口腔微生物种群与阿尔茨海默病相关发病机制的研究进展

2020-9-7 14:09  来源:国际口腔医学杂志
作者:张明爽 巴特 王文标 阅读量:1765

    阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是医学界最大的谜团之一。随着人口老龄化趋势加重,痴呆症的发病率持续升高,已成为全球第五大死因。其中,AD约占这些病例的70%。但是目前仍未找到AD的发病机制。近年来,越来越多的科学家已经证实,AD患者的大脑中存在多种口腔致病微生物种群,并且这些微生物种群数量的减少能够有效缓解AD的病程。本文对口腔微生物种群与AD潜在的发病机制进行综述。

    1.阿尔茨海默病

    AD是一种老年人群高发的神经退行性疾病,也是最常见的痴呆症,主要临床表现是产生失忆、失语、易怒等行为障碍。2018年,世界卫生组织最新资料显示,目前全球约有4 750万人患有AD,其中中国患者高达600万,居世界首位。当前,全球人口老龄化趋势加重,AD患病人数持续增加,给我国社会经济造成沉重负担。更有研究表明,2015年中国AD患者人均社会经济成本为19 144.36美元,所有AD相关总费用高达1 667亿美金,折合人民币1.1万亿元。

    据估计,到2030年这笔费用将增加到5 074亿美金,2050年将高达1.89万亿美金,折合人民币12.8万亿元。由此,越来越多的科学家置身神经生物学研究领域,寻找治疗AD病症的有效策略。科学研究发现,AD的病因和发病机制非常复杂,涉及基因突变、神经元外β-淀粉样蛋白沉积(amyloid β-protein,Aβ)形成老年斑、神经元内tau蛋白过度磷酸化形成神经原纤维缠结等因素。但目前对于AD的发病机制并未阐述清楚,因而深入研究其发病机制,寻求有效的治疗方法已经成为亟需解决的科学问题。

    2.口腔微生物种群

    口腔微生物种群是指定植于人体口腔的微生物集合,包含细菌(如牙龈卟啉单胞菌)、螺旋体(如密螺旋体)、病毒(如疱疹病毒)、真菌(如酵母菌)等。研究表明,口腔微生物种群可诱发多种口腔感染性疾病,包括龋病、牙髓炎、牙周病、智齿冠周炎、颌骨骨髓炎等,严重危害口腔健康。例如,革兰氏阴性菌(牙龈卟啉单胞菌)能在牙龈和牙周组织内大量繁殖,引发宿主免疫反应,引起牙龈水肿、牙周袋形成,并最终导致牙周支持组织丧失等慢性炎症。

    此外,口腔微生物种群因其存在的解剖位置、代谢产物、移动方式和诱导炎症的特殊性使其还与肿瘤、糖尿病、类风湿性关节炎、心血管疾病及早产等系统性疾病紧密相关,口腔微生物群落结构特征可作为口腔及全身健康预警的重要标记。近年来,关于口腔微生物种群与AD发病机制的研究越来越多,口腔疾病如牙周病等与AD的发生发展有一定的关联。

    口腔微生物种群可因感染、外伤或医源性因素进入血液,突破血脑屏障直接进入大脑,产生有毒物质引起炎症反应,进一步引起Aβ沉积、tau蛋白过磷酸化,最终对神经元产生不可逆损伤甚至导致神经元凋亡。口腔微生物种群究竟是如何进入大脑并损伤神经元的,成为了现今AD发病机制研究的热点。下文将围绕不同微生物入脑途径及其对神经元的损伤机制进行探讨。

    3.口腔微生物种群影响AD的理论基础

    口腔微生物种群主要通过2种方式进入大脑。一是在口腔治疗、拔牙和牙龈脓肿等产生暂时性菌血症的过程中,来自口腔的细菌可以进入血流入脑;二是可能通过与大脑相连的三叉神经、嗅觉神经和面神经等进入大脑。口腔微生物种群突破血脑屏障后,能引起机体的免疫反应和抗感染应答,这能促进外周免疫细胞的活化,进一步调节脑损伤、自身免疫和神经的发生。因此可见,口腔微生物种群和免疫系统能对神经发育疾病、精神疾病和神经退行性疾病产生重要影响。这个过程主要涉及2种机制:直接损伤途径和间接损伤途径。

    3.1 直接损伤途径

    随着年龄增长,老年患者血脑屏障通透性增加,病原微生物因而能较易穿过血脑屏障进入脑组织,直接作用于神经元,激活炎症级联反应,对中枢神经系统造成直接损伤。进入脑组织的细菌及其分泌的毒力因子一方面能激活Toll样受体2(Toll like receptor 2,TLR-2)和TLR-4,启动经典内源性免疫信号通路、激活小胶质细胞,释放肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、干扰素γ(interferon-γ,IFN-γ)等细胞因子,引发炎症反应;另一方面可以通过激活补体系统来激发脑组织中的炎症反应。

    此外,研究者们在革兰氏阴性细菌表面发现了一种外膜蛋白——孔蛋白。这类孔蛋白类的生物学功能与小溶质的运输有关,它可以从细菌胞浆转移到细胞膜外,从而控制细胞膜上小溶质的通过,影响细胞代谢,这或许是细菌诱导神经元凋亡的原因之一。大脑中的致病菌导致神经外皮膜泄漏,产生从神经元到神经元的运动,从而引发Aβ沉积,对神经元造成损伤。

    3.2 间接损伤途径

    口腔微生物种群通过分泌细菌毒素、外膜囊泡(outer membrane vesicle,OMV)和促炎因子随血流入脑而间接影响AD。如革兰氏阴性细菌能分泌直径为20~250 nm的OMV,其内含有丰富的细菌脂多糖(lipopolysaccharide,LPS),携带特定的活性膜蛋白。目前已证实的革兰氏阴性细菌分泌的OMV可以调节免疫反应,这或许是口腔致病菌间接参与神经系统免疫反应的一种途径。

    此外,病原微生物及其代谢产物能引发机体的炎症反应和免疫防御的改变,使循环系统中的炎症因子水平上升,激活并增强脑组织中炎症级联反应。病原微生物释放的炎症因子如白细胞介素1β(interleukin-1β,IL-1β)、IL-6、TNF-α对神经元有直接的毒害作用。脑组织长期的慢性炎症反应进一步加剧Aβ的沉积、tau蛋白的过磷酸化,并改变血脑屏障的渗透性,使中枢神经系统流向外周的Aβ减少,而沉积在中枢神经系统的Aβ增加,最终导致神经元的损伤。

    综上所述,口腔多种微生物种群一方面能突破血脑屏障,引发免疫级联反应,直接对神经系统造成损伤;另一方面能分泌促炎因子、OMV等作用于神经元,对其造成间接损伤。但目前2种作用方式孰轻孰重还未阐明。

    4.不同口腔微生物种群对AD发生发展的影响

    口腔微生物种类丰富,不同微生物导致AD的机制也不尽相同,临床研究证实,认知能力下降和记忆力衰退与很多口腔微生物种群有关,包括细菌(如牙龈卟啉单胞菌)、病毒[如1型单纯疱疹病毒(herpes simplex virus type 1,HSV-1)]和真菌。

    4.1 细菌

    与AD相关的口腔细菌主要是牙周致病菌,如牙龈卟啉单胞菌、福赛坦氏菌、中间普氏菌、具核梭杆菌和齿垢密螺旋体等,其中牙龈卟啉单胞菌、福赛坦氏菌和齿垢密螺旋体具有免疫力库,可以规避宿主的免疫监视得以存活和生长,并创建和维持炎症毒性环境。下文将简要阐述牙龈卟啉单胞菌和螺旋体与AD相关发病机制的研究进展。

    4.1.1 牙龈卟啉单胞菌

    牙龈卟啉单胞菌为一种非酵解糖的革兰氏阴性厌氧球杆菌,是重要的牙周致病菌之一。最新研究显示牙龈卟啉单胞菌与早期AD有关,其主要是通过免疫反应途径或者非免疫途径参与AD的发生发展。

    1)免疫反应途径。研究发现,牙龈卟啉单胞菌能释放促炎因子TNF-α、IL-6和IL-1β,激活炎症反应,从而引起中年小鼠认知缺陷。大脑被口腔病原体感染后发生免疫反应。在中枢神经系统中,这种免疫反应属于补体激活主导的经典途径。补体介导的免疫反应能增加神经元的易感性,促进小胶质细胞合成补体蛋白。

    Roselaar等的研究发现,感染牙龈卟啉单胞菌的小鼠在不同时间点产生不同的神经生物学效应:感染24周时,小鼠CA锥体神经元上出现了抗炎机制,从保护神经元变化为对其产生神经毒性,这种抗炎机制产生的神经损伤,在感染12周的小鼠中并未发现。并且,感染24周后的炎症反应增加了血脑屏障的通透性,更加有助于细菌进入大脑。这就说明,细菌移位是有时间依赖性的,牙龈卟啉单胞菌对大脑神经元的损伤具有时间累积效应。因此,尽早清除口腔细菌,对防治AD的发生是十分必要的。

    2)非免疫反应途径。Noble等借助小鼠模型,使其在24周内感染牙龈卟啉单胞菌,继而在海马体神经元中也发现了该菌。这种现象表明细菌在大脑实质感染中起直接作用,而非通过炎症因子介导的远距离作用。检测AD模型小鼠的海马体发现牙龈卟啉单胞菌存在于小胶质细胞、星形胶质细胞、神经元的细胞核内和核周围,这说明牙龈卟啉单胞菌可能会导致神经炎症和神经变性、小胶质细胞和星形胶质细胞增生以及形成细胞内外淀粉样斑块和神经纤维缠结(neurofibrillary tangle,NFT)等病理特征。

    此外牙龈卟啉单胞菌的主要毒力因子之一——LPS可上调脑内淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein,APP)的表达量,引起Aβ在神经元内沉积,促进AD的发生发展。最近的研究发现,牙龈卟啉单胞菌分泌的牙龈蛋白酶具有帮助细菌定植、压制宿主免疫系统、破坏组织稳定性等多种作用,并具有细胞毒性。研究人员在50份AD死者的大脑样本中发现,超过90%的样本中都有牙龈蛋白酶的存在。将牙龈卟啉单胞菌的牙龈蛋白酶编码基因敲除后构建突变菌,然后用该突变菌感染小鼠口腔。结果表明,与正常菌株感染的小鼠相比,突变菌株感染的小鼠大脑内病原菌显著降低,而Aβ沉积也大幅减少。

    随后,研究者在体外试验证明牙龈蛋白酶具有将tau蛋白切成碎片的功能。这说明,AD患者大脑中出现的tau蛋白缠结很可能是由牙龈蛋白酶引起的。

    4.1.2 螺旋体

    螺旋体是螺旋形、高活动性的革兰氏阴性细菌,可以沿着神经纤维和淋巴管传播,有很强的亲神经性。Miklossy发现螺旋体及其抗原与AD相关,并大胆设想它们是引起AD发生的致病微生物之一。2015年,Maheshwari等发现当在患者的大脑皮层及血清中发现螺旋体感染时,AD发生的风险增加了10倍。此外,Riviere等在AD患者的大脑中发现了6种口腔密螺旋体,并提出不只一种螺旋体参与侵袭脑组织的观点。其中,梅毒螺旋体、伯氏疏螺旋体和一些口腔螺旋体等与AD有很强的相关性。

    口腔密螺旋体是根尖周及牙周感染的重要致病菌,因极强的亲神经性可沿感染牙髓神经侵袭至脑神经,对大脑神经元造成损伤。Song等在体外实验中发现,暴露于伯氏疏螺旋体后,原代大鼠神经元发生类似于AD中Aβ沉积的形态学改变,并且Aβ和磷酸化tau蛋白水平均明显升高。梅毒螺旋体可寄居大脑并引起全身性麻痹,其症状和发病机制与AD类似,如Aβ蛋白沉积、进行性痴呆和脑皮质萎缩等。虽然梅毒螺旋体是性传播的,但是它在感染的早期阶段就已经在患者的大脑中被检出。据此有人推测,大脑中的螺旋体可能来自口腔中的感染性疾病。但关于口腔中的螺旋体如何导致AD的发病机制,目前研究尚不清楚。

    4.2 病毒

    与AD相关的病毒主要是:HSV-1、人类疱疹病毒 6 型(human herpes virus,HHV-6)、巨细胞病毒、EB(Epstein-Barr,EB)病毒等。不同病毒影响AD发生发展的方式各不相同,例如:HSV-1主要通过周期性的被激活,导致NFT;HHV-6主要通过参与AD风险基因调控参与AD的发生发展。下面就HSV-1和HHV-6与AD相关发病机制的研究进展进行阐述。

    4.2.1 HSV-1

    HSV-1是一种嗜神经病毒,可经过口腔侵入体内。临床研究发现,50岁以上AD患者人群中,有70%以上的患者伴有单纯疱疹病毒感染。HSV-1潜伏在周围神经系统中,可通过周围神经系统或嗅觉束重新激活并进入大脑,在大脑中潜伏,但可能会随着压力、免疫抑制、应激、外周感染或脑中的炎症等因素周期性地重新激活,再活化的病毒通过直接侵袭或氧化应激作用导致Aβ的沉积和tau蛋白形成,最终形成NFT。HSV-1对携带AD易感基因的人来说,反复的被激活与AD 的发生高度相关。

    Letenneur等推测HSV-1的反复激活可以对大脑小胶质细胞产生强有力的刺激,增加细胞因子水平,并触发正反馈循环,导致神经组织病理学变化增加。Itzhaki等表明HSV-1不仅产生淀粉样斑块和NFT的主要成分(高磷酸化tau),而且还干扰阻止这些淀粉蛋白的降解并最终导致它们在AD患者的大脑中累积,从而逐渐促进AD的发生。

    4.2.2 HHV-6

    西奈山伊坎医学院研究者分析了900余名人类大脑样本,结果发现AD患者脑内普遍存在2种疱疹病毒亚型HHV-6A和HHV-7。其中,HHV-6A可以参与多种AD相关风险基因的调控。miR-155是microRNA家族中的重要成员,其功能广泛,参与机体造血细胞的发育分化、免疫细胞的发育分化、炎症反应、免疫应答、肌肉发育以及脂肪分化等许多生物过程。最近miR-155被证实能参与AD的发生发展,与病程中神经元丢失、炎症诱导的神经功能障碍和细胞凋亡有关。

    研究发现HHV-6A能通过抑制miR-155的活性参与AD的发生发展。研究者将AD模型小鼠中miR-155基因敲除,观察缺失miR-155产生的生物学效应。结果表明,与野生型小鼠相比,miR-155敲除鼠在4月龄时脑内积有更多、体积更大的Aβ沉淀。以上事实说明,HHV-6A能通过抑制miR-155的活性加剧AD的发生发展。此外,细胞和小鼠实验均已证实,HSV-1和HHV-6能加速Aβ的沉积,与AD发生相关。除了已证实的HSV-1和HHV-6外,巨细胞病毒和EB病毒也可以在机体免疫抵抗力下降时引起感染,成为老年人认知能力下降和AD进展的危险因素之一。

    4.3 真菌

    口腔真菌感染是一种非特异性感染,与AD相关的主要是由白色假丝酵母菌和光滑假丝酵母菌引起的感染。随着社会老龄化进程加快,系统性真菌感染人数急剧增加,致病菌主要检出于牙周袋、根管、黏膜和义齿组织面(义齿性口炎)。老年人佩戴义齿而易导致酵母菌感染,这或许是系统性疾病的重要来源。

    最新发现,在AD患者的血清中、脑组织中均监测到真菌的存在。在AD患者脑浆中部分细胞的胞质中检测到酵母免疫阳性物质。Williams等在大脑脉络丛、海马体、外部额叶皮质以及脑毛细血管等区域发现了白色假丝酵母菌、热带假丝酵母菌等多种真菌的感染。脑血管病变是AD患者最常见的并发症。这种真菌感染引起的脑血管病变与AD患者中枢神经系统的血管损伤是否存在联系,仍需进一步验证。以上实验数据均说明,AD患者神经元受到真菌感染。并且在临床研究中,采取抗真菌治疗缓解了AD患者的部分病症。

    真菌感染与AD发病之间关系的逐渐明朗,为研究者能否从抗真菌治疗入手,缓解AD患者临床症状,从而达到防治AD的目的提供了理论支持。通过近年来对口腔微生物种群与AD相关发病机制的研究,结果发现,Aβ具有很强的抗菌能力可以保护大脑。因此提出假设,Aβ沉淀只是大脑产生的免疫反应,真正的损害是由侵入大脑的病原体导致的。

    有研究者也提出AD的发生和发展或许不是由特定的致病微生物引起,更可能是由于多种致病微生物种群(如细菌、真菌和病毒)分泌的代谢产物及其引发的系统性炎症,从而引起中枢神经损伤。

    5.展望

    综上所述,国内外大量临床研究表明,口腔微生物或是直接作用于脑神经,或是引起炎症反应进而感染脑组织,亦或是其代谢产物对神经系统造成损害,都对AD这一神经退行性疾病产生了重要影响。而且虽然目前已有研究表明,控制口腔内特种微生物的数量能有效缓解AD的病程,但仍不能从根本上修复已经变性的神经元或终止神经元病变的进程。从病原体致病条件来看,病原微生物致病需要满足2个方面,一是致病菌载量,二是宿主暴露于致病菌的时间条件。

    如此看来,口腔微生物引起AD需要一定数量的致病微生物从口腔随血液穿透血脑屏障,那如何在大脑内大量繁殖而不引发急性炎症就成为一个未解之谜;其次,为何中国有超过90%的老年人都患有牙周病但绝大多数的牙周病患者却没有痴呆症?因此,仍需大量的科学研究工作来探究口腔微生物与AD发病之间的因果关系和具体机制,为AD的临床治疗提供新思路。

编辑: 陆美凤

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