趙恩龍綜述, 第五永長, 王亞麗, 周 源審校

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一種退行性腦部疾病,個體大腦中參與學(xué)習(xí)、記憶和日常生活等機體基本功能的神經(jīng)元隨著疾病的演變漸進(jìn)性受損或被破壞,最終可誘發(fā)肺部感染或器官衰竭而危及性命[1]。據(jù)統(tǒng)計,現(xiàn)階段AD患者人均年耗經(jīng)濟(jì)成本達(dá)25213美元[2],預(yù)計2050年全球癡呆癥患者年耗經(jīng)濟(jì)費用累計將高達(dá)9.12萬億美元[3]。隨著人類壽命的延長和老齡化程度的加劇,AD患者數(shù)量逐年增加,巨額成本的消耗,給患者家庭和社會造成沉重負(fù)擔(dān)。本文旨在闡明AD連續(xù)譜演進(jìn)過程中的確切機制，為研發(fā)預(yù)防或治療AD的藥物提供參考。

1 阿爾茨海默病連續(xù)譜

阿爾茨海默病連續(xù)譜(Alzheimer’s disease continuum)是指患者大腦從受到影響產(chǎn)生變化到出現(xiàn)認(rèn)知記憶問題并最終導(dǎo)致身體殘疾的過程,這個過程歷時彌久且病理改變往往比臨床診斷早,結(jié)局是早期難以發(fā)現(xiàn),對患者影響巨大[1]。作為一種年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性腦部疾病,患者臨床多表現(xiàn)為進(jìn)行性記憶障礙和認(rèn)知功能下降,這些改變表現(xiàn)在兩個早期階段：主觀認(rèn)知下降(subjective cognitive decline,SCD)和輕度認(rèn)知損害[mild cognitive impairment,MCI(AD的前驅(qū)階段,由AD引起的MCI)]。SCD期僅表現(xiàn)為微弱的干擾,多發(fā)生在臨床前階段且無法檢測。MCI期較SCD期癥狀明顯,可用臨床手段進(jìn)行量化,是目前認(rèn)為診斷AD的最早階段[4]。AD連續(xù)譜的兩個顯著性病理特征：老年斑(SPs)和神經(jīng)原纖維纏結(jié)(NFTs),但尚不清楚其是否能作為有效的藥物作用靶點[5]。SPs主要是由β-淀粉樣蛋白(Aβ)沉積在神經(jīng)細(xì)胞外部和周圍形成的斑塊,NFTs是由過度磷酸化和氧化的微管相關(guān)蛋白tau聚集于神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)形成的不溶性扭曲纖維[6]。這些神經(jīng)毒性物質(zhì)的積累比臨床癥狀出現(xiàn)要早幾年至數(shù)十年不等,當(dāng)時并不能明確診斷。AD連續(xù)譜的病因尚不清楚,公認(rèn)的最危險因素有機體衰老[7]、解剖學(xué)通路退化[8]、線粒體功能障礙[9]、免疫系統(tǒng)功能障礙[10]、以及淀粉樣前體蛋白突變在內(nèi)的遺傳因素[11,12]等,其他的諸如飲食習(xí)慣、生活環(huán)境、教育程度等也可成為潛在性誘發(fā)因素。AD連續(xù)譜演進(jìn)過程中,發(fā)病機制復(fù)雜,有淀粉樣蛋白假說和tau蛋白假說，顆粒空泡變性和神經(jīng)纖維網(wǎng)病變、膽堿能神經(jīng)傳遞障礙、氧化應(yīng)激和損傷、炎癥反應(yīng)、離子紊亂等諸多假說。但基于這些假說的藥物研發(fā),多數(shù)是單一靶點,單一環(huán)節(jié),僅能在一定程度上改善患者的記憶能力,尚不能延緩或逆轉(zhuǎn)AD連續(xù)譜的演進(jìn)過程,不能產(chǎn)生預(yù)期的療效,因此有必要對這些假說之外的更多靶點進(jìn)行探索。微生物-腸道-腦軸(microbes-intestinal-brain axis,MGB軸)作為近年來新興研究領(lǐng)域,在抑郁癥、帕金森病等各類神經(jīng)系統(tǒng)疾病中應(yīng)用廣泛,科學(xué)家也開始將MGB軸應(yīng)用于AD連續(xù)譜的研究,以從中找到治療靶點,積極研發(fā)預(yù)防或治療AD新藥物[13]。

2 腸道微生物群與MGB軸

數(shù)萬億種微生物寄居于人體,遍布于皮膚表面、呼吸道、泌尿生殖器官等,但最重要的場所是腸道,約95%的微生物可在其中被發(fā)現(xiàn),因此也形成了一個特殊的“器官”——腸道微生物群[14]。腸道微生物群在人體中發(fā)揮多種作用,如產(chǎn)生短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)、合成維生素K和葉酸、參與藥物代謝、防止病原體定植、發(fā)揮免疫作用等[15]。腸道微生物群與宿主共同進(jìn)化,通過各種共生相互作用維持宿主的健康狀態(tài)[16]。腸道微生物與腸腦軸構(gòu)成了MGB軸,MGB軸反映的是胃腸道(gastro intestinal tract,GIT)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central neural system,CNS)之間的雙向通信網(wǎng)絡(luò),是腸腦互通的特有渠道,可通過神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、微生物代謝和神經(jīng)分子調(diào)節(jié)等多種途徑相互作用[17,18]。腸道微生物生態(tài)失調(diào)對腸道健康產(chǎn)生不利影響,導(dǎo)致不合理的MGB軸信號傳導(dǎo),對CNS功能造成不良影響。同時,CNS功能的應(yīng)激也會影響腸道功能,導(dǎo)致微生物群的失調(diào)[19]。腸道微生物群的生態(tài)平衡在維持腸腦關(guān)系中起著重要的作用[17]?；诖?我們是否可以這樣設(shè)想,健康的腸道微生物群可經(jīng)由MGB軸與大腦進(jìn)行有益地溝通,相反,失衡的腸道微生物群則會進(jìn)行有害地溝通,當(dāng)然這一設(shè)想還需要大量的研究來證實。

3 腸道微生物群與AD連續(xù)譜

越來越多的證據(jù)表明,腸道微生物群多樣性、組成和功能的改變(腸道菌群失調(diào))與多種神經(jīng)疾病有關(guān),例如腦卒中[20]、自閉癥[21]、抑郁癥[22,23]、帕金森病[24]和AD[25,26]等,在這些疾病中腸道微生物群均表現(xiàn)出非健康狀態(tài),因此,維持一個“健康的微生物群”是個體健康的基礎(chǔ)[18]。腸道微生物群與AD的發(fā)病機制有密切的關(guān)系,腸道菌群失調(diào)可觸發(fā)多種大腦病理改變,如炎癥、血管退行性變、Aβ聚集和tau病理等[27]。在AD連續(xù)譜晚期階段,AD模型小鼠和AD患者均表現(xiàn)出腸道菌群失調(diào),其特征是促炎類微生物群密度增加,抗炎類微生物群密度降低[28]。假如要想了解腸道微生物群在AD連續(xù)譜中是如何演變的,有效的方法就是評估在生命早期干預(yù)腸道微生物群的結(jié)果,這是腸道微生物群作用于宿主功能的重要時期。最近的一項研究報告,MCI患者與健康受試者相比,厚壁菌門的數(shù)量減少[29]。在先前的研究報告中,具有AD臨床癥狀的患者中厚壁菌門的數(shù)量也表現(xiàn)減少[30]。相關(guān)研究也證實,相比對照組和MCI組,AD患者相關(guān)微生物群多樣性和豐度減少[31,32]。基于AD的主要風(fēng)險是年齡,研究與年齡相關(guān)的微生物群的變化更有助于解讀腸道微生物群對于AD連續(xù)譜演進(jìn)過程中的作用。一項對意大利年輕人、老年人和百歲老人之間腸道菌群進(jìn)行的研究顯示,年齡最大的老年人比年輕人表現(xiàn)出更多的促炎癥微生物群[33]。另一項研究報告稱,愛爾蘭老年人的腸道菌群與年輕人大不相同,多樣性喪失,并向促炎癥表型轉(zhuǎn)變[34]。此外,一項基于AD小鼠模型APP/PS1的縱向研究,3個月大(癥狀前階段)的APP/PS1小鼠無腸道菌群失調(diào)；而6個月大(發(fā)病階段)的APP/PS1小鼠表現(xiàn)出菌群失調(diào),與對照組相比,小鼠體內(nèi)的促炎菌門增加,盡管擬桿菌屬保持穩(wěn)定[35]。綜上，可以發(fā)現(xiàn)在AD連續(xù)譜的演進(jìn)過程中，腸道微生物群組成和功能有所改變。然而，這一改變是因是果，目前的研究尚未明確解釋。未來的研究需要弄清楚腸道微生物群的改變是AD進(jìn)展的原因還是結(jié)果，因為這兩種情況都有可能促進(jìn)AD發(fā)病機制惡性循環(huán)。此外，由于疾病的原因，AD患者的飲食結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，必然導(dǎo)致腸道微生物群的變化。這種變化是狀態(tài)還是特質(zhì)，仍需要大量研究證實。

4 AD連續(xù)譜演進(jìn)過程中MGB軸通信機制

MGB軸通過神經(jīng)、免疫、內(nèi)分泌、代謝等途徑連接腸腦,這些途徑對維持大腦穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。在AD連續(xù)譜演進(jìn)過程中腸道微生物經(jīng)由MGB軸與大腦交互溝通,闡明其溝通機制,可望為AD未來的預(yù)防和治療提供科學(xué)依據(jù)。

4.1 激活迷走神經(jīng),影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能 迷走神經(jīng)(vagus nerve,VN)是連接胃腸道肌層、粘膜層與腦干的一個成熟的信號通路,是MGB軸的重要組成部分,通過自主神經(jīng)系統(tǒng),微生物可以通過迷走神經(jīng)的直接神經(jīng)連接使腸-腦進(jìn)行雙向通信[36,37]。研究表明,腸道微生物及其代謝物不僅通過體循環(huán),還通過VN傳入纖維影響CNS[27,38]。在潛在的機制中,迷走神經(jīng)可由神經(jīng)活性微生物群衍生的分子(例如多巴胺、血清素、去甲腎上腺素和γ-氨基丁酸)直接調(diào)節(jié)輸出[39]。此外,腸道微生物群可誘導(dǎo)迷走神經(jīng)末梢附近的免疫細(xì)胞因子的產(chǎn)生，在激活迷走神經(jīng)輸出中發(fā)揮作用。Zanos等人的研究證明了腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor-α,TNF-α)和白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)以細(xì)胞因子特異性和劑量依賴性的方式通過VN觸發(fā)神經(jīng)元活動的能力[40]。研究發(fā)現(xiàn)[41],在小鼠模型中接種空腸彎曲菌可引起迷走神經(jīng)感覺激活,導(dǎo)致神經(jīng)元激活標(biāo)記物c-fos的表達(dá)增加,這說明了腸道微生物可以通過迷走神經(jīng)的直接作用調(diào)節(jié)大腦免疫反應(yīng)。此外,在一項基于AD患者的隊列研究中,迷走神經(jīng)刺激干預(yù)6～12個月后,產(chǎn)生了明顯的認(rèn)知增強[42]。由此可見,VN有可能是MGB軸中一個特有的信號機制。未來的研究仍需要破譯其潛在的機制,尤其是腸道微生物的變化在其中可能發(fā)揮的作用。

4.2 激活膠質(zhì)細(xì)胞,誘發(fā)神經(jīng)免疫炎癥 神經(jīng)免疫炎癥在AD連續(xù)譜發(fā)病機制中至關(guān)重要,一系列級聯(lián)的分子事件都涉及到CNS免疫細(xì)胞的激活,大腦中關(guān)鍵的免疫細(xì)胞——小膠質(zhì)細(xì)胞的激活則是目前公認(rèn)的關(guān)鍵誘發(fā)因素[43]。在AD類慢性神經(jīng)退行性疾病的病理過程中,小膠質(zhì)細(xì)胞被長時程激活,持續(xù)釋放一系列炎癥介質(zhì),導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng),對神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生滅活作用。因此,通常認(rèn)為小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的慢性炎癥反應(yīng)對機體是有害的,可造成神經(jīng)組織損傷。相關(guān)研究報道,腸道菌群失調(diào)可激活小膠質(zhì)細(xì)胞,活化的小膠質(zhì)細(xì)胞對Aβ作出反應(yīng),導(dǎo)致Aβ斑塊遷移和吞噬,Aβ又與TLRs結(jié)合,啟動小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng),加劇促炎因子細(xì)胞(iNOS、TNF-α、IL-1和IL-6)的激活和釋放[43,44]。Minterd等人在對AD模型小鼠(APP/PS1[45]和APPPS1[46])使用廣譜抗生素混合物后,發(fā)現(xiàn)微生物群產(chǎn)生了變化,特別是毛螺菌科和S24-7屬[46],此外,腦淀粉樣變癥狀明顯改善且β淀粉樣斑塊周圍小膠質(zhì)細(xì)胞聚集減少。Dodiya等人在對APPPS1-21小鼠的研究中[47],發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞在驅(qū)動腸道微生物群組介導(dǎo)的大腦Aβ沉積改變中起著關(guān)鍵作用,也就是說小膠質(zhì)細(xì)胞是腸道微生物群組和Aβ沉積之間聯(lián)系的關(guān)鍵介質(zhì),這意味著腸道菌群失調(diào)會誘發(fā)小膠質(zhì)細(xì)胞對大腦的危害。此外，微生物群對外周炎癥的影響可在小膠質(zhì)細(xì)胞的作用下轉(zhuǎn)化為中樞神經(jīng)炎癥，但這在某些情況下可能對AD有益。例如,缺乏微生物群的無菌APP轉(zhuǎn)基因(GF-APPPS1)小鼠被證明小膠質(zhì)細(xì)胞增生和促炎細(xì)胞因子的皮質(zhì)生成均下降,這可以延緩疾病進(jìn)展[48]。但值得注意的是,當(dāng)GF-APPPS1小鼠被來自任一常規(guī)飼養(yǎng)的APPPS1的微生物群定植時,其Aβ病理學(xué)惡化且小膠質(zhì)細(xì)胞表型發(fā)生相應(yīng)改變[48]。從以上這些研究中,我們可以發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞在腸道菌群失調(diào)與AD連續(xù)譜神經(jīng)炎癥的密切聯(lián)系種發(fā)揮重要作用。

4.3 通過血腦屏障,發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng) 血腦屏障(blood-brain barrier,BBB)是一種動態(tài)結(jié)構(gòu),由CNS內(nèi)皮細(xì)胞與神經(jīng)血管中的神經(jīng)元、周細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的相互作用來組織,限制有害物質(zhì)進(jìn)入大腦[49]。腸道微生物及其代謝物可以調(diào)節(jié)BBB通透性,是其完整性和腦健康的調(diào)節(jié)劑[50]。腸道微生物群的失調(diào)會影響腸道屏障(intestinal barrier,IB)的通透性,引起B(yǎng)BB的泄漏,加重AD病理和神經(jīng)炎癥[51]。由于IB通透性的改變,與AD相關(guān)的腸道菌群代謝物β-甲氨基-L-丙氨酸(β-methylamino-L-alanine,BMAA)、脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)和微生物淀粉樣蛋白等,可能會經(jīng)由循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入CNS,加之BBB通透性增加的情況下,則會促進(jìn)神經(jīng)退行性變和腦淀粉樣變性[52]。尤其是微生物淀粉樣蛋白,會以類似朊病毒的方式交叉播種，使腦Aβ聚集,引發(fā)大腦和外周的炎癥反應(yīng)[53]。此外,腸道功能障礙會促使促炎癥微生物衍生的內(nèi)毒素和代謝物移位到血液中,這有助于BBB通透性的改變,進(jìn)而促進(jìn)神經(jīng)炎癥和神經(jīng)退行性變[54,55]。例如微生物衍生的三甲胺N-氧化物(trimethylamine N-oxide,TMAO)和膽汁酸則會通過此通道深入大腦,影響神經(jīng)變性和AD病理改變[55]。此外,相關(guān)研究也證實了BBB的作用。Figueira等人[56]的研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物代謝物來多酚類小分子可穿過BBB,到達(dá)腦細(xì)胞,調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞中可靠的激活標(biāo)記物TNF-α的釋放來介導(dǎo)信息以發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用,具有緩解神經(jīng)退行性疾病的潛力。Lukiw等人[57]的研究證實微生物衍生物脆弱擬桿菌脂多糖(BF-LPS)通過BBB暴露于大腦,促使促炎轉(zhuǎn)錄因子NF-κB(p50/p65)復(fù)合物產(chǎn)生,誘發(fā)AD患者大腦神經(jīng)炎性病變。由此可發(fā)現(xiàn),腸道微生物群的變化可經(jīng)由BBB作用AD連續(xù)譜。

4.4 產(chǎn)生代謝物,主導(dǎo)或參與AD連續(xù)譜演進(jìn) 腸道微生物群對進(jìn)食的碳水化合物進(jìn)行糖發(fā)酵,產(chǎn)生SCFAs和色氨酸等代謝物。越來越多的證據(jù)表明,SCFAs與腸-腦通路相互作用直接或間接的影響腸-腦溝通或腦功能,并且有可能參與AD的關(guān)鍵神經(jīng)病理過程[58,59]。在APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠研究中,隨著SCFAs水平的增加,環(huán)氧化酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)和分化分子簇11b(CD11b)炎癥標(biāo)志物的水平降低[60],這一變化說明了SCFAs有可能通過降低炎癥標(biāo)志物進(jìn)而改善AD神經(jīng)炎癥。另一種色氨酸代謝物可通過激活芳基烴受體(arylhydrocarbon receptor,AHR),調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的激活,繼而減少腸道炎癥,降低腸道和血腦屏障的通透性,觸發(fā)腸道和大腦穩(wěn)態(tài)[27],這對于延緩AD是有益的。此外,腸道微生物群參與合成γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)、去甲腎上腺素和多巴胺,調(diào)節(jié)神經(jīng)免疫細(xì)胞,促使神經(jīng)生長因子(nerve growth factor,NGF)、膠質(zhì)性神經(jīng)營養(yǎng)因子(glial cell line-derived neurotrophic factor,GDNF)和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)的分泌,進(jìn)而影響AD等神經(jīng)退行性疾病,特別是BNDF的分泌對神經(jīng)元存活和正常功能的發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用[61,62]。腸道微生物群還產(chǎn)生促炎神經(jīng)毒素,可穿過血腦屏障,對中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元的功能產(chǎn)生致病性[63]。腸道微生物合成復(fù)雜的免疫原性因子,如脂多糖(LPS),它可以通過腸粘膜屏障泄露,在大腦水平積累,長此以往,異常的分子水平可以促進(jìn)促炎細(xì)胞因子和活性氧(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生和釋放,這兩種物質(zhì)可以導(dǎo)致AD神經(jīng)炎癥[64]。

5 總結(jié)與展望

綜上,在AD連續(xù)譜演進(jìn)過程中,腸道微生物群作為“潛在貢獻(xiàn)者”總是被發(fā)現(xiàn),它通過MGB軸調(diào)節(jié)大腦功能。作為MGB軸通信機制的一端,腸道微生物對于大腦的作用機制主要體現(xiàn)在激活迷走神經(jīng),影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能；激活膠質(zhì)細(xì)胞,誘發(fā)神經(jīng)免疫炎癥；通過血腦屏障,發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)；產(chǎn)生代謝物,主導(dǎo)或參與AD連續(xù)譜演進(jìn)。AD連續(xù)譜演進(jìn)過程中,起病隱匿、進(jìn)展緩慢、時間持久、表型不著,這也決定了其發(fā)病機制的復(fù)雜多樣性。本文所述的腸道微生物在AD連續(xù)譜中的作用存在局限性,還有未知的機制需要我們?nèi)グl(fā)現(xiàn),以期為AD的治療提供更多依據(jù)。今后的研究中可以從以下幾方面去完善：(1)臨床或基礎(chǔ)研究以縱向研究為主,明確腸道微生物變化與AD連續(xù)譜的因果關(guān)系；(2)由于物種特異性,動物源與人源的腸道微生物群在自然狀態(tài)下存在差異,應(yīng)多構(gòu)建人源腸道菌群的動物模型以探討分子機制；(3)多病種聯(lián)合研究腸道微生物群的作用,用差異性優(yōu)化研究成果。

截至目前為止,對于AD的治療多數(shù)是對癥治療,而且益處有限。因此,有必要開發(fā)創(chuàng)新的、早期適用的治療方法?；谀c道微生物群改變對大腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)的調(diào)控作用,調(diào)節(jié)腸道菌群已成為治療AD有潛力的方法。最新的研究成果表明,微生物群的改變在AD動物模型的癥狀前階段被發(fā)現(xiàn)[65～67],這給了我們設(shè)想,在AD連續(xù)譜早期,腸道微生物群的改變或許是有益的。基于此種想法,在潛在的癥狀前階段對微生物群進(jìn)行早期干預(yù)可能是一種有前途的治療AD的方法。此外,鑒于腸道微生物群在MGB軸中的作用,靶向微生物群間接實現(xiàn)免疫調(diào)節(jié),而不是直接調(diào)節(jié)免疫,似乎是一種更有吸引力的方案。因為微生物群位于外周炎癥/神經(jīng)炎癥的上游，在不抑制上游促炎性失調(diào)的情況下直接免疫調(diào)節(jié)可能確實不如靶向微生物群對抗其促炎性成分有效。然而，這不應(yīng)排除可同時針對微生物群和免疫系統(tǒng)的組合免疫調(diào)節(jié)方法，這可能比單一靶向方法更有效。