BRAIN 综述︱肠道菌群在帕金森病中的作用：机制研究和治疗选择
撰文︱罗玉淇，王 青
责编︱王思珍
制版︱查佳雪
帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是一种常见的神经退行性疾病，主要表现为中脑黑质和纹状体多巴胺能神经元的丢失和α-突触核蛋白（α-synuclein，α-syn）的异常积聚。PD的主要运动症状包括震颤、僵硬、运动迟缓和姿势不稳[1, 2]。此外，PD还表现出许多非运动症状，比如感觉异常、行为改变、睡眠障碍、胃肠道和自主神经功能障碍等，这些非运动症状可能出现在运动症状之前。非运动症状在PD的临床表现中占主导地位，严重影响患者的生活质量[3]。研究报道，肠道微生物可能通过不同途径（包括代谢产物、激素、免疫系统和传入神经）向中枢神经系统和肠神经系统发送信号。肠神经系统通过“微生物-肠-脑轴”与中枢神经系统进行双向沟通，参与疾病的发生、进展。同时，肠道微生物的作用机制也为PD的治疗提供了新思路，有关地中海饮食、益生菌和粪便微生物移植技术的研究体现出了巨大的应用潜力。
2021年10月22日，南方医科大学珠江医院神经内科王青课题组在BRAIN上发表了题为“The role of gut dysbiosis in Parkinson's disease: mechanistic insights and therapeutic options”的医学综述。罗玉淇为论文共同第一作者，王青教授为论文通讯作者。此文章综述了肠道菌群与帕金森病之间的联系及其潜在机制。首先，作者总结了帕金森病患者的肠道菌群特征及其可能作为帕金森病的早期生物标志物。其次，作者阐明了胃肠道微生物及其代谢产物可能通过调节神经炎症、肠道屏障功能、神经因子等影响疾病进展。最后，针对“微生物-肠-脑轴”提出了一系列潜在的治疗策略，包括饮食调节、益生菌的使用及粪菌移植。（拓展阅读：王青课题组最新进展，详见“逻辑神经科学”报道：Neurobiol Dis 综述︱脑小血管疾病中神经血管单元对微循环和认知功能的调节作用）
一、帕金森病患者中胃肠道菌群的组成和变化特点
微生物是指存在于特定环境（如胃肠道）中的微生物（细菌、古细菌或低等真核生物）的集合[4]。人类胃肠道含有丰富多样的微生物群落，聚集了超过100万亿的微生物。肠道菌群失调是指肠道菌群结构和/或功能结构的改变，导致肠道内稳态的破坏，从而导致一系列的机体变化[5]。近年来，许多研究探究了PD患者与正常健康人相比的肠道菌群组成。大部分一致的发现有普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）、毛螺菌科（Lachnospraceae）的减少，疣微菌科（Verrucomicrobiaceae）（包含阿克曼菌属（Akkermansia））、乳杆菌科（Lactobacillaceae）的增加[6-11]。Prevotellacea是一种共生的粘蛋白降解细菌，参与肠道粘膜层粘液的形成和通过纤维发酵产生具有神经活性的短链脂肪酸，所以Prevotellacea的减少可能导致肠道粘液减少和肠道通透性增加，从而对细菌抗原和内毒素的影响产生局部和全身敏感性[12]，另外Prevotellacea对PD的神经退行性变过程起到保护作用[13]。大多数临床研究方法都是选取肠道粪便的样本和基于16s rRNA的测序来评估胃肠道微生物的结构。另外，研究的对照组多为健康人，少数为PD的配偶，研究结果可能受不同地区、年龄、饮食、研究方法等不尽相同。除了肠道微生物的变化，还有研究发现PD患者的鼻腔部微生物数量差异不大，但鼻腔微生物群在不同个体上表现出较高的变异性[14]。
许多研究发现肠道菌群与PD临床症状（包括运动和非运动症状）、分期等之间存在着联系。表明单纯的微生物群与PD诊断的关联已经扩展到与运动症状的实际关联。作者总结了近年来肠道菌群与PD临床相关性的相关研究（表1）。可以发现肠道菌群与PD的持续时间、发病早晚、运功和非运动症状有着明显联系。另外，不同运动表型间的肠道菌群也存在差异。综上所述，胃肠道微生物在PD的发生发展中发挥着重要作用，可能预示着疾病早发、症状的恶化、疾病持续时间延长等。然而大多数研究都是横断面研究，入选的人群和研究方法存在差异，缺乏PD特异性肠道菌群组成和PD的进展演变与肠道菌群的关系分析。未来研究的关键在于不同时期的PD与肠道菌群的变化大型队列研究。
表1 肠道微生物与帕金森病临床相关性研究
（表源：Wang Q et al., Brain, 2021）
二、微生物-肠-脑轴在介导PD 病变中的作用
1、微生物-肠-脑轴的组成
微生物-肠-脑（microbiota-gut-brain axis）轴包括几个神经系统的组成部分，如中枢神经系统、大脑和脊髓、自主神经系统（autonomic nervous system, ANS）、肠神经系统（enteric nervous system，ENS）和下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴[15]。自主神经系统可以接收来自胃肠道的传入信号，并通过脊髓和迷走神经通路传输到中枢神经系统，还可以从中枢神经系统传出信号到ENS和肠壁[16]。CNS通过ANS的交感支和副交感支以及HPA轴调节胃肠道和ENS，可以通过改变肠道环境和通过大量的信号分子间接影响肠道菌群（图1）。
图1 帕金森病微生物-肠道-脑轴的示意图概述
（图源：Wang Q et al., Brain, 2021）
2、免疫与炎症的参与
胃肠道为微生物提供生长和作用的场所。由单层肠上皮细胞（intestinal epithelial cells）组成的胃肠道的粘膜，提供物理屏障和化学屏障来保护肠粘膜和外周器官免受共生微生物或病原微生物的侵袭。许多研究发现在PD患者和动物模型的结肠组织中存在着炎症反应，包括促炎细胞因子和趋化因子的升高，例如TNF-α（tumor necrosis factor-α）、IL-1β（Interleukin-1β）、IL-17（Interleukin-17）、干扰素γ（Interferon,IFN-γ）、IL-6（Interleukin-6），以及肠胶质细胞反应性增生和炎性细胞活化[17-20]。Schwiertz等人[21]发现PD患者的肠道炎症标志物钙化保护素以及肠屏障功能障碍的标志物，α1-抗胰蛋白酶和zonulin显著升高，证明了肠道炎症是帕金森病发病的促成因素的假说。所以，肠道微生物群可能通过肠道炎症来影响PD的发病，促炎性的肠道微生物群环境可能是PD发病机制的触发因素。TLR是模式识别受体中的一种，TLR识别微生物起源的分子，称为微生物相关分子模式。PD患者的肠道组织活检研究[18]中发现，在结肠组织固有层的TLR4免疫反应增强，细胞因子和趋化因子增加和CD3阳性T细胞数量增多，同时乙状结肠粘膜样本的微阵列分析显示TLR4 mRNA的表达明显高于对照组。而TLR4基因敲除可以显著减轻鱼藤酮对肠屏障完整性、肌间神经丛胶质纤维酸性蛋白表达、结肠α-syn、黑质小胶质细胞活化以及多巴胺能细胞丢失和运动功能损害的影响[18]。表明微生物可能通过TLR4信号通路触发结肠黏膜免疫激活，导致PD的神经炎症和神经变性。
研究观察到PD患者的肠道中有α-突触核蛋白病变，为PD的发病机制和病理起源提供了新方向[22]。根据Braak学说[23]，环境因素可能在两个部位开始一个病理过程，在嗅球和肠神经丛内，由于吞咽鼻腔分泌物引起炎症和氧化应激，从而引发α-突触核蛋白向CNS的积聚。目前，动物实验可以观察到α-syn病变可以沿着肠-脑轴从肠道扩散到大脑，表现为在胃肠道肠壁中注射α-syn可以观察到CNS的病变[24-27]。最近，在非人类灵长类动物模型中发现PD患者来源的α-syn聚集体能够在肠道或纹状体注射后诱导黑质纹状体损伤和ENS病理，表明α-syn不仅可能从肠道传播到大脑，也从大脑传播到肠道[28]。
图2 帕金森病中微生物-肠道-脑轴的潜在炎症机制
（图源：Wang Q et al., Brain, 2021）
3、微生物代谢物的参与
肠道短链脂肪酸（SCFAs）是肠道细菌发酵食物中产生的分子。微生物代谢物通过“微生物-肠-脑轴”介导PD病变（图2）。在PD的肠-脑轴中，SCFA的具体作用机制仍未明。大多数临床研究发现帕金森病患者的粪便微生物群组成显示SCFAs的生成或其产生菌的减少[9, 12, 18]。同样地，最近一项微生物全组学关联研究发现帕金森病患者的肠道微生物中，机会致病菌的多菌群过多，产生单链脂肪酸的细菌水平降低，和/或碳水化合物代谢物水平升高，这为PD的肠道病理起源提供了线索[29]。SCFAs的减少可能会促进肠道炎症，增加α-突触核蛋白在胃肠道沉积的风险[30]。但也有研究发现在MPTP诱导的急性和亚急性PD小鼠模型中，粪便样本中的丁酸与对照组相比增加[31, 32]。SCFAs在调节多巴胺神经元丢失、中枢神经炎症反应、小胶质细胞功能、神经营养因子的产生方面有着关键作用。丁酸钠可以逆转PD小鼠脑内凋亡相关蛋白的变化，最终减少神经元凋亡[33]。在6-OHDA大鼠模型中，丁酸钠可以减少氧化应激，降低纹状体促炎细胞因子TNF-α水平，提高纹状体神经营养因子和H3组蛋白乙酰化，改善多巴胺水平下降和防止神经元丢失和神经元固缩[34]。
三、微生物-肠-脑轴介导的疾病干预
1、饮食
随着饮食的改变，微生物丰度和发酵产物（如短链脂肪酸和植物化学物质）的生产会发生明显的变化[35]。饮食还可以影响肠道菌群的组成，通过肠脑轴影响中枢神经系统的神经活动[36]。其中地中海饮食（mediterranean diet）模式为人们所熟知，它是一种健康的饮食模式，特点是大量的植物性食物，如水果、蔬菜、谷类、豆类、坚果、面包，低中量乳制品，以橄榄油为脂肪的主要来源，低中量的鱼和肉，低量红肉，多用香料代替盐[37]。一项病例对照研究[38]表明，地中海型饮食依从性越高，PD发生的几率越低（p=0.010），地中海型饮食评分越低，PD发病年龄越早（p=0.010），但无法说明低地中海饮食依从性是PD状态的结果还是其原因。队列研究[39]JL32发现坚持地中海饮食与前驱PD的低发病率显著相关（p<0.001），地中海饮食评分每增加一个单位，前驱PD的患病概率降低2 %（p<0.001），表明地中海饮食模式对PD的益处。
2、益生菌
益生菌已经被证明在刺激肠道动力和减少胃肠功能障碍方面是有效的[40]。益生菌具有产生潜在抗氧化剂和生物活性分子的能力，因此能够减少自由基和氧化应激，益生菌可能通过增加肠道中SCFAs的产生来改善C反应蛋白和氧化应激[41]。益生菌可以通过增强肠上皮的功能以阻断病原体、影响免疫炎症、产生代谢物以发挥作用等途径对宿主的健康状况有重要影响[42]。益生菌可能是通过改变PD相关微生物组成，改善胃肠道功能，从而减少肠道渗漏、细菌易位和相关的神经炎症的有力工具[43]。
3、粪菌移植
粪菌移植（faecal microbiota transplantation，FMT）也称为粪便微生物移植或粪便细菌学治疗，是将来自健康供体的液体滤液粪便注入或植入受者的肠道以治疗特定疾病[44]。FMT可以重建肠道菌群，改变肠道微生物多样性，全面、广泛地恢复肠道异常菌群。FMT对肠道微生物的调控可能通过肠道微生物经免疫、内分泌、代谢和神经途径影响神经系统疾病的症状或进展[45]。最近一项个案报道[46]发现一名阿尔兹海默症患者进行FMT后2个月就出现了阿尔兹海默症症状的改善，并持续到6个月的随访，并没有症状的逆转。从动物实验上看，Sampson等人[47]发现PD患者的微生物群定殖α-syn高表达小鼠可增加其运动功能障碍，此外，这些小鼠表现出SCFA谱的改变，乙酸盐浓度较低，丙酸盐和丁酸盐浓度较高，提示微生物群的改变是PD的一个必要危险因素。Zhou等人[31]发现将接受FMT治疗的正常小鼠的粪便微生物移植到抗生素预处理的PD小鼠体内，可提高受体PD小鼠的多巴胺水平，提示肠道微生物区系参与了FMT对PD的神经保护作用。以上研究说明FMT在改善肠道微生物方面有着一定的作用，但动物模型有局限性，动物实验的结果能否外推到人类身上还不得而知。有关FMT在PD患者中的应用证据有限。另一项研究[48]报导了一例PD合并便秘患者，在一次FMT后明显缓解，该患者FMT治疗后1周，腿部震颤几乎消失。虽然FMT后2个月右下肢静息性震颤复发，但其严重程度较FMT治疗前有所下降。对于神经系统疾病，可能需要多次FMT才能获得持续的疗效。
图3 帕金森病中微生物-肠道-脑轴的潜在炎症机制
（图源：Wang Q et al., Brain, 2021）
病例对照研究表明，与健康人相比，帕金森氏病患者的肠道微生物区系组成发生了变化，并表明微生物区系的变化与疾病进展之间存在联系。连接外周神经系统和中枢神经系统的微生物区系-肠道-脑轴为帕金森氏病的发病机制提供了一条途径，但确切的机制仍有待阐明。肠道微生物区系及其代谢产物可以调节免疫系统，调节局部和全身炎症，调节上皮屏障功能和神经营养因子。需要更多的研究来研究帕金森病不同阶段的微生物区系组成特征，目的是发现新的生物标志物，用于早期诊断和监测疾病进展。益生菌和FMT等微生物疗法可以缓解帕金森病的胃肠道症状，甚至运动症状；然而，FMT的安全性和有效性需要在临床试验中进一步评估。
原文链接：https://academic.oup.com/brain/article/144/9/2571/6226389?login=true
通讯作者：王青
（图源：珠江医院王青团队）
通讯作者简介（上下滑动阅读）
王青，教授、博导，原中山大学“百人计划”引进人才，现任南方医科大学珠江医院神经内科主任。National University of Singapore （Ph.D.），Singapore神经内科注册医生，Stanford University（博士后，PI），Australia NHMRC Fellow（PI）, 美国神经科学会会员，亚太神经化学学会委员；首届中国医师协会“十大杰出神经内科青年医师奖”，国家自然科学基金委审稿评委，中华医学会帕金森及运动障碍委员；Frontiers in Aging Neuroscience（5.7)副主编，Aging and Disease（6.75）、Experimental Neurology (5.3）杂志编委，Journal of Neuroscience等国际知名杂志特邀审稿专家。承担了973、重大研发计划子课题、国家自然科学基金等40余项，发表SCI论著70余篇，以最后通讯作者发表 5篇> 10分，37篇 > 5分，他引用2800+次，H-index 28。
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参考文献（上下滑动阅读）
1. Obeso, J.A., et al., Past, present, and future of Parkinson's disease: A special essay on the 200th Anniversary of the Shaking Palsy. Mov Disord, 2017. 32(9): p. 1264-1310.
2. Gao, X., et al., Multimodal analysis of gene expression from postmortem brains and blood identifies synaptic vesicle trafficking genes to be associated with Parkinson's disease. Brief Bioinform, 2020.
3. Zhu, S., et al., The Pathogenesis and Treatment of Cardiovascular Autonomic Dysfunction in Parkinson's Disease: What We Know and Where to Go. Aging Dis, 2021. 12(7): p. 1675-1692.
4. Quigley, E.M., Basic Definitions and Concepts: Organization of the Gut Microbiome. Gastroenterol Clin North Am, 2017. 46(1): p. 1-8.
5. Dutta, S.K., et al., Parkinson's Disease: The Emerging Role of Gut Dysbiosis, Antibiotics, Probiotics, and Fecal Microbiota Transplantation. J Neurogastroenterol Motil, 2019. 25(3): p. 363-376.
6. Scheperjans, F., et al., Gut microbiota are related to Parkinson's disease and clinical phenotype. Mov Disord, 2015. 30(3): p. 350-8.
7. Bedarf, J.R., et al., Functional implications of microbial and viral gut metagenome changes in early stage L-DOPA-naive Parkinson's disease patients. Genome Med, 2017. 9(1): p. 39.
8. Aho, V.T.E., et al., Gut microbiota in Parkinson's disease: Temporal stability and relations to disease progression. EBioMedicine, 2019. 44: p. 691-707.
9. Unger, M.M., et al., Short chain fatty acids and gut microbiota differ between patients with Parkinson's disease and age-matched controls. Parkinsonism Relat Disord, 2016. 32: p. 66-72.
10. Barichella, M., et al., Unraveling gut microbiota in Parkinson's disease and atypical parkinsonism. Mov Disord, 2019. 34(3): p. 396-405.
11. Keshavarzian, A., et al., Colonic bacterial composition in Parkinson's disease. Mov Disord, 2015. 30(10): p. 1351-60.
12. Li, F., et al., Alteration of the fecal microbiota in North-Eastern Han Chinese population with sporadic Parkinson's disease. Neurosci Lett, 2019. 707: p. 134297.
13. Lin, C.H., et al., Altered gut microbiota and inflammatory cytokine responses in patients with Parkinson's disease. J Neuroinflammation, 2019. 16(1): p. 129.
14. Heintz-Buschart, A., et al., The nasal and gut microbiome in Parkinson's disease and idiopathic rapid eye movement sleep behavior disorder. Mov Disord, 2018. 33(1): p. 88-98.
15. Yang, D., et al., The Role of the Gut Microbiota in the Pathogenesis of Parkinson's Disease. Front Neurol, 2019. 10: p. 1155.
16. Gibbons, C.H., Basics of autonomic nervous system function. Handb Clin Neurol, 2019. 160: p. 407-418.
17. Pellegrini, C., et al., Alteration of colonic excitatory tachykininergic motility and enteric inflammation following dopaminergic nigrostriatal neurodegeneration. J Neuroinflammation, 2016. 13(1): p. 146.
18. Perez-Pardo, P., et al., Role of TLR4 in the gut-brain axis in Parkinson's disease: a translational study from men to mice. Gut, 2019. 68(5): p. 829-843.
19. Devos, D., et al., Colonic inflammation in Parkinson's disease. Neurobiol Dis, 2013. 50: p. 42-8.
20. Que, R., et al., Dl-3-n-Butylphthalide Rescues Dopaminergic Neurons in Parkinson’s Disease Models by Inhibiting the NLRP3 Inflammasome and Ameliorating Mitochondrial Impairment. Frontiers in Immunology, 2021. 12.
21. Schwiertz, A., et al., Fecal markers of intestinal inflammation and intestinal permeability are elevated in Parkinson's disease. Parkinsonism & Related Disorders, 2018. 50: p. 104-107.
22. Pouclet, H., et al., A comparison between rectal and colonic biopsies to detect Lewy pathology in Parkinson's disease. Neurobiol Dis, 2012. 45(1): p. 305-9.
23. Braak, H., et al., Idiopathic Parkinson's disease: possible routes by which vulnerable neuronal types may be subject to neuroinvasion by an unknown pathogen. J Neural Transm (Vienna), 2003. 110(5): p. 517-36.
24. Challis, C., et al., Gut-seeded alpha-synuclein fibrils promote gut dysfunction and brain pathology specifically in aged mice. Nat Neurosci, 2020. 23(3): p. 327-336.
25. Uemura, N., et al., Inoculation of alpha-synuclein preformed fibrils into the mouse gastrointestinal tract induces Lewy body-like aggregates in the brainstem via the vagus nerve. Mol Neurodegener, 2018. 13(1): p. 21.
26. Van Den Berge, N., et al., Evidence for bidirectional and trans-synaptic parasympathetic and sympathetic propagation of alpha-synuclein in rats. Acta neuropathologica, 2019. 138(4): p. 535-550.
27. Kim, S., et al., Transneuronal Propagation of Pathologic alpha-Synuclein from the Gut to the Brain Models Parkinson's Disease. Neuron, 2019. 103(4): p. 627-641 e7.
28. Arotcarena, M.L., et al., Bidirectional gut-to-brain and brain-to-gut propagation of synucleinopathy in non-human primates. Brain, 2020. 143(5): p. 1462-1475.
29. Wallen, Z.D., et al., Characterizing dysbiosis of gut microbiome in PD: evidence for overabundance of opportunistic pathogens. NPJ Parkinsons Dis, 2020. 6: p. 11.
30. Li, W., et al., Structural changes of gut microbiota in Parkinson's disease and its correlation with clinical features. Sci China Life Sci, 2017. 60(11): p. 1223-1233.
31. Zhou, Z.L., et al., Neuroprotection of Fasting Mimicking Diet on MPTP-Induced Parkinson's Disease Mice via Gut Microbiota and Metabolites. Neurotherapeutics, 2019. 16(3): p. 741-760.
32. Sun, M.-F., et al., Neuroprotective effects of fecal microbiota transplantation on MPTP-induced Parkinson's disease mice: Gut microbiota, glial reaction and TLR4/TNF-α signaling pathway. Brain, behavior, and immunity, 2018. 70: p. 48-60.
33. Liu, J., et al., Sodium butyrate exerts protective effect against Parkinson's disease in mice via stimulation of glucagon like peptide-1. J Neurol Sci, 2017. 381: p. 176-181.
34. Sharma, S., R. Taliyan, and S. Singh, Beneficial effects of sodium butyrate in 6-OHDA induced neurotoxicity and behavioral abnormalities: Modulation of histone deacetylase activity. Behav Brain Res, 2015. 291: p. 306-314.
35. Wilson, A.S., et al., Diet and the Human Gut Microbiome: An International Review. Dig Dis Sci, 2020. 65(3): p. 723-740.
36. Liu, X., S. Cao, and X. Zhang, Modulation of Gut Microbiota-Brain Axis by Probiotics, Prebiotics, and Diet. J Agric Food Chem, 2015. 63(36): p. 7885-95.
37. Mazzocchi, A., et al., The Secrets of the Mediterranean Diet. Does [Only] Olive Oil Matter? Nutrients, 2019. 11(12).
38. Alcalay, R.N., et al., The association between Mediterranean diet adherence and Parkinson's disease. Mov Disord, 2012. 27(6): p. 771-4.
39. Maraki, M.I., et al., Mediterranean diet adherence is related to reduced probability of prodromal Parkinson's disease. Mov Disord, 2019. 34(1): p. 48-57.
40. Perez-Pardo, P., et al., The gut-brain axis in Parkinson's disease: Possibilities for food-based therapies. Eur J Pharmacol, 2017. 817: p. 86-95.
41. Tamtaji, O.R., et al., Clinical and metabolic response to probiotic administration in people with Parkinson's disease: A randomized, double-blind, placebo-controlled trial. Clin Nutr, 2019. 38(3): p. 1031-1035.
42. Markowiak, P. and K. Slizewska, Effects of Probiotics, Prebiotics, and Synbiotics on Human Health. Nutrients, 2017. 9(9).
43. Gazerani, P., Probiotics for Parkinson's Disease. Int J Mol Sci, 2019. 20(17).
44. Choi, H.H. and Y.-S. Cho, Fecal Microbiota Transplantation: Current Applications, Effectiveness, and Future Perspectives. Clinical endoscopy, 2016. 49(3): p. 257-265.
45. Vendrik, K.E.W., et al., Fecal Microbiota Transplantation in Neurological Disorders. Frontiers in cellular and infection microbiology, 2020. 10: p. 98.
46. Hazan, S., Rapid improvement in Alzheimer's disease symptoms following fecal microbiota transplantation: a case report. J Int Med Res, 2020. 48(6): p. 300060520925930.
47. Sampson, T.R., et al., Gut Microbiota Regulate Motor Deficits and Neuroinflammation in a Model of Parkinson's Disease. Cell, 2016. 167(6): p. 1469-1480 e12.
48. Huang, H., et al., Fecal microbiota transplantation to treat Parkinson's disease with constipation: A case report. Medicine, 2019. 98(26): p. e16163.
本文完