郝麗梅 陶婷 周衛(wèi)東

1 腸道菌群

腸道菌群是寄生于人體和腸道的微生物群體，數(shù)量多以萬億，細(xì)菌數(shù)量與人體細(xì)胞數(shù)相當(dāng)。腸道菌群包括至少1000個不同種系，其基因數(shù)量多達(dá)300萬個。腸道菌群與人體健康密切相關(guān)，兩者相互作用的研究報道較多。腸道菌群主要包括擬桿菌門(B)和厚璧菌門(F)兩大門，兩者的比值F/B可以看作腸道菌群健康的評估指標(biāo)，出生后F/B比值逐漸增加，由嬰兒期0.4逐步增加直至成年期相對穩(wěn)定于10.9，然后到老年再逐步開始下降，直至高齡老年時F/B低至0.6[1]。腸道菌群和人體存在互動關(guān)系。腸道菌群可以合成多種分子，后者可對人體產(chǎn)生局部或系統(tǒng)的作用。除合成維生素B和K外，腸道菌群還可以產(chǎn)生色氨酸類物質(zhì)和短鏈脂肪酸(SCFA)。SCFA是指只有6個以下碳原子(C)的脂肪酸，乙酸(含2個C)、丁酸(含4個C)和丙酸(含3個C)等最為常見，對于人體具有廣泛的生理病理作用。色氨酸是人和菌群的大量代謝產(chǎn)物，包括五羥色胺、褪黑素、煙酸等的前體物質(zhì)。色氨酸是必需氨基酸，人體只能從食物中吸收獲得。90%色氨酸經(jīng)過犬尿氨酸途徑代謝，該途徑與多個神經(jīng)心理疾病有關(guān)。人體近90%的五羥色胺在腸道嗜鉻腸桿菌細(xì)胞合成，可以引起局部和全身的改變[2]。

腸道菌群可以影響腦的活力。現(xiàn)有研究明確顯示認(rèn)知障礙患者菌群種類相對豐度有改變。與健康人比較，阿爾茨海默病(AD)患者腸道菌群能合成具有抗炎和神經(jīng)保護(hù)作用的SCFA丁酸鹽的細(xì)菌種類比例低，而具有促炎作用的細(xì)菌種類比例較高。老年人促炎細(xì)菌埃希氏菌、志賀氏菌豐度增加。PET影像顯示有淀粉樣蛋白沉積者其抗炎細(xì)菌直腸真桿菌豐度降低[3]，而且細(xì)菌種類也與腦脊液AD病理標(biāo)志相關(guān)。有證據(jù)顯示AD患者腸道菌群中厚璧菌屬和雙歧桿菌屬物種多樣性程度下降，擬桿菌屬物種多樣性程度增加。與健康對照和輕度認(rèn)知障礙患者相比，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)細(xì)菌缺乏[4]。研究顯示AD患者腸道菌群中占優(yōu)勢的菌門是厚壁菌門(78%)和擬桿菌門(15%)，最占優(yōu)勢的菌科為毛螺旋菌科(39.1%)、瘤胃菌科(29.6%) 和擬桿菌科(9.8%)，這些改變與β淀粉樣蛋白(Aβ)病理和p-Tau蛋白相關(guān)[5]。AD動物模型研究也顯示糞便大腸菌群中的多樣性及成分(如SCFA)改變，與重要的代謝通路相關(guān)，后者與AD淀粉樣蛋白沉積和AD模型腸道超微結(jié)構(gòu)改變有關(guān)[6]。

2 腸-腦軸通路與AD

腸道和腦的溝通通路至今并沒有完全研究清楚，但腸道及其菌群可以通過下面的6個機(jī)制影響腦和行為。

2.1 自主神經(jīng)系統(tǒng)自主神經(jīng)系統(tǒng)由交感神經(jīng)、副交感神經(jīng)、腸道神經(jīng)系統(tǒng)(ENS)組成，可以調(diào)節(jié)人體穩(wěn)態(tài)。自主神經(jīng)系統(tǒng)可以經(jīng)由神經(jīng)和神經(jīng)內(nèi)分泌機(jī)制通過控制腸道功能進(jìn)而調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用。腸道菌群可以產(chǎn)生神經(jīng)調(diào)控遞質(zhì)如五羥色胺、γ氨基丁酸(GABA)、兒茶酚胺和色氨酸前體，這些神經(jīng)遞質(zhì)可以和宿主神經(jīng)元發(fā)生局部或中樞的交互聯(lián)系。多個研究顯示，在鼠模型的腸道接種空腸彎曲菌可以引起迷走神經(jīng)感覺神經(jīng)激活，后者可致感覺神經(jīng)結(jié)和腦干迷走神經(jīng)中級核的神經(jīng)元激活標(biāo)志物原癌基因蛋白c-fos表達(dá)增加，這表明局部腸道的代謝刺激可以通過自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控腦活動[7]。多項關(guān)于迷走神經(jīng)切斷術(shù)和迷走神經(jīng)刺激術(shù)的研究顯示，通過迷走神經(jīng)的雙向交聯(lián)對于適當(dāng)?shù)哪X功能維持至關(guān)重要。迷走神經(jīng)切斷術(shù)可以減低海馬新細(xì)胞的增殖和生存，減少幼稚神經(jīng)元，激活海馬小膠質(zhì)細(xì)胞，這些改變在精神疾病中有類似發(fā)現(xiàn)。迷走神經(jīng)刺激術(shù)可以增加海馬神經(jīng)發(fā)生，調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中與焦慮抑郁相關(guān)腦區(qū)的去甲腎上腺素、五羥色胺和多巴胺分泌[8]。

2.2 ENSENS是自主神經(jīng)系統(tǒng)的分支之一，負(fù)責(zé)胃腸道的運動和分泌功能。除調(diào)節(jié)胃腸局部功能外，ENS一般通過副交感神經(jīng)系統(tǒng)(如迷走神經(jīng))和交感神經(jīng)系統(tǒng)(如椎旁神經(jīng)節(jié))與中樞神經(jīng)系統(tǒng)交流。胃腸道分泌的物質(zhì)可以通過ENS發(fā)出的傳入通路影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)。胃腸菌群可以通過不同機(jī)制影響ENS，如模式識別受體特別是Toll樣受體2(TLR-2)和TLR-4。TLR-2缺陷鼠可以出現(xiàn)腸道運動功能改變，TLR-4缺陷鼠則會出現(xiàn)大便排出和水含量減少等胃腸神經(jīng)系統(tǒng)改變。無腸道菌群鼠出生早期則表現(xiàn)為超微結(jié)構(gòu)、神經(jīng)生化和ENS功能改變，相似的改變也可以見于抗生素誘導(dǎo)的腸道菌群失調(diào)鼠和TLR缺陷鼠。另一方面，ENS缺陷的轉(zhuǎn)基因斑馬魚模型研究顯示，ENS缺乏時腸道菌群變化為促炎菌群，而移植ENS前體物質(zhì)可以將異常的腸道菌群逆轉(zhuǎn)為正常，也提示腸道菌群和ENS存在相互作用[9]。ENS異常可以是某些腸道疾病的原因，現(xiàn)有研究提示ENS異常也可以是AD、PD病理改變的原因之一[6，10]。研究顯示APP/PS1突變轉(zhuǎn)基因AD小鼠腸道神經(jīng)元可逐漸形成Aβ堆積，后者可以導(dǎo)致腸道神經(jīng)元數(shù)量下降、胃腸運動障礙以及胃腸炎癥機(jī)會增加[11]。Chen等[12]報道，AD患者和3XTg小鼠的腸道炎癥可以短暫激活CCAAT 增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(C/EBP)β/δ分泌酶，啟動Aβ和Tau小纖維病理改變，后者可以形成集聚的小纖維并通過膈神經(jīng)擴(kuò)散至大腦，最后導(dǎo)致AD的病理生理改變和認(rèn)知功能障礙。

2.3 神經(jīng)免疫當(dāng)小膠質(zhì)細(xì)胞激活并引起神經(jīng)炎癥反應(yīng)時，可以分泌多種細(xì)胞因子，表達(dá)多種抗原標(biāo)記，控制神經(jīng)遞質(zhì)。有趣的是，研究顯示腸道無菌的和經(jīng)抗生素治療的動物會出現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞成熟、激活、分化和形態(tài)變化缺陷，從而對多種病原免疫反應(yīng)不當(dāng)。腸道菌群的多樣性對于小膠質(zhì)細(xì)胞的維持、成熟、健康和功能正常，甚至對中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能正常都是必要的。腸道菌群失調(diào)時細(xì)菌分泌的脂多糖(LPS)可以通過激活淀粉樣蛋白生成的信號通路加重AD的病理改變。研究提示細(xì)菌表面的LPS可以與小膠質(zhì)細(xì)胞的受體(TLR2、TLR4和CD14)結(jié)合，然后激活下游的核因子κB(NF-κB)轉(zhuǎn)錄因子。這些神經(jīng)免疫反應(yīng)和活化的小膠質(zhì)細(xì)胞可以激活多種AD病理通路如淀粉蛋白前β-分解酶 1(BACE1)，從而加劇AD的病理變化[13]。

腸道菌群可能通過影響單核細(xì)胞從外周到中樞的移行而調(diào)節(jié)神經(jīng)免疫。活化的小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的腫瘤壞死因子α(TNF-α)具有該單核細(xì)胞移行功能，后者可以被8種菌株的混合物，包括4種乳酸桿菌、3種雙歧桿菌和唾液鏈球菌嗜熱亞種所逆轉(zhuǎn)，進(jìn)一步確認(rèn)了腸道菌群可以影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)[14]。另外，一種缺乏淋巴細(xì)胞的免疫缺陷的轉(zhuǎn)基因鼠模型出現(xiàn)的認(rèn)知下降和焦慮樣行為，可以經(jīng)由鼠李糖乳桿菌(L rhamnosus)和瑞士乳桿菌(L helveticus)兩類細(xì)菌組成的益生菌逆轉(zhuǎn)。因此，益生菌具有減輕適應(yīng)性免疫損害及其所致行為異常的潛在作用，提示免疫系統(tǒng)在腸道菌群-腸-腦軸中的關(guān)鍵作用[15]。

2.4 SCFA越來越多的證據(jù)表明SCFA可調(diào)節(jié)CNS生理和宿主的行為。AD和PD患者SCFA水平下降已見諸報道，SCFA增加可見于自閉癥和兒童慢性心理應(yīng)激患者[10，16-18]。SCFA可以通過不同的分子機(jī)制影響腦和行為，如抑制組胺去乙?；?、誘導(dǎo)腸道內(nèi)分泌信號、迷走神經(jīng)刺激和抗炎癥作用。SCFA不僅可以調(diào)節(jié)腸道通透性，還可以調(diào)節(jié)血腦屏障(BBB)通透性。糞便中連蛋白(zonulin)升高被認(rèn)為可以反映各種原因引起的腸道漏出液情況[19]。血漿LPS和連蛋白則是腸道菌群改變和腸上皮通透性增加的標(biāo)志。研究顯示丙酸可以增加緊密連接蛋白如連蛋白和閉合蛋白的表達(dá)，從而有助于恢復(fù)腸道正常通透性。腸道無菌鼠的BBB通透性增加，其與緊密連接蛋白表達(dá)下降有關(guān)，可以經(jīng)由SCFA減輕。口服丁酸鈉可以增加這些腸道無菌鼠的閉合蛋白表達(dá)。腸道菌群產(chǎn)生的SCFA可以經(jīng)由循環(huán)系統(tǒng)通過BBB，從而影響小膠質(zhì)細(xì)胞，并控制其功能和成熟。證據(jù)顯示丁酸鈉可以經(jīng)由降低促炎因子而減少小膠質(zhì)細(xì)胞激活，以及增加激活的小膠質(zhì)細(xì)胞抗炎調(diào)節(jié)因子的水平，從而表現(xiàn)出神經(jīng)保護(hù)效果。在豬AD模型中注射SCFA的研究顯示海馬的神經(jīng)發(fā)生、顆粒細(xì)胞層大小增加和海馬糖代謝改變[20]。

2.5 神經(jīng)遞質(zhì)多種細(xì)菌可以產(chǎn)生與人體生理相關(guān)的神經(jīng)內(nèi)分泌信號分子。人腸道菌群常共生的埃希氏菌屬細(xì)菌可以合成兒茶酚胺如去甲腎上腺素，芽孢桿菌屬細(xì)菌可以合成多巴胺和去甲腎上腺素，埃希氏菌屬細(xì)菌和乳酸桿菌屬細(xì)菌可以合成 GABA。這些細(xì)菌起源的神經(jīng)遞質(zhì)如何影響宿主的生理功能尚待研究。

體外研究顯示羅伊氏乳桿菌可以合成組胺，后者可以通過激活組胺H2受體而抑制活化的人單核樣細(xì)胞中TNF-α的產(chǎn)生。研究表明細(xì)菌源的組胺可具有免疫調(diào)節(jié)作用。

五羥色胺是腸道嗜鉻細(xì)胞中色氨酸羥化酶(TPH)催化色氨酸生成。有證據(jù)顯示棒狀桿菌、鏈球菌和大腸桿菌在培養(yǎng)中均可以生成五羥色胺。一些孢子細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物特別是乙酸和丁酸可以刺激腸道嗜鉻細(xì)胞生成五羥色胺。腸道無菌大鼠則可以檢測到外周血循環(huán)和海馬組織中五羥色胺水平降低，支持腸道菌群可以調(diào)節(jié)宿主五羥色胺水平。

色氨酸代謝可以產(chǎn)生犬尿氨酸及其衍生物，后者在中樞神經(jīng)系統(tǒng)富集，與多種神經(jīng)心理疾病相關(guān)。犬尿氨酸通路中的色氨酸-2，3-過氧化酶(TDO)和吲哚胺-2，3-過氧化酶(IDO)可分別被糖皮質(zhì)激素和免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)。腸道菌群可以通過調(diào)節(jié)糖皮質(zhì)激素和免疫系統(tǒng)IDO激活途徑而間接調(diào)控宿主的犬尿素代謝。

腸道菌群可將L-色胺酸生成吲哚及其多種代謝產(chǎn)物，并可以作為配體依賴的轉(zhuǎn)錄因子芳香烴受體(aryl hydrocarbon receptor，AHR)的配體。吲哚代謝產(chǎn)物可以通過BBB并激活星形細(xì)胞AHR受體，從而抑制NF-κB通路和促炎反應(yīng)。臨床前和臨床研究顯示，通過口服抗生素和糞移植手段進(jìn)行腸道菌群調(diào)控，具有抗炎和抗氧化作用，機(jī)制是增加血漿中神經(jīng)保護(hù)激素、恢復(fù)受損的蛋白水解通路和促進(jìn)腸道穩(wěn)態(tài)，因此可以抗炎改善AD鼠類模型和AD患者的認(rèn)知和行為表現(xiàn)[21]。

2.6 下丘腦-垂體-腎上腺軸(HPA)HPA是菌群-腸道-腦軸信息溝通中重要的非神經(jīng)路徑之一。應(yīng)激小鼠的實驗?zāi)Ｐ脱芯匡@示HPA和腸道菌群及其代謝產(chǎn)物的變化之間的聯(lián)系。腸道菌群可介導(dǎo)應(yīng)激變化穩(wěn)態(tài)，并能保護(hù)腦免于出現(xiàn)應(yīng)激誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥，后者可以作為AD有關(guān)的危險因素[7]。

3 腸道菌群調(diào)控防治AD的因素

3.1 益生元干預(yù)益生元是不能消化的食物成分，通常包括比較復(fù)雜的碳水化合物、生物活性多糖類等。益生元在發(fā)酵后有益于腸道菌群的協(xié)調(diào)生長，從而促進(jìn)宿主的健康[19]。有研究顯示，在APP/PS1 AD轉(zhuǎn)基因模型中，益生元FOS配方通過調(diào)節(jié)腸道菌群產(chǎn)生保護(hù)作用。FOS配方益生元可以減少腸道和大腦c-JUN氨基末端激酶(JNK)激活、增加 胰高糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)及其受體GLP-1R水平，而且可改善AD的核心特征突觸結(jié)構(gòu)異常，并減少Aβ的沉積[22]。合生元(益生元和益生菌的混合物)可以顯著改善抗氧化能力和線粒體電子傳遞鏈復(fù)合體。合生元治療還可以恢復(fù)乙酰膽堿活性，減少Aβ表達(dá)[23]。

3.2 益生菌干預(yù)益生菌含有人體腸道正常存在的微生物，如果數(shù)量得當(dāng)均衡，對宿主有益。多個研究顯示兩個主要屬類的菌群(乳酸桿菌屬和雙歧桿菌屬)對宿主健康有益。益生菌L Fermentun NS9配方可以通過維持腦中N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體水平，改善抗生素誘導(dǎo)大鼠AD模型的生理和心理異常。人腸道源的細(xì)菌如乳酸桿菌和雙歧桿菌可以增加抑制性神經(jīng)遞質(zhì)GABA水平，而值得注意的是，很多AD患者尸檢樣本顯示這種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)水平下降[24]。

有研究顯示有些益生菌合劑可以改善AD患者的認(rèn)知表現(xiàn)，同時伴有代謝改變。另有研究則顯示益生菌治療后認(rèn)知表現(xiàn)、抗氧化狀態(tài)和炎癥標(biāo)志物水平均無改變。盡管上述研究應(yīng)用的相同的細(xì)菌菌群，但結(jié)果并不一致。一項隨機(jī)臨床研究則支持益生菌對神經(jīng)認(rèn)知的有益作用[25]。

3X轉(zhuǎn)基因鼠模型中，服用益生菌SLAB51明顯增加長壽蛋白sirtuin 1的神經(jīng)保護(hù)蛋白水平和抗氧化水平，降低鼠腦中蛋白羰基標(biāo)志和氧化應(yīng)激標(biāo)志。SLAB51服用還可以降低腦Aβ和炎癥標(biāo)志物水平，降低糞中乙酸、丙酸和丁酸含量[26]。

目前至少有4個關(guān)于益生菌治療認(rèn)知下降患者的隨機(jī)雙盲對照臨床試驗。Agahi等[27]研究了25例益生菌治療12周的AD患者，對照組為23例AD患者，結(jié)果顯示《測試你的記憶》量表(Test You Memory)記憶評分以及有關(guān)抗氧化和炎癥指標(biāo)治療前后無明顯變化，作者認(rèn)為該組病例80%比較嚴(yán)重，因此可能對益生菌治療不敏感。Akbari等[28]的納入30例AD益生菌治療12周和30例AD對照的RCT研究，結(jié)果顯示明顯改善了AD患者的簡易精神狀態(tài)檢查量表(MMSE)評分。Tamtaji等[29]的研究中納入27例AD患者接受益生菌加硒治療12周，26例AD安慰劑對照，26例AD硒對照，研究顯示益生菌加硒治療明顯改善了MMSE評分，并顯著增加了抗氧化能力水平。Hwang等[30]研究了一種益生菌和豆奶混合劑DW2009治療輕度認(rèn)知障礙(MCI) 50例12周，對照50例，結(jié)果顯示治療組計算機(jī)化的認(rèn)知檢測顯著改善，并與腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)水平增加相關(guān)。

3.3 糞菌群移植(FMT)干預(yù)FMT是指將健康人或動物的糞菌群轉(zhuǎn)移到患者或患病動物而重建正常菌群的方法。有研究顯示FMT可以改善神經(jīng)功能缺損。從CONVER-APP/PS1鼠的FMT可以加重GF-APP/PS1鼠的腦Aβ病理，而野生APP/PS1鼠的FMT不能有效增加GF-APP/PS1鼠的腦Aβ含量。移植健康的腸道菌群可以逆轉(zhuǎn)AD動物模型的Aβ和Tau病理。Kim等[31]發(fā)現(xiàn)，從AD患者糞轉(zhuǎn)移的鼠，其物體位置和物體識別等認(rèn)知測試表現(xiàn)下降，而且其神經(jīng)系統(tǒng)代謝必需的成分如GABA、?；撬帷⒗i氨酸水平下降。據(jù)報道1例AD患者在接受300 mL其健康家屬的糞移植后癥狀迅速改善。FMT治療AD的效果尚需要大樣本FMT的AD病例研究進(jìn)一步明確[32]。

3.4 花青素花青素屬于類黃酮，可溶于水，是可以賦予食品色彩的多酚類色素。有諸多水果和蔬菜，包括葡萄、黑李子和藍(lán)莓、紫米和黑米和黑豆富含花青素。目前已知的花青素有700種?；ㄇ嗨乜梢砸种颇c道的α淀粉酶而防止淀粉消化。這些未消化的淀粉到達(dá)大腸時，可以提供能量給大腸的腸道菌群，后者可以改善宿主的健康狀況[33]。

花青素可以減輕腸道菌群失調(diào)引起的神經(jīng)炎癥和AD病理。腸道菌群失調(diào)時可以產(chǎn)生淀粉樣蛋白和神經(jīng)炎性介質(zhì)，后者可以參與神經(jīng)炎癥、腦Aβ沉積和AD病理生理。有學(xué)說認(rèn)為，胃腸道細(xì)菌源性的Aβ漏可以在全身和腦部聚集。還有研究顯示花青素可以顯著減低促炎細(xì)胞因子和活性氧(ROS)/JNK表達(dá)，因此防止神經(jīng)炎癥和AD病理。最近，F(xiàn)ramingham后代研究發(fā)現(xiàn)，對2801例參與者進(jìn)行了平均19.7年的研究，長期飲食攝入類黃酮、花青素較多者(>60百分位)相對于攝入較低者(≤15百分位)患AD及相關(guān)癡呆的風(fēng)險低〔分別為風(fēng)險比(HR)=0.54、P=0.003，HR=0.24、P<0.001〕，提示長期攝入較多的類黃酮患AD和AD相關(guān)癡呆風(fēng)險明顯降低[34]。

綜上，腸道菌群在宿主的健康和疾病中發(fā)揮了重要作用，開發(fā)新的藥物調(diào)控腸道菌群是醫(yī)學(xué)科學(xué)研究的新熱點。本文總結(jié)了腸道菌群調(diào)控在AD的臨床前研究和臨床研究結(jié)果，表明一些有潛力的腸道菌群治療策略值得深入研究。同時，腸道菌群的檢測數(shù)據(jù)比較眾多，臨床應(yīng)用中不便于理解，如選擇其中最為關(guān)鍵的參數(shù)則可能更有利于進(jìn)一步研究。未來期待更多研究來明確腸道菌群調(diào)控在AD防治中的作用。