肠肝脑轴在帕金森病发病中的作用*

李斐，梁建庆，韩政阳，董海玉，王佳华，许晨璐

1 甘肃中医药大学 甘肃兰州 730000

2 敦煌医学与转化教育部重点实验室 甘肃兰州 730000

3 甘肃省中医方药挖掘与创新转化重点实验室 甘肃兰州 730000

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）以躯体运动障碍为主要表现，是发病率位居第二，病死率增长最快的神经退行性疾病，影响1%～2% 65岁以上的人口，全球负担不断加剧[1]，其发病机制复杂不明[2]。肠肝脑轴是胃肠道（GI）、肝脏、中枢神经系统（CNS）在分子基础上建立彼此通讯的复杂神经、内分泌、免疫网络，信息呈双向交流，胃肠道微生物群（GM）在“信息洪流”中发挥至关重要的导向作用。肠肝脑轴内在的良性互动有益于脑神经元[3]，而异常信号从GI至肝脏、大脑的上行路线揭示PD的发病机制，对认识PD具有重要意义。

GM稳态失衡是肠肝脑轴途径触发PD的启动因素

GM以百万亿计，约占人体菌群的78%[4]，其构成庞大而复杂的生态系统，被称为宿主的“获得性器官”。GI由近端至远端，菌群数量呈递增趋势，以结肠每克肠内容物的细菌数109～1012个为最高[5]，厚壁菌门和拟杆菌门在GI内最具优势。大脑结构快速增长和功能网络构建的时期与GM定植的关键期在婴儿阶段重合[6]，在此期间，大脑与GM发生密集的交互作用，对人体的长期发育至关重要。GM影响大脑功能最直接的证据是无菌小鼠的大脑产生负性发育[7]。GM不仅调控GI蠕动、食物消化吸收等，还是人体重要的神经内分泌、免疫调节器。肠型（菌群组成的样本聚类）与人类疾病的相关性已被广泛报道，包括PD。

GM可以通过调节血清素（5-HT）能、多巴胺（DA）能、γ-氨基丁酸（GABA）能等神经元影响神经递质合成、传递与代谢过程，同时自己也可以生产这些神经活性物质，常见的神经递质在GI内基本均可生成。如念珠菌、大肠杆菌、肠球菌能生产5-HT；双歧杆菌、乳酸杆菌是GABA生成者；芽孢杆菌和沙雷氏菌制造DA。上述神经递质异常均与PD发病密切相关。

需要注意的是，诱发PD更主要的驱动因素是GM抗炎及促炎特性紊乱。GM的高密度性决定了人体GI是一个独特的免疫场所，免疫系统需要不断地在共生菌耐受和致病菌免疫之间保持微妙的平衡，这种平衡的实现方式包括肠上皮淋巴细胞的干涉以及共生菌构成肠屏障，竞争性抑制致病菌的定植空间，产生抑菌物质，杀灭病原微生物。一旦这种平衡被打破，免疫系统经干扰导致GI炎症，则大量致病菌及其代谢产物、促炎因子跨越受损的肠屏障进入肝脏，并损伤血脑屏障（BBB）[8]，使炎性反应在肠肝脑轴中弥漫扩大化。炎症是PD主要特征之一，PD患者普遍存在GI、血液[9]、大脑和脑脊液[10]中炎症分子水平升高。Scheperjans等人[11]报告称，PD患者主要表现出致病性革兰氏阴性菌显著增加，如肠杆菌（科）、疣微菌（科），而普氏菌（科）减少。Keshavarzian等人[12]研究发现GM在门水平中，PD患者拟杆菌（门）、变形杆菌（门）和疣微菌（门）丰度显著增加，而健康对照组厚壁菌（门）丰度较高；在属水平上，PD患者拟杆菌（属）、阿克曼菌（属）、颤螺菌（属）丰度增加，而抗炎短链脂肪酸（SCFAs）的生成菌显著降低，如经黏液真杆菌（属）、粪球菌（属）、罗氏菌（属）。幽门螺杆菌（Hp）与PD亦存在因果关系，Hp可释放穿过BBB的神经毒素，如胆固醇葡糖苷，导致DA能神经退行性变，还可以通过激活免疫介质，如单核细胞，引起炎性因子的释放，诱导大脑炎症及神经元凋亡[13]。可以说，促炎菌比抗炎菌具有优势是PD的GM突出特点。

关键病理标志物α-突触核蛋白在肠肝脑轴中逆行上传

α-突触核蛋白（α-syn）在黑质DA能神经元异常折叠、聚集是PD最突出的病理改变[14]。此外，PD患者显示肠神经系统（ENS）功能受累。ENS遍布整个GI，与CNS通过脊神经和迷走神经（VN）实现交流，VN占用80%～90%的纤维负责传递肠脑信号[15]。2003年Braak以此为框架提出了相应假说[16]：PD是肠道α-syn经VN向大脑逆行所致。后经大量学者逐步充实了此假说的证据链。首先，PD肠黏膜下神经丛和肌间神经丛中存在α-syn[17]，进一步研究[18]显示，GI炎症可触发ENS内α-syn病理性构象变化。其次，α-syn在ENS中可引起GI功能障碍，如便秘，这是PD常见的非运动症状，甚至比运动症状提前20年出现[19]。第三，GI有密集的神经纤维由迷走神经背核（DMV）发出，α-syn通过朊蛋白样激活机制在神经纤维中传播[20]，在传播过程中，可作为模板传染正常神经元α-syn改变[21]。实验证明，健康小鼠体内注射人α-syn造成VN和脑干中的α-Syn聚集，切断小鼠躯干VN可阻止了这一现象以及相应的神经变性和运动障碍[22]。一项横跨18年的流行病学研究得到相同的结论，即躯干VN切断术对PD具有保护作用[23]。最后，α-syn通过氧化应激、线粒体损伤、小胶质细胞激活并释放促炎因子引起神经炎症[24]等机制造成DA能神经元凋亡，最终引起PD。

在α-syn的移行过程中，肝脏具有重要的清除作用。一项结合细胞、动物和临床的研究[25]首次报道了肝实质、肝血窦及门静脉均存在α-syn。因为肝脏内缺乏α-syn mRNA的表达，故而肝内α-syn来源于GI或大脑，传播的媒介是VN或血液。在神经元和少突胶质细胞中参与α-syn摄取的间隙连接蛋白-32（Cx32）在肝细胞中也高度表达，Cx32/α-syn通过蛋白质内化清除α-syn，这一过程与肝细胞的毒素清除作用一致。当然，α-syn过渡积累亦会产生肝毒性，导致肝脏炎症。

典型的内毒素脂多糖诱发肠肝脑轴级联炎症反应

脂多糖（LPS）是典型的内毒素，部分构成革兰氏阴性细菌外膜，其升高往往伴随GI炎症[26]。Toll样受体4（TLR4）是LPS的推定受体和核因子κB（NF-κB）信号通路的启动子，结肠组织中表达TLR4的细胞在PD中增加，TLR4进一步加剧肠道炎症[27]。敲除TLR4证明对鱼藤酮毒性具有保护作用，暗示其在GI炎症和神经退化中的关键作用[28]。此外，粪便α1-抗胰蛋白酶和连蛋白可用于评估肠上皮屏障完整性，PD患者粪便中两者均显著增高[29]，意味着PD患者肠上皮屏障通透性增加。LPS针对紧密连接（TJ）破坏肠上皮屏障[30]，肠屏障通透性增加则促进机会病原体、内毒素、炎性因子暴露。研究证明PD患者血液中LPS结合蛋白降低，LPS增加[31]，表明周围组织和免疫细胞更多地接触了LPS。

肝脏在面对冲破肠上皮屏障逃逸出来的各种内毒素及促炎因子等，则行使“屏障”功能将它们清除或排泄。高度开窗的肝脏与GI的相同胚胎起源决定了彼此间解剖和功能联系密切，肝脏通过门静脉接受来自GI的血液，并且肝窦内皮细胞是抗原呈递细胞，积极参与抗原反应并调节免疫细胞运输[32]。当发生“肠漏”，肝脏激活库普弗细胞（KCs）的吞噬作用并产生抗炎因子，如IL-10，在清除病原的同时抑制炎症反应。肝细胞还能合成众多辅助因子参与吞噬、增殖白细胞的抗感染过程。此外，人体合成的初级胆汁酸（BAs）超过90%在肝脏完成，部分初级BAs在肝肠循环过程中经GM脱羟作用生成次级BAs，次级BAs表现出很强的抗菌活性[33]。当肝脏清解能力崩溃，LPS等内毒素不但会引起肝损伤，导致BAs分泌减少致使GM发生紊乱，反向促进肠上皮屏障损伤，而且进一步向外周逃逸的LPS则依赖环氧化酶诱导BBB损伤并激活脑小胶质细胞[34]，最终引起肠肝脑轴级联式炎症状态。

值得重视的是，LPS还可以上调诱导型一氧化氮合酶和α肿瘤坏死因子的表达来增加α-syn的硝化和寡聚化[35]，同时，LPS与α-syn的α螺旋中间体结合形成脂质-蛋白质复合物，作为α-syn的纤维支架，加速α-syn的异常聚集[36]。总之，LPS不仅破坏肠、肝、脑屏障的完整性，诱发机体炎症反应，还通过参与α-syn的通讯加速PD神经退行性变。

SCFAs在肠肝脑轴中发挥多效性作用

SCFAs是膳食纤维经结肠内菌群酵解的重要代谢物，以乙酸、丙酸、丁酸为主。SCFAs在PD中的作用机制与其维护屏障，调节机体神经内分泌、免疫等生理功能异常相关。SCFAs通过激活O-糖基化蛋白（MUC2）启动子，上调MUC2的表达，促进杯状细胞分泌黏液，阻止微生物入侵[37]，还可以上调TJ蛋白组件的表达和增加跨上皮电阻来降低肠上皮屏障及BBB的通透性[38]。免疫调节主要通过激活免疫细胞表达的G蛋白偶联受体（GPCRs）和抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）实现[39]，GPCRs包括GPR41、GPR43、GPR109A，其SCFAs的依赖性可增强固有免疫细胞抗炎能力、诱导B细胞分化产生免疫球蛋白A、促进T细胞的成熟分化。SCFAs做为HDAC抑制剂，可进一步抑制雷帕霉素靶蛋白、巨噬细胞释放促炎介质及NF-κB通路活性[40]，从而抑制神经炎症和小胶质细胞活化。此外，SCFAs刺激肠嗜铬细胞产生5-HT，影响CNS 功能[41]。丁酸盐还能激活结肠上皮细胞中的过氧化物酶体增殖物，激活受体γ信号[42]，降低呼吸电子受体的生物利用度以抑制肠杆菌科扩张。穿过BBB的SCFAs不但直接作用于小胶质细胞，还通过大脑中游离脂肪酸受体调控神经递质和儿茶酚胺产生[43]。肝脏是SCFAs的重要代谢场所，SCFAs可诱导肝脏内几种代谢途径上调，包括BAs合成、糖异生、脂代谢等，同时，SCFAs影响肝脏中KCs的炎症表型[3]。总体来说，SCFAs对肠肝脑轴发挥多效性作用阻止PD发展。

Unger等人[44]发现，SCFAs和SCFAs产生菌的耗竭可能会导致ENS中路易小体的形成。另一项研究[45]认为补充SCFAs可以缓解甚至逆转PD症状。Aho等人[46]证实了PD患者SCFAs缺陷和粪便钙卫蛋白升高同时存在，意味着低水平SCFAs促进GI炎症进展。Shin等人[38]表示丙酸盐水平与统一帕金森病评定量表-Ⅲ（UPDRS-Ⅲ）呈负相关。在一项基于PD的流体平台技术研究中[3]，通过将肠、肝、脑微处理系统连接循环以仿生人体肠肝脑轴，当其中添加SCFAs时可导致炎症介质明显减少。

总 结

基于肠肝脑轴引发PD的过程，公认的结论为GM扰乱、各级屏障功能破坏、持续的炎症反应，导致α-syn异常聚集和神经变性，最终引起大脑DA能神经元凋亡。因此，宿主与GM建立神经免疫和内分泌免疫稳态对预防PD尤为重要。然而，目前诸多研究集中于微生物群-肠脑轴，这体现了GM的变化在PD发病机制中的核心作用，却忽视了与肠、脑关系密切，具有重要代谢和解毒功能的肝脏，它的作用同样举足轻重。总之，将肠、肝、脑三者结合的“轴”系统，有益于PD发病机制更完整地认识，未来需要适当将研究重心向肝脏倾斜。

关于PD的一个争议焦点是α-Syn究竟起源于肠道或是大脑，事实上，两种观点均有充足可信的证据支持。α-syn不仅局限于大脑、GI及肝脏，也不仅只以神经系统作为扩散通道，多项研究表明，视网膜、皮肤、心脏以及包括血液、脑脊液、唾液在内的体液中也存在α-syn，α-syn可以被红细胞携带[47]，通过循环系统运输并穿过BBB[48]。α-syn传播的方向也不是单一由GI向大脑移行，α-syn的中脑过表达也被证明可以到达胃壁[49]，注入嗅球的α-syn同样会向大脑多个区域扩散[50]。最近一项研究[51]提出将大脑优先型和身体优先型分别作为PD的亚型具有很强的说服力。因此，有理由认为这一争议已得到答案，即两种起源并列存在，但是基于肠肝脑轴的肠道起源论中，关于各环节彼此间的互作机制仍有大量空白需要在未来重点研究，不断填补。

另一个热点是关于SCFAs悖论，即SCFAs的研究结论存在诸多矛盾。一项体外实验[52]表明，丁酸钠给药造成α-Syn mRNA和促炎因子上调，并激活细胞凋亡。丁酸盐可显著加重1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶（MPTP）诱导的DA能神经元耗竭、胶质细胞介导的神经炎症和运动障碍[53]。不同物种、不同样本间SCFAs浓度变化也不同。例如，PD患者粪便中SCFAs减少[54]，血浆中SCFAs水平却有所增加[38]，而MPTP处理或移植PD患者粪便的小鼠粪便中SCFAs增加[55]。有诸多观点试图解释上述差异：人类与小鼠的GM及GI解剖结构不同，决定了SCFAs的利用方式可能不同；自然状态下，SCFAs主要在结肠生产、吸收，而PD动物模型以灌胃或口服SCFAs治疗，造成其可能被小肠吸收，不能有效干预GM及肠上皮屏障，服用益生元或益生菌有益弥补此方法漏洞；SCFAs的结肠吸收率达到95%，粪便信息非常有限，以粪便SCFAs浓度做为评价指标明显不足，有必要对粪便、血液、SCFAs产生菌的数据进行综合分析。这些原因不排除客观存在，然而，更为合理的解释可能是SCFAs在不同的环境背景及PD阶段中，发挥不同的生理病理作用。正如Trapecar[3]观察到在体外PD肠肝脑轴模型中引入或不引入CD4+Treg/Th17（对维持GI免疫稳态具有重要作用的T细胞），SCFAs效用相反。由此观点拓展思路便可以理解他汀类药物、根除Hp的治疗总体上改善或加重PD为什么无法达成共识。

此外，基于GM对宿主生理、病理全方位的影响，PD的GM多样性及丰度发生变化是不言而喻的，大量研究也证实了这一点。然而，该领域仅为横断面、小样本研究，普遍集中在分析粪便样本的细菌种类，存在年龄、性别、饮食、生活习惯、用药等诸多混杂因素，加之GM的改变与多种神经系统疾病相关，如阿尔茨海默病、多发性硬化症、精神分裂症、自闭症、癫痫、痴呆等[56]，故而仍然无法准确识别PD的GM特异性。Qian等人[57]通过鸟枪宏基因测序，发现GM基因标记不受PD病情严重程度及用药干扰，故而提出基于GM基因的诊断模型。因此，更多的纵向、前瞻性临床试验结合宏基因组测序是未来研究的一个有前景的方向。