肠道菌群失衡在帕金森病α-突触核蛋白诱导小胶质细胞活化中的作用

蔡金凤 王洪财 葛汝丽

滨州医学院附属医院神经内科，滨州 256603

帕金森病（Parkinson's disease，PD）是一种慢性、进行性地影响运动系统的神经系统疾病，原发性运动障碍和α-突触核蛋白（alpha-synuclein，α-syn）病是PD 的特征性表现［1］。随着世界人口的老龄化，PD的患病率也呈上升趋势。据报道，预计到2040 年，PD 患者的数量将从2015 年的690 万增加一倍，达到1 420 万［2］。有临床试验和PD 动物模型已经确定肠道菌群失调与PD 的发生、发展密切相关［3］。最近研究结果表明，肠道菌群不仅在调节小胶质细胞成熟和功能方面发挥了关键作用，而且是PD 疾病中小胶质细胞激活、α-syn病理和运动缺陷所必需的，小胶质细胞在PD疾病过程中不断被激活而引起神经炎症，因此肠道菌群在PD疾病进展中发挥了关键作用［4-6］。本综述中，我们探讨了肠道菌群及其代谢物对PD 临床表型的影响以及肠道菌群参与α-syn介导PD小胶质细胞激活之间的机制联系。

肠道菌群与中枢神经系统

人类微生物群大部分集中在肠道，其中包含超过10 万亿细胞和多达1 000种不同的微生物种类，肠道微生物群是生活在肠道中的所有共生体的总称。迄今为止，大多数关于肠道微生物的研究都集中在肠道细菌上。肠道细菌主要分为厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、梭菌门、变形菌门、疣微菌门和蓝藻门7 个分支，其中，拟杆菌门和厚壁菌门的数量占90%以上［7］。肠道菌群失调被定义为胃肠道微生物群与宿主之间的“正常”平衡被破坏。

越来越多的研究开始揭示微生物群对神经发育和中枢神经系统的深远影响，肠道细菌控制肠道、外周和大脑中免疫细胞的分化和功能［5］，对于维持健康的神经系统至关重要［7］。一方面，肠道菌群在神经生成过程中发挥着重要作用，如小胶质细胞的成熟、血脑屏障形成及神经发生等；另一方面，胃肠道微生物群对免疫系统非常重要，因为它们控制小胶质细胞的成熟及其功能，而无菌小鼠在细胞和结构水平上都表现出免疫缺陷。

肠道菌群与PD发病

目前，有研究发现肠道菌群及其代谢物的改变可能参与了PD的发病机制和临床表型［8］。PD是一种慢性、进行性和致残性的神经退行性疾病，影响中老年人群，临床特征包括运动缓慢、肌肉僵直、静息性震颤和姿势不稳，这些症状与黑质纹状体通路的多巴胺能神经元死亡密切相关［9］。有研究表明，PD 患者的肠道菌群发生改变，PD 患者的普雷沃氏菌属、毛螺菌属、栖粪杆菌属、罗氏菌属显著减少，而瘤胃球菌科、双歧杆菌科、克里斯滕森菌科、疣微菌科、巨球形菌属和阿克曼氏菌增多［10］。现如今PD 肠道菌群变化，尚未有定论。迄今为止，最一致的与PD 相关肠道微生物组成变化包括疣微菌科和阿克曼氏菌的相对丰度增加，普雷沃氏菌科的相对丰度减少［10］。普雷沃氏菌是PD 的一种高度特异性的前驱症状标志物，与PD 的快速眼球运动及PD 严重程度评分显著相关［10］，可通过降低保护性短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）使α-syn 病潜在发展，从而导致与SCFAs依赖基因表达相关的细胞内和细胞外蛋白清除机制的破坏［7，11］。有研究表明，普雷沃菌科的减少会导致黏液蛋白产量降低，并增加肠道通透性［12］。此外，肠杆菌科细菌的数量与PD 患者步态困难、炎症和姿势不稳定的严重程度存在直接联系［1］。拟杆菌的丰度增加与其运动障碍的严重程度呈正相关［13］。阿克曼氏菌可降解黏蛋白，引起肠道炎症和通透性，增加内毒素血症和全身炎症，最终促进神经病理［13］。而幽门螺杆菌感染可能与PD 风险相关［7］，与运动功能障碍的严重程度增加、大脑中多巴胺水平降低、左旋多巴吸收减少以及自身免疫和炎性反应有关［10］。

肠道菌群可以通过纤维发酵参与神经活性SCFAs（如乙酸、丙酸和丁酸）的合成。Chen 等［14］研究表明，在PD 患者粪便中的短链脂肪酸减少，血浆中的短链脂肪酸增加，尤其是血浆中丙酸盐浓度的增加，这可能与特定的肠道菌群变化和PD 的临床严重程度有关，其中，血浆丙酸水平与运动症状严重程度呈正相关，而粪便丁酸的降低与认知能力下降相关。此外，粪便中的丁酸还会影响紧密连接蛋白的表达，这种改变可能会进一步影响肠道通透性，最终导致肠道漏出和肠道炎症的增加，这与加重PD 疾病的进程有关［7］。这些研究证明PD 患者的肠道菌群变化及其微生物代谢物的改变参与了PD 的发病机制和临床表型，提示肠道菌群与PD之间存在潜在关系。

肠道菌群与PD小胶质细胞

小胶质细胞是中枢神经系统的主要免疫细胞，在提供宿主防御病原体和中枢神经系统疾病中起着关键作用。早在20 世纪80 年代，有研究报道PD 患者的黑质中存在大量活化的小胶质细胞，其中小胶质细胞持续过度活化，释放大量促炎细胞因子来介导炎症，最终导致多巴胺神经元凋亡并加速PD 的进展，这是PD 神经炎症发病机制的重要特征［6］。近年有研究显示，肠道微生物群有助于小胶质细胞的成熟和激活［8］。Heiss 等［15］研究表明，成年期时的小胶质细胞对肠道微生物群落的扰动高度敏感，需要复杂的肠道微生物群持续输入来维持体内的稳态。研究表明，无菌小鼠和4 周抗生素处理的小鼠小胶质细胞几乎相同，而来自微生物复杂性有限小鼠的小胶质细胞表现出与无菌小鼠的小胶质细胞相似的遗传特征和形态。Erny等［16］研究证明肠道菌群产物SCFAs 也可恢复未成熟小胶质细胞表型，调节小胶质细胞稳态。此外，粪菌移植也可减轻PD 小鼠运动障碍和神经变性，减轻神经炎症，降低粪便中SCFAs，抑制小胶质细胞的激活［10，17］。这些证据提示PD 进展过程中肠道微生物与小胶质细胞成熟和激活密切相关。

PD肠道菌群经α-syn参与小胶质细胞激活

肠道菌群失调会增加小胶质细胞激活和神经炎性反应，这是PD发病机制中的中心事件［10］。α-syn是在PD黑质中形成的标志性聚集体蛋白质，肠道中较早出现，并以朊病毒样方式通过迷走神经传播到大脑［18］。多项研究表明，肠道菌群失调可通过诱导免疫反应提高炎症水平，导致PD 患者肠道神经系统中α-syn 的错误折叠和异常聚集，促进与疾病有关的特定大脑区域内小胶质细胞的α-syn 依赖激活，促进神经元变性和运动功能障碍［5，17，19］。Sampson 等［5］证明肠道菌群是过表达α-syn 的PD 小鼠出现运动障碍、小胶质细胞激活和α-syn 病理所必需的，通过使用抗生素“鸡尾酒”疗法消除肠道菌群可以减少活化的小胶质细胞和α-syn的聚集来改善PD 运动缺陷，这些证据都表明肠道菌群对于α-syn介导小胶质细胞激活及神经炎症是必需的。

1.肠道菌群通过迷走神经介导α-syn 激活信号通路参与小胶质细胞激活

PD肠道菌群失调可以介导α-syn通过迷走神经直接影响大脑小胶质细胞激活［20］。研究表明，肠道菌群失调及其衍生代谢物，如脂多糖、参与肠黏膜炎症的炎症因子、活性氧∕氮等，可以诱导PD 患者肠道神经系统中α-syn异常聚集和错误折叠［6］。异常聚集的α-syn 通过迷走神经投影和自主肠纤维以每天5～10 mm 的速度从肠道神经系统运输到中枢神经系统，随后通过脑干、中脑、基底前脑在中枢神经系统中扩散，最终通过类似朊病毒的机制到达皮层区域。此时，由于中枢神经系统黑质中α-syn 聚集的增加，导致嗜酸性路易小体在细胞质中形成，促进多巴胺神经元出现线粒体功能紊乱及多巴胺神经元降解，最后破坏小胶质细胞的自噬和吞噬作用，诱导激活NOD 样受体热蛋白结构域相关蛋白3 炎症小体，促进神经炎性反应，最终加重多巴胺神经元损伤，促进PD进展［6］。

PD 肠道菌群失调后，通过启动和激活Toll 样受体（Toll-like receptors，TLRs），识别有害刺激，产生促炎因子做出反应，而α-syn 与TLRs 的结合是激活小胶质细胞的重要触发因素［6］，α-syn 与TLRs 相互作用可触发多个信号通路。其中，脂多糖是一种炎性微生物代谢产物，已被证明可以加速α-syn 的聚集。有研究推测脂多糖通过与α-syn 结合而促进TLR4∕MyD88∕NF-KB∕肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF-α）信号通路参与结肠神经和内脏神经中炎症的激活，诱导PD 小胶质细胞和星形胶质细胞的激活［13，21］。在PD 的早期阶段，肠内聚集性α-syn 可以通过与脂多糖作用减少肠道菌群衍生物SCFAs，增加黏膜胶质激活和巨噬细胞含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-1依赖性炎症小体及白细胞介素1β 的产生，最终降低结肠闭锁小带蛋白1 和闭合蛋白的表达，损害肠道屏障，最终通过迷走神经向黑质扩散，诱导黑质小胶质细胞的弥漫性激活，导致PD 的发生［22］。此外，Zhong 等［23］研究表明，PD 肠道菌群可能激活大脑中α-syn 介导的TLR4∕PI3K∕AKT∕NF-KB 途径而使小胶质细胞失活。Sun 等［8］研究证明，PD 肠道菌群可能通过激活TLR4∕TBK1∕∕NF-KB∕TNF-α 信号通路来刺激小胶质细胞活化，促进PD模型小鼠的神经炎症进展。

2.肠道菌群通过肠道炎性屏障激活α-syn 及T 细胞参与小胶质细胞激活

最近的人类和小鼠研究表明，氧化的α-syn 构成了参与PD 的T 细胞介导免疫反应的主要抗原，这将进一步促进小胶质细胞激活。PD 患者肠道生态失调后，出现肠道紧密连接成分下调，从而可能破坏肠道屏障，这可能是增加T 细胞进入结肠黏膜的原因［24］。这时某些肠道菌群菌株会触发由先天免疫细胞介导的初始炎症，从而通过自身蛋白的共价修饰促进局部氧化应激，促进形成α-syn 包涵体（尤其是硝化的α-syn）。这种包涵体被肠道黏膜抗原呈递细胞捕获，并呈递给针对路易体衍生抗原的幼稚辅助性CD4 T 细胞，促进辅助性T 细胞（helper T cell，Th）1 和Th17 的形成。然后Th1和Th17通过受损的血脑屏障进入大脑并激活小胶质细胞，诱导PD 神经炎症，最终导致多巴胺能神经元死亡和PD的进行性发展［25］。

此外，小胶质细胞也可作为局部的抗原呈递细胞，呈递主要组织相容性复合体Ⅱ类上的α-syn 衍生肽抗原，从而重新刺激T 细胞，使脑内辅助性CD4 T 细胞被激活，释放高水平的局部γ 干扰素和TNF-α，促进小胶质细胞M1 样极化，激活的M1 小胶质细胞产生高水平的谷氨酸、TNF-α 和活性氧∕氮，进而诱导神经元死亡，并进一步生成硝化的α-syn，刺激巨噬细胞和树突状细胞中的Toll 样受体，从而引发神经炎症及氧化应激，进一步产生α-syn 包涵体，这就构成了慢性炎症和路易体生成的恶性循环，从而损害神经系统神经元，降低多巴胺水平［25-26］。研究表明，在PD 中肠道菌群可通过调节对肠道调节性T 细胞亚群的分化，从而调节调节性T细胞，抑制小胶质细胞炎症和辅助性CD8 T细胞和自然杀伤细胞对α-syn 聚集的细胞毒性活性，介导黑质纹状体保护［27］。

3.肠道菌群通过分泌三甲胺N-氧化物（trimethylamine N-oxide，TMAO）影响α-syn构象变化介导小胶质细胞激活

TMAO 是肠道微生物产生的一种代谢物，主要来源于饮食成分中的胆碱和肉碱，可以在脑脊液中检测到，对PD患者具有保护作用。Tan 等［28］研究表明，PD 晚期阶段患者的粪便胆碱水平更高，PD 粪便中TMAO 的水平降低。Jamal等［29］证明TMAO 对PD 患者具有保护作用可能是因为TMAO 可以将α-syn 从一种构象转化为另一种构象，防止α-syn 聚集和形成导致PD 的不溶性原纤维，减少小胶质细胞激活及神经炎症因子释放，延缓PD进展。

结论

肠道微生物群的失衡在PD 中发挥重要作用，可能通过α-syn激活小胶质细胞，从而介导神经炎症过程，促进PD进展。目前，尚不明确观察到与PD 疾病相关的微生物群落变化是大脑功能改变的原因还是结果，但目前多项研究结果显示，针对微生物群的干预可以恢复小胶质细胞功能，并对神经发育和神经退行性疾病产生有益影响［5，13，23，30］。肠道菌群传递到大脑的信号有可能缓解或加剧PD 症状，这些变化的机制可能是通过肠道α-syn 介导的小胶质细胞行为变化而起作用。因此，肠道微生物学与PD 的进展机制值得继续探索，这可能带来新的治疗前景。目前，以肠道微生物为靶标的干预治疗措施，包括益生元、益生菌和粪菌移植策略，在PD 临床前和实验模型中显示了较有效的结果，并已经涉及到中枢神经系统的小胶质细胞，对肠道菌群与小胶质细胞进一步研究可能会提高临床上利用肠道微生物群开发创新的、非侵入性的、有效的PD治疗策略的潜力。

作者贡献声明蔡金凤：起草文章；王洪财、葛汝丽：对文章的知识性内容作批评性审阅