腸道菌群對(duì)輕度認(rèn)知障礙的影響及作用機(jī)制研究進(jìn)展▲

雷 超 劉志華

(南方醫(yī)科大學(xué)附屬東莞醫(yī)院、東莞市人民醫(yī)院肛腸科,廣東省東莞市 512300)

【提要】 腸道菌群的構(gòu)成與認(rèn)知障礙密切相關(guān),腸道菌群失調(diào)可能通過代謝通路及免疫通路影響患者的認(rèn)知功能,靶向調(diào)節(jié)腸道菌群如糞菌移植、補(bǔ)充益生菌/益生元有望成為治療輕度認(rèn)知障礙的重要手段。本文對(duì)腸道菌群失調(diào)對(duì)輕度認(rèn)知障礙的影響、可能作用機(jī)制及腸道菌群調(diào)節(jié)在輕度認(rèn)知障礙靶向治療中的應(yīng)用效果進(jìn)行綜述,以期為制訂新的輕度認(rèn)知障礙治療策略提供理論依據(jù)。

輕度認(rèn)知障礙(mild cognitive impairment, MCI)是指介于正常衰老和癡呆之間的、早期的認(rèn)知衰退階段,是癡呆的一個(gè)重要風(fēng)險(xiǎn)因素,通常被認(rèn)為是阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease, AD)的早期階段[1]。已有研究表明,有高達(dá)20%的老年人(年齡>65歲)患有MCI[2],并且每年有10%～15%的MCI患者發(fā)展為癡呆[3],MCI不僅影響老年患者的日常生活功能和生存質(zhì)量,還會(huì)給其家庭和社會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和影響。然而,目前尚未有特異性治療MCI的有效藥物,明確該病的發(fā)病機(jī)制有助于臨床治療[4]。研究表明,MCI發(fā)病的危險(xiǎn)因素包括遺傳因素、血管因素、生活習(xí)性等,而腸道菌群失調(diào)可能通過代謝通路及免疫通路影響患者的認(rèn)知功能[5]。通過補(bǔ)充益生菌/益生元、糞菌移植等方法靶向調(diào)節(jié)腸道菌群,已在多種神經(jīng)精神疾病的治療中顯現(xiàn)出一定的效果,為尋找MCI的靶向治療藥物提供了新的思路。本文就腸道菌群失調(diào)對(duì)MCI的影響及其可能的作用機(jī)制、MCI的靶向治療效果進(jìn)行綜述,以期為MCI治療策略的制訂提供參考。

1 腸道菌群失調(diào)對(duì)MCI的影響及其作用機(jī)制

1.1 腸道菌群失調(diào)對(duì)MCI的影響 人類體表和腸道表面被大量微生物覆蓋,其中寄居在腸道中的細(xì)菌群落豐度最高、功能最多。腸道內(nèi)的菌群數(shù)量是人類細(xì)胞總數(shù)和基因總數(shù)的10倍,并廣泛參與機(jī)體的能量吸收、生理代謝、免疫系統(tǒng)活性、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育等過程[6-7]。近年來,腸道菌群與神經(jīng)系統(tǒng)的相互作用成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。越來越多的研究表明,腸道菌群可能在記憶、學(xué)習(xí)、焦慮、壓力、神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮一定的作用[8-10]。然而,關(guān)于腸道菌群對(duì)認(rèn)知功能影響的觸發(fā)因素和機(jī)制目前仍未完全明確,多數(shù)證據(jù)來自動(dòng)物實(shí)驗(yàn),臨床試驗(yàn)或流行病學(xué)調(diào)查較少。Saji等[11]采用末端限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析技術(shù)評(píng)估61例MCI患者和20例健康志愿者的腸道菌群發(fā)現(xiàn),MCI患者腸道菌群中的擬桿菌屬相對(duì)豐度顯著升高,并且擬桿菌屬相對(duì)豐度與MCI患者的癥狀,以及腦皮質(zhì)和海馬體的萎縮程度均相關(guān)。Cattaneo等[12]發(fā)現(xiàn),MCI患者腸道菌群中的大腸桿菌屬/志賀菌屬比例顯著升高,血清促炎細(xì)胞因子如白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-6、C-X-C基序趨化因子配體2、NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3的水平隨之升高,抗炎細(xì)胞因子如IL-10的水平隨之下降。Liu等[13]發(fā)現(xiàn),相較于健康志愿者,MCI患者腸道菌群中的γ變形桿菌、腸桿菌、腸桿菌科相對(duì)豐度明顯增加,且這些共生菌與患者臨床癥狀的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。此外,一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示,通過抗生素處理或制作無菌小鼠模型可調(diào)節(jié)腸道菌群,進(jìn)而影響小鼠的認(rèn)知功能[14]。盡管已有不少研究表明MCI患者的腸道菌群構(gòu)成發(fā)生了顯著變化[11-13],但目前的研究多為橫向研究,尚需要對(duì)腸道菌群進(jìn)行縱向評(píng)估,以了解腸道菌群及其代謝物在MCI發(fā)生和發(fā)展中的潛在作用及機(jī)制。

1.2 腸道菌群失調(diào)對(duì)MCI的可能作用機(jī)制 腸道菌群在調(diào)節(jié)大腦認(rèn)知功能方面具有重要的作用,其通過菌群-腸-腦軸維持正常的大腦認(rèn)知功能。研究表明,腸道菌群失調(diào)主要通過代謝途徑和免疫途徑影響認(rèn)知功能[15]。

1.2.1 代謝途徑:腸道菌群在人體腸道內(nèi)進(jìn)行復(fù)雜且活躍的代謝活動(dòng),不僅為自身提供了生長(zhǎng)和繁殖所需的能量和營(yíng)養(yǎng),也產(chǎn)生了大量代謝產(chǎn)物進(jìn)入人體的循環(huán)系統(tǒng)。隨著代謝組學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用,腸道菌群代謝產(chǎn)物對(duì)認(rèn)知功能的影響逐漸被人們所發(fā)現(xiàn)。腸道菌群對(duì)認(rèn)知功能的影響可以通過代謝來源的神經(jīng)遞質(zhì)及神經(jīng)遞質(zhì)前體物質(zhì)如多種氨基酸、短鏈脂肪酸介導(dǎo),其中部分代謝物可以通過腸屏障進(jìn)入血液循環(huán),有的甚至可以通過血腦屏障[16]。多巴胺是獎(jiǎng)勵(lì)動(dòng)機(jī)行為的主要神經(jīng)遞質(zhì)之一,與記憶、學(xué)習(xí)和注意力等認(rèn)知功能相關(guān)[17]。既往研究表明,蠟樣芽孢桿菌、蕈狀芽孢桿菌可代謝產(chǎn)生多巴胺[18]。Diaz Heijtz等[19]發(fā)現(xiàn),無菌小鼠紋狀體二羥基苯乙酸/多巴胺的比例高于無特定病原體級(jí)小鼠,并且與無特定病原體級(jí)小鼠相比,無菌小鼠的運(yùn)動(dòng)增加,這種行為表型與運(yùn)動(dòng)控制和焦慮樣行為的大腦區(qū)域的突觸長(zhǎng)期增強(qiáng)有關(guān);腸道菌群的定植可能通過調(diào)節(jié)哺乳動(dòng)物體內(nèi)多巴胺水平從而影響其大腦發(fā)育和隨后的成年行為。除多巴胺外,5-羥色胺亦是影響認(rèn)知功能的重要神經(jīng)遞質(zhì),有研究結(jié)果顯示,無菌小鼠的海馬組織和血漿中的5-羥色胺水平均升高[20]。Hoban等[21]使用廣譜抗生素誘導(dǎo)小鼠腸道菌群失調(diào)后,小鼠的海馬區(qū)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的基因表達(dá)發(fā)生變化,腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子是可促進(jìn)神經(jīng)元生長(zhǎng)、發(fā)育和存活的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子,其可增加突觸可塑性以及促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生。上述動(dòng)物實(shí)驗(yàn)通過提供無菌環(huán)境或使用抗生素處理的方式,初步闡釋了腸道菌群失調(diào)通過代謝途徑影響認(rèn)知功能的機(jī)制。腸道菌群代謝組學(xué)與腸道菌群16S rDNA/RNA測(cè)序的關(guān)聯(lián)分析是解析腸道菌群與認(rèn)知功能關(guān)系的必要環(huán)節(jié),但目前有關(guān)腸道菌群16S rDNA/RNA測(cè)序與腸道菌群代謝組學(xué)聯(lián)合應(yīng)用的研究較少,且多處于理論分析的階段,尚缺乏對(duì)已發(fā)現(xiàn)的差異代謝產(chǎn)物來源的驗(yàn)證及解釋的相關(guān)研究,未來需要開展更多的聯(lián)合應(yīng)用研究以驗(yàn)證與認(rèn)知功能相關(guān)的菌群代謝標(biāo)志物。

1.2.2 免疫途徑:腸道菌群失調(diào)除了可直接導(dǎo)致神經(jīng)炎癥,還可以通過調(diào)節(jié)免疫功能影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的免疫穩(wěn)態(tài)[22]。研究表明,腸道菌群失調(diào)可增加腸道屏障和血腦屏障的通透性,兩者通透性的增加可促進(jìn)腸道菌群來源的內(nèi)毒素和代謝產(chǎn)物如短鏈脂肪酸在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的蓄積,進(jìn)而導(dǎo)致促炎微環(huán)境[23]。病原體相關(guān)分子模式/微生物相關(guān)分子模式通過宿主模式識(shí)別受體被免疫細(xì)胞如巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞識(shí)別,巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞誘導(dǎo)細(xì)胞因子和趨化因子的分泌,從而觸發(fā)機(jī)體免疫反應(yīng)[24]。革蘭氏陰性菌裂解產(chǎn)生的脂多糖與Toll樣受體4相互作用并激活模式識(shí)別受體,亦可觸發(fā)機(jī)體免疫反應(yīng)[25],故腸道菌群失調(diào)可誘導(dǎo)腸道免疫系統(tǒng)過度激活,進(jìn)而引起腸屏障通透性增加[26]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn),腸道菌群代謝產(chǎn)物可參與調(diào)節(jié)機(jī)體的免疫功能,梭狀芽孢桿菌發(fā)酵纖維產(chǎn)生丙酸,丙酸可與腸上皮淋巴結(jié)中的γδ T細(xì)胞亞群表面的短鏈脂肪酸受體結(jié)合,抑制IL-17的分泌[27]。腸道菌群可以進(jìn)行膽汁酸生物轉(zhuǎn)化反應(yīng),膽汁酸可激活在巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞和自然殺傷T淋巴細(xì)胞等免疫細(xì)胞表面高度表達(dá)的法尼醇X受體和G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1,并有助于維持免疫穩(wěn)態(tài)[28]。此外,由腸道菌群代謝生成的吲哚衍生物可調(diào)節(jié)CD4+T淋巴細(xì)胞向調(diào)節(jié)性T淋巴細(xì)胞和Th17的功能分化,而穩(wěn)定的調(diào)節(jié)性T淋巴細(xì)胞和Th17的比例對(duì)腦局部免疫穩(wěn)態(tài)的維持至關(guān)重要[29]。越來越多的研究進(jìn)一步驗(yàn)證了腸道菌群代謝產(chǎn)物對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)免疫功能的影響,例如Hoogland等[30]發(fā)現(xiàn)在小鼠尾靜脈注射脂多糖可促進(jìn)其腦部小膠質(zhì)細(xì)胞的激活并誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥; Erny等[31]的研究表明,無菌小鼠表現(xiàn)出腦部小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量減少、不同類型小膠質(zhì)細(xì)胞比例改變及表型不成熟,將正常環(huán)境飼養(yǎng)的小鼠的腸道菌群移植給無菌小鼠,一段時(shí)間后可觀察到無菌小鼠腦部小膠質(zhì)細(xì)胞的生理特征恢復(fù)正常,推測(cè)可能與腸道菌群的代謝產(chǎn)物丁酸有關(guān),而進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過灌胃補(bǔ)充丁酸可恢復(fù)無菌小鼠腦部小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài),逆轉(zhuǎn)無菌小鼠腦部小膠質(zhì)細(xì)胞表型的改變。

研究表明,免疫環(huán)境改變導(dǎo)致的神經(jīng)炎癥參與多種與認(rèn)知功能障礙相關(guān)的中樞系統(tǒng)疾病的發(fā)病過程,且神經(jīng)炎癥參與調(diào)節(jié)包括學(xué)習(xí)、記憶、情緒在內(nèi)的認(rèn)知功能[32]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn),MCI患者外周血炎性生物標(biāo)志物水平發(fā)生改變,提示免疫環(huán)境的改變可能為MCI的發(fā)病機(jī)制之一[33]。總之,腸道菌群失調(diào)可能通過免疫途徑促進(jìn)MCI發(fā)生的機(jī)制尚有待更深入的研究探討。

2 腸道菌群調(diào)節(jié)在MCI靶向治療中的應(yīng)用效果

目前,臨床上用于改善MCI患者認(rèn)知功能的藥物較少,調(diào)節(jié)認(rèn)知功能的藥物研發(fā)仍是當(dāng)前神經(jīng)精神領(lǐng)域重要的研究方向?，F(xiàn)階段新藥研發(fā)主要集中在調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)保護(hù)及疏通血管等方面,仍缺乏有效的治療藥物靶向性干預(yù)腸道菌群以改善MCI患者的預(yù)后,相關(guān)研究在MCI治療領(lǐng)域備受關(guān)注,通過補(bǔ)充益生菌/益生元或糞菌移植來恢復(fù)腸道菌群穩(wěn)態(tài)有望成為未來治療MCI的新方案。

2.1 補(bǔ)充益生菌 研究表明,益生菌對(duì)MCI患者的病情具有改善作用,但其作用機(jī)制尚未完全明確,可能是益生菌直接與其他有益細(xì)菌相互作用從而有助于有益代謝物的產(chǎn)生,并與有害微生物競(jìng)爭(zhēng)以抑制其對(duì)機(jī)體的不良影響,從而重新平衡腸道菌群的組成及其代謝物,進(jìn)而改善MCI[34-35]。一項(xiàng)Meta分析結(jié)果顯示,服用單一菌株的益生菌不足12周即可增強(qiáng)研究對(duì)象的認(rèn)知功能,且對(duì)認(rèn)知受損個(gè)體的影響大于對(duì)健康個(gè)體的影響[35]。另一項(xiàng)Meta分析結(jié)果亦表明,益生菌可顯著改善AD患者和MCI患者的認(rèn)知功能[36]。亦有學(xué)者評(píng)估了益生菌對(duì)健康老年人和認(rèn)知障礙患者的潛在作用,例如Ohsawa等[37]發(fā)現(xiàn),與安慰劑組相比,健康老年人服用瑞士乳桿菌益生菌制劑12周后,其認(rèn)知功能得到改善;Kim等[38]發(fā)現(xiàn),連續(xù)12周服用含有雙歧桿菌和長(zhǎng)雙歧桿菌的益生菌制劑,老年MCI患者的認(rèn)知功能和心理健康狀況均有所改善。

益生菌改善認(rèn)知功能的效果取決于具體菌種,目前大多數(shù)研究局限于分析多種益生菌聯(lián)用的效果,亟須開展更多單菌種的試驗(yàn)以驗(yàn)證其具體效果。腸道菌群的多樣性可能對(duì)于老年人的認(rèn)知功能改善更為重要,但目前有關(guān)使用益生菌補(bǔ)充劑后腸道菌群多樣性變化的研究較少,而其干預(yù)的成功與否與人體的基礎(chǔ)菌群組成有關(guān),應(yīng)通過觀察腸道菌群組成來評(píng)估益生菌攝入的有效性。此外,益生菌治療MCI患者的使用劑量及服用時(shí)間尚未達(dá)成共識(shí),亦缺乏長(zhǎng)期隨訪觀察的臨床證據(jù),今后可針對(duì)上述問題開展深入研究。

2.2 補(bǔ)充益生元 益生元為不可消化的碳水化合物,可促進(jìn)雙歧桿菌、乳酸菌等有益菌的生長(zhǎng),對(duì)改善腸道菌群失調(diào)及其相關(guān)的炎癥狀態(tài)具有積極作用。研究表明,益生元通過調(diào)節(jié)神經(jīng)炎癥對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生積極的影響,可能在改善認(rèn)知障礙方面發(fā)揮重要作用[39]。殼寡糖衍生物是一種具有抗氧化活性、免疫調(diào)節(jié)和神經(jīng)保護(hù)作用的益生元,其可通過增加腦部抗氧化酶的表達(dá),并減少促炎細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子α和IL-1β的表達(dá),提高AD小鼠模型的記憶能力[40]。具有改善認(rèn)知功能的另一種益生元是低聚果糖。Sun等[34]發(fā)現(xiàn),采用低聚果糖灌胃6周可顯著改善AD小鼠模型的認(rèn)知功能,其機(jī)制可能與腦部乙酰膽堿、血清素和腎上腺素等神經(jīng)遞質(zhì),以及β-分泌酶的表達(dá)水平升高有關(guān)。有研究報(bào)告,其他益生元如水溶性人參寡糖、低聚木糖、低聚半乳糖等亦具有改善認(rèn)知功能的作用[41]。多項(xiàng)研究結(jié)果表明,益生元可通過不同的機(jī)制改善認(rèn)知功能[34,40-41],益生元的優(yōu)勢(shì)在于其主要來源于水果和蔬菜,容易獲取,并且易于工業(yè)化生產(chǎn),故益生元可能是輔助治療認(rèn)知功能障礙的潛在藥物。目前研究的局限性主要在于缺乏對(duì)涉及認(rèn)知功能障礙信號(hào)通路的研究,尚需進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)來驗(yàn)證益生元在MCI中的治療潛力。

2.3 糞菌移植 糞菌移植是一種基于恢復(fù)患者正常的腸道菌群構(gòu)成來治療腸道菌群失調(diào)相關(guān)疾病的方法。糞菌移植已成功用于治療艱難梭菌感染的患者,其優(yōu)勢(shì)是可增加患者腸道菌群的多樣性,相較于益生菌制劑,其在改善腸道菌群失調(diào)方面可能更具優(yōu)勢(shì)。研究表明,糞菌移植治療可通過維持腸道菌群穩(wěn)態(tài)來改善AD小鼠模型的學(xué)習(xí)和記憶能力[42]。糞菌移植可能是一種有效的MCI治療方法,但其作為一種新的“器官移植”方法,涉及糞菌來源(供體)的選擇和篩查、受體選擇,同時(shí)缺乏長(zhǎng)期的安全性評(píng)價(jià),在MCI患者中的應(yīng)用尚需要更多的基礎(chǔ)研究和臨床循證研究證據(jù)支持。

3 小 結(jié)

MCI患者的腸道菌群構(gòu)成發(fā)生顯著變化,腸道菌群失調(diào)主要通過代謝途徑及免疫途徑影響患者的認(rèn)知功能。目前,靶向性調(diào)節(jié)腸道菌群的治療方案如補(bǔ)充益生菌/益生元、糞菌移植等仍處于臨床前研究階段,尚需開展進(jìn)一步的人群研究證明其治療潛力,從而為MCI治療提供新的輔助方案,讓患者得到更大的臨床獲益。