综述 | Pharmacol Ther.: 神经退行性疾病中出现肠道生态失调、自噬缺陷以及免疫反应受损的恶性循环（上）

编译：微科盟煎蛋，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

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人类微生物群是个复杂、动态和共生的生态系统，由数以万亿计的宿主特异性微生物组成，例如共生的细菌、病毒、真菌和原生动物。肠道微生物群是指在人类肠道中共同进化的多种微生物，通过调节消化、免疫、代谢和各种神经功能来维持宿主体内稳态。肠道微生物主要参与复杂碳水化合物的消化和吸收，重要的能量物质合成，如短链脂肪酸 (SCFAs)，人体必需代谢物质的调节（胆汁酸、甾醇和药物），维生素 B 、K 等重要维生素的合成，维持肠道上皮屏障的完整性，与病原体竞争并防止其定植，促进免疫系统的发育和成熟等功能。

越来越多的证据表明，肠道和大脑之间通过神经、内分泌和免疫系统进行较强的双向交流，称为脑肠轴（GBA）。近来关于GBA 的研究表明，肠道微生物群可以被视为一种新的重要器官对神经发育、认知和行为产生特定影响。肠道中产生抗炎细胞因子的微生物和产生促炎细胞因子的微生物数量不平衡被称为肠道微生物群失调，并且可能是导致各种胃肠道疾病的主要因素，例如肠易激综合征 (IBS)、溃疡性结肠炎和克罗恩病，通过增加脂多糖 (LPS)、促炎细胞因子、T 辅助细胞和单核细胞通过 GBA 导致肠漏症和血脑屏障 (BBB) 通透性增加。

最近的研究表明了肠道菌群失调在多种中枢神经系统相关疾病中的致病作用，例如抑郁症、焦虑症和自闭症等神经精神疾病，阿尔茨海默病 (AD)、帕金森病 (PD)、亨廷顿病 (HD)、额颞叶变性等神经退行性疾病（NDD）及神经免疫疾病肌萎缩侧索硬化症（ALS）和多发性硬化症 (MS)。广泛的临床前和临床研究证实，肠道菌群失调与AD、PD、路易体 (LB) 病、ALS、额颞叶变性和朊病毒病在内的 NDD 病因病理学和病理生理学有着明确的联系。临床数据表明，患有 NDD 和神经精神疾病的患者通常在症状期前几年出现胃肠道功能障碍。通常，PD、AD、HD、MS 和 AML 的中枢病理特征是错误折叠的疾病特异性神经毒性蛋白聚集体的沉积，通常称为“蛋白质病”。这些错误折叠的蛋白质构象以小的寡聚体或大的原纤维聚集体的形式积累，并局限于特定的大脑解剖区域，从而导致特定的临床表现。此外，先天性和适应性免疫系统的有害激活会导致慢性神经炎症和蛋白清除受损或自噬受损，从而引起大脑形态学和生理学到临床病理学的转变。

肠道菌群失调介导的自噬失调会影响肠道屏障完整性并增加肠道通透性，从而使肠道微生物及其代谢物和微生物相关分子模式 (MAMP) 易位至肠系膜淋巴组织，从而引起神经炎症反应，进而引起神经系统疾病的发生和发展。此外，失调的自噬导致神经元中多泛素化蛋白聚集体的清除障碍，并在应激、衰老和 NDD 期间损害内质网 (ER) 稳态。这些发现表明自噬系统未能清除错误折叠的蛋白质是神经炎症的主要触发因素之一，导致神经退行性病变。此外，肠道菌群失调会触发和放大异常的免疫介导的慢性炎症，这种炎症从体循环传播到大脑，进一步引发蛋白质错误折叠及其聚集、轴突损伤和神经元脱髓鞘。

病原体相关分子模式 (PAMP) 或危险相关分子模式 (DAMP) 主要在肠道微生物中表达，通过与模式识别受体 (PRR) 结合来激活先天免疫系统。这些 PRR 由多种宿主免疫细胞表达，包括肠上皮细胞 (IEC)、肠内分泌细胞 (EEC) 和外周血中的免疫细胞以及 CNS 和 PNS 的神经元和神经胶质细胞。此外，肠道菌群失调引起的中枢神经系统细胞线粒体功能障碍会放大氧化应激 (OS)，导致神经元炎症。相反，错误折叠的蛋白质和淀粉样蛋白沉积物充当 PAMP 并改变肠道微生物群的功能。肠道-微生物群-OS-线粒体功能障碍和NDDs的密切相互作用凸显了GBA连接的重要性。AD 和 PD 的神经病理学研究提供证据表明，肠道微生物群能够分别影响 AD 中淀粉样蛋白-β 肽（Aβ）的发育和 PD 中的α-突触核蛋白（α-Syn）病理学。特别是，肠道生态失调会通过诱导紧密连接、黏液层、上皮内淋巴细胞和免疫球蛋白 A 分泌的变化引发肠道屏障功能障碍。这些变化导致先天性和适应性免疫系统的异常激活，从而诱发慢性神经炎症，导致中枢神经系统中错误折叠蛋白的聚集和积累。然而，免疫激活和自噬缺陷之间的复杂联系导致蛋白质病，以及肠道微生物群对大脑的精确影响仍有待充分了解。本综述讨论了肠道菌群失调与蛋白质病、自噬受损和 NDDs 免疫失调的病理生理学相关性，包括 AD、PD、HD、ALS、MS 和 FLTD。此外，我们讨论了通过恢复肠道微生物来预防 NDD 的发生、进展和复发的潜在治疗干预措施。

人类微生物群包括5000多种微生物菌株，1000多种微生物群。肠道微生物群包括500-1000种细菌，在结肠中丰度最高，其编码的基因是人类基因组的150倍。每个人类个体至少有160个细菌种类和超过300万个微生物基因，有3种不同的肠道类型，包括拟杆菌属、普氏菌属和瘤胃球菌属。人体肠道微生物群由四个主要门组成（拟杆菌，厚壁菌门，变形菌和放线菌）和两个小门类（疣微菌门和梭杆菌门）。出生后，新生儿的无菌肠道被微生物定植，并受孕龄、分娩方式、喂养方式、卫生条件和抗生素暴露的影响。1到3岁时，肠道微生物群的定植达到成人复杂微生物群的定植水平。长期饮食习惯、生活方式、感染、身体活动、抗生素暴露、应激和早期微生物群等外在因素以及遗传背景、新陈代谢、免疫和激素等内在因素决定了肠道微生物群的组成。

GBA 的双向交流通过复杂的多途径发生。尽管 GBA 中的精确途径仍有待确定，但肠道微生物通过直接途径——肠神经系统 (ENS) 和迷走神经以及间接途径——神经递质、SCFAS和细胞因子等与CNS交流，反之亦然。肠道微生物通过神经内分泌系统（HPA轴分泌皮质醇）直接影响 CNS ；交感神经和副交感神经系统及迷走神经则通过产生细菌代谢物影响 CNS (图1 )。

图1. 脑肠轴肠道微生物群和大脑之间通过肠神经系统 (ENS) 和迷走神经直接的双向交流以及通过神经递质、SCFAS及细胞因子间接交流。这些途径包括神经途径(如迷走神经、ENS、神经递质和代谢产物，如SCFAs)、免疫途径(包括细胞因子的产生)和神经内分泌途径 (肠上皮细胞 (IECs) 分泌肠激素以及HPA轴分泌皮质醇)。在体循环中，随着有益代谢物的缺乏，具有较高毒性代谢物和细胞因子病原体数量增加，GBA信号失调，导致肠道生态失调，影响血脑屏障 (BBB) 和免疫系统。肠道和神经细胞都显示出自噬缺陷，活性氧 (ROS) 和活性氮 (RNS) 的产生增加，线粒体功能失调，内质网 (ER) 应激增加，从而加剧氧化应激 (OS)、炎症和蛋白质病，这与神经退行性疾病 (NDDs) 相关。

肠道微生物通过产生SCFAS、支链氨基酸、LPS、胆汁酸和儿茶酚胺等多种神经活性代谢物以及合成具有神经调节特性的神经递质，包括色氨酸前体和代谢物、5-羟色胺（5-HT）、γ-氨基丁酸（GABA）、谷氨酰胺、组胺、多巴胺和去甲肾上腺素及肠道激素如肽 YY、神经肽 Y、生长素释放肽、瘦素、胆囊收缩素 (CCK) 和胰高血糖素样肽-1等间接与 CNS/ENS 交流。这些重要的微生物代谢物调节 GBA 以影响肠黏膜屏障功能、肠内分泌细胞 (EECs) 的激素分泌、肠道上皮和肠道微生物群的神经递质释放以及肠神经胶质信号传导、神经发生、神经胶质细胞功能、髓鞘形成、突触修剪和 BBB 功能，并与 NDDs的发生具有生物学相关性。短链脂肪酸是最重要的代谢物之一，执行能量利用、宿主微生物信号传导和结肠 pH 调节等宿主生物学过程，进而影响肠道微生物群组成、肠道运动和上皮细胞增殖。此外，这些SCFAS在小胶质细胞的形成和成熟中起着至关重要的调节作用。中枢神经系统也通过自主神经系统 (ANS) 传入和传出自主神经通路和 ENS与肠道交流。因此，大脑调节肠道运动、粘液和抗微生物肽的分泌以及肠道粘膜免疫和通透性。

HPA轴构成了神经内分泌系统的主要部分（主要通过迷走神经），在GBA中调节机体功能以响应应激刺激。HPA 轴通过循环系统跨越BBB 传输激素来响应应激信号。研究表明，肠道微生物组对 HPA 轴的早期激活进行编程以应对心理和生理压力。在肠道生态失调时，过度释放的细胞因子（IL-1β、IL-6 和 TNF-α）和小生物活性分子通过 BBB 进入大脑并激活 HPA 轴。HPA 轴也可以通过脂多糖 (LPS) 和肽聚糖的释放被激活。此外，早期生活应激介导的 HPA 轴过度活化导致微生物组成改变并增加胃肠道通透性。过度暴露于皮质类固醇会导致发育中大脑糖皮质激素受体表达的变化和先天免疫系统的活性增加。与野生型小鼠相比，无菌 (GF) 小鼠对应激的 HPA 反应明显更高。此外，在小鼠早期（9 周龄前）重新定植复杂的微生物群，部分逆转了 HPA 对应激反应的升高。同样，与野生型小鼠的对比，GF 小鼠表现出对束缚应激反应或情绪应激（母体分离）反应的升高。值得注意的是，GF小鼠中大脑应激反应的增加与大脑促肾上腺皮质激素、血清皮质酮的过度释放，糖皮质激素受体表达降低以及脑源性神经营养因子 (BDNF) 的含量降低有关。的确，与对照小鼠相比，应激GF小鼠下丘脑中盐皮质激素受体与糖皮质激素受体的比例降低。对 GF 小鼠、狗和大鼠的研究表明，应激刺激还改变了粘液分泌、肠道完整性、肠道蠕动和微生物组成。在另一项研究中，承受固定压力的小鼠表现出类似焦虑的行为，血液中皮质酮水平升高， HPA 轴和海马中的小胶质细胞/单核细胞群NF-κB 过度激活，并降低海马体中 BDNF 的表达。这些数据表明肠道微生物组会改变 HPA 轴功能，这可能导致神经系统并发症。

肠道微生物产生多种神经递质、神经调质和神经激素，这使得肠道和CNS之间能够直接通过迷走神经或间接通过免疫介导的炎症进行协同双向交流。肠道微生物诱导神经调节代谢物的分泌，例如SCFAs、诱导宿主产生的维生素 (B12)、神经递质（5-HT、儿茶酚胺、谷氨酸、GABA的产生）以及可能影响宿主健康的激素（肽YY、神经肽Y、胆囊收缩素、胰高血糖素样肽1和2以及P物质）。

SCFAs是由结肠中难消化的多糖（如膳食纤维和抗性淀粉）厌氧发酵产生的重要代谢物，主要由醋酸盐 (40–60%)、丙酸盐 (20–25%) 和丁酸盐 (15–20%) 组成。具体而言，拟杆菌门产生乙酸盐和丙酸盐，而厚壁菌门产生大量丁酸盐。微生物来源的SCFAS主要通过 H⁺依赖或 Na²⁺依赖的单羧酸转运蛋白被结肠细胞吸收。这些SCFAS与胃肠粘膜以及免疫和神经系统中的G蛋白偶联受体(GPCRs) 结合；GPCRs激活的效果因表达GPCRs的细胞而异。SCFAs可以触发交感神经系统，诱导5-HT的释放，调节大脑记忆和学习过程。在结肠中，SCFAs 维持肠道屏障的完整性、粘膜免疫，并保护肠道免受炎症。此外，SCFAs对血肠屏障的通透性有直接影响。SCFAs 从结肠黏膜转移到体循环中，引起棕色脂肪组织的激活、调节肝线粒体功能和全身能量稳态。此外还对宿主代谢和免疫系统产生多种影响。在结肠中，SCFAs（主要是丁酸盐）通过诱导T调节细胞（Treg）的分化和白细胞介素的分泌来调节全身炎症。

在CNS中，SCFAs 通过促进人类神经祖细胞的生长并诱导更多细胞进行有丝分裂而调节早期神经系统发育。SCFAs在大脑发育和中枢神经系统稳态的保持中发挥着关键作用。SCFAs 上调 BBB 中紧密连接蛋白的表达，并在内皮细胞单羧酸转运蛋白的协助下穿过 BBB。SCFAs已被证明通过调节神经营养因子（如神经生长因子 (NGF)、神经胶质细胞源性神经营养因子 (GDNF)、脑源性神经营养因子 (BDNF) 和神经递质）以及通过影响神经胶质细胞形态和功能、线粒体功能、免疫激活、脂质代谢和基因表达调节神经炎症的水平来影响 CNS的功能。此外，SCFAs可以诱导细胞内酸化，从而改变钙信号传导、神经递质的释放和间隙连接的抑制，进而可能改变神经元的通讯和行为。此外，SCFAS 对神经功能显示出多种影响，例如增强睡眠以及有助于昼夜节律和食欲控制。最近的研究还表明，SCFAs 调节小胶质细胞在健康状态下的功能维持和成熟。Silva 等人最近广泛回顾了 SCFAS 在各种 CNS 相关疾病中的作用。 

SCFAs调节全身功能的另一个重要机制是通过抑制组蛋白去乙酰化酶 (HDAC) 活性，从而促进肠道和相关免疫组织以及 PNS 和 CNS 中各种细胞群中核小体组蛋白中赖氨酸残基的乙酰化。凭借其 HDAC 抑制活性，SCFAs可以促进基因增强子和启动子处转录乙酰修饰的积累，从而导致表观遗传调控的基因表达。因此，SCFAs可以操纵乙酰化和甲基化状态，并可以调节基因表达和代谢过程。体内和体外研究均表明，丁酸盐治疗可将小胶质细胞的形态和功能特征改变为稳态，并减少 LPS 诱导的小鼠模型中的促炎修饰和抑郁样行为。同样，在体外模型中，小胶质细胞和星形胶质细胞原代培养物与醋酸盐的接触已被证明可通过调节p38 MAPK、JNK和NF-κB信号通路来减少炎性细胞因子（IL-1β、IL-6 和 TNF-α 的表达）。同样，丙酸盐对脑血管内皮细胞的治疗已被证明可降低 BBB 暴露于 LPS 时的通透性。总之，SCFAs与GBA 相互作用，可能直接或间接影响情绪、认知、记忆和行为以及脑部疾病的病理生理学。

与传统的神经化学结构相反，肠道中各种神经递质的总体水平比例明显高于大脑。SCFAs主要通过调节氨基酸分解代谢来调节兴奋性和抑制性神经递质的水平，例如乙酰胆碱、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素、GABA、5-HT、谷氨酸和组胺等，对正常的大脑功能至关重要。几种细菌菌株可以改变肠道中的神经递质前体的水平，甚至可以独立合成（或调节合成）许多神经递质，如 GABA、5-HT、多巴胺和去甲肾上腺素。值得注意的是，肠嗜铬细胞（肠道中的特殊肠内分泌细胞）合成了体内90%以上的5-HT。这些微生物来源的神经递质从肠道进入循环系统并通过 BBB 直接进入大脑或通过干扰迷走神经活动来影响中枢神经回路间接影响神经功能。越来越多的证据表明，特定菌株会分泌选择性神经递质。例如，芽孢杆菌种主要分泌乙酰胆碱、多巴胺和去甲肾上腺素，而多巴胺、5-羟色胺和去甲肾上腺素主要由大肠杆菌分泌。SCFAs醋酸盐先前已被证明会改变下丘脑中谷氨酸、谷氨酰胺和 GABA 等神经递质的水平，并增加厌食性神经肽的表达。

GABA——GABA是CNS中的主要抑制性神经递质，其功能障碍与抑郁、焦虑、自闭症和精神分裂症有关。在所有培养的人源菌株中，短乳杆菌和牙双歧杆菌是最有效的 GABA 生产物种。这些微生物通过调节人类结肠中谷氨酸脱羧酶的表达影响谷氨酸代谢。有趣的是，肠道来源的GABA可以穿过 BBB 进入中枢神经系统，从而突出了肠道菌群失调与精神障碍之间的相关性。研究表明，肠道微生物主要通过迷走神经调节 GABA 信号传导至 CNS，如慢性给药鼠李糖乳杆菌仅在具有完整迷走神经的小鼠中增加海马中 GABA 受体的中枢表达并减少焦虑和抑郁相关行为；然而，这些抗焦虑作用在迷走神经切断术后消失。越来越多的证据表明，人类肠道微生物群的一些细菌菌株可以监测肠道 GABA 或谷氨酸并可能对其做出反应。GF小鼠血清中GABA 水平较低，肠道中特定前体和代谢物水平发生改变。需要注意的是，真核生物和原核生物均通过谷氨酸脱羧作用产生 GABA。因此，肠道中产生 GABA 的微生物可能会显著影响管腔谷氨酸盐 / GABA 的比例，从而影响肠道信号。中枢神经系统中谷氨酸、谷氨酰胺和 GABA 回路的扰动常见于广泛性焦虑症、重度抑郁症 (MDD)、躁狂抑郁症（或双相情感障碍）和精神分裂症。值得注意的是，肝性脑病（HE）患者肠道微生物群失调的特点是肠道微生物多样性减少。HE 的发病机制包括氨中毒、胆汁酸循环受损、GABA 水平升高和神经炎症，这会导致患者出现认知和运动障碍。HE 患者的 BBB 损伤与星形胶质细胞肿胀、内皮细胞损伤和紧密连接的打开有关。肝硬化 HE患者的SCFAs水平显著降低。HE患者大脑中，过量的谷氨酸与氨结合，产生谷氨酰胺积累，导致脑水肿、学习记忆障碍。

谷氨酸——谷氨酸是主要的兴奋性神经递质，通过NMDA和AMPA受体调节CNS和 PNS。在工业上，谷氨酸棒状杆菌、乳发酵短杆菌和黄色短杆菌等棒状菌被广泛用于谷氨酸的发酵生产。此外，乳酸菌菌株，如植物乳杆菌、副干酪乳杆菌和乳酸乳球菌能够合成谷氨酸。在亚洲发酵食品中发现的产乳酸菌中约有 15% 能产生谷氨酸盐。

5-HT和儿茶酚胺——微生物来源的 SCFAs通过调节色氨酸 5-羟化酶1（参与5-HT合成的酶）和参与多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素生物合成的酪氨酸羟化酶（限速酶）的表达水平，刺激肠道中肠嗜铬细胞分泌5-HT。除了无法穿过BBB之外，微生物组还通过改变5-HT前体水平来控制大脑中的 5-HT。同样，GF小鼠的杏仁核和海马中的BDNF、5-HT和特定5-HT 受体 (5HT1A) 的水平也降低。微生物直接利用色氨酸（一种必需氨基酸，作为5-HT和犬尿氨酸生产的前体），从而降低了其对宿主的可用性。某些细菌物种将色氨酸代谢成吲哚，而其他肠道细菌可以合成色氨酸，甚至从色氨酸中产生 5-HT。大脑中的局部刺激和肠道中 5-HT 的产生都对宿主生理机能有重要影响。因此，SCFAs介导的神经递质变化会对脑神经化学产生影响。

1.2.3 氧化三甲胺（TMAO）

肠道微生物通过摄取海鱼、鸡蛋、肝脏、豆类（如大豆和豌豆）等食物中的膳食营养素（如胆碱、磷脂酰胆碱、卵磷脂和左旋肉碱）将TMAO代谢为三甲胺 (TMA)。TMA 被细胞膜被动扩散吸收并通过肝肠循环进入肝脏，其中 TMA（恶臭代谢物）被含有黄素的单加氧酶 3  (FMO3) 氧化为无味的TMAO（无味肝代谢物）。FMO3 基因属于 FMO 基因家族，编码一种跨膜蛋白，位于多种组织的内质网，尤其是肝脏。不同的SCFAs产物（由混合酸发酵产生）及乳酸和 α-酮戊二酸在谷氨酸、GABA、5-HT和儿茶酚胺等神经递质的合成中起重要作用，其浓度可能会干扰甜菜碱转运，导致TMA 积累增加。高水平的 TMA 会导致三甲基胺尿症，这是一种罕见的代谢紊乱，由 FMO3 对膳食来源的 TMA 代谢功能障碍引起。由于缺乏 FMO3 的患者尿液、汗液和呼吸中出现鱼腥味，三甲基氨基尿症也被称为鱼腥味综合征。三甲基氨基尿症主要以 FMO3 基因突变为特征，而继发性三甲基氨基尿症则由肠道微生物群失调等其他非遗传因素决定。有研究显示，梭菌、毛螺和瘤胃球菌属与血浆中的TMAO水平直接相关。HD和AD患者在接受胆碱（8-20g/天）治疗后出现了三甲基氨基尿症。与三甲基氨基尿症相关的神经病理学表现包括氧化应激和炎症，导致内皮功能障碍和 BBB 通透性增加。在慢性条件下，这些变化会导致过度兴奋性毒性，导致神经元变性。

神经退行性疾病表现出不同的临床特征并影响大脑的特定区域，与“蛋白质病”有着密切的分子病理学关联；由于构象变化而导致蛋白质异常聚集，进而产生神经毒性作用。除了蛋白质聚集体，NDDs 还表现出功能失调的线粒体积累、OS增加和自噬缺陷，这进一步加剧了由肠道菌群失调和GBA信号受损导致免疫反应失调引起慢性神经炎症。

蛋白质病的特征在于错误折叠的疾病特异性蛋白质在各种 CNS 细胞内部和外部沉积，无论是小的寡聚体（细胞外）还是大的纤维聚集体（细胞内）（图 2）。此外，错误折叠蛋白质构象变化的分子机制在所有类型的蛋白质病中都相似，其中主要包括大小和 3D 形状的翻译后修饰、蛋白质清除障碍（自噬受损）或蛋白质合成增加，导致特定脑区的伸长、聚集和沉淀，从而产生神经毒性。下面讨论了几种 NDD 中错误折叠蛋白质的形成和集聚的病理生理学过程。

在大多数 NDDs中，遗传因素和自然衰老是非结构化蛋白质进行结构修饰并形成错误折叠蛋白质的主要触发因素，这些蛋白质通过自我改变形状并传播片段，在中枢神经系统细胞内部和周围形成小的寡聚或大的原纤维聚集体。CNS 相关蛋白病以类似朊病毒的方式传播，通常被称为“朊病毒病”。在朊病毒病中，高度感染性错误折叠的朊病毒在 CNS 内从细胞到细胞传播。相似地，在AD和PD的自我延伸中，天然α-螺旋蛋白的结构修饰为有毒的β-薄片淀粉样蛋白结构，触发其他天然蛋白的错误折叠，形成丰富的β-薄片聚集体。同样，在 HD 的早期阶段检测到突变体亨廷顿蛋白 (mHTT)，并调节错误折叠蛋白聚集的模板，该聚集蛋白在细胞中播种和传播，可以作为确定疾病进展的生物标志物。因此，异常蛋白质充当蛋白质错误折叠的种子或模板，这个过程被称为“播种或成核”。一旦播种，错误折叠的蛋白质（如朊病毒、α-Syn、Aβ 或 Htt）的生长呈显著指数增长，导致大分子结构快速形成，这些结构表现为细胞内包涵体或细胞外沉积物。当蛋白质聚集体为单一类型时，NDD相关的蛋白质病被归类为“纯蛋白”，当沉积物由不同的错误折叠蛋白质类别组成时被归类为“混合蛋白”。

与蛋白质病有关的蛋白质主要位于细胞核、细胞质或细胞支架网络的一部分，但有证据表明，这些病理蛋白质是分泌蛋白，并以低水平存在于间质和脑脊液中。此外，微生物产生的淀粉样蛋白被释放到细胞外空间，并被相邻的肠神经元内化，因此，通过模板形成 α-Syn 的新种子。神经毒性聚集体的扩散可能发生在细胞内的分子间、特定区域中的细胞间以及中枢神经系统中的区域间。体外和体内研究表明，tau、Aβ、SOD1、Htt、及分子量为 43 kDa 的反应 DNA 结合蛋白 (TDP-43) 和 α-Syn 是由神经元通过非经典胞吐作用分泌，以外泌体、微泡和纳米管的形式进入细胞外环境。这些细胞外聚集体作为损伤相关分子模式 (DAMP) 和“种子”，并通过胞吞作用被邻近的神经元或神经胶质细胞内化，导致受体细胞中的天然蛋白质错误折叠成聚集体和/或原纤维以形成新的聚合。最后，受体细胞分泌的细胞外聚集物引发了进一步聚集物分泌、炎症和重新播种的恶性循环，从而形成了传播病理（图2）。

朊病毒通过自我播种繁殖，朊病毒构象的蛋白质导致同一蛋白质的另一个分子形成淀粉样蛋白构象，相互交叉播种的传染性淀粉样蛋白以类似朊病毒的机制触发各种类型的继发性蛋白病。细菌淀粉样蛋白和其他来源的淀粉样蛋白交叉播种形成额外的神经蛋白聚集体，或者可能被肠神经内吞。例如，来自不同细菌物种的 Curli蛋白能够在体外和体内交叉接种淀粉样蛋白。此外，与 NDD 相关的淀粉样蛋白，例如 α-Syn 或 Aβ，可能以类似于朊病毒病菌株的方式具有菌株特异性。此外，几种细菌淀粉样蛋白可能会以菌株特异性方式触发交叉播种，从而导致多种蛋白质病。事实上，AD 不仅具有 Aβ 和 tau 病理学特征，而且在一些病例中还有 α-Syn 和 TDP-43 病理学特征。然而，还需对病理机制进行额外的研究来进一步证实这些发现。

内在（年龄、遗传）和外在（环境）因素之间的密切相互作用被认为启动了 NDDs 的病理过程，但最近的证据还表明，肠道生态失调会破坏大脑和肠道稳态，从而加剧NDD的病理发生过程。肠道菌群失调指的是致病菌的增加以及有益菌（共生菌）的减少。从这个意义上来讲，肠道生态失调与功能性代谢紊乱相关的疾病发展直接相关。例如，肠道微生物代谢物TMAO与AD患病风险有关。同样，AD、PD和ALS患者的脑样本显示肠道中蓝藻的丰度增加，蓝藻分泌更高水平的 β-N-甲氨基-L-丙氨酸 (BMAA)，这是一种与代谢型谷氨酸受体5结合并消耗主要的抗氧化谷胱甘肽。这导致大脑中活性氧 (ROS) 和活性氮 (RNS) 的过量产生，表明 NDD 中肠道生态失调和 OS 之间存在直接联系。非蛋白氨基酸 β-N-甲基氨基-L-丙氨酸也被发现在NDDs中促进蛋白质错误折叠和聚集。

NDDs 起始的主要病理过程包括由于紧密连接的变化导致的肠道上皮屏障缺陷；粘液和神经活性微生物分子如SCFAs的分泌改变；以及免疫球蛋白A的分泌增加，这会导致结肠和大脑中的免疫介导炎症。慢性神经炎症促进中枢神经系统细胞中错误折叠蛋白的聚集和积累。此外，由于色氨酸的微生物代谢受损，BBB 和血肠屏障的通透性增加以及低水平的5-HT改变大脑稳态。中枢神经系统的应激会激活皮质醇分泌，进而促进免疫细胞募集、细胞因子分泌和上皮屏障通透性增加，导致病原体过度生长的易位和神经毒性微生物片段（如 LPS）的释放。血源性免疫细胞、其他炎症细胞和肠道代谢物通过受损的 BBB 持续浸润到中枢神经系统中表征了NDD的进展。慢性神经炎症由于促炎分子水平的增加增强了神经元细胞的通透性，导致突触和其他细胞过程的改变和破坏。这些变化导致神经元死亡和错误折叠的神经毒性聚集体的释放，从而加强了病理正反馈回路。肠道菌群失调介导的神经炎症活动与慢性 OS 状态相关，并且代表 NDD 的重要标志。总而言之，新出现的证据清楚地表明，肠道菌群失调介导的 GBA 信号传导功能障碍与神经退行性疾病的发展有关，最终导致异常行为、认知障碍、压力和内脏痛。

自噬是一种受调控的降解过程，可消除不需要的蛋白质和透化线粒体，从而维持细胞和组织稳态。多项研究表明，自噬在维持肠上皮屏障完整性和稳态、抗微生物防御以及调节肠道先天性和适应性免疫方面具有重要意义。新证据表明，肠道微生物群的代谢物通过自噬途径调节肠道炎症。此外，自噬反过来会降解入侵的病原体，调节病原体触发的促炎细胞因子释放，并参与抗原呈递和淋巴细胞发育。越来越多的文献表明肠道微生物群和自噬也表现出双向关系。自噬缺陷诱导肠道菌群失调，进而通过干扰线粒体动力学导致肠道上皮细胞（IEC）、潘氏细胞和杯状细胞、巨噬细胞、树突状细胞 (DC)、T和B 细胞、自然杀伤细胞、ENS、ANS 和CNS的神经细胞及神经胶质细胞中的自噬缺陷。越来越多的证据表明，自噬缺陷通过改变肠粘膜中紧密连接蛋白CLDN2的表达水平导致肠上皮屏障功能破坏，以及增加细菌易位和传播，特别是 IgA 包被的细菌水平，导致肠道菌群失调；减少来自潘氏细胞和杯状细胞的粘蛋白抗微生物肽（例如溶菌酶、α-防御素和磷脂酶A2）的分泌；肠干细胞上皮再生受损；细胞内细菌清除缺陷，以及对病原菌的免疫反应过高。

使用肠道特异性自噬缺陷小鼠模型【肠道上皮特异性自噬相关 5 (Atg5) 敲除或缺陷C57BL/6J小鼠】研究了自噬缺陷对肠道微生物群组成的影响。与野生型 (WT) 小鼠相比，Atg5缺陷小鼠表现出肠道微生物群显著改变和多样性降低。属水平分析表明，与对照小鼠的相应解剖部位相比，Atg5 缺陷小鼠的十二指肠、空肠、回肠、盲肠、结肠和粪便中分别有23、25、33、35和23个属发生显著改变，而物种水平的分析表明，Atg5 缺陷小鼠的7、10、12、14和13 个物种分别与对照显著不同。有趣的是，促炎细菌（例如，关节假丝酵母菌）和致病菌（巴斯德氏菌科的成员）丰度升高，而抗炎细菌（例如，粘液阿克曼氏菌和毛螺菌科的成员）在Atg5缺陷小鼠中减少，这证实了肠道菌群失调。此外，Atg5 缺陷小鼠的潘氏细胞显示出形态和功能异常。值得注意的是，这些功能失调的潘氏细胞中防御素表达的降低和细胞质溶菌酶水平的降低与肠道微生物群组成的改变有关。这些致病异常通过增强 Atg5 缺陷小鼠小肠段（十二指肠和空肠-回肠）炎症通路的激活，增加了宿主肠细胞对病原体的易感性。在 Atg5 缺陷小鼠的杯状细胞中 MUC2 的表达增加与高水平 ROS 的诱导有关。在转录组测序检测到的 349 个差异表达基因中，Atg5 缺陷小鼠中有222个基因上调，127个基因下调，同时发现40个免疫相关基因高表达，其中包括两个关键的 IBD 相关转录因子 RORC 和 TBX21。具体来讲，IEC 中的自噬缺陷可能会导致 TH17调节性 T (Treg) 细胞比例失衡，从而导致自身免疫和炎症疾病的发生。

肠道菌群失调引起的自噬缺陷导致 ROS 过量产生，从而使线粒体功能缺陷，刺激杯状细胞的内质网应激和凋亡，并损害 DNA、脂质和蛋白质等细胞大分子。随后，肠道菌群失调引起OS累积，导致肠道粘液屏障功能受损并加剧免疫反应和神经炎症。除了缺乏抗氧化信号通路外，自噬缺陷导致了AD和PD等各种NDDs的发病。此外，自噬缺陷改变了内质网稳态，触发细胞内错误折叠蛋白的积累，导致未折叠蛋白反应、自噬反应、细胞凋亡和细胞外激活，导致神经元与星形胶质细胞和小胶质细胞的异常相互作用、自身免疫、吞噬细胞清除受损，并通过缺陷的 BBB传输。核心自噬基因（例如 ATG 基因）的遗传缺陷或基因突变，会导致果蝇和小鼠神经元健康受损。具体来说，自噬缺陷的神经元出现了泛素/p62 阳性蛋白内含物的过度积累和线粒体受损，内质网应激反应改变，导致神经元死亡和认知障碍。这些结果表明自噬在神经元稳态和神经退行性疾病中起着重要作用。事实上，AD和PD都是有着明显自噬缺陷的NDD。体外和体内 AD 模型以及 AD 患者的退化脑组织样本显示未降解的自噬囊泡明显积聚及自噬缺陷。在家族性 AD 中发现的早老素 1 (PS1) 和淀粉样前体蛋白 (APP) 中的突变会触发两种小鼠和细胞模型的自噬-溶酶体病理学。此外，Aβ（APP 的裂解产物）的表达也会诱导果蝇大脑中大自噬囊泡的积累。对家族性 PD 的分析揭示了几个称为 PARK 基因的致病性自噬相关基因，包括PARK1、PARK4 (SNCA)、PARK2 (Parkin)、PARK5(UCHL1 )、PARK6 (PINK1)、PARK7 (DJ-1)、PARK8 (LRRK2) 和PARK9 (ATP13A2)，参与泛素化蛋白或受损线粒体的自噬消除。PD 患病组织中蛋白质聚集体和受损线粒体的存在进一步证实了这些改变基因的存在，这表明自噬缺陷与 PD 病理学过程有关。

总而言之，这些结果表明，自噬缺陷引起的肠道菌群失调可能会通过将宿主肠道细胞暴露于过度的免疫激活来编程持续的免疫反应并增强肠道基础炎症。此外，免疫细胞的不平衡可能会提供有毒的炎症环境，促进神经炎症和错误折叠的蛋白质或有毒淀粉样蛋白从肠道传播到大脑，这可能通过神经途径中外泌体、囊泡或纳米管传播。IEC、EEC、神经元和神经胶质细胞中自噬相关基因的遗传变化可能会进一步改变肠道运动、通透性和粘液分泌，通过从大脑到肠道的信号使肠道炎症恶化。因此，我们推测，使用潜在疗法调节肠道微生物群可能会打破多余的免疫活化和炎症循环，恢复自噬过程，平衡免疫细胞的比例，减少OS、炎症和有毒的错误折叠蛋白质的扩散，最终减缓NDD的进程。

由于肠道菌群失调导致免疫激活失调引起肠道屏障功能障碍和慢性炎症，从而在各个层面触发神经退行性疾病。在肠道生态失调中观察到的关键炎症免疫变化包括中枢神经系统中DC和神经胶质细胞以及宿主肠道、外周血和PNS中的免疫细胞（效应T和B细胞）的功能改变。此外，肠道微生物群及其代谢物通过激活炎症小体、1型干扰素、MyD88依赖性和 NF- κB等免疫信号通路与不同的细胞组分相互作用。因此，由于淋巴细胞、细胞因子和趋化因子过度积累导致的慢性神经炎症引起错误折叠蛋白在神经元内部和周围聚集和积累。

在先天免疫方面，错误折叠的蛋白质聚集以及PAMPs、非依赖胸腺2型 (TI-2) 抗原等淀粉样蛋白沉积。PAMPs 是由蛋白质、核苷酸、LPS、脂磷壁酸 (LTA)、CpG 或 dsRNAs 组成的高度保守的微生物结构，被宿主先天免疫系统的 PRR 识别为致病靶点。肠道微生物及其代谢物不断与宿主免疫IECs、EECs和外周血中的免疫细胞以及 CNS 和 PNS 的神经元和神经胶质细胞（小胶质细胞和星形胶质细胞）中表达的PRR相互作用。TI-2抗原是类似的聚合分子，可直接刺激 B 细胞分泌IgM。大量实验数据表明，淀粉样蛋白沉积物或蛋白质聚集体可以像 PAMP 一样通过与一系列 PRR结合来导致慢性先天免疫激活，包括Toll 样受体 (TLRs)、甲酰肽受体、晚期糖基化终产物受体、清道夫受体、补体和五聚体蛋白。在慢性 OS 状态下，活性氧和氮物质水平的增加会刺激促炎分子（细胞因子和趋化因子）、新表位和 DAMP 的分泌，进而刺激小胶质细胞和星形胶质细胞。此外，由于先天免疫反应的改变，具有未成熟表型和遗传特征改变的小胶质细胞无法去除错误折叠的蛋白质沉积物（自噬受损），导致与毒性级联反应和神经元死亡有关的以促炎为特征的恶性循环细胞因子产生。

适应性免疫在抗微生物防御和维持肠道微生物群-宿主-代谢稳态方面也起着至关重要的作用，以防止对无害抗原产生强烈的免疫反应。肠道菌群失调通过直接产生具有神经活性特性的代谢物（例如 SCFA 和神经递质）和刺激包括细胞因子、趋化因子和上皮细胞分泌的肠道肽在内的促炎分子来影响NDDs。在病理条件下，这些代谢物可以穿过有缺陷的 BBB 并通过招募外周髓细胞来触发和放大炎症性脑过程，反过来又会加剧小胶质细胞和星形胶质细胞的活化，从而产生恶性循环。肠道菌群失调还与血液和 CNS 中高频反应性 T 淋巴细胞有关，这会损害特定脑区中T细胞的增殖。这导致CD4⁺和CD8⁺亚群数量减少，CD8⁺ T 细胞发育受损，Treg细胞存活率降低，外周和中枢神经系统中的Th2和Th17 反应增加，触发 DCs、先天淋巴细胞和粒细胞进一步募集到CNS。失调信号在 Th17 细胞中诱导 IL-23 过表达，并降低通过 GATA3、Foxp3和 IL-33在Treg 细胞中表达的保护性免疫抑制信号，从而导致与自身免疫性疾病和 NDD 相关的慢性神经炎症。此外，肠道菌群失调会激活 B 细胞的次级免疫反应，从而影响 B 细胞中 IgA 的类别转换。因此，微生物组及其代谢物塑造宿主免疫系统，反之亦然，而肠道菌群失调主要通过刺激炎症小体信号传导来影响宿主免疫系统。

适应性免疫系统（如T和B淋巴细胞）在中枢神经系统自身免疫性疾病（如 ALS 和 MS）中起早期致病作用。然而，在 AD 和 PD 中，通常具有保护作用的先天免疫反应的激活会使得促炎触发并持续。与小胶质细胞和星形胶质细胞的异常活动类似，这些变化最终导致神经退行性变的神经元丢失和功能障碍。Treg 细胞也被认为在AD、PD和ALS等NDDs中起着重要作用。然而，最近对CNS 相关疾病的研究表明，肠道菌群失调可能是免疫介导的慢性炎症的主要触发因素，其中 NDDs的错误折叠蛋白通过 GBA 网络从PNS传播到CNS。这些级联事件导致免疫激活改变和蛋白质清除中断，提供了神经毒性炎症环境，加剧了不同脑区中聚集体的扩散，并导致免疫驱动的炎症和神经元死亡的恶性循环。

几项研究揭示了神经退行性变与肠道菌群失调介导的GBA失调相互作用。在大多数 NDD 中，肠道生态失调会诱导 IEC、EEC、巨噬细胞、DC、T 细胞、B 细胞、神经细胞和神经胶质细胞中的自噬缺陷，导致OS增加、蛋白质清除缺陷和蛋白质错误折叠，形成小的寡聚体或大的原纤维聚集体。这些错误折叠的聚集体会触发 PRR，从而诱导肠道和中枢神经系统的炎症。此外，肠道病原体（如大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和结核分枝杆菌）的增加会产生更多的淀粉样蛋白，它们是AD模型中Aβ 错误折叠形成的潜在种子。肠道生态失调介导的 SCFAs谱改变、粘蛋白产生减少和细菌/抗原易位增加导致全身炎症以及小胶质细胞或肠神经胶质细胞的激活有助于PD中α-Syn 错误折叠。总之，肠道中 T 辅助细胞、Treg 细胞和DC的失衡以及脑实质中功能失调的小胶质细胞和 Treg 细胞，引发了毒性炎症级联反应和神经元死亡。这些发现共同体现了肠道菌群失调介导的淀粉样蛋白沉积、自噬缺陷、免疫状态改变和 NDD 病理之间的关系。

附：关键定义（原文中文本框3）

•Gut eubiosis：通过治疗恢复健康的肠道微生物群。

•Psychobiotics （精神生物制剂）：益生元、益生菌或合生元形式的靶向微生物群干预以恢复健康的肠道微生物和良好的精神健康。

•Probiotics （益生菌）：一种活的微生物，当被人类或动物摄入时对健康有益。

•Prebiotics（益生元）： 一种不可消化的短链碳水化合物，可选择性摄入，刺激特定类别的有益微生物生长。

•Synbiotics（合生元）： 益生元和益生菌的协同结合。

•Faecal Microbiota Transplantation (粪便微生物群移植，FMT)：指从健康人的供体中移植整个微生物群落或部分微生物群落，旨在逆转宿主的生态失调