腸道菌群與阿爾茨海默病的研究進展

馬光宇，宋崇東，韓語純，張榮福，張 哲，程 爽，蘇亞楠

(1.佳木斯大學醫(yī)學部臨床醫(yī)學院，黑龍江 佳木斯 154002；2.佳木斯大學醫(yī)學部康復醫(yī)學院，黑龍江 佳木斯 154002；3.佳木斯大學醫(yī)學部護理學院，黑龍江 佳木斯 154002；4.佳木斯大學附屬第一醫(yī)院 醫(yī)學教科部，黑龍江 佳木斯 154002)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是在記憶、認知等方面存在嚴重缺陷的常見神經(jīng)退行性疾病。AD發(fā)病機制包括β-樣淀粉蛋白(amyloid β-protein, Aβ)過度聚集、tau蛋白過度磷酸化導致神經(jīng)原纖維纏結(neurofib rillarytangles，NFTs)、神經(jīng)炎癥、糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation end products, AGEs)與其受體晚期糖基化終產(chǎn)物(receptor of advanced glycation endproducts, RAGE)相互作用導致的腦細胞損傷等，但AD發(fā)病機制至今還尚未完全研究清楚[1]。隨著研究深入，越來越多的研究證實腸道菌群失調(diào)與AD有關[2]。本文就腸道菌群目前在AD發(fā)病相關機制及治療進展闡述，以期為微生物-腸-腦軸與AD相關的研究提供理論參考。

1 腸道菌群失調(diào)與AD

對AD與非AD患者糞便菌群與血液炎性因子比較，AD患者糞便菌群組成中具有抗炎作用的直腸真桿菌豐度減少，而促炎作用的志賀菌豐度增加，且與炎性因子水平和AD嚴重程度呈正相關[3]，菌群多樣性改變可能觸發(fā)神經(jīng)炎癥、Aβ聚集和tau蛋白病變。在人類衰老過程中，也發(fā)現(xiàn)了似AD菌群樣改變，腸道益生菌減少，促炎菌增加[4]。AD患者腸道菌群組成與人類腸道菌群生理演替基本相符，或許可以證明為什么AD是年齡相關疾病，老人易高發(fā)。

2 腸道菌群代謝產(chǎn)物與AD

2.1短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA) 研究發(fā)現(xiàn)，AD患者腸道SCFA顯著減少[4]。SCFA是結腸微生物降解膳食纖維的產(chǎn)物，有利于調(diào)節(jié)糖脂代謝、腸道菌群平衡、免疫力和促進神經(jīng)遞質(zhì)釋放，抗衰老等[5]。SCFA可經(jīng)腸道進入血液循環(huán)，并依賴單羧酸轉(zhuǎn)運體通過血腦屏障(blood-brain barrier，BBB)，影響大腦功能[6]。AD廣泛存在組蛋白去乙酰化，乙?；ㄟ^組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶添加到組蛋白高度保守的N端L-賴氨酸殘基，并通過組蛋白脫乙酰基酶(histone deacetylase, HDAC)除去，HDAC抑制劑可改善記憶力、衰老、腦損傷、p25介導的神經(jīng)元丟失和Aβ沉積，SCFA中丁酸鈉是HDAC抑制劑，可參與學習的基因的表達，恢復海馬組蛋白乙?；?，改善晚期AD記憶功能[7-8]。

SCFA有助于調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細胞的活化，在調(diào)節(jié)神經(jīng)免疫過程中存在潛在益處，對AD起重要作用，缺乏SCFA受體FFAR2的無菌小鼠，小膠質(zhì)細胞活化相關基因Mapk8、Fcgr2β、白細胞介素(interleukin, IL)-1α)、CD86等表達下調(diào)，小膠質(zhì)細胞功能缺陷，喂養(yǎng)SCFA后，小鼠大腦皮質(zhì)正常小膠質(zhì)細胞密度恢復，SCFA缺乏或腸道菌群紊亂可能引起神經(jīng)免疫障礙[9]。并且，小膠質(zhì)細胞對于清除Aβ沉積物是至關重要的，SCFA缺乏可能導致Aβ清除障礙，引起AD的發(fā)生[10]，小膠質(zhì)細胞活化異?；蛟S可以通過腸道菌群或SCFA得到一定程度的糾正，緩解AD。

2.2脂多糖(lipopolysaccharides, LPS) 為胃腸道革蘭陰性菌細胞壁的結構成分，可經(jīng)受損腸黏膜屏障進入血液循環(huán)，并可通過BBB，對神經(jīng)元具有促炎作用物質(zhì)。Zhao等[11]首次報道了AD海馬和上顳葉新皮層中LPS的存在，與年齡匹配的對照組相比，LPS水平從新皮層的兩倍增加到海馬區(qū)的3倍，晚期AD海馬病例樣本中的LPS可超過年齡匹配對照組的26倍，可見AD與LPS的過度分泌存在較為密切的關聯(lián)。LPS可激活氧化應激，產(chǎn)生活性氧，破壞BBB，引起細胞氧化、萎縮、突觸相關蛋白破壞和喪失，促進神經(jīng)元變性[12]。

LPS也可觸發(fā)神經(jīng)炎癥反應，激活Toll樣受體4(Toll-like receptor4，TLR4)導致小膠質(zhì)細胞過度活化，產(chǎn)生過多IL、腫瘤壞死因子-α、NO，增強N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體介導的細胞毒性作用，導致不可逆性AD病理性改變和認知記憶功能障礙[13]。而血清中IL-1、IL-6、轉(zhuǎn)移生長因子等促炎因子的升高，可加速tau蛋白磷酸化，降低突觸可塑性，導致認知度障礙[14]。并且，脆弱擬桿菌(Bacteroidesfragilis, BF)的LPS可通過BBB進入神經(jīng)細胞質(zhì)，活化促炎性轉(zhuǎn)錄因子核蛋白(NF-κB)，激活microRNA-146a和microRNA-155的多個NF-κB結合位點，使miRNA-146a和miRNA-155顯著上調(diào)，隨后下調(diào)miRNA-146a-miRNA-155調(diào)節(jié)的補體因子H mRNA靶點，下調(diào)的SCFH可激活補體系統(tǒng)，導致神經(jīng)炎癥[15]。LPS過度釋放導致的小膠質(zhì)細胞和補體系統(tǒng)激活，可能是介導神經(jīng)炎癥作用的重要因素之一，并且LPS已經(jīng)應用于AD造模，進一步為LPS導致AD的炎癥學說提供了證據(jù)。

2.3Aβ 根據(jù)“Aβ假說”，Aβ肽在中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元中的積累是驅(qū)動AD的主要因素。腸道內(nèi)鼠傷寒沙門菌、金黃色葡萄球菌等細菌可產(chǎn)生Aβ[16]，AD胃腸道黏膜和BBB都具有高通透性[17]，腸道承受不住Aβ壓力，進入血液并在腦內(nèi)積累，造成神經(jīng)損傷，促AD病發(fā)。并且，細菌Aβ通過TLR2介導小膠質(zhì)細胞活化，引起IL-17A和IL-22水平升高，活化TLR2觸發(fā)NF-κB信號轉(zhuǎn)導和環(huán)氧酶2(COX2)活化，誘導炎癥反應，細胞吞噬作用，加重腦損傷[18]。有趣的是，AD模型中過量的Aβ42肽也可激活小膠質(zhì)細胞TLR2介導炎癥反應[19]，細菌Aβ與人Aβ有相同的免疫原性，共激活小膠質(zhì)細胞，因此細菌Aβ的過渡積累能夠加重AD的炎癥反應，兩者起到協(xié)同作用。已有證據(jù)表明，LPS糖脂對神經(jīng)元核膜具有異常高的親和力，而且Aβ42會促進LPS進入腦神經(jīng)元細胞核，進入核后下調(diào)神經(jīng)元特異性成分神經(jīng)絲蛋白L和突觸蛋白1，導致神經(jīng)功能缺陷，誘發(fā)AD[20]。

2.4神經(jīng)遞質(zhì) 研究發(fā)現(xiàn)，腸道內(nèi)雙歧桿菌、乳酸桿菌等有益菌具有將谷氨酸轉(zhuǎn)化為γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)的能力，腸道的有益菌減少，會減少內(nèi)源性GABA的產(chǎn)生，而大腦中GABA信號的異常與認知障礙、AD、焦慮和抑郁有關[21]。此外，有研究表明，腸道菌群還可以改變與突觸可塑性的蛋白質(zhì)和受體[22]，腸道菌群可以通過影響鳥尿氨酸途徑等調(diào)節(jié)機制的神經(jīng)遞質(zhì)功能變化，或通過改變大腦中SCFA的含量來調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子功能。但是，細菌性神經(jīng)遞質(zhì)如何調(diào)節(jié)大腦功能的研究仍處于起步階段，具體機制還尚未明確。

3 腸道微生態(tài)調(diào)節(jié)在AD的應用

3.1益生元、益生菌 研究表明大量攝入益生菌和益生元，能提高神經(jīng)認知能力并降低AD病發(fā)風險。Pistollato等[23]給AD動物喂養(yǎng)低聚果糖后，發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)神經(jīng)元凋亡數(shù)目減少，tau蛋白磷酸化減少和Aβ42表達下調(diào)。臨床盲選AD患者60例，隨機將患者分為兩組，分別給予12周的牛奶(對照組)和益生菌(治療組)治療，兩組分別智力狀態(tài)檢查量表(MMSE)評分，以評估益生菌對AD患者認知功能的影響，經(jīng)過治療后，治療組MMSE評分有所改善[24]。并且，用乳酸桿菌和雙歧桿菌可減少海馬區(qū)注射Aβ42大鼠的腦內(nèi)Aβ沉積，促進超氧化物歧化酶(SOD)生成，降低血清丙二醛(MAD)水平，因此乳酸桿菌和雙歧桿菌可改善AD記憶、學習缺陷和氧化應激[25]。益生元與益生菌在一定程度上可以延緩AD的進展，顯示出了其可能治療AD潛力，這種治療的成本可能相對便宜且無不良反應，或許可以與臨床治療AD藥物合用，以起到協(xié)同治療作用。

3.2中醫(yī)藥 其調(diào)節(jié)腸道菌群優(yōu)勢逐漸被發(fā)現(xiàn)，巴戟天低聚果糖對AD產(chǎn)生有益作用，可增加SOD，過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)活性改善氧化應激，提高乙酰膽堿調(diào)節(jié)膽堿能系統(tǒng)，改善鈉鉀三磷酸腺苷酶(Na+/K+-ATPase)活性增加腦能量代謝，降低腦組織腫脹、神經(jīng)元凋亡、下調(diào)Aβ1-42表達，以改善AD癥狀[26]。同時，影響腸道形態(tài)、黏蛋白和腸道通透性，降低厚壁菌門，增加嗜黏蛋白阿克曼菌、BF，羅斯菌，雙歧桿菌屬等有益菌豐度，維持菌群多樣性與穩(wěn)定性[27]。另外，芍藥當歸散可增加APP/PSN轉(zhuǎn)基因AD小鼠腸道菌群中的乳酸桿菌科的豐度，降低幽門螺桿菌(Helicobacterpylori, Hp)屬、黏液性細菌相對豐度，升高5-羥色胺(5-hydroxytryptamine, 5-HT)與GABA水平[28]。中醫(yī)藥的雙重機制對于AD的治療可起到協(xié)同作用，可以說是潛在的微生態(tài)調(diào)節(jié)劑和治療藥物，也可能成為AD治療的新靶點。

3.3糞菌移植(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT) 近年來，F(xiàn)MT確實給菌群失調(diào)類疾病的治療帶來了新的方向，將正常菌群移植到菌群失調(diào)個體腸道中以達到平衡菌群的目的。楊璐等[29]將APP+轉(zhuǎn)基因小鼠施行FMT，F(xiàn)MT可下調(diào)腦內(nèi)P21、P53、Sirt1等衰老相關蛋白的表達，并減少腦內(nèi)Aβ沉積，可見FMT能延緩AD的衰老過程，改善認知。國外一項類似研究顯示，ADLPAPT轉(zhuǎn)基因小鼠腸道菌群失調(diào)，腸黏膜受損，并患有慢性腸道和全身炎癥，將正常小鼠糞便移植到ADLPAPT小鼠，改善了Aβ沉積，NFTs，記憶缺陷和神經(jīng)、腸道炎癥[30]。FMT的治療手段在實驗動物身上取得了很好療效，是很有前景的治療方法，但由于證據(jù)有限，并未找到臨床相關研究，仍需要驗證。

4 飲食條件與AD

4.1膳食纖維 膳食纖維來源的SCFA可干擾Aβ1-40和Aβ1-42肽組裝成神經(jīng)毒性Aβ聚集體，抗Aβ聚集效力依次為：戊酸>丁酸>丙酸，并且一定程度上也干擾α-突觸核蛋白和tau蛋白的組裝，對AD起保護作用[31]。老年人咀嚼能力下降，膳食纖維吸收少，細菌結腸發(fā)酵能力下降，導致SCFA吸收少，可能加重AD。膳食纖維飲食可助于預防或緩解對AD的抵抗力，SCFA改善AD的其他機制仍需要探索，膳食纖維治療AD是可行性的，并且開發(fā)支持戊酸生成的膳食纖維制劑是有必要的。

4.2改良的地中海生酮飲食(MMKD) 飲食結構可能在AD的進程中起重要作用，含有高飽和脂肪和簡單碳水化合物的飲食模式可增加罹患AD風險，而多不飽和脂肪酸、蔬菜、水果和蛋白質(zhì)含量高瘦肉飲食則降低了風險[32]。MMKD是在生酮飲食基礎上增加蔬菜和水果的攝入量和源自健康來源(如橄欖油和魚)的脂肪和蛋白質(zhì)，MMKD可調(diào)節(jié)輕度認知障礙受試者的腸道微生物組和SCFA，有助于維持和恢復腸道微生物的穩(wěn)態(tài)[33]?？梢?，特定飲食條件腸道微生物組的主要調(diào)節(jié)劑之一，MMKD有助于降低AD風險。

5 抗生素與AD

抗生素可以減少因腸道菌群失調(diào)而引起的神經(jīng)炎癥，對AD產(chǎn)生有益效果，包括神經(jīng)保護作用、抗炎、抗tau蛋白磷酸化、抗Aβ和抗膽堿能作用。在AD動物模型中給予利福平，可降低腦Aβ和炎性細胞因子的表達水平[34]。Budni等[35]發(fā)現(xiàn)米諾環(huán)素也有類似作用。此外，雷帕霉素除了可以減少Aβ聚集、小膠質(zhì)細胞的活化、tau蛋白磷酸化外，可作為哺乳動物雷帕霉素靶蛋白抑制劑，改善AD認知缺陷[36]。由此推測抗生素治療AD是可行的，關鍵因素是鑒定與AD相關的腸道微生物群，研發(fā)具有選擇性的抗生素是極其重要的，目前，還沒有發(fā)現(xiàn)AD中哪些類型的腸道微生物發(fā)生改變的確切證據(jù)。盡管有這些發(fā)現(xiàn)，但抗生素耐藥性也存在著較大的風險。

值得注意的是，有證據(jù)表明抗生素可致AD，施用抗生素混合物的年輕小鼠，其腸道菌群組成改變和促炎因子增加, 并永久性改變其記憶與認知功能[37]。

6 Hp與AD

Hp屬于變形菌門，是腸道常見的致病菌。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，AD患者存在Hp感染，Hp感染的AD患者MMSE評分較低，與較嚴重的精神認知障礙相對應，并且腦脊液和血清中Hp特異性IgG抗體效價與AD的嚴重程度呈正相關[38]。Hp可釋放促炎性分子和誘導活性氧導致BBB破壞和神經(jīng)細胞凋亡[39]。Hp濾液還可激活神經(jīng)母細胞瘤細胞糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)，導致tau蛋白過度磷酸化[40]。這表明根除Hp可能預防和緩解AD的進展，因此其根除可能提高學習記憶，改善AD的認知障礙。

7 環(huán)境危害因素與AD

7.1慢性噪聲 慢性噪聲會導致持續(xù)神經(jīng)炎癥、Aβ沉積、tau蛋白磷酸化和AD樣認知功能障礙[41]，持續(xù)性環(huán)境慢性噪聲暴露可能會增加罹患AD的風險。并且，慢性噪聲暴露也可導致腸和腦內(nèi)皮屏障功能障礙，腸道菌群失調(diào)，血液GABA和5-HT降低，增加炎性介質(zhì)水平，施行FMT后癥狀得到緩解[42]。這為慢性噪聲暴露與微生物-腸-腦軸之間存在密切聯(lián)系提供了證據(jù)：腸道菌群可能是慢性噪聲作用靶點，引起腸道菌群改變，導致AD相關的神經(jīng)遞質(zhì)和炎癥異常，促進AD樣變化；腸道菌群失調(diào)與慢性噪聲可能對AD傷害起協(xié)同作用；調(diào)節(jié)腸道菌群可能是防止或減緩慢性噪聲暴露導致AD的干預措施。

7.2鋁 人類可通過食物、食品添加劑、飲用水和鋁器具等接觸鋁。流行病學表明，鋁是AD發(fā)病機理中的環(huán)境因素之一，高濃度的鋁會增加Aβ聚集和沉積，激活NF-κB增加炎癥信號，也可引起氧化應激、細胞凋亡、基因表達缺陷等[43]。研究表明，鋁可誘導人胃腸道菌群BF的LPS的產(chǎn)生，可知鋁促炎特性不僅可以通過鋁本身介導，還可以通過刺激腸道菌群促進生成LPS來介導[44]。

腸道菌群與AD的發(fā)生存在著密切的聯(lián)系：(1)腸道細菌代謝產(chǎn)物SCFA，可改善學習與記憶功能，抗衰老，調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細胞活化，對神經(jīng)起保護功能，缺乏可加重AD。(2)腸道菌群促炎產(chǎn)物LPS、Aβ可能是AD腦內(nèi)炎癥的誘發(fā)因素，都是RAGE和TLR受體的強激活劑，受體共激活會放大炎癥信號，導致AD持續(xù)慢性炎癥。(3)有益細菌產(chǎn)生的細菌源性神經(jīng)遞質(zhì)，可影響大腦活動水平，其減少可增加患AD風險。(4)以減少腸道菌群失調(diào)介導的神經(jīng)炎癥為出發(fā)點，利用微生態(tài)調(diào)節(jié)劑(益生元、益生菌、中醫(yī)藥、FMT)調(diào)整AD患者腸道菌群紊亂或使用抗生素和特點飲食進行預防性和治療性干預，可能緩解AD腦內(nèi)炎癥。(5)要注意Hp，慢性噪聲因素對AD直接或間接影響。