馬微波 劉悅文 于瑩 郭琪

認知功能障礙是僅次于腦血管病的最常見的神經疾病，以記憶力、注意力、語言能力和執(zhí)行能力等某項或多項功能受損為主要表現(xiàn)，可分為輕度認知功能障礙和癡呆兩個階段[1]。調查顯示，全球約有5000萬老年癡呆病人，其中中國的患病人數(shù)排全球第一，治療的總費用排全球第三，僅次于美國和日本[2-3]。因而，對認知障礙的危險因素做到早發(fā)現(xiàn)、早干預、早治療是一件迫在眉睫的任務。現(xiàn)高脂肪、高糖飲食與認知功能障礙間的聯(lián)系已被證實，但這其中的機制還不是很明確。有研究表明，腸道菌群失調可能在高熱量飲食與認知功能障礙的因果關系中起中介作用[4]，腦和腸道通過神經、免疫、內分泌等多種調節(jié)機制的雙向聯(lián)結通路構成了腦-腸軸，而腸道菌群失調可通過腦-腸途徑影響大腦的可塑性和認知功能，但確切的機制尚未闡明。本文總結了目前的證據(jù)，將飲食和腸道菌群對認知功能的影響及可能機制進行了介紹和討論，并對腸道菌群在認知領域的應用進行了展望，以期為認知障礙的治療策略建立理論基礎。

1 概述

1.1 認知功能障礙的病理特征 認知功能受損的典型病理改變?yōu)榇竽X皮質海馬等部位廣泛出現(xiàn)老年斑、神經原纖維纏結及突觸和神經元的缺失。β-淀粉樣蛋白(β-amyloid protein，Aβ)作為老年斑的中心，主要由Aβ1-42組成。而增多的Aβ1-42 可以激活小膠質細胞，引發(fā)炎性反應，同時又能促進Tau蛋白異常磷酸化[5]。大量異常的Tau蛋白聚集可以形成雙股螺旋細絲，也就是形成神經原纖維纏結最主要的成分，因其具有神經毒性而損害神經元突觸傳遞，最終導致神經元死亡[6]。因此，Aβ在大腦皮質層的異常沉積是認知功能障礙發(fā)生的關鍵因素之一。

1.2 腸道菌群 健康成人體內的細菌主要是厚壁菌門和擬桿菌門，占到細菌總數(shù)的80%～90%。腸道菌群代謝產物主要是短鏈脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)，可促進腸道黏液的生成，保護腸道黏膜屏障，同時還具有抗炎功能[7]。因此，腸道菌群在維持宿主腸道防御和免疫耐受方面發(fā)揮著關鍵作用。此外，腸道菌群還可通過分泌信號分子、激活迷走神經和調節(jié)免疫系統(tǒng)來影響大腦的活動，因而一旦菌群失調，便會破壞腦-腸軸系統(tǒng)的穩(wěn)定，成為免疫系統(tǒng)及神經系統(tǒng)疾病發(fā)生的關鍵因素。

2 腸道菌群與飲食的相關性

2.1 飲食對腸道菌群的影響 飲食種類和營養(yǎng)成分的多樣性，特別是長期飲食習慣，是塑造腸道菌群的多樣性和整體微生物群落至關重要的環(huán)節(jié)，而不合理的營養(yǎng)和飲食攝入可破壞微生物的多樣性。如高脂、高糖飲食可能促進腸道微生物群的生態(tài)失調，從而促進全身性炎癥。

Mariat等[8]及Fava等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，長期高脂肪飲食會增加厚壁菌門與擬桿菌門的比例，且會使變形菌門的革蘭陰性菌的數(shù)量增加。革蘭陰性菌的外膜由脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)組成，其為人類先天免疫受體Toll樣受體4(toll-like receptor 4,TLR4)的配體，一旦被TLR4識別便會導致促炎細胞因子分泌水平增加。此外，有研究進一步發(fā)現(xiàn)，短期食用完全由動物產品組成的飲食會迅速改變腸道微生物基因的表達。David等[10]的小鼠實驗表明，以動物為基礎的飲食除了會導致腸道中耐膽汁微生物群的增加和厚壁菌門數(shù)量的減少，還會因攝取較多的飽和脂肪分泌膽汁酸來刺激亞硫酸鹽還原菌的過多生長，且編碼亞硫酸鹽還原酶的微生物DNA和RNA的豐度也顯著增加。這些研究說明,高熱量飲食明顯改變了腸道中微生物賴以生存的環(huán)境，影響正常菌群的代謝及生長繁殖，從而出現(xiàn)菌群失調。

2.2 腸道菌群參與糖、脂的代謝 微生物和宿主代謝之間的關系是雙向的，腸道菌群具有調節(jié)膳食脂肪組成、消化和吸收的能力，能改變腸道脂蛋白的形成。而一旦腸道菌群失調導致慢性低水平炎癥狀態(tài)，便會影響脂肪的代謝。Backhed等[11]報道了傳統(tǒng)飼養(yǎng)小鼠的體脂肪量比無菌(germ-free，GF)小鼠高40%，GF小鼠與經抗生素處理的小鼠的脂蛋白水平也存在明顯差異。另有研究發(fā)現(xiàn)，高脂食物喂養(yǎng)的GF小鼠會發(fā)生脂肪吸收的抵抗現(xiàn)象，而傳統(tǒng)飼養(yǎng)組小鼠則表現(xiàn)出更高的脂質吸收[12-13]。

血糖、胰島素和胰島素抵抗(IR)是由腸道菌群中共生體組成的改變引起的，這一概念已經得到了廣泛的關注。Anhe等[14]發(fā)現(xiàn)，在小鼠體內的庫氏假單胞菌可促進胰島素抵抗，加重葡萄糖耐受不良，增加循環(huán)支鏈氨基酸(branched chain amino acid，BCAA)水平，腸球菌水平也與BCAA和血糖控制有關，且含LPS的革蘭陰性細菌似乎對糖代謝異常等疾病提供了關鍵的配體。此外，另有研究證實糞便菌群中變形桿菌的數(shù)量高，與較高的餐后血糖反應和胰島素敏感性受損有關[15]?？傊?，對飲食和菌群關系的探討與挖掘有利于為神經或消化系統(tǒng)的藥物治療及飲食方案的改變提供新的思路。

3 腸道菌群失調與認知功能障礙

3.1 腸道菌群影響認知功能的機制

3.1.1 炎癥刺激：長期服用高脂飲食會使神經炎癥標記物的水平升高而影響到認知功能，這已成為動物研究及臨床報告的一種共識。同時，高脂飲食還會通過改變部分腸道菌群水平，從而影響神經炎癥和認知結果。由腸道菌群誘導產生或Toll樣受體免疫應答所釋放的促炎性細胞因子可通過自由擴散或經血腦屏障轉運到腦內相關區(qū)域從而影響大腦功能，如TNF-α、CRP、IL-1β和IL-6等[16]。而促炎性細胞因子的產生可導致大腦小膠質細胞激活，這是一種中樞神經系統(tǒng)的單核吞噬細胞，在維持中樞神經系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要作用。長期高脂肪飲食可導致小膠質細胞的形態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)神經炎癥增加、神經細胞凋亡和Aβ蛋白沉積等一系列有損認知功能的變化[17]。

3.1.2 胰島素抵抗：胰島素可通過飽和轉運體穿過血腦屏障，具有一定的抗炎功能。已有研究顯示其可參與淀粉樣蛋白的代謝，通過胰島素降解酶分解Aβ蛋白，且胰島素信號傳導被證明可以改善認知功能和神經元可塑性[18]。但高熱量飲食引起的腸道菌群的改變會損害周圍胰島素敏感性，通過升高的促炎細胞因子破壞外周組織中的胰島素信號傳導、誘導B細胞功能障礙或內質網應激信號通路而導致IR。而IR被認為可能是導致認知功能障礙發(fā)生的始動因素，但目前機制仍不明確，可能涉及到影響海馬突觸的可塑性及淀粉樣蛋白代謝，Tau蛋白濃度升高及影響腦部炎性反應等方面[19-20]。Agrawal等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在果糖誘導的IR模型中，Tau蛋白磷酸化作用明顯增強，在破壞小鼠中樞胰島素敏感性的同時也損害了海馬中的胰島素受體功能并降低海馬相關的空間記憶?？傊?，這些機制的發(fā)現(xiàn)為認知功能障礙的治療提供了有利的線索。

3.1.3 腸道和血-腦屏障(blood brain barrier,BBB)的損傷：腸道屏障由特化的半透性黏膜和上皮細胞層組成，這些細胞層由緊密連接蛋白增強。高脂飲食攝入會降低近端結腸中緊密連接蛋白-1和跨上皮細胞的水平，這兩種是腸道屏障功能障礙的標志[22]。當菌群失調引起黏膜通透性改變出現(xiàn)腸道滲漏時，腸道菌群所產生的淀粉樣蛋白，會直接進入到神經系統(tǒng)中，最終可能會誘導神經炎癥或分子模仿影響腦內Aβ蛋白沉積[23]。同時，腸屏障受損也會導致腸道受到革蘭陰性細菌衍生的LPS的傷害，一旦LPS進入循環(huán)系統(tǒng)，就會促進內毒素血癥和全身性炎癥的發(fā)生。實際上，維持高脂飲食4周的小鼠，其循環(huán)系統(tǒng)中LPS水平可增加3倍，同時腸道通透性也會增加，以緊密連接蛋白-1和閉合蛋白的mRNA表達降低為主要表現(xiàn)[24]。

BBB由內皮細胞、外周細胞和神經膠質細胞組成，是進入血液的營養(yǎng)物質和大腦功能所需化合物的關鍵調節(jié)劑，同時還可阻止有害的血液來源毒素的進入。Hargrave等[25]的研究中，按照肥胖表型將大鼠分為飲食誘導肥胖組(diet-induced obese，DIO)、飲食誘導抵抗組(diet resistant，DR)和正常對照組，觀察DIO組和DR組在高脂和高糖飲食下暴露10 d、40 d和90 d后的BBB通透性的變化情況，及在Y迷宮中的海馬記憶功能。結果顯示，在整個研究過程中，正常對照組和DR組的大鼠都可依賴位置策略在Y迷宮中表現(xiàn)較好，但DIO大鼠只在第10天和90 d表現(xiàn)出反應策略，其背側紋狀體和海馬的多個亞區(qū)出現(xiàn)BBB滲漏，但DR組和正常對照組的大鼠沒有出現(xiàn)BBB滲漏。該研究揭示了高脂飲食誘導的BBB損傷或許與認知缺陷有因果關系，且BBB損傷和記憶障礙的程度可能取決于高脂飲食的持續(xù)時間和肥胖表型。

3.2 認知功能障礙者的菌群特點 Bajaj等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，老年病人的認知能力與變形菌門下的腸桿菌科的相對豐度呈負相關，與厚壁菌門下的乳酸桿菌相對豐度呈正相關。Araos等[27]通過微生物分析方法，發(fā)現(xiàn)認知障礙者腸道菌群的多樣性極度減少，除了變形桿菌的豐度較高，雙歧桿菌和SCFAs的產生顯著降低。而變形桿菌豐度一旦過度增長，便會使內部固有菌群抵抗外來病原菌定殖的能力下降，進一步促進炎癥反應和病原體入侵[28]。有關胃腸道微生物群向人類中樞神經系統(tǒng)信號傳導的最新研究報道，在AD病人的海馬和顳葉新皮質組織提取物中檢測到革蘭陰性細菌衍生的LPS，且與年齡匹配的對照組相比，一些晚期AD病人海馬中的LPS增加了26倍[29]。這些發(fā)現(xiàn)說明,認知障礙病人存在明顯的腸道微生物群特征，表征為厚壁菌門的代表性降低，變形菌門的代表性增高，進而出現(xiàn)生態(tài)失調。

4 腸道菌群在認知領域的有效運用

4.1 益生菌/益生元 腸道微生物群和認知之間還存在對人體有利的機制聯(lián)系。益生菌是活的微生物，當攝入足夠的量時，會對宿主的健康產生益處。有研究對代謝紊亂的大鼠進行觀察，發(fā)現(xiàn)益生菌的應用逆轉了突觸活性的下降，并恢復了海馬長時程增強(LTP)的紊亂，大鼠的學習和記憶能力也有所改善[30]。另一方面，益生元是不可消化的食物材料，可通過腸道菌群發(fā)酵，從而選擇性地增強微生物的生長和活性，并促進SCFAs的產生。最常用的益生元是寡聚果糖，例如龍舌蘭菊粉。龍舌蘭菊粉通過刺激糞腸球菌的生長和活性，可降低腸道中促炎細胞因子的濃度。還有研究發(fā)現(xiàn)，茶皂素、低聚果糖、黃芩素等益生元，也可有效預防癡呆小鼠認知癥狀的惡化[31]。如上所述，益生菌在調節(jié)宿主的生理功能，如免疫、炎癥和新陳代謝等發(fā)揮了顯著的作用，但益生菌定植具有明顯的個體、部位和菌株差異性，因而益生菌對認知功能的改善能否達到預期的效果尚待研究。

4.2 糞菌移植 糞菌移植是通過重建腸道微生物群來治療生態(tài)失調有關疾病的一種具有極大潛力的方法。已有動物實驗表明，糞菌移植治療不僅可以逆轉轉基因小鼠的腸道菌群和SCFAs變化，還可以改善小鼠的認知缺陷并減少Aβ蛋白的沉積及Tau蛋白磷酸化[32]。因此可以預想，將健康人糞便菌群移植到癡呆病人體內，可以幫助恢復腸道菌群，減少腸道菌群失調對腸道和大腦功能的負面影響。總之，糞菌移植用于認知功能障礙的防治具有極大的可能性及可塑性，被寄予了很大的厚望。但也存在相關治療風險，比如病原體的感染以及移植微生物帶來的不良反應等，因此日后仍需設計不同供體、糞菌移植劑型及劑量和長期隨訪研究以進一步明確糞菌移植在認知領域的應用價值。

4.3 腸菌代謝產物 腸道菌群代謝產物包括脂肪酸、氨基酸、尿石素以及姜黃素等，通過構成一個豐富的網絡信號影響菌群和宿主間的相互作用。代謝產物可以誘導或抑制細菌的定殖抵抗，長期維持新引入微生物的定殖力，因此可以補充益生菌或糞菌移植的治療效果。Yuan等[33]報道，腸道菌群衍生的代謝物尿石素可以預防AD線蟲模型中的Aβ蛋白原纖維化。尿石素源自鞣花單寧，可在石榴提取物和果汁中發(fā)現(xiàn)，可能發(fā)揮重要的神經保護作用。此外，姜黃素被證明能誘導腸道菌群中具有抗炎特性的菌群表達增加，發(fā)揮獨立的抗氧化活性，特別是對中樞神經系統(tǒng)，可減弱LPS的吸收，并抑制Tau蛋白聚集。以上這些證據(jù)體現(xiàn)了有益菌群代謝產物的良好治療前景，但諸如宿主的腸道菌群和代謝產物是否會發(fā)生不可預計的相互作用，加重腸道菌群失調或者改變菌群的生化特性等很多問題亟需解決，而這些問題的解決還需更多的試驗研究來探索。

5 小結

綜上所述，微生物群與飲食習慣和認知功能之間存在緊密的相互作用。高脂、高糖飲食誘導下的腸道菌群失調可引發(fā)全身性炎癥，以神經炎癥、IR和BBB的損傷這3種機制為主，通過腦-腸軸對大腦的神經產生影響，致使認知功能障礙的發(fā)生。諸如微生物制劑、糞菌移植和腸菌代謝產物等方法用于認知領域的潛在價值已經凸顯，為認知障礙等疾病的防治提供良好的促進作用。飲食干預可能會引發(fā)腸道細菌的結構和功能改變，而將統(tǒng)一的食品觀念轉變?yōu)樘囟ㄈ巳汉吞囟ōh(huán)境的個性化營養(yǎng)可能成為預防或糾正代謝紊亂，甚至改善炎癥、延緩認知障礙的一個新興領域。