最新综述| 阿尔茨海默病中的肠道微生物：神经炎症及突触功能障碍
The following article is from 小崔和他的小伙伴们 Author 陈瑞年 陈风
肠道微生物对大脑功能的调控是一个热门的研究方向。越来越多的数据表明，肠道微生物群在一定程度上通过调节神经通路发挥作用。神经元功能与神经炎症密切相关关系，而小胶质细胞是神经炎症的关键因素，肠道微生物群可能通过影响小胶质细胞间接影响神经元功能。微生物群除了可以间接依赖小胶质细胞对神经元的活动造成影响外，也可以通过迷走神经直接影响神经元活动。阿尔茨海默病是痴呆的主要原因，越来越多的证据显示肠道微生物在阿尔茨海默病发病机制中的重要作用，包括对突触功能和认知功能的影响。对微生物群的调节对于早期干预阿尔茨海默病似乎有一定前景，但仍需进一步研究。
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阿尔茨海默氏症(AD)、帕金森氏症(PD)和亨廷顿舞蹈症(HD)等均是年龄相关的神经退行性疾病，其病理改变往往比临床诊断早。神经炎症通常是是这些疾病的一种常见的早期病理改变。值得注意的是，突触功能障碍也发生在这些疾病的早期，包括临床前期。神经炎症与突触功能障碍之间的联系还没有被完全的理解，尤其是在这些病理的症状前阶段，当认知症状还很轻微或无法检测到时，是否能将其作为认知障碍的代用指标尚不清楚。肠道微生物群最近已成为中枢神经系统内稳态和功能障碍的一个重要贡献者。肠道微生物群落的改变，除了会引起胃肠道疾病外，还可能增加肠道和血脑屏障(BBB)的通透性。这些通透性的改变可能有助于促进大脑积累来自于肠道微生物的分子(如脂多糖)和代谢物(如短链脂肪酸，SCFA) ，随后大脑内环境向亲炎症状态转变，为帕金森病、阿尔茨海默病、多发性硬化症(MS)和肌萎缩性嵴髓侧索硬化症(ALS)等神经退行性疾病的发病创造条件。微生物群引发的其他病理改变可能依赖于其代谢物循环水平的增加以及外周免疫系统中体液(如促炎症细胞因子)或细胞(如单核细胞)因子的增加。如此，微生物群改变调节性 T细胞(Treg)以及小胶质细胞的功能（其功能上与在大脑的巨噬细胞相对应）。总之，这种外周免疫系统和中枢神经炎症反应之间的串扰可能是某些神经退行性疾病的神经发病机制的一部分。这表明微生物群系可能在外周免疫反应、神经传递和神经退行性疾病之间的相互作用中发挥重要作用。然而，确切的潜在机制还有待发现。在这篇综述中，作者首先展示了在广泛的生理与病理背景下神经元活动、免疫系统介质和微生物群之间相互作用的证据。然后在AD的特定背景下讨论微生物群新的作用。接下来，提供了跨学科领域（神经科学、免疫学、微生物学）的综述，并进一步讨论有关微生物群在神经炎症背景下对突触功能影响。最后，作者讨论了基于微生物群的调控来改善AD相关神经元功能障碍的可能策略，或者间接地（通过炎症的外周调节通过靶向微生物群）或直接（通过迷走神经刺激），同时也讨论了微生物群调节对AD早期干预的可能的价值，以及对其它神经退行性疾病的启发。
肠道微生物群是指微生物，包括细菌、古细菌、病毒、原生生物和真菌，它们在脊椎动物和至少一些非脊椎动物（如昆虫）的肠道中定殖。肠道微生物群的多样性和丰度因宿主而异，由许多因素包括遗传、营养和环境等因素决定。微生物群调节外周和中枢免疫反应的能力越来越得到认可。根据最新的观点，除了直接影响神经炎症外，肠道微生物群还可以通过调节外周免疫来影响大脑免疫稳态。在本节中，作者首先讨论微生物群对外周免疫反应的影响，然后评估这种微生物群介导的外周免疫调节与神经炎症之间的关系。最后，作者还提供了关于微生物群直接影响大脑固有免疫反应的最新证据。
炎症是由称为PAMPs/MAMPs（病原体相关分子模式/微生物相关分子模式）的致病微生物分子触发的，或由宿主细胞（肿瘤细胞、死亡或垂死细胞等）释放的内源性分子如 DAMPs（损伤相关的分子模式）。 这些定型的分子模式被组织固有免疫细胞（例如巨噬细胞和肥大细胞）通过宿主PRR（模式识别受体）识别，引发先天免疫反应，导致细胞因子和趋化因子的产生增加及补体激活。巨噬细胞和树突状细胞充当抗原呈递细胞 (APC)。 激活后，这些 APC 迁移到组织引流淋巴结，在那里它们通过主要组织相容性复合物 (MHC)将外来抗原呈递给局部免疫细胞，以触发适应性免疫反应。未溶解的炎症反应导致循环白细胞的募集，包括细胞适应性免疫的效应物，即浸润组织性T淋巴细胞。肠道微生物群通过激活先天性和适应性免疫效应表达的 PRR，不断与宿主免疫系统相互作用，从而发挥多种作用。例如，脂多糖(LPS)与来自革兰氏阴性菌壁的衍生物与 TLR4（Toll 样受体 4）相互作用，这是一种 PRR，不仅可以由先天性和适应性免疫细胞表达，而且同样可以由肠上皮细胞表达。肠道微生物群组成和功能的改变（肠道菌群失调）可能在过度激活肠道免疫系统、诱导肠道屏障功能障碍方面发挥作用。肠道微生物群与免疫系统之间联系的其它有关途径主要包括：（i）SCFA，由细菌发酵未被消化的纤维产生；(ii) 由微生物群转化肝脏中产生的初级胆汁酸产生的次级胆汁酸，以及 (iii) 色氨酸代谢物。因此，代谢物的产生取决于宿主饮食和微生物群组成。短链脂肪酸有助于黏膜和全身的免疫稳态。例如，梭状芽胞杆菌产生的 SCFA 参与Treg 的激活和扩增。其他 SCFAs，如丙酸盐，直接作用于 γδT 细胞亚群，以抑制它们在小鼠和人类（即炎症性肠病患者）中产生白细胞介素-17 (IL-17)。胆汁酸可以激活法尼酯X受体 (FXR) 和 G 蛋白偶联胆汁酸受体 1 (GPBAR1) ，它们在先天免疫细胞中高度表达，包括肠道巨噬细胞、树突状细胞和自然杀伤 T 细胞，并有助于维持肠道免疫功能。色氨酸是一种必需氨基酸，但它也可作为大量生物活性化合物的前体，如吲哚、色胺、血清素和犬尿氨酸。仅由肠道微生物群产生的吲哚衍生物会影响初级 CD4+ T 细胞向 Treg 和 T 辅助 17 (Th17) 细胞的功能分化。吲哚还参与调控黏膜 Tregs/Th17 比率，从而控制胃肠道不同区域的抗炎/促炎平衡。值得注意的是，肠道激活的 Th17 细胞会触发 T 细胞依赖性高亲和力免疫球蛋白 A (IgA) 分泌。然而，微生物群和免疫细胞之间的相互作用可能更复杂，包括额外的、以前未发现的参与者，如肠神经元等。最近的一项研究报告了一种调节回路，其中微生物信号，可能（但不限于）LPS 或成孔毒素，调节肠道神经元激活和相关的神经元白细胞介素 6 (IL-6) 诱导，随后调节肠道 RORγ+ Tregs亚群，以控制免疫耐受。综上所述，肠道菌群影响各种免疫细胞亚群的细胞功能和迁移特性，包括外周髓细胞、T细胞和肥大细胞。除了调节全身免疫反应外，肠道细菌还会影响粘膜免疫，在宿主对病原体的防御中发挥作用。
微生物群对神经炎症的影响通过外周和中枢免疫交叉反应的间接作用
微生物群还可以通过中枢神经系统和肠道之间的“微生物群-肠-脑轴”相互作用来影响大脑中的炎症（神经炎症）。该轴是一个复杂的相互作用网络，允许肠道微生物群和中枢神经系统之间的双向通信。相关的相互作用涉及细胞（例如通过免疫细胞）和体液（例如通过细胞因子）通信方式。中枢神经系统稳态的维持涉及免疫监视，通过巡视T细胞和成熟的APCs进行免疫监视，这些细胞被限制在血管周围空间、脑膜区域和脉络丛中。特别是，脑膜中存在的活化髓样和淋巴样免疫细胞会产生细胞因子，这些细胞因子释放到脑脊液 (CSF)中，并可以通过淋巴系统转运到脑实质，在那里它们调节神经胶质细胞（小胶质细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞）。后者是大脑中内源性细胞因子产生的主要来源。脑源性和外周源性细胞因子也可以影响 BBB 通透性，例如通过降低内皮细胞之间紧密连接蛋白的表达。在病理情况下，激活的免疫细胞可以通过浅表软脑膜血管和脉络丛进入中枢神经系统实质，并且这个过程在渗透后进一步放大。此外，活化的脑胶质细胞产生的促炎性细胞因子增加了脑内皮细胞粘附分子的表达，如选择素和整合素，从而促进 T细胞进入脑。在全身性炎症条件下，外周细胞因子产生增加的影响可能因大脑内源性细胞因子的诱导而进一步加强，从而为大脑炎症反应的前馈提供了条件。
在所有胶质细胞中，小胶质细胞是中枢神经系统细胞因子的主要来源。这些大脑中的免疫细胞能够驱动先天免疫反应并充当APC。根据环境变化，小胶质细胞表现出多种表型。功能上，小胶质细胞可以采用多种反应状态，从促进神经元健康和调节中枢神经系统微环境的稳态到病理激活的状态，这些状态是各种细胞因子产生模式和/或吞噬作用的拥有属性，但有时会变得过度。小胶质细胞的这些功能状态涵盖了广泛的形态，从稳定状态下的分支“稳态”形态到病理条件和衰老过程中具有收缩过程和细胞体（“变形虫状态”）的多种“极化”形态，包括与慢性神经炎症和神经变性相关的营养不良形态。最近大规模的单细胞转录组分析使得小胶质细胞的分子角色塑造更加精确。这些研究建立了一个特殊的转录组标记，它介于稳态(m0)和与疾病相关的小胶质细胞(dam)之间，后者类似于神经退行性疾病的小胶质细胞。尽管先前对小胶质细胞的 M1（经典、促炎）和 M2（替代、抗炎）极化状态之间的区别现在被认为是一种过于简单的分类，但它仍然有助于说明小胶质细胞的两个极端功能特征/巨噬细胞多样性。与巨噬细胞类似，小胶质细胞先前命名的 M1 样表型可以由 CNS 巡逻或浸润的 T 辅助细胞 1 (Th1) 或 Th17 CD4+ T 细胞产生的细胞因子促进。此类促炎Th1 衍生（例如干扰素 γ [IFNγ]、肿瘤坏死因子α [TNFα]）和/或 Th17 衍生细胞因子（例如 GM-CSF）促进小胶质细胞/巨噬细胞对 PAMP/DAMP 的反应，导致增加促炎细胞因子（TNFα、白细胞介素 1 β [IL-1β]、IL-6、白细胞介素 12 [IL-12] 等）的产生以及活性氧(ROS) 和活性氮 (NOS)。另一方面，M2 样表型由T 辅助细胞 2 (Th2) 衍生（例如白细胞介素 4 [IL-4]、白细胞介素 5 [IL-5]、白细胞介素 13 [IL-13] ) 和/或 Treg 衍生的（例如白细胞介素 10 [IL-10]、转化生长因子 β [TGFβ]）细胞因子，导致活化的小胶质细胞/巨噬细胞随后通过增加抗炎细胞因子和神经营养因子的产生作出反应，如增强的吞噬作用。
近年来，微生物群在上述外周与中枢信息交流中的作用陆续被报道。例如，正如最近的综述所报道的，外周注射 LPS 以及热灭活或活病原体通过促进小胶质细胞激活来诱导啮齿动物大脑中的免疫反应。这种小胶质细胞激活与神经炎症有关，包括 TLR2、TLR4、TNFα和 IL-1β以及核糖核酸 (RNA) 和蛋白质水平表达的上调。最新的系统评价涵盖了转录水平 M0 与 DAM/MGnD的描述，然而到目前为止还没有基于转录组表型分析的等效概述。值得注意的是，最近的研究报告称不同的外周 LPS 注射方案（与不同血液水平的促炎细胞因子相关）对淀粉样蛋白病理学小鼠模型中的小胶质细胞和疾病进展具有相反的影响。增强的外周促炎谱相关的治疗方案导致小胶质细胞激活，加剧神经炎症反应、脑β-淀粉样变性和神经元死亡。相反，降低外周促炎细胞因子水平和持续的抗炎细胞因子 IL-10 相关的治疗方案抑制神经炎症反应、增加淀粉样蛋白-β (Aβ) 摄取和改善神经元存活相关的小胶质细胞谱。因此，小胶质细胞保留了外周炎症的长期印记。
截止目前，在生理条件下，肠道微生物群通过小胶质细胞的外周和中枢炎症之间的相互作用中的报道仍然较少。然而，据报道，无菌 (GF) 小鼠由于小胶质细胞表现出整体缺陷，如细胞比例改变和不成熟的表型，导致其先天免疫反应受损。复杂微生物群的重新定殖在一定程度上恢复了小胶质细胞的生理特征。值得注意的是，补充SCFA 模拟微生物群重新定殖的效果，足以逆转在无菌小鼠中观察到的小胶质细胞表型的改变。SCFA，如丁酸盐，可诱导小胶质细胞的功能变化，使其趋向于表达稳态 (M0) 表型，并在体外和体内暴露于LPS 后抑制促炎细胞因子的产生。因此，微生物群产生的代谢物可以通过影响外周-中枢免疫串扰来放大有益的前馈调节回路。潜在的机制可能还包括微生物群代谢物（如 SCFA）通过单羧酸盐 (MCT) 和钠偶联单羧酸盐 (SCMT) 转运蛋白转运穿过 BBB 的能力，从而影响小胶质细胞的炎症反应。与此一致，最近一项使用分化的 HL-60 骨髓单核细胞模拟人类小胶质细胞免疫功能的研究报告了促炎细胞因子/趋化因子（IL-1β、TNFα 和单核细胞趋化蛋白-1 [MCP-1]）的改变。) 以响应 SCFA。如果在体内得到证实，这些研究可以提供一种机制，通过该机制，微生物群和衍生代谢物可能间接调节神经炎症，包括通过放大有害的前馈回路和调节外周-中枢免疫串扰。值得注意的是越来越多的证据支持星形胶质细胞的神经炎反应，星形胶质细胞的生物群是不如小胶质细胞丰富。研究表明，LPS可以激活星形胶质细胞，而 SCFAs可以通过抑制NF-KB抑制 LPS诱导的星形胶质细胞活化。值得注意的是，增加NLRP3 缺陷小鼠肠道中毛螺菌科、瘤胃球菌科和普雷沃菌科的数量可以缓解星形胶质细胞功能障碍和小鼠的抑郁样行为。此外，发现较高丰度的硝化细菌、杨氏杆菌、伯克霍尔德菌和脱硫弧菌与某些神经系统疾病（例如自闭症谱系障碍）中的星形胶质细胞活化相关。此外，色氨酸的微生物代谢物已被证明与CNS中的内源性I型干扰素协同作用，以调节星形胶质细胞的活性并增加神经炎症。总之，这些数据表明微生物群介导的星形胶质细胞反应性调节可能在各种与神经炎症相关的神经精神和神经系统疾病中发挥作用。显然，微生物群也可以通过小胶质细胞-星形胶质细胞的交流来间接影响星形胶质细胞。
总的来说，虽然外周和中枢炎症反应之间的相互作用越来越多地被记录下来，但是小胶质细胞被微生物群调节的潜在机制还没有完全阐明。根据目前的观点，它们可能包括间接机制，例如循环亲脂性微生物群衍生代谢物通过 BBB的被动转运。亲水性微生物群代谢物也可能在没有 BBB的特定解剖位置从循环进入大脑，例如脑室周围器官和脉络丛。此外，微生物群产生的代谢物和成分可以触发存在于固有层的肠道粘膜下隔室中的免疫细胞产生促炎介质（例如细胞因子）。这些促炎细胞因子通过毛细血管从肠道粘膜下间质空间扩散到外周循环，并可能反过来触发循环淋巴和骨髓免疫细胞产生额外的细胞因子。循环产生的细胞因子可以通过 BBB 内皮细胞表达的细胞因子转运蛋白到达大脑，随后局部调节细胞因子的产生，特别是小胶质细胞和星形胶质细胞。在脑膜免疫的特殊情况下，循环细胞因子可以激活脑膜中的淋巴和骨髓细胞分泌细胞因子，这些细胞因子通过胶质细胞系统转运到脑实质，并激活脑内胶质细胞和随后产生的脑源性细胞因子。
通过迷走神经的直接作用
除了上一节讨论的间接机制外，通过迷走神经的初级自主神经传入的直接机制也参与了外周和中枢炎症之间的相互作用。通过迷走神经的直接神经连接使脑-肠可以双向通信交流。在潜在机制中，神经活性微生物源性分子可以直接调节迷走神经输出。相关的微生物群产品包含许多神经递质，包括多巴胺、血清素、去甲肾上腺素和 γ-氨基丁酸 (GABA)。此外，肠道迷走神经末梢附近的免疫细胞通过微生物引起的细胞因子的产生也可在调节迷走神经输出中发挥作用。事实上，一项研究直接证明了 TNFα 和 IL-1β 具有以细胞因子特异性和剂量依赖性方式沿迷走神经触发神经元活动的能力。微生物群对迷走神经活动的影响对于最近发现的以类似反射的方式对免疫反应的神经控制至关重要。与此相关的“迷走神经免疫复合物”，虽然超出了本文的讨论范围，但涉及到对迷走神经刺激术的反应中乙酰胆碱神经递质的释放，通过控制免疫细胞的活动来抑制炎症反应，故一并讲述。然而，微生物群的免疫调节和神经调节作用是重叠的。最近的一项研究报告称，通过使用抗生素或 GF 成年小鼠来操纵微生物群会引起基因表达的深刻改变，这种基因表达改变不仅在小胶质细胞中，而且在内侧前额叶皮层的兴奋性神经元中，这与有缺陷的神经元编码活动和学习相关的树突棘突触后重塑有关。令人惊讶的是，所有这些改变都与神经炎症变化无关，甚至在迷走神经切断后仍然存在，因此表明微生物群代谢物可能直接影响神经元活动。这些发现开启了一个令人兴奋的研究领域，重点是破译微生物群代谢物相关的神经元和小胶质细胞改变之间的因果关系，这可能有助于回答是否微生物群代谢物也可以单独或同时影响小胶质细胞和神经元。因此，肠-脑轴在（神经）炎症和神经退行性疾病中的核心作用现在越来越得到认可，有确切证据表明微生物群参与其中一些疾病。值得注意的是，除了AD，菌群失调也与 PD、MS 和 ALS 相关。关于微生物群在 MS 发病机制中的研究（自 2010 年截至 2021 年 12 月，PubMed 中检索出513 “微生物群-多发性硬化症”文章）、PD 和 AD（2012年至2013年，PubMed 共发表622次和709次，分别是”微生物群-帕金森症”和“微生物群-阿尔茨海默症”）比 ALS 研究更多且略早（自 2014 年以来，微生物群-淀粉样硬化症有89篇）。尽管目前还没有关于微生物群参与神经退行性疾病的统一概念，但现有证据似乎与PD相比更一致（最近的综述见）。然而，自 2020 年以来，每年发表的论文超过 200 篇，微生物群对 AD 的影响是该领域研究中最具活力的领域之一，人们普遍希望这些新兴数据将有助于达成共识。在以下部分中，作者专门提供对 AD 文献中微生物群的全面和及时的分析，以说明微生物群通过调节外周炎症对神经元活动的影响的最新进展。
阿尔茨海默病：神经炎症的作用
AD 是一种与年龄相关神经退行性疾病。临床上，AD 多在疾病进程的晚期才被诊断出来，其发病在脑病理改变开始几十年后。它是痴呆症的最常见原因，受影响的人数正在迅速增加，使其成为主要的公共卫生问题。2020 年全球痴呆患者人数估计为 5000 万，预计这一患病率每 20 年翻一番，到 2030 年达到 8200 万，到 2050 年达到 1.52 亿。患者表现出进行性记忆障碍和认知衰退，这些症状与突触功能障碍和神经元丢失有关。这些改变表现在两个早期阶段：主观认知衰退（SCD）和轻度认知障碍（MCI）。第一个在临床上无法检测到，表现为轻微的干扰并发生在临床前阶段。SCD 可以进展到 AD 的前驱期（由 AD 引起的 MCI），这是临床可量化的，并且是目前诊断 AD 的最早阶段。AD 具有几个生物学特征，包括两种病理蛋白质种类的积累：Aβ 肽和过度磷酸化的 tau，分别聚集成细胞外淀粉样蛋白斑块和细胞内神经原纤维缠结 (NFT) 。这些神经毒性物质的积累在临床症状出现前几年甚至几十年就开始了。值得注意的是，脑脊液中的 Aβ 减少（由于脑实质中斑块的沉积）先于 tau 积累，并且在临床诊断前 15 年或更长时间内被检测到。作者使用动物模型，已经表明 Aβ 在脑实质中的积累（称为淀粉样变性）会破坏神经元信号传导，导致突触和神经元丢失，并逐渐损害认知功能。淀粉样蛋白沉积物和 NFT 也会引发慢性先天性神经炎症反应，这反映周围小胶质细胞和星形胶质细胞的激活。小胶质细胞被 Aβ 肽和病理性 Tau 蛋白激活，这些蛋白与 TLR 和清道夫受体 (SR) 等几种 PPR 结合。这转化为小胶质细胞激活，这反过来与吞噬作用相关基因的表达改变有关，包括与 AD 病理学背景下脑 Aβ 清除相关的 CD33、CR1 和 Abca7。值得注意的是，全基因组关联研究 (GWAS) 已经确定了此类基因中的单核苷酸多态性，这与患 AD 的更高风险有关。有趣的是，载脂蛋白 E (ApoE) 是 AD 最强的遗传风险因素，通过激活髓样细胞 2 (TREM2) 上表达的触发受体，在从稳态 M0 到 DAM/MGnD 表型的转变中发挥作用。在大脑中，TREM2 由小胶质细胞特异性表达，并与神经炎症密切相关。
与 AD 相关的慢性神经炎症在病理晚期表现为小胶质细胞产生促炎细胞因子/趋化因子，包括 IL-1β、IL-6、TNFα、CC 基序趋化因子 Ligand-5 (CCL5)、巨噬细胞炎症蛋白 1α (MIP-1α) 和 MCP-1 通过 TLR4、TLR2 和炎性体 NALP3 信号传导。然而，在人类和AD 样病理学动物模型的早期阶段，已经可以检测到诸如 TNFα 等细胞因子水平的升高。补体系统还参与疾病早期Aβ 斑块的清除，并根据疾病阶段在AD中发挥多种作用。例如，补体成分 1q (C1q) 在 AD 的早期阶段具有神经保护作用，但随着疾病的进展而获得神经毒性作用，尤其是通过促进小胶质细胞的激活及其向促炎表型的转变。有趣的是，研究表明补体系统促进齿状回的神经发生，齿状回是一个在海马记忆形成中起关键作用大脑区域，但其在 AD患者中受到损害。相反，当与白细胞介素 1 α（IL-1α 和 TNFα）联合作用时，C1q 促进反应性星形胶质细胞向 A1 样神经毒性功能特征的分化。此外，c1q 通过 C3和 CR3 介导的小胶质细胞的突触修剪功能，触发淀粉样蛋白病理类 AD 小鼠模型的早期突触丢失。此外，C3 分别介导（至少部分）野生型 (WT) 和 APP/PS1 小鼠中由于衰老和淀粉样蛋白沉积导致的海马突触损失。尽管在 APP/PS1 小鼠模型中有斑块沉积增加，但 C3 的敲除可以保护 WT 和转基因小鼠的海马突触和认知能力。随着疾病的进展，过多和慢性的神经炎症信号会导致神经和神经胶质细胞死亡。Aβ 的整体清除受到损害，而促炎介质的小胶质细胞产生仍然升高。这会产生神经退行性变，并进一步加剧神经炎症，从而形成恶性循环。小胶质细胞释放活性氧和一氧化氮合酶也会加速神经元丢失。
在 AD 的晚期，随着小胶质细胞清除能力的降低，外周巨噬细胞也可能被招募到大脑来清除斑块，尽管这一点仍有争议。在这些晚期阶段，BBB 完整性和通透性的改变可能会促进外周免疫细胞的浸润，从而进一步加剧 AD 期间 CNS 的炎症变化。此外，外周炎症有助于 AD 进展并与认知缺陷相关，特别是在 MCI 阶段，其外周 IL-1β 和 TNFα 的产生增加与 AD 风险升高有关。有趣的是，以前的研究表明，非甾体类抗炎药可能会降低长期服用者的 AD 发病率，特别是在早期应用治疗时，例如在出现症状前的患者中。但是在后期应用时，例如对有症状的患者，则不能证明有益效。这表明在病理的每个阶段都会发生不同的免疫过程，早期与 AD 相关的神经炎症甚至可能是有益的。总之，最近的实验证据表明中枢神经炎症、外周炎症和 AD 相关的认知功能障碍之间存在复杂的相互作用。
AD 相关的突触兴奋性和可塑性损伤：关注 LTP 和和神经系统损伤
根据目前的 AD 发病机制假设，突触功能障碍先于认知功能的发作。突触活动的改变已经发生在 AD 的症状前阶段，并且与易损大脑区域，特别是海马中的锥体神经元的谷氨酸能张力和兴奋性增加有关。谷氨酸能传递的增加会产生过度兴奋，这可能是由于抑制性 GABA 能神经传递的减少，或谷氨酸提高。谷氨酸能传递增加的过度兴奋机制涉及 α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸 (AMPA) 和 N-甲基-D-天冬氨酸 (NMDA) 类型的离子型谷氨酸受体：AMPA 受体 ( AMPAR) 和 NMDA 受体 (NMDAR)。至少在海马中，过度兴奋转化为基础突触传递过程中 AMPAR 介导的反应会增加，这一过程反映在增加的兴奋性突触后电位 (EPSP) 中（图 1）。受损的海马 GABA 受体 (GABAR) 传递也有助于早期 AD 病理学的过度兴奋特征，至少在动物模型中是这样。与此一致，在小鼠 AD 样模型中，除下托以外的所有海马区域均观察到 GABA 能神经元的丢失，并且可以从疾病的早期阶段检测到。有趣的是，在这种 AD 样小鼠模型 (TgCRND8) 中，GABA 能神经元似乎在谷氨酸能或胆碱能神经元之前受到影响。
神经元网络抑制和兴奋之间的不平衡会产生异常的兴奋活动和同步，并增加癫痫发作的易感性。这些突触功能障碍导致学习和记忆回路受损，表现为长时程增强作用减弱（LTP）和长期抑制（LTD）增加，两者都与突触可塑性密切相关。实验表明，重复的高频刺激可以增强突触之间的传输效率。现在公认的是，在存在 Aβ 的情况下，LTP 诱导失败或异常会导致通过谷氨酸兴奋毒性降低突触的可塑性。另一方面，在针对 LTD 诱导的低频刺激方案中，存在 aβ 时突触间的传递效率降低。异常 LTP/LTD 可能与 Aβ 介导的 NMDAR 信号增强、突触后膜上 AMPAR 的表达降低、GABAe 能抑制作用减弱和/或突触前和突触后钙通道受损有关。在小鼠 AD 样模型和人源性突触体中的海马 LTP 缺陷以及衰老动物模型中 LTP 受损与 AD 认知功能障碍的进行性特征一致。LTP 与年龄相关的缺陷也与 ROS 和神经炎症的积累有关，特别是 IL-1β和 TNFα的增加。实验显示IL-1β和 TNFα 对海马 CA1 和齿状回区域的 LTP 诱导均有影响。此外，细胞因子 TNFα 和 IL-1β 对谷氨酸和 GABA 受体的协调调节均有作用，可以进一步增强 LTP/LTD 损伤。
图1. 生理和 AD 相关病理条件下 LTP 的诱导和表达及其受微生物群产物的调节。
(A) 在生理条件下，突触前海马神经元的输入会触发谷氨酸释放到突触间隙，激活突触后神经元上的膜 AMPAR，并允许 Na+ 进入细胞，从而产生兴奋性突触后电位 (EPSP)。当给予强直刺激时，大量的谷氨酸从突触前末端释放，增加突触后膜产生的EPSP，导致NMDAR中阻断的Mg2+被去除并随后被激活。NMDAR 激活允许 Ca2+ 和Na+离子流入细胞，导致钙调蛋白依赖性蛋白激酶-II 的激活，其磷酸化 AMPAR，增加其电导率，促进AMPAR从细胞质转移到突触后膜并增加其密度，从而产生LTP。(B) AD 样病理的早期阶段可能与谷氨酸释放升高以及突触前神经元和突触间隙内和周围的谷氨酸浓度增加有关。事实上，Aβ 可以通过激活突触前神经元上的 α7nAchR 来刺激谷氨酸释放，并促进突触前易化。在 Aβ 积累的情况下，由小胶质细胞产生的促炎细胞因子，如 TNFα 和 IL-1β，可以上调突触后膜上 AMPAR 的表达，从而允许更高的离子流入和更大的去极化。所有这些突触水平的变化导致海马神经元过度激活，并在 AD 的早期阶段增加 LTP。已在大脑中鉴定出微生物群代谢物，如 SCFA、BA 和 TMAO。TMAO 对突触可塑性（即 LTP 损伤）的负面影响以及有过报道，但由于相关实验是在 TMAO 存在下孵育的离体海马切片上进行的，目前尚不清楚 TMAO 是通过直接作用于神经元，还是间接作用于小胶质细胞，来影响小胶质细胞-神经元功能。相比之下，在 5XFAD 小鼠模型中，丁酸钠（SCFA的其中一种）通过体内 LTP 电生理记录评估促进突触可塑性。作者使用的实验装置无法确定观察到的对神经元活动的影响是直接的还是间接的（通过小胶质细胞）。目前没有关于 BA 对神经元活动的影响的数据。(C) AD 样病理后期的特点是是由于早期拥有属性过度活跃导致谷氨酸能神经传导活动减退。升高的 Aβ 水平通过抑制 α7nAchR 减少突触前神经元的谷氨酸释放，从而减少 NMDAR 的突触后激活。此外，在 AD 病理早期阶段对 AMPAR 的慢性刺激会导致这些受体脱敏和内化。此外，由于 Aβ 持续积累产生的毒性条件，小胶质细胞过度产生促炎细胞因子（例如 TNFα、IL-1β……），可引发神经元死亡和垂死神经元释放谷氨酸，从而增加神经毒性。总而言之，这导致与认知缺陷相关的 LTP 和 EPSP 减少（以及 LTD 的镜像增加，为清楚起见，图中未显示）。由 biorender 网站创建。在疾病的晚期阶段，AD 样小鼠模型和 AD 患者表现出肠道微生物群失调，其特征是微生物多样性和组成发生变化，促炎类群密度增加，抗炎类群密度降低。
人类和啮齿动物模型中 AD及与年龄相关的菌群失调的比较
在有 AD 临床症状的患者中，之前的一份报告显示厚壁菌门减少，类似于炎症性疾病（如炎症性腕病）中所见的改变。 最近的一项研究报告说，与健康受试者相比，MCI 患者的粪便细菌 prausnitzii （一种抗炎细菌，属于厚壁菌门）减少。 微生物群变化还包括拟杆菌门的增加，这与 CSF 中几丁质酶 3 样蛋白 1 (YKL-40) 水平的增加相关，该蛋白是小胶质细胞活化的标志物。AD 患者中革兰氏阴性肠道细菌（如拟杆菌属）的丰度增加可能导致肠道内脂多糖（LPS） 从肠道向全身循环的移位增加，这可能通过刺激全身炎症而促成 AD 病理。其他研究证实，与认知正常的对照组或 MCI 相比，AD 相关的微生物群丰富度和多样性降低。 然而，自从 2017 年在美国和意大利开展的两项开创性的 AD 微生物群临床研究以来，美国的另一项研究和中国的六项研究已经发表。 值得注意的是，这些最近的研究指出了 AD 相关微生物群组成方面的显著差异，具体取决于地理和种族因素。 例如，美国的第二项研究 确实证实了 AD 患者中拟杆菌的增加，正如来自同一国家的先驱研究中所报道的那样，而在中国的一项研究中发现了相反的结果。 同样，在美国和中国的研究中发现放线菌分别增加和减少，而相比之下，在美国研究中双歧杆菌减少了而在中国队列中增加了。 这些差异强调了在研究 AD 患者以及更普遍地在全球人群中的微生物群变化时考虑环境因素（例如地理和种族起源（以及因此的相关饮食差异））的重要性。观察到的差异还提示我们在可以得出国际层面的任何概括之前，要研究地区和国家层面的 AD 相关菌群失调。从靶向微生物群作为一种假定的未来治疗方法的角度来看，这一点至关重要（参见通过靶向微生物群来恢复 AD 相关的神经元功能？）。尽管存在地理差异，但相信AD 患者的菌群失调与疾病病理相关。例如，促炎性大肠杆菌/志贺氏菌属的增加和抗炎性直肠真杆菌的减少与脑脊液 Aβ42/Aβ40 降低和磷酸化 tau 和磷酸化 tau/Aβ42 水平升高相关。此外，炎症的循环生物标志物如 IL-1β、NLRP3 和 CXCL2 的增加分别与大肠杆菌/志贺氏菌的增加和直肠大肠杆菌的减少呈正相关和负相关，这表明微生物群驱动外周炎症的能力。
由于 AD 的主要风险因素是年龄，因此利用与年龄相关的微生物群变化可能有助于破译肠道菌群失调和 AD 发病机制的相关机制。一项对意大利年轻人、老年人和百岁老人之间的微生物群进行的研究显示，年龄最大的老人比年轻人表现出更多的恶性微生物群。同样，另一项研究报告爱尔兰老年人的肠道微生物群与年轻人有很大不同，其多样性丧失并转向促炎表型。与较年轻的成年人相比，厚壁菌门（产生丁酸的细菌）的比例显著低于较年轻的成年人，后者的厚壁菌门数量超过拟杆菌。尽管如此，在衰老过程中拟杆菌数量的演变仍然存在一些不一致之处。此外，微生物 SCFAs 的水平在衰老过程中会降低，而 SCFAs 在百岁老人中仍然很丰富，这表明 SCFAs 可能对衰老具有保护作用。转基因 AD 样小鼠模型的肠道功能紊乱是在病理学的晚期发现的。因此，与年龄匹配的野生型对照相比，8个月大的 APPPS1 小鼠的厚壁菌门、疣微菌门、变形菌门和放线菌门显著减少，而拟杆菌门和细线菌门显著增加。
关于微生物群随着AD 病理进展的变化，研究报告指出：一些微生物菌株在疾病的症状前阶段和症状阶段之间存在差异，而其它菌株从症状前阶段开始持续存在。例如，在向症状阶段进展期间，在 Tg2576 小鼠中观察到乳杆菌显著增加，而在症状前 Tg2576 小鼠中发现的瘤胃梭菌显著减少。另外两项在其它小鼠模型中研究证实了上述发现，特别是 3xTg-AD中乳酸杆菌的增加和 APP/PS1中瘤胃梭菌的减少。最近的一项研究表明，在 5xFAD 小鼠症状前阶段厚壁菌门和双歧杆菌的相对丰度降低而拟杆菌的相对丰度增加。在病理表现明显的阶段（15 个月大），类似的变化仍然很显著。同时，这项研究发现，在两个年龄段（5 个月和 15 个月）的 5xFAD 小鼠肠道中，厚壁菌门/拟杆菌门的比例降低，同时 NLRP3 炎性体和 IL-1β 的产生增加，这与星形胶质细胞增生和小胶质细胞增生呈正相关，同时增加脑内NLRP3 炎性体和 IL-1β的表达。
此外，使用纵向方法评估衰老如何影响两种不同 AD 小鼠模型中菌群失调程度。在 3 个月、6 个月和 24 个月大的APP/PS1模型中，（在该模型中分别对应于病理的症状前阶段、发病阶段和明显阶段）发现3个月时不存在菌群失调。而在 6 个月时表现出菌群失调。因此，6 个月龄时 APP/PS1 小鼠的促炎性门菌变形菌和丹毒菌科的数量比对照组增加。重要的是，这项工作中，除了基因型效应外，衰老效应也很突出。在衰老过程中，APP/PS1 和对照小鼠的土杆菌科和利肯纳菌科均增加，尽管拟杆菌属保持稳定。在一项使用 P301L tau 转基因小鼠模拟tau 病理学的研究中，观察到微生物群的多样性和组成都发生了显著变化。从症状前阶段（3 个月）开始，P301L 小鼠的厚壁菌门和放线菌门减少，而拟杆菌门增加。相比之下，仅在 P301L 小鼠的明显病理阶段（即该模型中的 10 个月）中发现软壁菌门减少。
然而，与人类相比，啮齿动物与衰老相关的微生物群变化模式不同，因此表明该变化可能是物种特异性的。厚壁菌门的丰度较高而年老（15 个月）与年轻（2 个月）大的 C57Bl6 小鼠相比，拟杆菌的丰度较低。老年小鼠的这些微生物群改变伴随着血浆、肠道和大脑中促炎（TNFα、IL-1β 和 IL-6）细胞因子表达增加，同时血浆和大脑中 LPS 水平增加，脑Iba-1、TLR4 的表达和 NF-κB 的核转位指向小胶质细胞的激活。一项在老年（20-24 个月）与年轻（3 个月）大鼠中进行的类似研究报告了类似的微生物群变化，与年轻大鼠相比，老年大鼠的拟杆菌门相对丰度较低，而厚壁菌门的相对丰度较高。厚壁菌门/拟杆菌门的比例随着年龄的增长而增加数倍。与小鼠研究一样，这种与年龄相关的微生物群改变与老年大鼠血清和海马促炎（TNFα、IL-1β 和 IL-6）细胞因子水平升高相关。观察到的微生物群变化进一步与认知障碍和静息状态磁共振成像中神经元活动减少相关。粪便微生物群移植 (FMT) 方法：使用年轻大鼠作为受体，老年大鼠作为微生物群供体，表明 FMT 将年轻大鼠的肠道微生物群重塑为老年大鼠的肠道微生物群，导致年轻受体大鼠的认知行为受损，以及静息状态功能磁共振成像中神经元活动的降低、突触结构和形态的变化以及血清和海马中促炎细胞因子的水平升高。因此，这项研究证明了与年龄相关的肠道微生物群变化与神经炎症、神经元功能障碍和认知障碍之间的因果关系。当在小鼠中使用相反的方法时，即年轻小鼠微生物群对老年受体的 FMT，抵消与年龄相关的海马神经炎症、代谢组和转录组改变，并挽救认知缺陷。必须强调的是，啮齿动物模型之间报告的菌群改变仍然不容易比较，因为不同模型之间 AD 发病机制的对应关系尚未标准化。此外，这些与年龄和 AD 相关的微生物群变化如何相互作用仍有待进一步探索。
肠道和脑屏障的微生物相关渗透作用
肠道微生物群的改变可导致肠血屏障（“漏肠”）和 BBB（“漏脑”）的通透性增加。 事实上，肠道粘膜层保护宿主免受病原体浸润，这和肠道细菌的组成和菌群特性有关。虽然一些有助于保持肠道屏障完整性的细菌菌株在AD患者中减少（嗜黏蛋白阿克曼氏菌、婴儿双歧杆菌），但其它破坏上皮细胞完整性的菌株却增加了（幽门螺杆菌、志贺氏菌、大肠杆菌）。 此外，据报道，ApoE ε4等位基因携带者患 AD 的风险增加，他们的保护性 SCFA 产生细菌（如瘤胃球菌科）的丰度较低，这使他们更容易受到肠道完整性丧失和通透性增加的影响。 此外，由于肠道屏障通透性增加，与 AD 失调相关的肠道微生物群产物，如 β-N-甲氨基-L-丙氨酸 (BMAA)、LPS 和微生物淀粉样蛋白，可能会到达循环系统并进入中枢神经系统，尤其是如果 BBB通透性增加促进神经退行性变、认知障碍、星形胶质细胞增生、NFT 积累和脑淀粉样变性。 特别是，在肠道中产生的微生物淀粉样蛋白，可能以类似朊病毒的方式交叉播种使脑 Aβ 聚集，随后引发大脑和外周的炎症反应。肠道屏障功能障碍可能有助于“脑漏”，因为它会使促炎细菌衍生的内毒素和代谢物移位到血液中，这可能有助于改变 BBB 的通透性。BBB 完整性降低可能有助于促进先天性神经炎症和神经退行性变。某些可能影响神经变性和 AD 病理学的肠道产生的代谢物能够渗入大脑，例如微生物衍生的代谢物三甲胺 N-氧化物 (TMAO) 和胆汁酸（图 1）。事实上，代谢组学分析比较了 AD 患者和认知正常个体的死后脑样本中测量的胆汁酸，结果显示认知能力下降与肠道产生的次级胆汁酸（如脱氧胆酸和石胆酸）的量增加之间存在关联。此外，脑淀粉样蛋白沉积与循环中 LPS 呈正相关，但也与乙酸、戊酸和丙酸呈正相关，与循环丁酸呈负相关。
肠道菌群失调/神经炎症/AD的干预方法和相互作用
为了解肠道菌群失调与 AD 发病病理之间的相关机制，一种有用的方法是评估在生命早期改变肠道微生物群的后果，这是肠道微生物群对宿主功能影响的关键时期。在两种 AD 样淀粉样变性小鼠模型（APP/PS1和 APPPS1）中利用广谱抗生素混合物对微生物群组成产生深远影响，尤其是毛螺菌科和 S24-7 属，并且脑淀粉样变性显著减少。抗生素治疗的小鼠血液和大脑中都显示出调节细胞，而在 Th1、Th2 和 Th17 CD4+ T 细胞亚群中没有观察到差异。IL-1β、白细胞介素 2 (IL-2)、白细胞介素 3 (IL-3)、CC 基序趋化因子配体 11 (CCL11) 和干细胞因子 (SCF) 的血液水平升高以及IL-6 水平的下降也证明了免疫激活，。反映大脑免疫环境的 CSF 免疫分析表明 IL-2、IL-3 和 SCF 减少，而 IL-1β、CCL11 和 IL-6 表达没有改变。值得注意的是，抗生素的作用可能受到激素的影响，因为男性和女性的表型不同。雄性 APPPS1小鼠循环促炎症因子(IL-1β、IL-2、IL-3、IL-6、CCL11、CCL5、CXC趋化因子配体-5（CXCL5）和SCF)减少，抗炎症因子/趋化因子(如 IL-10)增加，雌性小鼠相反。 此外，抗生素处理的小鼠中与 Aβ 相关的小胶质细胞反应性显著降低，这可以通过 Aβ 斑块周围的小胶质细胞积累减少及其形态学改变来证明。在雄性小鼠中还发现，抗生素治疗阻止了如异杆菌属和赤眼蜂属从稳态 M0向 DAM/MGnD 表型的转变，同时伴随着微生物种类的改变。如前文所述，小胶质细胞在将微生物群的作用从外周炎症变化转化为中枢炎症变化方面发挥着核心作用，这在某些情况下可能对 AD 有益。 事实上，GF（无菌）APPPS1 小鼠中缺乏微生物群证明可以减少小胶质细胞增生和皮质促炎细胞因子的产生来延缓疾病进展。 微生物群的缺失导致无菌野生型和 APPPS1 小鼠的小胶质细胞数量和成熟表型缺陷。 值得注意的是，在无菌野生型和APPPS1小鼠中，微生物群落的缺失导致小胶质细胞数量和成熟表型的缺失。
微生物群对其它神经退行性疾病的影响与 AD既有相似也有不同之处。 多数研究报道，PD 菌群失调涉及肠杆菌科的丰度增加和拟杆菌、毛螺旋体科和普雷沃菌科的丰度降低。类似于 AD 中的 Aβ，PD肠道微生物群是易损脑区 α-突触核蛋白聚集、小胶质细胞激活及TNFα 和 IL-6 产生所必需的。PD 患者的菌群失调尤其与纤维素降解菌 Blautia、粪菌和瘤胃球菌的减少相关。 在过表达人 α-突触核蛋白的 GF 小鼠研究中证实了 SCFA 在触发 PD 发病机制中的神经炎症中的关键作用，这与 SCAF 可能在其中发挥的抗炎作用形成鲜明对比。关于 MS，与健康对照组相比，在缓解期患者中，嗜黏蛋白阿克曼氏菌和史密斯甲烷菌增加，而酪酸单胞菌减少。与AD和PD的改变类似，MS患者源性粘杆菌在体外（在人类外周血多形核细胞中）和体内（在GF小鼠中定植后）触发促炎症反应。相反， MS患者中对羟基苯甲酸酯（Parabacte roides distasonis）含量较少会触发IL-10表达。
总之，一致的数据揭露了肠道微生物群对一般神经退行性疾病病理学发展的影响，特别是对 AD 中淀粉样蛋白病理学发展的影响。这些研究表明小胶质细胞在微生物群与神经炎症之间的关键作用（图 2）。 此外， AD 不仅应被认为是一种神经系统疾病，还应被认为是一种全身性疾病。
根据这一新概念，AD 中的炎症不仅限于神经炎症，还包括许多具有持续相互作用的全身炎症。AD 病理学通常与许多心血管、肝脏、肾脏、代谢和其他全身功能障碍有关。 最重要的是，这些额外的全身异常可能涉及 Aβ 外周代谢的损害，例如通过单核细胞、红细胞、淋巴细胞、中性粒细胞和肝细胞的摄取、吞噬作用或内吞作用进行的外周清除导致的损害。虽然目前还不清楚肠道微生物群是如何从循环中清除 Aβ 的，但微生物群对中性粒细胞的影响已得到充分证实。回答这些问题至关重要，因为外周存在大量Aβ，而这些包括来自肠道的外周Aβ可以到达大脑。未来的研究需要揭示Aβ 相关的肠道微生物群的改变是否是神经炎症的原因，或者肠道菌群失调是Aβ诱导的炎症/神经炎症的结果。值得注意的是，这两种可能性并不是唯一的，并且都可能是促进 AD 发病机制的恶性循环的一部分。
通过外周免疫调节恢复 AD 相关的神经元功能
在过去十年中，在AD相关啮齿动物模型有力的证明了早期外周免疫调节对该疾病的显著影响。在认知症状出现之前抑制外周TNFα（通过皮下注射拮抗剂）可恢复TgCRND8小鼠模型中的神经元兴奋能力和可塑性，这些效应甚至在症状期也持续存在。这种治疗还可以挽救受损的LTP，减少大脑中激活的免疫细胞，包括浸润的CD4+T细胞。类似地，在3xTgAD小鼠中早期抑制TNFα可防止认知损害，同时减少外周血白细胞的CNS浸润，并减少Aβ斑块的形成。这种治疗还可以减少3xTgAD小鼠的其他神经病理学特征，包括小胶质细胞激活、tau蛋白磷酸化和APP积累，并维持突触功能。有趣的是，TNFα1型死亡受体（TNFR1）的缺失通过改善学习和记忆减少APP23小鼠的认知功能缺陷。
图2. 肠道菌群失调与AD发病机制之间的潜在关联。
AD患者肠道菌群组成和功能的改变增加了肠道屏障的通透性，并可能增加BBB的通透性，从而在肠道和CNS水平上形成一个加剧炎症的恶性循环。AD早期（低浓度Aβ）：随着谷氨酸能神经传递的增加，海马锥体神经元的兴奋性增加，进而转化为突触前易化、增强的fEPSP和LTP。相反，AD的后期（高浓度Aβ）：fEPSP显著降低、LTP的降低、LTD的增强，可能与突触AMPA受体数量的减少和进行性记忆丧失有关。用Biorender创建。
当在 AD 样小鼠模型中抑制 IL-1β 时，也可以观察到类似的结果。在 3xTgAD 小鼠中阻断 IL-1 受体可挽救认知障碍并减轻小胶质细胞活化和 tau 病理。IL-1 受体拮抗剂 (IL-1Ra) 甚至可以逆转由 IL-1β 引起的 LTP 损伤。相反，IL-1β 的过表达会加剧 tau 磷酸化和 NFT 形成，导致 LTP 和记忆受损。这些结果可能与 IL-1β 对 NMDAR 介导的 EPSP 的抑制作用有关，类似于先前报道的另一种促炎细胞因子（白细胞介素 18 [IL-18]）对 EPSP 的影响。此外，IL-18 可削弱 Wistar 大鼠齿状回中 LTP，IL-18 的拮抗剂可减轻由该细胞因子引起的 LTP 和 EPSP 抑制。此外，通过外周给予低剂量 IL -2 选择性扩增 Treg 细胞进行早期外周免疫调节会影响小胶质细胞反应并延缓认知缺陷的发生，从而改善 APPPS1 小鼠在疾病晚期阶段的认知功能。当在 AD 样小鼠模型中抑制 IL-1β 时，观察到类似的结果。在 3xTgAD 小鼠中阻断 IL-1 受体可挽救认知障碍并减轻小胶质细胞活化和 tau 病理。IL-1 受体拮抗剂 (IL-1Ra) 甚至可以逆转由 IL-1β 引起的 LTP 损伤。相反，IL-1β 的过表达会加剧 tau 磷酸化和 NFT 形成，导致 LTP 和记忆受损。这些观察结果可能与 IL-1β 对 NMDAR 介导的 EPSP 幅度的抑制作用有关，类似于先前报道的另一种促炎细胞因子（白细胞介素 18 [IL-18]）对 EPSP 的影响。此外，IL-18 可削弱 Wistar 大鼠齿状回中 LTP 的诱导，IL-18 的拮抗剂可减轻由该细胞因子引起的 LTP 和 EPSP 抑制。此外，通过外周给予低剂量 IL -2 选择性扩增 Treg 细胞来进行早期外周免疫调节会影响小胶质细胞反应并延缓认知缺陷的发生，从而改善 APPPS1 小鼠在疾病晚期阶段的认知功能。
通过靶向微生物群恢复与 AD 相关的神经元功能障碍？
针对肠道菌群并恢复其平衡可能是 AD 的一种有前途的治疗策略。可以考虑几种方法，例如益生元（食物成分，通常是不可消化的纤维化合物，具有诱导有益微生物生长或活性的能力）、益生菌或 FMT，包括从健康供体转移粪便溶液，以恢复患有微生物群相关疾病的患者的肠道微生物群。
益生元
关于动物模型，尽管已经证明了 i) 肠道微生物群扰动和外周免疫调节（微生物群对外周炎症/免疫的影响和微生物群对神经炎症的影响）、ii) 外周炎症和神经炎症之间的相互影响和 iii) 神经炎症和神经元活动，迄今为止尚未探索调节微生物群对突触活动的影响，特别是在AD 症状前的变化时。据作者所知，除了一份报告（见下文）外，在这方面所有已发表的证据都来自在晚期病理阶段的研究。例如，益生菌混合物 (VSL#3) 补充剂被用于修饰非转基因老年雄性 Wistar 大鼠的微生物群，用于模拟 AD 相关神经元功能障碍的年龄相关特征，例如 LTP 和神经发生缺陷。这项研究报告了与年龄相关的LTP缺陷、神经炎症减少和小胶质细胞活动特定标志物（如 CD68 和 CD11b）表达降低，这与益生菌治疗后微生物群组成的变化相关。这种益生菌治疗还与突触可塑性相关基因的表达增加有关，如突触蛋白和脑源性神经营养因子 (BDNF)，后者与 LTP 呈正相关。使用 5xFAD 模型评估症状前阶段微生物群对 LTP/LTD 影响的研究报告称，用 SCFA（例如丁酸钠）治疗可以通过抑制神经炎症改善 2 个月大时的突触损伤（对应于5xFAD 小鼠的症状阶段）。最近的研究表明，从健康受试者中分离出的 F. prausnitzii 菌株可改善注射Aβ 小鼠模型的认知障碍，这表明 F. prausnitzii 可能是预防 MCI 的有希望的候选者。需要对其它 AD 小鼠模型进行进一步研究，以确认 F. prausnitzii 对 AD 发病机制的假定有益影响，并揭示它可能调节认知功能的机制。
益生菌给药后观察到的LTP改善可归因于海马兴奋性谷氨酸突触传递的AMPAR/NMDAR比率的变化，尽管这种机制尚未在AD样模型中直接阐明。用益生菌（屎肠球菌）和益生元（菊粉）补充剂治疗认知功能未受损的中年Sprague–Dawley雄性大鼠5周，可增加海马突触的NMDAR/AMPAR比率，并诱导CA1区LTP。观察到的益生菌和益生元对改善学习和记忆的协同作用也与丁酸盐的增多有关，从而导致 BDNF 增加和海马促炎细胞因子的减少。 此外，补充益生菌后肠道细菌产生的 SCFA 可通过增加组蛋白乙酰化来增强 LTP 并调节雄性 Sprague-Dawley 大鼠和 C57BL/6 小鼠的记忆形成，而组蛋白乙酰化在记忆形成中至关重要。值得注意的是，根据微生物群的背景，SCFA 也可能产生有害影响。 因此，与年龄匹配的无特定病原体 (SPF) 的APPPS1 小鼠相比，在 GF APPPS1 小鼠中，Aβ 斑块和 SCFA 血浆浓度降低，尽管外源性 SCFA 补充剂的 GF APPPS1 小鼠中 Aβ 斑块附近的小胶质细胞积累增加，但其加剧了 Aβ 斑块沉积和小胶质细胞损伤（吞噬能力下降）。
通过类比益生菌，几种细菌代谢物或益生元对认知未受损动物的认知功能或啮齿动物模型中的 AD 样病理晚期具有有益影响，其中潜在机制可能涉及组蛋白乙酰化。 此外，向 APP/PS1 小鼠补充巴戟天 (OMO) 低聚糖 6 个月可逆转学习和记忆缺陷。OMO还通过影响某些与神经递质（如单胺类神经递质）的产生和分泌有关的肠道微生物来调节神经递质的分泌。有趣的是，在症状前阶段用 SLAB51 益生菌制剂（嗜热链球菌、双歧杆菌、乳酸杆菌）治疗4个月会增加 AD小鼠模型（8 周龄 3xTg）的粪便 SCFA （乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐）。 因此，这种益生菌制剂可能通过 SCFA 益生元的中间体发挥其作用，从而在6月龄时（即在该模型中处于病理的明显阶段）改善新物体识别测试中的认知缺陷。值得注意的是，对 SLAB51 治疗后认知功能改善的另一种解释是减少了治疗 AD 小鼠大脑中的氧化应激。 事实上，8 周龄 3xTg-AD小鼠补充SLAB51 16 周后Sirtuin-1 (SIRT1) 增加，该机制通过降低 ROS 产生和促进细胞存活来促进神经保护作用。 在使用 APP/PS1 模型的一项类似的、更近期的研究中，8 周的 蓖麻酸丁酯(SR79) 给药显著改善了在 AD 病理明显阶段的小鼠新型物体识别和 Y 迷宫中实验中的认知表现，以及减少 Aβ 斑块沉积和小胶质细胞活化。 最重要的是，SR79 治疗显著降低了 IL-1β 和APP/PS1 治疗小鼠皮质中的补体成分 C1QB 基因的表达。
值得注意的是，益生菌不仅可以抵消某些与 AD 相关的症状，而且还可以作为 AD 治疗的有希望的治疗辅助剂。因此，将益生菌菌株（植物乳杆菌）与 FDA 批准的 AD 药物美金刚联合 12 周，通过减轻 APP/PS1 小鼠的认知恶化和 LTP 缺陷，以及改善受损的突触可塑性来增强其治疗益处。 这种辅助治疗可调节肠道微生物群组成并抑制 TMAO 的合成。 此外，将植物乳杆菌与美金刚相关联可有效降低脑内 Aβ 斑块和 Aβ42/Aβ40 比率。 当益生菌菌株单独使用或与美金刚联合使用时，神经炎症进一步减弱。 这些抗炎作用与血浆凝聚素水平降低有关。一些研究报告了益生菌对 AD 患者认知能力的有益影响，尽管其影响是阶段性的。在 60 名 AD 患者（年龄范围 60-95 岁）中进行的随机、双盲和安慰剂对照试验中使用益生菌制剂（干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌、发酵乳杆菌和双歧杆菌），给药剂量为 2×109 CFU/g，另一半受试者接受安慰剂 12 周。 与评分略有下降的安慰剂组（-5.03% ± 3.00）相比，益生菌治疗的患者在认知 MMSE 评分（+ 27.90% ± 8.07）方面表现出显著改善作用。 有趣的是，益生菌治疗还降低了 C 反应蛋白 (CRP) 的血清浓度，C 反应蛋白 (CRP) 是全身炎症的重要标志物。相比之下，在最近一项使用类似但富含益生菌制剂的研究中（干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌、发酵乳杆菌、乳酸乳杆菌、副干酪乳杆菌、植物乳杆菌、唾液乳杆菌、两歧双歧杆菌和2株乳酸双歧杆菌）在 20 名 AD 患者（年龄范围 60-93 岁）的队列中，乳双歧杆菌和较短（4 周）的治疗， MMSE评分（18.5±7.7）没有显著变化。值得注意的是，益生菌治疗使粪便样本中的普拉斯尼茨酵母菌增加，并改变了免疫激活的血清生物标记物。血清犬尿氨酸浓度随着犬尿氨酸/色氨酸比值的增加而降低，这与炎症标志物新喋呤的血清水平升高相关。作者认为，在这种情况下，益生菌治疗可能与巨噬细胞和/或树突状细胞激活有关。然而，由于样本量有限（n=20名患者），且该研究不是安慰剂对照，因此应谨慎地得出这些结论。此外，在一项随机双盲试验中，对重度AD患者（n=48）服用含有嗜酸乳杆菌、嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、双歧杆菌、乳酸双歧杆菌以及与长双歧杆菌的类似（但不完全相同）益生菌制剂12周后，认知评分（测试记忆力、TYM评分）或血清促炎（TNFα、IL-6）或抗炎（IL-10）细胞因子水平没有明显变化。然而，必须强调的是，除了上述有益或中性效应外，一些研究报告了益生菌治疗的负面效应。
综上所述，尽管在以人类认知能力为指标，以及在动物模型（可以评估认知功能的上游机制）中，都取得了一些有希望的结果，但目前尚不能就益生菌治疗的有益效果达成共识。这可能至少在一定程度上是是研究设计中固有的：i）配方中的益生菌；ii）浓度；iii）治疗期；iv）AD病理分期；v）认知功能基础等。因此，未来的工作需要确保在临床研究中使用标准化的益生菌制剂，以进行更标准的比较，以便就它们的影响得出结论。
图3. 推定的基于微生物群的干预措施的治疗潜力。
AD 与肠道菌群失调有关，其特征是促炎（红色微生物）增加和抗炎（绿色微生物）减少以及微生物代谢物数量改变。 尽管根据地理和种族因素存在明显差异，但大多数研究都报道了 AD 患者中拟杆菌门的增加和厚壁菌门的减少（分别为促炎门和抗炎门）（参见 AD 和肠道菌群失调：与神经炎症和小胶质细胞的联系。 益生元（食物中不可消化的纤维成分）有刺激有益微生物群生长的能力，例如产生 SCFA 的微生物。益生菌是活的微生物（单菌种或多菌种鸡尾酒），如普拉斯尼茨酵母菌，对宿主产生有益影响。益生元是微生物群产生的代谢物，例如SCFA。FMT包括移植健康捐赠者的粪便，以恢复患者微生物群的组成和功能。所有这些方法都可以代表保护性治疗策略，以防止向有害的外周炎症、神经炎症、突触功能障碍和随后的神经退行性变的转变，从而减缓疾病进展。 使用 Biorender.com 创建。
此外，健康饮食是否可以进一步增强益生元的有益作用还有待确定，这些健康饮食包括大量摄入植物性食物、益生菌、抗氧化剂、大豆、坚果和 ω-3 多不饱和脂肪酸，以及低摄入量的饱和脂肪、动物源性蛋白质和精制糖。确实已知此类饮食可以降低认知障碍的风险，并最终降低患 AD 的风险（图 3）。
目前只有少数研究试图通过FMT改变动物模型中的AD病理学。如最近在APP/PS1小鼠（6个月龄）上进行的一项研究表明，年龄匹配的健康WT供体在通过为期3天的抗微生物药物治疗消除内源性微生物群后一个月内给予FMT时，对AD病理学具有有益影响。值得注意的是，FMT恢复了接受治疗的APP/PS1小鼠的肠道失调和粪便SCFA水平，减轻了Aβ40和Aβ42的大脑蓄积、tau蛋白磷酸化、炎症标记物（COX-2和CD11b）。与此一致，当3个月大APP/PS1小鼠使用16个月大的APP/PS1供体粪便进行FMT治疗时，可以看到Aβ斑块聚集的显著加速。虽然小胶质细胞没有变化，但观察到星形胶质细胞形态的改变，减轻了它们的功能损害。当使用 2 个月大的 WT 小鼠作为受体和 9 个月大的 5xFAD 小鼠（即病理的明显阶段）作为粪便供体时，FMT 治疗WT 小鼠表现出认知功能受损，这与小胶质细胞活化增加和促炎（TNFα、IL-1β）细胞因子表达增加有关。本研究进一步加强了 5xFAD 衍生的微生物群在触发认知功能障碍中的作用。
总的来说，现有数据表明，利用微生物群和/或其代谢物作为一种潜在的创新、有吸引力和非侵入性治疗方法，可以恢复AD患者的突触可塑性和相关认知功能，至少间接地通过调节外周和中枢神经系统的先天免疫和适应性免疫反应（图3）。然而，动物研究的大多数可用数据仅与晚期病理阶段有关，未来的研究需要评估发病的早期阶段。此外，与使用益生元和益生元的方法类似，FMT领域也迫切需要标准化。必须标准化的参数包括：i）AD的阶段符合FMT条件的病理学；ii）准备受试者的肠道环境（肠道清洁与抗生素、成分、浓度、持续时间），以优化供者微生物群植入；iii）粪便物质的来源（来自单个或多个供体，新鲜或冷冻，…）；和iv）捐赠者的基因型（例如存在或排除遗传风险因素）。目前缺乏标准化确实可能严重阻碍或减缓该领域的进展。
目前可用的 AD 治疗大多是对症的，提供的益处相对有限。 因此，必须开发创新和早期适用的疗法，希望在主要认知障碍发作之前开始此类治疗可以提高疗效。 由于肠道微生物群的改变可以引起大脑活动的变化，因此操纵肠道微生物组已成为 AD 的潜在治疗靶点。 鼓励使用不同策略调节微生物群的数据（益生元或益生元治疗、FMT 等）似乎有助于改善认知缺陷。最近报道的研究结果支持在此类动物模型的症状前阶段可以检测到微生物群的改变，这表明在 AD 发病机制的早期阶段肠道微生物群的改变也可能是有益的。 因此，在潜伏的症状前阶段对微生物群进行早期修饰可能成为治疗 AD 的有希望的治疗方法。此外，最近出现了一种可能的方案，即刺激迷走神经直接调节微生物群-大脑相互作用以达到治疗目的。迷走神经在大脑和肠道之间直接交流中的作用现已得到广泛认可。耳穴刺激迷走神经是一种非侵入性方法，越来越多地用于治疗特定的神经和神经精神疾病。这种疗法依赖迷走神经的解剖结构，迷走神经有一个共同的颅干和一个来自耳朵的感觉颈支。值得注意的是，迷走神经刺激已经在 AD 患者队列中应用了 6-12 个月，并产生了显著的认知增强效果。未来的研究仍然需要破译潜在的机制，特别是它们是否可能包括微生物群的变化。
总之，肠道微生物群与中枢神经系统之间沿肠-脑轴的间接和直接交流（图 2）为中枢神经系统疾病的非侵入性和廉价治疗提供一定理论依据。 不仅在 AD 中，在其他已报告微生物群失调的神经和精神疾病的背景下，公共卫生政策都可以更广泛地利用上述理论。虽然这种菌群失调表现为促炎菌门和抗炎菌门之间的不平衡，可能涉及不同神经退行性疾病的不同分类群，但与神经退行性疾病相关的菌群失调的结果似乎相似。它们涉及肠道向促炎状态的转变，导致肠道通透性增加，随后引发外周炎症反应，进而影响神经炎症并损害神经元功能。鉴于此，靶向微生物群以间接实现免疫调节，而不是直接针对免疫功能，似乎是一种有吸引力的方案，因为微生物群位于外周炎症/神经炎症的上游。然而，这不应排除同时针对微生物群和免疫系统的组合疗法，可能比单一靶向方法更有效。
Bairamian D, Sha S, Rolhion N, Sokol H, Dorothée G, Lemere CA, Krantic S. Microbiota in neuroinflammation and synaptic dysfunction: a focus on Alzheimer's disease. Mol Neurodegener. 2022 Mar 5;17(1):19. doi: 10.1186/s13024-022-00522-2.
审校/陈 风
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