研究顯示，腸道菌群可以通過腦–腸軸影響β澱粉樣蛋白(Aβ)的沉積、tau蛋白的過度磷酸化和神經炎症等AD典型病理特徵。近幾年興起的微生物製劑和糞菌移植方法能夠阻止AD相關的認知功能障礙的發生發展。
1. 阿爾茨海默病
阿爾茨海默病(Alzheimer’s Disease, AD)是一種中樞神經退行性病變，患者主要表現為認知功能障礙、記憶力逐漸衰退､行為異常及社交障礙等，直至痴呆。《2018 年全球阿爾茨海默病報告》指出AD 是人類的問題，也是一個全球性的問題。全球每3 秒鐘就將有1 例痴呆患者產生。2018 年全球約有5 千萬人患有AD，到2050 年，這一數字將增至1.52 億。據估計，2018 年全球社會AD 相關成本為1 萬億美元，到2030 年，這一數字將增至2 萬億美元。隨著人口老齡化進程的不斷加劇，AD 已成為全球面臨的重大健康和社會經濟問題之一。
1.1. 病理特徵
AD 患者的病理解剖檢查可見大腦半球皮質瀰漫性萎縮，腦回皺縮，腦溝增寬，以顳、頂和前額葉最明顯，顳葉特別是海馬區萎縮。組織病理學典型改變是老年斑、神經原纖維纏結、膠質增生和神經元缺失。老年斑的中心是β 澱粉樣蛋白，周圍纏繞著無數的蛋白和細胞碎片，老年斑形成的同時，伴隨著廣泛的進行性大腦突觸的丟失，這與最早的臨床表現即短時記憶障礙有關。神經元纖維纏結的主要組分是高度磷酸化的微管相關蛋白，即tau 蛋白。高度磷酸化的tau 蛋白喪失了對微管的穩定作用，可導致細胞骨架結構分解破壞。神經炎症即星型膠質細胞和小膠質細胞的大量增生最終導致神經元的缺失。
1.2. 發病機制
1.2.1. Aβ 級聯假說
β 澱粉樣蛋白(β-amyloid, Aβ)是由其前體蛋白(β-amyloid precursor protein, APP)經過剪輯加工後形成的，Aβ 異常沉積對神經元的毒性作用在AD 的發病過程中起重要作用。AD 患者腦中APP 主要經過β-分泌酶途徑剪輯降解形成不溶性多性斑塊形成等。有報道顯示，Aβ 引起的細胞內鈣超載被視為Aβ 發揮神經毒性作用的一個共同通路，細胞內的鈣持續升高，可最終造成細胞器受損，細胞功能減退，神經元出現凋亡。大量研究證實，Aβ 尚可通過抑制膽鹼能神經元乙酰膽鹼合成､誘導神經元凋亡､引發氧化應激反應等途徑促進AD 的發生。
1.2.2. tau 蛋白過度磷酸化學說
tau 蛋白過度磷酸化形成的神經細胞內神經原纖維纏結(neurofibrillary tangle, NFTs)是AD 的另一主要病理特徵。現有的研究證實，tau 蛋白的過度磷酸化和tau 蛋白聚集的量與AD 的病程進展和嚴重程度呈正相關。tau 蛋白的過度磷酸化促進微管組裝的生物學活性，且蛋白水解酶的抗性增強，一是與微管分離，加速微管集聚，二是tau 蛋白的自身集聚加速導致NFTs，產生神經毒性。Zhou 等發現，致病性Tau蛋白可通過其N 末端結構域來結合突觸囊泡，干擾突觸囊泡的遷移和釋放，降低神經遞質的傳遞效率，損害神經元突觸傳遞。
1.2.3. 神經炎症
流行病學調查發現，長期服用非甾體類抗炎藥的人群中，AD 的發病率明顯低於普通人群，提示AD 的發病可能與神經炎症相關。小膠質細胞是腦內主要的炎症反應細胞，Weinreb 等證明AD 患者腦組織中膠質細胞異常活化，分泌多種炎症物質，導致下游一系列病理變化，最終引起神經元死亡，造成神經功能喪失和AD 的發生。研究者在AD 患者腦內的老年斑周圍發現有大量小膠質細胞聚集，且斑塊內也有小膠質細胞的浸潤，Aβ 作為構成老年斑的主要成分，可誘導小膠質細胞轉為促炎的激活狀態，產生大量的神經毒性因子和神經免疫炎症因子。目前，臨床用於治療AD 的藥物主要是非競爭性N–甲基–D–天冬氨酸(NMDA)受體拮抗劑和膽鹼酯酶抑制劑。但是藥物治療仍以改善臨床症狀為主，尚不能逆轉或阻止病情進展。有關AD 患者的神經營養性因子療法、代謝增強劑、細胞膜調節劑、抗毒抗炎治療、抗澱粉樣蛋白、基因治療與神經細胞移植等治療方法也越來越引起人們的關注，但均尚未取得良好療效。關於AD 的治療方法有待人們進一步探索。
2. 腸道菌群
2.1. 腸道菌群組成
人體腸道內有1,000~1,150 種，約100 萬億細菌，是人體細胞數量的10 倍，總重量約為1.5 kg，相當人體肝臟的重量。人體腸道微生物群落的宏基因組學中，所包含的基因目約為人體自身基因數的100倍。在健康人體的胃腸道細菌中，擬桿菌門和厚壁菌門多於90%。研究表明，隨著年齡的增長，人體腸道菌群的結構也發生改變，改變的總趨勢是雙歧桿菌檢出率下降，腸桿菌科細菌和腸球菌則增加。雙歧桿菌和乳桿菌是人體腸道中最重要的兩種益生菌，其數量和組成對維持健康腸道環境和提高免疫功能起著關鍵作用。Mitsuoka的研究也證實了這一點，即隨著年齡的增長，雙歧桿菌數量下降，而梭菌屬､鏈球菌和腸桿菌科數量增加。B/E 值(腸道菌群中雙歧桿菌與腸桿菌數量之比)可反映腸道菌群的狀況，是反映腸道定植抗力的一個重要指標。研究表示，少年組B/E值是老年組的57.5 倍，可見雙歧桿菌與年齡密切相關。
2.2. 腸道菌群的功能
腸道菌群有促進人體營養物質的吸收､合成維生素､促進免疫､系統發育､維護免疫系統正常功能等重要作用。定植於人體腸道的微生物能夠分解人體不易消化的多糖､寡聚糖以及糖蛋白質等，生成短鏈脂肪酸為宿主提供能量以及為腸道菌群生長繁殖提供營養物質。腸道菌群能通過構建黏膜屏障，包括物理屏障和化學屏障，通過自身屏蔽和影響機體免疫系統，抵禦外來病原微生物的入侵，維持腸道內環境的穩定和微生態平衡。隨著對腸道菌群和AD 的相關性的研究逐漸深入，越來越多的證據表明，腸道菌群與中樞神經系統之間通過腦–腸軸相互影響，如圖1 所示。中樞神經系統(Central Nervous System, CNS)通過影響營養有效性的飽足信號肽､影響腸道功能的內分泌物質和神經通路來控制腸道微生物組的組成。飽足信號肽是實現這種向下調控的關鍵分子中介，主要產生於胃腸道，但大多數同時也在大腦中合成，如肽YY (PYY)在餐後通過血液運輸到大腦，以發揮其對飽腹感的影響。中樞神經系統還可以通過皮質醇的HPA 軸和自主神經系統(ANS)調節腸道運動､腸道上皮通透性和黏膜屏障完整性，Santos 等人也研究發現應激反應會引起上皮屏障缺損，並導致黏膜肥大細胞活化。腸道菌群可通過神經(微生物組直接激活神經元)､內分泌(如ECC釋放5-HT)､代謝(微生物群合成神經活性分子)和免疫(中樞神經系統浸潤免疫)影響中樞神經系統的活動。神經通路是通過腸神經系統(ENS)和迷走傳入神經(VAN)運作的，前者是掌管胃腸道功能的ANS 的主要分支，後者負責將感覺信息從內臟傳遞到中樞神經系統。有研究表明，腸道微生物群和腸神經元之間存在直接的相互作用，如tlr-3,7(識別病毒RNA)和tlr-2,4(識別肽聚糖和脂多糖)分別由ENS 在小鼠和人體內表達。Kunze 等觀察到羅伊氏乳桿菌可通過抑制鈣依賴鉀通道增強初生大鼠結腸神經元的興奮性。Chiu 等研究表明，金黃色葡萄球菌激活感覺神經元可誘導痛覺傳導。在內分泌通路中，腸道微生物群在HPA 軸的發育和調節中起著重要作用，進而對應激反應產生重要影響。Sudo 對無菌小鼠的研究表明，出生後暴露於腸道微生物組會影響HPA 軸的設定值。此外，血管活性腸肽(VIP)作為一種在腸道內合成的肽激素，在中樞神經系統炎症過程中也可介導免疫調節。腸道菌群的一個主要功能便是促進宿主的代謝，因此代謝途徑也可影響CNS 功能，色氨酸代謝的5-羥色胺能和犬尿氨酸通路的失調會影響痴呆､亨廷頓病和阿爾茨海默病的中樞神經系統病理狀態。而益生菌處理可以改變犬尿氨酸水平，改善中樞神經系統的病理。免疫通路則是微生物–內臟–中樞神經系統信號轉導的獨立機制。共生細菌是已知的形成宿主免疫系統的微生物，Berer 等人研究發現它可以影響周圍免疫細胞對中樞神經系統的自反應活性。
Figure . Possible pathways of intestinal flora affecting pathological changes in AD brain
圖. 腸道菌群影響AD 腦內病理改變的可能途徑
3. 腸道菌群與AD 的相關性
3.1. AD 中腸道菌群的變化
在2013 年，FOX 和他的同事通過對192 個國家的微生物環境和AD 發病率之間的關係對比，發現衛生條件差的國家，AD 的發病率顯著降低。在衛生條件好的國家，腸道微生物多樣性更低，AD 的發病率更高。Ziegler-Graham 等[30]調查顯示，在發展中國家和鄉村地區，微生物多向性更豐富並且有更充足的機會接觸微生物。然而，在發達國家和城市地區，由於良好的環境衛生狀況，對比發展中國家和鄉村地區，不僅微生物多樣性低，且接觸微生物的機會少。相比於居住在發展中國家的居民，居住在發達國家的居民患AD 的幾率更高，並且居住在北美和歐洲等發達地區的居民，其80 歲以上老人，AD 的發病率比其他國家更高。楊璐[31]的實驗結果顯示，AD 小鼠腸道微生物多樣性小於WT 組腸道微生物。
3.2. 相關機制
3.2.1. Aβ 相關機制
腸道菌群可通過多種途徑影響腦內Aβ 蛋白的沉積。Pistollato 等[32]通過體外研究發現，可溶性的大腸桿菌內毒素脂多糖(Lipopolysaccharides, LPS)單體可加速Aβ 單體聚合成不溶性的聚集體，這種促進作用隨著時間的推移被強化。另外，有些腸道菌群自身也會產生澱粉樣蛋白或其降解物。例如，鏈黴菌屬(Streptomyces)､葡萄球菌屬(Staphylococcus)､假單胞菌屬(Pseudomonas)､芽胞桿菌屬(Bacillus)和大腸埃希菌(Escherichia coli)等分泌的澱粉樣蛋白與Aβ42 的結構以及免疫原性相似，其能與小膠質細胞表面TLR2受體結合，激活細胞釋放炎性因子､促進炎性反應，通過小膠質細胞監測系統識別Aβ42 肽及其錯誤摺疊的聚集體，這種澱粉樣蛋白錯誤摺疊形成的Aβ 寡聚體､纖維絲髮生沉積可能導致AD 的病理變化。而小神經膠質細胞無法處理這些有毒的促炎性內含物，被認為是氧化應激升高，異常免疫激活和慢性病的分子基礎。此外，腸道菌群來源的澱粉樣蛋白能夠誘導促炎因子IL-17A 和IL-22 的釋放，這兩個促炎因子與AD 直接相關，可能通過胃腸道和血腦屏障進入腦內，進一步引發免疫活動、活性氧的釋放以及激活在神經退行性疾病起一定作用的TLR2/1、CD14 和NFκB 信號通路。Aβ 通過肝臟清除，而IM紊亂可以通過影響腸道屏障､能量穩態等導致肝臟功能紊亂影響Aβ 清除。
3.2.2. tau 相關機制
腸道菌群影響tau 蛋白磷酸化的途徑主要有以下幾條：1) 氧化應激反應：腸道微生物(Intestinal
microorganism, IM)中的生孢梭菌(clostridium sporogenes)能夠利用色氨酸產生強抗氧化劑3-吲哚丙酸，IM 代謝產物如乳酸菌能顯著提高血清中SOD､GSH-Px 活性，提高機體抗氧化水平，減輕氧化應激反應，減少tau 蛋白的聚集。2) 炎症因子：通過尾靜脈注射Pg 菌液建立大鼠Pg 外周感染模型實驗發現，炎症反應所釋放出的相關因子如白介素1a(IL-1a)､IL-1b､IL-6､IL-10 及腫瘤壞死因子α(TNF-α)等，可以加速tau 蛋白的過度磷酸化。3) 還可能是細胞自噬的失調，研究發現芍藥苷可以通過減少磷酸化的GSK-3β，使異常磷酸化Tau 蛋白含量下降，降低自噬相關蛋白LC3 II 的表達，進而對岡田酸誘導的SH-SY5Y 細胞中的自噬活動發揮明顯的抑制作用。
3.2.3. 神經炎症相關機制
隨著年齡的增大，腸道上皮層和血腦屏障的通透性增加，革蘭陰性細菌和LPS 發生移位，一方面侵入腸道固有層和腸繫膜淋巴結、激活免疫細胞，釋放促炎因子進入血液循環系統，導致“腸源性炎症反應”，使腸道屏障和血腦屏障功能進一步受損；另一方面，大量LPS 直接通過血腦屏障進入腦內，與小膠質細胞的Toll 樣受體(Toll-like receptors, TLRs)結合，激活免疫–炎症反應，釋放促炎因子，產生神經炎症，進而導致AD 的發生發展。研究表明，AD 患者血漿中LPS 的水平比健康對照組高3 倍。無菌小鼠通過炎症清除外來病原體的反應減弱，同時腦內MG 的成熟度降低。
3.3. 腸道菌群在AD 中的應用
3.3.1. 微生物製劑
微生物製劑是在微生態學理論的指導下，調整生態失調保持生態平衡，提高宿主健康水平或增進健康狀態的生理性活菌製品及其代謝產物以及促進生理菌群生長繁殖的物質，包括益生菌､益生元､合生素三種類型。實驗研究顯示，對認知功能損傷模型小鼠經胃灌注戊糖乳桿菌植物變種(L. pentosus var.plantarum) C29 後，發現C29 可明顯改善小鼠的記憶功能障礙，提高腦內BDNF的表達水平並激活了cAMP反應元件結合蛋白(cAMP response element-binding protein, CREB)的表達。此外，C29 還能降低衰老標記P16､炎症標誌物p-p65 和p-foxo3a 以及環氧合酶-2 和可誘導型一氧化氮合酶的表達。比如，離體實驗顯示，屎腸球菌和鼠李糖乳桿菌可以減少腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)的產生，並且在動物試驗中補充屎腸球菌和鼠李糖乳桿菌，可以減少腦中氧化應激標記物並誘導抗氧化物酶的產生。Musa等研究顯示，益生菌可以限制乙酰膽鹼酯酶和氧化活動，從而可以減少LPS 誘發的神經炎症和記憶力下降。在一項臨床試驗中顯示，對於接受以乳酸桿菌和雙歧桿菌為基礎的益生菌治療的AD患者，其簡易精神狀態檢查表(Mini-Mental State Examination, MMSE)的成績得到了大幅提升。實驗結果顯示，經乳酸桿菌等益生菌發酵的牛奶產生的乙醇沉澱可以有效改善大鼠的APP 代謝，減少Aβ 的生成，且有效減輕注射東莨菪鹼小鼠的記憶能力損害。Liang 等實驗研究結果顯示，瑞士乳桿菌L.helveticus)NS8 也可提高海馬5-羥色胺(5-hydroxytryptamine, 5-HT)及腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)的表達，並對動物模型認知功能具有明顯改善作用。
3.3.2. 糞菌移植
“糞菌移植”(Fecal microbiota transplantation, FMT)是將健康人糞便中的功能菌群，移植到患者胃腸道內，重建新的腸道菌群，實現腸道及腸道外疾病的治療。江春梅等研究結果表明FMT 能明顯改善AD 小鼠的學習記憶能力，可能通過調節AD 小鼠腸道菌群，減少腸腦Aβ，具體機制有待進一步研究。楊璐等研究結果顯示，正常腸道菌群的移植影響了AD 小鼠原有腸道菌群的組成進而促使AD 小鼠在行為學方面的認知功能得到改善；提高抗氧化損傷能力，減少炎性反應水平，促進神經元的發育､存活，以及減少神經元凋亡，一定程度上緩解了AD 病理特徵，延緩了AD 小鼠的衰老進程。
4. 結論
綜上所述，微生物製劑及FMT 能夠防治AD，改善老年人的生活質量，增加其壽命。對於腸道菌群和AD 的相關性有待人們進一步的研究與探索。
