从代谢产物论述肠道菌群与阿尔茨海默病

李虹霖， 齐慧敏， 李书霖， 张 淼， 孙琦月， 佟晓薇， 栾凯迪，朱红奇， 王鑫蕊， 李 雪， 张晓亮, 马祺昊

(1.黑龙江中医药大学，黑龙江 哈尔滨 150040；2.黑龙江中医药大学 附属第二医院，黑龙江 哈尔滨 150001；3.黑龙江中医药大学 第二临床医学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

阿尔茨海默病(Alzheimer′s Disease, AD)是一种常见的老年疾病，是一种神经退行性疾病，起病隐匿，出现记忆力、判断力、注意力持续时间和解决问题的能力受损，随之而来的是严重的失用症和认知能力的全面丧失。该病主要发生于60岁以后，病理表现为严重的大脑皮质萎缩、老年斑三联征及神经原纤维缠结等[1]。根据阿尔茨海默国际(Alzheimer′s Disease International)发布的“2018年阿尔茨海默病报告”[2]，全世界有5 000万AD患者，每3秒即有1人得AD。2050年，AD人口将会上升至1.52亿人。目前治疗AD的花费每年大约1万亿美元，预计到2030年会翻倍。随着人口老龄化加重，AD已成为高发疾病，研究证明肠道菌群(Gut Microbiota, GM)与AD具有相关性。

1 肠道菌群

阴道分娩的婴儿最初是由具有母体特征的菌群(富含乳酸菌和普雷沃特氏菌)定殖的，而剖宫产婴儿的菌落则更接近皮肤菌群(富含葡萄球菌和丙酸杆菌)。微生物群在生命的最初几周内开始多样化，形成一个复杂的、以厌氧菌为主的菌群[3]。 成人的菌群包括拟杆菌门和厚壁菌门，所占比例最高，变形杆菌门和放线菌门所占比例相对较低[4]。肠道微生物群在维持正常肠道环境和通过肠脑轴调节肠道信号方面起着重要作用。肠道微生物群的改变和肠道通透性的增加，可能引起全身炎症、神经炎症和特定脑区域的功能障碍，如小脑和海马[5]，也可能引起胰岛素抵抗，这已被证明与AD的发病机制有关[6-8]。

关于AD的发病机制有很多种假说：①基因突变学说：根据有无家族史，分为家族性AD(FAD)和散发性AD(SAD)，研究证明位于14号、1号染色体上的早老素蛋白1基因(PS-1) 和早老素蛋白2基因(PS-2),位于19号染色体上的载脂蛋白 E(ApoE) 基因，位于21号染色体上的21号染色体上的 APP 基因与 AD 的发病有相关性[9]；②β淀粉样蛋白学说：Aβ在脑组织中的异常沉积可以产生神经毒性，导致AD的发生；③Tau蛋白学说：AD 特征的病理改变有细胞外老年斑的形成及细胞内神经原纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFTs)[10]，NFTs最主要的成分是异常过度磷酸化的Tau蛋白，已有研究表明，异常的 Tau 蛋白大量聚集于退行性病变的神经元与AD病人的病情发展呈正相关[11]；④炎症学说：胶质细胞与星状胶质细胞作为促炎症因子，可以引起脑内神经细胞的异常凋亡，从而导致AD的发生；⑤胆碱能损伤学说：在患者尸检中发现，老年脑和AD患者皮质的乙酰胆碱 (Ach) 的含量显著下降，胆碱能神经元明显减少[12]。

目前，已有研究表明肠道菌群参与AD的发生，当肠道菌群发生改变时，不仅影响肠道神经系统，还影响中枢神经系统以及大脑功能。随着年龄的增长，人体内的菌群种类及数量也发生改变，如老人体内双歧杆菌的含量要远低于儿童，双歧杆菌具有抗衰老的功能，补充双歧杆菌可在一定程度上预防衰老引起的认知障碍[13]。某些肠道菌群可以产生淀粉样蛋白或其降解物，激活释放炎症因子，引起细胞凋亡，这些都与AD的发生有关[14]。肠道菌群与血脑屏障形成以及髓鞘形成等神经生成过程有关，并调控动物行为和认知等[15]，部分肠道菌群的改变可以增加血脑屏障的通透性，使某些不能进入的物质进入脑实质，对神经元细胞造成影响。Aβ和脂多糖(lipopolysaccharide，LPS) 的重要来源是肠道菌群，其中革兰阴性杆菌可产生大量的 LPS，LPS可以引发神经炎症，影响AD患者的认知功能[16]。因此，肠道菌群的多样性以及某些特定菌群的数量与AD相关，肠道菌群可以通过影响血脑屏障，引发神经炎症等参与AD的发病。

2 肠道菌群的代谢产物与AD的相关性

在19世纪80年代，“肠-脑轴”这一概念被首次提出[17]。之后越来越多的证据表明，胃肠道是连接微生物和中枢神经系统的渠道[18]，且中枢神经系统和肠道微生物之间存在着双向沟通作用[19]。肠-脑轴是指中枢神经系统与肠道菌群之间的双向影响的联系方式，包括中枢神经系统(CNS)、神经内分泌和神经免疫系统、自主神经系统(ANS)的交感神经和副交感神经手臂(ANS)、肠神经系统(ENS)，其中最重要的是肠道微生物群[20]。

2.1 代谢产物三甲胺N-氧化物(TMAO)

肠道菌群通过代谢食物和宿主来源的底物，产生生物活性化合物(如G蛋白偶联受体激动剂)、生物前体和毒素而影响人类健康和导致疾病的发生，菌群代谢产物三甲胺N-氧化物(TMAO)参与身体代谢，与心脑血管疾病有关。Nicholas等[21]研究表明，TMAO的生产是通过两步进行的。首先，肠道菌群通过酶作用从食物(如胆碱)中代谢分解产生三甲胺(TMA)，三甲胺进入机体循环，在肝脏中被含黄酮类的单加氧酶1和3 (FMO1和FMO3)氧化为TMAO。TMAO在脑脊液(CSF)中是可测量的，表明这种肠道菌群的代谢物可以到达中枢神经系统(CNS)，从而引发神经系统疾病。在此研究中，有证据证明AD患者脑脊液中TOMA含量升高，并且年龄越大，CSF中TMAO含量越高。同时发现TMAO与p-tau以及p-tau/Aβ42有关,表明TMAO可能与淀粉样沉积密切相关。而且TMAO也与神经轴突损伤相关，而与树突变性无关，尽管TMAO可能不是淀粉样蛋白产生的主要驱动因素，但它可能会影响脆弱的神经元，并导致神经退行性病变，从而导致AD的发生。Li等[22]研究发现，在大脑中TMAO可以诱导神经元衰老，增加氧化应激，损害线粒体功能，增加衰老细胞的数量，与脑老化有一定关系。血管因素越来越被认为是AD的重要致病因素，研究表明，TMAO与动脉粥样硬化存在一定的因果关系[23],因此，TMAO在AD的发病机制中的作用之一是通过影响血管状态，增加脑血管疾病风险。代谢产物TMAO通过导致神经轴突损伤和改变血管状态，引起神经系统疾病。

2.2 代谢产物γ-氨基丁酸(γ-Aminobutyric acid, GABA)

机体内谷氨酸盐可以被乳杆菌属、乳球菌属和双歧杆菌属细菌转化为GABA。GABA是哺乳动物大脑中最重要的抑制性神经递质, 其神经元约占人体神经元总量的25%～30%, 且在调控兴奋电位传导中具有重要的作用[24]。GABA可抑制大脑中兴奋性神经元，防止不受控制的超兴奋(如癫痫发作时的兴奋)，从而维持神经系统正常活动。AD的发病机制中，有淀粉样级联假说(推测Aβ肽在脑实质中沉积是AD发病的关键)， Aβ肽由淀粉样蛋白前体蛋白(APP)通过β-分泌酶β位点APP切割酶1(BACE1)和含早老素的γ-分泌酶复合物的连续切割产生。APP通过两种方式直接调节GABA神经传递[25]，一是APP可与神经元特异性氯化钾协同转运蛋白相互作用并调节其水平和活性，后者是维持神经元氯化物水平和GABA逆转电位的关键；二是APP复合物与携带GABAB受体1a(GABABR1a)的GABAB受体二聚体共同转运至轴突突触前质膜。另一方面，由分泌酶切割产生的分泌的APP可以充当调节突触前囊泡释放的GABABR1a结合配体。肠道菌群代谢产物GABA可以抑制大脑兴奋性神经元，与Aβ肽的前体APP相互调节，影响人体的认知功能。

2.3 代谢产物乙酰胆碱(Acetylcholine，Ach)

在AD的发病机制中胆碱能学说是最被人们所认可的，大多被美国食品和药物管理局(Food and Drug Administration，FDA)认可的药物也都是根据胆碱能学说制定的。在中枢神经系统中，长轴突胆碱能通路的变性是AD的重要病理机制之一，神经递质Ach的主要工作是进行骨骼肌和运动神经之间的信息传递，与AD密切相关[26]。肠道菌群中乳杆菌属、芽胞杆菌属的代谢产物中有Ach，研究表明[27], 当机体受到刺激时,大脑内胆碱能神经元被激活, 使大脑、海马及大脑皮层等区域的Ach释放，并且Ach是进行及维持高级神经系统功能的一种重要介质, 可特异性作用于各类胆碱受体,与记忆、学习、注意等认知活动密切相关。当海马和大脑皮层等主管认知的区域受损，可以引起认知功能水平下降甚至可以直接导致痴呆。证明脑内Ach水平可以影响人体的认知功能，从而导致AD。在前期研究中发现[28],头穴丛刺通过干预cAMP-PKA-CREB信号通路，激活cAMP,促进PKA的释放，增加CREB的表达,降低乙酰胆碱酶(AchE)的活性，增加Ch AT(催化Ach生物合成的限速酶)，从而提高AD大鼠学习记忆能力。综上，肠道菌群代谢产生Ach，改变体内神经递质Ach水平，可以影响学习记忆能力。

2.4 代谢产物β-甲基氨基-L-丙氨酸(BMMA)

肠道菌群中蓝细菌纲的细菌可以代谢产出β-甲基氨基-L-丙氨酸(BMMA)，BMAA是一种天然的、非必需的、非蛋白质性氨基酸[29]，其具有神经毒性，可损伤神经元，这可能与蛋白质的错误折叠有关。关于BMAA对AD等神经系统退行性疾病的影响，Laura等[30]研究分析结果证明，BMAA暴露后的大鼠背侧纹状体(尾状核和壳核)出现了严重的神经元丢失，同时BMAA暴露于雌性大鼠的前额叶皮质也有β淀粉样沉积。β-淀粉样蛋白从海马向前额叶皮质的扩散，与观察到的神经元丢失分布相对应，表明BMAA诱导的雌性大鼠神经病理学的进展速度可能与雄性大鼠不同，或者说雌性大鼠的前额叶皮质更易受到BMAA的毒性影响。应用免疫组织化学方法观察了BMAA暴露后大鼠的神经炎症反应，所有雄性和雌性大鼠有持续的炎症过程，表现为海马内存在反应性小胶质细胞。在张瑜[31]的研究中，BMAA导致大鼠脊髓细胞肿瘤坏死因子α(TNF-α)和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)蛋白的表达上调，结果同时存在胶质细胞的反应性增生，大鼠体内持续进行免疫炎症反应，可能导致神经元减少或退变，从而导致神经系统退行性疾病。因此，代谢产物BMMA可以造成神经元丢失，产生β淀粉样沉积，同时刺激胶质细胞增生，引起神经系统退行性疾病。

2.5 其他代谢产物

肠道菌群中其他属的微生物也可以对神经系统产生影响。大肠埃希菌、乳酸菌、链球菌等微生物可以代谢产生多巴胺 (dopamine,DA)，DA属于儿茶酚胺类神经递质，有研究证明，在海马区有多巴胺D1和D2受体,且以D1受体为主[32]，对学习记忆能力及相应认知过程起着重要作用。一些植物多糖不能被机体完全消化，肠道菌群(其中醋杆菌和乳酸菌起主要作用)把它分解成短链脂肪酸(short chain fatty acid，SCFA)，SCFA可以参与AD的发病。Feng等[33]运用果蝇模型试验发现，AD果蝇模型中肠道菌群种类增加，乙酰杆菌和乳酸菌作为较丰富的菌群，其比例明显下调，乙酸酯作为AD果蝇模型中最丰富的SCFA，特异性表达明显下降。说明肠道菌群通过调节SCFA水平参与AD的发病。

一些菌群的代谢产物对神经系统疾病存在抑制作用，如梭菌属中生孢梭菌可以利用色氨酸的脱氨反应产生3-吲哚丙酸[34]，它是一种抗氧化剂，可以保护神经元。Wekerle[35]研究表明，通过补充色氨酸代谢物吲哚、3-吲哚硫酸酯(I3S)、3-吲哚丙酸(IPA)、3-吲哚醛(IAld)或细菌酶色氨酸酶，使用抗生素治疗小鼠的中枢神经系统炎症，其症状减轻。

3 展 望

本文综述了肠道菌群代谢产生TMAO、GABA、Ach、BMMA、DA、内毒素等，这些产物通过不同的机制影响AD，如TMAO通过参与机体代谢，穿过血脑屏障，影响中枢神经系统；GABA、DA与Ach是重要的神经递质，参与学习记忆过程；BMMA是一种具有神经毒性的氨基酸，可损害神经元；内毒素等物质可以引发免疫炎症反应，损害神经系统。以上代谢产物都对AD有一定的影响，虽然提出了代谢产物影响AD的机制，但还不甚明确，还需要进一步循证医学的支持。同时AD是一种多因素影响的疾病，针对单因素治疗的效果不甚明显，需要根据多靶点，多因素结合治疗。是否通过GABA、DA以及Ach等改善AD患者的认知；TMAO作为一种代谢氧化物，是否可以作为治疗AD的靶点，是否可以通过改变肝脏内FMO1和FMO3酶或改变TMAO的氧化途径来减少其产生从而治疗AD；因蓝细菌纲代谢产物BMMA可以损伤神经元，是否可以通过减少蓝细菌纲的数量或阻断代谢途径治疗AD；梭菌属代谢产生吲哚酸类，可以保护神经元，是否可以通过增加生孢梭菌数量或调节色氨酸对神经元进行抗氧化处理，以上还需要进一步实验研究证明。

肠道菌群可以通过自身代谢产物来影响中枢神经系统，导致脑内病理性改变，从而导致AD，肠道菌群作为一个热点，有很多学者在进行肠道菌群的研究，着眼肠道菌群论治AD，通过改善肠道环境治疗AD。如蔡秋伶[36]提出脾胃虚弱也是AD的病因之一，对于AD来说，病位在脑，根在脾胃，脾为生痰之源，痰蒙清窍也可导致AD，通过健脾养胃，调节脾胃功能影响肠道菌群，从而治疗AD。王颖[37]用柴胡疏肝散处理APP/PS1AD小鼠后发现小鼠肠道菌群中梭菌属、罗氏菌属、拟杆菌属的菌群均有明显降低，逆转了AD小鼠肠道菌群紊乱，缓解小鼠脑内老年斑的形成，证明柴胡疏肝散对AD有一定的治疗作用。宋楠[38]研究证明矢车菊素-3-O-葡萄糖苷(Cy3G)可以用于缓解包括AD在内的神经系统疾病，Cy3G具有调节脑糖代谢异常以及调节肠道菌群紊乱，有助于改善认知，预防和缓解AD。APPswe/PS1△E9AD小鼠被Gy3G处理后8周，小鼠空腹血糖水平降低，海马区糖代谢异常情况得到缓解，减缓了小鼠脑萎缩程度，抑制了老年斑的形成，改善了认知功能。同时Gy3G可以降低肠道菌群中蓝藻细菌，厚壁菌门/拟杆菌门的丰度，改变AD小鼠肠道菌群群落种类及结构，调节肠道菌群紊乱。

我们在前期研究中发现，头穴丛刺可以调节蛋白以及干预胆碱能系统，改善学习记忆功能，从而改善AD的症状。当今社会，人口老龄化日益加重，AD患者也在逐年增加，给个人、家庭以及社会都带来了负担。尽管肠道菌群与中枢神经系统的关系有待进一步研究，但通过肠道菌群和AD的关系，提出是否可以运用中医特色方法(例如针灸)调节肠道菌群来改善人的认知，从而改善AD症状，这为AD的防治提供了新的方向。