撰文 | 元怪物
责编 | 石悦琳
编辑 | 陈欣泓 丁霄哲
编者按
欧洲帕金森病联合会从1997年开始，将每年的4月11日定为“世界帕金森病日”。帕金森已成中老年人的“第三杀手”，全球400万患者中有170万人在中国。同时，帕金森的发病开始呈现低龄化，中青年型帕金森病患者(40岁以下发病)与日俱增。
上一期，我们探讨了肠道微生物或能改善自闭症症状的研究（点击查看），今天，科考夫特约作者元怪物为我们带来了它的姊妹篇，为大家讲述肠道微生物将如何通过影响蛋白积聚而改变帕金森综合征进程。帕金森综合征是个啥
帕金森综合征是世界范围内影响第二大的神经退行性疾病。神经退行，简而言之就是神经细胞死掉了。神经细胞处于细胞功能分化的终末阶段，大部分情况下神经细胞死掉是没有办法再生的。许多人到老年多少都会表现出一些神经退行的症状，比如感官变弱，记忆力，行动困难等等。与影响认知能力的阿尔兹海默综合征不同的是，帕金森综合征主要影响人的行动能力。患者早期出现手抖、僵直、行动迟缓，随着年龄增长而不断加重，直至最终无法控制平衡而完全失去行动力。
造成这些症状的原因，是人脑基底神经节(Basal ganglia)功能受损。基底神经节埋在沟沟回回的大脑皮层下面，是一片比较大的区域，可以细分成许多功能各异的小区域。来自大脑皮层和丘脑等重要区域的神经信号汇聚在这里，因此基底神经节管的事非常多也非常重要，运动是其中之一。
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基底神经节受损造成运动困难，那么神经细胞是如何死掉的？这个问题十分复杂，学界一般认为神经细胞死亡与一种叫做αS蛋白(α-synuclein, α-突触核蛋白)的蛋白质非正常聚积有关系。αS蛋白正常情况下广泛存在于脑中，但是在病变的脑中它们出于复杂的原因聚积形成叫做路易体(Lewy body)的蛋白沉积物[1, 2]。
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某些特定形式或类别的αS蛋白表现出神经毒性，因此它和它所形成的路易体被认为是基底神经节神经细胞死亡的幕后黑手。研究如何避免甚至清除恶性的αS蛋白聚积是解决帕金森综合征的关键之一。一个重要的问题是αS蛋白聚积始于何处。对此暂无定论，但是学界有一种假说肯定出乎大多数人意料：肠道 [注1]。
我一个肠道里的蛋白怎么到脑子里来了呢？
其实帕金森综合征与肠道的相关性由来已久。最早描述帕金森综合征的帕金森“本森”，就发现了这个病和便秘的并发现象。
2003年在对病人遗体研究中，德国神经解剖学家Heiko Braak注意到肠道神经系统与大脑一样也出现了路易体沉积，由此提出了αS蛋白聚积始于肠道的假说[3]。
图片来源：https://scienceofparkinsons.com
尽管关于肠道αS蛋白仍然有许多重要问题还不清楚，但近几年的一些研究发现似乎也或直接或间接地支持了Braak的假说。比较直接的证据是在健康大鼠的肠道中植入致病的αS蛋白能够使迷走神经和脑干产生病变[4]。有一些证据显示致病的αS蛋白可以像朊病毒一样在神经细胞之间传播[5, 6]，这有可能是肠道病变扩散到脑的原理。
关于肠道αS蛋白来源也有几种说法。有许多报道称帕金森病人肠道微生物构成与健康对照有显著不同[7-11]。小鼠研究发现某些肠道微生物产生的蛋白可能引起αS蛋白聚积[12]。也有一种理论将αS蛋白与肠道微生物引发的免疫反应联系起来[8]。有证据显示αS蛋白和慢性肠胃炎正相关[14]。体外实验表明αS蛋白似乎可以激活免疫细胞，同时感染了诺如病毒（一种引起非细菌性肠胃炎的病毒）的健康儿童的肠道也出现了αS蛋白[13]。这些发现都似乎暗示着肠道与帕金森综合征复杂又紧密的关系。
虽然我们对帕金森综合征与肠胃健康的关系已经有了大致的了解，但是对于肠道微生物与帕金森的关系和相应的作用机制却还知之甚少。这里我们要介绍的是加州理工学院Mazmanian实验室在2016年发表的文章，他们试图从肠道微生物代谢产物的角度来填补这项空白。
图片来源：https://sarkis.caltech.edu
肠道微生物，短链脂肪酸和比帕金森更帕金森的小鼠
这篇文章中研究人员使用的是在神经细胞中过量表达αS蛋白 (alpha-synuclein overexpressing, ASO)的转基因小鼠。这些小鼠大脑中产生的αS蛋白比普通正常小鼠高许多，因此会较早表现出帕金森综合征的典型症状，如行动力的缺陷（为方便阅读以下简称帕金森鼠）。
同时，为了控制肠道微生物环境，实验人员还对两种小鼠还采取了两类不同的处理措施。一类只是进行常规的卫生处理 [注2]，这些小鼠在本文中简称为“有菌鼠”；另一类则是严格的无菌(Germ free, GF)处理，这些“无菌鼠”从出生起肠道就被小心地维持在无菌的状态。
首先实验人员比较了经历了两种不同处理措施的普通小鼠和帕金森小鼠的运动能力。研究者设计了一系列类似中学生素质训练营的测试定量地评估小鼠的运动能力，测试包括独木桥、爬竹竿、撕标签、倒挂、爬铁丝网等。
帕金森小鼠“鼠如其名”，运动能力差于普通小鼠对照。然而意外的是同样是帕金森鼠，肠道无菌的帕金森鼠的运动表现却优于有菌的帕金森鼠。也就是说帕金森鼠的帕金森症状可能会因某些肠道微生物增强。与人类病患相似，帕金森小鼠也表现出类似于便秘的症状，它们排便总量远低于正常水平，但是同样的，无菌帕金森鼠的排便情况要好于有菌帕金森鼠。
如前所述运动能力取决于关键大脑区域的功能，那么无菌帕金森鼠与有菌帕金森鼠的运动能力的差异是否源于αS蛋白水平的差异？免疫荧光标记揭示出有菌帕金森鼠的αS蛋白水平在基底神经节的两个区域（尾壳核和视丘下核）明显高于无菌帕金森小鼠，这两个脑区的病变也常见于人类帕金森病人。这说明有菌鼠的菌确实以某种方式加重了αS蛋白在特定脑区的聚积。
αS蛋白的聚积会引发神经炎症(神经系统中的免疫反应激活的表现)，在这种状况下脑中的清道夫——神经胶质细胞会被激活，一些免疫信号分子水平也会上升。既然有菌帕金森鼠αS蛋白水平更高，那么是否也会有更严重的神经炎症？作者比较了上述两个脑区，发现相比于正常小鼠，有菌帕金森鼠在上述两个脑区的神经胶质细胞胞体直径确实变得更大，同时一些免疫系统的特征分子信号也变高了。这两个证据印证了肠道细菌助长了某些脑区的神经炎症反应这一推论。
肠道微生物在发育早期就可能影响神经系统，那有菌鼠的肠道微生物是从一开始就干预了神经系统发育才导致后期更严重的帕金森症状，还是在已经成熟的神经系统中依然可以造成疾病症状呢？为了回答这个问题，作者将有菌鼠的肠道微生物移植到发育成熟的无菌鼠，无菌鼠身上还是复现了原本只有有菌鼠才有的更严重的运动障碍。反过来，对成熟的有菌帕金森鼠施用抗生素改善了它们的的运动障碍和神经胶质细胞的过度激活。这个结果说明肠道微生物的作用并不限于先天神经发育，而是在后天持续作用。
关于肠道微生物，已有研究表明它们代谢产生的短链脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFA)与结肠免疫细胞[15]和神经胶质细胞[16]的激活相关。那么这些细菌释放的短链脂肪酸对小鼠帕金森的发展是不是也有作用？作者于是直接饲喂无菌帕金森小鼠短链脂肪酸，确实复现了之前有菌小鼠运动能力低下的效果。直接给无菌鼠饲喂灭活的细菌完全无效，但进一步补充饲喂短链脂肪酸后也相应地提高了神经炎症水平。这说明活性肠道细菌持续代谢产生的短链脂肪酸加重了有菌帕金森鼠的帕金森症状。
帕金森鼠模型是这样，那么人类患者的肠道菌群和帕金森综合征的运动障碍有没有类似的关联呢？前文提到一些帕金森病人存在肠道微生物失衡的问题，假如把他们的肠道微生物移植到小鼠会发生什么？作者收集了6个帕金森病人和6个健康人的粪便样品，提取出微生物管饲给无菌小鼠。
图片来源：翡翠台
接下来的分析发现，移植了帕金森病人肠道微生物的小鼠的肠道中，几类特定的菌种高于健康移植组，也有几类显著低于健康组。短链脂肪酸分析表明帕金森移植组小鼠的两种典型的短链脂肪酸（丁酸酯、丙酸酯）水平也显著升高，印证了之前的短链脂肪酸实验。相较于健康移植组，移植帕金森菌群也加重了帕金森小鼠的运动障碍。结语，意义和启示
一句话概括，这篇研究的发现证明某些肠道微生物代谢产生的短链脂肪酸会加剧αS蛋白在关键脑区的聚积进而加重了帕金森的病情。
虽然肠道微生物仅仅是加重了帕金森小鼠的症状，没有表现出什么决定性的致病效果（无论是肠道有菌还是饲喂了短链脂肪酸的正常野生型小鼠，运动能力都没有受损），但这个新的机制可能是对αS蛋白肠道起源说的一个补充。虽然帕金森肠道起源说已经积累了一些证据，但是还缺少最直接有力的证据，所以目前还有争议，这里的发现只是为人们理解肠道和帕金森综合征的关系提供了一个新的角度。
如果这项研究的结论未来被证明适用于人类的帕金森症中，将对帕金森的临床诊疗带来许多新思路。从治疗的角度，调节患者特定类别的肠道微生物，重建有益菌群将是一个安全的辅助治疗改善患者生活质量的方式。从诊断和预防的角度，肠道微生物的组成和血液中的短链脂肪酸或许将可以作为帕金森早期诊断的指标。
此时笔者想起一则2015年的旧闻，说的是一个英伦奇女子可以闻出帕金森。她的丈夫45岁时诊断出帕金森综合征，但是她大概十年前就已经闻到丈夫身上一种接近麝香的气味。后来她发现在许多帕金森患者身上有相同的味道。
最近有报道说科学家终于从帕金森患者的皮肤分泌物中分离出几种潜在的气味分子[注3]，或许未来可以帮助帕金森综合征的早期诊断。现在我们知道肠道微生物和短链脂肪酸对帕金森的推波助澜，它们或许与帕金森病人的体味有关系也未可知。
最后，除了帕金森综合征之外，肠道微生物也被联系到包括阿兹海默综合征在内的其他神经系统疾病上。这些研究告诉我们，人体是一个整体，乍看相去甚远的两个东西，其实却息息相关。
【注】
[1] 事实上肠道只是可能的起源之一，这个假说的完整陈述是αS蛋白聚积始于“外周”，通过细胞-细胞“传染”最终影响到基底神经节。除了肠道外，嗅球（负责处理嗅觉），延髓（脑干和脊髓连接的部位）也有发现路易体聚积。
[2] 文中所说的“有菌鼠”又叫做无特定病原(specific pathogen free, SPF)小鼠，是实验室中常用的“干净”小鼠。它们在出生后被持续投喂多种抗生素，特异地除去了肠道中的某些致病微生物，但是仍然有较为复杂的肠道菌群。
[3] BBC报道https://www.bbc.com/news/uk-scotland-47627179。
题图来源：123RF.com
原研究文献：Sampson et al., Gut Microbiota Regulate Motor Deficits and Neuroinflammation in a Model of Parkinson’s Disease. Cell, 2016.
参考文献：
1. Xu, L. and J. Pu, Alpha-Synuclein in Parkinson’s Disease: From Pathogenetic Dysfunction to Potential Clinical Application. Parkinsons Dis, 2016. 2016: p. 1720621.
2. Lashuel, H.A., et al., The many faces of alpha-synuclein: from structure and toxicity to therapeutic target. Nat Rev Neurosci, 2013. 14(1): p. 38-48.
3. 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.
4. Holmqvist, S., et al., Direct evidence of Parkinson pathology spread from the gastrointestinal tract to the brain in rats. Acta Neuropathol, 2014. 128(6): p. 805-20.
5. Del Tredici, K. and H. Braak, A not entirely benign procedure: progression of Parkinson’s disease. Acta Neuropathol, 2008. 115(4): p. 379-84.
6. Steiner, J.A., E. Quansah, and P. Brundin, The concept of alpha-synuclein as a prion-like protein: ten years after. Cell Tissue Res, 2018. 373(1): p. 161-173.
7. Hasegawa, S., et al., Intestinal Dysbiosis and Lowered Serum Lipopolysaccharide-Binding Protein in Parkinson’s Disease. PLoS One, 2015. 10(11): p. e0142164.
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12. Chen, S.G., et al., Exposure to the Functional Bacterial Amyloid Protein Curli Enhances Alpha-Synuclein Aggregation in Aged Fischer 344 Rats and Caenorhabditis elegans. Sci Rep, 2016. 6: p. 34477.
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14. Peter, I., et al., Anti-Tumor Necrosis Factor Therapy and Incidence of Parkinson Disease Among Patients With Inflammatory Bowel Disease. JAMA Neurol, 2018. 75(8): p. 939-946.
15. Smith, P.M., et al., The Microbial Metabolites, Short-Chain Fatty Acids, Regulate Colonic T<sub>reg</sub> Cell Homeostasis. Science, 2013. 341(6145): p. 569-573.
16. Erny, D., et al., Host microbiota constantly control maturation and function of microglia in the CNS. Nat Neurosci, 2015. 18(7): p. 965-77.
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