高熱量飲食誘導(dǎo)的腸道菌群失調(diào)與認(rèn)知功能障礙關(guān)系的研究進(jìn)展

馬微波 劉悅文 于瑩 郭琪

認(rèn)知功能障礙是僅次于腦血管病的最常見的神經(jīng)疾病，以記憶力、注意力、語(yǔ)言能力和執(zhí)行能力等某項(xiàng)或多項(xiàng)功能受損為主要表現(xiàn)，可分為輕度認(rèn)知功能障礙和癡呆兩個(gè)階段[1]。調(diào)查顯示，全球約有5000萬(wàn)老年癡呆病人，其中中國(guó)的患病人數(shù)排全球第一，治療的總費(fèi)用排全球第三，僅次于美國(guó)和日本[2-3]。因而，對(duì)認(rèn)知障礙的危險(xiǎn)因素做到早發(fā)現(xiàn)、早干預(yù)、早治療是一件迫在眉睫的任務(wù)。現(xiàn)高脂肪、高糖飲食與認(rèn)知功能障礙間的聯(lián)系已被證實(shí)，但這其中的機(jī)制還不是很明確。有研究表明，腸道菌群失調(diào)可能在高熱量飲食與認(rèn)知功能障礙的因果關(guān)系中起中介作用[4]，腦和腸道通過神經(jīng)、免疫、內(nèi)分泌等多種調(diào)節(jié)機(jī)制的雙向聯(lián)結(jié)通路構(gòu)成了腦-腸軸，而腸道菌群失調(diào)可通過腦-腸途徑影響大腦的可塑性和認(rèn)知功能，但確切的機(jī)制尚未闡明。本文總結(jié)了目前的證據(jù)，將飲食和腸道菌群對(duì)認(rèn)知功能的影響及可能機(jī)制進(jìn)行了介紹和討論，并對(duì)腸道菌群在認(rèn)知領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望，以期為認(rèn)知障礙的治療策略建立理論基礎(chǔ)。

1 概述

1.1 認(rèn)知功能障礙的病理特征 認(rèn)知功能受損的典型病理改變?yōu)榇竽X皮質(zhì)海馬等部位廣泛出現(xiàn)老年斑、神經(jīng)原纖維纏結(jié)及突觸和神經(jīng)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(zhì)細(xì)胞，引發(fā)炎性反應(yīng)，同時(shí)又能促進(jìn)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(xì)絲，也就是形成神經(jīng)原纖維纏結(jié)最主要的成分，因其具有神經(jīng)毒性而損害神經(jīng)元突觸傳遞，最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡[6]。因此，Aβ在大腦皮質(zhì)層的異常沉積是認(rèn)知功能障礙發(fā)生的關(guān)鍵因素之一。

1.2 腸道菌群 健康成人體內(nèi)的細(xì)菌主要是厚壁菌門和擬桿菌門，占到細(xì)菌總數(shù)的80%～90%。腸道菌群代謝產(chǎn)物主要是短鏈脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)，可促進(jìn)腸道黏液的生成，保護(hù)腸道黏膜屏障，同時(shí)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(guān)鍵作用。此外，腸道菌群還可通過分泌信號(hào)分子、激活迷走神經(jīng)和調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)來(lái)影響大腦的活動(dòng)，因而一旦菌群失調(diào)，便會(huì)破壞腦-腸軸系統(tǒng)的穩(wěn)定，成為免疫系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生的關(guān)鍵因素。

2 腸道菌群與飲食的相關(guān)性

2.1 飲食對(duì)腸道菌群的影響 飲食種類和營(yíng)養(yǎng)成分的多樣性，特別是長(zhǎng)期飲食習(xí)慣，是塑造腸道菌群的多樣性和整體微生物群落至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，而不合理的營(yíng)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(jìn)腸道微生物群的生態(tài)失調(diào)，從而促進(jìn)全身性炎癥。

Mariat等[8]及Fava等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期高脂肪飲食會(huì)增加厚壁菌門與擬桿菌門的比例，且會(huì)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(shí)別便會(huì)導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子分泌水平增加。此外，有研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，短期食用完全由動(dòng)物產(chǎn)品組成的飲食會(huì)迅速改變腸道微生物基因的表達(dá)。David等[10]的小鼠實(shí)驗(yàn)表明，以動(dòng)物為基礎(chǔ)的飲食除了會(huì)導(dǎo)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(huì)因攝取較多的飽和脂肪分泌膽汁酸來(lái)刺激亞硫酸鹽還原菌的過多生長(zhǎng)，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(zhǎng)繁殖，從而出現(xiàn)菌群失調(diào)。

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(guān)系是雙向的，腸道菌群具有調(diào)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(diào)導(dǎo)致慢性低水平炎癥狀態(tài)，便會(huì)影響脂肪的代謝。Backhed等[11]報(bào)道了傳統(tǒng)飼養(yǎng)小鼠的體脂肪量比無(wú)菌(germ-free，GF)小鼠高40%，GF小鼠與經(jīng)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(huì)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(zhì)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(jīng)得到了廣泛的關(guān)注。Anhe等[14]發(fā)現(xiàn)，在小鼠體內(nèi)的庫(kù)氏假單胞菌可促進(jìn)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(guān)，且含LPS的革蘭陰性細(xì)菌似乎對(duì)糖代謝異常等疾病提供了關(guān)鍵的配體。此外，另有研究證實(shí)糞便菌群中變形桿菌的數(shù)量高，與較高的餐后血糖反應(yīng)和胰島素敏感性受損有關(guān)[15]?？傊?，對(duì)飲食和菌群關(guān)系的探討與挖掘有利于為神經(jīng)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(diào)與認(rèn)知功能障礙

3.1 腸道菌群影響認(rèn)知功能的機(jī)制

3.1.1 炎癥刺激：長(zhǎng)期服用高脂飲食會(huì)使神經(jīng)炎癥標(biāo)記物的水平升高而影響到認(rèn)知功能，這已成為動(dòng)物研究及臨床報(bào)告的一種共識(shí)。同時(shí)，高脂飲食還會(huì)通過改變部分腸道菌群水平，從而影響神經(jīng)炎癥和認(rèn)知結(jié)果。由腸道菌群誘導(dǎo)產(chǎn)生或Toll樣受體免疫應(yīng)答所釋放的促炎性細(xì)胞因子可通過自由擴(kuò)散或經(jīng)血腦屏障轉(zhuǎn)運(yùn)到腦內(nèi)相關(guān)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(xì)胞因子的產(chǎn)生可導(dǎo)致大腦小膠質(zhì)細(xì)胞激活，這是一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)的單核吞噬細(xì)胞，在維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要作用。長(zhǎng)期高脂肪飲食可導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)神經(jīng)炎癥增加、神經(jīng)細(xì)胞凋亡和Aβ蛋白沉積等一系列有損認(rèn)知功能的變化[17]。

3.1.2 胰島素抵抗：胰島素可通過飽和轉(zhuǎn)運(yùn)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(hào)傳導(dǎo)被證明可以改善認(rèn)知功能和神經(jīng)元可塑性[18]。但高熱量飲食引起的腸道菌群的改變會(huì)損害周圍胰島素敏感性，通過升高的促炎細(xì)胞因子破壞外周組織中的胰島素信號(hào)傳導(dǎo)、誘導(dǎo)B細(xì)胞功能障礙或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號(hào)通路而導(dǎo)致IR。而IR被認(rèn)為可能是導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙發(fā)生的始動(dòng)因素，但目前機(jī)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(yīng)等方面[19-20]。Agrawal等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在果糖誘導(dǎo)的IR模型中，Tau蛋白磷酸化作用明顯增強(qiáng)，在破壞小鼠中樞胰島素敏感性的同時(shí)也損害了海馬中的胰島素受體功能并降低海馬相關(guān)的空間記憶?？傊?，這些機(jī)制的發(fā)現(xiàn)為認(rèn)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(xì)胞層組成，這些細(xì)胞層由緊密連接蛋白增強(qiáng)。高脂飲食攝入會(huì)降低近端結(jié)腸中緊密連接蛋白-1和跨上皮細(xì)胞的水平，這兩種是腸道屏障功能障礙的標(biāo)志[22]。當(dāng)菌群失調(diào)引起黏膜通透性改變出現(xiàn)腸道滲漏時(shí)，腸道菌群所產(chǎn)生的淀粉樣蛋白，會(huì)直接進(jìn)入到神經(jīng)系統(tǒng)中，最終可能會(huì)誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥或分子模仿影響腦內(nèi)Aβ蛋白沉積[23]。同時(shí)，腸屏障受損也會(huì)導(dǎo)致腸道受到革蘭陰性細(xì)菌衍生的LPS的傷害，一旦LPS進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，就會(huì)促進(jìn)內(nèi)毒素血癥和全身性炎癥的發(fā)生。實(shí)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(shí)腸道通透性也會(huì)增加，以緊密連接蛋白-1和閉合蛋白的mRNA表達(dá)降低為主要表現(xiàn)[24]。

BBB由內(nèi)皮細(xì)胞、外周細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞組成，是進(jìn)入血液的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和大腦功能所需化合物的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，同時(shí)還可阻止有害的血液來(lái)源毒素的進(jìn)入。Hargrave等[25]的研究中，按照肥胖表型將大鼠分為飲食誘導(dǎo)肥胖組(diet-induced obese，DIO)、飲食誘導(dǎo)抵抗組(diet resistant，DR)和正常對(duì)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(jié)果顯示，在整個(gè)研究過程中，正常對(duì)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(yīng)策略，其背側(cè)紋狀體和海馬的多個(gè)亞區(qū)出現(xiàn)BBB滲漏，但DR組和正常對(duì)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(dǎo)的BBB損傷或許與認(rèn)知缺陷有因果關(guān)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(shí)間和肥胖表型。

3.2 認(rèn)知功能障礙者的菌群特點(diǎn) Bajaj等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，老年病人的認(rèn)知能力與變形菌門下的腸桿菌科的相對(duì)豐度呈負(fù)相關(guān)，與厚壁菌門下的乳酸桿菌相對(duì)豐度呈正相關(guān)。Araos等[27]通過微生物分析方法，發(fā)現(xiàn)認(rèn)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(chǎn)生顯著降低。而變形桿菌豐度一旦過度增長(zhǎng)，便會(huì)使內(nèi)部固有菌群抵抗外來(lái)病原菌定殖的能力下降，進(jìn)一步促進(jìn)炎癥反應(yīng)和病原體入侵[28]。有關(guān)胃腸道微生物群向人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)傳導(dǎo)的最新研究報(bào)道，在AD病人的海馬和顳葉新皮質(zhì)組織提取物中檢測(cè)到革蘭陰性細(xì)菌衍生的LPS，且與年齡匹配的對(duì)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(rèn)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(jìn)而出現(xiàn)生態(tài)失調(diào)。

4 腸道菌群在認(rèn)知領(lǐng)域的有效運(yùn)用

4.1 益生菌/益生元 腸道微生物群和認(rèn)知之間還存在對(duì)人體有利的機(jī)制聯(lián)系。益生菌是活的微生物，當(dāng)攝入足夠的量時(shí)，會(huì)對(duì)宿主的健康產(chǎn)生益處。有研究對(duì)代謝紊亂的大鼠進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)益生菌的應(yīng)用逆轉(zhuǎn)了突觸活性的下降，并恢復(fù)了海馬長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)的紊亂，大鼠的學(xué)習(xí)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(qiáng)微生物的生長(zhǎng)和活性，并促進(jìn)SCFAs的產(chǎn)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(zhǎng)和活性，可降低腸道中促炎細(xì)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(yù)防癡呆小鼠認(rèn)知癥狀的惡化[31]。如上所述，益生菌在調(diào)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(gè)體、部位和菌株差異性，因而益生菌對(duì)認(rèn)知功能的改善能否達(dá)到預(yù)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(lái)治療生態(tài)失調(diào)有關(guān)疾病的一種具有極大潛力的方法。已有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，糞菌移植治療不僅可以逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)基因小鼠的腸道菌群和SCFAs變化，還可以改善小鼠的認(rèn)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(yù)想，將健康人糞便菌群移植到癡呆病人體內(nèi)，可以幫助恢復(fù)腸道菌群，減少腸道菌群失調(diào)對(duì)腸道和大腦功能的負(fù)面影響?？傊?，糞菌移植用于認(rèn)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(guān)治療風(fēng)險(xiǎn)，比如病原體的感染以及移植微生物帶來(lái)的不良反應(yīng)等，因此日后仍需設(shè)計(jì)不同供體、糞菌移植劑型及劑量和長(zhǎng)期隨訪研究以進(jìn)一步明確糞菌移植在認(rèn)知領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

4.3 腸菌代謝產(chǎn)物 腸道菌群代謝產(chǎn)物包括脂肪酸、氨基酸、尿石素以及姜黃素等，通過構(gòu)成一個(gè)豐富的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)影響菌群和宿主間的相互作用。代謝產(chǎn)物可以誘導(dǎo)或抑制細(xì)菌的定殖抵抗，長(zhǎng)期維持新引入微生物的定殖力，因此可以補(bǔ)充益生菌或糞菌移植的治療效果。Yuan等[33]報(bào)道，腸道菌群衍生的代謝物尿石素可以預(yù)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(jīng)保護(hù)作用。此外，姜黃素被證明能誘導(dǎo)腸道菌群中具有抗炎特性的菌群表達(dá)增加，發(fā)揮獨(dú)立的抗氧化活性，特別是對(duì)中樞神經(jīng)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(chǎn)物的良好治療前景，但諸如宿主的腸道菌群和代謝產(chǎn)物是否會(huì)發(fā)生不可預(yù)計(jì)的相互作用，加重腸道菌群失調(diào)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(yàn)研究來(lái)探索。

5 小結(jié)

綜上所述，微生物群與飲食習(xí)慣和認(rèn)知功能之間存在緊密的相互作用。高脂、高糖飲食誘導(dǎo)下的腸道菌群失調(diào)可引發(fā)全身性炎癥，以神經(jīng)炎癥、IR和BBB的損傷這3種機(jī)制為主，通過腦-腸軸對(duì)大腦的神經(jīng)產(chǎn)生影響，致使認(rèn)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(chǎn)物等方法用于認(rèn)知領(lǐng)域的潛在價(jià)值已經(jīng)凸顯，為認(rèn)知障礙等疾病的防治提供良好的促進(jìn)作用。飲食干預(yù)可能會(huì)引發(fā)腸道細(xì)菌的結(jié)構(gòu)和功能改變，而將統(tǒng)一的食品觀念轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟ㄈ巳汉吞囟ōh(huán)境的個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)可能成為預(yù)防或糾正代謝紊亂，甚至改善炎癥、延緩認(rèn)知障礙的一個(gè)新興領(lǐng)域。