肠道菌群与帕金森病相关性的研究进展

刘欣，刘忠于，陈晖娟，马丽

1中国人民解放军联勤保障部队第九八九医院科研部/全军肛肠外科研究所/全军重点实验室 河南洛阳471000

2中国人民解放军联勤保障部队第九八九医院检验科 河南洛阳471000

早在2000多年前被誉为现代医学之父的古希腊哲学家希波克拉底就曾提出“万病之源，始于肠道”。随着医学的发展，已有众多研究结果显示肠道菌群或许会通过一种特殊的“脑—肠轴”来影响机体的大脑结构以及大脑相关疾病的发生，如阿尔茨海默病、帕金森病、多发性硬化、肌萎缩侧索硬化等神经系统疾病[1-3]。随着研究越来越深入，研究者进一步明确肠道菌群的紊乱与人们罹患神经系统疾病的风险、活跃程度和病情发展相关联。本文通过回顾近期的文献研究报道，将肠道微生态与帕金森病相关性的研究进展做一综述。

1 帕金森病

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是仅次于肿瘤、心脑血管疾病的中老年人健康和生命的“第三杀手”，是人类第二大慢性神经退行性疾病。它以α-突触核蛋白异常聚集和黑质多巴胺能神经元变性坏死为主要病理特征。临床表现为运动症状（如静止性震颤、行动迟缓、肌强直、姿势步态障碍等）和非运动症状（如便秘、胃肠功能紊乱、焦虑、抑郁、睡眠障碍、认知障碍及精神异常等），严重影响患者的生活质量[4-5]。

2015年全球疾病负担、伤害和危险因素研究指出，所有的神经系统疾病中帕金森病的发病率、致残率和死亡率是增长最快的。1990年至2016年，全世界PD患者数量从250万增加到610万，据保守预测到2050年全球患病人数将达到1 200多万[4]。

2 肠道菌群

肠道菌群是指定植在动物肠道内的全部微生物，包括细菌、真菌、病毒等，其中以细菌为主，占90%以上。各菌种之间相互依存、相互制约，与宿主之间保持着共生关系，共同维护着宿主的生理平衡。健康的肠道菌群对维持机体的营养物质代谢、机体发育、增强免疫力以及抗衰老、提高肿瘤免疫治疗效果等方面至关重要[5-6]。肠道菌群结构复杂，主要由四种细菌门类构成，其中以厚壁菌门为主（占50%～75%），其次是拟杆菌门（占10%～50%）、放线菌门（占1%～10%）和变形菌门（常少于1%）[7]。正常情况下，肠道菌群与宿主之间处于一种相对平衡的状态，当肠道菌群失调时会引起肠道功能紊乱诱发一系列疾病。国内外诸多研究均已证实肠道菌群与神经退行性疾病密切相关[8]。

3 肠道微生物—肠—脑轴

大脑可通过固有层细胞（肠嗜铬细胞、神经元和免疫细胞）释放信号分子或通过改变胃肠道动力、分泌物和肠道渗透性直接或间接影响微生物的构成。肠道微生物亦可通过释放细菌底物、代谢产物和肠道内分泌因子等与免疫调节通路、迷走神经调节通路、神经内分泌调节通路、代谢系统调节通路、内分泌调节通路相互作用，实现与大脑互动交流，影响大脑的发育及功能，形成“肠道微生物—肠—脑轴”双向交流的新通路[9-10]。

4 帕金森病与肠道菌群

4.1 帕金森病起源于肠道

早在2003年，Braak等[11]就提出了“帕金森病起源于肠道”这一假说。对散发帕金森病患者进行尸检发现大脑α-突触核蛋白最早出现在肠道神经系统和迷走神经运动背核，数年后才出现在中枢神经系统。Braak和Del[12]认为帕金森病的病理改变源于肠道神经系统，并且通过遍布胃肠道的迷走神经自下而上传播至中脑黑质及大脑皮质等中枢神经系统。这一假说为帕金森病和肠道功能紊乱以及肠道菌群的关系研究奠定了理论基础。2014年Holmqvist等[13]首次在小鼠模型中证实，无论是将帕金森病患者尸脑裂解液（含异常折叠的α-突触核蛋白）还是人工重组的单体、寡聚体或原纤维形式的α-突触核蛋白注射到小鼠肠道，各种形式的α-突触核蛋白均能够沿着迷走神经进入大脑。2017年Liu等[14]也发表过一项基于大规模人群的研究，结果显示迷走神经被切断的人群帕金森发病风险降低了32%。2018年《科学—转化医学》杂志上的一项研究发现，阑尾切除后帕金森病发病风险降低19.3%，与没有切除阑尾的帕金森病患者相比，30多年前做过阑尾切除术的患者发病年龄平均晚了3.6年，为肠道起源学说再添力证[15]。2019年Kim等[16]将人工合成的错误折叠的α-突触核蛋白分别注射到十只健康小鼠的由迷走神经密集支配的幽门肌肉层和十二指肠，然后在注射后的1个月、3个月、7个月和10个月分别观察小鼠外周神经和大脑中有害α-突触核蛋白分布和水平，发现α-突触核蛋白最初聚集在迷走神经与肠道相连处，继而扩散到大脑。小鼠出现了抑郁和焦虑迹象，同时嗅觉功能、空间学习和记忆与认知能力等也出现障碍。然而，切断小鼠的迷走神经后有害α-突触核蛋白就不能进入小鼠的大脑，这表明，有害α-突触核蛋白可沿着迷走神经进入大脑。

4.2 肠道炎症与帕金森病

数年前已有研究发现帕金森病的发病和炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD） 密切相关。我国一项回顾性临床队列研究发现IBD与PD的发病率增加有关[17]。Wan等[18]在一项系统综述中发现年龄较大的IBD患者有较高的PD风险。丹麦一项全国性队列研究[19]（1977—2014年）中也发现，与非IBD患者相比，IBD患者发生PD的风险增加了22%，而且重度溃疡性肠炎（UC）患者发生PD的风险增加更明显，但克罗恩病（CD）患者则无显著差异。Zhu等[20]发现与对照组相比，UC和CD患者发生PD的风险均增加。另外，也有一些研究得出了相反的结论，Fujioka等[21]在876名PD患者中仅发现2名CD患者，与一般人群的发病率相当，而且在一些新诊断的PD病例中PD的发病甚至与CD或UC呈负相关。尽管迄今为止尚未达成共识，但在探索IBD与PD发病相关性的所有研究的最新数据中都表明IBD增加了PD的发病风险。然而，关于IBD如何触发PD发病的潜在机制仍不清楚。

4.3 帕金森病患者肠道菌群的特点

2015年芬兰科学家Scheperjans等[22]首先报道帕金森病患者有肠道菌群紊乱，发现普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）丰度在帕金森病患者样本中较健康对照组下降77.6%。普雷沃氏菌科细菌有利于机体吸收更多有神经刺激作用的短链脂肪酸、硫胺素、叶酸等，该菌型缺乏会导致相应的营养素合成水平降低，并且其丰度降低会使粘蛋白合成减少从而增加肠道渗透性，使肠黏膜下神经丛更容易受到外界病原体的侵扰[23-24]。同时上述研究还发现具有运动功能障碍（如姿势不稳、步伐艰难）表现的帕金森病患者体内肠杆菌科细菌数量远多于以震颤为主的帕金森病患者，且与症状严重程度呈正相关[22]。肠杆菌科细菌的增加使血清中脂多糖（LPS）水平升高，LPS可通过激活TLR4跨膜信号转导通路和胞内的NF-κB、MAPK这两个信号通路使机体产生细胞炎症因子导致机体炎症性疾病的发生。LPS和细胞炎症因子如TNF-α、IL-1β和IL-6破坏血脑屏障并促进α-突触核蛋白的沉积，肠杆菌科细菌的增多与帕金森病的进展密切相关[25-26]。

Keshavarzian等[27]发现帕金森病患者的粪便样本和结肠黏膜样本中产丁酸盐的具有抗炎作用的布劳特菌属（Blautia）、罗氏菌属（Roseburia）和粪球菌属（Coprococcus）显著减少。赵程等[28]也得出了与此相一致的结论。丁酸是一种具有抗炎作用的短链脂肪酸，对保护肠道黏膜屏障和肠道菌群与宿主之间的免疫应答和免疫调节功能具有重要作用。它可以保持肠道上皮的完整性、调节肠内免疫应答反应、降低肠道氧化应激水平、减轻DNA氧化损伤、降低人体炎症水平，是肠道黏膜的生长诱导剂和炎性抑制剂[29]，其显著减少会使肠黏膜屏障通透性增加，导致肠黏膜在内毒素中暴露增加引发炎症反应，进而通过免疫炎性机制启动大肠肌间神经元α-突触核蛋白的错误折叠和聚集，成为诱发帕金森病病理改变的因素之一[30-31]。α-突触核蛋白在游离状态下呈无序可溶性的未折叠单体结构，当表达增加或基因突变时则可转化为不溶性的β-折叠纤维体结构，形成寡聚体和多聚体。寡聚体和多聚体形式的α-突触核蛋白可通过氧化应激等多种途径导致多巴胺能神经元损伤[32]。帕金森病患者肠道产丁酸菌减少导致肠道氧化应激水平升高，从而诱导α-突触核蛋白寡聚化，这是帕金森病病理改变的又一重要因素[33]。

Lin等[34]发现PD患者的菌群中疣微菌门（Verrucomicrobia）、牧斯皮氏菌属（Mucispirillum）、卟啉单胞菌属（Porphyromonas）、乳杆菌属（Lactobacillus）、副拟杆菌属（Parabacteroides）等占主要部分，而健康人的菌群中普雷沃氏菌属丰度更高；无颤抖症状的患者的拟杆菌属丰度显著高于有颤抖症状的患者，且其丰度随着运动症状严重程度的加重而增加，这项研究揭示了PD患者肠道菌群的改变与其临床表型和严重程度的相关性。

以上研究虽显示PD患者与正常健康对照组之间肠道菌群存在差异，但菌群结构随着时间的推移以及疾病的进展其稳定性还有待进一步分析。Aho等[35]分两次收集了64名帕金森病患者和64名对照受试者的临床数据和粪便样本，平均间隔为2.25年。他们将患者与对照组以及病情稳定的患者与病情进展较快的患者进行了比较。校正混杂因素后发现患者中双歧杆菌属增加、罗氏菌属和普氏菌属减少，但在不同时间点之间没有显著差异，基线时的差异在两年后依然存在；而疾病进展较快的患者则以厚壁菌门肠型为主，而普氏菌属的丰度更低。该研究首次表明患者的菌群特征在总体上保持稳定，并发现了肠道菌群与疾病进展之间存在联系的证据，但相关发现仍需在更长的时间尺度上进行确认。

5 粪菌移植治疗帕金森病

粪菌移植（fecal microbiota transplantation，FMT）作为一种新兴的微生态疗法已应用于包括代谢性疾病、神经精神类疾病、自身免疫性疾病、过敏性疾病和肿瘤在内的许多先前预期之外的领域并取得了一定的疗效[36]。2016年Cell杂志上的一项研究显示，被移植PD患者肠道菌群样本的无菌小鼠与移植健康个体粪便样品的无菌小鼠相比表现出更明显的PD症状，此结果提示我们或许可以通过调控肠道菌群及其代谢产物来治疗帕金森病[37]。2017年南京医科大学附属淮安市第一医院薛刘军等[38]对一名帕金森病患者进行粪菌移植后，随访发现患者最先缓解的是便秘症状，移植后第4周时Bristol便秘评分由治疗前的10分下降至3分且肠节律增加，第8周时震颤和动作迟缓等运动症状也有了显著改善。2018年广州市第一人民医院Huang等[39]对一位帕金森病合并顽固性便秘患者进行了两次粪菌移植，随后进行了3个月的随访，发现便秘得到了明显的缓解，排便时间从原来的半个小时以上缩短至5分钟；FMT治疗1周后腿部的颤动几乎消失了，尽管静息性震颤在FMT后2个月在右下肢复发，但其严重程度与移植之前相比也有所下降。以上研究虽显示FMT可以改善帕金森病患者的运动症状，但是目前的研究仍局限于个案报道，缺乏大样本量的临床试验验证。因此，在后续的研究中应加大样本量并延长随访时间，为FMT应用于PD患者提供更严谨的科学依据。

6 展望

PD的发病涉及年龄、环境、遗传、氧化应激损伤、线粒体功能障碍、脑动脉硬化、肠道炎症等多种内外因素。肠道菌群可通过多种途径与脑—肠轴进行相互作用，改变肠道中的菌群结构不仅导致代谢改变而且还会影响脑—肠轴。肠道菌群结构改变可以通过调节肠道通透性和氧化应激反应，使得肠道及神经系统出现路易小体病变，导致大脑黑质纹状体的功能被破坏。虽然之前的研究证实了肠道细菌、炎症和帕金森病之间存在联系，但是其间的因果关系和复杂分子机制仍不太清楚。未来应深入研究肠道菌群对大脑功能及行为影响的具体分子机制以及其在PD发病中的病理生理学作用，通过改善肠道菌群来延缓PD的发生和发展。另外，也可根据帕金森患者的肠道菌群特点开发一些功能性饮食方案并使用肠道微生物组来辅助药物治疗。