口腔微生物種群與阿爾茨海默病相關發病機制的研究進展

2020-9-7 14:09  來源:國際口腔醫學雜志
作者:張明爽 巴特 王文標 閱讀量:2275

    阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease,AD)是醫學界最大的謎團之一。隨著人口老齡化趨勢加重,癡呆癥的發病率持續升高,已成為全球第五大死因。其中,AD約占這些病例的70%。但是目前仍未找到AD的發病機制。近年來,越來越多的科學家已經證實,AD患者的大腦中存在多種口腔致病微生物種群,并且這些微生物種群數量的減少能夠有效緩解AD的病程。本文對口腔微生物種群與AD潛在的發病機制進行綜述。

    1.阿爾茨海默病

    AD是一種老年人群高發的神經退行性疾病,也是最常見的癡呆癥,主要臨床表現是產生失憶、失語、易怒等行為障礙。2018年,世界衛生組織最新資料顯示,目前全球約有4 750萬人患有AD,其中中國患者高達600萬,居世界首位。當前,全球人口老齡化趨勢加重,AD患病人數持續增加,給我國社會經濟造成沉重負擔。更有研究表明,2015年中國AD患者人均社會經濟成本為19 144.36美元,所有AD相關總費用高達1 667億美金,折合人民幣1.1萬億元。

    據估計,到2030年這筆費用將增加到5 074億美金,2050年將高達1.89萬億美金,折合人民幣12.8萬億元。由此,越來越多的科學家置身神經生物學研究領域,尋找治療AD病癥的有效策略??茖W研究發現,AD的病因和發病機制非常復雜,涉及基因突變、神經元外β-淀粉樣蛋白沉積(amyloid β-protein,Aβ)形成老年斑、神經元內tau蛋白過度磷酸化形成神經原纖維纏結等因素。但目前對于AD的發病機制并未闡述清楚,因而深入研究其發病機制,尋求有效的治療方法已經成為亟需解決的科學問題。

    2.口腔微生物種群

    口腔微生物種群是指定植于人體口腔的微生物集合,包含細菌(如牙齦卟啉單胞菌)、螺旋體(如密螺旋體)、病毒(如皰疹病毒)、真菌(如酵母菌)等。研究表明,口腔微生物種群可誘發多種口腔感染性疾病,包括齲病、牙髓炎、牙周病、智齒冠周炎、頜骨骨髓炎等,嚴重危害口腔健康。例如,革蘭氏陰性菌(牙齦卟啉單胞菌)能在牙齦和牙周組織內大量繁殖,引發宿主免疫反應,引起牙齦水腫、牙周袋形成,并最終導致牙周支持組織喪失等慢性炎癥。

    此外,口腔微生物種群因其存在的解剖位置、代謝產物、移動方式和誘導炎癥的特殊性使其還與腫瘤、糖尿病、類風濕性關節炎、心血管疾病及早產等系統性疾病緊密相關,口腔微生物群落結構特征可作為口腔及全身健康預警的重要標記。近年來,關于口腔微生物種群與AD發病機制的研究越來越多,口腔疾病如牙周病等與AD的發生發展有一定的關聯。

    口腔微生物種群可因感染、外傷或醫源性因素進入血液,突破血腦屏障直接進入大腦,產生有毒物質引起炎癥反應,進一步引起Aβ沉積、tau蛋白過磷酸化,最終對神經元產生不可逆損傷甚至導致神經元凋亡??谇晃⑸锓N群究竟是如何進入大腦并損傷神經元的,成為了現今AD發病機制研究的熱點。下文將圍繞不同微生物入腦途徑及其對神經元的損傷機制進行探討。

    3.口腔微生物種群影響AD的理論基礎

    口腔微生物種群主要通過2種方式進入大腦。一是在口腔治療、拔牙和牙齦膿腫等產生暫時性菌血癥的過程中,來自口腔的細菌可以進入血流入腦;二是可能通過與大腦相連的三叉神經、嗅覺神經和面神經等進入大腦??谇晃⑸锓N群突破血腦屏障后,能引起機體的免疫反應和抗感染應答,這能促進外周免疫細胞的活化,進一步調節腦損傷、自身免疫和神經的發生。因此可見,口腔微生物種群和免疫系統能對神經發育疾病、精神疾病和神經退行性疾病產生重要影響。這個過程主要涉及2種機制:直接損傷途徑和間接損傷途徑。

    3.1 直接損傷途徑

    隨著年齡增長,老年患者血腦屏障通透性增加,病原微生物因而能較易穿過血腦屏障進入腦組織,直接作用于神經元,激活炎癥級聯反應,對中樞神經系統造成直接損傷。進入腦組織的細菌及其分泌的毒力因子一方面能激活Toll樣受體2(Toll like receptor 2,TLR-2)和TLR-4,啟動經典內源性免疫信號通路、激活小膠質細胞,釋放腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、干擾素γ(interferon-γ,IFN-γ)等細胞因子,引發炎癥反應;另一方面可以通過激活補體系統來激發腦組織中的炎癥反應。

    此外,研究者們在革蘭氏陰性細菌表面發現了一種外膜蛋白——孔蛋白。這類孔蛋白類的生物學功能與小溶質的運輸有關,它可以從細菌胞漿轉移到細胞膜外,從而控制細胞膜上小溶質的通過,影響細胞代謝,這或許是細菌誘導神經元凋亡的原因之一。大腦中的致病菌導致神經外皮膜泄漏,產生從神經元到神經元的運動,從而引發Aβ沉積,對神經元造成損傷。

    3.2 間接損傷途徑

    口腔微生物種群通過分泌細菌毒素、外膜囊泡(outer membrane vesicle,OMV)和促炎因子隨血流入腦而間接影響AD。如革蘭氏陰性細菌能分泌直徑為20~250 nm的OMV,其內含有豐富的細菌脂多糖(lipopolysaccharide,LPS),攜帶特定的活性膜蛋白。目前已證實的革蘭氏陰性細菌分泌的OMV可以調節免疫反應,這或許是口腔致病菌間接參與神經系統免疫反應的一種途徑。

    此外,病原微生物及其代謝產物能引發機體的炎癥反應和免疫防御的改變,使循環系統中的炎癥因子水平上升,激活并增強腦組織中炎癥級聯反應。病原微生物釋放的炎癥因子如白細胞介素1β(interleukin-1β,IL-1β)、IL-6、TNF-α對神經元有直接的毒害作用。腦組織長期的慢性炎癥反應進一步加劇Aβ的沉積、tau蛋白的過磷酸化,并改變血腦屏障的滲透性,使中樞神經系統流向外周的Aβ減少,而沉積在中樞神經系統的Aβ增加,最終導致神經元的損傷。

    綜上所述,口腔多種微生物種群一方面能突破血腦屏障,引發免疫級聯反應,直接對神經系統造成損傷;另一方面能分泌促炎因子、OMV等作用于神經元,對其造成間接損傷。但目前2種作用方式孰輕孰重還未闡明。

    4.不同口腔微生物種群對AD發生發展的影響

    口腔微生物種類豐富,不同微生物導致AD的機制也不盡相同,臨床研究證實,認知能力下降和記憶力衰退與很多口腔微生物種群有關,包括細菌(如牙齦卟啉單胞菌)、病毒[如1型單純皰疹病毒(herpes simplex virus type 1,HSV-1)]和真菌。

    4.1 細菌

    與AD相關的口腔細菌主要是牙周致病菌,如牙齦卟啉單胞菌、福賽坦氏菌、中間普氏菌、具核梭桿菌和齒垢密螺旋體等,其中牙齦卟啉單胞菌、福賽坦氏菌和齒垢密螺旋體具有免疫力庫,可以規避宿主的免疫監視得以存活和生長,并創建和維持炎癥毒性環境。下文將簡要闡述牙齦卟啉單胞菌和螺旋體與AD相關發病機制的研究進展。

    4.1.1 牙齦卟啉單胞菌

    牙齦卟啉單胞菌為一種非酵解糖的革蘭氏陰性厭氧球桿菌,是重要的牙周致病菌之一。最新研究顯示牙齦卟啉單胞菌與早期AD有關,其主要是通過免疫反應途徑或者非免疫途徑參與AD的發生發展。

    1)免疫反應途徑。研究發現,牙齦卟啉單胞菌能釋放促炎因子TNF-α、IL-6和IL-1β,激活炎癥反應,從而引起中年小鼠認知缺陷。大腦被口腔病原體感染后發生免疫反應。在中樞神經系統中,這種免疫反應屬于補體激活主導的經典途徑。補體介導的免疫反應能增加神經元的易感性,促進小膠質細胞合成補體蛋白。

    Roselaar等的研究發現,感染牙齦卟啉單胞菌的小鼠在不同時間點產生不同的神經生物學效應:感染24周時,小鼠CA錐體神經元上出現了抗炎機制,從保護神經元變化為對其產生神經毒性,這種抗炎機制產生的神經損傷,在感染12周的小鼠中并未發現。并且,感染24周后的炎癥反應增加了血腦屏障的通透性,更加有助于細菌進入大腦。這就說明,細菌移位是有時間依賴性的,牙齦卟啉單胞菌對大腦神經元的損傷具有時間累積效應。因此,盡早清除口腔細菌,對防治AD的發生是十分必要的。

    2)非免疫反應途徑。Noble等借助小鼠模型,使其在24周內感染牙齦卟啉單胞菌,繼而在海馬體神經元中也發現了該菌。這種現象表明細菌在大腦實質感染中起直接作用,而非通過炎癥因子介導的遠距離作用。檢測AD模型小鼠的海馬體發現牙齦卟啉單胞菌存在于小膠質細胞、星形膠質細胞、神經元的細胞核內和核周圍,這說明牙齦卟啉單胞菌可能會導致神經炎癥和神經變性、小膠質細胞和星形膠質細胞增生以及形成細胞內外淀粉樣斑塊和神經纖維纏結(neurofibrillary tangle,NFT)等病理特征。

    此外牙齦卟啉單胞菌的主要毒力因子之一——LPS可上調腦內淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)的表達量,引起Aβ在神經元內沉積,促進AD的發生發展。最近的研究發現,牙齦卟啉單胞菌分泌的牙齦蛋白酶具有幫助細菌定植、壓制宿主免疫系統、破壞組織穩定性等多種作用,并具有細胞毒性。研究人員在50份AD死者的大腦樣本中發現,超過90%的樣本中都有牙齦蛋白酶的存在。將牙齦卟啉單胞菌的牙齦蛋白酶編碼基因敲除后構建突變菌,然后用該突變菌感染小鼠口腔。結果表明,與正常菌株感染的小鼠相比,突變菌株感染的小鼠大腦內病原菌顯著降低,而Aβ沉積也大幅減少。

    隨后,研究者在體外試驗證明牙齦蛋白酶具有將tau蛋白切成碎片的功能。這說明,AD患者大腦中出現的tau蛋白纏結很可能是由牙齦蛋白酶引起的。

    4.1.2 螺旋體

    螺旋體是螺旋形、高活動性的革蘭氏陰性細菌,可以沿著神經纖維和淋巴管傳播,有很強的親神經性。Miklossy發現螺旋體及其抗原與AD相關,并大膽設想它們是引起AD發生的致病微生物之一。2015年,Maheshwari等發現當在患者的大腦皮層及血清中發現螺旋體感染時,AD發生的風險增加了10倍。此外,Riviere等在AD患者的大腦中發現了6種口腔密螺旋體,并提出不只一種螺旋體參與侵襲腦組織的觀點。其中,梅毒螺旋體、伯氏疏螺旋體和一些口腔螺旋體等與AD有很強的相關性。

    口腔密螺旋體是根尖周及牙周感染的重要致病菌,因極強的親神經性可沿感染牙髓神經侵襲至腦神經,對大腦神經元造成損傷。Song等在體外實驗中發現,暴露于伯氏疏螺旋體后,原代大鼠神經元發生類似于AD中Aβ沉積的形態學改變,并且Aβ和磷酸化tau蛋白水平均明顯升高。梅毒螺旋體可寄居大腦并引起全身性麻痹,其癥狀和發病機制與AD類似,如Aβ蛋白沉積、進行性癡呆和腦皮質萎縮等。雖然梅毒螺旋體是性傳播的,但是它在感染的早期階段就已經在患者的大腦中被檢出。據此有人推測,大腦中的螺旋體可能來自口腔中的感染性疾病。但關于口腔中的螺旋體如何導致AD的發病機制,目前研究尚不清楚。

    4.2 病毒

    與AD相關的病毒主要是:HSV-1、人類皰疹病毒 6 型(human herpes virus,HHV-6)、巨細胞病毒、EB(Epstein-Barr,EB)病毒等。不同病毒影響AD發生發展的方式各不相同,例如:HSV-1主要通過周期性的被激活,導致NFT;HHV-6主要通過參與AD風險基因調控參與AD的發生發展。下面就HSV-1和HHV-6與AD相關發病機制的研究進展進行闡述。

    4.2.1 HSV-1

    HSV-1是一種嗜神經病毒,可經過口腔侵入體內。臨床研究發現,50歲以上AD患者人群中,有70%以上的患者伴有單純皰疹病毒感染。HSV-1潛伏在周圍神經系統中,可通過周圍神經系統或嗅覺束重新激活并進入大腦,在大腦中潛伏,但可能會隨著壓力、免疫抑制、應激、外周感染或腦中的炎癥等因素周期性地重新激活,再活化的病毒通過直接侵襲或氧化應激作用導致Aβ的沉積和tau蛋白形成,最終形成NFT。HSV-1對攜帶AD易感基因的人來說,反復的被激活與AD 的發生高度相關。

    Letenneur等推測HSV-1的反復激活可以對大腦小膠質細胞產生強有力的刺激,增加細胞因子水平,并觸發正反饋循環,導致神經組織病理學變化增加。Itzhaki等表明HSV-1不僅產生淀粉樣斑塊和NFT的主要成分(高磷酸化tau),而且還干擾阻止這些淀粉蛋白的降解并最終導致它們在AD患者的大腦中累積,從而逐漸促進AD的發生。

    4.2.2 HHV-6

    西奈山伊坎醫學院研究者分析了900余名人類大腦樣本,結果發現AD患者腦內普遍存在2種皰疹病毒亞型HHV-6A和HHV-7。其中,HHV-6A可以參與多種AD相關風險基因的調控。miR-155是microRNA家族中的重要成員,其功能廣泛,參與機體造血細胞的發育分化、免疫細胞的發育分化、炎癥反應、免疫應答、肌肉發育以及脂肪分化等許多生物過程。最近miR-155被證實能參與AD的發生發展,與病程中神經元丟失、炎癥誘導的神經功能障礙和細胞凋亡有關。

    研究發現HHV-6A能通過抑制miR-155的活性參與AD的發生發展。研究者將AD模型小鼠中miR-155基因敲除,觀察缺失miR-155產生的生物學效應。結果表明,與野生型小鼠相比,miR-155敲除鼠在4月齡時腦內積有更多、體積更大的Aβ沉淀。以上事實說明,HHV-6A能通過抑制miR-155的活性加劇AD的發生發展。此外,細胞和小鼠實驗均已證實,HSV-1和HHV-6能加速Aβ的沉積,與AD發生相關。除了已證實的HSV-1和HHV-6外,巨細胞病毒和EB病毒也可以在機體免疫抵抗力下降時引起感染,成為老年人認知能力下降和AD進展的危險因素之一。

    4.3 真菌

    口腔真菌感染是一種非特異性感染,與AD相關的主要是由白色假絲酵母菌和光滑假絲酵母菌引起的感染。隨著社會老齡化進程加快,系統性真菌感染人數急劇增加,致病菌主要檢出于牙周袋、根管、黏膜和義齒組織面(義齒性口炎)。老年人佩戴義齒而易導致酵母菌感染,這或許是系統性疾病的重要來源。

    最新發現,在AD患者的血清中、腦組織中均監測到真菌的存在。在AD患者腦漿中部分細胞的胞質中檢測到酵母免疫陽性物質。Williams等在大腦脈絡叢、海馬體、外部額葉皮質以及腦毛細血管等區域發現了白色假絲酵母菌、熱帶假絲酵母菌等多種真菌的感染。腦血管病變是AD患者最常見的并發癥。這種真菌感染引起的腦血管病變與AD患者中樞神經系統的血管損傷是否存在聯系,仍需進一步驗證。以上實驗數據均說明,AD患者神經元受到真菌感染。并且在臨床研究中,采取抗真菌治療緩解了AD患者的部分病癥。

    真菌感染與AD發病之間關系的逐漸明朗,為研究者能否從抗真菌治療入手,緩解AD患者臨床癥狀,從而達到防治AD的目的提供了理論支持。通過近年來對口腔微生物種群與AD相關發病機制的研究,結果發現,Aβ具有很強的抗菌能力可以保護大腦。因此提出假設,Aβ沉淀只是大腦產生的免疫反應,真正的損害是由侵入大腦的病原體導致的。

    有研究者也提出AD的發生和發展或許不是由特定的致病微生物引起,更可能是由于多種致病微生物種群(如細菌、真菌和病毒)分泌的代謝產物及其引發的系統性炎癥,從而引起中樞神經損傷。

    5.展望

    綜上所述,國內外大量臨床研究表明,口腔微生物或是直接作用于腦神經,或是引起炎癥反應進而感染腦組織,亦或是其代謝產物對神經系統造成損害,都對AD這一神經退行性疾病產生了重要影響。而且雖然目前已有研究表明,控制口腔內特種微生物的數量能有效緩解AD的病程,但仍不能從根本上修復已經變性的神經元或終止神經元病變的進程。從病原體致病條件來看,病原微生物致病需要滿足2個方面,一是致病菌載量,二是宿主暴露于致病菌的時間條件。

    如此看來,口腔微生物引起AD需要一定數量的致病微生物從口腔隨血液穿透血腦屏障,那如何在大腦內大量繁殖而不引發急性炎癥就成為一個未解之謎;其次,為何中國有超過90%的老年人都患有牙周病但絕大多數的牙周病患者卻沒有癡呆癥?因此,仍需大量的科學研究工作來探究口腔微生物與AD發病之間的因果關系和具體機制,為AD的臨床治療提供新思路。

編輯: 陸美鳳

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