從代謝產物論述腸道菌群與阿爾茨海默病

李虹霖， 齊慧敏， 李書霖， 張 淼， 孫琦月， 佟曉薇， 欒凱迪，朱紅奇， 王鑫蕊， 李 雪， 張曉亮, 馬祺昊

(1.黑龍江中醫藥大學，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江中醫藥大學 附屬第二醫院，黑龍江 哈爾濱 150001；3.黑龍江中醫藥大學 第二臨床醫學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s Disease, AD)是一種常見的老年疾病，是一種神經退行性疾病，起病隱匿，出現記憶力、判斷力、注意力持續時間和解決問題的能力受損，隨之而來的是嚴重的失用癥和認知能力的全面喪失。該病主要發生于60歲以后，病理表現為嚴重的大腦皮質萎縮、老年斑三聯征及神經原纖維纏結等[1]。根據阿爾茨海默國際(Alzheimer′s Disease International)發布的“2018年阿爾茨海默病報告”[2]，全世界有5 000萬AD患者，每3秒即有1人得AD。2050年，AD人口將會上升至1.52億人。目前治療AD的花費每年大約1萬億美元，預計到2030年會翻倍。隨著人口老齡化加重，AD已成為高發疾病，研究證明腸道菌群(Gut Microbiota, GM)與AD具有相關性。

1 腸道菌群

陰道分娩的嬰兒最初是由具有母體特征的菌群(富含乳酸菌和普雷沃特氏菌)定殖的，而剖宮產嬰兒的菌落則更接近皮膚菌群(富含葡萄球菌和丙酸桿菌)。微生物群在生命的最初幾周內開始多樣化，形成一個復雜的、以厭氧菌為主的菌群[3]。 成人的菌群包括擬桿菌門和厚壁菌門，所占比例最高，變形桿菌門和放線菌門所占比例相對較低[4]。腸道微生物群在維持正常腸道環境和通過腸腦軸調節腸道信號方面起著重要作用。腸道微生物群的改變和腸道通透性的增加，可能引起全身炎癥、神經炎癥和特定腦區域的功能障礙，如小腦和海馬[5]，也可能引起胰島素抵抗，這已被證明與AD的發病機制有關[6-8]。

關于AD的發病機制有很多種假說：①基因突變學說：根據有無家族史，分為家族性AD(FAD)和散發性AD(SAD)，研究證明位于14號、1號染色體上的早老素蛋白1基因(PS-1) 和早老素蛋白2基因(PS-2),位于19號染色體上的載脂蛋白 E(ApoE) 基因，位于21號染色體上的21號染色體上的 APP 基因與 AD 的發病有相關性[9]；②β淀粉樣蛋白學說：Aβ在腦組織中的異常沉積可以產生神經毒性，導致AD的發生；③Tau蛋白學說：AD 特征的病理改變有細胞外老年斑的形成及細胞內神經原纖維纏結(neurofibrillary tangles，NFTs)[10]，NFTs最主要的成分是異常過度磷酸化的Tau蛋白，已有研究表明，異常的 Tau 蛋白大量聚集于退行性病變的神經元與AD病人的病情發展呈正相關[11]；④炎癥學說：膠質細胞與星狀膠質細胞作為促炎癥因子，可以引起腦內神經細胞的異常凋亡，從而導致AD的發生；⑤膽堿能損傷學說：在患者尸檢中發現，老年腦和AD患者皮質的乙酰膽堿 (Ach) 的含量顯著下降，膽堿能神經元明顯減少[12]。

目前，已有研究表明腸道菌群參與AD的發生，當腸道菌群發生改變時，不僅影響腸道神經系統，還影響中樞神經系統以及大腦功能。隨著年齡的增長，人體內的菌群種類及數量也發生改變，如老人體內雙歧桿菌的含量要遠低于兒童，雙歧桿菌具有抗衰老的功能，補充雙歧桿菌可在一定程度上預防衰老引起的認知障礙[13]。某些腸道菌群可以產生淀粉樣蛋白或其降解物，激活釋放炎癥因子，引起細胞凋亡，這些都與AD的發生有關[14]。腸道菌群與血腦屏障形成以及髓鞘形成等神經生成過程有關，并調控動物行為和認知等[15]，部分腸道菌群的改變可以增加血腦屏障的通透性，使某些不能進入的物質進入腦實質，對神經元細胞造成影響。Aβ和脂多糖(lipopolysaccharide，LPS) 的重要來源是腸道菌群，其中革蘭陰性桿菌可產生大量的 LPS，LPS可以引發神經炎癥，影響AD患者的認知功能[16]。因此，腸道菌群的多樣性以及某些特定菌群的數量與AD相關，腸道菌群可以通過影響血腦屏障，引發神經炎癥等參與AD的發病。

2 腸道菌群的代謝產物與AD的相關性

在19世紀80年代，“腸-腦軸”這一概念被首次提出[17]。之后越來越多的證據表明，胃腸道是連接微生物和中樞神經系統的渠道[18]，且中樞神經系統和腸道微生物之間存在著雙向溝通作用[19]。腸-腦軸是指中樞神經系統與腸道菌群之間的雙向影響的聯系方式，包括中樞神經系統(CNS)、神經內分泌和神經免疫系統、自主神經系統(ANS)的交感神經和副交感神經手臂(ANS)、腸神經系統(ENS)，其中最重要的是腸道微生物群[20]。

2.1 代謝產物三甲胺N-氧化物(TMAO)

腸道菌群通過代謝食物和宿主來源的底物，產生生物活性化合物(如G蛋白偶聯受體激動劑)、生物前體和毒素而影響人類健康和導致疾病的發生，菌群代謝產物三甲胺N-氧化物(TMAO)參與身體代謝，與心腦血管疾病有關。Nicholas等[21]研究表明，TMAO的生產是通過兩步進行的。首先，腸道菌群通過酶作用從食物(如膽堿)中代謝分解產生三甲胺(TMA)，三甲胺進入機體循環，在肝臟中被含黃酮類的單加氧酶1和3 (FMO1和FMO3)氧化為TMAO。TMAO在腦脊液(CSF)中是可測量的，表明這種腸道菌群的代謝物可以到達中樞神經系統(CNS)，從而引發神經系統疾病。在此研究中，有證據證明AD患者腦脊液中TOMA含量升高，并且年齡越大，CSF中TMAO含量越高。同時發現TMAO與p-tau以及p-tau/Aβ42有關,表明TMAO可能與淀粉樣沉積密切相關。而且TMAO也與神經軸突損傷相關，而與樹突變性無關，盡管TMAO可能不是淀粉樣蛋白產生的主要驅動因素，但它可能會影響脆弱的神經元，并導致神經退行性病變，從而導致AD的發生。Li等[22]研究發現，在大腦中TMAO可以誘導神經元衰老，增加氧化應激，損害線粒體功能，增加衰老細胞的數量，與腦老化有一定關系。血管因素越來越被認為是AD的重要致病因素，研究表明，TMAO與動脈粥樣硬化存在一定的因果關系[23],因此，TMAO在AD的發病機制中的作用之一是通過影響血管狀態，增加腦血管疾病風險。代謝產物TMAO通過導致神經軸突損傷和改變血管狀態，引起神經系統疾病。

2.2 代謝產物γ-氨基丁酸(γ-Aminobutyric acid, GABA)

機體內谷氨酸鹽可以被乳桿菌屬、乳球菌屬和雙歧桿菌屬細菌轉化為GABA。GABA是哺乳動物大腦中最重要的抑制性神經遞質, 其神經元約占人體神經元總量的25%～30%, 且在調控興奮電位傳導中具有重要的作用[24]。GABA可抑制大腦中興奮性神經元，防止不受控制的超興奮(如癲癇發作時的興奮)，從而維持神經系統正?；顒?。AD的發病機制中，有淀粉樣級聯假說(推測Aβ肽在腦實質中沉積是AD發病的關鍵)， Aβ肽由淀粉樣蛋白前體蛋白(APP)通過β-分泌酶β位點APP切割酶1(BACE1)和含早老素的γ-分泌酶復合物的連續切割產生。APP通過兩種方式直接調節GABA神經傳遞[25]，一是APP可與神經元特異性氯化鉀協同轉運蛋白相互作用并調節其水平和活性，后者是維持神經元氯化物水平和GABA逆轉電位的關鍵；二是APP復合物與攜帶GABAB受體1a(GABABR1a)的GABAB受體二聚體共同轉運至軸突突觸前質膜。另一方面，由分泌酶切割產生的分泌的APP可以充當調節突觸前囊泡釋放的GABABR1a結合配體。腸道菌群代謝產物GABA可以抑制大腦興奮性神經元，與Aβ肽的前體APP相互調節，影響人體的認知功能。

2.3 代謝產物乙酰膽堿(Acetylcholine，Ach)

在AD的發病機制中膽堿能學說是最被人們所認可的，大多被美國食品和藥物管理局(Food and Drug Administration，FDA)認可的藥物也都是根據膽堿能學說制定的。在中樞神經系統中，長軸突膽堿能通路的變性是AD的重要病理機制之一，神經遞質Ach的主要工作是進行骨骼肌和運動神經之間的信息傳遞，與AD密切相關[26]。腸道菌群中乳桿菌屬、芽胞桿菌屬的代謝產物中有Ach，研究表明[27], 當機體受到刺激時,大腦內膽堿能神經元被激活, 使大腦、海馬及大腦皮層等區域的Ach釋放，并且Ach是進行及維持高級神經系統功能的一種重要介質, 可特異性作用于各類膽堿受體,與記憶、學習、注意等認知活動密切相關。當海馬和大腦皮層等主管認知的區域受損，可以引起認知功能水平下降甚至可以直接導致癡呆。證明腦內Ach水平可以影響人體的認知功能，從而導致AD。在前期研究中發現[28],頭穴叢刺通過干預cAMP-PKA-CREB信號通路，激活cAMP,促進PKA的釋放，增加CREB的表達,降低乙酰膽堿酶(AchE)的活性，增加Ch AT(催化Ach生物合成的限速酶)，從而提高AD大鼠學習記憶能力。綜上，腸道菌群代謝產生Ach，改變體內神經遞質Ach水平，可以影響學習記憶能力。

2.4 代謝產物β-甲基氨基-L-丙氨酸(BMMA)

腸道菌群中藍細菌綱的細菌可以代謝產出β-甲基氨基-L-丙氨酸(BMMA)，BMAA是一種天然的、非必需的、非蛋白質性氨基酸[29]，其具有神經毒性，可損傷神經元，這可能與蛋白質的錯誤折疊有關。關于BMAA對AD等神經系統退行性疾病的影響，Laura等[30]研究分析結果證明，BMAA暴露后的大鼠背側紋狀體(尾狀核和殼核)出現了嚴重的神經元丟失，同時BMAA暴露于雌性大鼠的前額葉皮質也有β淀粉樣沉積。β-淀粉樣蛋白從海馬向前額葉皮質的擴散，與觀察到的神經元丟失分布相對應，表明BMAA誘導的雌性大鼠神經病理學的進展速度可能與雄性大鼠不同，或者說雌性大鼠的前額葉皮質更易受到BMAA的毒性影響。應用免疫組織化學方法觀察了BMAA暴露后大鼠的神經炎癥反應，所有雄性和雌性大鼠有持續的炎癥過程，表現為海馬內存在反應性小膠質細胞。在張瑜[31]的研究中，BMAA導致大鼠脊髓細胞腫瘤壞死因子α(TNF-α)和誘導型一氧化氮合酶(iNOS)蛋白的表達上調，結果同時存在膠質細胞的反應性增生，大鼠體內持續進行免疫炎癥反應，可能導致神經元減少或退變，從而導致神經系統退行性疾病。因此，代謝產物BMMA可以造成神經元丟失，產生β淀粉樣沉積，同時刺激膠質細胞增生，引起神經系統退行性疾病。

2.5 其他代謝產物

腸道菌群中其他屬的微生物也可以對神經系統產生影響。大腸埃希菌、乳酸菌、鏈球菌等微生物可以代謝產生多巴胺 (dopamine,DA)，DA屬于兒茶酚胺類神經遞質，有研究證明，在海馬區有多巴胺D1和D2受體,且以D1受體為主[32]，對學習記憶能力及相應認知過程起著重要作用。一些植物多糖不能被機體完全消化，腸道菌群(其中醋桿菌和乳酸菌起主要作用)把它分解成短鏈脂肪酸(short chain fatty acid，SCFA)，SCFA可以參與AD的發病。Feng等[33]運用果蠅模型試驗發現，AD果蠅模型中腸道菌群種類增加，乙酰桿菌和乳酸菌作為較豐富的菌群，其比例明顯下調，乙酸酯作為AD果蠅模型中最豐富的SCFA，特異性表達明顯下降。說明腸道菌群通過調節SCFA水平參與AD的發病。

一些菌群的代謝產物對神經系統疾病存在抑制作用，如梭菌屬中生孢梭菌可以利用色氨酸的脫氨反應產生3-吲哚丙酸[34]，它是一種抗氧化劑，可以保護神經元。Wekerle[35]研究表明，通過補充色氨酸代謝物吲哚、3-吲哚硫酸酯(I3S)、3-吲哚丙酸(IPA)、3-吲哚醛(IAld)或細菌酶色氨酸酶，使用抗生素治療小鼠的中樞神經系統炎癥，其癥狀減輕。

3 展 望

本文綜述了腸道菌群代謝產生TMAO、GABA、Ach、BMMA、DA、內毒素等，這些產物通過不同的機制影響AD，如TMAO通過參與機體代謝，穿過血腦屏障，影響中樞神經系統；GABA、DA與Ach是重要的神經遞質，參與學習記憶過程；BMMA是一種具有神經毒性的氨基酸，可損害神經元；內毒素等物質可以引發免疫炎癥反應，損害神經系統。以上代謝產物都對AD有一定的影響，雖然提出了代謝產物影響AD的機制，但還不甚明確，還需要進一步循證醫學的支持。同時AD是一種多因素影響的疾病，針對單因素治療的效果不甚明顯，需要根據多靶點，多因素結合治療。是否通過GABA、DA以及Ach等改善AD患者的認知；TMAO作為一種代謝氧化物，是否可以作為治療AD的靶點，是否可以通過改變肝臟內FMO1和FMO3酶或改變TMAO的氧化途徑來減少其產生從而治療AD；因藍細菌綱代謝產物BMMA可以損傷神經元，是否可以通過減少藍細菌綱的數量或阻斷代謝途徑治療AD；梭菌屬代謝產生吲哚酸類，可以保護神經元，是否可以通過增加生孢梭菌數量或調節色氨酸對神經元進行抗氧化處理，以上還需要進一步實驗研究證明。

腸道菌群可以通過自身代謝產物來影響中樞神經系統，導致腦內病理性改變，從而導致AD，腸道菌群作為一個熱點，有很多學者在進行腸道菌群的研究，著眼腸道菌群論治AD，通過改善腸道環境治療AD。如蔡秋伶[36]提出脾胃虛弱也是AD的病因之一，對于AD來說，病位在腦，根在脾胃，脾為生痰之源，痰蒙清竅也可導致AD，通過健脾養胃，調節脾胃功能影響腸道菌群，從而治療AD。王穎[37]用柴胡疏肝散處理APP/PS1AD小鼠后發現小鼠腸道菌群中梭菌屬、羅氏菌屬、擬桿菌屬的菌群均有明顯降低，逆轉了AD小鼠腸道菌群紊亂，緩解小鼠腦內老年斑的形成，證明柴胡疏肝散對AD有一定的治療作用。宋楠[38]研究證明矢車菊素-3-O-葡萄糖苷(Cy3G)可以用于緩解包括AD在內的神經系統疾病，Cy3G具有調節腦糖代謝異常以及調節腸道菌群紊亂，有助于改善認知，預防和緩解AD。APPswe/PS1△E9AD小鼠被Gy3G處理后8周，小鼠空腹血糖水平降低，海馬區糖代謝異常情況得到緩解，減緩了小鼠腦萎縮程度，抑制了老年斑的形成，改善了認知功能。同時Gy3G可以降低腸道菌群中藍藻細菌，厚壁菌門/擬桿菌門的豐度，改變AD小鼠腸道菌群群落種類及結構，調節腸道菌群紊亂。

我們在前期研究中發現，頭穴叢刺可以調節蛋白以及干預膽堿能系統，改善學習記憶功能，從而改善AD的癥狀。當今社會，人口老齡化日益加重，AD患者也在逐年增加，給個人、家庭以及社會都帶來了負擔。盡管腸道菌群與中樞神經系統的關系有待進一步研究，但通過腸道菌群和AD的關系，提出是否可以運用中醫特色方法(例如針灸)調節腸道菌群來改善人的認知，從而改善AD癥狀，這為AD的防治提供了新的方向。