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阿尔茨海默病难治难医?粪菌移植带来新曙光

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编者按:

《2019年全球卫生估计报告》显示,在过去20年,阿尔茨海默病(AD)和其他形式的痴呆症已经成为全球十大死因之一。截至2019年,我国有超过1千万名AD患者,是全球AD患者数量最多的国家,占世界AD患者总人口的1/4,而且这个数字还在随人口老龄化不断攀升。

近年来,一些临床和实验证据都提示肠道菌群在神经退行性疾病的发生及发展中扮演着重要角色,粪菌移植(FMT)有望成为预防或治疗AD的良方。

阿尔茨海默病与肠道菌群

肠道菌群在调节肠-脑轴方面起着关键作用,这是一个双向通信网络,涉及到中枢神经系统、自主神经系统(交感神经和副交感神经分支)、肠道神经系统和下丘脑-垂体-肾上腺轴[1]。

最近的研究表明,人类肠道菌群具有许多有益功能,例如帮助免疫系统发育、抵抗病原体、合成维生素、产生短链脂肪酸(SCFA)等代谢物、代谢药物、产生营养以及维持肠黏膜屏障的结构完整性[2]。

在人体中已经发现菌群的失调和改变会诱发炎症性肠病、2型糖尿病、代谢综合征、肥胖、结直肠癌、阿尔茨海默病(AD)和许多其它疾病[3]。

AD是一种灾难性的神经系统疾病,截至2020年,它影响了580万65岁及以上的美国人。预计到2060年,这一数字将增加到1400万。随着AD患病率的增加,全球痴呆症的总成本预计将在2030年增加到2.0万亿美元[4]。2017年,AD是第6大最常见死因,在美国造成121,404人死亡,在美国老年人(65岁以上)中更是排名第5位的最常见死因[5]。

AD造成的巨大经济负担及其日益流行,促使研究人员寻找预防或改善疾病的治疗方法。目前有各种肠道菌群调节干预措施,例如调整饮食、益生元、益生菌、合生制剂或粪菌移植(FMT)。

FMT是指将肠道菌群从供体移植到受体,以修复受体的肠道菌群的方法,它已被证明可成功治疗复发性艰难梭菌感染[6]。在这篇综述中,我们总结了FMT的流程及其在治疗各种神经系统疾病,特别是AD中的应用。


菌群失调与AD

在西方国家,超过4000万老年人患有AD,占所有痴呆病例的65%以上。全球人口预期寿命的增加也导致了包括AD在内的与年龄相关的疾病患病率增加[7]。当前,错误折叠的淀粉样蛋白β(Aβ)斑块和高磷酸化tau蛋白沉积形成的神经原纤维缠结(NFT),仍然是AD诊断的主要神经病理学标准[8]。

尽管已知AD最大的风险因素是年龄,但遗传、家族史、生活方式和环境等多种因素都可能会影响AD的发病。越来越多的证据表明,自然存在于体内的微生物与AD的许多标志性特征(包括Aβ斑块和NFT)的发展之间存在联系[9]。

研究表明,肠道菌群在一些大脑进程中起着至关重要的作用,如髓鞘形成、小胶质细胞激活和神经发生,这与行为、情绪和认知调节密切相关[10]。除了衰老、不健康饮食、压力或肥胖之外,能影响肠道菌群组成的其它因素也与AD相关[11]。

例如受损的肠道菌群会改变上皮结肠细胞中紧密连接蛋白(即zonulin和occludin)的表达。由于紧密连接能力的改变,肠道通透性增加。受损的肠道微生物组成还会增加脂多糖、淀粉样蛋白和三甲胺N-氧化物,同时减少有益代谢物,如SCFA和氢的产生[11]。

Toll样受体(TLR)2和TLR4暴露于肠道致病菌后被激活。这导致核因子kappaB(NFkB)激活和促炎细胞因子白细胞介素12(IL-12)的分泌。当IL-12增加时,T-helper(Th)1/Th2免疫反应得到改善,并伴随着肿瘤坏死因子(TNF)、干扰素-γ(IFN-γ)和IL-6(白细胞介素6)[12]水平的升高。结果,水平升高的促炎细胞因子通过渗漏血脑屏障(BBB)进入了中枢神经系统(由于内皮紧密连接被破坏),导致血源性免疫细胞(如巨噬细胞和中性粒细胞)的易位。

此外,由于细胞因子和微生物等炎症介质或细菌产物,小胶质细胞被激活,导致细胞外基质分解,以及星形胶质细胞、周细胞和神经元细胞功能障碍[13]。这种级联反应是Aβ和tau积累的触发因素,会诱导神经变性和AD病理学进展(图1)。

在最近的研究中,Cattaneo等人指出,认知障碍和大脑中的淀粉样蛋白沉积与促炎类群埃希氏菌属/志贺氏菌属的丰度增加和抗炎类群直肠真杆菌的减少有关[14]。

在健康个体中,厚壁菌门和拟杆菌门这两个门约占肠道菌群的90%,余下的由放线菌门、变形菌门、梭杆菌门和疣微菌门组成[15]。Vogt等人检查了AD患者的粪便样本,并将其与对照组(年龄和性别匹配的个体)进行比较。

根据这项研究,AD的微生物组中,厚壁菌门和双歧杆菌属较少,而拟杆菌门较多。此外,他们观察到部分菌属的相对丰度与AD脑脊液生物标志物水平之间的相关性[16]。

根据Bäuerl等人的说法,转基因APP/PS1(Tg)小鼠模型也成功地展示了AD如何改变肠道细菌谱——趋向于变形菌门和韦荣球菌科,这可能诱导疾病进展和恶化[17]。Cox等人证明拟杆菌的定植会促进Aβ沉积,而长期热量限制可能会肠道环境改变,并抑制某些微生物的生长,而这些微生物与年龄相关的认知能力下降有关[18]。


图1:(A)影响生态失调的各种因素,即肠道菌群的改变。(B)各种菌群调控技术。(C)代表生态失调和AD病理之间相互作用的示意图。Aβ:淀粉样蛋白-β;AD:阿尔茨海默病;BBB:血脑屏障;LPS:脂多糖;SCFA:短链脂肪酸;TMAO:三甲胺N-氧化物。

阿尔茨海默病的潜在治疗策略

众所周知,菌群失调与神经退行性疾病的发展密切相关,对肠道菌群的调控也可以在对抗AD中发挥关键作用。由于AD没有明确的治疗方法,因此,当前针对AD的大多数疗法只是延迟认知和记忆的丧失。

最近的几项研究揭示了人体微生物组介导肠-脑轴调节多种神经化学途径的作用[19]。研究表明,植物性饮食,omega-3多不饱和脂肪酸,抗氧化剂和减少膳食饱和脂肪、动物源性蛋白质和精制糖的饮食可以缓解认知能力下降,并降低AD早期发病的风险[20]。基于饮食的治疗干预包括热量限制、富含益生元的饮食、富含益生菌的饮食、补充益生菌和多酚[19]。

四个月后,在AD小鼠中观察到双歧杆菌的增加和弯曲菌目的减少。在服用SLAB51的AD小鼠中,还观察到了肠道菌群的代谢物,如可改善认知功能的SCFA含量的改变[22]。

Ho等人的一项研究报道了肠道菌群在一定程度上会通过增加特定SCFA的产生,来抑制Aβ可溶性聚集体形成,从而预防AD[23]。

在一项研究中,Kobayashi等人表明的摄入降低了海马神经元中的炎症和免疫反应基因的表达。在最近的一项研究中,Abraham等人表明与未服用益生菌的小鼠相比,益生菌足以改善AD小鼠的认知能力[24]。

除了饮食干预和益生菌外,FMT是调节肠道菌群的最有效的治疗选择。这种方法已显示出对各种神经系统疾病,如AD、帕金森病(PD)和多发性硬化症(MS)的改善。


粪便微生物群移植的历史应用

大约1700年前,在把人类粪便称为“黄汤”时,一位名叫葛洪的中国医学家引入了FMT的概念,即口服“汤”药治疗严重腹泻或胃肠炎患者[25]。

出生于德国的科学家ChristianPaullini是第一个以“HeilsameDreck-Apotheke”工作证明了人类排泄物具有治疗潜力的人[26]。

1958年,Eiseman等人在对四个案例进行研究时,首次使用了人类粪便灌肠剂治疗伪膜性结肠炎[27]。

随后,Borody等人对一名难治性溃疡性结肠炎患者进行了“肠道菌群交换”,该患者在治疗后显示出完全和持久的临床恢复[28]。

2013年,vanNood等人注意到,在复发性艰难梭菌感染患者中,与单独使用抗生素相比,加入供体粪便具有更好的疗效[29]。


图2:FMT程序和相关不良事件的示意图。CMV:巨细胞病毒;FMT:粪菌移植;IBD:炎症性肠病。

FMT的流程

FMT的捐赠者可以从亲密伴侣、家庭成员或无关的志愿者中选择(图2)[30]。通常认为具有以下情况的供体不适合招募:三个月内服用过抗生素;正在服用免疫抑制剂或化疗药物;最近感染艾滋病毒或乙型或丙型肝炎;肥胖,患有炎症性肠病(IBD)或肠易激综合征;有潜在感染、胃肠道恶性肿瘤、息肉病、高危性行为和使用非法药物;近期有被监禁史或曾到过流行性腹泻地区[31,32]。

对于具有可接受医疗史的潜在捐赠者,需要通过血液和粪便检查来筛查其是否患有传染病[33]。如今,由于冠状病毒病大流行,有人建议通过鼻咽聚合酶链反应和直肠拭子RNA检测,来确认供体是否有SARS-CoV-2的感染[34]。

潜在捐赠者可以在筛查后的一个月内提供新鲜粪便。收集后的粪便密封于干净的不透明塑料袋中,然后将其放入更大的储存袋中。尽管用于FMT的理想粪便重量尚未标准化,但建议每次治疗使用约50至60克的粪便。

粪便可以在4°C下储存长达8小时,因为在4°C或室温下储存8小时后,细菌存活率会下降。通过手动搅拌或使用搅拌器将粪便溶解在大约150mL的生理盐水中[35]。然后将混合物通过无菌纱布垫或钢过滤器过滤以去除大颗粒物质[36]。此后,将悬浮液吸入60mL导管尖端注射器中。

此外,最终的粪便材料应明确标记并储存在-80°C。在输注当天,应在37°C的温水浴中解冻,并在解冻后4小时内进行灌注[32](图2)。

FMT可以在结肠镜检查时直接施用于结肠(84-93%的有效率)[37],较少情况通过软性乙状结肠镜检查或灌肠[38]。对于有肠梗阻、严重结肠炎或结肠镜检查禁忌症的患者,可以通过鼻肠管、食管胃十二指肠镜检查或胶囊摄入来实施FMT(图2)[38]。

胶囊递送是FMT的最新施用方式,这似乎有利于那些反对通过胃肠道通路,或与结肠镜检查的机构地理位置相距较远的人[39]。

在FMT之前,患者必须做好充分准备工作,以确保体内无残留粪便[35]。如果粪便溶液是通过结肠镜检查给药的,接受者通常会进行肠道准备,以清除预先存在的细菌。当使用鼻胃管输送粪便样本时,可以提前给质子泵抑制剂,以增加移植细菌的存活率(图2)[40]。

粪便微生物群移植的不良反应

总的来说,FMT是一种安全有效的治疗方法,副作用有限。最近的许多大型研究证实,最有可能发生的轻微不良事件主要为腹泻、便秘、腹部不适、腹胀和瞬态低烧等,但会在数天至数周内消退。此外,还有一些罕见的严重副作用,如高烧,IBD病情恶化,感染、败血症,肠道病原体传播,穿孔,出血,巨细胞病毒再激活及肺炎[41],这些与内窥镜检查和镇静有关(图2)。

在一些病例报告中,FMT与某些疾病(如类风湿性关节炎、特发性血小板减少性紫癜和周围神经病变)之间可能存在某种联系[42]。操作者应在手术前告知接受者FMT潜在的不良反应。


FMT修复AD患者肠道菌群

通过FMT恢复肠道菌群组成和调节菌群失调可能是治疗各种神经系统疾病的有效方法,但当前的证据依然有限。

在Zhan等人进行的一项实验中,小鼠首先接受连续14天的广谱抗生素治疗。随后,作者将来自衰老加速小鼠易感型8(SAMP8)或抗衰加速小鼠1(SAMR1)小鼠的粪菌移植到伪无菌(pseudo-germ-free)小鼠中,结果他们观察到,接受了来自SAMR1小鼠的伪无菌小鼠的空间学习和记忆能力得到改善[43],而接受SAMP8小鼠粪菌移植的则没有。

Yu等人分别使用了有和无认知功能恶化的糖尿病小鼠,并将无认知功能障碍小鼠的粪菌移植到伪无菌小鼠的肠道中。他们注意到宿主Morris水迷宫性能指数的显着改善,该影响与宿主肠道微生物的β多样性及相对丰度变化有关[44]。

此外,Dodiya等人证明将粪便菌群从没有使用过抗生素的AD雄性小鼠移植到抗生素处理过的AD雄性小鼠(年龄和性别相匹配)中后,后者重构了肠道细菌,并部分修复了Aβ病理学和小胶质细胞形态。

他们在抗生素治疗过雄性小鼠中,观察到抗炎细胞因子(例如IL-10)的表达相对较高,而促炎细胞因子(包括IL-1B、IL-2、IL-3、IL-17A、LIX(CXC5)、RANTES(CCL5),以及CD30和CD40的表达较低[45]。

Fuji等人通过将来自健康人和AD患者的粪便样本移植到无菌小鼠身上,构建了人源化小鼠模型。他们注意到从AD患者移植的肠道菌群显著地影响了小鼠行为。此外,他们还注意到移植了AD患者菌群的小鼠粪便中与神经系统相关的代谢物,包括γ-氨基丁酸、牛磺酸和缬氨酸的表达量较低[46]。

最近,Sun等人使用APPswe/PS1dE9转基因(Tg)小鼠模型表明,FMT可以减少Aβ的脑沉积,并降低tau蛋白的磷酸化、Aβ40和Aβ42的水平。此外,在Tg小鼠中也观察到认知功能的改善和突触可塑性的增加,进一步证明了FMT是AD的潜在治疗策略[47]。

Hazan在2020年报告了一名82岁的AD患者病例,他从他85岁的妻子那里接受了一次FMT,结果,他的艰难梭菌感染症状在随后的两个月内消退了。此外,经过两个月的FMT,患者的简易精神状态检查(MMSE)评分从20(轻度认知障碍)增加到26(认知功能正常),四个月后得到进一步改善(MMSE评分为29)[48]。

Holsinger等人将野生型供体的粪菌移植给了5XFAD小鼠。7天后,5XFAD小鼠的空间和识别记忆得到改善,淀粉样蛋白病理减少,展示了FMT治疗AD的功效[49]。


FMT与其它神经系统疾病

PD(帕金森症)是一种进行性神经系统疾病,主要影响大脑特定区域(称为黑质)中产生多巴胺的神经元。PD患者可能会出现静止性震颤、运动迟缓、肢体僵硬、步态和平衡问题。

Sun等人使用PD小鼠模型证明肠道菌群失调参与PD发病机制。来自健康小鼠的FMT可改善PD小鼠运动功能,增加其纹状体神经递质,并减少其神经炎症[50]。

Zhou等人的另一项研究注意到接受了来自正常小鼠粪菌的PD小鼠的多巴胺水平增加[51]。

MS(多发性硬化)是一种中枢神经系统脱髓鞘疾病,当免疫系统攻击神经的保护层,就会破坏大脑和身体之间的交流。有研究表明,继发性进展性MS并伴随复发性艰难梭菌感染患者在仅接受FMT治疗后,不仅解决了复发性艰难梭菌感染,还在长达10年的时间内有效阻止了MS的发展[52]。

Li等人使用实验性自身免疫性脑脊髓炎(一种MS小鼠模型)进行了一项研究。他们观察到FMT可以纠正失衡的肠道菌群,并保护BBB、髓鞘和轴突,还可以减少小胶质细胞和星形胶质细胞的活化,从而表明FMT或可作为MS潜在的有效疗法[53]。

结论

健康肠道菌群组成可能会因营养、药物、生活方式、地理位置、压力和饮食习惯而改变。肠道菌群的失衡会影响AD的发生和进展。因此,使用饮食干预、益生菌和FMT调节肠道菌群是当前针对AD、PD和MS等各种神经系统疾病的前瞻性方法。

目前,FMT临床应用的基本原理仍然基于少数病例报告和动物模型。越来越多的证据表明,含有患者所需细菌的胶囊对患者来说是一种更舒适的方式,未来可能会取代FMT。为了全面了解FMT在神经系统疾病中的作用,我们需要进行更大规模的随机双盲试验。

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作者|VarshaNandwana,ShibajeeDebbarma

编译|萌萌依

审校|617

编辑|笑咲