肠道微生物在阿尔茨海默病发病机制中作用研究进展

李晓茹 许诏华 王效春

(1山西医科大学第一医院放射科，山西 太原 030001；2山西省中西医结合医院)

阿尔茨海默病(AD)是一种以记忆丧失为特征的神经退行性疾病，并伴有从情绪、言语到运动障碍等多种类型的其他症状。这种类型的痴呆症最显著的表现是在日常生活中逐渐丧失自理能力，并且越来越依赖他人的护理。老龄化是发展为AD的主要风险因素〔1〕。所以预期寿命延长、世界人口老龄化都使患AD的概率变得更大〔2〕。据《Word Alzheimer Report 2018》统计，2018年全球有近5 000万例AD患者，到2050年预计将增加至1.52亿例。但AD的病理机制有待进一步明确，现有细胞外β-淀粉样蛋白(Aβ)聚集生成老年斑(SP)，细胞内Tau蛋白高度磷酸化聚集生成神经纤维缠结(NFT)，Ca2+失衡、线粒体功能损伤、氧化应激、胆碱能神经递质减少及神经炎性反应等多种病理特征〔3〕。2018全基因组研究(GWAS)的结果已经确定并证实了20个新的AD基因危险位点，如载脂蛋白(APO)E4等位基因、ABCA7、clusterin(CLU)、fermitin家族同源蛋白2(FERMT)2、磷脂酰肌醇结合网格蛋白(PICALM)〔4〕，但是没有一个标记位于编码区内，这表明表观遗传或环境因素对AD风险的作用较大〔5〕。AD和肠道菌群之间有显著关联性。而肠-脑轴是解释肠道微生物在AD发病机制中作用的基础。

本文以肠-脑轴为基础，对肠道微生物的组成变化、微生物分泌物、微生物引起的神经炎在AD发病机制中的作用及从肠道微生物入手治疗AD的新方法进行综述。

1 肠-脑轴

肠-脑轴在调节肠道微生物和大脑的双向信号中起着显著作用〔6〕。中枢神经系统的高应力水平可能会导致肠道生理功能紊乱，从而使肠道菌群失衡〔7〕。相反，营养不良(即肠道菌群紊乱)和肠道微生物组成的改变会导致人类多种疾病的发展。神经炎症和中枢神经系统疾病的发病机制就可以通过肠-脑轴的作用得到解释。例如：谷氨酸可被乳酸杆菌和双歧杆菌代谢产生抑制性神经递质γ氨基丁酸(GABA)，改变GABA信号转导与认知障碍、AD、焦虑、抑郁和突触损伤有关〔8〕。已知肠道蓝细菌产生非蛋白原性氨基酸β-N-甲基氨基丙氨酸，通过与N-甲基-D-天门冬氨酸(NMDA)谷氨酸受体相互作用而引起兴奋毒性的神经毒素，在AD 患者大脑中发现β-N-甲基氨基-L-丙氨酸的水平升高NMDA受体被破坏〔9〕。

2 肠道微生物对AD的影响

2.1肠道微生物组成的变化对AD的影响 据估计肠道中微生物有1013～1014种〔10〕。就基因而言，肠道微生物中的基因数量十分庞大，是人类的100多倍。这些肠道微生物的总重量为1～2 kg，与人脑的重量相似〔11〕。厚壁杆菌门和拟杆菌门是肠道中两个主要的菌门、其他菌群由变形杆菌、疣状菌、放线菌、蛋白杆菌、梭杆菌、螺旋菌等组成〔12〕。由于羊水和胎盘中存在的不同微生物群落，所以人类肠道微生物定植是在子宫内就开始启动的，并在个体的生命周期内保持相对稳定。例如，拟杆菌/厚壁菌门的比率随着时间的推移保持显著稳定〔13〕。

Brandscheid等〔14〕首次提出在5xFAD小鼠(具有严重淀粉样变性的模型)中厚壁菌丰度显著增加，拟杆菌丰度显著下降。Harach等〔15〕发现了厚壁菌和拟杆菌的丰度之间存在负相关关系，当一种增加，另一种减少。除了动物模型，Vogt等〔16〕采用16 S核糖体RNA(rRNA)基因测序分析AD患者肠道菌群组成，发现AD受试者的肠道微生物丰富度和多样性降低，包括AD参与者微生物组中的厚壁杆菌、拟杆菌增加，双歧杆菌减少。AD转基因小鼠模型的最新研究表明，脑淀粉样蛋白沉积可以通过肠道微生物群改变〔17〕。与健康人不同，AD患者肠道菌群的α多样性降低，特别是肠道菌群中双歧杆菌的数量低于健康人〔18〕。有研究表明减少益生菌如乳酸菌和双歧杆菌，可能导致革兰阴性菌产生细菌内毒素，如脂多糖(LPS)，其增加肠道通透性，并将Treg转换为T-炎性细胞(即Th17)，从而触发Toll样受体(TLRs)介导的炎症反应。在无菌条件下饲养的转基因AD小鼠比传统饲养的AD小鼠大脑淀粉样蛋白沉积更少，这表明肠道微生物群组成改变会对淀粉样蛋白病理学的发展产生影响〔11〕。

总之，在AD中观察到的肠道微生物群最显著的变化是，抗炎菌种(如短双歧杆菌)的数量减少，而促炎细菌种(如厚壁菌和拟杆菌)的数量增加，这可能增加血浆炎症水平和之后的中枢神经系统炎症〔19〕。这些数据提出了一个假设，肠道菌群与AD的发病密切相关，而微生物群组成改变、多样性降低可以触发大脑中的多种病理学。

2.2肠道微生物分泌物对AD的影响

2.2.1LPS LPS也称内毒素，它是革兰阴性菌外膜的主要组成成分。在实验动物中，LPS常被用来诱导炎症反应。Zhao等〔20〕首次报道了AD脑海马和颞叶上新皮质溶解液中细菌LPS的存在。平均LPS水平从新皮质的2倍增加到海马的3倍不等，一些晚发性AD海马病例的样本显示LPS是年龄匹配的对照组的26倍。并且大鼠第四脑室内长期注射LPS可复制AD的病理特征〔21〕。此外，最近的一项研究表明，体外LPS加强了Aβ纤维沉积〔22〕。小鼠多次腹腔注射LPS显示出海马高水平的Aβ42沉积和认知缺陷〔23〕。小胶质细胞表达的TLR4可以识别LPS，其功能依赖于共受体CD14〔24〕。因此，LPS受体TLR4/CD14可能在AD的病理生理过程中起作用。

2.2.2淀粉样蛋白 一些肠道细菌可以生产淀粉样蛋白〔25〕。细菌淀粉样蛋白能破坏肠道屏障，引起细菌代谢产物移位。微生物淀粉样蛋白穿过受损的肠道黏膜，通过血流到达中枢神经系统，增加Aβ聚集物的成核并触发一系列炎症反应〔26〕。然而，在生理条件下，功能性细菌淀粉样蛋白通过小胶质细胞/髓样细胞(TREM)2受体激活小胶质细胞，清除Aβ聚集物〔27〕。这些发现最近得到了体内研究〔28〕和体外研究〔29〕的支持。在这些研究中发现微生物淀粉样蛋白作为一种TREM2配体，在表达TREM2的BAC转基因小鼠中，提高TREM2的表达水平可显著增加Aβ40和Aβ42的降解，从而改善AD的表型。但细菌性淀粉样蛋白在大脑中的积聚也触发了许多其他下游事件，如核因子(NF)-κB的激活，导致促炎性microRNA-34a的上调、TREM2的下调〔27〕。此外，细菌来源的内毒素和淀粉样蛋白通过启动免疫原性反应〔30〕增加从肠道到大脑的促炎性细胞因子的水平，从而导致神经退行性变。这些级联事件的结果是抑制小胶质细胞的吞噬作用导致Aβ1～42含量升高〔31〕。

细菌来源的LPS和淀粉样蛋白可加剧肠道的通透性，并增加细胞因子和其他促炎分子的水平，如与AD直接相关的白细胞介素(IL)-17A和IL-22〔32〕，这些细胞因子可能通过胃肠道和血脑屏障，进入大脑并进一步触发免疫原性反应、活性氧释放和TLR 2/1、CD14和NF-κB的信号传导〔27，30〕，在神经退行性变中起着重要作用。

2.3肠道微生物引起神经炎对AD的影响 实验证据表明，神经炎症在AD的发生和发展中起着积极的作用〔33〕。在神经炎症反应中，小胶质细胞和星形胶质细胞是不可缺少的。

小胶质细胞起源于髓样细胞，约占大脑非神经细胞的15%〔34〕，研究人员将活化的小胶质细胞归类为典型的促炎(M1)表型，其他的归类为非炎性的替代性活化(M2)表型〔35〕。M1激活并分泌促炎细胞因子，包括肿瘤坏死因子(TNF)-α、IL-1、6、12和18，并伴随吞噬能力受损〔36〕。M2型分泌抗炎性细胞因子，包括IL-4、10、13和转化生长因子(TGF)-β，伴吞噬能力增加〔37〕。动物和人类研究的新证据支持肠道微生物失调与AD发展过程中小胶质细胞活化之间的相关性〔38〕。Minter等〔17〕证明长期使用抗生素治疗的小鼠的肠道微生物群和外周炎性环境的组成发生了改变，这与淀粉样斑块病理学减弱相一致。此外，并观察到这些小鼠体内可溶性Aβ1～40和Aβ1～42水平升高，同时，小胶质细胞和星形胶质细胞对斑块定位的反应性降低。在AD患者死后脑组织中发现肠道菌产生LPS及外周注射LPS可促进小胶质细胞活化，引起海马Aβ斑块堆积从而引起海马炎症〔39〕。Wang等〔40〕发现，在AD的进程中，外周血中异亮氨酸、苯丙氨酸的异常增加都是由肠道菌群失衡引起的。这会使外周促炎性Th1细胞侵入脑内，随之脑内固有的M1小胶质细胞活化，经过一系列的信号传导导致AD相关神经炎症的发生。肠道微生物群受损引起的肠道异常炎性信号可导致脑淀粉样变，从而干扰小胶质细胞成熟导致斑块清除率降低而聚集。

星形胶质细胞占人类神经细胞的30%～50%，其长期以来被认为为神经元提供重要的营养和代谢支持〔41〕。中枢神经的完整性得益于星形胶质细胞的保护，主要表现在损伤后对神经组织的修复。这主要是通过星形胶质增生实现的，星形胶质增生是一种进化上保守的事件，通过形成胶质瘢痕和清除中枢神经系统的病原体，有助于神经保护和分离受损组织〔42〕。不同程度增生的星形胶质细胞与认知能力下降有着密不可分的关系〔43〕。

3 以肠道微生物为靶点治疗AD新药研究

目前临床治疗 AD 临床用药物有乙酰胆碱酯酶(AChE)抑制剂多奈哌齐等，NMDA受体拮抗剂美金刚及Ca2+通道抑制剂尼莫地平、氧化还原酶抑制剂艾地苯醌，这些药物仅能在一定程度上缓解症状，而无法阻止 AD 疾病进程〔3〕。由于单一靶向干预Aβ具有一定的局限性，所以抗Aβ的药物Aducanumab(BIIB037)的3期临床试验最终停产〔44〕。有关Tau拮抗的多个药物处于临床的不同研究阶段，如TRx0237、RO7105705、C2N 8E12、BIIB092等，然而降低Tau蛋白对AD的治疗是否有效？减少其含量会导致其他的病理状态吗？这些问题目前尚存在巨大争议〔45〕。最近兴起的非药物饮食疗法显示出一定优势。有研究表明通过跨组饮食干预，改良的地中海生酮饮食会引起肠道微生物及其代谢物的变化，这些变化与AD标志物水平的降低相关〔46〕。Lee等〔47〕通过肠道抗炎长双歧杆菌(NK46)抑制肠道菌群失调和LPS的产生，降低LPS介导的NF-κB活化来减轻认知功能下降。在中国的一项3期临床试验中，GV-971(一种低锰精酸钠)可通过抑制肠道代谢异常和相关的苯丙氨酸/异亮氨酸积累，抑制神经炎症并逆转认知障碍，从而显示出对认知改善〔40〕。

综上，肠-脑轴在调节肠道和大脑的生理过程中起着不可替代的作用。在肠道微生物失调的情况下，微生物群中的细菌可产生淀粉样蛋白、LPS和其他免疫原性成分〔31〕，这些成分可能参与神经炎症、脑Aβ沉积有关的信号通路及AD的发病机制。虽然肠道微生物和AD密切相关，但具体机制尚不清楚。为了研究肠道微生物与AD的关系，需要开发新的方法来辅助AD的临床诊断。目前，脑结构和功能的影像学生物标记物已被应用于AD的诊断。因此，在未来，也许可以结合肠道微生物生物标志物的影像学表现早期诊断AD。明确肠道菌群的作用将可能有助于确定特定益生菌的作用，开发功能性饮食和新药，为AD的治疗提供新方法。