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本文由Mayday编译，董小橙、江舜尧编辑。 原创微文，欢迎转发转载。 阿尔茨海默症（AD）以进行性神经退行性疾病和认知功能障碍为临床特征，是世界范围内老年人致残的主要原因之一。近期，一些动物研究表明，“肠-脑”轴可能参与了AD进程中的淀粉样蛋白沉积。然而，关于AD患者，尤其涉及AD患者患病过程中的肠道微生物失调的研究还比较少。本文应用前瞻性和横断面研究，确定了AD患者（包括发病前遗忘性轻度认知障碍的aMCI组和AD组）与正常认知健康对照组（HC）肠道微生物的差异。此外，还评估了肠道微生物与AD临床特征之间的潜在关系。 论文ID 原名：Altered microbiomes distinguish Alzheimer’s disease from amnestic mildcognitive impairment and health in a Chinese cohort 译名：肠道微生物可用于预测和区分健康人、阿尔茨海默症前期及患病人群：一项中国人队列研究 期刊：Brain, Behavior, and Immunity IF：6.306 发表时间：2019.05 通信作者：王保红 通信作者单位：浙江大学医学院附属第一医院，传染病诊断与治疗国家重点实验室，传染病诊断与治疗协同创新中心 试验设计 研究纳入97名50-85岁的受试者，其中阿尔茨海默症（AD）患者33名，AD发病前遗忘性轻度认知障碍（aMCI）患者32名，健康对照（HC）32名。每位受试者都接受了完整的病史评估、神经和神经心理学评估，包括微型精神状态检查（MMSE）和蒙特利尔认知评估（MoCA）北京版、脑磁共振成像（MRI）和标准实验室测试。收集受试者临床数据，并对肠道菌群进行比较分析。 试验结果 1.受试者的人口统计学和临床数据特征 三组受试者的人口学及临床数据及参数如表1所示。AD组、aMCI组和HC组在年龄、性别、BMI、糖尿病或高血压状况、血红蛋白、叶酸、维生素B12、TT4、TT3水平等方面均无显著差异。aMCI组、AD组患者受教育程度与HC组相当，但AD组受教育程度低于aMCI组。AD组MMSE评分低于aMCI组和HC组，但aMCI组和HC组间无显著差异。MoCA评分从HC到aMCI、AD呈显著下降趋势。 表1 AD组、aMCI组和HC组的人口学和临床数据 三组间MoCA评分分项比较如表2所示。与aMCI组和HC组受试者相比，AD患者在视觉空间或执行能力、命名、注意力、语言和定向方面的得分显著降低。与HC组相比，AD患者的抽象功能评分降低，aMCI患者无明显变化。此外，aMCI和AD患者延迟回忆功能评分均低于HC，但MoCA的其他评分项与HC无显著差异。 表2 AD组、aMCI组、HC组的MoCA评分子项目的比较 2. AD组、aMCI组和HC组肠道微生物的变化 如图1所示，3个样本的1320个OUT中，共有OUT为653个。aMCI和AD组的1194个OTU中，共有OUT为761个；HC和AD组的1145个OTU中，共有OUT为711个；HC和aMCI组的1238个OTU中，共有OUT为771个（图1A）。三组间的ACE和Chao 1指数无显著性差异，但AD组的Shannon和Simpson指数显著降低（图1B）。AD、aMCI和HC组间肠道微生物的组成也存在显著差异。PLS-DA分析（图1C）显示了与AD相关的特异肠道微生物群落。 图1 AD组、aMCI组和HC组肠道微生物组成结构的比较 3. AD与aMCI、HC组的关键差异微生物筛选 aMCI和AD患者肠道微生物发生了显著的变化（图2A-E）。共鉴定出86个关键OUT，分别分布在厚壁菌门、变形杆菌门和拟杆菌门（图2A）。与HC组相比，AD患者厚壁菌门的相对丰度明显下降；与HC组和aMCI组相比，AD患者的变形杆菌高度富集；拟杆菌门在aMCI 组显著富集，在AD组则下降至正常水平。 图2 AD、aMCI组HC组代表性肠道微生物的分类学丰度比较 此外，AD和aMCI组的肠道微生物在纲、目、科和属水平上也有相似的变化（图2B-E）。如图2D所示，与HC组相比，AD患者厚壁菌门的减少主要是由于梭状芽孢杆菌科、毛螺菌科和瘤胃球菌科丰度降低，aMCI组的梭状芽孢杆菌科和毛螺菌科丰度也有类似下降，但瘤胃球菌科变化不大。与aMCI组相比，AD组的瘤胃球菌科丰度显著下降。值得关注的是，与HC组相比，AD患者的厚壁菌门中含量最丰富的劳特氏菌属和瘤胃球菌也有下降（图2E）。与aMCI组和HC组相比，AD患者中变形杆菌门的丰度增加主要是由丙型变形菌纲的丰度增加所致（HC vs. aMCI vs. AD : 3.79% vs. 4.12% vs. 18.15%），该菌纲由几个重要病原体组成。从HC到aMCI，再到AD组，肠杆菌目和肠杆菌科也出现了类似的渐进式富集。与HC组相比，aMCI组富含具有致病性的韦荣氏菌科细菌。 因此，AD患者的关键菌为丰度降低的梭菌科、瘤胃球菌属以及丰度增加的变形杆菌门、丙型变形菌纲、肠杆菌目、肠杆菌科等。 4. AD组、aMCI组及HC组肠道微生物功能预测 由表3可以看出，肠道微生物与aMCI和AD患者间存在着广泛的潜在信号线路，包括代谢、遗传信息处理、环境信息处理、细胞进程和机体系统。AD组肠道微生物中聚糖的生物合成与代谢、蛋白折叠及相关处理、信号转导等功能群富集；与此相反，HC组普遍存在的功能群包括能量代谢、转录、环境适应、免疫系统和神经系统等；AD前期的aMCI患者中，与聚糖的生物合成和代谢、转运和分解代谢相关的功能群显著增加，而转录和膜转运相关的功能群减少。重要的是，与aMCI患者相比，AD患者共有14个功能群发生改变，并明显与微生物功能转移相关，包括与膜转运、辅因子和维生素代谢相关的功能转移，以及与信号分子和相互作用、氨基酸代谢和内分泌系统相关的功能转移等。 表3 利用PICRUSt从16S rRNA基因序列推断和预测2级KEGG功能通路差异 与HC组相比，aMCI和AD患者中聚糖的生物合成和代谢相关的功能群逐渐富集；而与转录、环境适应、免疫系统和神经系统相关的功能群则逐渐减少。利用3级KEGG通路分析，与HC或aMCI患者相比，AD患者的肠道微生物中，与细菌分泌系统（膜转运）和脂多糖生物合成（聚糖生物合成和代谢）相关的功能群逐渐富集；与HC组相比，与N-糖基生物合成和苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸生物合成、组氨酸代谢相关的功能群在AD患者显著降低，但在aMCI患者中有所升高。 5. AD和aMCI患者的肠道微生物与临床严重度评分的关系 从认知障碍患者的量表得分来看，变形杆菌门及丙型变形菌纲、肠杆菌科与MMSE和MoCA得分呈负相关（图3A）。肠杆菌科与CDR评分呈正相关，可反映AD的严重程度。拟杆菌门和瘤胃球菌科与MMSE评分呈正相关。韦荣氏菌科与MoCA评分呈负相关。如图3B所示，厚壁菌门、梭菌纲、梭菌目、梭菌科和毛螺菌科与重复、三级指令或定向（MoCA和MMSE评分中的具体方面）呈正相关；瘤胃菌科和瘤胃菌属与单词即时记忆和命名呈正相关。而变形杆菌门、丙型变形菌纲和肠杆菌科与警觉性呈正相关；变形杆菌门和肠杆菌科与重复性呈负相关；拟杆菌门和拟杆菌属的丰度与计算能力呈正相关。 图3 肠道微生物与AD和aMCI患者临床特征的相关性热图 6. AD组、aMCI组和HC组肠道微生物的预测能力 为了评估哪些微生物的变化与AD相关，并可能作为AD的潜在生物标志物，建立了基于代表性微生物的多变量回归模型，并利用ROC曲线评估其鉴别和预测能力。如图4所示，基于具有代表性的20个优势属的判别模型有效区分了AD与HC和aMCI。仅以肠杆菌科相对丰度为基础建立模型，也对AD具有良好的鉴别效果。值得注意的是，这些模型可以区分AD与HC（图4A）和aMCI（图4B）。两种模型的数据拟合良好。因此，基于肠道微生物的模型可以区分AD患者与aMCI患者以及本研究中中国队列中的健康个体，提示肠道微生物具有预测和鉴别AD患者严重程度的作用。 图4 利用在任一疾病组中平均丰度均大于1%的优势微生物或肠杆菌科进行ROC曲线预测 讨 论 本研究发现aMCI期和AD期患者的肠道微生物组成均与健康个体存在显著差异，肠道微生物的改变与AD的临床参数，尤其是AD病情严重程度的指标存在显著相关性。基于优势菌群的判别模型可以有效区分aMCI、AD与HC，以及AD与aMCI。肠杆菌科是AD患者肠道微生物中变形杆菌门家族唯一丰度增加的菌，基于肠杆菌科的模型可以有效区分AD与aMCI、HC。本研究的结果可为了解AD增加了新的数据，并能够为AD的干预或标记提供新的靶点。 与aMCI患者和健康对照组相比，AD患者的肠道微生物多样性显著降低。其他与肠道微生物改变相关的疾病包括肥胖、糖尿病、炎症性肠病、肝硬化和帕金森病等。尽管造成这种现象的原因目前还不清楚，但也证明，肠道微生态的失调可能与某些疾病密切相关。 在人类肠道微生物中主要为厚壁菌门、拟杆菌门和变形杆菌门。本队列研究中，与aMCI和HC相比，AD患者的厚壁菌门的相对丰度明显降低，而变形杆菌的比例较高。这与之前发表的文献一致，该文献发现重度抑郁症患者的肠道微生物中厚壁菌门丰度较低，变形杆菌门丰度较高。Nicholas M. Vogt等人最近也在美国AD患者中发现厚壁菌门丰度广泛减少。本研究还发现aMCI患者的拟杆菌门丰度显著增加，但与HC组相比，AD患者中拟杆菌门丰度未见改变。同时，拟杆菌门丰度与MMSE评分之间存在显著的相关性，拟杆菌门在AD前期（aMCI）具有一定的作用。需要进一步的研究来探索来自不同种族背景的AD患者的微生物变化。人类AD与厚壁菌门的广泛减少有关，肠道微生物可能是早期预防aMCI向AD发展的潜在微生物靶点。 AD患者的肠道微生物的厚壁菌门中，可产生短链脂肪酸（SCFAs）的梭菌科、毛螺菌科和瘤胃球菌属丰度显著降低，并与反映AD认知状态的参数（MMSE、MoCA评分）呈正相关。这可能是由于SCFAs可为宿主和结肠上皮细胞提供营养，调节粘膜屏障通透性、保护血脑屏障等，与AD发病机制密切相关。肠道微生物在与大脑发育、生理、心理和行为相关的过程中发挥着积极的作用。AD患者膜转运（细菌分泌系统）和糖基生物合成和代谢（LPS生物合成）功能模块的逐渐富集，表明肠道微生物与宿主之间存在潜在的主动沟通。与此相反，AD患者中参与氨基酸代谢的功能群的改变，可能导致代谢紊乱、脂多糖积累和神经递质、激素和免疫系统调节剂的耗竭，这些都与神经退行性疾病相关。 变形杆菌门的丙型变形菌纲、肠杆菌目和肠杆菌科丰度从HC、aMCI到AD阶段逐渐增加，且这些变化与AD的临床严重程度显著相关。基于肠杆菌科变化所建立的预测模型可以清晰地区分AD与aMCI和HC。变形杆菌门中肠杆菌科及其近缘成员可能在AD的发生发展过程中发挥重要作用。AD患者特殊的肠道微生物将有助于在早期发现AD风险人群，从而进一步阐明肠道微生物对大脑疾病的影响。 讨 论 本研究首次报道了与中国健康老年人相比，aMCI和AD患者肠道微生物群的特征。结果表明，AD患者的微生物组成发生了显著改变，其特征是SCFAs生成菌所在的厚壁菌门丰度降低，而具有促炎作用的变形杆菌丰度增加，且与AD的严重程度相关。基于优势微生物或肠杆菌科的分类模型可以区分AD与aMCI和HC，表明微生物组分析可用于预测AD疾病的严重程度。本研究的结论将有助于以肠道微生物为靶标的AD患者的早期诊断和治疗。
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