阿尔茨海默病连续谱演进过程中MGB轴通信机制的研究进展

赵恩龙综述, 第五永长, 王亚丽, 周 源审校

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一种退行性脑部疾病,个体大脑中参与学习、记忆和日常生活等机体基本功能的神经元随着疾病的演变渐进性受损或被破坏,最终可诱发肺部感染或器官衰竭而危及性命[1]。据统计,现阶段AD患者人均年耗经济成本达25213美元[2],预计2050年全球痴呆症患者年耗经济费用累计将高达9.12万亿美元[3]。随着人类寿命的延长和老龄化程度的加剧,AD患者数量逐年增加,巨额成本的消耗,给患者家庭和社会造成沉重负担。本文旨在阐明AD连续谱演进过程中的确切机制，为研发预防或治疗AD的药物提供参考。

1 阿尔茨海默病连续谱

阿尔茨海默病连续谱(Alzheimer’s disease continuum)是指患者大脑从受到影响产生变化到出现认知记忆问题并最终导致身体残疾的过程,这个过程历时弥久且病理改变往往比临床诊断早,结局是早期难以发现,对患者影响巨大[1]。作为一种年龄相关的神经退行性脑部疾病,患者临床多表现为进行性记忆障碍和认知功能下降,这些改变表现在两个早期阶段：主观认知下降(subjective cognitive decline,SCD)和轻度认知损害[mild cognitive impairment,MCI(AD的前驱阶段,由AD引起的MCI)]。SCD期仅表现为微弱的干扰,多发生在临床前阶段且无法检测。MCI期较SCD期症状明显,可用临床手段进行量化,是目前认为诊断AD的最早阶段[4]。AD连续谱的两个显著性病理特征：老年斑(SPs)和神经原纤维缠结(NFTs),但尚不清楚其是否能作为有效的药物作用靶点[5]。SPs主要是由β-淀粉样蛋白(Aβ)沉积在神经细胞外部和周围形成的斑块,NFTs是由过度磷酸化和氧化的微管相关蛋白tau聚集于神经细胞内形成的不溶性扭曲纤维[6]。这些神经毒性物质的积累比临床症状出现要早几年至数十年不等,当时并不能明确诊断。AD连续谱的病因尚不清楚,公认的最危险因素有机体衰老[7]、解剖学通路退化[8]、线粒体功能障碍[9]、免疫系统功能障碍[10]、以及淀粉样前体蛋白突变在内的遗传因素[11,12]等,其他的诸如饮食习惯、生活环境、教育程度等也可成为潜在性诱发因素。AD连续谱演进过程中,发病机制复杂,有淀粉样蛋白假说和tau蛋白假说，颗粒空泡变性和神经纤维网病变、胆碱能神经传递障碍、氧化应激和损伤、炎症反应、离子紊乱等诸多假说。但基于这些假说的药物研发,多数是单一靶点,单一环节,仅能在一定程度上改善患者的记忆能力,尚不能延缓或逆转AD连续谱的演进过程,不能产生预期的疗效,因此有必要对这些假说之外的更多靶点进行探索。微生物-肠道-脑轴(microbes-intestinal-brain axis,MGB轴)作为近年来新兴研究领域,在抑郁症、帕金森病等各类神经系统疾病中应用广泛,科学家也开始将MGB轴应用于AD连续谱的研究,以从中找到治疗靶点,积极研发预防或治疗AD新药物[13]。

2 肠道微生物群与MGB轴

数万亿种微生物寄居于人体,遍布于皮肤表面、呼吸道、泌尿生殖器官等,但最重要的场所是肠道,约95%的微生物可在其中被发现,因此也形成了一个特殊的“器官”——肠道微生物群[14]。肠道微生物群在人体中发挥多种作用,如产生短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)、合成维生素K和叶酸、参与药物代谢、防止病原体定植、发挥免疫作用等[15]。肠道微生物群与宿主共同进化,通过各种共生相互作用维持宿主的健康状态[16]。肠道微生物与肠脑轴构成了MGB轴,MGB轴反映的是胃肠道(gastro intestinal tract,GIT)和中枢神经系统(central neural system,CNS)之间的双向通信网络,是肠脑互通的特有渠道,可通过神经系统、内分泌系统、免疫系统、微生物代谢和神经分子调节等多种途径相互作用[17,18]。肠道微生物生态失调对肠道健康产生不利影响,导致不合理的MGB轴信号传导,对CNS功能造成不良影响。同时,CNS功能的应激也会影响肠道功能,导致微生物群的失调[19]。肠道微生物群的生态平衡在维持肠脑关系中起着重要的作用[17]。基于此,我们是否可以这样设想,健康的肠道微生物群可经由MGB轴与大脑进行有益地沟通,相反,失衡的肠道微生物群则会进行有害地沟通,当然这一设想还需要大量的研究来证实。

3 肠道微生物群与AD连续谱

越来越多的证据表明,肠道微生物群多样性、组成和功能的改变(肠道菌群失调)与多种神经疾病有关,例如脑卒中[20]、自闭症[21]、抑郁症[22,23]、帕金森病[24]和AD[25,26]等,在这些疾病中肠道微生物群均表现出非健康状态,因此,维持一个“健康的微生物群”是个体健康的基础[18]。肠道微生物群与AD的发病机制有密切的关系,肠道菌群失调可触发多种大脑病理改变,如炎症、血管退行性变、Aβ聚集和tau病理等[27]。在AD连续谱晚期阶段,AD模型小鼠和AD患者均表现出肠道菌群失调,其特征是促炎类微生物群密度增加,抗炎类微生物群密度降低[28]。假如要想了解肠道微生物群在AD连续谱中是如何演变的,有效的方法就是评估在生命早期干预肠道微生物群的结果,这是肠道微生物群作用于宿主功能的重要时期。最近的一项研究报告,MCI患者与健康受试者相比,厚壁菌门的数量减少[29]。在先前的研究报告中,具有AD临床症状的患者中厚壁菌门的数量也表现减少[30]。相关研究也证实,相比对照组和MCI组,AD患者相关微生物群多样性和丰度减少[31,32]。基于AD的主要风险是年龄,研究与年龄相关的微生物群的变化更有助于解读肠道微生物群对于AD连续谱演进过程中的作用。一项对意大利年轻人、老年人和百岁老人之间肠道菌群进行的研究显示,年龄最大的老年人比年轻人表现出更多的促炎症微生物群[33]。另一项研究报告称,爱尔兰老年人的肠道菌群与年轻人大不相同,多样性丧失,并向促炎症表型转变[34]。此外,一项基于AD小鼠模型APP/PS1的纵向研究,3个月大(症状前阶段)的APP/PS1小鼠无肠道菌群失调；而6个月大(发病阶段)的APP/PS1小鼠表现出菌群失调,与对照组相比,小鼠体内的促炎菌门增加,尽管拟杆菌属保持稳定[35]。综上，可以发现在AD连续谱的演进过程中，肠道微生物群组成和功能有所改变。然而，这一改变是因是果，目前的研究尚未明确解释。未来的研究需要弄清楚肠道微生物群的改变是AD进展的原因还是结果，因为这两种情况都有可能促进AD发病机制恶性循环。此外，由于疾病的原因，AD患者的饮食结构会发生变化，必然导致肠道微生物群的变化。这种变化是状态还是特质，仍需要大量研究证实。

4 AD连续谱演进过程中MGB轴通信机制

MGB轴通过神经、免疫、内分泌、代谢等途径连接肠脑,这些途径对维持大脑稳态至关重要。在AD连续谱演进过程中肠道微生物经由MGB轴与大脑交互沟通,阐明其沟通机制,可望为AD未来的预防和治疗提供科学依据。

4.1 激活迷走神经,影响中枢神经系统功能 迷走神经(vagus nerve,VN)是连接胃肠道肌层、粘膜层与脑干的一个成熟的信号通路,是MGB轴的重要组成部分,通过自主神经系统,微生物可以通过迷走神经的直接神经连接使肠-脑进行双向通信[36,37]。研究表明,肠道微生物及其代谢物不仅通过体循环,还通过VN传入纤维影响CNS[27,38]。在潜在的机制中,迷走神经可由神经活性微生物群衍生的分子(例如多巴胺、血清素、去甲肾上腺素和γ-氨基丁酸)直接调节输出[39]。此外,肠道微生物群可诱导迷走神经末梢附近的免疫细胞因子的产生，在激活迷走神经输出中发挥作用。Zanos等人的研究证明了肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor-α,TNF-α)和白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)以细胞因子特异性和剂量依赖性的方式通过VN触发神经元活动的能力[40]。研究发现[41],在小鼠模型中接种空肠弯曲菌可引起迷走神经感觉激活,导致神经元激活标记物c-fos的表达增加,这说明了肠道微生物可以通过迷走神经的直接作用调节大脑免疫反应。此外,在一项基于AD患者的队列研究中,迷走神经刺激干预6～12个月后,产生了明显的认知增强[42]。由此可见,VN有可能是MGB轴中一个特有的信号机制。未来的研究仍需要破译其潜在的机制,尤其是肠道微生物的变化在其中可能发挥的作用。

4.2 激活胶质细胞,诱发神经免疫炎症 神经免疫炎症在AD连续谱发病机制中至关重要,一系列级联的分子事件都涉及到CNS免疫细胞的激活,大脑中关键的免疫细胞——小胶质细胞的激活则是目前公认的关键诱发因素[43]。在AD类慢性神经退行性疾病的病理过程中,小胶质细胞被长时程激活,持续释放一系列炎症介质,导致氧化应激反应,对神经细胞产生灭活作用。因此,通常认为小胶质细胞介导的慢性炎症反应对机体是有害的,可造成神经组织损伤。相关研究报道,肠道菌群失调可激活小胶质细胞,活化的小胶质细胞对Aβ作出反应,导致Aβ斑块迁移和吞噬,Aβ又与TLRs结合,启动小胶质细胞介导的炎症反应,加剧促炎因子细胞(iNOS、TNF-α、IL-1和IL-6)的激活和释放[43,44]。Minterd等人在对AD模型小鼠(APP/PS1[45]和APPPS1[46])使用广谱抗生素混合物后,发现微生物群产生了变化,特别是毛螺菌科和S24-7属[46],此外,脑淀粉样变症状明显改善且β淀粉样斑块周围小胶质细胞聚集减少。Dodiya等人在对APPPS1-21小鼠的研究中[47],发现小胶质细胞在驱动肠道微生物群组介导的大脑Aβ沉积改变中起着关键作用,也就是说小胶质细胞是肠道微生物群组和Aβ沉积之间联系的关键介质,这意味着肠道菌群失调会诱发小胶质细胞对大脑的危害。此外，微生物群对外周炎症的影响可在小胶质细胞的作用下转化为中枢神经炎症，但这在某些情况下可能对AD有益。例如,缺乏微生物群的无菌APP转基因(GF-APPPS1)小鼠被证明小胶质细胞增生和促炎细胞因子的皮质生成均下降,这可以延缓疾病进展[48]。但值得注意的是,当GF-APPPS1小鼠被来自任一常规饲养的APPPS1的微生物群定植时,其Aβ病理学恶化且小胶质细胞表型发生相应改变[48]。从以上这些研究中,我们可以发现小胶质细胞在肠道菌群失调与AD连续谱神经炎症的密切联系种发挥重要作用。

4.3 通过血脑屏障,发挥生物学效应 血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)是一种动态结构,由CNS内皮细胞与神经血管中的神经元、周细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞的相互作用来组织,限制有害物质进入大脑[49]。肠道微生物及其代谢物可以调节BBB通透性,是其完整性和脑健康的调节剂[50]。肠道微生物群的失调会影响肠道屏障(intestinal barrier,IB)的通透性,引起BBB的泄漏,加重AD病理和神经炎症[51]。由于IB通透性的改变,与AD相关的肠道菌群代谢物β-甲氨基-L-丙氨酸(β-methylamino-L-alanine,BMAA)、脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)和微生物淀粉样蛋白等,可能会经由循环系统进入CNS,加之BBB通透性增加的情况下,则会促进神经退行性变和脑淀粉样变性[52]。尤其是微生物淀粉样蛋白,会以类似朊病毒的方式交叉播种，使脑Aβ聚集,引发大脑和外周的炎症反应[53]。此外,肠道功能障碍会促使促炎症微生物衍生的内毒素和代谢物移位到血液中,这有助于BBB通透性的改变,进而促进神经炎症和神经退行性变[54,55]。例如微生物衍生的三甲胺N-氧化物(trimethylamine N-oxide,TMAO)和胆汁酸则会通过此通道深入大脑,影响神经变性和AD病理改变[55]。此外,相关研究也证实了BBB的作用。Figueira等人[56]的研究发现肠道微生物代谢物来多酚类小分子可穿过BBB,到达脑细胞,调节小胶质细胞中可靠的激活标记物TNF-α的释放来介导信息以发挥神经保护作用,具有缓解神经退行性疾病的潜力。Lukiw等人[57]的研究证实微生物衍生物脆弱拟杆菌脂多糖(BF-LPS)通过BBB暴露于大脑,促使促炎转录因子NF-κB(p50/p65)复合物产生,诱发AD患者大脑神经炎性病变。由此可发现,肠道微生物群的变化可经由BBB作用AD连续谱。

4.4 产生代谢物,主导或参与AD连续谱演进 肠道微生物群对进食的碳水化合物进行糖发酵,产生SCFAs和色氨酸等代谢物。越来越多的证据表明,SCFAs与肠-脑通路相互作用直接或间接的影响肠-脑沟通或脑功能,并且有可能参与AD的关键神经病理过程[58,59]。在APP/PS1转基因小鼠研究中,随着SCFAs水平的增加,环氧化酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)和分化分子簇11b(CD11b)炎症标志物的水平降低[60],这一变化说明了SCFAs有可能通过降低炎症标志物进而改善AD神经炎症。另一种色氨酸代谢物可通过激活芳基烃受体(arylhydrocarbon receptor,AHR),调节小胶质细胞和星形胶质细胞的激活,继而减少肠道炎症,降低肠道和血脑屏障的通透性,触发肠道和大脑稳态[27],这对于延缓AD是有益的。此外,肠道微生物群参与合成γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)、去甲肾上腺素和多巴胺,调节神经免疫细胞,促使神经生长因子(nerve growth factor,NGF)、胶质性神经营养因子(glial cell line-derived neurotrophic factor,GDNF)和脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)的分泌,进而影响AD等神经退行性疾病,特别是BNDF的分泌对神经元存活和正常功能的发挥起着至关重要的作用[61,62]。肠道微生物群还产生促炎神经毒素,可穿过血脑屏障,对中枢神经系统神经元的功能产生致病性[63]。肠道微生物合成复杂的免疫原性因子,如脂多糖(LPS),它可以通过肠粘膜屏障泄露,在大脑水平积累,长此以往,异常的分子水平可以促进促炎细胞因子和活性氧(reactive oxygen species,ROS)的产生和释放,这两种物质可以导致AD神经炎症[64]。

5 总结与展望

综上,在AD连续谱演进过程中,肠道微生物群作为“潜在贡献者”总是被发现,它通过MGB轴调节大脑功能。作为MGB轴通信机制的一端,肠道微生物对于大脑的作用机制主要体现在激活迷走神经,影响中枢神经系统功能；激活胶质细胞,诱发神经免疫炎症；通过血脑屏障,发挥生物学效应；产生代谢物,主导或参与AD连续谱演进。AD连续谱演进过程中,起病隐匿、进展缓慢、时间持久、表型不著,这也决定了其发病机制的复杂多样性。本文所述的肠道微生物在AD连续谱中的作用存在局限性,还有未知的机制需要我们去发现,以期为AD的治疗提供更多依据。今后的研究中可以从以下几方面去完善：(1)临床或基础研究以纵向研究为主,明确肠道微生物变化与AD连续谱的因果关系；(2)由于物种特异性,动物源与人源的肠道微生物群在自然状态下存在差异,应多构建人源肠道菌群的动物模型以探讨分子机制；(3)多病种联合研究肠道微生物群的作用,用差异性优化研究成果。

截至目前为止,对于AD的治疗多数是对症治疗,而且益处有限。因此,有必要开发创新的、早期适用的治疗方法。基于肠道微生物群改变对大脑内稳态的调控作用,调节肠道菌群已成为治疗AD有潜力的方法。最新的研究成果表明,微生物群的改变在AD动物模型的症状前阶段被发现[65～67],这给了我们设想,在AD连续谱早期,肠道微生物群的改变或许是有益的。基于此种想法,在潜在的症状前阶段对微生物群进行早期干预可能是一种有前途的治疗AD的方法。此外,鉴于肠道微生物群在MGB轴中的作用,靶向微生物群间接实现免疫调节,而不是直接调节免疫,似乎是一种更有吸引力的方案。因为微生物群位于外周炎症/神经炎症的上游，在不抑制上游促炎性失调的情况下直接免疫调节可能确实不如靶向微生物群对抗其促炎性成分有效。然而，这不应排除可同时针对微生物群和免疫系统的组合免疫调节方法，这可能比单一靶向方法更有效。