肠道菌群与帕金森病

林悄然 赵程 于会艳 秦斌

肠道菌群与帕金森病

林悄然 赵程 于会艳 秦斌

帕金森病(Parkinson disease，PD)是一种α突触核蛋白(alpha-synuclein，α-syn)异常沉积于脑内、外多神经系统的退行性疾病，除了典型的运动症状外，还有许多非运动症状，特别是胃肠道症状如肠道蠕动慢、吸收差、便秘等是常见的PD非运动症状。有研究表明肠道菌群失衡会导致α突触核蛋白在肠道神经系统内沉积，且沿脑-肠轴上升迁移至脑内并沉积，最后导致PD发生，故有学者推测PD的早期发病可能在肠道，是由菌群失调所致。因此，探索脑-肠道-微生物轴的相互作用关系，明确肠道菌群改变与PD发病的因果关系及作用机制，将有助于深刻理解PD的发病机制，并可能为PD的预防和未来治疗提供新的证据。

帕金森病；脑-肠轴；肠道菌群

帕金森病(Parkinsondisease，PD)是一种常见的多神经系统退行性疾病，主要临床表现包括静止性震颤、肌强直、运动迟缓以及部分非运动症状，α-突触核蛋白(α-synuclein，α-syn)在中枢神经系统黑质和周围神经结构的沉积及聚集为其典型的病理特征。最新研究显示，肠道菌群失调可能导致α-syn错误折叠、通过脑-肠轴影响包括中枢神经、自主神经及肠道周围神经在内的各级神经功能[1-5]，并与PD患者非运动症状和运动症状密切相关。故有学者提出PD最早发病在肠道。对于肠道菌群、α-syn、脑-肠轴及其相互作用的深入探究或许有助于更加深刻的理解PD的病理生理过程，从而揭开PD发病机制。所以关注以肠道菌群为代表的肠道神经系统生物标记物，不但有利于PD的早期诊断，而且对PD早期预防也有重要作用。

1 帕金森病的非运动症状

帕金森病的非运动症状(non-motor dysfunction，NMD)主要包括认知功能障碍、精神障碍、睡眠障碍、自主神经功能障碍和感觉障碍。自主神经系统功能障碍表现在消化系统、心血管系统、泌尿生殖系统、汗腺调节系统、体温调节系统、瞳孔、睡眠及呼吸系统。PD非运动症状中以胃肠道症状最常见，它们常常于PD临床诊断前5～10年即已存在。Edwards等[6]的研究显示，流涎、吞咽困难、恶心、便秘和排便功能障碍发生率分别为70%、52%、24%、29%和66%。随着研究进展，人们逐渐发现髓质、脊髓和外周自主神经系统的损伤是导致PD胃肠道功能障碍的重要原因[7-8]。

2 脑-肠轴：

2.1 脑-肠轴的组成 胃肠道和中枢神经系统间存在双向功能交流途径，该途径即脑-肠轴，由免疫、神经通路和神经内分泌途径构成，负责肠道和大脑之间的联系，在调控肠道功能和影响宿主大脑功能等方面发挥着非常重要的作用。因此，有学者提出肠是人类的第二大脑。

调控胃肠道功能的神经网络(包括中枢和周围神经系统)是一个分为四级的综合体系。第一级是以肠基层神经元(Auerbach's)、黏膜下层神经元(Meissner's)及肠道胶质细胞为代表的肠道神经系统[9]，如小肠移行性复合运动、蠕动反射等局部反射都是肠道神经系统通过肠道初级传入神经元控制的。肠道初级传入神经元位于肠基层及黏膜下层神经丛，通过树突突触投射到运动神经元和中间神经元。神经元通过表达血管活性肠肽(VIP)和(或)一氧化氮(NO)使得平滑肌舒张，黏膜下层的血管活性肠肽还可以刺激肠液的分泌[10]。第二级是椎前神经节，它参与许多外周内脏反射的调节[11]。第三级是自主神经系统，包括交感神经系统(第5胸椎至第2腰椎脊神经)和副交感神经系统(第2-4骶椎脊神经)，以及位于脑干的孤束核和迷走神经背侧运动核。第四级是高级神经中枢，包括大脑的躯体感觉皮层、扣带前回皮质、脑岛以及中脑、脊髓。来自大脑皮质和皮质下神经中枢(包括初级神经节、漏斗至脑干的部分神经元)的信息调配多种消化道功能[12]。

2.2 α-syn沿脑-肠轴的传播 在生理条件下，中枢神经系统包括神经传递过程中都富含α-syn。磷酸化后难以溶解的α-syn纤维已在多种神经变性病病例中被发现[13]。α-syn和PD的关系早在1997年就被Polymeropoulos等[14]通过基因学方法证实并报道，他们认为SNCA基因的A533T位点突变导致α-syn的重新编码。近期的研究亦显示SNCA基因单核苷酸多态性与散发性PD的发生有密切关系。

PD有两个病理标志，一个是黑质多巴胺能神经元缺失，另一个是细胞质中含有嗜酸性的α-syn内含物，即即路易小体。路易小体存在于核周体和路易神经轴突内神经传递过程中[15]。然而，在PD的病理改变中，这些包涵体并不仅存在于中枢神经系统中，它也存在于外周组织和体液中[16-17]。自主神经系统支配区域均可见到路易小体，包括下丘脑、交感神经系统(胸髓交感神经节中间外侧核)，以及副交感神经系统(迷走神经和骶骨副交感神经核)。路易小体亦可见于肾上腺髓质和神经丛支配的肠道和心脏[18]。

既往研究表明，肠道神经系统损伤发生在PD的非常早期阶段，甚至早于中枢神经系统损伤[19-22]。这是Braak假说产生的基础，这一学说认为α-syn产生于肠道神经系统黏膜下层神经丛并通过迷走神经背核运动核节前神经节逆行传播至中枢神经系统[23]。Staffan等[24]在大鼠的动物实验中验证了Braak这一假说，他们将死亡PD患者含有α-syn的脑组织裂解物标记后注射到斯普拉格-道利鼠成年大鼠胃肠道内，分别经过12 h、48 h、72 h，取出大鼠迷走神经背核和中脑进行检测，结果显示在迷走神经背核和中脑黑质内均可检测到标记的α-syn。

3 肠道菌群与PD

3.1肠道菌群 人体肠道中定植了大量细菌，其基因总数约为人体基因数量的 150倍[25]。肠道菌群结构复杂，主要由厚壁菌、拟杆菌、放线菌、变形杆菌4个门类组成，厚壁菌门中又以梭状芽孢菌科为主。肠道菌群与人体不同时期都处于相对平衡的状态，包括数量和种类。正常的菌群结构对维持人体代谢、免疫、内分泌等生理功能十分重要，菌群结构紊乱会导致糖尿病、肥胖、中枢神经系统变性病等诸多疾病的发生[26]。研究发现，老年人粪便中的肠道菌群与非老年人显著不同，拟杆菌数量相对增多，难辨梭菌菌群聚集模式也发生改变，一些潜在的致病菌(如变形菌纲)增多，有益菌(如双歧杆菌属)减少。不同个体间菌群差异很大[27]。老年期肠道菌群更容易受生活环境、饮食习惯、健康状态和药物干预的影响[28]。

3.2 肠道菌群致病机制 肠道微生物包括共生物和致病微生物，其在脑-肠轴中的重要作用已经得到证实[29]。有人提出肠道菌群、脑-肠轴以及大脑三者之间关系密切并将它们组成的系统命名为脑-肠道-微生物轴[30]。肠道微生物群落通过免疫、神经内分泌以及神经调节机制而发挥作用[31]。

研究显示肠道菌群致病机制包括分子模拟机制和免疫/炎性机制。分子模拟机制是通过细菌中的淀粉类物质，如单核细胞Toll样受体2(TLR2)、 TLR1、C14和核转录因子κB(NFκB)实现的。分子模拟的结构基础是相似的蛋白质一级结构、二级结构、三级结构，甚至可以延伸为RNA的相似分子结构，肠道菌群可以通过模拟这些结构参与PD的发生发展[32]。肠道细菌蛋白可以通过分子模拟机制导致体内α-syn的异常折叠与沉积。

肠道微生物成分的变化会引起肠道防御功能和小肠渗透性的变化，从而影响胃肠道上皮细胞、免疫系统，以及包括神经元和神经胶质细胞在内的肠道神经系统[33]。“大脑”和“肠道”通过脑-肠轴的双向作用可以调控促炎和抗炎反应[34]。肠道微生物群落的变化可能导致小肠炎性反应、氧化应激反应以及细胞毒性反应，开启α-syn的错误折叠，启动或影响PD的发展[35-37]。肠道感染还能导致小胶质细胞补充通路的激活从而引起多巴胺神经元破坏[38]。在无菌动物模型中可以发现：肠道菌群可以影响血脑屏障的渗透性，其可能的机制是与肠道菌群的同源的紧密连接蛋白表达减少[39]。此外，Sui等[40]的研究表明了α-syn可能具有通过血脑屏障进出大脑的双向作用。

Scheperjans等[41]对72对PD患者及健康对照的粪便样本进行焦磷酸测序，发现和健康对照组相比PD患者普雷沃氏菌科丰度水平下降77.6%。同时，他们发现以姿势步态障碍为主的PD患者肠杆菌科的细菌数量远多于那些以震颤为主的PD患者。普雷沃细菌参与肠道黏膜层黏蛋白合成和生产，可以刺激神经组织的短链脂肪酸(SCFA)纤维发酵[42]。因此,普雷沃菌科细菌数量减少可能导致黏液合成减少和肠道通透性增加，从而导致胃肠道与细菌抗原和毒素接触增加，引起α-syn过表达甚至启动其错误折叠[43-44]。还有研究指出普雷沃菌科细菌数量下降与肠道激素，特别是胃促生长素水平下降有关[45]。肠道激素能够调节黑质多巴胺功能以及限制神经元变性[46]，因此其水平下降也可能是导致PD发病的原因。

Keshavarzian等[47]比较了PD患者与健康对照人群的粪便样本和结肠黏膜样本，发现Blautia、Coprococcus和Rosburia等菌属在PD患者中显著减少，这些菌属的共同特点是能够产生丁酸并且短链脂肪酸丰度较低。短链脂肪酸是一种细菌代谢难溶膳食纤维产生的不饱和脂肪酸，具有营养神经和抗炎的作用。丁酸具有整肠作用，它可抑制肠道中的致病菌，促进肠道中有益菌的生长。Ralstonia菌属在PD患者的粪便和结肠黏膜样本中显著增加，这一菌属被认为有潜在的促炎作用。

Barichella等[48]进行了一项随机双盲对照研究，他们选取120名确诊PD患者随机分为实验组与对照组，分别给予含有多种益生菌菌株的发酵牛奶和安慰剂，观察患者完整排便次数及频率，结果显示，相比于安慰剂，含有益生菌的发酵牛奶能够显著增加PD患者完整排便次数及频率。尽管这项研究的病例数过少而且没有评价PD其他症状是否有所改善，但是仍可以为PD治疗开启全新的思路，从改善肠道菌群着手干预PD可以减轻患者痛苦、提高生活质量、减轻药物不良反应等。

综上所述，目前有大量研究显示肠道菌群可能是帕金森病发病的始动因素。细菌蛋白通过分子模拟机制、免疫/炎性机制启动α-syn的错误折叠，并以迷走神经为媒介沿脑-肠轴传播，最终导致PD的发生。因此，对脑-肠道-微生物轴的相互作用的更好理解会给关于PD病理生理的研究带来全新视角。

[1]Braak H, de Vos RA, Bohl J,et al. Gastric alpha-synuclein immunoreactive inclusions in Meissner’s and Auerbach’s plexuses in cases staged for Parkinson’s disease-related brain pathology[J].Neurosci Lett,2006,396(1): 67-72.

[2]Bloch A, Probst A, Bissig H, et al. Alpha-synuclein pathology of the spinal and peripheral autonomic nervous systemin neurologically unimpaired elderly subjects[J]. Neuropathol Appl Neurobiol,2006,32(3): 284-295.

[3]Cersosimo MG, Benarroch EE. Autonomic involvement in Parkinson’s disease: pathology, pathophysiology, clinical features and possible peripheral biomarkers[J]. J Neurol Sci, 2012,313(1-2): 57-63.

[4]Lebouvier T, Chaumette T, PaillussonS,et al. The second brain and Parkinson’s disease[J]. Eur J Neurosci,2009,30(5): 735-741.

[5]Cersosimo MG, Benarroch EE. Neural control of the gastrointestinal tract: implications for Parkinson disease[J]. Mov Disord,2008,23(8):1065-1075.

[6]Edwards LL, Quigley EM, Pfeiffer RF. Gastrointestinal dysfunction in Parkinson’s disease: frequency and pathophysiology[J]. Neurology,1992,42(4): 726-732.

[7]Wakabayashi K, Takahashi H. Neuropathology of autonomic nervous system in Parkinson’s disease[J]. Eur Neurol，1997，38 (Suppl2):2-7.

[8]Benarroch EE, Schmeichel AM, Low PA, et al. Involvement of medullary regions controlling sympathetic output in Lewy body disease[J]. Brain,2005,128: 338-344.

[9]Schemann M, Neunlist M. The human enteric nervous system[J]. Neurogastroenterol Motil, 2004,16 (s1): 55-59.

[10]Anlauf M, Schäfer MK, Eiden L, et al. Chemical coding of the human gastrointestinal nervous system: cholinergic, VI Pergic, and catecholaminergic phenotypes[J]. J Comp Neurol,2003,459(1): 90-111.

[11]Szurszewski JH. Physiology of mammalian prevertebral ganglia[J]. Annu Rev Physiol， 1981，43: 53-68.

[12]Mulak A, Bonaz B. Irritable bowel syndrome: a model of the brain-gut interactions[J]. Med Sci Monit，2004，10(4): RA55-RA62.

[13]Böttner M, Zorenkov D, Hellwig I,et al. Expression pattern and localization of alpha-synuclein in the human enteric nervous system[J]. Neurobiol Dis， 2012， 48(3): 474-480.

[14]Polymeropoulos MH, Lavedan C, Leroy E, et al. Mutation in the alpha-synuclein gene identified in families with Parkinson’s disease[J]. Science，1997，276(5321):2045-2047.

[15]Lebouvier T, Chaumette T, Paillusson S,et al. The second brain and Parkinson’s disease[J]. Eur J Neurosci，2009，30(5): 735-741.

[16]Malek N, Swallow D, GrossetKA,et al. Alpha-synuclein in peripheral tissues and body fluids as a biomarker for Parkinson’s disease-a systematic review[J]. Acta Neurol Scand, 2014，130(2): 59-72.

[17]Kim HJ. Alpha-synuclein expression in patients with parkinson’s disease: A clinician’s perspective[J]. Exp Neurobiol，2013，22(2): 77-83.

[18]Micieli G, Tosi P, Marcheselli S, et al. Autonomic dysfunction in Parkinson’s disease[J]. Neurol Sci，2003，24 (Suppl 1):S32-S34.

[19]Lebouvier T, Chaumette T, Paillusson S,et al. The second brain and Parkinson’s disease[J]. Eur J Neurosci，2009，30(5): 735-741.

[20]Paillusson S, Clairembault T,Biraud M.Activity-dependent secretion of alpha-synuclein by enteric neurons[J].J Neurochem，2013，125(4): 512-517.

[21]Lebouvier T, Neunlist M, Bruley des Varannes S,et al. Colonic biopsies to assess the neuropathology of Parkinson’s disease and its relationship with symptoms[J]. PLoS One， 2010，5(9): e12728.

[22]Grathwohl SA, Steiner JA, Britschgi M,et al. Mind the gut:secretion of α-synuclein by enteric neurons[J]. J Neurochem，2013，125(4):487-490.

[23]Olanow CW, Brundin P. Parkinson’s disease and alpha synuclein:is Parkinson’s disease a prion-like disorder?[J].Mov Disord，2013，28(1):31-40.

[24]Holmqvist S,Chutna O,Bousset L,et al. Direct evidence of Parkinson pathology spread from the gastrointestinal tract to the brain in rats [J]. Acta Neuropathol，2014，128(6):805-820.

[25]Qin J，Li R，Raes J，et al.A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing [J]．Nature，2010，464 (4): 59-65．

[26]Sommer F，Bckhed F．The gut microbiota-masters of host development and physiology [J].Nat Rev Microbiol, 2013，11 (4): 227-238．

[27]Claesson MJ Cusack S,O’Sullivan et al . Composition, variability, and temporal stability of the intestinal microbiota of the elderly[J]. Proc Natl Acad Sci USA，2011，108(Suppl 1):4586-4591.

[28]Claesson MJ Jeffery IB,Conde S, et al. Gut microbiota composition correlates with diet and health in the elderly [J]. Nature，2012，488(7410)：178-184.

[29]Grenham S, Clarke G, Cryan JF, et al. Brain-gut-microbe communication in health and disease[J]. Front Physiol,2011，2: 94.

[30]Rhee SH, Pothoulakis C, Mayer EA. Principles and clinical implications of the brain-gut-enteric microbiota axis[J]. Nat Rev Gastroenterol Hepatol， 2009， 6(5): 306-314.

[31]Mayer EA, Tillisch K, Gupta A. Gut/brain axis and the microbiota[J].J Clin Invest ，2015，125(3): 926-938.

[32]赵丽姣，林悄然，秦斌，等.肠道菌群失调与神经变性病的关系[J].中国医学前沿杂志(电子版),2016,8(11):20-23.

[33]Vizcarra JA, Wilson-Perez HE, Espay AJ. The power in numbers: gut microbiota in Parkinson’s disease[J]. Mov Disord，2015，30(3):296-298.

[34]Hollister EB, Gao C,Versalovic J. Compositional and functional features of the gastrointestinal microbiome and their effects on human health[J]. Gastroenterology，2014，146(6): 1449-1458.

[35]Devos D, Lebouvier T, Lardeux B, et al.Colonic inflammation in Parkinson’s disease[J].Neurobiol Dis ，2013，50(1): 42-48.

[36]Olanow CW, Wakeman DR, Kordower JH. Peripheral alpha-synuclein and Parkinson’s disease[J]. Mov Disord， 2014，29(8): 963-966.

[37]Friedland RP. Mechanisms of molecular mimicry involving the microbiota in neurodegeneration[J]. J Alzheimers Dis， 2015，45(2):349-362.

[38]Bodea LG, Wang Y, Linnartz-Gerlach B . Neurodegeneration by activation of the microglial complement-phagosome pathway[J]. J Neurosci，2014，34(25): 8546-8556.

[39]Braniste V, Al-Asmakh M, Kowal C, et al. The gut microbiota influences blood-brain barrier permeability in mice[J]. Sci Transl Med ，2014，6(263): 263 ra 158.

[40]Sui YT, Bullock KM, Erickson MA, et al. Alpha synucleinis transported into and out of the brain by the blood-brain barrier[J]. Peptides，2014，62: 197-202.

[41]Scheperjans F, Aho V, Pereira PA,et al . Gut microbiota are related to Parkinson’s disease and clinical phenotype[J]. Mov Disord，2015，30(3): 350-358.

[42]Arumugam M, Raes J, Pelletier E, et al. Enterotypes of the human gut microbiome[J]. Nature,2011,473: 174-180.

[43]Forsyth CB, Shannon KM, Kordower JH，et al. Increased intestinal permeability correlates with sigmoid mucosa alpha-synuclein staining and endotoxin exposure markers in early Parkinson’s disease[J]. PLoS One ，2011， 6(12): e28032.

[44]Niehaus I, Lange JH. Endotoxin.Is it an environmentalfactor in the cause of Parkinson’s disease?[J].Occup Environ Med，2003，60(5): 378.

[45]Queipo-Ortuno MI, Seoane LM, Murri M, et al. Gut microbiota composition in male rat models under different nutritional status and physical activity and its association with serum leptin andghrelin levels[J]. PLoS One，2013，8(5):e65465.

[46]Bayliss J, Stark R, ReichenbachA,et al. Gut hormones restrict neurodegeneration in Parkinson’s disease[A]. In: Chang RC-C. Advanced understanding of neurodegenerative diseases[M].Croatia: InTech, 2011. 269-284.

[47]Keshavarzian A, Green SJ, Engen PA,et al. Colonic bacterial composition in Parkinson’s disease[J].Mov Disord，2015，30(10):1351-1360.

[48]Barichella M, Pacchetti C, Bolliri C,et al.Probiotics and prebiotic fiber for constipation associated with Parkinson disease[J].Neurology，2016，87(12): 1274-1280.

(本文编辑：邹晨双)

10.3969/j.issn.1006-2963.2017.02.017

100730 北京医院神经内科 国家老年医学中心

秦斌，Email：Bin_chin@163.com

R742.5；R378

A

1006-2963(2017)02-0147-04

2016-09-12)