付佳佳，鄧愛萍，劉 焦，楊 靜，陳雪平

1.四川大學(xué)華西臨床醫(yī)學(xué)院，四川 成都 610041；2.四川大學(xué)華西醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科門診部/四川大學(xué)華西護理學(xué)院；3.四川大學(xué)華西醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科

腦-腸-菌群軸的功能可能在神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機制中起重要作用。腸道微生物群組成的改變，可導(dǎo)致腸道屏障的通透性增加和免疫激活，從而導(dǎo)致全身炎癥反應(yīng)，進而可能破壞血腦屏障，促進神經(jīng)炎癥、神經(jīng)損傷，最終導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變。阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是發(fā)生于老年和老年前期，與腦內(nèi)淀粉樣蛋白沉積和神經(jīng)原纖維纏結(jié)有關(guān)的以認知功能進行性下降為特征的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變。新的證據(jù)表明，微生物群紊亂與AD相關(guān)，而神經(jīng)炎癥被認為是兩者病因?qū)W上的聯(lián)系[1]。載脂蛋白E(apolipoprotein E，APOE)基因的多態(tài)性是晚發(fā)型AD的主要遺傳風(fēng)險決定因素[2]，APOE4增加AD風(fēng)險的一個主要途徑是使APOE4攜帶者的大腦中更早地出現(xiàn)更豐富的淀粉樣蛋白病變[3-4]。

Parikh等[5]新近研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物組成的結(jié)構(gòu)與APOE等位基因密切相關(guān)，這是第一個針對腸道菌群與APOE基因型相關(guān)性的研究。盡管目前研究發(fā)現(xiàn)，APOE基因型、腸道菌群與AD密切相關(guān)，但無直接的研究證實晚發(fā)型AD最強的遺傳風(fēng)險因子APOE基因型是如何與腸道菌群相互作用影響的。Tran等[6]研究發(fā)現(xiàn)，相對于APOE4基因型，腸道菌群可能有助于APOE2和APOE3等位基因?qū)D的保護作用。但該方面研究證據(jù)甚少，AD、APOE基因型、腸道菌群三者之間是如何相互作用的仍然存在疑問。因此，本文總結(jié)近年來相關(guān)研究，從AD與APOE基因型，AD與腸道菌群，AD與APOE基因型及腸道菌群相關(guān)性三個角度進行闡述，為AD的病因、病理機制、干預(yù)措施方面的研究探尋方向。

1 AD與APOE基因型

APOE基因的多態(tài)性是晚發(fā)型AD的主要遺傳風(fēng)險因素，與常見的APOE3等位基因相比，APOE4等位基因增加AD風(fēng)險[7-8]，APOE2等位基因降低AD風(fēng)險[9-10]。

1.1 APOE與Aβ病理盡管臨床和病理研究證據(jù)表明，APOE基因型與包括tau蛋白、過氧化物酶蛋白、TAR DNA結(jié)合蛋白43(TAR DNA-binding protein 43)在內(nèi)的多種蛋白之間存在病理聯(lián)系，但研究最多，關(guān)系最為密切的是APOE基因型與Aβ(β-amyloid)蛋白之間的關(guān)系[2，11-12]。對AD患者死后腦組織的病理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，APOE4加重了神經(jīng)元內(nèi)的Aβ蛋白[13]和腦實質(zhì)中斑塊沉積[14-15]，促進了神經(jīng)毒性Aβ低聚物的形成[16]。相比之下，APOE2與神經(jīng)炎性斑塊數(shù)量減少[17]有關(guān)。一項臨床縱向研究也表明，APOE4攜帶者與非APOE4攜帶者相比，腦皮質(zhì)中Aβ蛋白沉積增加[18]。

1.1.1 APOE4降低Aβ清除效率：淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)的存在，使Aβ蛋白在大腦中持續(xù)產(chǎn)生，因此，有效地清除對于防止Aβ蛋白積累和聚集至關(guān)重要[19]。以APOE亞型依賴的方式從腦組織間液(the brain interstitial fluid，ISF)內(nèi)清除可溶性Aβ蛋白的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，APOE4的清除效率低于APOE2或APOE3[20]。最近的一項研究表明，在生理條件下APOE與Aβ蛋白之間的相互作用是最小的，而且在清除星形膠質(zhì)細胞中的Aβ蛋白時APOE可能不被需要，但在體外研究發(fā)現(xiàn)，APOE與其他蛋白競爭低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白-1(low-density lipoprotein receptor-related protein-1，LRP-1)依賴的細胞攝取途徑，阻斷了星形膠質(zhì)細胞約50%的細胞質(zhì)清除[21]。因此，受體介導(dǎo)的星形膠質(zhì)細胞Aβ蛋白的內(nèi)化至少會部分受到不同APOE亞型和APOE受體的影響，其中APOE4會降低這些細胞對Aβ蛋白的清除效率。

1.1.2 APOE4增加Aβ產(chǎn)生：體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，APOE，特別是APOE4通過加速Aβ多肽的初始形成促進Aβ纖維的形成，鑒于APP產(chǎn)生的肽是AD發(fā)病中的關(guān)鍵因素，APOE可能在這一過程中起作用[22]。2018年發(fā)表的一項研究檢測了HEK293細胞來源的APOE誘導(dǎo)的人類胚胎干細胞和誘導(dǎo)性多潛能干細胞(induced pluripotent stem cell，iPSC)來源的神經(jīng)元的APP轉(zhuǎn)錄和產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)攜帶APOE4的人類iPSC來源神經(jīng)元與APOE3攜帶者相比，Aβ分泌顯著增加，推斷可能是由于增加APP轉(zhuǎn)錄或翻譯[23]。

1.2 APOE與非Aβ蛋白機制

1.2.1 APOE與tau蛋白病理：在AD中，tau蛋白的病理聚集與神經(jīng)退行性病變和臨床表現(xiàn)密切相關(guān)。研究[24]表明，神經(jīng)元特異性APOE4過表達增加小鼠tau蛋白磷酸化，攜帶兩個APOE4等位基因的個體比攜帶一個或無APOE4等位基因的個體在死后大腦病理分析中有更多的tau聚集物，但在無APOE4等位基因表達的大腦中未觀察到這樣的關(guān)聯(lián)[25]。

1.2.2 APOE與神經(jīng)炎癥：APOE在調(diào)節(jié)淀粉樣病變和神經(jīng)退行性病變的先天性免疫反應(yīng)中起重要作用。小膠質(zhì)細胞在大腦中的免疫反應(yīng)中起著核心作用，在AD患者死后的腦組織中，圍繞著空斑有大量反應(yīng)性小膠質(zhì)細胞增生[26]。不同的APOE亞型在AD發(fā)病機制中調(diào)節(jié)不同的小膠質(zhì)細胞功能[27]。攜帶APOE4的人類iPSC衍生小膠質(zhì)細胞與攜帶APOE3的細胞相比，表現(xiàn)出形態(tài)改變和巨噬細胞吞噬水平降低[23]，APOE4還增加了小膠質(zhì)細胞對淀粉樣蛋白病理模型中的空斑的反應(yīng)性[28]。

1.2.3 APOE與突觸功能：研究顯示，在AD患者的大腦中，APOE4的存在與突觸變性的增加和低聚體的突觸積累有關(guān)[29]，同時與樹突密度、可塑性[30]、谷氨酸受體的減少[31]有關(guān)；APOE4靶向替代(targeted replacement，TR)小鼠與APOE3-TR小鼠相比，突觸蛋白表達減少，樹突棘密度和長度減少，突觸傳遞受損，這與死后人類大腦的研究結(jié)果一致[32-33]。研究發(fā)現(xiàn)，APOE對脂蛋白和谷氨酸受體在細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運的異形依賴效應(yīng)是APOE4損傷突觸可塑性的潛在機制，攜帶APOE4小鼠的海馬神經(jīng)發(fā)生γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)能神經(jīng)傳遞受損[34]。

1.2.4 APOE與血腦屏障完整性：APOE是血管認知功能障礙的危險因素[35]，提示該等位基因可能與神經(jīng)功能障礙有關(guān)。影像學(xué)研究證實，APOE4的存在與腦白質(zhì)高信號的增加相關(guān)[36]。研究發(fā)現(xiàn)，在認知健康的個體中，APOE4攜帶者與APOE2攜帶者相比，腦脊液/血清白蛋白比值更高(腦脊液/血清白蛋白比值作為血腦屏障功能的衡量指標，比值越高，說明血腦屏障功能下降)[37]，提示APOE4攜帶者體內(nèi)血腦屏障完整性被破壞。

2 AD與腸道菌群

腸道與大腦通過腸-腦軸緊密相連。來自中樞神經(jīng)系統(tǒng)的輸入可以改變腸道功能，而來自腸道到中樞神經(jīng)系統(tǒng)的輸入可以調(diào)節(jié)特定癥狀。腸道菌群組成的改變可能與AD大腦中Aβ纖維沉積有關(guān)。此外，寄生于腸道的細菌可釋放大量的淀粉和脂多糖，可能參與了與AD發(fā)病機制相關(guān)的信號通路的調(diào)節(jié)和促炎細胞因子的產(chǎn)生。鄧愛萍等[38]研究發(fā)現(xiàn)，一些AD患者與正常對照組相比，腸道菌群中乳酸桿菌下降，并發(fā)現(xiàn)與炎癥因子相互作用。

2.1 Aβ纖維研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌內(nèi)毒素在體外可促進Aβ纖維的形成，因此可能與AD的發(fā)病機制有關(guān)，此外細菌淀粉樣蛋白的全身負荷可能會導(dǎo)致腦內(nèi)Aβ蛋白累積[39]。

2.2 細菌的淀粉樣蛋白和脂多糖與腸道炎癥細菌淀粉樣蛋白可能啟動先天性免疫系統(tǒng)，從而增強對大腦Aβ蛋白的炎癥反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，AD患者血漿脂多糖濃度也明顯高于健康人群[40]。脂多糖激活先天性免疫系統(tǒng)小膠質(zhì)細胞中表達的Toll樣受體(Toll like receptors,TCRs)，脂多糖通過與CD14和MD-2蛋白相互作用，激活TLR4受體，促進炎癥反應(yīng)。細菌產(chǎn)生的脂多糖和淀粉樣蛋白也會進一步加劇腸道的滲漏，并會提高細胞因子和其他小的促炎因子的水平，如與AD直接相關(guān)的白介素17A(IL-17A)和IL-22，可能通過胃腸道和血腦屏障進入大腦，進一步引發(fā)免疫原性反應(yīng)[41]。

腸道炎癥和腸道微生態(tài)失調(diào)與腸道屏障功能障礙直接相關(guān)，而腸道通透性增加可能是神經(jīng)退行性病變的原因之一。腸道屏障由黏液層、腸上皮、固有層組成，這一屏障的破壞導(dǎo)致其滲透性增加，導(dǎo)致細菌移位和有害物質(zhì)進入血流。微生物群組成決定了黏液層的性質(zhì)，影響其滲透性。腸道炎癥反應(yīng)過程可以通過評估糞便鈣保護素濃度間接測量。研究發(fā)現(xiàn)，鈣保護素在AD患者中顯著升高，并促進了淀粉樣蛋白的形成和聚集，近70% AD患者的糞便鈣保護素水平升高，升高的鈣保護素可轉(zhuǎn)移到循環(huán)系統(tǒng)進而導(dǎo)致神經(jīng)炎癥[42]。

2.3 神經(jīng)遞質(zhì)GABA是人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，GABA能系統(tǒng)功能障礙可以導(dǎo)致認知和記憶障礙。乳酸菌和雙歧桿菌是腸道菌群中的有益菌，它們能將谷氨酸轉(zhuǎn)化為GABA，胃腸道中GABA的增加促進其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可用性增加，通過GABA能神經(jīng)元上調(diào)抑制信號傳導(dǎo)[43]。腸道微生態(tài)失調(diào)影響腸道微生物群GABA的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)中可用GABA減少，這種效應(yīng)導(dǎo)致GABA/谷氨酸活性失衡，使中樞神經(jīng)系統(tǒng)易于發(fā)生興奮性中毒[44]。此外，以大腸桿菌和腸球菌為主要代表的腸道菌種在調(diào)節(jié)血清素的產(chǎn)生中發(fā)揮重要作用，這也影響GABA在腸道和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的可用性[45]。

3 AD與APOE基因型及腸道菌群

盡管最近的一些研究表明，腸道微生物組成、糞便短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)與AD的發(fā)生之間存在聯(lián)系[46]，但目前尚無直接研究證實腸道微生物組成與晚發(fā)型AD最強的遺傳風(fēng)險因子APOE基因型之間存在聯(lián)系。

Tran等[6]對不同APOE基因型匹配個體的糞便微生物擴增子進行了測序，結(jié)果顯示，雖然腸道總體微生物多樣性差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但不同APOE基因型間細菌類群的相對豐度差異有顯著統(tǒng)計學(xué)意義。與APOE4攜帶者相比，Ruminococcaceae菌群水平與APOE2/E3基因型相關(guān)性更大，Ruminococcaceae參與了SCFAs的產(chǎn)生，而SCFAs的代謝與炎癥有關(guān)，因此猜測這些特定腸道微生物可能是APOE2和APOE3等位基因相對于APOE4基因型對AD保護作用的潛在機制之一。

Nagpal等[47]研究發(fā)現(xiàn)，APOE4中Gamellales和Gamellaceae的豐度更高，提示Gamella可能與APOE4等位基因有關(guān)，因此這可以用來確定在APOE4個體中MCI和/或AD的風(fēng)險。這一發(fā)現(xiàn)也與Vogt等[48]先前的研究一致。

研究表明，腸道微生物在調(diào)節(jié)代謝、免疫功能、宿主體內(nèi)的淀積中發(fā)揮關(guān)鍵作用，可能與AD病理[49]的調(diào)節(jié)有關(guān)。宿主與微生物菌群相互作用產(chǎn)生的代謝物包括SCFAs、膽汁酸、胰蛋白酶衍生代謝物，其中丁酸鹽、乙酸鹽、丙酸鹽在內(nèi)的SCFAs對代謝功能有顯著影響[50]。膽汁酸顯著影響宿主膽固醇、脂質(zhì)、葡萄糖代謝、炎癥反應(yīng)的途徑，并有可能改變宿主免疫和晝夜節(jié)律[51]。一些腸道菌群可分泌甲酰和脂多糖，激活小膠質(zhì)細胞，導(dǎo)致神經(jīng)炎癥。Hoffman等[52]研究發(fā)現(xiàn)，與APOE3對照組小鼠相比，APOE4對照組小鼠表現(xiàn)出醋酸鹽、丁酸鹽、丙酸鹽等代謝產(chǎn)物水平下降。在無癥狀A(yù)POE4攜帶者出現(xiàn)癡呆癥狀前幾十年，就已經(jīng)表現(xiàn)出腸道代謝功能障礙，這可能導(dǎo)致疾病進展。因此，早期保持代謝功能可能是降低AD風(fēng)險的關(guān)鍵[53]。

4 展望

腸道微生物積極參與人體生理的各個方面，其功能障礙與包括AD在內(nèi)的人類疾病密切相關(guān)。了解腸道菌群失調(diào)的早期原因以及腸道菌群與大腦生理之間的關(guān)系，可能有助于預(yù)防或減少與慢性腸道炎癥和大腦炎癥相關(guān)的神經(jīng)疾病。此外，遺傳風(fēng)險因素APOE4等位基因可能更多地影響與疾病相關(guān)的微生物的存在。雖然AD的確切病因尚不清楚，但飲食習(xí)慣可能在AD的病理中所起的作用已被公認。新的證據(jù)表明，特定的飲食結(jié)構(gòu)和腸道菌群組成，與淀粉樣蛋白的產(chǎn)生或聚集有關(guān)[54]。因此，調(diào)節(jié)腸道菌群的飲食可能是一種有效的策略，可以影響AD和其他形式的癡呆的發(fā)展。AD和其他癡呆風(fēng)險的增加與高飽和脂肪和簡單碳水化合物的飲食模式有關(guān)，但高單不飽和脂肪和多不飽和脂肪、蔬菜、水果、瘦肉蛋白的飲食則與癡呆風(fēng)險降低有關(guān)[55]，了解腸-腦軸環(huán)境下的飲食效應(yīng)可能對未來預(yù)防無癥狀A(yù)POE4攜帶者發(fā)展為AD具有重要意義。因此，未來需要更多的研究從三者之間的相關(guān)性角度出發(fā)去研究腸道菌群、APOE基因型、AD的關(guān)系，為今后AD的病因、病理機制、干預(yù)的研究探尋方向。