【综述】肠道菌群影响脑淀粉样血管病中淀粉样蛋白沉积的潜在机制探讨

摘要: 脑淀粉样血管病(CAA)是一种以淀粉样蛋白β(Aβ)进行性沉积于皮质､皮质下及软脑膜小动脉为主要病理特点的脑小血管病,在老龄化人群中多见,常以反复脑叶出血､认知障碍为特征性临床表现｡近年来,肠道菌群多样性及其相关产物已被报道可通过神经炎症､破坏血-脑屏障等多种途径参与中枢神经系统疾病的致病过程｡而肠道菌群在CAA中的潜在机制目前并不明晰｡已有研究表明,肠道菌群紊乱可通过诱发颅内Aβ产生和聚集､血-脑屏障渗漏､Aβ转运受体失衡引起血管壁改变,并伴随神经炎症机制,可能一定程度推动了CAA的发生和发展｡作者对肠道菌群影响CAA中淀粉样蛋白沉积的可能机制进行综述,以期为CAA 潜在临床治疗靶点的探索提供理论参考｡

脑淀粉样血管病(cerebral amyloid angiopathy,CAA)作为一种脑小血管病(cerebral small vessel diseases, CSVD),临床上常以反复脑叶出血及认知障碍为主要表现｡目前研究认为,散发性CAA的病理生理机制为淀粉样蛋白β(amyloid β,Aβ)在血管沉积过多或其清除功能受损,确切触发因素尚未明确｡Aβ主要来源于神经元､平滑肌细胞,血-脑屏障转运､血管周围清除及类淋巴引流为Aβ的主要清除途径｡

以“脑-肠轴”为理论基础的研究显示,肠道菌群可通过神经内分泌､炎症免疫､迷走神经等多种途径参与中枢神经系统疾病发生,如阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)､帕金森病､缺血性脑梗死等｡笔者从颅内Aβ产生和聚集､Aβ转运受体失衡､血-脑屏障渗漏及神经炎症等方面对肠道菌群影响CAA中Aβ沉积的可能机制进行综述,以期为早期干预CAA,延缓疾病进展提供理论依据｡

1 CAA病理

CAA以Aβ进行性地沉积于皮质､皮质下及软脑膜小动脉为主要病理特点｡Koemans等于2023年提出了CAA 病程进展的框架和时间表,认为早期CAA会经历Aβ长期缓慢积累并沉积､取代血管平滑肌细胞的过程,此时小血管结构组成虽已变化但尚完整,无缺血或出血等临床表现,仅存在血管反应性改变;其临床出血时期的典型病理表现为血管重塑,即血管壁破碎､广泛平滑肌细胞丢失和相关的星形胶质细胞激活｡此外,血管危险因素如高脂血症､高同型半胱氨酸可加剧Aβ诱导的内皮细胞凋亡､屏障功能障碍｡因此,如何早期减缓Aβ血管沉积及维持血管完整结构成为干预CAA的关键｡

2 肠道菌群与CAA临床表现的潜在相关性

CAA作为一种CSVD,其典型临床表现为急性脑出血和进展性认知功能下降,具有脑血管病与神经变性病的双重特点｡一项前瞻性脑出血预后队列研究结果显示,脑叶出血患者发病后1年新发痴呆的累计发病率高达23.4%(95% CI:14.6% ~ 33.3%),是非脑叶出血患者的2倍多(9.2%;95% CI:5.1% ~ 14.7%),约24.7%的CAA 患者在出血前已存在认知改变｡Aβ沉积导致的血管破裂或闭塞在CAA患者磁共振上可表现为出血性改变(脑微出血､皮质表面含铁血黄素沉积等)和缺血性特征(腔隙､白质高信号､血管周围间隙等)共存｡本部分从认知障碍､脑出血及CSVD影像学改变3方面阐释CAA与肠道菌群的潜在相关性｡ 

2.1 肠道菌群与认知障碍

尽管受环境､饮食､抗生素使用､体力活动等多种因素影响,但人体肠道微生物会在人类成年阶段的相当长时间内保持相对稳定｡随着年龄增长, 机体发生衰老并伴随肠道微生物丰度和多样性改变｡Khedr等纳入25例AD患者和25例年龄､性别匹配的健康对照者的病例对照研究显示, 与健康对照者比较,AD患者的肠杆菌门､拟杆菌门､普雷沃菌门等表达均升高(均P<0.01),而厚壁菌门和放线菌门等的丰度均降低(均P<0.01)｡在同样的纳入排除标准和样本条件下,Vogt等的研究显示,AD患者中差异菌群拟杆菌属(r=0.23,P<0.05)和经黏液真杆菌属(r= 0.57,P<0.05)的相对丰度均与脑脊液p-tau/Aβ42 呈正相关｡Aβ沉积为CAA与AD共同的病理基础,70% ~ 90%的AD患者存在病理证实的CAA,提示CAA中Aβ血管沉积同样也可能受肠道菌群影响｡

2.2 肠道菌群与脑出血

脑出血急性期,脑组织出现局部血肿且水肿周围发生炎症反应,炎症因子聚集,血管通透性增加并加剧出血后脑损伤,同时外周循环中的炎症因子水平也随之升高｡Li 等研究比较了10 例急性高血压脑出血患者与10例高血压非脑出血受试者的肠道微生物,结果显示,与高血压非脑出血受试者比较,高血压脑出血患者肠道菌群多样性降低,且拟杆菌属､经黏液真杆菌属分别与外周血白细胞介素1β(IL-1β)､肿瘤坏死因子α(TNF-α)水平呈负相关(均r<-0. 5,P<0.01)｡在另一项前瞻性队列研究中,Luo等比较了64例脑出血患者和23名健康对照者的粪便微生物,结果显示,共19个菌株的相对丰度组间差异有统计学意义,其中肠球菌在脑出血患者中相对丰度越高,病情越严重, 表现为入院和出院时美国国立卫生研究院卒中量表评分更高(r值分别为0.337､0.394,均P<0.01)､ 血肿体积更大(r=0.289,P<0.01)､重症监护病房住院时间更长(r=0.181,P=0.025)､中性粒细胞与淋巴细胞比值更高(r=0.246,P=0.002);且肠球菌相对丰度越高的脑出血患者住院期间并发肺炎更严重(r= 0.339,P<0.01),出院时和出院后90d改良Rankin量表评分更高(r值分别为0.462､0.432,均P<0.01),提示肠道菌群紊乱与急性脑出血患者的炎症状态､疾病负荷和预后有关,改善肠道菌群或可有助于改善其短期和长期预后｡

2.3 肠道菌群与CSVD影像学改变

肠道菌群变化与CSVD影像学标志物及认知水平密切相关｡Fongang等的研究纳入弗雷明汉心脏研究队列中具有完整的影像学(磁共振平扫和弥散张量成像)､执行功能(采用连线测试评估)数据及粪便标本的972名受试者,分析肠道菌群与CSVD影像标志物和认知的相关性,结果显示,假丁酸弧菌属和瘤胃球菌属丰度的增加与较小的白质高信号体积(r=-0.157,P<0.01)以及更好的执行功能(r=0.082,P<0.01)相关｡Shi等纳入了64例CSVD患者和18名健康对照者进行分析,结果显示,与健康对照者比较,CSVD 患者肠道柯林斯菌属水平显著升高(P=0.039),并与总白质高信号Fazekas负荷评分和脑室周围白质高信号Fazekas评分呈正相关(r值范围为0.2 ~ 0.3,均P<0.05),提示柯林斯菌属的相对丰度可能反映了脑白质病变的严重程度｡Huang等则通过双向孟德尔随机化方法分析肠道微生物群与CSVD的9种神经影像特点的因果关系,结果显示,月形单孢菌目对脑叶微出血具有保护作用(OR=0.557,95% CI:0.370 ~ 0.841,P= 0.005)｡

综上所述,肠道菌群变化与认知水平､脑出血以及CSVD影像学改变有关,其影响CAA的可能机制值得探究｡

3 肠道菌群与CAA病理学损伤的可能机制

CAA血管首先出现Aβ沉积,后续继发血管病理改变,Aβ沉积包括Aβ产生与清除不平衡及血管管壁内源性产生聚集｡Honarpisheh等对不同月龄Tg2576转基因AD 小鼠进行脑组织硫黄素S染色,与同龄同窝的野生型小鼠相比,6月龄小鼠脑实质未见Aβ阳性斑块,而15月龄小鼠新皮质和海马体观察到明显的斑块负荷｡此外,6月龄Tg2576转基因小鼠可见Aβ与肠道血管CD31共定位,提示在颅内出现Aβ斑块前肠道局部血管已有淀粉样斑块形成｡同时该研究对5例AD患者脑组织和2例患者肠道组织标本进行特异性染色,结果显示AD患者肠道中存在Aβ沉积物｡本部分综述肠道菌群对 CAA中Aβ病理机制的潜在影响｡

3.1 肠道菌群与颅内Aβ代谢

3.1.1 肠道菌群对Aβ产生的影响:肠道是Aβ的重要来源之一,Aβ 由淀粉样前体蛋白(amyloidprecursor protein,APP)经β-分泌酶及其他相关酶切割产生｡Jin等利用荧光定量聚合酶链反应技术对不同月龄(3､6､12个月)的APP /早老素1(presenilin 1,PS1)双转基因小鼠肠道和脑组织中的AD相关基因表达进行定量分析,结果显示,各月龄APP / PS1小鼠肠道APP 的信使核糖核酸水平均明显高于脑组织(均P<0.05);且随着月龄增加,小鼠结肠APP和Aβ42含量均增加(均P<0.01)｡ 将12 月龄APP / PS1小鼠粪便移植给3周龄野生型小鼠,1 个月后移植鼠的结肠β-分泌酶和Aβ 表达与同龄同窝的野生型小鼠相比均显著升高(均P< 0.05)｡因此,Aβ在AD小鼠肠道中高表达,并可能通过血-脑屏障或迷走神经等多种途径影响颅内Aβ｡

细菌生物膜基质中存在一类特殊蛋白,如大肠杆菌和沙门菌属表达卷曲素,可抵抗蛋白酶消化并激活固有免疫,增强适应性｡此外,以革兰阴性杆菌为主菌群产生的细胞外淀粉样蛋白和AD中致病的淀粉样蛋白有相似的三级结构,可促进Aβ肽错误折叠､聚集和通过脑-肠轴传播,从而活化小胶质细胞,引发炎症并促进大脑中神经元淀粉样蛋白产生｡Zhan等对24 例AD患者和18 名认知正常同龄对照者的脑组织样本进行比较,结果显示,与对照组比较,AD患者颞上回黑质与额叶白质中的脂多糖和大肠埃希菌K99菌毛蛋白表达水平均更高(均P<0.05),且脂多糖与Aβ1-40/42在AD患者脑血管周围共定位,提示肠道来源的脂多糖和大肠埃希菌K99菌毛蛋白可进入脑组织,进而导致血管损伤､Aβ沉积｡研究表明,不同病理学的外源Aβ种子可诱导Aβ沉积在血管而不是脑实质中,这为肠道来源淀粉样蛋白促进脑血管Aβ沉积提供了依据｡

3.1.2 肠道菌群对Aβ组装和聚集的影响:Aβ产生后存在组装聚集的过程,即APP经β-分泌酶水解产生Aβ肽,单聚体可在疾病状态下聚集成可溶性Aβ寡聚体和纤维状Aβ,其中Aβ寡聚体具有更强的神经毒性｡体外实验表明,特定的肠道菌群代谢产物如短链脂肪酸可以剂量依赖式干扰可溶性神经毒性Aβ聚集体组装｡短链脂肪酸主要包括丁酸､丙酸和乙酸等,由肠道中膳食纤维的厌氧细菌发酵产生,其中丙酸和戊酸可抑制Aβ40寡聚化,戊酸和丁酸可抑制Aβ40单体向Aβ原纤维的转化｡ 此外,大肠埃希菌内毒素也可增强体外Aβ原纤维形成｡肠道微生物还可将膳食中的多酚转化为酚酸,如3-羟基苯甲酸和3-(3-羟基苯基)丙酸,其可进入中枢神经系统,干扰Aβ肽的聚集过程｡

3.1.3 肠道菌群对Aβ清除的影响:由血管内皮细胞､平滑肌细胞､周细胞､星形胶质细胞和小胶质细胞及紧密连接蛋白组成的神经血管单元,对于维持脑血流､血-脑屏障功能及淋巴清除功能具有重要的作用｡Aβ清除途径之一是通过血-脑屏障结构中内皮细胞上的Aβ 结合转运蛋白(如载脂蛋白E和载脂蛋白J)､受体蛋白(如低密度脂蛋白相关受体蛋白1)和转运蛋白(如P-糖蛋白)实现｡脂多糖可影响低密度脂蛋白相关受体蛋白1和P-糖蛋白导致Aβ外周排泄减少,而晚期糖基化终产物转运蛋白向中枢内流的增加,可干扰Aβ 外排与内流平衡｡ 

3.2 肠道菌群对血-脑屏障结构和功能的影响

血-脑屏障的渗漏是CAA相关脑损伤的重要机制,其完整性可以通过检测脑叶中的血浆免疫球蛋白G 和纤维蛋白反映｡Freeze等对 11 例CAA患者不同脑区组织进行免疫组织化学法研究, 结果显示,CAA患者顶枕脑区血管的纤维蛋白和免疫球蛋白G较额颞脑区血管更多(P 值分别为0.005､0.006),且各脑区纤维蛋白和免疫球蛋白G阳性血管数量比例与Aβ阳性血管数量比例呈正相关(分别为ρ=0.71,P=0.015;ρ=0.73,P= 0.011), 说明CAA血-脑屏障改变集中在顶枕叶,与Aβ的主要分布区域相符｡

肠道菌群在血-脑屏障的形成和功能维持中发挥重要作用｡Braniste等于2014年报道,无菌母鼠的胎鼠脑裂解物中膜整合蛋白occludin的表达较无病原体母鼠的胎鼠降低(P<0.05),血-脑屏障紧密连接渗透性增加,提示胎鼠在母鼠子宫内孕育时期其血-脑屏障的形成即受到肠道微生物的影响｡ 且该研究在无菌成年小鼠的血管和脑实质中均检测到埃文斯蓝色示踪剂,而在无病原体成年小鼠中示踪剂仅局限在血管,这表明示踪剂通过血-脑屏障泄漏,成年阶段小鼠血-脑屏障完整性维持同样需要肠道菌群存在｡

研究表明,肠道菌群对血-脑屏障完整性的维持可通过代谢产物短链脂肪酸实现｡一方面,短链脂肪酸通过促进紧密连接的组装增强肠上皮屏障的完整性｡研究表明,与未行丁酸钠干预的无菌小鼠相比,进行丁酸钠(1g/kg)饲养3d后的无菌小鼠的额叶皮质和海马体中闭合蛋白occludin表达均增加(均P<0.05),提示血-脑屏障通透性改善｡ 另一方面,研究显示AD患者脑中核因子κB通路活性增加,其激活可促进多种促炎因子如TNF-α､IL-6等转录,破坏血管内皮细胞间紧密连接,导致血-脑屏障结构受损､渗透性增加｡短链脂肪酸可通过结合G蛋白偶联受体41､G蛋白偶联受体43或抑制组蛋白脱乙酰酶进而下调核因子κB信号通路,发挥抗炎作用,改善血-脑屏障功能｡短链脂肪酸还可激活核因子-E2相关因子2通路以抑制超氧化物歧化酶1上调,以减少活性氧对血-脑屏障的破坏｡ 

3.3 肠道菌群紊乱继发神经炎性改变

利用18F-florbetapir正电子发射体层摄影可对脑组织中Aβ 沉积进行定性诊断,Cattaneo 等纳入了40例认知障碍且Aβ阳性患者(Aβ阳性组)､33例认知障碍但Aβ阴性受试者(Aβ阴性组)分析血清炎症因子与肠道菌群的相关性,结果显示,Aβ阳性组外周血中促炎因子IL-1β､NOD样受体家族核苷酸结合寡聚化结构域样受体3和CXC趋化因子配体2水平较Aβ阴性组均升高(均P<0.01),且均与特定炎症菌株(埃希菌-志贺菌)相关(分别为ρ=0.60,P<0.01;ρ=0.57,P<0.01;ρ= 0.30,P=0.007),提示脑中Aβ沉积伴随着肠道菌群紊乱及炎症反应｡

小胶质细胞是中枢神经系统免疫反应细胞,肠道微生物对小胶质细胞成熟和功能稳态维持意义重大｡Erny等研究显示,在无菌条件下饲养的小鼠,其小胶质细胞表面成熟因子和活化因子表达和调节异常,同时胶质细胞形态发育不成熟,致使免疫反应减弱;通过补充短链脂肪酸混合物,可以逆转上述过程,使未成熟的小胶质细胞表型和免疫功能恢复正常｡

革兰阴性菌外膜的脂多糖具有较强免疫原性, 与小胶质细胞表面Toll样受体2或Toll样受体4和CD14受体结合激活核因子κB通路,炎症微环境下可促进Aβ斑块积累｡Lee等研究显示,用脂多糖处理后的小胶质细胞微管相关蛋白1轻链3较未处理细胞表达下降(P<0.01),表明小胶质细胞吞噬能力受损｡拟杆菌门也可通过抑制小胶质细胞吞噬功能导致Aβ 清除受损和淀粉样斑块的积累｡因此,稳定的肠道菌群对中枢神经系统免疫形成和功能维持有益,而菌群失调可能通过激活神经炎症反应促进Aβ沉积｡

4 肠道菌群在CAA疾病诊疗中的临床应用及展望

探索疾病状态下发生显著变化的肠道微生物可协助疾病的早期诊断｡Xi 等于2021年报道了21例AD患者和44名认知正常人群的粪便微生物和血清代谢,结果显示,2 种差异菌群(粪杆菌属和假单胞菌属)和4 种差异代谢物(N-二十二碳六烯酰γ-氨基丁酸､19-氧代雄甾-4-烯-3,17-二酮､三草磷草苷F和22-灵芝酰巴林根酚C)的组合可用于区分AD患者与健康人,受试者工作特征曲线下面积(area under curve,AUC)高达0.955｡同时,在CSVD患者中肠道菌群的改变亦得到类似应用效果｡Cai等纳入55 例动脉粥样硬化性CSVD患者和62名年龄匹配的健康对照者进行微生物组学和影像学研究,结果显示,将组间差异有统计学意义的15种菌群加入仅包含流行病学参数(即年龄､体质量指数､吸烟､高血压病和糖尿病)预测中重度CSVD(CSVD影像评分为2 ~ 4 分)的模型中,AUC可由0.713提升至0.880｡CAA作为一种CSVD, 病理学与AD类似,肠道微生物改变或可协助CAA的早期诊断和识别｡

通过干预肠道菌群治疗CAA可能是一种合理且可行的策略｡在日常饮食方面,遵循地中海饮食模式和补充益生元､益生菌等,可在一定程度上调节有益菌及产短链脂肪酸菌含量,进而改善AD患者认知状况和减少脑中Aβ沉积｡此外,粪便菌移植作为一种重塑肠道菌群稳态的方法,已在动物实验中显示出良好的疗效｡Elangovan等对老龄(30 ~ 32周龄)5xFAD转基因小鼠进行健康年轻野生型小鼠(10 ~ 12周龄)粪便的移植实验,结果显示,受体小鼠的识别记忆､焦虑情绪改善,且受体小鼠脑中Aβ斑块的数量与同龄未接受移植的转基因小鼠相比显著减少(P=0.045),后者约是前者的2.5倍｡但该项技术在临床应用中的有效性和安全性仍在探索中｡

目前关于CAA疾病中肠道菌群变化的临床探究仍不足,但肠道菌群及其代谢产物可通过影响Aβ产生和聚集､血管壁结构完整性以及继发神经炎症等机制影响脑组织Aβ沉积,干预肠道菌群可能成为潜在的CAA治疗靶点｡