基于肠道菌群探讨中医药调控阿尔茨海默病相关信号通路研究进展

苏明阳,李倩倩,梁 怡,麦芳瑜,廖乃彬,廖世锋,陈 炜

(1.广西中医药大学,广西 南宁 530001;2.广西中医药大学第一附属医院脑病科,广西 南宁 530023)

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一种不可逆的神经退化疾病,以记忆力丧失、思维能力下降、行为改变等为临床表现,其基本病理特征为淀粉样斑块及神经纤维缠结。2020年第七次全国人口普查显示,我国60岁及65岁以上人口占总人口的18.70%和13.50%,中国人口老龄化增速加快,且为AD的最大风险因素,我国60岁以上的痴呆患者约1500万人,且呈逐年增加趋势[1]。AD发病机制复杂,有研究学者提出了β淀粉样蛋白的异常沉积和Tau蛋白过度磷酸化假说,还有胆碱能神经元损伤、免疫异常引起的炎症反应、氧化应激等众多假说[2-4]。肠道菌群假说是其中之一[5]。近年来,肠道菌群备受关注,且与精神类疾病关系密切,包括抑郁症、焦虑症、帕金森病、血管性痴呆、阿尔茨海默病等。既往研究中,已从多层次、多方面对AD进行探析,但其发病机制仍不明确。而中医药及针灸以其独特的优势,在AD的治疗中取得较好的疗效。本文以肠道菌群为出发点,对中医药通过BDNF/TrkB、C/EBPβ/AEP等信号通路调控AD进行论述。

1 肠道菌群与AD

肠道菌群是机体生活在肠道中所有微生物的统称,由细菌、真菌、病毒等组成[6-7]。据统计,健康人肠胃中细菌数高达50个门类,1000多种不同细菌种类,其中最多的是厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放射菌门[8-9]。各种菌门之间协调配合,共同完成人体的各种生理功能。有研究发现,AD患者肠道菌群组成及多样性发生了改变,与对照组比较,AD组放线菌和杆菌相对丰度增加,而拟杆菌相对丰度减少[10]。这提示,肠道菌群可能与AD关系密切,调节肠道菌群可能是治疗AD的有效方式。

2 BDNF/TrkB通路

2.1 BDNF/TrkB通路与AD 脑源性神经营养因子(BDNF)属于神经营养因子家族之一,BDNF蛋白广泛分布于成人大脑皮层及脊髓区域等。原肌球蛋白相关激酶B(TrkB)是BDNF的信号受体,又被称为神经营养型络氨酸激酶受体NTRK2,神经营养因子受体家族包括Trk及P75受体家族,其中Trk具有高亲和力。BDNF与TrkB结合激活下游丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)和蛋白激毒C(PKC)级联。有研究发现,BDNF在AD患者海马体中缺失,将BDNF基因传递到嗅皮质后可改善神经元凋亡,改善记忆[11-12]。激活BDNF/TrkB信号通路不仅抑制了Aβ对神经元的毒性反应,而且TrkB受体特异性抑制剂能阻断此反应以减轻神经毒性[13]。有研究发现,滋肾醒脑汤可以使BDNF、TrkB蛋白明显下调,与假手术组相比,模型组大鼠细胞凋亡明显增加,与模型组相比较,中药组海马组织凋亡细胞减少,这提示滋肾醒脑汤可以激活BDNF/TrkB信号通路进而抑制神经细胞凋亡,改善AD大鼠的学习记忆能力。因此,激活BDNF/TrkB信号通路可能是治疗AD的关键因素[14]。

2.2 中医药调控肠道菌群BDNF/TrkB通路防治AD BDNF/TrkB信号通路不仅与认知功能相关,肠道菌群紊乱也会减少大脑BDNF的表达,导致中枢神经系统失调,引起AD的发生。除AD外,在抑郁症、脑卒中等神经系统疾病中,通过肠道菌群-肠-脑轴调控BDNF/TrkB信号通路介导相关疾病也屡见不鲜。人参蛋白是人参的有效成分。李昶等[15]实验研究显示,人参蛋白可调节肠道菌群丰度,上调BDNF、P-TrkB表达,说明人参蛋白可调节肠道菌群激活该通路改善AD。《辨证录》中经典名方“洗心汤”,具有化痰开窍、扶正通阳的功效,在神经系统疾病的防治中获得良效。张慧欣[16]研究发现,洗心汤组和益生菌组BDNF蛋白表达均升高;与模型组相比,洗心汤组、多奈哌齐组、益生菌组肠道菌群种类和数量均有不同程度增加,说明洗心汤可能通过提高脑源性神经营养因子表达和调节肠道微生态防治AD。综上所述,中药可通过调节肠道菌群激活BDNF/TrkB信号通路,通过肠-脑轴途径影响AD的发生发展。

3 C/EBPβ/AEP通路

3.1 C/EBPβ/AEP通路与AD CCAAT/增强子结合蛋白β(C/EBPβ)是CCAAT/增强子结合蛋白家族中的重要成员,在细胞增殖、分化、凋亡等方面发挥重要作用[17]。天冬酰胺内肽酶(AEP)是一种半胱氨酸蛋白酶,存在于内溶酶体中,可同时切割APP和Tau蛋白,因此可以促进Aβ的产生以及Tau蛋白过度磷酸化和聚集,导致AD的产生。C/EBPβ不仅是炎症介质的启动因子,还可以由经典促炎三联体诱导,同时,大脑中的神经炎症和C/EBPβ存在反馈回路,触发炎症的诱导因素会激活C/EBPβ介导AD的发生。

3.2 中医药调控肠道菌群C/EBPβ/AEP通路防治AD 广藿香醇是从广藿香中分离的主要活性成分之一,可以调节肠道菌群,对胃肠疾病有较好的治疗作用。Xu等[18]发现,广藿香醇可以对AD小鼠具有神经保护作用,其作用机制是抑制C/EBPβ/AEP通路的激活,抑制肠道失调,同时可以减少Aβ的沉积改善小鼠的认知障碍。中药复方固本健脑方具有健运脾气、消除痰瘀的作用。郑冰忠[19]研究发现,固本健脑方高剂量组和低剂量组p-C/EBPβ、C/EBPβ以及AEP蛋白表达均低于模型组,同时,固本健脑方可降低肠道菌群中脱硫杆菌门的丰度,而肠道菌群又可激活C/EBPβ/AEP信号通路,说明固本健脑方可能是通过肠道菌群-肠-脑轴机制抑制C/EBPβ/AEP信号通路,从而改善AD。

4 HMGB1/TLR4/NF-κB通路

4.1 HMGB1/TLR4/NF-κB通路与AD 高迁移率组蛋白B1(HMGB1)是一种广泛表达的非组蛋白核蛋白,广泛存在于淋巴组织、肝脏、胸腺中,HMGB1具有调节自噬、凋亡、线粒体的作用,可以参与包括阿尔茨海默病、帕金森、多发性硬化症等多种神经变性疾病,可以与晚期糖基化终末产物特异性受体抗体(RAGE)/Toll样受体4(TLR4)结合,进而激活下游炎症通路NF-κB,是神经炎症反应的启动因子[20]。在AD外周样品中检测到HMGB1、RAGE和TLR4蛋白水平的上调,在Aβ25-35诱导的AD相关神经炎症模型中,在海马神经元的胞核和胞浆中可定位到HMGB1。经Aβ25-35处理后,观察到在海马神经元细胞中RAGE和TLR4/NF-κB沿着HMGB1、IL-1β、IL-6和TNF-α等炎症介质有较高表达[21]。同时在AD外周样品中检测到HMGB1、RAGE和TLR4蛋白水平上调[22],这不仅证明神经炎症是AD的关键因素,并暗示HMGB1通过激活RAGE/TLR4信号传导介导AD发病。因此,开发可以调节HMGB1及其受体RAGE、TLR4并减少神经炎症的新型药理学调节剂可能为AD提供新的治疗策略。

4.2 中医药调控肠道菌群HMGB1/TLR4/NF-κB通路防治AD 有研究发现,姜黄素可以抑制星形胶质细胞的激活,减轻神经毒性反应,使HMGB1、TLR4、NF-κB p65、RAGE表达上调,其机制可能与HMGB1/TLR4/NF-κB信号通路的激活有关,同时肠道菌群平衡打破,导致了促炎因子HMGB1的增加[23-24]。吴茱萸碱[25]以及加味薯蓣丸[26]在一定程度上下调HMGB1/TLR4/NF-κB信号通路相关蛋白的表达,改善AD大鼠大学习记忆能力。以上均说明,AD的发生可能与HMGB1/TLR4/NF-κB的激活以及与肠道菌群的失衡有关。

5 Wnt/β-catenin通路

5.1 Wnt/β-catenin通路与AD Wnt信号通路是由高度保守的分支蛋白组成,在细胞自我更新、增殖中发挥关键作用,其分为典型和非典型两个分支。有研究发现,典型Wnt信号通路与AD的发病有关,在AD模型小鼠中,抑制Wnt信号通路,会加速Aβ的聚集和Tau蛋白的磷酸化[27]。因此,激活Wnt信号通路可能在一定程度上防治AD。Wnt/β-catenin信号通路的重要组成GSK-3β被称为Tau蛋白激酶Ⅰ,可以磷酸化AD患者脑组织中几乎所有的Tau蛋白。多种中药均可以降低GSK-3β蛋白的活性,实现神经细胞对抗Aβ的作用。例如淫羊藿苷具有抗炎抗抑郁的作用,可以抑制GSK-3β蛋白的活性,进而抑制β-catenin的磷酸化降解,显著抑制Aβ25-35所致的细胞毒性作用,减轻AD患者的病情[28]。以上研究证明Wnt/β-catenin信号通路在AD中发挥了不可或缺的作用。

5.2 中医药调控肠道菌群Wnt/β-catenin通路防治AD Wnt/β-catenin信号传导是各种器官中干细胞维持和增殖的中心决定因素。特别是在肠道中,活性Wnt信号传导对于维持上皮稳态是必需的。大补元煎是培元固本的代表方,其可以激活Wnt/β-catenin信号通路,改善AD小鼠海马神经元增殖分化[29]。葛根芩连汤可以降低大肠埃希杆菌、乳酸杆菌、双歧杆菌等肠菌的数值,上调Wnt/β-catenin信号通路蛋白,证实通过调控Wnt/β-catenin可有效减轻肠道反应,起到肠道保护的作用[30]。综上所述,Wnt/β-catenin信号通路可能是肠道菌群通过脑-肠轴调控AD的靶点。

6 TMA/FMO3/TMAO通路

6.1 TMA/FMO3/TMAO通路与AD 氧化三甲胺(TMAO)是小分子化合物,其产生依赖于细菌及宿主细胞的代谢。肠道菌群的代谢产物包括三甲胺(TMA)及肝黄素单加氧化酶(FMO)-3[31]。当人体摄入较多含有胆碱的物质时,肠道菌群就会分解胆碱产生TMA,被宿主吸收,随后在肝脏中被FMO1和FMO3代谢产生TMAO[32]。有研究发现,AD患者脑脊液中TMAO水平显著升高,脑脊液TMAO水平升高与AD磷酸化Tau蛋白病理改变和神经元变性显著相关[33]。除此之外,TMAO能够稳定和修饰Aβ在大脑的聚集,促进并加速Aβ的随机串向其β构象的转化,并稳定所得的原纤维,会产生易于聚集并形成斑块的纤维。当血浆TMAO水平升高时,促炎细胞因子表达增加,TNF-α、IL-6和C反应蛋白过度表达,提示TMAO介导炎症过程的重要性[34]。以上说明,TMA/FMO3/TMAO信号通路在AD中有着重要作用,其机制可能与介导炎症反应有关。

6.2 中医药调控肠道菌群TMA/FMO3/TMAO通路防治AD TMAO是肠道微生物组产生的代谢产物。研究发现,肠道菌群驱动的TMA/FMO3/TMAO途径是脂质代谢和炎症反应的关键调节剂[35]。在FMO3敲除的小鼠模型中,TMA在肝脏内的水平显著升高,TMAO水平相应下降,并且小鼠肠道对胆固醇的吸收减少[36]。TMAO还可下调经典胆汁酸合成途径中限速酶CYP7A1的表达,以抑制胆汁酸合成,降低胆固醇的清除代谢[37]。综上所述,TMA/FMO3/TMAO信号通路与“肠道菌群-胆汁酸-脑轴”的相互作用,可能是肠道菌群及其代谢产物在AD主要病理改变和神经炎症中发挥作用的分子机制。

7 小 结

目前,阿尔茨海默病发病机制尚不明确,探究AD安全有效的治疗方法成为全球研究者关注的热点话题,中药单体、中药复方以及针灸以其多靶点、多层面、多通路、不良反应少的特点在AD防治中备受关注[38]。本文阐述了中医药通过调控不同的信号通路进而调节肠道菌群的效应机制,或许将会成为防治AD的关键。随着肠道菌群和阿尔茨海默病相关性被发现,以肠道菌群为出发点治疗AD的中药及中药复方被挖掘或创立,临床获得显著疗效,其效应通路包括BDNF/TrkB、C/EBPβ/AEP、HMGB1/TLR4/NF-κB、Wnt/β-catenin等。