梁程鈺，陳兆基，崔 蕾，楊立青，夏艷敏綜述，李曉芳審校

隨著全球性人口老齡化的趨勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，對(duì)于認(rèn)知障礙性疾病的起病原因、發(fā)病機(jī)制、行為表現(xiàn)及其防治措施的研究備受全社會(huì)的矚目。阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)，是一種在老年人群中較為常見(jiàn)的以認(rèn)知障礙為特征的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，是老年性癡呆中最常見(jiàn)的類型[1]。該病起病隱匿且緩慢，病情存在著進(jìn)展性加重的特點(diǎn)。2017年在STEM CELLS以及STEM CELLS Translational Medicine發(fā)表的美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心(Centers for Disease Control and Prevention，CDC)的最新數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)AD的死亡率正呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這一年美國(guó)由每100000 AD患者中29例患者死亡增加到31例患者死亡，這意味著美國(guó)每年由于AD會(huì)增加數(shù)千名死亡人數(shù)[2]。這對(duì)每個(gè)存在AD患者的家庭無(wú)異于增加了一份沉重的精神負(fù)擔(dān)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，并且對(duì)全社會(huì)也會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)壓力。

AD的典型組織病理學(xué)改變?yōu)樯窠?jīng)細(xì)胞外β-淀粉樣蛋白(β-amyloid protein，Aβ)的大量異常沉積形成老年斑以及神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的tau蛋白過(guò)度磷酸化形成神經(jīng)元纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangle，NFT)[3]。到目前為止，AD的具體發(fā)病機(jī)制并不清晰，但有越來(lái)越多的研究顯示炎癥的級(jí)聯(lián)反應(yīng)與神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病存在著相關(guān)性，尤其是與AD[4，5]。并且已經(jīng)有研究表明AD患者的腸道菌群(Gut microbiota，GM)與正常人群存在差異，其組成較健康人發(fā)生了很大的變化[6]。Heping Shen等[7]對(duì)照性的將AD患者的GM移植到APP/PS1雙轉(zhuǎn)基因小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)NLRP3炎癥小體(NOD-like receptor protein 3 inflammasome，NLRP3 inflammasome)在小鼠腸道中表達(dá)增加，而且外周血中炎癥因子的表達(dá)水平也明顯增加。對(duì)比一直以來(lái)接受AD患者GM的小鼠較未接受AD患者GM的小鼠認(rèn)知障礙更加嚴(yán)重，小鼠中央海馬小膠質(zhì)細(xì)胞激活，神經(jīng)炎性因子表達(dá)增強(qiáng)。隨后，在植入AD患者GM的APP/PS1小鼠中移植健康人的GM或口服二甲胺四環(huán)素來(lái)改善其GM的組成，發(fā)現(xiàn)NLRP3炎癥小體在其腸道中表達(dá)下調(diào)，小鼠的認(rèn)知能力提高，海馬中部小膠質(zhì)細(xì)胞活化被抑制，神經(jīng)炎性因子表達(dá)也下調(diào)了。由此可見(jiàn)GM可以通過(guò)腦-腸軸來(lái)調(diào)控AD的炎癥因子表達(dá)，故本文將圍繞GM與AD的相關(guān)性的進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 腸道菌群與中樞神經(jīng)系統(tǒng)

近些年，越來(lái)越多的證據(jù)表明，宿主與微生物之間的相互作用幾乎包含所有復(fù)雜的層次，從細(xì)胞間的直接通信到廣泛的系統(tǒng)信號(hào)傳遞，涉及到各種器官和系統(tǒng)，其中就包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)。微生物群落對(duì)于宿主新陳代謝起著至關(guān)重要的支持作用，并且會(huì)產(chǎn)生許多無(wú)法從宿主細(xì)胞中獲得到的重要代謝物，這些都是通過(guò)構(gòu)成微生物群落的遺傳物質(zhì)的多樣性實(shí)現(xiàn)的[8]。微生物群對(duì)機(jī)體98%以上的遺傳活動(dòng)都負(fù)有責(zé)任，它就好像是人體的“第二個(gè)基因組”[9]。人類擁有龐大且復(fù)雜的微生物群，而絕大部分微生物群定植于腸道內(nèi)。腸道是我們參與分子間交互的最大門(mén)戶通路，各種各樣的飲食成分已經(jīng)被證實(shí)與發(fā)育中的大腦直接進(jìn)行作用，并會(huì)誘導(dǎo)成熟大腦的功能改變[10]。腸道微生物群在指導(dǎo)和促進(jìn)大腦發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮了作用，這對(duì)CNS的健康活動(dòng)有著長(zhǎng)期的影響[11]。

1.1 腸道菌群 人體內(nèi)的微生物群是由細(xì)菌、病毒、原生動(dòng)物、古細(xì)菌和真菌組成的，重量約1.5 kg，被認(rèn)為是由100多萬(wàn)億個(gè)微生物組成，這個(gè)數(shù)字超過(guò)了宿主細(xì)胞的10倍，其中細(xì)菌是主要的分類群，細(xì)菌門(mén)主要有兩種，即擬桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)，它們占人類腸道遠(yuǎn)端系統(tǒng)發(fā)育類型的90%以上，還有一些豐度相對(duì)較低的變形桿菌門(mén)、放線菌門(mén)、梭菌門(mén)及疣微菌門(mén)等，均生活在人體的不同部位[12，13]，超過(guò)70%的微生物群生活在胃腸道中，與人體之間存在著互利互惠的關(guān)系，從胃腔到小腸，再到結(jié)腸、直腸，其數(shù)量穩(wěn)定增長(zhǎng)[14]。幾乎是在一個(gè)個(gè)體出生后不久，一個(gè)新的微生物生態(tài)系統(tǒng)就隨之誕生了，這個(gè)微生物生態(tài)系統(tǒng)位于人體的胃腸道內(nèi)[15]，有研究表明新生兒腸道的早期定殖菌多來(lái)自于其母親，出生方式是影響足月嬰兒早期GM形成的重要因素[16]，經(jīng)陰道分娩的嬰兒獲得的細(xì)菌與其母親陰道壁上的細(xì)菌相似，以乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬為腸道內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌屬，而經(jīng)剖宮產(chǎn)分娩的嬰兒獲得的細(xì)菌則類似于皮膚表面的定殖菌，常以葡萄球菌屬、棒狀桿菌、丙酸菌屬為腸道內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌屬[17]。在生命剛開(kāi)始的最初幾周，微生物群開(kāi)始變得多樣化，逐漸形成一種復(fù)雜的、以厭氧菌為主的微生物群[18]。與此同時(shí)，下丘腦-垂體-腎上腺(HPA)軸被激活，會(huì)對(duì)支配胃腸道的腸道神經(jīng)系統(tǒng)(enteric nervous system，ENS)產(chǎn)生影響，人體腸道內(nèi)的微生物迅速增多，在三歲時(shí)達(dá)到成人的水平，雙歧桿菌向梭菌和擬桿菌的轉(zhuǎn)變就發(fā)生在宿主由嬰兒發(fā)育到成年人的過(guò)程中[19]。微生物群的組成在人的一生中都會(huì)發(fā)生變化，這與飲食類型、環(huán)境因素、疾病情況等都有關(guān)系。

微生物群在維持人體的健康中起著重要的作用，它可以幫助分解某些會(huì)被機(jī)體代謝掉的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并且得到一些具有神經(jīng)活性的產(chǎn)物，就像腸道細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生氨基酸(如：γ-氨基丁酸、色氨酸)[20，21]和單胺類神經(jīng)遞質(zhì)(如：5-羥色胺、組胺、多巴胺)，這些產(chǎn)物作為神經(jīng)遞質(zhì)或神經(jīng)遞質(zhì)的前體，在神經(jīng)系統(tǒng)的健康活動(dòng)中意義重大[22，23]。這些神經(jīng)活性產(chǎn)物可以通過(guò)血流作用進(jìn)入CNS，也可以影響ENS中的神經(jīng)元。只有處在平衡狀態(tài)下，健康的胃腸道才會(huì)具有正常且穩(wěn)定的GM，這時(shí)對(duì)人類健康有利的整個(gè)反應(yīng)鏈才會(huì)發(fā)生。然而，當(dāng)GM失衡時(shí)會(huì)導(dǎo)致炎癥性腸病[24]、腸易激綜合征[25]、胃腸道感染[26]、糖尿病、變態(tài)反應(yīng)性疾病、代謝綜合征等疾病[27～29]。

1.2 微生物-腦-腸軸(Microbiota-Gut-Brain Axis，MGB) 在19世紀(jì)80年代，美國(guó)心理學(xué)家威廉詹姆斯與丹麥心理學(xué)家卡爾蘭格首次提出了在CNS和腸道器官之間的雙向交流會(huì)在情緒的調(diào)節(jié)中起作用這一觀點(diǎn)[30]，40年后，美國(guó)心理學(xué)家沃爾特坎農(nóng)提出了大腦在胃腸道功能中起到重要作用的觀點(diǎn)[31]。通過(guò)許多嚙齒類動(dòng)物的研究也能看出，從基礎(chǔ)微生物學(xué)到轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)，腦腸軸已經(jīng)成為許多不同領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。腸道和大腦之間的幾種交流途徑已經(jīng)被研究過(guò)了[32]。迷走神經(jīng)是連接腸道和脊髓的神經(jīng)，其末端連接腦干核團(tuán)，接收并發(fā)出傳入神經(jīng)纖維和傳出神經(jīng)纖維[33]。通過(guò)這種方式，腦干核團(tuán)可以控制許多腸道功能，并且將信號(hào)發(fā)送到大腦的其他區(qū)域，如丘腦和皮質(zhì)區(qū)域[34]。腸道和大腦之間的交流也可以通過(guò)血液循環(huán)進(jìn)行[35]。腸粘膜和血腦屏障允許免疫和內(nèi)分泌因子的通過(guò)，如細(xì)胞因子和激素，可以影響腸道和大腦的功能[36]。并且值得注意的是，通過(guò)與無(wú)菌小鼠對(duì)比證明了腸道菌群有助于免疫、內(nèi)分泌及神經(jīng)系統(tǒng)的成熟[37]。因此，MGB軸可以被視為一個(gè)多功能網(wǎng)絡(luò)，其中CNS、周圍神經(jīng)系統(tǒng)(peripheral nervous system，PNS)、免疫以及內(nèi)分泌系統(tǒng)均參與其雙向交流[37]。

2 腸道菌群與AD

2.1 腸道菌群與神經(jīng)遞質(zhì) 目前有很多研究表明，GM在AD患者中發(fā)生了改變，可能參與了AD的發(fā)病機(jī)制。一項(xiàng)通過(guò)對(duì)43例AD患者進(jìn)行的16s rRNA測(cè)序得出在分類水平上，AD患者的細(xì)菌類群與對(duì)照組不同，例如擬桿菌、放線菌，瘤胃球菌，毛螺旋菌、硒單胞菌等在AD患者中明顯增加。此外，許多細(xì)菌本身就能夠合成和釋放許多神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)節(jié)因子，腸內(nèi)分泌細(xì)胞能夠分泌神經(jīng)肽，這都表明腸道微生物群可能參與了AD的病理發(fā)展[38～40]。腸道內(nèi)存在乳酸菌和雙歧桿菌等革蘭氏陽(yáng)性菌可以產(chǎn)生γ-氨基丁酸(GABA)，GABA是人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的一種重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)[41]。神經(jīng)系統(tǒng)中GABA的濃度與腸道中GABA的濃度有關(guān)，若腸道內(nèi)乳酸菌、雙歧桿菌等革蘭氏陽(yáng)性菌減少，腸道內(nèi)的GABA便會(huì)減少，相應(yīng)地會(huì)導(dǎo)致CNS中GABA的水平降低。然而，GABA介導(dǎo)神經(jīng)調(diào)節(jié)和神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞，若其水平降低導(dǎo)致該系統(tǒng)功能障礙會(huì)引起認(rèn)知障礙性疾病，例如AD。通過(guò)與未患AD的個(gè)體進(jìn)行尸檢對(duì)比得到，AD患者的額葉、顳葉、頂葉皮質(zhì)中GABA的水平是減低的[42]。5-羥色胺(5-HT)在認(rèn)知功能的調(diào)節(jié)中起著重要的作用，選擇性5-HT再攝取抑制劑可以減少大腦中Aβ的合成，因此增加細(xì)胞外5-HT的水平可以減少老年斑的形成，從而降低AD的風(fēng)險(xiǎn)[43]。在腸道內(nèi)假絲酵母菌、鏈球菌、大腸埃希菌等合成人體所需的95%以上的5-HT，而無(wú)菌小鼠血液中5-HT水平較GM正常的無(wú)致病性小鼠低60%左右，但是將無(wú)菌小鼠的GM重建后可以檢測(cè)到5-HT濃度升高[44]。谷氨酸是人類CNS中一類重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)谷氨酸受體在大腦正常學(xué)習(xí)和記憶中發(fā)揮著重要作用[45]。通過(guò)對(duì)無(wú)菌小鼠和給予抗生素飼養(yǎng)的小鼠的觀察研究可以了解到NMDA受體與GM具有相關(guān)性，無(wú)菌小鼠和給予抗生素的小鼠腦內(nèi)海馬體部NMDA mRNA表達(dá)及NMDA受體水平明顯降低[46]。除此之外，腸道內(nèi)乳酸菌的減少會(huì)導(dǎo)致乙酰膽堿(Ach)水平相應(yīng)地減低[47]，Ach的減少則會(huì)引起皮質(zhì)中膽堿能神經(jīng)遞質(zhì)功能紊亂，這是造成AD患者認(rèn)知障礙的基礎(chǔ)[48]。在AD患者腦和血清中發(fā)現(xiàn)在突觸間阻止Aβ和tau蛋白大量聚集的腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)的含量下降[49]，并且在無(wú)菌小鼠的海馬中BDNF的表達(dá)較GM正常的無(wú)致病性小鼠也是低的[50]。腸道內(nèi)藍(lán)藻菌水平升高會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的神經(jīng)毒素，例如：β-N-甲基氨酸-I-丙氨酸(BMAA)會(huì)干擾NMDA的正常生理活動(dòng)，并且長(zhǎng)期暴露于BMAA環(huán)境中會(huì)造成細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)元纖維纏結(jié)和Aβ的沉積，增加AD的風(fēng)險(xiǎn)[51]；蛤蚌毒素和魚(yú)腥藻毒素-α等隨著年齡的增長(zhǎng)會(huì)進(jìn)一步造成神經(jīng)系統(tǒng)疾病，提高AD的患病風(fēng)險(xiǎn)[52]。

2.2 腸道菌群與炎癥反應(yīng) 另外長(zhǎng)期以來(lái)，研究人員一直在研究神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病可能的感染原因。已經(jīng)有報(bào)道AD與單純皰疹病毒、螺旋菌、肺炎衣原體以及真菌的感染有關(guān)[53～55]。在APP/PS1雙轉(zhuǎn)基因小鼠中初步觀察到，與野生型對(duì)照組相對(duì)比這些動(dòng)物的Allobaculum和Akkermansia(阿克曼菌)減少，而Rikenellaceae(理研菌科)增多[56]。神經(jīng)炎癥被認(rèn)為是造成神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的病理學(xué)變化的主要原因之一[57]。在CNS和PNS中產(chǎn)生的促炎細(xì)胞因子調(diào)節(jié)神經(jīng)元功能，并能夠引起病理性細(xì)胞死亡[58]。小膠質(zhì)細(xì)胞在預(yù)防和促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病中有重要的意義，所以有理由推測(cè)GM可能會(huì)影響這些導(dǎo)致大腦衰老的炎癥性疾病。GM的改變可能促進(jìn)了炎癥的過(guò)程，從而導(dǎo)致AD的神經(jīng)炎癥。GM中的某些細(xì)菌可分泌大量脂多糖(LPS)和淀粉樣蛋白，這些LPS和淀粉樣蛋白可能是導(dǎo)致AD在衰老方面的發(fā)病機(jī)制，隨著年齡的增加胃腸道上皮細(xì)胞和血腦屏障的通透性增強(qiáng)。有人提出LPS和淀粉樣蛋白可能直接或間接的通過(guò)受損的胃腸道或血腦屏障這些具有保護(hù)性的生理性屏障，然后觸發(fā)細(xì)胞因子或其他正常轉(zhuǎn)運(yùn)的小促炎性分子[59，60]。最近有一項(xiàng)研究報(bào)道[61]，脆弱擬桿菌脂多糖(BF-LPS)暴露于人類主要的腦細(xì)胞是促炎性轉(zhuǎn)錄因子NF-kB(p50/p65)復(fù)合物的強(qiáng)效誘導(dǎo)因子，該復(fù)合物是炎癥性神經(jīng)系統(tǒng)退行性改變中致病通路表達(dá)的已知觸發(fā)因子。并且AD患者大腦的特征是，BF-LPS也能夠進(jìn)一步識(shí)別TLR2、TLR4、CD14小膠質(zhì)細(xì)胞受體及Aβ42。除了產(chǎn)生LPS外，許多腸道菌株也能產(chǎn)生大量淀粉樣蛋白，包括大腸桿菌、枯草桿菌、鼠傷寒沙門(mén)氏菌、腸沙門(mén)氏菌、結(jié)核分枝桿菌和金黃色葡萄球菌，通過(guò)蛋白質(zhì)異常積累折疊成Aβ有助于形成AD的病理改變[62]。據(jù)推測(cè)，腸道細(xì)菌產(chǎn)生的功能性淀粉樣蛋白可能是神經(jīng)元蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊的來(lái)源，并通過(guò)交叉播種啟動(dòng)先天免疫以及激活神經(jīng)炎癥[63]。

3 結(jié) 語(yǔ)

在體內(nèi)處于穩(wěn)態(tài)的健康的胃腸道具有正常且穩(wěn)定的GM，能夠?yàn)闄C(jī)體的正常生活提供營(yíng)養(yǎng)和能量。腸道微生物群影響著人類的健康和疾病，腸道細(xì)菌可以通過(guò)MGB軸調(diào)節(jié)腦腸之間的相互作用。神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的發(fā)生與腸道微生物群和神經(jīng)炎癥密切相關(guān)，但具體機(jī)制尚不清楚。腸道微生物群可以產(chǎn)生氨基酸，作為神經(jīng)遞質(zhì)的組成部分，影響CNS和ENS中的神經(jīng)元的活動(dòng)。此外，淀粉樣蛋白的沉積、神經(jīng)元纖維纏結(jié)、GM和神經(jīng)炎癥均證實(shí)在AD的發(fā)生中起到了重要的作用。目前，我們可以通過(guò)腦結(jié)構(gòu)和功能的影像學(xué)標(biāo)記來(lái)對(duì)AD進(jìn)行診斷，在未來(lái)我們可能會(huì)結(jié)合神經(jīng)炎癥的影像學(xué)表現(xiàn)和炎癥標(biāo)志物對(duì)AD進(jìn)行早期診斷，便于及時(shí)對(duì)AD患者進(jìn)行干預(yù)指導(dǎo)。我們也有可能根據(jù)與AD相關(guān)的神經(jīng)炎癥和GM的變化，為AD患者的治療找到新方法，如用于治療神經(jīng)炎的非甾體類抗炎藥和改善腸道微生物的益生菌。

總的來(lái)說(shuō)，GM可能通過(guò)淀粉樣蛋白沉積、神經(jīng)元纖維纏結(jié)和神經(jīng)炎癥的結(jié)合來(lái)引發(fā)AD。為了研究GM與AD之間的關(guān)系，需要開(kāi)發(fā)新的方法來(lái)輔助AD的臨床診斷。以GM這一方向?yàn)榫€索，可能會(huì)為臨床醫(yī)生對(duì)AD的早期診斷、預(yù)防和治療提供新的更有效的途徑。然而，這一些假設(shè)需要更多更有力的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)得以證實(shí)。我們也十分期待能夠以此為突破口，為AD患者及其家人帶來(lái)希望。