肠道微生物与帕金森病

帕金森病(Parkinson’s disease, PD)是一种老年人常见的慢性进行性中枢神经系统退行性疾病,以运动迟缓、静止性震颤、肌强直、姿势步态异常等为主要临床特征,自1817被首次报道以来,虽历经两百余年目前仍无法治愈。PD病因不明,目前认为可能与年龄老化、遗传、环境毒性、线粒体功能障碍、氧化应激、异常蛋白聚集等因素有关,且发病机制复杂。近年来Braak等[1]提出了PD的双重打击学说,认为PD可能起源于嗅球及其相关区域或者胃肠道系统,并通过这两条途径引起PD发病。胃肠道以及嗅觉系统代表的呼吸道是机体与外界直接沟通的两条主要通道,必然受到外界细菌的影响。正常机体的肺部细菌较少,而胃肠道内含有约1.5 kg的微生物[2],因此推测PD受胃肠道打击较大。近年来研究发现,胃肠道有着自己相对独立而庞大的神经网络,并通过自主神经系统与中枢神经系统(central nervous system, CNS)相联系[3],因此,胃肠道又被称为人体的“第二大脑”。考虑到机体众多疾病的发生发展都有微生物的参与,且肠道症状，如便秘等常为PD病人的首发症状。因此,肠道微生物(gut microbiota, GM)与PD之间的关系已引起该领域研究的高度重视。

1 PD的胃肠道表现

PD病人的胃肠道症状常见,且可比运动症状早数十年出现[4]。研究表明,PD胃肠道症状发生率为60%～80%,主要表现为流涎、吞咽困难、味觉减退、胃轻瘫、胃排空延迟、便秘等,恶心、呕吐、早饱感、腹胀等也很常见,可导致营养不良、误吸、巨结肠、肠梗阻、肠穿孔等并发症[5-7]。便秘是PD最常见的胃肠道症状之一,其发生率高达80%～90%, 可早于运动症状20年出现,并随PD病程进展而加重,可能与胃肠运动功能减退、抗PD药物的不良反应、结肠转运时间延长、肛门直肠功能絮乱、排便协同困难等有关[7-8]。两种类型的便秘(肛门直肠便秘、肠道传输时间延迟的便秘)均可在PD病人中出现。研究发现,超过2/3的病人存在肛门直肠便秘,可能与盆底肌肉张力障碍引起的不协调、不随意收缩以及肠道传入受损而引起的肛门直肠敏感性降低等因素有关;80%的PD有肠道传输时间延迟[8]。研究还发现,有便秘的老年人较无便秘者PD发生的风险增加了4倍[7]。排便协同困难在PD病人中的发生率为60%～90%[7]。即使是早期无症状的PD,也有高达40%的病人存在不同程度的肛门直肠功能紊乱,常由耻骨直肠肌矛盾收缩、肛门放松异常等引起[7]。有超过65%的PD病人有盆底肌协同困难[9]。流涎主要见于疾病的后期以及关期,发生率约为70%～80%,与表情缺乏引起的无意识张口、异常头部前倾姿势、构音障碍、咽部肌肉运动功能受损、吞咽频率降低及吞咽反射减弱等有关,而并非由唾液产生过多引起[5-7]。事实上,PD病人唾液分泌是减少的[9]。吞咽功能障碍在PD病人中发生率约为50%,主要发生于疾病的后期。约20%的PD病人有恶心、呕吐,并且多与使用抗PD运动症状的药物有关[5]。胃排空延迟、胃轻瘫也是PD病人的一项重要表现,可表现为餐后腹胀、腹部不适、早饱感以及恶心等,可由抗PD药物左旋多巴引起,而胃轻瘫、胃排空延迟又存在潜在的药代动力学影响,使得左旋多巴的吸收障碍,进而导致运动症状波动[7,9]。一项回顾性分析表明,频率较低的肠道蠕动会增加PD的风险[9]。

2 PD病人的GM改变

GM包括细菌、病毒、真菌、古生菌等,以细菌为主。最近的研究表明,通过比较PD病人与正常人的血清常见感染病原体抗体滴度,发现巨细胞病毒、Ⅰ型单纯疱疹病毒、幽门螺杆菌、EB病毒、包柔氏螺旋体、肺炎衣原体等都与PD有关[10]。目前对PD病人肠道细菌变化的研究较多。肠道细菌主要为拟杆菌门和厚壁菌门。大部分情况下,PD病人和对照组之间在肠道黏膜细菌种类上没有太大区别,只是在细菌的丰度上发生了改变,且PD肠道菌群的改变主要表现在粪便中,而不在黏膜处。研究显示,PD病人粪便中总的细菌数是降低的[4];厚壁菌门(包括乳杆菌科、柔嫩梭菌群和肠球菌科)在PD病人中是减少的[11]。对于拟杆菌门在PD病人中的变化,文献报道不一。Petrov等[12]指出,PD病人Dorea、拟杆菌属、普雷沃菌属、柔嫩梭菌群、Stoquefichus massiliensis、布劳特氏菌属、粪球菌属、瘤胃球菌属(callidus)等细菌是减少的,而克里斯滕森菌属、触梅杆菌、乳酸杆菌、颤螺菌属、双歧杆菌属、瘤胃球菌(bromii)、Papillibacter cinnamivorans等细菌是增加的。芬兰的一项研究表明,与对照组相比,PD病人中属于拟杆菌门的普雷沃菌群减少了77.6%,且姿势步态异常的严重性与肠杆菌科的丰度正相关[13]。但Keshavarzian等[14]报道称,拟杆菌门在PD病人中是增加的。PD病人肠杆菌科是增加的,相对于以震颤为主的病人,姿势步态异常的病人肠杆菌科含量更高[3,11]。有趣的是,一系列研究表明,与对照组相比,PD病人肠道中具有抗炎作用的产丁酸盐的布劳特氏菌、粪球菌属、罗斯氏菌、柔嫩梭菌群、毛螺菌等是显著减少的,而有促炎性的罗尔斯通菌属是显著增加的[11，13-16]。小肠细菌过度生长(small intestinal bacterial overgrowth, SIBO)在PD病人中也较常见,发生率约为25%～50%,其发生可能与PD相关的胃轻瘫和胃肠运动功能受损有关[7,9]。临床上可表现为无症状或者非特异性腹胀、腹部不适、腹泻以及无法解释的体质量减轻,并与症状波动、运动症状恶化有关[5，17]。

3 GM影响PD的可能机制

3.1 多巴胺能神经元及多巴胺神经递质的异常 PD病人显著的生化特点是黑质纹状体系统多巴胺能神经递质的不足。研究表明,肠神经系统(enteric nervous system, ENS)也存在多巴胺能神经元[18];大部分PD病人表现出结肠肌间神经丛和黏膜下神经丛的多巴胺能神经元的丢失,有严重便秘的PD病人肠道多巴胺水平更低[5]。在脑外,α突触核蛋白(alpha-synuclein,α-syn)聚集和路易小体最先发现在肠神经元,并先于CNS的变性及运动症状的出现[19]。研究发现,机体约一半的多巴胺是由GM合成的[10]。GM可通过脑肠轴(brain-gu taxis,BGA)调节脑中多巴胺合酶诱导的多巴胺合成。肠道细菌变化可通过改变肠道渗透性而增加α-syn的聚集,后者可损害线粒体,引起黑质多巴胺能神经元和蓝斑去甲肾上腺素能神经元的氧化应激,导致以多巴胺能为主的相关神经元损伤[8]。

3.2 神经炎症机制 肠道菌群分析表明,PD病人产短链脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)等抗炎介质的细菌减少,而促炎作用的细菌增加,提示炎性因素在PD中的重要性。研究表明,PD病人结肠标本中肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-alpha,TNF-α)、白介素6(interleukin-6, IL-6)和 IL-1β等促炎细胞因子的表达明显上调[14]。PD病人普雷沃菌群减少可导致肠黏膜黏蛋白合成减少,肠道渗透性增加,从而增加局部和系统对细菌抗原和内毒素的暴露,进而触发α-syn在结肠的过度表达与错误折叠,导致星形胶质细胞和小神经胶质细胞的活化[9, 20]。研究表明,伴有肠道菌群失调的PD病人,服用米诺环素可通过减少TNF-α的产生,并减少α-syn的聚集,改善胃肠道症状与PD运动症状[21]。SIBO可引起肠道渗透性的改变,后者可促进细菌移位和肠上皮细胞对内毒素的通透性,进而诱发促炎性反应[9]。肠道渗透性的改变也可导致外周低度炎症反应,促进中枢神经炎症和退行性改变[22]。

3.3 免疫机制 研究发现,PD病人ENS存在神经胶质激活[20]。肠道菌群失调可促进α-syn介导的特定脑区小神经胶质细胞的活化[15, 21]。SIBO以及肠道渗透性的增加可导致固有免疫系统的过度刺激,从而诱导肠道神经胶质细胞的活化及α-syn的错误折叠,促进PD的发生与发展[9]。研究表明,SCFAs可透过血脑屏障,以一种目前未知的机制间接地促进小神经胶质细胞成熟[21]。

3.4 内分泌机制 PD的运动症状与非运动症状受到多巴胺、乙酰胆碱、γ-氨基丁酸、去甲肾上腺素、5-羟色胺等诸多神经递质的影响与调控。PD病人纹状体中多巴胺水平显著降低,而乙酰胆碱系统相对亢进,这种递质失衡与肌张力增高、运动减少等运动症状有关。肠道细菌可以合成、释放神经递质。研究表明[15],肠道中的芽孢杆菌可产生多巴胺,特定的乳酸菌属可产生乙酰胆碱;乳酸杆菌和双歧杆菌可合成抑制性神经递质γ氨基丁酸,而埃希氏杆菌属、芽孢杆菌和酵母菌可产生去甲肾上腺素;假丝酵母菌、链球菌属、埃希氏杆菌属、肠球菌属可产生5-羟色胺,提示肠道菌群的变化可能通过改变相应的神经递质产生从而影响机体的功能与PD症状。

3.5 BGA机制 肠道菌群与神经免疫系统联系密切,控制着肠道、外周及脑部的免疫细胞分化与功能成熟[21]。研究发现,肠道菌群失调诱导的PD病理进程从ENS开始,通过迷走神经到达黑质和CNS[5, 8]。因此推测,在大脑与肠道之间存在着一个功能复杂的BGA,可能由肠道菌群及其代谢产物、ENS、迷走神经、神经免疫系统、神经内分泌系统和CNS等组成[23]。BGA不是一个单向的联系系统,而是肠、脑之间信息传递的双向“高速公路”[24-25]。脑的传出信号可调节外围的肠道功能,如肠因子的释放和(或)胃肠收缩,进一步改变了肠道菌群的组成;而肠道菌群可与ENS、传入神经以及CNS作用,通过直接或间接作用于神经元,控制神经递质的产生与释放[26]。研究发现,细菌脂多糖诱导的炎症反应能破坏血脑屏障,实现α-syn在脑、肠之间的双向传递,并增加脑对α-syn的摄取[27]。在α-syn过表达的PD小鼠模型中,干预肠道菌群可改变小胶质细胞的活性,从而双向调节α-syn介导的运动功能和神经炎症[21]。

4 GM及其代谢产物在PD治疗中的应用

近年来,粪菌移植(fecal microbiota transplantation, FMT)作为一种肠道菌群失调的有效治疗方法已受到临床的广泛关注,具体方法是将正常供体的肠道菌群移植到病人体内,以达到重构病人肠道菌群稳态的目的,其机制可能与重建肠道菌群后所产生的抗菌物质如黏附素、免疫调节分子、细菌素等有关[28]。据临床个案报道[29],健康供体的FMT可有效改善PD病人的症状。动物研究发现,用PD病人的肠道菌群移植至缺乏肠道菌群的无菌(germ-free, GF)小鼠可加重运动功能障碍[14]。报道还有趣地发现,一名有典型PD症状(静止性震颤、小写症、肌强直、便秘)的病人,在接受了万古霉素、秋水仙碱和甲硝唑等抗生素治疗后,其消化道症状有所改善,且经过10个月的持续治疗后,其PD相关的神经症状也消失[28]。SIBO的PD病人有更长的关期以及开期延迟或无开期,而使用抗生素根除SIBO后,其运动症状波动得到改善,并且不影响左旋多巴的药代动力学[30]。动物实验表明,过表达α-syn的转基因PD模型小鼠使用抗生素治疗后,表现出神经胶质细胞活化的减少、α-syn包涵体的减少以及运动症状的改善[21]。SCFAs作为一种肠道细菌的代谢产物,在PD病人中是减少的[2, 16],而补充SCFAs可增强肠神经系统的活动,增加胃肠道的运动性能,保护多巴胺能神经元,预防PD的运动功能损害[11]。

5 问题与展望

目前认为,PD的非运动症状尤其是肠道症状早于运动症状出现,肠道微生态失衡可能通过BGA影响PD的发生与发展,但其具体的机制目前尚不清楚。应用GM及其代谢产物治疗PD,目前主要以动物实验为主,临床仅有个案报道,还缺乏多中心、大样本的随机对照研究。此外,肠道微生态失衡是PD的因还是果目前尚不明确,还有待进一步研究。因此,今后应致力于探讨BGA的结构与功能机制,通过更为严谨科学的实验设计,进一步研究肠道微生态失衡与PD之间的关系,并通过探索PD不同表型相关的GM组成特点,构建更精准的GM治疗组方,来重建PD病人的肠道微生态平衡以改善PD症状。尽管这方面的研究目前还处于起步阶段,但我们坚信,该领域的基础与临床研究必将有助于进一步阐明PD的病因及病理机制,给PD病人带来福音。

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