高热量饮食诱导的肠道菌群失调与认知功能障碍关系的研究进展

马微波 刘悦文 于莹 郭琪

认知功能障碍是仅次于脑血管病的最常见的神经疾病，以记忆力、注意力、语言能力和执行能力等某项或多项功能受损为主要表现，可分为轻度认知功能障碍和痴呆两个阶段[1]。调查显示，全球约有5000万老年痴呆病人，其中中国的患病人数排全球第一，治疗的总费用排全球第三，仅次于美国和日本[2-3]。因而，对认知障碍的危险因素做到早发现、早干预、早治疗是一件迫在眉睫的任务。现高脂肪、高糖饮食与认知功能障碍间的联系已被证实，但这其中的机制还不是很明确。有研究表明，肠道菌群失调可能在高热量饮食与认知功能障碍的因果关系中起中介作用[4]，脑和肠道通过神经、免疫、内分泌等多种调节机制的双向联结通路构成了脑-肠轴，而肠道菌群失调可通过脑-肠途径影响大脑的可塑性和认知功能，但确切的机制尚未阐明。本文总结了目前的证据，将饮食和肠道菌群对认知功能的影响及可能机制进行了介绍和讨论，并对肠道菌群在认知领域的应用进行了展望，以期为认知障碍的治疗策略建立理论基础。

1 概述

1.1 认知功能障碍的病理特征 认知功能受损的典型病理改变为大脑皮质海马等部位广泛出现老年斑、神经原纤维缠结及突触和神经元的缺失。β-淀粉样蛋白(β-amyloid protein，Aβ)作为老年斑的中心，主要由Aβ1-42组成。而增多的Aβ1-42 可以激活小胶质细胞，引发炎性反应，同时又能促进Tau蛋白异常磷酸化[5]。大量异常的Tau蛋白聚集可以形成双股螺旋细丝，也就是形成神经原纤维缠结最主要的成分，因其具有神经毒性而损害神经元突触传递，最终导致神经元死亡[6]。因此，Aβ在大脑皮质层的异常沉积是认知功能障碍发生的关键因素之一。

1.2 肠道菌群 健康成人体内的细菌主要是厚壁菌门和拟杆菌门，占到细菌总数的80%～90%。肠道菌群代谢产物主要是短链脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)，可促进肠道黏液的生成，保护肠道黏膜屏障，同时还具有抗炎功能[7]。因此，肠道菌群在维持宿主肠道防御和免疫耐受方面发挥着关键作用。此外，肠道菌群还可通过分泌信号分子、激活迷走神经和调节免疫系统来影响大脑的活动，因而一旦菌群失调，便会破坏脑-肠轴系统的稳定，成为免疫系统及神经系统疾病发生的关键因素。

2 肠道菌群与饮食的相关性

2.1 饮食对肠道菌群的影响 饮食种类和营养成分的多样性，特别是长期饮食习惯，是塑造肠道菌群的多样性和整体微生物群落至关重要的环节，而不合理的营养和饮食摄入可破坏微生物的多样性。如高脂、高糖饮食可能促进肠道微生物群的生态失调，从而促进全身性炎症。

Mariat等[8]及Fava等[9]的研究发现，长期高脂肪饮食会增加厚壁菌门与拟杆菌门的比例，且会使变形菌门的革兰阴性菌的数量增加。革兰阴性菌的外膜由脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)组成，其为人类先天免疫受体Toll样受体4(toll-like receptor 4,TLR4)的配体，一旦被TLR4识别便会导致促炎细胞因子分泌水平增加。此外，有研究进一步发现，短期食用完全由动物产品组成的饮食会迅速改变肠道微生物基因的表达。David等[10]的小鼠实验表明，以动物为基础的饮食除了会导致肠道中耐胆汁微生物群的增加和厚壁菌门数量的减少，还会因摄取较多的饱和脂肪分泌胆汁酸来刺激亚硫酸盐还原菌的过多生长，且编码亚硫酸盐还原酶的微生物DNA和RNA的丰度也显著增加。这些研究说明,高热量饮食明显改变了肠道中微生物赖以生存的环境，影响正常菌群的代谢及生长繁殖，从而出现菌群失调。

2.2 肠道菌群参与糖、脂的代谢 微生物和宿主代谢之间的关系是双向的，肠道菌群具有调节膳食脂肪组成、消化和吸收的能力，能改变肠道脂蛋白的形成。而一旦肠道菌群失调导致慢性低水平炎症状态，便会影响脂肪的代谢。Backhed等[11]报道了传统饲养小鼠的体脂肪量比无菌(germ-free，GF)小鼠高40%，GF小鼠与经抗生素处理的小鼠的脂蛋白水平也存在明显差异。另有研究发现，高脂食物喂养的GF小鼠会发生脂肪吸收的抵抗现象，而传统饲养组小鼠则表现出更高的脂质吸收[12-13]。

血糖、胰岛素和胰岛素抵抗(IR)是由肠道菌群中共生体组成的改变引起的，这一概念已经得到了广泛的关注。Anhe等[14]发现，在小鼠体内的库氏假单胞菌可促进胰岛素抵抗，加重葡萄糖耐受不良，增加循环支链氨基酸(branched chain amino acid，BCAA)水平，肠球菌水平也与BCAA和血糖控制有关，且含LPS的革兰阴性细菌似乎对糖代谢异常等疾病提供了关键的配体。此外，另有研究证实粪便菌群中变形杆菌的数量高，与较高的餐后血糖反应和胰岛素敏感性受损有关[15]。总之，对饮食和菌群关系的探讨与挖掘有利于为神经或消化系统的药物治疗及饮食方案的改变提供新的思路。

3 肠道菌群失调与认知功能障碍

3.1 肠道菌群影响认知功能的机制

3.1.1 炎症刺激：长期服用高脂饮食会使神经炎症标记物的水平升高而影响到认知功能，这已成为动物研究及临床报告的一种共识。同时，高脂饮食还会通过改变部分肠道菌群水平，从而影响神经炎症和认知结果。由肠道菌群诱导产生或Toll样受体免疫应答所释放的促炎性细胞因子可通过自由扩散或经血脑屏障转运到脑内相关区域从而影响大脑功能，如TNF-α、CRP、IL-1β和IL-6等[16]。而促炎性细胞因子的产生可导致大脑小胶质细胞激活，这是一种中枢神经系统的单核吞噬细胞，在维持中枢神经系统稳态方面发挥着重要作用。长期高脂肪饮食可导致小胶质细胞的形态发生改变，出现神经炎症增加、神经细胞凋亡和Aβ蛋白沉积等一系列有损认知功能的变化[17]。

3.1.2 胰岛素抵抗：胰岛素可通过饱和转运体穿过血脑屏障，具有一定的抗炎功能。已有研究显示其可参与淀粉样蛋白的代谢，通过胰岛素降解酶分解Aβ蛋白，且胰岛素信号传导被证明可以改善认知功能和神经元可塑性[18]。但高热量饮食引起的肠道菌群的改变会损害周围胰岛素敏感性，通过升高的促炎细胞因子破坏外周组织中的胰岛素信号传导、诱导B细胞功能障碍或内质网应激信号通路而导致IR。而IR被认为可能是导致认知功能障碍发生的始动因素，但目前机制仍不明确，可能涉及到影响海马突触的可塑性及淀粉样蛋白代谢，Tau蛋白浓度升高及影响脑部炎性反应等方面[19-20]。Agrawal等[21]研究发现，在果糖诱导的IR模型中，Tau蛋白磷酸化作用明显增强，在破坏小鼠中枢胰岛素敏感性的同时也损害了海马中的胰岛素受体功能并降低海马相关的空间记忆。总之，这些机制的发现为认知功能障碍的治疗提供了有利的线索。

3.1.3 肠道和血-脑屏障(blood brain barrier,BBB)的损伤：肠道屏障由特化的半透性黏膜和上皮细胞层组成，这些细胞层由紧密连接蛋白增强。高脂饮食摄入会降低近端结肠中紧密连接蛋白-1和跨上皮细胞的水平，这两种是肠道屏障功能障碍的标志[22]。当菌群失调引起黏膜通透性改变出现肠道渗漏时，肠道菌群所产生的淀粉样蛋白，会直接进入到神经系统中，最终可能会诱导神经炎症或分子模仿影响脑内Aβ蛋白沉积[23]。同时，肠屏障受损也会导致肠道受到革兰阴性细菌衍生的LPS的伤害，一旦LPS进入循环系统，就会促进内毒素血症和全身性炎症的发生。实际上，维持高脂饮食4周的小鼠，其循环系统中LPS水平可增加3倍，同时肠道通透性也会增加，以紧密连接蛋白-1和闭合蛋白的mRNA表达降低为主要表现[24]。

BBB由内皮细胞、外周细胞和神经胶质细胞组成，是进入血液的营养物质和大脑功能所需化合物的关键调节剂，同时还可阻止有害的血液来源毒素的进入。Hargrave等[25]的研究中，按照肥胖表型将大鼠分为饮食诱导肥胖组(diet-induced obese，DIO)、饮食诱导抵抗组(diet resistant，DR)和正常对照组，观察DIO组和DR组在高脂和高糖饮食下暴露10 d、40 d和90 d后的BBB通透性的变化情况，及在Y迷宫中的海马记忆功能。结果显示，在整个研究过程中，正常对照组和DR组的大鼠都可依赖位置策略在Y迷宫中表现较好，但DIO大鼠只在第10天和90 d表现出反应策略，其背侧纹状体和海马的多个亚区出现BBB渗漏，但DR组和正常对照组的大鼠没有出现BBB渗漏。该研究揭示了高脂饮食诱导的BBB损伤或许与认知缺陷有因果关系，且BBB损伤和记忆障碍的程度可能取决于高脂饮食的持续时间和肥胖表型。

3.2 认知功能障碍者的菌群特点 Bajaj等[26]的研究发现，老年病人的认知能力与变形菌门下的肠杆菌科的相对丰度呈负相关，与厚壁菌门下的乳酸杆菌相对丰度呈正相关。Araos等[27]通过微生物分析方法，发现认知障碍者肠道菌群的多样性极度减少，除了变形杆菌的丰度较高，双歧杆菌和SCFAs的产生显著降低。而变形杆菌丰度一旦过度增长，便会使内部固有菌群抵抗外来病原菌定殖的能力下降，进一步促进炎症反应和病原体入侵[28]。有关胃肠道微生物群向人类中枢神经系统信号传导的最新研究报道，在AD病人的海马和颞叶新皮质组织提取物中检测到革兰阴性细菌衍生的LPS，且与年龄匹配的对照组相比，一些晚期AD病人海马中的LPS增加了26倍[29]。这些发现说明,认知障碍病人存在明显的肠道微生物群特征，表征为厚壁菌门的代表性降低，变形菌门的代表性增高，进而出现生态失调。

4 肠道菌群在认知领域的有效运用

4.1 益生菌/益生元 肠道微生物群和认知之间还存在对人体有利的机制联系。益生菌是活的微生物，当摄入足够的量时，会对宿主的健康产生益处。有研究对代谢紊乱的大鼠进行观察，发现益生菌的应用逆转了突触活性的下降，并恢复了海马长时程增强(LTP)的紊乱，大鼠的学习和记忆能力也有所改善[30]。另一方面，益生元是不可消化的食物材料，可通过肠道菌群发酵，从而选择性地增强微生物的生长和活性，并促进SCFAs的产生。最常用的益生元是寡聚果糖，例如龙舌兰菊粉。龙舌兰菊粉通过刺激粪肠球菌的生长和活性，可降低肠道中促炎细胞因子的浓度。还有研究发现，茶皂素、低聚果糖、黄芩素等益生元，也可有效预防痴呆小鼠认知症状的恶化[31]。如上所述，益生菌在调节宿主的生理功能，如免疫、炎症和新陈代谢等发挥了显著的作用，但益生菌定植具有明显的个体、部位和菌株差异性，因而益生菌对认知功能的改善能否达到预期的效果尚待研究。

4.2 粪菌移植 粪菌移植是通过重建肠道微生物群来治疗生态失调有关疾病的一种具有极大潜力的方法。已有动物实验表明，粪菌移植治疗不仅可以逆转转基因小鼠的肠道菌群和SCFAs变化，还可以改善小鼠的认知缺陷并减少Aβ蛋白的沉积及Tau蛋白磷酸化[32]。因此可以预想，将健康人粪便菌群移植到痴呆病人体内，可以帮助恢复肠道菌群，减少肠道菌群失调对肠道和大脑功能的负面影响。总之，粪菌移植用于认知功能障碍的防治具有极大的可能性及可塑性，被寄予了很大的厚望。但也存在相关治疗风险，比如病原体的感染以及移植微生物带来的不良反应等，因此日后仍需设计不同供体、粪菌移植剂型及剂量和长期随访研究以进一步明确粪菌移植在认知领域的应用价值。

4.3 肠菌代谢产物 肠道菌群代谢产物包括脂肪酸、氨基酸、尿石素以及姜黄素等，通过构成一个丰富的网络信号影响菌群和宿主间的相互作用。代谢产物可以诱导或抑制细菌的定殖抵抗，长期维持新引入微生物的定殖力，因此可以补充益生菌或粪菌移植的治疗效果。Yuan等[33]报道，肠道菌群衍生的代谢物尿石素可以预防AD线虫模型中的Aβ蛋白原纤维化。尿石素源自鞣花单宁，可在石榴提取物和果汁中发现，可能发挥重要的神经保护作用。此外，姜黄素被证明能诱导肠道菌群中具有抗炎特性的菌群表达增加，发挥独立的抗氧化活性，特别是对中枢神经系统，可减弱LPS的吸收，并抑制Tau蛋白聚集。以上这些证据体现了有益菌群代谢产物的良好治疗前景，但诸如宿主的肠道菌群和代谢产物是否会发生不可预计的相互作用，加重肠道菌群失调或者改变菌群的生化特性等很多问题亟需解决，而这些问题的解决还需更多的试验研究来探索。

5 小结

综上所述，微生物群与饮食习惯和认知功能之间存在紧密的相互作用。高脂、高糖饮食诱导下的肠道菌群失调可引发全身性炎症，以神经炎症、IR和BBB的损伤这3种机制为主，通过脑-肠轴对大脑的神经产生影响，致使认知功能障碍的发生。诸如微生物制剂、粪菌移植和肠菌代谢产物等方法用于认知领域的潜在价值已经凸显，为认知障碍等疾病的防治提供良好的促进作用。饮食干预可能会引发肠道细菌的结构和功能改变，而将统一的食品观念转变为特定人群和特定环境的个性化营养可能成为预防或纠正代谢紊乱，甚至改善炎症、延缓认知障碍的一个新兴领域。