肠道菌群与阿尔兹海默症关系研究进展

邓 仪，焦守业，陈芙蓉，陈祥娥

（济宁医学院 生物科学学院，山东 日照 276826）

健康人体肠道中有1000多种细菌，不同种类的菌群之间及菌群与宿主之间，形成一个相互依存、相互制约的平衡系统。肠道菌群的稳定和平衡与宿主的营养、生理和免疫功能等都密切相关，研究证实不少疾病如伪膜性肠炎、炎性肠炎、大肠癌，甚至心血管疾病、代谢症候群、肥胖症、过敏和精神相关疾病都与肠道菌群失衡有关[1-4]。肠道菌群与各种慢性病的研究近年呈指数增长，其对多种疾病发展的影响已得到国际普遍认可。

阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease，AD）俗称老年痴呆症，是一种中枢神经系统的复杂退行性病变，临床表现为进行性认知功能障碍、记忆障碍、失语、视觉空间损害、执行功能障碍、人格和行为改变等，多发于65岁以上人群。随着全球人口老龄化进程的发展，AD患者数量呈逐渐上升趋势，目前全球约有0.475亿人患AD，预计到2030年将达0.82亿，2050年将达1.52亿[5]。AD已成为严重危害人类健康的重大疾病，其发病机制较为复杂，目前仍未完全阐明，主要涉及淀粉样β蛋白（amyloid β-protein，Aβ）毒性、Tau蛋白过度磷酸化、胆碱能神经系统损伤、氧化应激反应、神经炎症反应、基因突变、线粒体功能障碍、胰岛素信号传导异常及肠道菌群失衡等[6-7]。

近年研究发现肠道菌群可参与肠道与脑部之间的信号传递。肠道微生物组可通过肠-脑轴影响中枢神经系统功能，中枢神经系统也可以同样的方式影响肠道微生物的组成和部分功能，构成“微生物-肠-脑轴”[8-10]。肠道菌群作为神经功能的重要调节器，在AD预防及治疗上具有重要意义。本文对近年肠道菌群与AD的相关研究进行系统性的介绍，以期对肠道菌群与AD的关系，以及肠道菌群调控在AD干预治疗中的应用提供参考。

1 AD患者肠道菌群的变化

现有研究通过对人和部分动物模型的分析确认，AD患者肠道菌群多样性及菌群丰富度有变化，肠道菌群失调与AD病理学进程存在联系。

Gattaneo等[11]对认知障碍和大脑淀粉样病变AD患者的研究发现，患者肠道内促进炎性细菌，如大肠埃希菌、志贺菌属丰富度增加，血清中促炎症因子等也表现为明显升高。Zhang等[12]对102位伴有肝癌的AD患者肠道菌群分析发现，与健康人群相比，患者双歧杆菌和乳酸杆菌属丰富度降低，大肠杆菌、幽门螺杆菌、链球菌等丰富度增高。Vogt等[13]对美国威斯康星州25名AD患者粪便样品中的微生物分类组成进行了研究，发现13个菌属出现丰富度差异，菌群多样性明显下降，厚壁菌门和双歧杆菌门的丰富度有所下降，而拟杆菌门的丰富度则表现为上升倾向，且微生物菌属差异与脑脊液生物标志物之间具有明显相关性。白进川等[14]对遵化市人民医院接受治疗的88名AD患者进行了肠道微生态结构分析，结果发现放线菌门、拟杆菌门菌群丰富度降低，变形菌门丰富度升高。可见不同研究所得AD患者菌群变化存在差异，这些差异的产生可能是因样本数量较少，或不同地域、不同人种和饮食习惯等可能造成AD患者肠道菌群微生态结构有所不同。除此之外，菌群丰富度差异可能是研究选取的样本所处AD阶段不同所致[15]。Liu等[16]通过对比轻度认知障碍、AD患者和健康志愿者的肠道菌群，证实AD发展的不同阶段菌群差异较大；拟杆菌门在AD发展早期丰富度增加，随着认知障碍的加重，其丰富度转而降低。已报道文献中，AD患者肠道菌群多样性和部分种属菌群丰度变化虽有差异或部分冲突，但总体分析可发现AD患者厚壁菌门、拟杆菌门丰富度显著降低，而变形菌门丰富度明显增高，见表1。

表1 AD患者肠道菌群组成变化

肠杆菌科丰富度增加是AD患者肠道菌群的重要变化之一。以埃希菌属等为代表的肠杆菌科含有以脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）为主的外膜成分，研究发现LPS与AD病理进程密切相关。LPS可引发全身炎症并促进炎症细胞因子白介素1β（interleukin 1β，IL-1β）、IL-6、肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor α，TNF-α）等的释放造成神经损伤。此外当与Aβ共培养时，LPS可促进淀粉样纤维形成。给动物注射LPS可导致明显的淀粉样蛋白沉积和Tau蛋白相关病变。AD患者体内，LPS和E. coli水平明显高于健康人群，且大脑中LPS和E. coli碎片与淀粉样斑块存在共定位现象[20-21]。肠道双歧杆菌等益生菌丰富度的减少，可降低γ-氨基丁酸水平，导致中枢神经系统障碍。肠道微生物失调也会降低大脑皮层和海马组织中脑源性神经营养因子的水平，诱发认知障碍[17]。

虽然目前已经确认AD患者肠道菌群多样性及菌群丰富度存在改变，肠道菌群失调与AD病理学进程存在一定的相关性，但肠道菌群的变化与大脑病理性改变或行为异常的先后发生顺序、肠道菌群在AD不同阶段的系统性变化及其在病理进程中的作用和具体机制等仍是一些亟待解决的谜团。今后，需进行大量的人体临床试验及相关动物模型研究分析AD患者不同阶段肠道菌群微生态结构差异。宿主基因在某种程度上也会影响肠道菌群的构成，AD的发生可能受肠道菌群和宿主基因的交互影响，因此需从基因及分子水平上分析肠道菌群对AD发生的影响及具体机制，以确认AD相关肠道菌群的特殊指纹图谱及其代谢特征。

尽管肠道菌群与AD的关系还需进一步研究，但AD患者认知功能与肠道微生态失衡之间的相关性已得到普遍认可。目前认为肠道菌群远程感知、调节中枢神经信号、影响AD发生的可能作用机制有：（1）肠道菌群紊乱通过肠-脑轴内的双向沟通，导致肠道屏障及血脑屏障通透性增加，引起全身性及中枢神经系统炎症；（2）肠道菌群的代谢产物导致神经反应性代谢产物发生改变，如γ-氨基丁酸、5-羟色胺、β-N-甲氨基-L-丙氨酸的分泌，维生素B12的合成及N-甲基-D-天冬氨酸受体和脑源性神经营养因子的表达；（3）肠道菌群紊乱，破坏肠道微生态，导致病原菌过量生长，介导神经毒物的生物转化，改变了其母体化合物的神经反应；（4）微生物直接感染，临床研究已证实幽门螺杆菌可诱发AD患者大脑感染，直接或间接参与AD发生和发展[22-25]。

毋庸置疑，肠道菌群紊乱是AD的病因之一。肠道菌群可控制小胶质细胞的成熟、激活和正常功能发挥，在肠道菌群受损的情况下，小胶质细胞的成熟及其对Tau蛋白和Aβ的吞噬能力大大降低。一个稳定的多样性肠道菌群微生态则可逆转这些改变[23]。除宿主遗传因素等难以改变的影响，肠道菌群可通过日常饮食等因素调节，因此，肠道菌群调控已成为AD干预治疗的新方向。

2 肠道菌群调控在AD防治中的应用

肠道菌群与AD之间存在紧密联系，某些特定肠道菌群可能是治疗AD的助力，因此可通过调控肠道菌群达到防治AD的目的。除通过锻炼提高机体自身对肠道菌群的调节能力，稳定健康菌群外[26]，还可通过外部因素调节肠道微生物组成。目前采用的方法主要有服用益生菌或益生元以增加肠道有益菌群优势，个性化饮食或药物干预及粪便微生物移植（fecal microbiota transplantation，FMT）等。

2.1 益生菌或益生元

益生菌是对人体有益的，具有生物活性的细菌的统称，可用于维持肠道优势菌群的平衡。益生元作为一种膳食补充剂（主要是功能性低聚糖），可通过选择性地刺激肠道中一种或几种益生菌的生长或活性，进而对机体产生有益影响。急、慢性神经炎症是淀粉样蛋白累积和促进AD进程的关键因素之一。服用乳酸菌和双歧杆菌等益生菌，可抑制相应神经炎症，改善过氧化状态，增加短链脂肪酸等细菌代谢产物，干扰毒性的可溶性淀粉样蛋白聚集体的形成，改善认知能力下降等症状[27-30]。

朱广素等[31]研究了短双歧杆菌对Aβ1-42导致的AD模型小鼠肠道菌群及代谢的影响，发现短双歧杆菌MY显著提高了小鼠肠道中产短链脂肪酸菌Coprococcus spp.、Lactobacillus. reuteri和Akkermansia. muciniphila的相对丰富度，有效调控了肠道内3种短链脂肪酸的水平，缓解小鼠的认知障碍。杜磊[32]探讨了植物乳杆菌X7022对D-半乳糖诱导的记忆减退和认知障碍AD模型小鼠症状的影响，发现植物乳杆菌X7022可缓解模型小鼠脑组织中的神经元凋亡和病变，减少淀粉样蛋白沉积和海马体中的炎症反应，促进神经再生和神经信号传导。小鼠肠道微生物多样性分析表明植物乳杆菌X7022饲喂后模型小鼠肠道中变形菌门丰富度显著下降，厚壁菌门与拟杆菌门丰富度比有所上升，有益菌属增加，肠道中短链脂肪酸含量显著增加。刘庆[33]研究了魔芋低聚甘露糖（mannose oligosaccharide，MOS）对AD模型小鼠认知功能障碍的改善作用及相关作用机制，发现MOS可显著提高有益菌乳酸杆菌、巴氏梭菌及毛螺菌属等产丁酸菌的相对丰度，并显著降低螺杆菌属等有害菌的相对丰度，重塑肠道微生物组成，提高了肠道代谢产物短链脂肪酸的产生，抑制大脑氧化应激反应及神经炎症，对模型小鼠认知功能障碍、焦虑及强迫样行为等有一定的改善作用。

目前大量文献对益生菌和益生元在AD治疗中的潜在应用进行了研究和讨论。李永红等[34]检索了PubMed、中国知网等7个中英文数据库2021年5月1日前发表的通过服用益生菌改善认知或情绪的随机对照实验研究，通过统计分析确认AD患者服用益生菌对其认知功能改善有积极影响，所纳入文献中AD患者服用益生菌后精神状态评价得分平均提高了30 %，但通过分析也发现纳入研究都是局部小样本，且被纳入研究的患者认知障碍程度较轻，不能完全代表AD群体。现有研究可说明服用益生菌对症状较轻的认知功能障碍患者症状具有一定的改善效果，但是否能有效治疗AD仍需系统性的研究。

2.2 个性化饮食或药物干预

饮食是影响AD发展和进程的关键因素。饮食除可通过摄入的成分（如脂质、维生素、多酚等）对大脑产生直接影响外，最主要是通过影响肠道菌群发挥调控作用。饮食中不同类型营养物质的可得性将有利或不利于某些肠道微生物的丰富度和功能，进而影响肠道菌群微生态的平衡。大量人和实验动物模型研究表明：摄入大量饱和脂肪酸和反式脂肪酸、糖和精制谷物，纤维摄入不足及饮酒等都与认知功能障碍有关；反之，高多不饱和脂肪酸、高纤维和多酚饮食则有助于改善记忆和认知功能[35-37]。

全谷物饮食被认为能有效防控AD 的发生和发展。十七烷基间苯二酚（5-heptadecylresorcinol，AR-C17）是全谷物中重要的酚类类脂活性成分和全麦食品的生物标记物之一，具有抗炎、抗氧化、抗肿瘤等多种生理功能。研究表明，连续口服AR-C17[150 mg/(kg·d)]5个月，可明显改善APPswe/PSEN1d E9（APP/PS1）双转基因小鼠随年龄增长而引发的记忆障碍并提高其学习能力。免疫组化和蛋白免疫印迹检测显示AR-C17干预可显著降低小鼠大脑皮层和海马区域Aβ斑块的聚集和Tau蛋白的高度磷酸化，抑制小胶质细胞和星形胶质细胞的过量激活，减少炎症小体3介导的半胱氨酸蛋白酶1、IL-1β产生，从而降低神经炎症的发生。小鼠肠道菌群16S rRNA基因测序表明，AR-C17干预改善了模型小鼠肠道菌群失调，显著增加了小鼠体内艾克曼菌属和乳酸杆菌属的相对丰度，减少了梭菌属和脱硫弧菌属等致病菌的相对丰度[38]。樊小瑞[39]全面探讨了高脂饮食对AD模型小鼠的影响，发现高脂饮食可调节外周肠道菌群，改变短链脂肪酸、胆汁酸代谢，进而影响中枢脂代谢及神经炎症，但对模型小鼠痴呆症状无显著影响。

尽管健康的饮食习惯对大脑有益，但目前为止，还没有研究证明饮食干预具有明确的预防或治疗AD的作用。这可能是个体对饮食的反应受其他因素影响所致，虽然这些影响因素尚未得到确认，但肠道微生态差异可能是其中重要一环[40]。以肠道菌群为靶点的个性化药物干预已成为AD治疗的新思路。

2019年年末，我国第一款原创、国际首个靶向“微生物-肠-脑轴”的AD新药甘露特钠胶囊（GV-971，商品名“九期一”）有条件获批上市，填补了该领域全球17年来无新药上市的空白。源自褐藻寡糖的GV-971通过重塑肠道菌群平衡，抑制肠道菌群特定代谢产物，改善肠道菌群紊乱诱发的神经炎症等，适用于轻度至中度AD，改善患者认知功能，上市之后获得了一定的肯定[41-42]。

胆汁酸（bile acid，BA）是体内胆固醇代谢的产物，在肝脏中产生，并被肠道细菌进一步代谢，而BA可影响肠道微生物的组成，与肠道菌群和宿主代谢之间存在复杂的相互作用，具有重要的调节和信号转导功能。一项大型多中心研究发现AD患者BA水平失调，主要表现在血清初级BA（即胆酸）浓度显著降低，而细菌代谢后的产物，包括次级BA、熊去氧胆酸及其甘氨酸和牛磺酸共轭形式的水平明显升高，说明肠道菌群对胆酸的7α-去羟基化作用下降[43]。次级BA作为微生物来源的神经活性分子，可影响“微生物-肠-脑轴”内相互作用的3个主要途径，包括神经、免疫和神经内分泌等，BA不仅参与多种肠源性分子释放的调控，且具有神经保护和抗炎作用，可直接调控中枢神经系统功能。一些与AD相关的免疫应答与基因的遗传变异及淀粉样蛋白、Tau蛋白和神经退行性病变等生物标志物与BA代谢改变存在相关性[44]。AD患者与年龄相关的肠道菌群微生物多样性和稳定性降低，可显著影响BA的代谢和信号转导。以上发现表明BA也可作为“微生物-肠-脑轴”的潜在调控因子[45]。

传统中药对肠道微生物菌群的调控作用已成为中医药微生态研究领域中的一个重要研究方向，为中药现代化研究与发展提供了参考[46]。张维捷等[47]研究了以逍遥散为基础的复方中草药对AD模型小鼠肠道菌群的影响，发现复方中草药干预可改善模型小鼠菌群结构，提高肠道菌群的丰富度和多样性，进而缓解菌群代谢功能的紊乱，对AD症状改善具有一定的推动作用。黄连解毒汤对肠道菌群有明显的调节作用，可回调高脂饮食引起的BA水平变化，升高短链脂肪酸水平，抑制炎症因子的表达，缓解外周炎症，减少脑组织Aβ沉积[39]。

2.3 粪便微生物移植（FMT）

FMT是一种通过重建肠道菌群来治疗疾病的方法，即把经过处理的健康人体粪便微生物移植到患者肠道内。早在公元4世纪的东晋时期，葛洪就在其《肘后备急方》中记载了当时采用FMT治疗严重腹泻或食物中毒。《本草纲目》中也记载了FMT可有效治疗严重呕吐、腹痛、腹泻、便秘等消化道疾病[48]。近年，随着肠道菌群在中枢神经系统中调控作用的不断研究，FMT 作为最直接的肠道菌群干预方法，在AD防治中的应用也引起了关注[49-50]。

Fujii等[51]将AD患者的粪便样本移植到无菌C57BL/6N小鼠体内，55周龄时，该小鼠在目标定位测试和识别测试中均表现出明显的认知能力下降，且小鼠体内γ-氨基丁酸、牛磺酸和缬氨酸等神经系统相关代谢产物也明显减少，表明AD患者FMT可对小鼠产生影响。同样，将健康供体粪便微生物移植到AD模型中也可产生有益的影响。将健康野生型小鼠粪便悬液移植到APP/PS1转基因小鼠体内后，模型小鼠的认知障碍得到改善，Aβ沉积和Tau蛋白磷酸化减少，突触功能障碍和神经炎症均有所改善，肠道菌群和短链脂肪酸的变化逆转[52]。Zhan等[53]将抗快速老化模型小鼠1（SAMR1）的粪便移植到经抗生素处理后的伪无菌小鼠体内，发现经移植后，小鼠6个分类水平（门、纲、目等）的14种肠道微生物发生了显著改变，小鼠的行为及认知功能障碍得到改善。

研究表明，FMT可能是一种潜在的治疗AD的方法，AD模型小鼠进行健康供体FMT具有有益作用，但FMT在AD中的应用研究目前仅限于动物模型，需进一步在人体中确认并开展大型双盲随机对照试验以进一步阐明FMT在AD的作用和具体机制[54]。

3 展望

AD作为严重危害人类健康的重大神经退行性疾病，其作用机制尚未完全阐明，目前依据经典AD病因假说，如淀粉样蛋白，Tau蛋白和胆碱能假说等的治疗方法都被证实效果有限。大量基础和临床研究证实，肠道菌群失调与AD之间具有紧密的关系，肠道菌群的改变对“微生物-肠-脑轴”功能有影响，进而影响AD进程。但遗憾的是目前研究尚缺乏系统的大规模临床研究，且研究方法存在一定的局限性。另外因认知有限，目前实验无法考虑到人类肠道菌群的复杂性和多样性，对个体间的差异无法进行更多的深究。在今后的研究中需结合基因组学、代谢组学、蛋白质组学、微生物组学等手段，以便进一步全面认识AD与肠道菌群之间的相互作用，为肠道菌群调控在AD防治中的应用提供科学依据。