體中最大的微生物群落，腸道菌群調(diào)節(jié)宿主許多過程，包括新陳代謝、炎癥和免疫反應，相反，宿主通過內(nèi)外環(huán)境調(diào)節(jié)腸道菌群的組成和數(shù)量，這種宿主和菌群之間的復雜的相互作用對人體健康和功能至關重要。然而，當宿主與腸道菌群之間的共生關系被破壞時，可能導致或促進疾病[1]。本文回顧腸道菌群與宿主中樞神經(jīng)系統(tǒng)的相互作用，討論腸道菌群與常見中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病之間的可能聯(lián)系，最后提出通過糾正菌群失調(diào)以預防和治療疾病的潛在方法。

1 腦-腸道-微生物軸(brain-gut-microbiota axis,BGMA)

腸道菌群(gut-microbiota，GM)與中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)之間存在雙向作用，即腦-腸道-微生物軸(brain-gut-microbiota axis,BGMA)。免疫系統(tǒng)是GM與CNS之間的重要中介。一方面，GM對CNS的影響：(1)影響神經(jīng)發(fā)育、包括調(diào)節(jié)血腦屏障(Blood-brain Barrier，BBB)的形成和完整性、神經(jīng)發(fā)生、小膠質(zhì)細胞成熟和分化、髓鞘形成和神經(jīng)營養(yǎng)蛋白的表達、神經(jīng)遞質(zhì)及其各自的受體等；(2)調(diào)節(jié)機體行為、精神，通過各種直接或間接的機制將信息傳遞給大腦；(3)參與CNS的生理病理，調(diào)節(jié)神經(jīng)變性(見圖1)[2～5]。另一方面，CNS對GM的影響：(1)激活下丘腦-垂體-腎上腺軸(HPA)，影響腸道通透性、運動、分泌功能、屏障功能；(2)通過交感-迷走神經(jīng)影響腸道運動、分泌功能、微生物群的組成；(3)CNS可以通過調(diào)節(jié)飽腹感，影響腸道營養(yǎng)從而調(diào)控數(shù)量GM及其組成[3,4,6]。

圖1 a:GM產(chǎn)生人體必需代謝產(chǎn)物，膽汁酸、膽堿、短鏈脂肪酸等直接或間接地調(diào)節(jié)CNS的代謝反應；b:GM刺激腸道產(chǎn)生神經(jīng)遞質(zhì)，5-HT、GABA、兒茶酚胺、色氨酸等作用于CNS；c:革蘭陰性菌通過其細胞壁的脂多糖(LPS)與toll樣受體(TLR)結合來刺激炎性因子(IL-6、IL-4等)的產(chǎn)生；d:腸道迷走神經(jīng)的激活直接向CNS發(fā)出信號；e.胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)類似物、肽YY(PYY)、膽囊收縮素(CCK)等多肽通過內(nèi)分泌途徑對CNS產(chǎn)生影響；f:交感-迷走神經(jīng)；g:HPA

2 GM與CNS常見疾病的關系

多項研究表明，GM與多種CNS疾病相關，如多發(fā)性硬化、視神經(jīng)脊髓炎、帕金森病、阿爾茨海默病、偏頭痛、肌萎縮側(cè)索硬化等。

2.1 多發(fā)性硬化(multiple sclerosis,MS) MS是以中樞神經(jīng)系統(tǒng)白質(zhì)炎性脫髓鞘為特點的自身免疫性疾病，表現(xiàn)為視力障礙、肢體無力、認知功能障礙等，病程緩解復發(fā)交替，逐漸進展。GM產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(SFAs)可以促進小膠質(zhì)細胞的成熟，并且是維持成熟小膠質(zhì)細胞所必需的[7]。而Haghikia等人將脂肪酸(FAs)作為多發(fā)性硬化的危險因素，它促進CD4+Th1細胞和/或CD4+Th17細胞介導的持續(xù)的特異性自身免疫性變態(tài)反應，引起神經(jīng)炎性脫髓鞘[8]。MS患者腸道內(nèi)的細菌數(shù)量及種類發(fā)生明顯改變，包括擬桿菌門和厚壁菌門的減少，影響FAs的免疫調(diào)節(jié)[9]。另一項研究也發(fā)現(xiàn)高脂飲食加劇小鼠自身免疫性腦脊髓炎(EAE)的反應，而熱量限制可以改善EAE的癥狀[10]。MS患者中產(chǎn)丁酸鹽的糞便桿菌豐度減少，丁酸鹽的產(chǎn)生與腸T調(diào)節(jié)(Treg)細胞分化、增強腸粘膜壁完整性有關[11]。近交系SJL和C57BL/6小鼠經(jīng)口服廣譜抗生素以減少GM數(shù)量和組成， 控制了EAE的進一步發(fā)展，表明疾病活動性降低與GM的改變相關[12]。脆弱擬桿菌的兩性離子莢膜多糖A(PSA)可以防止CNS脫髓鞘疾病，給予小鼠純化的PSA治療可以增強在頸淋巴結中積累的CD103表達樹突狀細胞(DC)，初始DCs誘導CD4+T細胞轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生IL-10的FoxP3+Treg細胞，保護性炎性因子IL-10的增加與控制EAE的進展有關[13]。此外，B型梭菌屬產(chǎn)生的ε毒素與髓磷脂結合也可能誘發(fā)自身免疫性脫髓鞘[14]。

2.2 帕金森病(Parkinson’s disease,PD) PD是中老年常見的CNS的退行性疾病，主要表現(xiàn)為震顫、運動遲緩、肌強直等運動癥狀及自主神經(jīng)功能障礙等非運動癥狀。從38例PD組和34例健康對照組中收集了66例乙狀結腸粘膜活檢和65例糞便樣本，產(chǎn)丁酸鹽菌屬(Blautia，Roseburia和Coprococcus屬)在PD組糞便中顯著增多，糞便桿菌、變性桿菌在PD組粘膜中明顯較對照組更豐富，表明PD患者存在促炎性MG失調(diào)，并可能引發(fā)α-突觸核蛋白(α-Syn)錯誤折疊和PD病理發(fā)展[15]。在患PD的小鼠模型中發(fā)現(xiàn)MG不僅促進α-Syn介導的運動缺陷和腦組織病理改變，還通過產(chǎn)生FAs調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細胞活化，參與PD的病理生理過程；而來自PD患者的GM誘導增強小鼠運動功能障礙[16]。Braak和Tredici研究表明，PD神經(jīng)系統(tǒng)的損害從迷走神經(jīng)背部運動核進展到黑質(zhì)，最終到大腦皮質(zhì)[17]。約80%的PD患者伴有便秘，且比運動癥狀提前20 y出現(xiàn)[5]。通過對細菌16S核糖體RNA基因的V1-V3區(qū)域進行焦磷酸測序比較了72名PD患者和72名對照受試者，表明GM組成在PD患者中發(fā)生改變，并且與PD的運動表型相關[18]。一個PD患者經(jīng)過長達10 m的抗生素(萬古霉素、甲硝唑等)治療后，不僅胃腸道癥狀有所改善，而且震顫、肌強直等神經(jīng)系統(tǒng)癥狀也消失了[5]。

2.3 阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD) AD是一種進行性認知功能障礙和行為損害為特征的CNS退行性病變，與神經(jīng)元損失和進行性突觸功能障礙相關，伴隨著β-淀粉樣蛋白(β-amyloid,Aβ)的沉積。隨著年齡的增長，AD患病率逐漸上升。GM多樣性隨著年齡不斷下降，而某些特殊菌群數(shù)量則顯著增多。Cattaneo等人統(tǒng)計分析40個認知受損的淀粉樣蛋白陽性患者(Amy+)和33個認知受損的淀粉樣蛋白陰性患者(Amy-)糞便樣品，發(fā)現(xiàn)Amy+組中志賀氏菌屬的豐度顯著增加，其變化與促炎因子(IL-6，CXCL2和NLRP3)水平變化呈正相關，促炎因子引發(fā)腦內(nèi)神經(jīng)炎癥，從而引起神經(jīng)元反復損傷及突觸功能障礙[19]。最近有報告表明，在AD中形成的Aβ也作為消除腦內(nèi)炎癥的抗微生物劑，起著保護/破壞的雙重作用[20]。GM發(fā)酵的葡萄籽多酚提取物(grape seed polyphenol extract,GSPE)能夠穿BBB，有效地干擾Aβ在大腦中的寡聚化，從而減少Aβ在大腦中的沉積[21]。AD患者，特別是APOEε4等位基因攜帶者，抗病毒/抗菌治療有效；同時，益生菌治療也可以減少AD患者慢性炎癥和Aβ水平[22]。

2.4 偏頭痛(Migraine) 偏頭痛是以中度至重度反復發(fā)作的頭痛為特征的疾患，持續(xù)數(shù)小時或數(shù)天，常伴有惡心、嘔吐、腹瀉等胃腸道癥狀?；加衅^痛的患者經(jīng)常患有胃腸道疾病，而胃腸道疾病患者更常發(fā)生偏頭痛，這可能與腸道滲透性改變和炎癥反應相關，益生菌可以增強腸道抵抗性。降鈣素基因相關肽(CGRP)是在胃腸道和CNS內(nèi)雙重分布的腦腸肽，CGRP、物質(zhì)P和神經(jīng)激肽A等物質(zhì)釋放引起血管舒張、血漿蛋白質(zhì)外滲和促炎因子的釋放，進而激活三叉神經(jīng)傳入，即經(jīng)典的三叉神經(jīng)血管傳入通路(trigeminal neurovascular afferent pathway)[23]。Sensenig等人報道，使用包含4種益生菌(嗜酸乳桿菌，保加利亞乳桿菌，腸球菌和雙歧桿菌)的營養(yǎng)制劑90 d后，60%的受試者偏頭痛幾乎完全緩解[24]。一項開放性試驗研究了29名偏頭痛患者在12 w內(nèi)規(guī)律口服益生菌，平均每月偏頭痛日數(shù)下降了1.5 d(23%)，偏頭痛相關殘疾數(shù)(headache disability)也顯著降低，表明益生菌對偏頭痛的頻率和嚴重程度均有改善[25]。

2.5 視神經(jīng)脊髓炎(neuromyelitis optica,NMO) NMO是視神經(jīng)與脊髓同時或相繼受累的急性或亞急性炎性脫髓鞘疾病。NMO患者水通道蛋白-4(AQP4)的特異性T細胞與產(chǎn)氣莢膜梭菌的蛋白質(zhì)存在交叉反應。Cree等人從16名NMO患者、16名健康對照中檢測了PhyloChip G3的腸道微生物，產(chǎn)氣莢膜梭菌在NMO患者中的表達過量[26]。TNFR2缺乏導致TNFR22/2 2D2小鼠體內(nèi)IL-17、IFN-g和IgG2b增多，出現(xiàn)自身免疫性CNS炎性脫髓鞘，口服抗生素可以消除小鼠自身免疫作用，提示GM的作用[27]。此外，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)NMO與乳糜瀉(CD)的關聯(lián)性。但是，GM的改變在NMO發(fā)病中的具體機制尚未完全明了。

3 GM與FMT的治療應用前景

恢復GM的生理性組合、增加腸道有益菌的數(shù)量是調(diào)整GM失調(diào)的重要手段。而糞便微生物群移植(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT)正是一種以恢復腸道微生態(tài)平衡為目標的微生物靶向療法。其在腸道疾病治療中顯示出優(yōu)越的高效性、安全性和易耐受性，也給CNS、自身免疫系統(tǒng)、代謝、腫瘤等疾病的治療帶來了新的方向[28]。

FMT系通過供體糞便中分離的菌群、病毒等多種微生物、食物及微生物的各種代謝產(chǎn)物、天然抗菌物質(zhì)等引入患病受體中，從而糾正受體腸道微生態(tài)失衡，重建正常腸功能。FMT供體可以來自配偶、親屬、健康志愿者等，必須經(jīng)過嚴格的細菌和寄生蟲感染檢測?；颊甙Y狀完全緩解或FMT治療后8 w內(nèi)癥狀沒有復發(fā)提示FMT治療有效[1～3]。截止至2012年，全世界約500例艱難梭菌感染(Clostridium difficile infection,CDI)的患者接受了FMT治療，治愈率超過90%；3名伴長期便秘的MS患者，接受FMT治療后，可以正常排便，同時MS癥狀也完全緩解(>15 y)；34例接受FMT治療的肌痛性腦脊髓炎/慢性疲勞綜合征患者，隨訪1～2 y 70%的患者相關癥狀緩解，40%的患者癥狀持續(xù)緩解[5]。全世界已有約15000例接受FMT治療，美國已有2家非營利性糞便銀行。然而，在這個過程中也出現(xiàn)了一系列不良反應，最常見的是胃腸不適，嚴重者可出現(xiàn)吸入性肺炎、膿毒血癥、中毒性巨結腸等。

FMT的生產(chǎn)、加工、儲存過程，F(xiàn)MT的規(guī)范應用，避免FMT的不良反應等，都是今后FMT臨床應用面臨的問題?，F(xiàn)在FMT的供體選擇主要基于臨床病史、身體檢查和實驗室測試等，今后可以應用PCR等分子診斷工具或宏基因組學來選擇最理想的供體微生物群，從而給患者帶來最大的收益。FMT應用于CNS疾病的治療大多數(shù)尚處于實驗階段，其潛力還需要進一步研究。

4 小 結

GM與CNS的關系密不可分。無論是通過飲食、益生菌、抗微生物制劑或FMT，針對GM的組成和數(shù)量以治療和預防CNS疾病的意義深遠，但健康微生物群的組成和功能特征、宿主-菌群相互作用尚待深入了解。

[1]Kamada N,Seo SU,Chen GY,et al.Role of the gut microbiota in immunity and inflammatory disease[J].Nat Rev Immunol,2013,13(5):321-335.

[2]Sharon G,Sampson TR,Geschwind DH,et al.The central nervous system and the gut microbiome [J].Cell,2016,167(4):915-932.

[3]Petra AI,Panagiotidou S,Hatziagelaki E,et al.Gut-microbiota-brain axis and its effect on neuropsychiatric disorders with suspected immune dysregulation[J].Clin Ther,2015,37(5):984-995.

[4]Bienenstock J,Kunze W,Forsythe P.Microbiota and the gut-brain axis[J].Nutr Rev,2015,73(1):28-31.

[5]Borody TJ,Campbell J.Fecal microbiota transplantation:techniques,applications,and issues[J].Gastroenterol Clin North Am,2012,41(4):781-803.

[6]楊曉東,錢逸維,徐紹卿.腸道菌群與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究進展[J].中華神經(jīng)科雜志,2016,7:570-574.

[7]Erny D,Hrabe De Angelis AL,Jaitin D,et al.Host microbiota constantly control maturation and function of microglia in the CNS [J].Nat Neurosci,2015,18(7):965-977.

[8]Haghikia A,Jorg S,Duscha A,et al.Dietary fatty acids directly impact central nervous system autoimmunity via the small intestine[J].Immunity,2016,44(4):951-953.

[9]Forbes J,Van Domselaar G,Bernstein C.The gut microbiota in immune-mediated inflammatory diseases[J].Front Microbiol,2016,7:1081.

[10]Piccio L,Stark JL,Cross AH.Chronic calorie restriction attenuates experimental autoimmune encephalomyelitis[J].J Leukoc Biol,2008,84(4):940-948.

[11]Bhargava P,Mowry EM.Gut microbiome and multiple sclerosis[J].Curr Neurol Neurosci Rep,2014,14(10):492.

[12]Ochoa-Reparaz J,Mielcarz DW,Ditrio LE,et al.Role of gut commensal microflora in the development of experimental autoimmune encephalomyelitis[J].J Immunol,2009,183(10):6041-6050.

[13]Ochoa-Reparaz J,Mielcarz DW,Wang Y,et al.A polysaccharide from the human commensal Bacteroides fragilis protects against CNS demyelinating disease[J].Mucosal Immunol,2010,3(5):487-495.

[14]Mete A,Garcia J,Ortega J,et al.Brain lesions associated with clostridium perfringens type D epsilon toxin in a Holstein heifer calf[J].Vet Pathol,2013,50(5):765-768.

[15]Keshavarzian A,Green SJ,Engen PA,et al.Colonic bacterial composition in Parkinson’s disease [J].Mov Disord,2015,30(10):1351-1360.

[16]Sampson TR,Debelius JW,Thron T,et al.Gut microbiota regulate motor deficits and neuroinflammation in a model of Parkinson’s disease[J].Cell,2016,167(6):1469-1480.e1412.

[17]Braak H,Rub U,Gai WP,et al.Idiopathic Parkinson's disease:possible routes by which vulnerable neuronal types may be subject to neuroinvasion by an unknown pathogen[J].J Neural Transm (Vienna),2003,110(5):517-536.

[18]Scheperjans F,Aho V,Pereira PA,et al.Gut microbiota are related to Parkinson’s disease and clinical phenotype[J].Mov Disord,2015,30(3):350-358.

[19]Cattaneo A,Cattane N,Galluzzi S,et al.Association of brain amyloidosis with pro-inflammatory gut bacterial taxa and peripheral inflammation markers in cognitively impaired elderly[J].Neurobiol Aging,2017,49:60-68.

[20]Kumar DK,Choi SH,Washicosky KJ,et al.Amyloid-beta peptide protects against microbial infection in mouse and worm models of Alzheimer’s disease[J].Sci Transl Med,2016,8(340):340-372.

[21]Wang D,Ho L,Faith J,et al.Role of intestinal microbiota in the generation of polyphenol-derived phenolic acid mediated attenuation of Alzheimer's disease beta-amyloid oligomerization[J].Mol Nutr Food Res,2015,59(6):1025-1040.

[22]Daulatzai MA.Chronic functional bowel syndrome enhances gut-brain axis dysfunction,neuroinflammation,cognitive impairment,and vulnerability to dementia[J].Neurochem Res,2014,39(4):624-644.

[23]Goadsby PJ,Holland PR,Martins-Oliveira M,et al.Pathophysiology of migraine:A disorder of sensory processing[J].Physiol Rev,2017,97(2):553-622.

[24]Sensenig J,Johnson M,Staverosky T.Treatment of migraine with targeted nutrition focused on improved assimilation and elimination[J].Altern Med Rev,2001,6(5):488-494.

[25]De Roos NM,Giezenaar CG,Rovers JM,et al.The effects of the multispecies probiotic mixture Ecologic(R) Barrier on migraine:results of an open-label pilot study[J].Benef Microbes,2015,6(5):641-646.

[26]Cree BA,Spencer CM,Varrin-Doyer M,et al.Gut microbiome analysis in neuromyelitis optica reveals overabundance of Clostridium perfringens[J].Ann Neurol,2016,80(3):443-447.

[27]Miller P,Bonn M,Franklin C,et al.TNFR2 deficiency acts in concert with gut microbiota to precipitate spontaneous sex-biased central nervous system demyelinating autoimmune disease[J].J Immunol,2015,195(10):4668-4684.

[28]Zitvogel L,Daillere R,Roberti MP,et al.Anticancer effects of the microbiome and its products[J].Nat Rev Micro,2017,15(8):465-478.

1003-2754(2017)10-0951-03

R741

2017-08-09；

2017-10-02

(吉林大學第二醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，吉林 長春 130041)

楊 薇，E-mail：wei88linda@yahoo.com