腸肝腦軸在帕金森病發(fā)病中的作用*

李斐，梁建慶，韓政陽(yáng)，董海玉，王佳華，許晨璐

1 甘肅中醫(yī)藥大學(xué) 甘肅蘭州 730000

2 敦煌醫(yī)學(xué)與轉(zhuǎn)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅蘭州 730000

3 甘肅省中醫(yī)方藥挖掘與創(chuàng)新轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅蘭州 730000

帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）以軀體運(yùn)動(dòng)障礙為主要表現(xiàn)，是發(fā)病率位居第二，病死率增長(zhǎng)最快的神經(jīng)退行性疾病，影響1%～2% 65歲以上的人口，全球負(fù)擔(dān)不斷加劇[1]，其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜不明[2]。腸肝腦軸是胃腸道（GI）、肝臟、中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）在分子基礎(chǔ)上建立彼此通訊的復(fù)雜神經(jīng)、內(nèi)分泌、免疫網(wǎng)絡(luò)，信息呈雙向交流，胃腸道微生物群（GM）在“信息洪流”中發(fā)揮至關(guān)重要的導(dǎo)向作用。腸肝腦軸內(nèi)在的良性互動(dòng)有益于腦神經(jīng)元[3]，而異常信號(hào)從GI至肝臟、大腦的上行路線揭示PD的發(fā)病機(jī)制，對(duì)認(rèn)識(shí)PD具有重要意義。

GM穩(wěn)態(tài)失衡是腸肝腦軸途徑觸發(fā)PD的啟動(dòng)因素

GM以百萬(wàn)億計(jì)，約占人體菌群的78%[4]，其構(gòu)成龐大而復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，被稱為宿主的“獲得性器官”。GI由近端至遠(yuǎn)端，菌群數(shù)量呈遞增趨勢(shì)，以結(jié)腸每克腸內(nèi)容物的細(xì)菌數(shù)109～1012個(gè)為最高[5]，厚壁菌門和擬桿菌門在GI內(nèi)最具優(yōu)勢(shì)。大腦結(jié)構(gòu)快速增長(zhǎng)和功能網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的時(shí)期與GM定植的關(guān)鍵期在嬰兒階段重合[6]，在此期間，大腦與GM發(fā)生密集的交互作用，對(duì)人體的長(zhǎng)期發(fā)育至關(guān)重要。GM影響大腦功能最直接的證據(jù)是無(wú)菌小鼠的大腦產(chǎn)生負(fù)性發(fā)育[7]。GM不僅調(diào)控GI蠕動(dòng)、食物消化吸收等，還是人體重要的神經(jīng)內(nèi)分泌、免疫調(diào)節(jié)器。腸型（菌群組成的樣本聚類）與人類疾病的相關(guān)性已被廣泛報(bào)道，包括PD。

GM可以通過(guò)調(diào)節(jié)血清素（5-HT）能、多巴胺（DA）能、γ-氨基丁酸（GABA）能等神經(jīng)元影響神經(jīng)遞質(zhì)合成、傳遞與代謝過(guò)程，同時(shí)自己也可以生產(chǎn)這些神經(jīng)活性物質(zhì)，常見的神經(jīng)遞質(zhì)在GI內(nèi)基本均可生成。如念珠菌、大腸桿菌、腸球菌能生產(chǎn)5-HT；雙歧桿菌、乳酸桿菌是GABA生成者；芽孢桿菌和沙雷氏菌制造DA。上述神經(jīng)遞質(zhì)異常均與PD發(fā)病密切相關(guān)。

需要注意的是，誘發(fā)PD更主要的驅(qū)動(dòng)因素是GM抗炎及促炎特性紊亂。GM的高密度性決定了人體GI是一個(gè)獨(dú)特的免疫場(chǎng)所，免疫系統(tǒng)需要不斷地在共生菌耐受和致病菌免疫之間保持微妙的平衡，這種平衡的實(shí)現(xiàn)方式包括腸上皮淋巴細(xì)胞的干涉以及共生菌構(gòu)成腸屏障，競(jìng)爭(zhēng)性抑制致病菌的定植空間，產(chǎn)生抑菌物質(zhì)，殺滅病原微生物。一旦這種平衡被打破，免疫系統(tǒng)經(jīng)干擾導(dǎo)致GI炎癥，則大量致病菌及其代謝產(chǎn)物、促炎因子跨越受損的腸屏障進(jìn)入肝臟，并損傷血腦屏障（BBB）[8]，使炎性反應(yīng)在腸肝腦軸中彌漫擴(kuò)大化。炎癥是PD主要特征之一，PD患者普遍存在GI、血液[9]、大腦和腦脊液[10]中炎癥分子水平升高。Scheperjans等人[11]報(bào)告稱，PD患者主要表現(xiàn)出致病性革蘭氏陰性菌顯著增加，如腸桿菌（科）、疣微菌（科），而普氏菌（科）減少。Keshavarzian等人[12]研究發(fā)現(xiàn)GM在門水平中，PD患者擬桿菌（門）、變形桿菌（門）和疣微菌（門）豐度顯著增加，而健康對(duì)照組厚壁菌（門）豐度較高；在屬水平上，PD患者擬桿菌（屬）、阿克曼菌（屬）、顫螺菌（屬）豐度增加，而抗炎短鏈脂肪酸（SCFAs）的生成菌顯著降低，如經(jīng)黏液真桿菌（屬）、糞球菌（屬）、羅氏菌（屬）。幽門螺桿菌（Hp）與PD亦存在因果關(guān)系，Hp可釋放穿過(guò)BBB的神經(jīng)毒素，如膽固醇葡糖苷，導(dǎo)致DA能神經(jīng)退行性變，還可以通過(guò)激活免疫介質(zhì)，如單核細(xì)胞，引起炎性因子的釋放，誘導(dǎo)大腦炎癥及神經(jīng)元凋亡[13]?？梢哉f(shuō)，促炎菌比抗炎菌具有優(yōu)勢(shì)是PD的GM突出特點(diǎn)。

關(guān)鍵病理標(biāo)志物α-突觸核蛋白在腸肝腦軸中逆行上傳

α-突觸核蛋白（α-syn）在黑質(zhì)DA能神經(jīng)元異常折疊、聚集是PD最突出的病理改變[14]。此外，PD患者顯示腸神經(jīng)系統(tǒng)（ENS）功能受累。ENS遍布整個(gè)GI，與CNS通過(guò)脊神經(jīng)和迷走神經(jīng)（VN）實(shí)現(xiàn)交流，VN占用80%～90%的纖維負(fù)責(zé)傳遞腸腦信號(hào)[15]。2003年Braak以此為框架提出了相應(yīng)假說(shuō)[16]：PD是腸道α-syn經(jīng)VN向大腦逆行所致。后經(jīng)大量學(xué)者逐步充實(shí)了此假說(shuō)的證據(jù)鏈。首先，PD腸黏膜下神經(jīng)叢和肌間神經(jīng)叢中存在α-syn[17]，進(jìn)一步研究[18]顯示，GI炎癥可觸發(fā)ENS內(nèi)α-syn病理性構(gòu)象變化。其次，α-syn在ENS中可引起GI功能障礙，如便秘，這是PD常見的非運(yùn)動(dòng)癥狀，甚至比運(yùn)動(dòng)癥狀提前20年出現(xiàn)[19]。第三，GI有密集的神經(jīng)纖維由迷走神經(jīng)背核（DMV）發(fā)出，α-syn通過(guò)朊蛋白樣激活機(jī)制在神經(jīng)纖維中傳播[20]，在傳播過(guò)程中，可作為模板傳染正常神經(jīng)元α-syn改變[21]。實(shí)驗(yàn)證明，健康小鼠體內(nèi)注射人α-syn造成VN和腦干中的α-Syn聚集，切斷小鼠軀干VN可阻止了這一現(xiàn)象以及相應(yīng)的神經(jīng)變性和運(yùn)動(dòng)障礙[22]。一項(xiàng)橫跨18年的流行病學(xué)研究得到相同的結(jié)論，即軀干VN切斷術(shù)對(duì)PD具有保護(hù)作用[23]。最后，α-syn通過(guò)氧化應(yīng)激、線粒體損傷、小膠質(zhì)細(xì)胞激活并釋放促炎因子引起神經(jīng)炎癥[24]等機(jī)制造成DA能神經(jīng)元凋亡，最終引起PD。

在α-syn的移行過(guò)程中，肝臟具有重要的清除作用。一項(xiàng)結(jié)合細(xì)胞、動(dòng)物和臨床的研究[25]首次報(bào)道了肝實(shí)質(zhì)、肝血竇及門靜脈均存在α-syn。因?yàn)楦闻K內(nèi)缺乏α-syn mRNA的表達(dá)，故而肝內(nèi)α-syn來(lái)源于GI或大腦，傳播的媒介是VN或血液。在神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞中參與α-syn攝取的間隙連接蛋白-32（Cx32）在肝細(xì)胞中也高度表達(dá)，Cx32/α-syn通過(guò)蛋白質(zhì)內(nèi)化清除α-syn，這一過(guò)程與肝細(xì)胞的毒素清除作用一致。當(dāng)然，α-syn過(guò)渡積累亦會(huì)產(chǎn)生肝毒性，導(dǎo)致肝臟炎癥。

典型的內(nèi)毒素脂多糖誘發(fā)腸肝腦軸級(jí)聯(lián)炎癥反應(yīng)

脂多糖（LPS）是典型的內(nèi)毒素，部分構(gòu)成革蘭氏陰性細(xì)菌外膜，其升高往往伴隨GI炎癥[26]。Toll樣受體4（TLR4）是LPS的推定受體和核因子κB（NF-κB）信號(hào)通路的啟動(dòng)子，結(jié)腸組織中表達(dá)TLR4的細(xì)胞在PD中增加，TLR4進(jìn)一步加劇腸道炎癥[27]。敲除TLR4證明對(duì)魚藤酮毒性具有保護(hù)作用，暗示其在GI炎癥和神經(jīng)退化中的關(guān)鍵作用[28]。此外，糞便α1-抗胰蛋白酶和連蛋白可用于評(píng)估腸上皮屏障完整性，PD患者糞便中兩者均顯著增高[29]，意味著PD患者腸上皮屏障通透性增加。LPS針對(duì)緊密連接（TJ）破壞腸上皮屏障[30]，腸屏障通透性增加則促進(jìn)機(jī)會(huì)病原體、內(nèi)毒素、炎性因子暴露。研究證明PD患者血液中LPS結(jié)合蛋白降低，LPS增加[31]，表明周圍組織和免疫細(xì)胞更多地接觸了LPS。

肝臟在面對(duì)沖破腸上皮屏障逃逸出來(lái)的各種內(nèi)毒素及促炎因子等，則行使“屏障”功能將它們清除或排泄。高度開窗的肝臟與GI的相同胚胎起源決定了彼此間解剖和功能聯(lián)系密切，肝臟通過(guò)門靜脈接受來(lái)自GI的血液，并且肝竇內(nèi)皮細(xì)胞是抗原呈遞細(xì)胞，積極參與抗原反應(yīng)并調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞運(yùn)輸[32]。當(dāng)發(fā)生“腸漏”，肝臟激活庫(kù)普弗細(xì)胞（KCs）的吞噬作用并產(chǎn)生抗炎因子，如IL-10，在清除病原的同時(shí)抑制炎癥反應(yīng)。肝細(xì)胞還能合成眾多輔助因子參與吞噬、增殖白細(xì)胞的抗感染過(guò)程。此外，人體合成的初級(jí)膽汁酸（BAs）超過(guò)90%在肝臟完成，部分初級(jí)BAs在肝腸循環(huán)過(guò)程中經(jīng)GM脫羥作用生成次級(jí)BAs，次級(jí)BAs表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗菌活性[33]。當(dāng)肝臟清解能力崩潰，LPS等內(nèi)毒素不但會(huì)引起肝損傷，導(dǎo)致BAs分泌減少致使GM發(fā)生紊亂，反向促進(jìn)腸上皮屏障損傷，而且進(jìn)一步向外周逃逸的LPS則依賴環(huán)氧化酶誘導(dǎo)BBB損傷并激活腦小膠質(zhì)細(xì)胞[34]，最終引起腸肝腦軸級(jí)聯(lián)式炎癥狀態(tài)。

值得重視的是，LPS還可以上調(diào)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶和α腫瘤壞死因子的表達(dá)來(lái)增加α-syn的硝化和寡聚化[35]，同時(shí)，LPS與α-syn的α螺旋中間體結(jié)合形成脂質(zhì)-蛋白質(zhì)復(fù)合物，作為α-syn的纖維支架，加速α-syn的異常聚集[36]。總之，LPS不僅破壞腸、肝、腦屏障的完整性，誘發(fā)機(jī)體炎癥反應(yīng)，還通過(guò)參與α-syn的通訊加速PD神經(jīng)退行性變。

SCFAs在腸肝腦軸中發(fā)揮多效性作用

SCFAs是膳食纖維經(jīng)結(jié)腸內(nèi)菌群酵解的重要代謝物，以乙酸、丙酸、丁酸為主。SCFAs在PD中的作用機(jī)制與其維護(hù)屏障，調(diào)節(jié)機(jī)體神經(jīng)內(nèi)分泌、免疫等生理功能異常相關(guān)。SCFAs通過(guò)激活O-糖基化蛋白（MUC2）啟動(dòng)子，上調(diào)MUC2的表達(dá)，促進(jìn)杯狀細(xì)胞分泌黏液，阻止微生物入侵[37]，還可以上調(diào)TJ蛋白組件的表達(dá)和增加跨上皮電阻來(lái)降低腸上皮屏障及BBB的通透性[38]。免疫調(diào)節(jié)主要通過(guò)激活免疫細(xì)胞表達(dá)的G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）和抑制組蛋白去乙?；福℉DAC）實(shí)現(xiàn)[39]，GPCRs包括GPR41、GPR43、GPR109A，其SCFAs的依賴性可增強(qiáng)固有免疫細(xì)胞抗炎能力、誘導(dǎo)B細(xì)胞分化產(chǎn)生免疫球蛋白A、促進(jìn)T細(xì)胞的成熟分化。SCFAs做為HDAC抑制劑，可進(jìn)一步抑制雷帕霉素靶蛋白、巨噬細(xì)胞釋放促炎介質(zhì)及NF-κB通路活性[40]，從而抑制神經(jīng)炎癥和小膠質(zhì)細(xì)胞活化。此外，SCFAs刺激腸嗜鉻細(xì)胞產(chǎn)生5-HT，影響CNS 功能[41]。丁酸鹽還能激活結(jié)腸上皮細(xì)胞中的過(guò)氧化物酶體增殖物，激活受體γ信號(hào)[42]，降低呼吸電子受體的生物利用度以抑制腸桿菌科擴(kuò)張。穿過(guò)BBB的SCFAs不但直接作用于小膠質(zhì)細(xì)胞，還通過(guò)大腦中游離脂肪酸受體調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)和兒茶酚胺產(chǎn)生[43]。肝臟是SCFAs的重要代謝場(chǎng)所，SCFAs可誘導(dǎo)肝臟內(nèi)幾種代謝途徑上調(diào)，包括BAs合成、糖異生、脂代謝等，同時(shí)，SCFAs影響肝臟中KCs的炎癥表型[3]。總體來(lái)說(shuō)，SCFAs對(duì)腸肝腦軸發(fā)揮多效性作用阻止PD發(fā)展。

Unger等人[44]發(fā)現(xiàn)，SCFAs和SCFAs產(chǎn)生菌的耗竭可能會(huì)導(dǎo)致ENS中路易小體的形成。另一項(xiàng)研究[45]認(rèn)為補(bǔ)充SCFAs可以緩解甚至逆轉(zhuǎn)PD癥狀。Aho等人[46]證實(shí)了PD患者SCFAs缺陷和糞便鈣衛(wèi)蛋白升高同時(shí)存在，意味著低水平SCFAs促進(jìn)GI炎癥進(jìn)展。Shin等人[38]表示丙酸鹽水平與統(tǒng)一帕金森病評(píng)定量表-Ⅲ（UPDRS-Ⅲ）呈負(fù)相關(guān)。在一項(xiàng)基于PD的流體平臺(tái)技術(shù)研究中[3]，通過(guò)將腸、肝、腦微處理系統(tǒng)連接循環(huán)以仿生人體腸肝腦軸，當(dāng)其中添加SCFAs時(shí)可導(dǎo)致炎癥介質(zhì)明顯減少。

總 結(jié)

基于腸肝腦軸引發(fā)PD的過(guò)程，公認(rèn)的結(jié)論為GM擾亂、各級(jí)屏障功能破壞、持續(xù)的炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致α-syn異常聚集和神經(jīng)變性，最終引起大腦DA能神經(jīng)元凋亡。因此，宿主與GM建立神經(jīng)免疫和內(nèi)分泌免疫穩(wěn)態(tài)對(duì)預(yù)防PD尤為重要。然而，目前諸多研究集中于微生物群-腸腦軸，這體現(xiàn)了GM的變化在PD發(fā)病機(jī)制中的核心作用，卻忽視了與腸、腦關(guān)系密切，具有重要代謝和解毒功能的肝臟，它的作用同樣舉足輕重?？傊瑢⒛c、肝、腦三者結(jié)合的“軸”系統(tǒng)，有益于PD發(fā)病機(jī)制更完整地認(rèn)識(shí)，未來(lái)需要適當(dāng)將研究重心向肝臟傾斜。

關(guān)于PD的一個(gè)爭(zhēng)議焦點(diǎn)是α-Syn究竟起源于腸道或是大腦，事實(shí)上，兩種觀點(diǎn)均有充足可信的證據(jù)支持。α-syn不僅局限于大腦、GI及肝臟，也不僅只以神經(jīng)系統(tǒng)作為擴(kuò)散通道，多項(xiàng)研究表明，視網(wǎng)膜、皮膚、心臟以及包括血液、腦脊液、唾液在內(nèi)的體液中也存在α-syn，α-syn可以被紅細(xì)胞攜帶[47]，通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)輸并穿過(guò)BBB[48]。α-syn傳播的方向也不是單一由GI向大腦移行，α-syn的中腦過(guò)表達(dá)也被證明可以到達(dá)胃壁[49]，注入嗅球的α-syn同樣會(huì)向大腦多個(gè)區(qū)域擴(kuò)散[50]。最近一項(xiàng)研究[51]提出將大腦優(yōu)先型和身體優(yōu)先型分別作為PD的亞型具有很強(qiáng)的說(shuō)服力。因此，有理由認(rèn)為這一爭(zhēng)議已得到答案，即兩種起源并列存在，但是基于腸肝腦軸的腸道起源論中，關(guān)于各環(huán)節(jié)彼此間的互作機(jī)制仍有大量空白需要在未來(lái)重點(diǎn)研究，不斷填補(bǔ)。

另一個(gè)熱點(diǎn)是關(guān)于SCFAs悖論，即SCFAs的研究結(jié)論存在諸多矛盾。一項(xiàng)體外實(shí)驗(yàn)[52]表明，丁酸鈉給藥造成α-Syn mRNA和促炎因子上調(diào)，并激活細(xì)胞凋亡。丁酸鹽可顯著加重1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（MPTP）誘導(dǎo)的DA能神經(jīng)元耗竭、膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥和運(yùn)動(dòng)障礙[53]。不同物種、不同樣本間SCFAs濃度變化也不同。例如，PD患者糞便中SCFAs減少[54]，血漿中SCFAs水平卻有所增加[38]，而MPTP處理或移植PD患者糞便的小鼠糞便中SCFAs增加[55]。有諸多觀點(diǎn)試圖解釋上述差異：人類與小鼠的GM及GI解剖結(jié)構(gòu)不同，決定了SCFAs的利用方式可能不同；自然狀態(tài)下，SCFAs主要在結(jié)腸生產(chǎn)、吸收，而PD動(dòng)物模型以灌胃或口服SCFAs治療，造成其可能被小腸吸收，不能有效干預(yù)GM及腸上皮屏障，服用益生元或益生菌有益彌補(bǔ)此方法漏洞；SCFAs的結(jié)腸吸收率達(dá)到95%，糞便信息非常有限，以糞便SCFAs濃度做為評(píng)價(jià)指標(biāo)明顯不足，有必要對(duì)糞便、血液、SCFAs產(chǎn)生菌的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。這些原因不排除客觀存在，然而，更為合理的解釋可能是SCFAs在不同的環(huán)境背景及PD階段中，發(fā)揮不同的生理病理作用。正如Trapecar[3]觀察到在體外PD腸肝腦軸模型中引入或不引入CD4+Treg/Th17（對(duì)維持GI免疫穩(wěn)態(tài)具有重要作用的T細(xì)胞），SCFAs效用相反。由此觀點(diǎn)拓展思路便可以理解他汀類藥物、根除Hp的治療總體上改善或加重PD為什么無(wú)法達(dá)成共識(shí)。

此外，基于GM對(duì)宿主生理、病理全方位的影響，PD的GM多樣性及豐度發(fā)生變化是不言而喻的，大量研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。然而，該領(lǐng)域僅為橫斷面、小樣本研究，普遍集中在分析糞便樣本的細(xì)菌種類，存在年齡、性別、飲食、生活習(xí)慣、用藥等諸多混雜因素，加之GM的改變與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)，如阿爾茨海默病、多發(fā)性硬化癥、精神分裂癥、自閉癥、癲癇、癡呆等[56]，故而仍然無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別PD的GM特異性。Qian等人[57]通過(guò)鳥槍宏基因測(cè)序，發(fā)現(xiàn)GM基因標(biāo)記不受PD病情嚴(yán)重程度及用藥干擾，故而提出基于GM基因的診斷模型。因此，更多的縱向、前瞻性臨床試驗(yàn)結(jié)合宏基因組測(cè)序是未來(lái)研究的一個(gè)有前景的方向。