人类胃肠道内充满了多样的微生物群落，对于人类生物学的几乎所有方面至关重要，包括健康、发育、衰老和疾病。随着新的测序技术和培养独立方法的出现，研究人员得以超越相关性研究，向机制探索迈进，以揭示微生物组与宿主的相互作用。研究证据揭示了肠道微生物组与中枢神经系统之间的双向通信，被称为"微生物组-肠道-脑轴"。微生物组-肠道-脑轴是神经胶质细胞功能的重要调节因子，使其成为改善神经退行性疾病发展和进展的可操作靶点。在这篇综述中，作者首先讨论了微生物组-肠道-脑轴在神经退行性疾病中的机制。由于肠道微生物组为微胶质细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞提供了基本线索，因此作者分析了在健康状态和神经退行性疾病中肠道微生物组与这些胶质细胞之间的通信。随后，作者通过代谢物为中心的方法讨论了神经退行性疾病中微生物组-肠道-脑轴的机制，同时还总结了与肠道微生物组相关的神经递质和肠道激素的作用。接下来，文章探讨了以靶向肠道屏障、血脑屏障、脑膜和外周免疫系统为目标，以对抗神经退行性疾病中的胶质细胞功能失调的潜力。后，通过评估益生菌、益生元和粪便微生物移植在神经退行性疾病中的临床前和临床证据来总结。对微生物组-肠道-脑轴的深入理解将促进神经退行性疾病有效治疗干预的发展。

值得一提的是，本文指出：由于技术差异，使用相对丰度的局限性和偏倚风险引起了人们的关切，这可能导致基于比例分析的错误解释。微生物分类单元相对丰度的变化固有地被其余分类单元的相应增加或减少所补偿，从而导致对下游分析产生不利影响的相关性偏差。因此，建议通过定量微生物组分析（绝对定量）来弥补相对定量检测结果的不足。这种方法将更全面地了解基于微生物组的疗法对肠道微生物组和神经退行性疾病病理学的影响。

英文题目：Microbiota–gut–brain axis and its therapeutic applications in neurodegenerative diseases

中文题目：微生物群-肠道-脑轴及其在神经退行性疾病中的治疗应用

发表期刊：Signal Transduct Target Ther.

发表时间：2024-2

背景介绍

微生物一直是人类生活的重要组成部分类宿主与微生物的共同进化建立了一种共生关系，宿主为微生物群提供适宜的环境和养分，而微生物群在体内平衡和疾病期间对宿主产生实质性影响。人体胃肠道 （GI） 中充满了人体中多样化的微生物群落，包括细菌、真菌、病毒和古细菌。在人类肠道中已经鉴定出大约2000种细菌，据估计，肠道微生物群所含的基因是人类基因组的近150倍。肠道微生物组巨大的遗传和代谢潜力支撑着它在人类生物学的几乎每个方面无处不在，包括健康维护、发育、衰老和疾病。

肠道微生物组的生物学重要性从生命的早期阶段就很明显。人体肠道微生物群在出生后发育，有助于新生儿免疫系统的发育。此外，微生物在婴儿胃肠道中的定植使必需氨基酸和维生素的产生成为可能，这在生命的 4 个月左右开始。肠道微生物组在 3-6 岁时逐渐达到类似成人的结构，并在整个成年期保持稳定。成人肠道微生物组的生物学功能包括调节从饮食中获取营养，调节免疫和自身免疫，维持肠道屏障完整性，胆固醇代谢，胆汁酸（BA）的转化，抗菌肽的产生和药物代谢。近的研究表明，人类肠道微生物组是血浆代谢组的主要决定因素，可能比遗传学起着更主要的作用。值得注意的是，生态失调已被公认为衰老的 12 个新标志之一，进一步强调了微生物组的重要性。

越来越多的证据揭示了肠道微生物组和中枢神经系统（CNS）之间的双向通信，被称为“微生物群-肠道-大脑轴”。尽管肠道和大脑在解剖学上是分开的，但已经提出了肠道微生物群与中枢神经系统沟通的几种途径。这些包括通过产生神经活性物质、代谢物和激素来调节免疫系统、迷走神经、肠神经系统 （ENS）、神经内分泌系统和循环系统（图 1）。研究表明，肠道微生物群能够刺激神经递质的产生，包括血清素、多巴胺和γ-氨基丁酸 （GABA）。早期的研究报道了肠道微生物群和中枢神经系统功能之间的相关性，这些研究在很大程度上依赖于简化的动物模型，这些模型不足以阐明潜在的作用机制。然而，新技术和培养独立方法的发展使研究人员能够超越相关研究，转向机理探索，以阐明微生物组与宿主的相互作用。临床和人体研究表明，肠道微生物群在社会行为、抑郁样行为、身体表现和动机的调节中有着复杂的参与。

图1、微生物群-肠-脑轴。肠道微生物组与大脑之间的双向通讯由免疫系统、迷走神经、肠神经系统、神经内分泌系统和循环系统介导。肠道微生物群的改变与自闭症谱系障碍、焦虑、抑郁样行为、身体机能和动机受损以及神经退行性疾病的发展有关。

人们越来越认识到肠道微生物组在神经退行性疾病中的作用。值得注意的是，在阿尔茨海默病（AD）患者和帕金森病（PD）患者中检测到早期微生物组变化。此外，对动物模型的研究提供了令人信服的证据，证明肠道微生物组的改变主要通过调节小胶质细胞功能和激活来驱动神经退行性疾病的发病机制。小胶质细胞活化和神经炎症是神经退行性疾病的病理标志。微生物群-肠-脑轴是神经胶质功能的重要调节因子，使其成为改善神经退行性疾病发展和进展的可操作靶点。

本综述对神经退行性疾病中微生物群-肠-脑轴调控机制的现状进行了更新，特别强调了肠道微生物组和神经胶质细胞（小胶质细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞）之间的相互作用。接下来，作者将讨论肠道微生物群衍生的代谢物、肠道微生物群相关的神经递质和肠道激素在神经退行性疾病中的作用。虽然这些要素是高度相互关联和相互依存的，但作者分别介绍每个要素，以提高清晰度，并就其不同的机制和贡献进行重点讨论。随后，作者研究了靶向肠道屏障、血脑屏障 （BBB）、脑膜和外周免疫系统以调节微生物群-肠-脑轴，并抵消神经胶质功能障碍和神经退行性变的潜力。后，作者评估了益生菌、益生元和粪菌移植（FMT）在神经退行性疾病中的临床前和临床证据。此外，作者还简要介绍了目前对小胶质细胞在神经退行性疾病中的作用的理解。

小胶质细胞在神经退行性疾病中的作用

小胶质细胞是中枢神经系统的主要先天免疫细胞，占中枢神经系统细胞的近10%。尽管小胶质细胞被错误地认为是中枢神经系统疾病的旁观者，但它们具有多种对中枢神经系统发育、体内平衡和疾病至关重要依赖性功能。在正常条件下，小胶质细胞有助于调节许多生理功能，包括神经发生，血管生成，维持血脑屏障完整性，突触修剪和重塑，突触传递，髓鞘健康，以及吞噬作用和凋亡神经元和细胞碎片的去除。小胶质细胞通过唤起广泛的细胞改变来恢复体内平衡，积极调查并迅速响应中枢神经系统中的各种环境扰动。

小胶质细胞在AD中的重要性在近的时空分析中得到了清楚地说明。在三种主要的神经胶质细胞类型（小胶质细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞）中，小胶质细胞是 β-淀粉样蛋白 （Aβ） 斑块的初级应答者，并积聚在斑块附近 （<10 μm）。几项全基因组关联研究 （GWAS） 也表明小胶质细胞是表达 AD 基因的主要细胞类型。此外，越来越多的证据表明小胶质细胞与帕金森病的发病机制有关。对帕金森病患者腹侧中脑的尸检分析显示，具有阿米巴形状的小胶质细胞数量显著增加，提示激活状态。重要的是，研究已经确定了 PD 风险变异与小胶质细胞之间的显著关联。然而，在人类黑质 （SN） 的单核转录组图谱中报告了相互矛盾的结果，该图谱发现 PD 风险与小胶质细胞或星形胶质细胞之间没有关联，强调了进行更多综合研究的必要性。另一方面，肌萎缩侧索硬化症 （ALS） 脊髓的死后转录组学分析报告称，由小胶质细胞和星形胶质细胞驱动的炎症反应增加。同样，小胶质细胞参与额颞叶痴呆（FTD）和亨廷顿病（HD）也有充分的记录。

小胶质细胞的核心功能是有效识别和吞噬蛋白质聚集体和细胞碎片，而不会破坏周围组织以维持中枢神经系统稳态。小胶质细胞的吞噬活性对于去除 Aβ、tau和α-突触核蛋白至关重要。然而，在衰老和神经退行性疾病期间，小胶质细胞吞噬活性变得功能失调，导致有毒化合物的逐渐积累和认知能力下降。此外，小胶质细胞吞噬应激但有活力的神经元过度活跃会导致神经元丢失和神经退行性变。已经确定了几种小胶质细胞吞噬作用的调节因子，包括但不限于酪氨酸激酶结合蛋白（TYROBP）、在髓样细胞上表达的触发受体 2-载脂蛋白 E （TREM2-APOE） 通路、脾酪氨酸激酶（SYK）、经典补体系统、嘌呤能系统、唾液酸结合免疫球蛋白样凝集素（Siglecs）（CD22和CD33），TAM系统和机械传感器Piezo1。

小胶质细胞活化的机制

已经发现了几种遗传上不同的小胶质细胞亚型，因为它们对大脑微环境中的信号做出反应，即稳态小胶质细胞和“疾病相关小胶质细胞”（DAM）或“小胶质细胞神经退行性表型”（MGnD）。DAM首先在5xFAD小鼠模型中被发现，该模型是一种淀粉样蛋白模型，具有五个与家族性AD相关的突变，并被发现聚集在Aβ斑块附近。从稳态状态到DAM的转变与稳态标志物的下调和AD和其他神经退行性疾病（包括APOE、TREM2和TYROBP）相关基因的上调有关。1 期 DAM 代表一种短暂的功能性亚型，具有由TREM2非依赖性机制引发的更高吞噬能力，而2期DAM代表一种功能失调状态，有助于由TREM2 依赖性机制引发的AD病理学。这种转变还导致了相当大的形态变化，将小胶质细胞从具有高度分枝延伸的薄细胞体转变为具有较少分支的阿米巴样细胞（图2）。

图2、小胶质细胞活化和神经退行性变。衰老通过激活环状GMP-AMP 合酶 （cGAS）干扰素基因刺激因子（STING）信号通路来诱导小胶质细胞活化。错误折叠的蛋白质和蛋白质聚集体通过损害小胶质细胞自噬来诱导小胶质细胞活化。1期DAM 代表一种短暂的功能性亚型，具有由TREM2非依赖性机制引发的更高吞噬能力，而2期DAM代表由TREM2依赖性机制启动的功能失调状态。小胶质细胞脾酪氨酸激酶（SYK）信号转导提供代谢支持，促进小胶质细胞过渡到2期DAM。适应不良的小胶质细胞-T细胞信号转导通过释放神经毒性因子来驱动神经退行性变。小胶质细胞活化会产生前馈恶性循环，加剧神经退行性变，因为活化的小胶质细胞有助于蛋白质聚集体传播到未受影响的大脑区域。

近一项针对自然衰老小鼠的研究发现，在没有额外触发因素的情况下，环状 GMP-AMP合酶（cGAS）-干扰素基因刺激因子（STING）信号通路的激活足以通过触发反应性小胶质细胞转录状态来促进与衰老相关的炎症和神经退行性变。cGAS-STING信号通路是一种先天免疫感应系统，能够驱动急性和慢性低度炎症，这是神经退行性病变发展的核心。此外，在5xFAD小鼠中，小胶质细胞有效转变为DAM表型和小胶质细胞增殖以响应Aβ斑块需要完整的自噬。自噬基因Atg7的缺失导致小胶质细胞与 Aβ斑块结合的能力受损并促进小胶质细胞衰老，这可以通过施用抗衰老药物来逆转。然而，小胶质细胞的转录状态仍不完全清楚，因为小胶质细胞可能同时对大脑中的多种病理刺激做出反应。例如，小胶质细胞在对髓鞘功能失调的5xFAD小鼠的淀粉样蛋白病理学和髓鞘损伤做出反应时采用两种不同的 DAM 表型，这可能反映了衰老大脑的病理状态。

另外两项研究确定了一种关键的小胶质细胞活化细胞内调节剂，它作用于TREM2 和 CD33 的下游以抵消Aβ的问题。小胶质细胞SYK信号转导通过磷酸肌醇3-激酶（PI3K）-AKT-糖原合酶激酶-3β（GSK-3β）-雷帕霉素（mTOR）通路的哺乳动物靶标提供代谢支持，从而实现对 Aβ 的有效小胶质细胞反应，使小胶质细胞获得完整的 DAM表型。SYK信号转导的缺失干扰了Aβ斑块周围的小胶质细胞聚集、小胶质细胞向DAM表型的转变以及5xFAD小鼠暴露于Aβ后的吞噬作用。相反，通过造血细胞移植用循环衍生的髓系细胞替换小鼠的突变小胶质细胞可有效恢复小胶质细胞对Aβ斑块的激活。这种效应归因于小胶质细胞SYK信号转导和DAM转录程序的恢复。

小胶质细胞介导的神经炎症

在多种小胶质细胞功能中，小胶质细胞介导的神经炎症因其在健康和疾病中的复杂和动态作用而受到关注。早期神经炎症具有保护作用，因为它可以促进组织修复、细胞碎片和病原体清除。此外，早期神经炎症已被证明是小胶质细胞的一种适应性机制，通过降低Aβ和tau的水平来预防AD病理学。同样，在ALS小鼠模型中，早期小胶质细胞激活有助于清除神经元人TAR DNA结合蛋白43（hTDP-43）和运动神经元恢复。然而，小胶质细胞会失去其稳态分子特征，并随着年龄的增长或病理状况而逐渐被激活，转变为独特的疾病相关表型，并持续释放促炎细胞因子和趋化因子。慢性小胶质细胞活化导致持续的低度神经炎症，对神经元和突触有害，导致神经退行性变。事实上，神经炎症和小胶质细胞活化是神经退行性疾病的一致特征，包括 AD、PD、HD、FTD和ALS。

大量研究报道了错误折叠的蛋白质和蛋白质聚集体，包括 tau、Aβ、α-突触核蛋白、突变亨廷顿蛋白、TDP-43、超氧化物歧化酶 1（SOD1），以及融合在肉瘤 （FUS）中诱导小胶质细胞活化和神经炎症。蛋白质聚集体诱导的自噬缺陷已被证明是小胶质细胞活化的主要驱动因素（图2）。长期暴露于Aβ会诱导溶酶体功能障碍，导致小胶质细胞活化，从而损害小胶质细胞自噬。自噬缺陷通过抑制DAM发育和诱导小胶质细胞衰老来破坏小胶质细胞对Aβ的反应。此外，功能性小胶质细胞自噬的丧失是有害的，因为它加剧了PS19 tau转基因小鼠的tau病理学和扩散。活化的小胶质细胞还释放趋化因子，通过改变HD和tau疾病小鼠中的神经元趋化因子受体5型 （CCR5）-mTORC1-自噬途径来破坏神经元自噬。

在PD模型中，α-突触核蛋白通过触发toll样受体4（TLR4）依赖性p38丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）磷酸化和激活AKT-mTOR信号级联来抑制小胶质细胞自噬。这导致了一个自我延续的循环，进一步加剧了帕金森病的神经炎症，因为自噬受损的小胶质细胞具有升高的促炎反应并失去清除α-突触核蛋白的能力，从而导致神经退行性变。C9orf72突变是ALS和FTD的主要遗传原因，可破坏小胶质细胞自噬并触发人诱导的多能干细胞衍生小胶质样细胞（hiPSC-MG）中NLRP3炎症小体和核因子-κB（NF-κB）信号传导的持续激活。功能失调的小胶质细胞自噬会加重兴奋性毒性损伤后小胶质细胞-运动神经元共培养的运动神经元死亡，这是ALS的关键病理机制。终，这些蛋白质聚集体对小胶质细胞的激活会产生前馈恶性循环，加剧神经退行性变，因为活化的小胶质细胞有助于将tau、Aβ、α-突触核蛋白和TDP-43传播到未受影响的大脑区域。

近，小胶质细胞、tau蛋白病、APOE 和 T 细胞在驱动神经退行性变异中的相互作用已被阐明。APOE 是一种脂质和胆固醇转运蛋白，具有许多与中枢神经系统相关的功能，包括调节小胶质细胞和星形胶质细胞功能、脑血管完整性、BBB 完整性、髓鞘动力学和神经元网络活性。APOE 以三种亚型存在，即 APOE2、APOE3 和 APOE4，其中APOE4亚型已被确定为晚发性AD的强遗传风险因素。研究表明，APOE4通过诱导小胶质细胞和星形胶质细胞活化来驱动Aβ和tau介导的神经变性。此外，APOE4遗传背景驱动α-突触核蛋白病理学和神经退行性变的加速扩散。

鉴于AD的tau而不是Aβ病理学与脑萎缩之间的强相关性，比较了淀粉样蛋白沉积APP/PS1-21（A/PE4）和5xFAD（5xE4）小鼠与表达人APOE4的P301S tau转基因 （TE4）小鼠的免疫反应。有趣的是，仅在发生脑萎缩区域的TE4小鼠中，T细胞的数量显著增加，并且这种增加与小胶质细胞的数量呈正相关。对T细胞的进一步测序分析显示，TE4小鼠携带活化的CD8+ T细胞增加并减少耗竭的T细胞，这表明T细胞活化驱动tau介导的神经退行性变异。该研究还表明，使用细胞耗竭治疗干扰活化的小胶质细胞和T细胞之间的免疫中枢可减轻tau介导的神经退行性变异。小胶质细胞耗竭减少了TE4小鼠的 CD3+ 和 CD8+ T细胞并减弱了tau病理学。相反，T细胞耗竭诱导小胶质细胞从活化状态转变为稳态状态，同时TE4小鼠的tau病理学减少。这些发现与近的一项研究一致，该研究报道了小胶质细胞和CD8+ T细胞在加剧神经元和神经胶质损伤方面的有害协同作用。

类似的适应不良小胶质细胞-T细胞信号转导也驱动α突触核蛋白驱动的PD小鼠模型中的神经退行性变异，该模型在T细胞的基因敲除或药理学耗竭后得到改善。此外，中枢神经系统中T细胞的浸润驱动两种不同的ALS小鼠模型（hSOD1G93A 和 TDP-43A315T小鼠）中的小胶质细胞和星形胶质细胞活化。通过使用那他珠单抗减少免疫细胞浸润，并伴有运动神经元变性减少、麻痹延迟发作和延长生存期，在很大程度上可以防止这些病理变化。总之，这些数据表明，小胶质细胞-T细胞信号传导为解决神经炎症和神经退行性疾病提供了一条前瞻性的途径。

神经退行性疾病中的微生物群-肠-脑轴

肠道微生物群与小胶质细胞之间的相互作用

小胶质细胞和肠道微生物群之间的相互作用始于生命早期。近的一项研究表明，早期服用广谱抗生素混合物导致青春期小鼠小胶质细胞形态和髓鞘相关基因表达改变，并伴有焦虑样和强迫样行为。在宿主的整个生命周期中，肠道微生物组在健康和疾病期间为小胶质细胞提供基本信号。值得注意的是，在神经元和神经胶质细胞中，小胶质细胞容易受到肠道微生物组改变的影响。

在稳态条件下，肠道微生物组负责通过短链脂肪酸（SCFA）释放来调节小胶质细胞的成熟和活化。有研究发现，无菌（GF）小鼠和抗生素治疗的小鼠在受到脂多糖（LPS）和淋巴细胞性脉络丛脑膜炎病毒（LCMV）感染的攻击时，小胶质细胞免疫反应受损。然而，小胶质细胞缺陷和不成熟通过复合微生物群和短链脂肪酸补充的重新定植得到部分恢复。在随后的研究中，Erny 等人发现宿主微生物群调节小胶质细胞线粒体功能，并确定乙酸盐是GF小鼠中主要的SCFA拯救小胶质细胞稳态。此外，肠道微生物群在衰老过程中促进小胶质细胞向DAM表型的转变中发挥作用，因为无特异性病原体（SPF）年龄小鼠的DAM相关基因表达高于GF年龄小鼠。抗生素诱导的肠道微生物群耗竭刺激单核细胞池的整体减少，并促进单核细胞向促炎状态过渡。免疫激活增强与小胶质细胞激活、海马突触传递受损和胆碱能伽马振荡相结合。其他证据表明，用膳食纤维重塑高脂肪饮食（HFD）喂养的肥胖小鼠的肠道微生物组，通过减轻小胶质细胞成熟缺陷，成功地减轻了其后代的认知和社会障碍。在后代中补充醋酸盐和丙酸盐的短链脂肪酸可促进小胶质细胞成熟并减少母体肥胖引起的认知缺陷。

除了调节小胶质细胞稳态外，肠道微生物群衍生的代谢物在触发小胶质细胞死亡方面也起着至关重要的作用。在衰老过程中，肠道微生物代谢物异戊胺（IAA）水平升高通过激活 S100 钙结合蛋白 A8（S100A8）信号传导来穿过 BBB 并诱导小胶质细胞凋亡。具体而言，在老年小鼠和老年人的肠道中观察到瘤胃球菌科丰度增加和瘤胃球菌科靶向噬菌体家族 Myoviridae 减少，导致IAA增加。IAA与S100A8的启动子区域结合并中断其发夹结构，促进p53进入S100A8启动子区域。该研究进一步表明，IAA给药诱导了年轻小鼠的认知能力下降，而IAA的减少减轻了老年小鼠的神经元损失和认知缺陷。

在本节中，作者介绍了肠道微生物群和小胶质细胞在不同神经退行性疾病中相互作用的证据。

阿尔茨海默病。越来越多的证据表明，阿尔茨海默病患者肠道微生物群和小胶质细胞之间存在相互作用。在三重转基因AD（3xTg-AD）小鼠模型中，AD病理学的发展，包括Aβ斑块、过度磷酸化tau、突触功能障碍和小胶质细胞激活似乎受到肠道微生物组的影响。这是显而易见的，因为与GF 3xTg-AD小鼠相比，SPF 3xTg-AD小鼠表现出更大的AD病理。重要的是，从AD患者到GF 3xTg-AD小鼠的FMT恢复了主要的AD病理和小胶质细胞活化。

在GF和抗生素治疗的淀粉样变性APP / PS1小鼠中也有类似的发现。据报道，GF 条件可防止APP中的Aβ病理学和小胶质细胞活化的（APP/PS1-21）小鼠。然而，从12月龄常规饲养的APP / PS1-21小鼠到4月龄的GF APP / PS1-21小鼠的FMT后，这种保护作用减弱。在使用长期（5周）和短期（7天）抗生素治疗导致肠道菌群耗竭后的APP/PS1-21中也观察到类似的趋势。在7周龄的雄性APP / PS1-21小鼠中，使用抗生素混合物对肠道微生物组进行长期扰动导致Aβ沉积减少，斑块定位小胶质细胞减少，小胶质细胞转录谱改变（稳态小胶质细胞基因增加，MGnD基因减少）。有趣的是，这些效应在雌性小鼠中不存在，这表明它们对肠道微生物组操纵的反应存在潜在的性别二态性。重要的是，在年龄匹配的雄性APP/PS1-21小鼠的3周FMT后，抗生素治疗的雄性小鼠的AD病理学部分恢复。

近，越来越多的研究表明存在微生物发育的关键窗口，在此期间，肠道微生物组的早期生命调节对生理学的不同方面具有持久的影响。为了进一步验证肠道微生物组在AD中的时间特异性作用，Dodiya等人使用从出生后第14天到第21天的短期7天抗生素治疗重复了实验，并在9周龄时处死了小鼠。与他们之前的研究结果一致，短期抗生素治疗有效降低了雄性APP/PS1-21小鼠的Aβ病理学、减少DAM群体和小胶质细胞敏感基因的表达，这些基因被来自年龄匹配小鼠的FMT逆转。有趣的是，使用集落刺激因子1受体抑制剂PLX5622的小胶质细胞耗竭减轻了抗生素治疗对淀粉样变性的保护作用。这些结果表明，小胶质细胞是Aβ病理学中微生物群-肠-脑轴的重要介质。

同样，肠道微生物群是5xFAD小鼠小胶质细胞激活所必需的。5xFAD小鼠模型表达5种家族性AD突变，早在2月龄时出现Aβ积累和胶质增生，4月龄时出现突触变性，早在4-5月龄时出现认知障碍。结果发现，使用5个月抗生素治疗的肠道微生物群消融通过减少免疫细胞浸润来阻止7个月大的5xFAD小鼠的小胶质细胞活化。此外，5个月的抗生素治疗通过抑制CCAAT/增强子结合蛋白β/天冬酰胺内肽酶（C/EBPβ/AEP）信号传导，缓解了6.5个月大的5xFAD小鼠的AD病理和小胶质细胞激活。

肠道微生物组参与促进小胶质细胞活化在tau介导的神经退行性变中也很明显。近的一项研究证明了AD中肠道微生物群、tau和APOE之间的相互作用，Seo及其同事对P301S tau转基因小鼠进行了基因工程改造，以表达人类APOE的不同亚型（APOE3和APOE4），并在常规或GF环境中饲养它们。与表达人APOE4的常规饲养的P301S小鼠（TE4小鼠）相比，它们的GF对应物显示出神经退行性变异（脑萎缩）和神经炎症（小胶质细胞和星形胶质细胞活化）的迹象减少。然而，来自性别匹配的常规饲养的TE4小鼠的FMT减轻了GF条件的神经保护作用，表明肠道微生物群是导致tau介导的神经退行性变出现的原因。为了进一步研究肠道微生物群的作用，研究人员通过从出生后第16天到第22天的短期抗生素治疗诱导早期肠道微生物群扰动，并在40周龄时处死小鼠。有趣的是，他们观察到性别依赖性和APOE亚型依赖性神经保护，因为抗生素治疗的神经保护作用在表达人APOE3的雄性小鼠（TE3小鼠）中更为明显。tau病理学中微生物组扰动的性别依赖性神经保护作用让人想起在淀粉样蛋白病理学中观察到的，强调了未来研究考虑性别影响的必要性。

衰老是神经退行性疾病的主要危险因素，这是神经病理学终生积累的结果。值得注意的是，百岁老人的肠道微生物组与“类似年轻人”的特征（炎症病原体的消耗和有益共生体的富集）有关，显示出与年轻人的高度相似性。为了研究获得“类似青春”的微生物群是否可以恢复衰老诱导的神经认知和免疫损伤，Boehme等人比较了FMT从年轻（3-4个月;yFMT）或老年（19-20个月;oFMT）小鼠到老年受体小鼠的影响。海马转录组分析显示，yFMT逆转了衰老诱导的老年小鼠6个小胶质细胞Sensome基因表达的改变。这些基因包括 Trem2、Dap12、C1qb、Fcgr2b、Gpr84 和 Tlr13。值得注意的是，DAP12，也称为 TYROBP，是一种含有免疫受体酪氨酸激活基序 （ITAM） 的跨膜接头，与TREM2相关。Dap12和Apoe是小胶质细胞从稳态向DAM表型转变过程中强烈上调的基因之一。另一方面，补体成分1q（C1q）是主要由大脑中的小胶质细胞产生的经典补体途径的起始蛋白。对P301S tau转基因小鼠和携带斑块小鼠模型的研究表明，C1q与突触结合并促进突触的小胶质细胞吞噬作用。近的证据还表明，P301S小鼠中的补体依赖性突触消除涉及小胶质细胞和星形胶质细胞之间的协调作用。

总而言之，来自不同小鼠模型的证据一致强调了微生物群-肠-脑轴在AD病理学中的重要性。

帕金森病。尽管胃肠道症状和肠道微生物群改变在帕金森病患者中很常见，但连接肠道微生物组和帕金森病的潜在机制直到近才被揭开。第一个佐证来自Sampson等人的研究，该研究表明，α-突触核蛋白过表达（ASO）小鼠中α-突触核蛋白病理学、小胶质细胞激活和运动缺陷的发展似乎受到肠道微生物组的影响。这是显而易见的，因为与GF和抗生素治疗的小鼠相比，SPF ASO小鼠表现出更大的PD病理。重要的是，从PD患者到GF ASO小鼠的FMT恢复了主要疾病特征，包括α-突触核蛋白介导的运动功能障碍。在另一项研究中，过表达 α-突触核蛋白的转基因大鼠随着年龄的增长表现出进行性的肠道菌群失调，而短期抗生素治疗减轻了前脑中α-突触核蛋白的表达。此外，来自1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（MPTP）处理的小鼠的FMT诱导健康小鼠的运动障碍和神经递质丢失。相反，来自健康小鼠的FMT改善了MPTP诱导的小鼠的肠道菌群失调和PD病理，包括肠道炎症，神经胶质激活，神经递质异常和运动功能障碍。此外，慢性鱼藤酮给药后胃肠道功能障碍和运动症状的发展仅发生在常规饲养的小鼠中，而不发生在GF小鼠中。这些研究证实了微生物群-肠-脑轴在帕金森病发病机制中的重要性。

肌萎缩侧索硬化症。肌萎缩侧索硬化症的运动神经元损伤被认为是由多种相互作用的病理生理机制引起的，包括神经胶质功能障碍和神经炎症。与AD和PD相比，肠道菌群在ALS中的作用仍然相对不足。然而，越来越多的证据表明，在ALS患者和动物模型中，肠道微生物组的改变和肠道屏障完整性受损。

值得注意的是，在模型小鼠的病程中观察到Akkermansia muciniphila的丰度逐渐减少，并且细菌产生烟酰胺（NAM）减少。相反，补充 A. muciniphila 与脊髓中运动神经元的增加、运动功能的改善、脑萎缩的减少和寿命的延长有关。肠道微生物组也与C9orf72功能密切相关。C9orf72 基因中的六核苷酸（GGGGCC）重复扩增已被确定为ALS和FTD的主要遗传原因。研究发现，肠道微生物群是不同环境中饲养的C9orf72突变小鼠疾病严重程度和小胶质细胞激活的有效调节剂。具体而言，与在促生存环境饲养的小鼠相比，在促炎环境饲养的小鼠表现出显著不同的肠道微生物群组成，更大的自身免疫和炎症表型，小胶质细胞激活和更短的寿命。重要的是，来自促生存环境饲养的小鼠的FMT显著改善了促炎环境饲养小鼠的自身免疫和炎症表型。

在SOD1突变模型小鼠中观察到肠道微生物组的改变，在脊髓中运动功能障碍，肌肉萎缩和免疫细胞激活之前。此外，肠道菌群失调先于人相关蛋白在结肠和肠道中的聚集，以及小鼠 ENS 功能障碍的发展。这些研究表明早期微生物对ALS疾病病理学的贡献。

有趣的是，关于ALS小鼠模型中肠道微生物群耗竭的后果，已经报告了相互矛盾的结果。研究表明，抗生素治疗在改善ALS病理方面具有有益作用。抗生素治疗已被证明可以抑制SOD1突变小鼠肠道中SOD1的聚集，同时改善肠道神经肌肉功能。在C9orf72突变小鼠中观察到类似的有益作用。在炎症发生之前或之后给予抗生素，有效地抑制了C9orf72-/-小鼠炎症和自身免疫表型的出现。此外，终生抗生素给药可防止脊髓内浸润性髓样细胞的积累和小胶质细胞活化。

然而，在SOD1变异小鼠中也报告了抗生素治疗的有害影响。长期抗生素治疗诱导脊髓运动神经元死亡和脑萎缩，从而加剧小鼠的运动异常。此外，抗生素诱导的生态失调通过下调脊髓中的稳态小胶质细胞基因和上调 MGnD 特征显著恶化了小鼠的疾病进展。有必要进行进一步的研究，以了解肠道微生物组的作用以及肠道微生物群耗竭对ALS的影响。

亨廷顿舞蹈症。亨廷顿舞蹈症是一种常染色体显性遗传性神经退行性疾病，由亨廷顿蛋白（HTT）基因中的CAG重复扩增引起。这导致突变亨廷顿蛋白在脑细胞（包括神经元、小胶质细胞和星形胶质细胞）中的错误折叠和积累。除了运动、认知和精神异常外，亨廷顿舞蹈症患者还会经历一系列胃肠道紊乱，包括营养缺乏、腹泻和意外体重减轻。然而，直到近，在临床前HD模型和HD患者中才发现肠道菌群失调，并且仍然缺乏检查肠道微生物群和小胶质细胞之间相互作用的研究。

肠道菌群失调的初证据来自HD的R6/1转基因小鼠模型。R6/1小鼠和野生型（WT）小鼠在12周龄（疾病早期）的肠道微生物群组成存在显著差异，这与运动缺陷和体重减轻的表现相吻合。在R6/2小鼠中还检测到235个肠道菌群失调和肠道屏障损伤。结果发现，与年龄匹配的WT小鼠相比，R6/2小鼠在16周龄（疾病早期-中期）表现出增加的肠道通透性增加和结肠长度减少。此外，与WT小鼠相比，R6/1和R6/2小鼠中拟杆菌门的相对丰度较高，厚壁菌门的相对丰度较低。然而，目前研究的一个显著局限性是缺乏代谢组学分析，这极大地阻碍了作者对调节亨廷顿舞蹈症发病机制的代谢物的理解。

近一项关于HD基因扩增携带者（HDGECs）的研究发现，与年龄匹配和性别匹配的健康对照组相比，肠道微生物组发生了改变。此外，Eubacterium hallii丰度的降低与运动缺陷的严重程度增加有关。E. hallii是一种主要的丁酸盐生产物种，对健康有重要影响，其枯竭与多种疾病有关。此外，E. hallii也被证明会影响BA代谢。然而，该研究没有观察到拟杆菌门的增加和厚壁菌门的减少，正如在R6/1和R6/2小鼠中报告的那样

有趣的是，肠道菌群失调的程度似乎受到小鼠性别的影响。这种差异在雄性 R6/1 小鼠中很明显，在8周龄时，雄性R6/1小鼠的肠道微生物群改变比雌性R6/1小鼠更大。此外，仅在14周龄的雄性R6/1小鼠中，乙酸盐的血浆水平升高。在FMT的应用中观察到类似的性二态性。近的一项研究将WT小鼠对R6/1小鼠进行FMT，发现与雌性R6/1小鼠相比，雄性R6/1小鼠对FMT植入表现出更大的抵抗力。因此，与雌性小鼠相比，雄性R6/1小鼠的认知功能没有明显的改善。然而，FMT在改善R6/1小鼠的肠道功能障碍和运动功能方面无效。

肠道微生物群和星形胶质细胞之间的相互作用

星形胶质细胞是中枢神经系统中丰富的神经胶质细胞，具有不断扩大的功能库，使其成为日益感兴趣的研究对象。星形胶质细胞是维持中枢神经系统稳态不可或缺的一部分，其功能的任何中断都会导致神经病理学的发展。重要的是，越来越多的研究揭示了星形胶质细胞和小胶质细胞之间的双向信号传导在驱动神经炎症和神经退行性变中的作用。

新出现的证据阐明了肠道微生物群和星形胶质细胞在健康和疾病方面的交流。例如，肠道微生物群将色氨酸代谢成各种吲哚衍生物，这些衍生物充当星形胶质细胞和小胶质细胞中表达的芳烃受体（AHR）的配体。在多发性硬化症的实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）小鼠模型中，AHR 激活抑制NF-κB信号传导并抑制CNS炎症。此外，吲哚-3-丙酸的施用减弱了缺血性中风小鼠模型中神经毒性反应性A1星形胶质细胞的活性。此外，肠道微生物群通过促进抗炎性肿瘤坏死因子相关的细胞凋亡诱导配体阳性（TRAIL+）星形胶质细胞和通过TRAIL死亡受体5（DR5）信号传导诱导T细胞凋亡来参与限制神经炎症。

近的一项体外研究发现，丁酸盐以胞质Ca2+依赖性方式刺激星形胶质细胞释放三磷酸腺苷，这表明存在值得进一步探索的潜在神经保护机制。星形胶质细胞钙信号传导是重要生理功能的基础，其失调与神经炎症和神经退行性变有关。肠道微生物群操纵也与星形胶质细胞增殖和功能的改变有关。然而，由于缺乏表征星形胶质细胞的工具，这些研究受到限制，并且在很大程度上依赖于胶质纤维酸性蛋白（GFAP）密度测定法，该法对星形胶质细胞的见解和表征有限。建议谨慎地将GFAP+细胞数量的增加解释为反应性星形胶质细胞的增加，因为GFAP含量本身并不是其反应性或功能改变的明确指标。

阿尔茨海默病。肠道微生物群操纵对AD星形胶质细胞的影响直到近才出现。肠道微生物群扰动也被证明可以减少反应性星形胶质细胞病，促进星形胶质细胞向更稳态的状态转变，并防止淀粉样变性和tau介导的神经变性。有趣的是，这些影响似乎在雄性小鼠中更为突出。星形胶质细胞对肠道微生物组扰动反应的性别二态性让人想起小胶质细胞中的性别二态性，进一步强调了未来研究解释性别影响的重要性。然而，在微生物群恢复和补充SCFA后，肠道微生物群耗竭的神经保护作用减弱。特别是，来自年龄匹配的对照小鼠的FMT恢复了抗生素治疗的APP / PS1-21小鼠的星形胶质细胞增生，而补充SCFAs恢复了GF TE4小鼠的神经胶质增生和tau病理学。虽然是初步的，但这些在动物身上的发现表明，肠道微生物组参与促进AD病理的发展和进展，包括星形胶质细胞反应的调节。

帕金森病。作者对星形胶质细胞功能障碍和促炎神经胶质反应在 PD 发病机制中的作用的理解正在扩大。通过FMT、饮食干预和益生菌给药改善MPTP诱导的小鼠肠道菌群失调已被证明可以缓解神经炎症和多巴胺能神经元丢失。这些作用归因于神经胶质活化的减少，以及代谢物和神经递质异常的恢复。此外，发现来自健康人类对照的FMT减轻了MPTP诱导的MPTP诱导的小鼠的生态失调和神经毒性，而来自PD患者的FMT加剧了这些病理。综上所述，这些发现证实了肠道微生物群在驱动神经胶质激活和神经病理学方面的贡献作用。

肠道微生物群与少突胶质细胞之间的相互作用

少突胶质细胞是中枢神经系统中形成髓鞘的神经胶质细胞，可使轴突髓鞘化以促进轴突传导并为轴突提供代谢支持。少突胶质细胞的轴突支持功能对于维持运动、感觉和认知功能至关重要。尽管少突胶质细胞病理学在脱髓鞘疾病中被广泛探索，但越来越多的证据表明它参与了神经退行性疾病的发病机制，包括AD、PD、ALS和HD。

阐明肠道微生物组和少突胶质细胞之间相互作用的研究直到近才出现。值得注意的是，肠道微生物组已被证明可以调节少突胶质细胞的成熟和髓鞘的产生。肠道微生物组的扰动，包括GF条件和抗生素治疗，已被证明通过诱导少突胶质细胞成熟和上调髓鞘相关基因来触发前额叶皮层的过度髓鞘形成。重要的是，断奶后用常规微生物群定植改善了GF小鼠的这些改变。此外，丁酸盐的前药三丁腈素的给药挽救了抗生素治疗小鼠的髓鞘失调和行为缺陷。丁酸盐对少突胶质细胞的有益作用在铜酮和溶血卵磷脂诱导的脱髓鞘中同样明显。此外，肠道微生物群促进膳食酪氨酸转化为4-乙基苯酚（4EP），4-乙基苯酚（4EP）进一步硫酸化成4-乙基苯基硫酸盐，可以进入大脑。GF小鼠与产生4EP的细菌定植导致少突胶质细胞成熟和神经元髓鞘形成减少，终促进焦虑样行为和社会沟通改变。然而，在其他神经退行性疾病的背景下，这些调节对少突胶质细胞功能的具体影响仍有待澄清。鉴于人们越来越认识到小胶质细胞-少突胶质细胞相互作用和星形胶质细胞-少突胶质细胞相互作用在调节髓鞘健康方面的相互作用，作者预计肠道微生物组可能通过调节小胶质细胞和星形胶质细胞对少突胶质细胞产生影响，因此表明需要进一步研究。

还应重点放在少突胶质细胞前体细胞（OPC）上。除了它们在成熟为有髓鞘少突胶质细胞中的典型作用外，近的证据表明，OPC还参与调节中间神经元的适当引导、轴突再生、血管生成和炎症过程。抗生素的给药已被证明会损害溶血卵磷脂诱导的脱髓鞘后的OPC分化，导致脱髓鞘病变内分化的少突胶质细胞减少。然而，与SPF对应物相比，铜酮处理的GF小鼠的OPC分化和髓鞘再生程度没有改变。这些发现强调了微生物组扰动对OPCs的复杂性以及进一步研究的必要性，包括它们与其他神经退行性疾病的相关性。

神经退行性疾病中的肠道菌群衍生代谢物

肠道微生物群通过细菌从头代谢和修饰宿主衍生分子产生各种代谢物，从而促进宿主生理学和大脑健康。在这篇综述中，作者使用以代谢物为中心的方法讨论了神经退行性疾病中微生物群-肠-脑轴的机制。具有特定生物合成能力的物种的存在并不能保证体内生产药理学相关数量的下游代谢物。此外，多种肠道微生物可以产生相同的代谢物。因此，通过功能性代谢透镜（以代谢物为中心）检查肠道微生物群，而不是关注分类学或系统发育方面，对于了解微生物群和宿主之间错综复杂的相互作用更有价值。

短链脂肪酸可减轻神经炎症和神经退行性变

肠道微生物群的微生物发酵活性对于从不可消化的膳食纤维中产生短链脂肪酸（包括丁酸盐、乙酸盐和丙酸盐）至关重要。短链脂肪酸是由一到六个碳原子组成的饱和脂肪酸。在人体内发现的主要短链脂肪酸是乙酸盐（C2）、丙酸盐（C3）和丁酸盐（C4），它们占总短链脂肪酸库的~95%。许多研究已经说明了短链脂肪酸与人体生理过程之间的联系，包括免疫力、肠道稳态、胆固醇代谢以及葡萄糖稳态和能量平衡的控制。

SCFAs通过作为G蛋白偶联受体（GPCRs）的内源配体发挥其生理活性，并通过抑制组蛋白脱乙酰酶（HDACs）调节基因表达。GPCR是大的细胞表面受体蛋白家族，调节不同的生理和病理过程，因此是药物开发研究深入的靶点之一。此外，GPCR在使神经系统能够准确地对外部刺激和内部状态做出反应方面起着关键作用。SCFAs是GPCR子集的内源配体，包括GPR43和GPR41，随后分别更名为游离脂肪酸受体2（FFAR2）和FFAR3。SCFA激活的另一个重要的GPCR是GPR109A，也称为羟基羧酸受体2（HCAR2），它由丁酸盐和β-D-羟基丁酸酯激活。据报道，FFAR2缺陷的SPF小鼠出现了类似于GF小鼠的小胶质细胞缺陷。此外，一项体外研究表明，乙酸盐通过上调GPR41水平和抑制ERK/JNK/NF-κB信号通路，在Aβ诱导BV-2小胶质细胞中发挥抗炎作用。

另一方面，HDAC是控制基因表达的表观遗传调控机制的一部分。HDAC的组蛋白去乙酰化通过诱导封闭的染色质结构与转录抑制有关。失调的表观遗传调控以及随之而来的对基因表达和细胞过程的影响是衰老和与年龄相关的人类病理学（包括神经退行性疾病）的重要因素。在短链脂肪酸中，丁酸盐是有效的HDAC抑制剂，通常被认为可抑制I类HDAC（HDAC1、-2、-3和-8）和IIa类HDAC（HDAC4、-5、-7和-9）的活性，但不能抑制IIb类HDAC（HDAC6和HDAC10）和III类HDAC（sirtuins）的活性。乙酸盐和丁酸盐已被证明通过抑制HDAC活性和NF-κB活化来抑制LPS刺激的原代小胶质细胞的炎症反应。此外，丙酸盐和丁酸盐抑制小胶质细胞HDAC1表达已被证明可以减轻小胶质细胞活化并降低GF小鼠中促炎因子的水平。相反，丁酸盐对LPS诱导的BV-2细胞的抗炎作用被HDAC3激动剂ITSA-1和MCT1抑制剂AZD3965阻断。

阿尔茨海默病。几项研究报告称，轻度认知障碍（MCI）和AD患者的SCFA产生物种和SCFA水平降低。值得注意的是，在MCI患者中，粪便中SCFA水平的降低与Aβ沉积呈负相关。此外，在AD小鼠模型和AD患者中检测到HDAC2和HDAC6水平升高。因此，HDAC抑制是治疗AD的一种有前途的方法。小胶质细胞Hdac1和Hdac2的基因缺失通过增强Aβ的小胶质细胞吞噬作用显著改善了5xFAD小鼠的认知缺陷。尽管许多研究支持短链脂肪酸在介导肠道微生物群-小胶质细胞通讯中的关键作用，但阐明短链脂肪酸在阿尔茨海默病中的潜在机制的机制研究仍然有限，并产生了相互矛盾的结果。

研究表明，丁酸钠通过抑制小胶质细胞活化和促进突触可塑性，对5xFAD小鼠具有神经保护作用（图3a）。此外，旨在提高SCFA水平的益生菌和益生元干预措施通过抑制神经胶质激活和Aβ沉积在AD小鼠模型中显示出神经保护作用。通过益生菌干预（丁酸梭菌）升高丁酸盐已被证明可以抑制小胶质细胞活化并降低APP/PS1小鼠中促炎细胞因子的水平。此外，丁酸盐通过下调环氧合酶-2（COX-2）和CD11b的水平，并抑制Aβ诱导的BV-2细胞中的NF-κB信号传导来发挥抗炎作用。值得注意的是，一种由苯丁酸钠和牛磺酸脱氧胆酸（TUDCA）组成的口服联合疗法（AMX0035）目前正在进行II期临床试验，以评估其在AD患者中的安全性和生物活性。

图3、阿尔茨海默病中的微生物群-肠-脑轴。a）短链脂肪酸（SCFA）通过充当G蛋白偶联受体（GPCR）的内源配体并通过抑制组蛋白脱乙酰酶（HDAC）调节基因表达来发挥其神经保护作用。b）三甲胺N-氧化物（TMAO）促进小胶质细胞活化、神经炎症、Aβ 和 tau 病理学。c）神经保护性胆汁酸（BA），包括UDCA和TUDCA，通过直接和间接途径抑制神经炎症。在直接途径中，UDCA和TUDCA激活在小胶质细胞和神经元中发现的核受体法尼醇X受体（FXR）和膜受体Takeda G蛋白偶联受体5 （TGR5）。在间接途径中，UDCA和TUDCA通过肠道TGR5依赖性胰高血糖素样肽-1（GLP-1）通路和肠道FXR依赖性成纤维细胞生长因子15或19（FGF15/19）通路间接向中枢神经系统提供信号。d）色氨酸和吲哚衍生物激活小胶质细胞芳烃受体（AHR）信号传导，抑制小胶质细胞活化和神经炎症。e）多不饱和脂肪酸（PUFA）：omega-3 脂肪酸在阿尔茨海默病中具有神经保护作用，而omega-6 脂肪酸花生四烯酸及其促炎代谢物可诱导小胶质细胞活化。

然而，关于短链脂肪酸在AD中的作用，也有相互矛盾的发现。近的一项基于人群的研究表明，血清丙酸与老年人认知能力下降之间存在正相关，并可能由高胆固醇血症和糖尿病介导。有趣的是，已经证明SCFA诱导SPF和GF APP/PS1小鼠的小胶质细胞活化并恶化Aβ病理学。此外，已发现补充SCFA可触发GF 3xTg-AD小鼠的C/EBPβ/AEP信号激活并诱导认知障碍。C/EBPβ是一种炎症调节的转录因子，可调节促炎基因的表达，从而促进AD。AEP 是一种溶酶体半胱氨酸蛋白酶，可裂解N255和N368残基处的tau和淀粉样蛋白前体蛋白（APP）N373和N585残基，导致淀粉样蛋白片段化和tau过度磷酸化。在GF 5xFAD小鼠中，乙酸盐的施用通过破坏Aβ的小胶质细胞吞噬作用而加重海马Aβ沉积。SCFAs的有害影响在tau蛋白小鼠模型中同样明显。近的一项研究表明，在GF TE4小鼠中补充SCFA减轻了GF饲养的神经保护作用，导致神经胶质增生和tau病理学增加。相反，使用抗生素治疗消耗产生SCFA的细菌可防止TE3小鼠中tau介导的神经退行性变和神经炎症。近的一项研究报告称，间歇性禁食通过重塑微生物群-肠-脑轴，可有效缓解5xFAD小鼠的反应性小胶质细胞增多症和星形胶质细胞病、Aβ沉积和认知障碍。然而，盲肠内容物的代谢组学分析发现，与随意喂食的小鼠相比，丁酸在间歇性禁食的响应中显著下调。

在不同的AD小鼠模型中观察到相当大的异质性，每种模型都具有不同的病理途径，这对预测SCFA的影响构成了重大挑战。此外，大多数报告SCFAs有害影响的研究都是使用GF小鼠进行的，在各种生理功能上在功能和结构上都异常。因此，在将这些发现外推到人类疾病时，必须谨慎行事。总之，显然有必要进一步研究，以阐明 SCFA 在 AD 中的多方面性质和背景意义。

帕金森病。与前面描述的AD一样，SCFA在PD中的作用似乎与上下文相关，并且仍未完全理解。然而，大多数研究支持短链脂肪酸对帕金森病背景下小胶质细胞功能的有益作用（图4a）。新出现的证据表明，表观遗传扰动是帕金森病的重要因素，使其成为潜在治疗干预的有希望的靶点。例如，HDAC5抑制可有效减弱6-羟基多巴胺（6-OHDA）病变大鼠的小胶质细胞活化和PD相关病理。另一方面，GPCR的激活已被证明在PD小鼠模型中表现出神经保护特性。值得注意的是，益生菌丁酸梭菌的施用触发结肠GPR41/43的激活，导致抑制MPTP治疗小鼠的小胶质细胞活化和PD相关病理的缓解。此外，使用AR420626在肠道神经元中激活GPR41已被证明可以模拟丙酸盐在改善运动功能和防止6-OHDA诱导的PD小鼠中多巴胺能神经元丢失的神经保护作用。

图4、帕金森病中的微生物群-肠-脑轴。a) 短链脂肪酸（SCFA）通过充当G蛋白偶联受体（GPCR）的内源配体并通过抑制组蛋白脱乙酰酶（HDAC）调节基因表达来发挥其神经保护作用。b) 神经保护性胆汁酸（BAs），包括UDCA和TUDCA，通过直接和间接途径抑制神经炎症。在直接途径中，UDCA 和 TUDCA 激活在小胶质细胞和神经元中发现的核受体法尼醇 X 受体（FXR）和膜受体Takeda G蛋白偶联受体5（TGR5）。在间接途径中，UDCA和TUDCA通过肠道TGR5依赖性胰高血糖素样肽-1（GLP-1）通路和肠道FXR依赖性成纤维细胞生长因子15或19（FGF15/19）通路间接向中枢神经系统提供信号。c) 三甲胺N-氧化物（TMAO）促进小胶质细胞活化和神经炎症。然而，关于TMAO在PD中的作用，已经报道了相互矛盾的发现。d) 色氨酸和吲哚衍生物激活小胶质细胞芳烃受体（AHR）信号传导以抑制小胶质细胞活化和神经炎症。e) 支链氨基酸（BCAA）促进抗炎小胶质细胞表型。

通过益生元干预提高SCFA水平可上调ASO小鼠小胶质细胞的神经保护表型，同时减少SN中的运动缺陷和α-突触核蛋白聚集。同样，益生菌短双歧杆菌的施用CFM1067恢复了MPTP诱导的PD小鼠的SCFA水平，从而减少了神经胶质细胞活化、氧化应激和运动障碍。此外，研究表明丁酸钠通过抑制TLR4/MyD88/NF-κB和 MAPK信号通路减弱小胶质细胞反应性，对MPTP诱导的PD小鼠具有神经保护作用。这些发现与大量文献一致，这些文献一致报道了与健康对照组相比，PD和PD患者前驱期产生SCFAs的物种和SCFA水平降低，这可能与PD的临床严重程度相关。有研究观察到的帕金森病中短链脂肪酸的减少激发了一项概念验证研究，以调查益生元纤维在帕金森病患者中的潜力。

尽管如此，关于短链脂肪酸对帕金森病小胶质细胞功能影响的差异发现已被报道。值得注意的是，GF ASO小鼠中补充SCFA可诱导小胶质细胞活化，α-突触核蛋白积累和运动功能障碍。相反，MPTP诱导的小鼠中SCFAs的减少产生了有益的效果，包括缓解SN中的运动功能障碍，小胶质细胞和星形胶质细胞的激活。PD中SCFAs的有趣二元性值得进一步探索。作者推测，C/EBPβ/AEP 信号传导的激活可能是SCFA有害作用的合理机制，正如GF 3xTg-AD小鼠所证明的那样。近的一项研究发现，C/EBPβ/AEP信号传导在人α-突触核蛋白转基因小鼠和PD患者中呈年龄依赖性激活，负责介导小胶质细胞活化和 PD 病理。

此外，越来越多的证据表明不同短链脂肪酸对小胶质细胞功能的不同影响。特别是，已发现乙酸盐可恢复GF小鼠的小胶质细胞稳态，而丙酸盐和丁酸盐则不具有相同的恢复作用。近的一项研究报告称，低剂量马斯林酸治疗后粪便丙酸和丁酸减少，以及高剂量马斯林酸治疗后粪便醋酸增加，都显示出对 MPTP 治疗小鼠的 PD 病理的神经保护作用。然而，只有高剂量的甘草酸治疗减少了小胶质细胞的活化和神经炎症，并且推测其作用是由乙酸介导的。另一方面，原代小胶质细胞中乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐之间的比较表明，在小胶质细胞转录组图谱中，丁酸盐和丙酸盐之间存在大量重叠。然而，单个SCFA未能达到与SCFA联合治疗相当的效果。因此，作者建议未来的研究检查单个 SCFA 补充剂和联合 SCFA 补充剂对 PD 小鼠模型中小胶质细胞功能的影响。丁酸盐补充剂对 PD 病理学的有益作用可能归因于其有效的HDAC抑制活性及其促进肠道屏障和BBB完整性的能力。

肌萎缩侧索硬化症。越来越多的证据表明表观遗传失调与ALS有关。值得注意的是，HDAC的基因敲低和药理学抑制已被证明可以改善不同ALS模型中的ALS病理学。此外，研究还确定了ALS患者和SOD1突变小鼠中产生丁酸盐的减少物种。

丁酸盐补充剂已在SOD1突变小鼠中显示出神经保护作用。丁酸盐的施用已被证明可以增加产生丁酸盐的丁酸盐原纤维溶剂的丰度，恢复潘氏细胞稳态并增强SOD1突变小鼠的肠道屏障完整性。这伴随着肠道中SOD1突变聚集的减少，从而减缓疾病进展并延长SOD1突变小鼠的寿命。此外，丁酸盐处理可减少SOD1突变小鼠结肠和腰椎中 SOD1聚集和 GFAP 表达，从而改善肠神经肌肉功能。使用过表达的运动神经元样NSC34细胞，发现丁酸盐通过改善线粒体网络和上调过氧化物酶体增殖物激活受体-γ 共激活因子-1α（PGC1α）的转录来改善线粒体生物能量学。PGC1α信号传导是线粒体生物发生和能量代谢的主要调节因子，在神经退行性疾病（包括ALS）中具有重要的治疗意义。

胆汁酸调节神经炎症和神经退行性变

BA是两亲性胆固醇代谢物，具有多种信号传导功能。初级BA（胆酸和甜去氧胆酸）主要在肝脏中合成，并在进食时释放到小肠中，其中大部分在末端回肠中重吸收并通过肠肝循环。然而，未重吸收的初级BA被肠道微生物群通过去偶联和脱羟基化转化为次级BA（脱氧胆酸、DCA 和石胆酸、LCA），赋予它们新的生物活性。与GF小鼠相比，SPF小鼠肠道和粪便样本中次级BA的浓度明显更高，证明了这种现象，为其微生物来源提供了强有力的证据。此外，在近使用过抗生素的个体的肠道和粪便样本中检测到DCA和LCA的浓度降低。

阿尔茨海默病。几项研究已将改变的BA特征与AD联系起来。尽管对AD患者的研究在BA组成方面产生了略微不同的结果，但他们报告了原发性 BA 水平降低和继发性 BA 水平升高的一致模式。与AD和认知障碍相关的继发性BA包括DCA、LCA、糖码氧胆酸、牛磺去氧胆酸、乙醇胆酸和牛磺酸。此外，据报道，在接受AD患者FMT的GF 3xTg-AD小鼠血清中，继发性BA牛磺酸脱氧胆酸水平升高。在另一项研究中，中药汤剂的给药有效改善了APP/PS1小鼠的Aβ斑块病理学、神经炎症和认知障碍。这些有益作用归因于抑制肠道菌群失调和血清中继发性BAs（即DCA和牛磺酸脱氧胆酸）水平的降低。

然而，值得注意的是，某些继发性BA具有重要的生物学功能，包括调节宿主代谢、免疫和对肠道病原体扩增的抵抗力。更重要的是，一些继发性BA已显示出显著的神经保护和抗炎活性，特别是熊去氧胆酸（UDCA）及其酰胺化偶联物TUDCA（图 1）。它们通过激活核受体法尼醇X受体（FXR）和膜受体Takeda G蛋白偶联受体5 （TGR5） 发挥抗炎作用，这两种受体都存在于小胶质细胞和神经元中。

TUDCA的抗炎活性已在LPS刺激的原代小胶质细胞和BV-2小胶质细胞中得到证实。此外，TUDCA可有效减弱LPS治疗小鼠的小胶质细胞反应性。值得注意的是，TUDCA治疗已被证明能够抑制APP/PS1小鼠和HFD喂养的A7-Tg小鼠的Aβ沉积和神经胶质活化。

此外，BA有可能通过维持肠道稳态来调节肠脑轴，因为TGR5和FXR信号传导是肠道免疫反应和屏障功能的关键调节因子。外周BA通过TGR5依赖性胰高血糖素样肽-1（GLP-1）通路和FXR依赖性成纤维细胞生长因子15或19（FGF15/19）通路间接向CNS提供信号。目前，一项II期临床试验正在进行中，以检查AMX0035（TUDCA和苯丁酸钠的口服组合）治疗AD的安全性和生物活性[NCT03533257]。

帕金森病。研究表明，帕金森病患者的继发性BA水平升高，而关于原发性BA的发现产生了不同的结果。在PD患者的血浆中发现原发性BA（胆酸）水平升高。相反，在PD患者的死后额叶皮层样本中报告了甘氨酸结合的初级BA（糖胆酸和糖去氧胆酸）的减少，这与PD诊断的持续时间有关。然而，另一项研究报告称，帕金森病患者血浆样本中甘氨酸和牛磺酸结合的原代BA水平升高。血浆样本和脑样本之间BA谱的差异值得进一步研究，以了解对PD发病机制的潜在影响。值得注意的是，在PD前期患者的血浆样本中检测到BA水平升高，表明BA特征的改变在PD发作前多年就表现出。此外，PD患者表现出神经保护性BA的血浆水平降低，即UDCA和TUDCA。这一观察结果与在前驱帕金森病小鼠中获得的结果一致。有趣的是，在接受胆囊切除术（切除胆囊）的个体中观察到PD的风险显著升高，这是一种对肠道微生物群和BA组成的不利影响的外科手术。据报道，从胆囊切除术后腹泻患者那里接受FMT的小鼠表现出继发性BA水平升高，特别是DCA、LCA和莨菪脱氧胆酸。

与AD类似，UDCA和TUDCA的给药代表了一种有前途的治疗方法，可以抵消PD中的小胶质细胞活化和神经炎症（图4b）。多项体内研究表明，UDCA和TUDCA在对抗PD小鼠模型中的线粒体功能障碍、氧化应激和神经炎症方面具有神经保护作用。此外，低蛋白高碳水化合物饮食通过增加TUDCA的血清浓度，有效地减轻了MPTP治疗小鼠的PD病理。这些令人鼓舞的结果促使了两项临床试验，它们研究了UDCA在PD患者中的应用。发现UDCA在PD患者中是安全的且耐受性良好，每日剂量为30 mg/kg。

除了脑BA的直接作用外，外周BA还通过TGR5依赖性GLP-1通路和FXR依赖性FGF15/19通路间接向中枢神经系统提供信号。值得注意的是，通过薯蓣皂苷处理改变肠道微生物群、BA代谢和激活肠道TGR5导致MPTP处理小鼠肠道和大脑中GLP-1 的分泌增加。这与神经胶质激活的减少和运动缺陷的改善相结合。重要的是，UDCA和薯蓣皂苷的共同给药进一步增强了薯蓣皂苷的神经保护作用。GLP-1是一种肠促胰岛素激素，在刺激胰岛素分泌和降低血糖水平方面起着关键作用，使其与神经退行性疾病高度相关。GLP-1受体激动剂的给药抑制了小胶质细胞的活化，阻止了小胶质细胞介导的星形胶质细胞转化为神经毒性A1表型，并有效地防止了α-突触核蛋白病诱导的神经变性。此外，益生菌丁酸梭菌的施用恢复了MPTP治疗小鼠的结肠GLP-1水平和脑GLP-1受体的表达，导致小胶质细胞活化减少并缓解运动缺陷。

肌萎缩侧索硬化症。在ALS患者和SOD1G93A小鼠中记录了BA谱的改变，强调了BA与ALS病理学的潜在相关性。近有报道称，与认知正常患者相比，认知障碍ALS患者的粪便样本中原发性BA和神经保护性BA（TUDCA）显著降低。现有证据强烈支持TUDCA对ALS的神经保护作用。已发现TUDCA可防止环廔唑酸诱导的小鼠和人类干细胞衍生的hSOD1G93A 运动神经元的变性。此外，TUDCA增强了早期hSOD1G93A小鼠胫骨前肌的神经肌肉接头神经支配。

值得注意的是，TUDCA 和苯丁酸钠（AMX0035）的口服组合可有效减缓ALS患者的功能衰退并延长总生存期。来自II期CENTAUR试验的有希望的数据近导致其被美国FDA批准用于治疗ALS。该组合的III期PHOENIX试验正在进行中。此外，一项III期临床试验正在进行中，以评估TUDCA作为利鲁唑附加治疗ALS患者的安全性和有效性。

N-氧化三甲胺促进神经炎症和神经退行性变

N-氧化三甲胺（TMAO）是一种代谢产物，来源于膳食胆碱、甜菜碱和左旋肉碱，通过两步途径。膳食胆碱初被肠道微生物群代谢成三甲胺（TMA），然后被吸收并在肝脏中进一步氧化成TMAO。在老年小鼠的脑组织中积累TMAO需要功能性肠道微生物群，因为老年 GF 小鼠的 TMAO 低于老年 SPF 小鼠。这与另一项代谢组学分析一致，该分析报告称，与常规饲养的小鼠相比，GF小鼠的大脑、血清和粪便中的TMAO水平显著降低，证实了其微生物来源。

阿尔茨海默病。近的两项代谢组学研究报告了老年小鼠大脑中TMAO水平升高。此外，18月龄3xTg-AD小鼠血浆和大脑中的TMAO水平明显高于8月龄小鼠。重要的是，在 MCI 和 AD.409,410 患者的血浆和脑脊液 （CSF） 中观察到 TMAO 水平升高 几项研究表明，TMAO 具有穿越 BBB 并通过诱导小胶质细胞和星形胶质细胞活化促进神经退行性变的能力。

补充 TMAO 已被证明通过促进神经炎症、Aβ 和 tau 病理学诱导 APP/PS1 小鼠的认知障碍（图3b）。有趣的是，该研究还发现，补充TMAO会破坏肠道屏障和BBB的完整性。此外，TMAO诱导炎症并加重D-半乳糖/AlCl中的Aβ和tau病理3通过激活PI3K/AKT/mTOR信号通路诱导AD小鼠。相反，施用3,3-二甲基-1-丁醇后TMAO的减少通过减弱Aβ病理学和神经炎症来减轻APP / PS1小鼠的认知障碍。益生菌植物乳杆菌的施用可有效重塑肠道微生物群并降低 APP/PS1 小鼠的 TMAO 水平，从而改善神经炎症和神经退行性变。此外，体育锻炼已被证明可以降低 APP/PS1 小鼠中 TMAO、TMA 和甜菜碱的血清浓度，从而预防神经炎症和 AD 病理。

帕金森病。与认知功能正常和MCI的患者相比，在PD痴呆患者的死后额叶皮层中检测到TMAO合成明显增加。此外，帕金森病患者血浆TMAO水平升高与疾病严重程度和运动症状进展相关。基线 TMAO 水平较高的患者出现运动症状和认知功能恶化的风险更高。然而，关于TMAO在PD中的作用，已经报告了相互矛盾的发现。一项针对初治早期帕金森病患者的研究发现，与健康对照组相比，帕金森病患者的血浆TMAO水平较低。此外，血浆TMAO水平较低的患者与左旋多巴当量剂量的增加率较高以及痴呆转化的风险较高相关。需要进一步的研究来阐明TMAO在PD发病机制中的作用。

然而，来自PD模型的现有证据表明TMAO具有潜在的有害影响（图4c）。TMAO预处理已被证明会恶化MPTP诱导的MPTP治疗小鼠纹状体、SN和海马体中的小胶质细胞和星形胶质细胞活化。使用中脑类器官模型，发现TMAO诱导的病理变化类似于PD，包括多巴胺能神经元的丢失，星形胶质细胞激活和α-突触核蛋白的磷酸化。

色氨酸和吲哚衍生物调节神经炎症和神经退行性变

氨基酸是许多生物活性分子的重要前体，包括神经递质和神经调节剂，使它们成为佳大脑功能和健康不可或缺的。越来越多的证据阐明了肠道微生物群在必需氨基酸（尤其是色氨酸）的代谢和利用中的关键作用。色氨酸代谢的改变与神经退行性疾病的发病机制有关，包括 AD、PD、ALS 和 HD。色氨酸是一种通过膳食来源获得的必需氨基酸，可作为多种微生物和宿主代谢物（包括吲哚及其衍生物）的生物合成前体。值得注意的是，与GF小鼠相比，在SPF小鼠的肠道、血清和大脑中检测到的吲哚衍生物浓度明显更高，从而证实了它们的微生物来源。

吲哚衍生物通过与AHR结合发挥广泛的免疫活性。AHR 是一种由上皮细胞、免疫细胞、小胶质细胞和星形胶质细胞表达的配体依赖性转录因子。先前对多发性硬化症小鼠模型的研究表明，AHR 是 NF-κB 激活的负调节因子，星形胶质细胞和小胶质细胞中 Ahr 的特异性缺失导致 CNS 炎症和神经退行性变。

阿尔茨海默病。在 APP/PS1 小鼠中观察到产生吲哚的细菌组成的改变，伴随着肠道屏障完整性受损和认知障碍。吲哚混合物（吲哚、吲哚-3-乙酸和吲哚-3-丙酸）的施用通过激活小胶质细胞 AHR 信号传导和抑制 NLRP3 炎症小体来减弱小胶质细胞反应性和神经炎症。因此，该治疗导致 Aβ 沉积减少、tau 过度磷酸化减少和认知功能改善（图3d）。此外，高色氨酸饮食的施用被证明通过激活中枢 AHR 信号传导和抑制 NF-κB 信号传导可有效缓解 APP/PS1 小鼠的肠道菌群失调和抑制小胶质细胞反应性。

另一方面，与接受健康对照微生物群的对应物相比，接受 AD 患者 FMT 的 GF 3xTg-AD 小鼠的大脑和血清中报告的吲哚基-3-硫酸盐浓度显著更高。吲哚-3-硫酸盐是一种尿毒症毒素，与多种精神和神经系统疾病呈不利关系，包括焦虑、神经性厌食症、AD 和 PD。一项体外研究表明，它会在原代星形胶质细胞和混合神经胶质细胞培养物中诱导氧化应激和炎症。需要进一步的研究来全面了解不同吲哚衍生物在AD发病机制中的作用。

帕金森病。近对 PD 患者肠道微生物组的宏基因组分析显示色氨酸生物合成途径减少。膳食补充色氨酸已被证明可以通过抑制 NF-κB 活化来缓解鱼藤酮诱导的 PD 大鼠的炎症和运动缺陷，但神经保护作用被 AHR 抑制剂阻断。此外，研究还证明了吲哚-3甲醇对鱼藤酮诱导的PD大鼠和LPS治疗的大鼠具有神经保护作用（图4d）。值得注意的是，吲哚-3-甲醇通过激活 SIRT1/AMP 活化蛋白激酶（AMPK）信号通路，有效防止鱼藤酮诱导的α-突触核蛋白积累、星形胶质细胞活化、神经炎症和运动功能障碍。此外，吲哚-3-甲醇可有效抵消LPS诱导的氧化应激和神经炎症。

另一方面，尿毒症毒素硫酸吲哚醇在帕金森病患者中增加。在 PD 患者中检测到硫酸吲哚醇的脑脊液/血浆比值升高，与没有运动波动的患者相比，在经历运动波动的患者中观察到的浓度明显更高。此外，与认知功能正常和 MCI 的患者相比，在痴呆 PD 患者的死后额叶皮层样本中发现硫酸吲哚醇显著上调。

多不饱和脂肪酸调节神经炎症

多不饱和脂肪酸（PUFA）包括 omega-3 和 omega-6 脂肪酸，是必需脂肪酸，在人体生理学中具有多种作用，包括中枢神经系统功能。这些包括神经发生的调节、突触可塑性、小胶质细胞功能和神经炎症。大脑中两种主要的多不饱和脂肪酸是 omega-3 脂肪酸二十二碳六烯酸 （DHA） 和 omega-6 脂肪酸花生四烯酸 （AA）。肠道微生物群在将一部分多不饱和脂肪酸转化为生物活性代谢物方面起着至关重要的作用。

阿尔茨海默病。近对 AD 患者大脑的脂质组学分析显示，与年龄匹配的认知正常个体相比，omega-3 与 omega-6 脂肪酸的比例显著降低。此外，研究发现，omega-3脂肪酸与认知功能呈正相关，与Aβ、神经原纤维缠结负荷和Braak阶段呈负相关。相反，omega-6脂肪酸的促炎代谢物与AD病理呈正相关（图3e）。事实上，较高的omega-3脂肪酸膳食摄入量与痴呆和认知能力下降的风险降低有关。omega-3脂肪酸的有益作用可归因于它们能够刺激Aβ的小胶质细胞吞噬作用并促进小胶质细胞向抗炎表型的转变。

近的一项研究报告称，与SPF小鼠相比，GF 3xTg-AD小鼠表现出参与AA代谢的基因减少，AA相关炎症酶水平降低。然而，从AD患者到GF 3xTg-AD小鼠的FMT显著增加了参与PUFA代谢的拟杆菌菌株的相对丰度，导致AA及其代谢物（白三烯B4，前列腺素E2和12-羟基十三烯酸）的浓度增加。因此，AA相关代谢物水平升高通过激活C/EBPβ/AEP信号通路诱导AD人源化ex-GF 3xTg-AD小鼠的小胶质细胞活化和AD病理的发展。同样，在另一项研究中，从 AD 患者到 Thy1-C/EBPβ 转基因小鼠的 FMT 导致前列腺素 E2 和 12-羟基十七碳三烯酸水平升高，导致 C/EBPβ/AEP 通路激活、小胶质细胞激活和 AD 病理。事实上，近在AD患者的死后大脑中检测到白三烯B4和前列腺素E2水平升高。有趣的是，甘油偶联的前列腺素 E2 和 SCFA 的共同给药额外诱导了 GF 3xTg-AD 小鼠的小胶质细胞活化。

肌萎缩侧索硬化症。多不饱和脂肪酸及其生物活性衍生物是神经元功能和神经炎症的重要调节因子，使它们与 ALS 高度相关。这在近的两项代谢组学分析中很明显，这些分析显示，与健康对照组相比，ALS患者的脂质代谢（包括PUFAs）明显失调。值得注意的是，血浆中较高的 omega-3 脂肪酸α-亚麻酸 （ALA） 水平与功能下降速度较慢和生存期延长有关。此外，较高的 omega-3 脂肪酸二十碳五烯酸 （EPA） 和 omega-6 脂肪酸亚油酸 （LA） 水平与较低的死亡风险相关，尽管它们不影响功能下降的速度。ALA对ALS的保护作用同样得到了另一项研究的支持，其中诊断前血浆ALA水平较高的男性患ALS的风险较低。这些结果得到了一项前瞻性研究的支持，该研究观察到，在饮食中摄入 omega-3 脂肪酸（包括 ALA 和海洋 omega-3 脂肪酸）较高的个体患 ALS 的风险显著降低。另一方面，在诊断前血浆中 omega-3 脂肪酸 DHA 水平较高的男性和诊断前血浆中 omega-6 脂肪酸 AA 水平较高的女性中观察到 ALS 的风险增加。

脂质相关代谢途径（包括 AA 代谢）的扰动已被确定为来自不同遗传背景的四种 ALS hiPSC 系的脊髓运动神经元（sMNs） 的多组学分析中的常见代谢特征。重要的是，使用 5-脂氧合酶抑制剂（咖啡酸）降低AA水平可有效挽救HB9::GFP+ 细胞（运动神经元的标志物）百分比降低和7AAD+ 细胞百分比增加 C9ORF72和 SOD1A4V ALS 系中 7AAD+ 细胞（细胞死亡标志物）。此外，咖啡酸治疗可有效延缓SOD1G93A小鼠的发病和延长寿命。这些有益的结果归因于小胶质细胞和星形胶质细胞激活的减弱，以及脊髓中运动神经元数量的增加。

支链氨基酸具有抗炎作用

支链氨基酸 （BCAA）（亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸）是通过饮食或肠道微生物生物合成获得的必需氨基酸，因为它们不是由人类合成的。支链氨基酸除了作为蛋白质合成的基石外，还通过调节许多生理过程，在健康和疾病的各个方面发挥着重要作用。一项早期的体外研究表明，支链氨基酸能够改变小胶质细胞表型，特别是抗炎 M2 表型（图 14e）。

帕金森病。帕金森病患者血浆BCAAs和芳香族氨基酸水平降低，与疾病严重程度显著相关。这可能与帕金森病患者中普雷沃氏菌的减少有关，普雷沃氏菌是负责 BCAA 生物合成的物种。近的一项研究观察到鱼藤酮诱导的 PD 小鼠血清 BCAA 水平降低，伴有肠道功能障碍、运动缺陷、α-突触核蛋白积累和 SN 中多巴胺能神经元的丢失。相反，高BCAA饮食的施用逆转了鱼藤酮诱导的病理变化，同时降低了结肠和SN中促炎细胞因子的水平。此外，益生菌植物乳杆菌的施用CCFM405恢复支链氨基酸的生物合成，恢复肠道屏障完整性，并抑制鱼藤酮诱导的帕金森病小鼠的小胶质细胞和星形胶质细胞活化。

然而，作者建议不要过度升高支链氨基酸，因为支链氨基酸失衡与有害的健康后果有关，包括食欲亢进、代谢紊乱、心血管疾病和寿命缩短。另一个值得考虑的因素是氨基酸和左旋多巴（一种常用的抗帕金森病药物）在利用肠道和血脑屏障转运蛋白方面的潜在竞争，以及随之而来的对左旋多巴药代动力学的干扰。

烟酰胺可缓解神经退行性变

烟酰胺 （NAM），也称为烟酰胺，是一种维生素 B3 衍生物，是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 （NAD+） 的主要前体之一。近的一项研究揭示了一种协同关系，其中宿主来源的 NAM 被肠道微生物组用于合成 NAD+ 和烟酸。然后，烟酸通过Preiss-andler途径被宿主组织吸收进行NAD+生物合成。重要的是，在GF小鼠和抗生素治疗的小鼠中，NAM没有转化为NAD+和烟酸。

NAD+ 因其对众多细胞过程和代谢途径的复杂参与而与健康和疾病的各个方面有关。它是能量代谢的中央调节剂，可作为氧化还原反应的辅酶。此外，它还可以作为多种酶的辅助因子，包括参与免疫反应和炎症的酶。这些酶包括 sirtuins、聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）蛋白家族和环状 ADP-核糖 （cADPR） 合酶。然而，NAD+的水平在衰老过程中会逐渐下降，导致与年龄有关的疾病的发展和进展。

肌萎缩侧索硬化症。神经退行性疾病，包括肌萎缩侧索硬化症，与NAD+稳态紊乱和NAD+耗竭有关。与健康对照组相比，ALS 患者的血清和脑脊液中 NAM 水平均显著降低。NAM 的血清水平与 ALS 功能状态评分呈正相关。

据报道，SOD1G93A 小鼠和 WT 小鼠之间的宏基因组 NAM 生物合成途径存在显著差异。改变的NAM生物合成与嗜粘曲霉有关，在SOD1G93A小鼠中显示疾病进展逐渐减少，但在WT小鼠中没有。值得注意的是，施用 A. muciniphila 显著改善了 SOD1G93A 小鼠的运动功能并延长了寿命。嗜粘曲霉的这些有益作用归因于增强的NAM生物合成，这导致SOD1G93A小鼠血清和脑脊液中NAM水平升高。此外，NAM 治疗已被证明可以通过挽救线粒体呼吸缺陷来提高来自散发性和家族性 ALS hiPSC 的 sMNs 以及携带 SOD1L144F 和 TDP-43G298S 突变的同基因 iPSC 系的存活率。

神经退行性疾病中的肠道微生物群相关神经递质

神经退行性疾病的复杂病理生理学涉及多种神经递质系统功能障碍，包括多巴胺能、胆碱能、血清素能、谷氨酸能和 GABA 能系统。重要的是，肠道微生物组已被证明通过调节这些神经递质系统来调节大脑功能。在本节中，作者对有关肠道微生物群操纵的证据进行了广泛的回顾，作为恢复神经退行性疾病神经递质系统的潜在治疗方法。

血清素

血清素，也称为5-羟色胺（5-HT），是一种神经递质，在大脑和肠道中发挥着广泛的作用，更显著的是它对微生物群的影响，微生物群-肠-脑轴。大约90%的血清素是由肠道嗜铬细胞产生和分泌的，这些细胞受到肠道微生物群的强烈影响。此外，已发现海马血清素水平受肠道微生物群的影响，可能是通过改变色氨酸的外周可用性。虽然肠道来源的血清素不能穿过血脑屏障，但血清素前体（5-羟色氨酸）和血清素衍生物（N-乙酰羟色胺和褪黑激素）可以穿过血脑屏障影响中枢神经系统。有趣的是，人为提高肠道血清素水平会富集细菌，特别是参与血清素生物合成的血肠杆菌。这些发现表明了一种双向宿主-微生物信号传导，通过血清素能系统调节肠道微生物群定植。

阿尔茨海默病。5-羟色胺能系统的失调代表了AD的复杂病理过程，因为它涉及多种AD病理，包括APP加工和Aβ沉积。近的一项研究报告称，与健康对照组相比，MCI 患者的大脑血清素转运蛋白可用性较低，皮质 Aβ 沉积较高。此外，据报道，与对照组相比，AD患者的尿液和血清血清素浓度显著降低。有趣的是，选择性血清素再摄取抑制剂（SSRIs）的施用可有效抑制人类和 AD 小鼠模型中的 Aβ 水平。

据报道，GF 和 SPF 3xTg-AD 小鼠之间存在与血清素能系统相关的基因差异，这表明 GF 小鼠的海马血清素信号传导更高。这项研究证实了肠道微生物组参与调节 AD 的血清素能系统。然而，目前很少有研究调查肠道微生物群操纵恢复 AD 血清素能系统的潜力，并且现有研究并不一致地显示血清素能系统的改善。益生元低聚果糖（FOS）和低聚半乳糖（GOS）的共同给药增加了APP/PS1小鼠大脑中血清素的浓度。然而，另一项研究没有观察到在 D-半乳糖/AlCl3 诱导的 AD 小鼠中施用益生元 Sparassis crispa-1 多糖后血清素能系统有任何改善。然而，现有证据表明，益生菌、益生元和FMT在AD中具有巨大的潜力，因为它们在调节不同神经系统疾病的血清素能系统方面显示出有希望的结果。

帕金森病。除了已确定的多巴胺能功能障碍外，越来越多的证据表明血清素能功能障碍与帕金森病的进展有关，这与疾病负担有关，可能先于运动表现或多巴胺能功能障碍。此外，帕金森病患者神经精神症状的发展，包括冷漠、焦虑和抑郁，与血清素能功能障碍有关。此外，研究表明α-突触核蛋白病对血清素能系统的调节作用。例如，已发现小鼠 raphe 核中血清素受体中人α-突触核蛋白的过表达会损害前脑血清素神经传递并触发抑郁样表型。相反，在反义寡核苷酸诱导的α-突触核蛋白敲除后，血清素能神经传递缺陷得到缓解。

近对帕金森病患者肠道微生物组的宏基因组分析显示，包括血清素在内的多种神经递质的合成和代谢失调。这种失调可能归因于观察到的色氨酸生物合成途径和孢子形成基因的减少。此外，近的一项研究发现，健康小鼠在接受 PD 小鼠的 FMT 后，表现出运动功能受损，纹状体多巴胺和血清素水平降低。这些发现强调了肠道微生物群操纵对恢复 PD 血清素能系统的潜在意义。值得注意的是，益生元多甘露糖醛酸给药导致 MPTP 诱导小鼠纹状体中血清素及其代谢物 5-羟基吲哚乙酸 （5-HIAA） 升高。此外，来自对照小鼠的 FMT 减轻了 MPTP 诱导的肠道菌群失调以及受体小鼠纹状体血清素和 5-HIAA 的下降。相反，近调查益生菌对帕金森病血清素能系统影响的研究显示出不太有利的结果。在近的一项随机对照试验 （RCT） 中，在接受常规方案（苄丝肼和多巴胺激动剂）的 PD 患者中，在辅助益生菌动物双歧杆菌亚种乳酸治疗 3 个月后，未观察到血清血清素水平的显著变化。此外，植物乳杆菌 PS128 的施用在恢复 MPTP 诱导的血清素减少方面无效。未来的研究可能会探索多菌株益生菌制剂在帕金森病中实现预期的血清素能效果的潜在益处。这些研究应强调知情菌株选择的重要性，包括单个益生菌菌株的潜在协同作用或累加效应。

γ-氨基丁酸（GABA）

GABA是主要由星形胶质细胞和神经元产生和调节的主要抑制性神经递质。强直GABA电流是大脑状态和认知功能的重要调节剂，包括学习和记忆、感觉处理、昼夜节律和警觉状态。此外，强直性GABA电流是正常运动功能不可或缺的一部分，其失调与PD和HD运动症状有关，肠道微生物组参与GABA的产生，因为肠道微生物群操纵已被发现会影响GABA水平。几种肠道微生物已被确定为GABA生产者，包括拟杆菌属、双歧杆菌属和乳酸菌属的成员。

阿尔茨海默病。AD 病理学，包括 Aβ 和 tau 病理学，已被证明会诱导 GABA 能功能障碍并导致兴奋性和抑制性（E/I）失衡。据报道，由于反应性星形胶质细胞异常释放GABA，APP/PS1小鼠和5xFAD小鼠的强直抑制异常增加，导致突触可塑性和记忆受损。然而，近的证据表明，GABA能低激活会增强AD患者的神经退行性变和认知障碍。有必要进行进一步的研究，以阐明观察到的GABA能系统在AD发病机制中的作用差异，包括星形胶质细胞的参与。

近的一项研究报道了 GF 和 SPF 3xTg-AD 小鼠之间与 GABA 能系统相关的基因表达水平的变化，表明 GF 对应物中海马 GABA 的产生和 GABA 受体增加。这些发现表明了一种操纵肠道微生物群以解决 AD 中 GABA 功能障碍的潜在途径。在样本量有限的初步调查中，据报道，来自 AD 患者的 FMT 导致受体小鼠粪便代谢物中的 GABA 水平降低。相反，yFMT有效地将老年受体小鼠的海马GABA水平恢复到年轻小鼠中观察到的水平，这与认知行为的改善相吻合。未来采用更大样本量和 AD 小鼠模型的研究可以为调节肠道微生物组以靶向 AD 中的 GABA 能系统的潜在治疗意义提供有价值的见解。

帕金森病。越来越多的证据表明，帕金森病患者的GABA能系统发生了改变，这与运动症状、精神运动症状、中轴症状、认知障碍、嗅觉功能障碍和幻视有关。近在PD肠道微生物组的宏基因组分析中报道了GABA合成和代谢的改变。近的研究探讨了益生菌和益生元在解决这些潜在病变方面的潜在治疗作用。益生菌戊二克菌和益生元聚甘露糖酸的施用在缓解肠道菌群失调和降低MPTP诱导的小鼠大脑中的GABA水平方面显示出希望，从而改善运动功能障碍和神经元变性。近的一项随机对照试验发现，与单独接受常规方案的帕金森病患者相比，PD患者共同使用益生菌和常规方案增加了参与GABA合成的物种水平基因组箱（SGB）的丰度，并降低了编码GABA降解的SGB的丰度。

多巴胺

多巴胺是一种多方面的神经递质，与其他神经递质一起参与学习、动机、运动和认知控制的调节。多巴胺能传递的中断导致许多使人衰弱的中枢神经系统疾病，包括 PD。越来越多的证据强调了肠道微生物组在多巴胺信号传导中的调节作用。近的一项研究发现，由于单胺氧化酶（负责多巴胺降解的酶）水平升高，运动引发的纹状体多巴胺反应在抗生素治疗的小鼠中减弱。相反，从充满活力的小鼠那里接受FMT的GF小鼠表现出多巴胺水平的升高。

帕金森病。除了细胞内路易体中错误折叠的α-突触核蛋白的聚集外，PD 的一个主要神经病理学标志是 SN 内多巴胺能神经元的丢失。多巴胺能缺乏是帕金森病主要运动特征的基础，包括运动迟缓、强直、静息性震颤和姿势不稳。因此，治疗帕金森病运动症状的主要药物治疗主要是与多巴胺相关的干预措施，包括左旋多巴制剂、多巴胺激动剂和单胺氧化酶-B 抑制剂。

肠道微生物组影响 PD 病理生理学中多巴胺能系统的多个方面，以及多巴胺相关药物的疗效。这种影响在一项研究中得到了例证，其中来自PD小鼠的FMT降低了受体小鼠中多巴胺及其代谢物的纹状体水平，并伴有运动功能受损。此外，对帕金森病患者肠道微生物组的宏基因组分析发现，产生多巴胺前体，特别是酪氨酸的能力降低。几种肠道微生物对PD小鼠模型中的多巴胺能系统显示出有害影响。例如，在MPTP治疗的小鼠的运动前阶段施用奇异变形杆菌会加重纹状体多巴胺能神经元损伤和运动症状。

大量文献已经证明了基于微生物组的疗法在减轻PD小鼠模型中多巴胺能损伤和运动缺陷方面的潜力。与单独接受常规方案的患者相比，发现辅助益生菌给药可增加接受常规方案的 PD 患者的血清多巴胺水平并改善运动功能。此外，小檗碱的施用已被证明可以通过激活酪氨酸羟化酶和多巴脱羧酶来刺激肠道微生物群中多巴和多巴胺的产生。反过来，多巴穿过血脑屏障并转化为多巴胺。因此，大脑中多巴胺水平的增加可以防止MPTP诱导的运动缺陷。

乙酰胆碱

乙酰胆碱是胆碱能神经元释放的主要神经递质。胆碱能信号传导负责协调大脑中的各种认知过程，包括记忆、学习、注意力、睡眠和其他高级大脑功能。越来越多的证据阐明了肠道微生物组和胆碱能信号传导之间的复杂相互作用。近的一项研究发现，抗生素诱导的肠道菌群失调和小胶质细胞活化导致海马突触传递和胆碱能伽马振荡显著减少。抗生素诱导的胆碱能功能障碍的一个可能机制是皮质海马乙酰胆碱酯酶（AChE）活性升高，导致乙酰胆碱分解增加。此外，喂食高脂肪高糖饮食的小鼠肠道微生物组的破坏导致大脑中AChE表达增加。

阿尔茨海默病。胆碱能信号转导在AD中的重要性早已得到认可。认知障碍的一个标志是基底前脑胆碱能神经元的丧失，这是由APP处理、Aβ沉积、tau过度磷酸化和免疫反应失调驱动的。目前，研究基于微生物组的疗法在调节阿尔茨海默病胆碱能系统方面的潜力的研究有限，但现有证据支持它们对胆碱能系统的有益作用。值得注意的是，益生菌植物乳杆菌的施用MTCC1325通过降低AChE活性来恢复D-半乳糖诱导的AD大鼠大脑中的乙酰胆碱水平。同样，另一项研究发现，益生元低聚果糖通过降低AChE水平，有效地恢复D-半乳糖诱导的AD大鼠大脑中的乙酰胆碱。有必要进一步研究其他AD动物模型中基于微生物组的治疗药物在胆碱能系统中的神经保护潜力。

谷氨酸

兴奋性神经递质谷氨酸是神经元兴奋性和突触可塑性的关键调节因子，是突触传递、学习、记忆和认知功能不可或缺的一部分。越来越多的证据还指出，星形胶质细胞释放的谷氨酸作为神经胶质递质调节突触传递和可塑性的作用。然而，过量的谷氨酸水平通过兴奋性毒性引发神经元死亡，并与神经退行性疾病的发病机制有关。与前面讨论的神经递质系统类似，谷氨酸能信号传导受到肠道微生物组的影响。肠道微生物组对谷氨酸能信号传导的影响已在不同神经系统疾病的啮齿动物模型中得到证实，包括精神分裂症、抑郁症、AD和PD

帕金森病。异常的谷氨酸能神经传递是神经退行性变和 PD。然而，作者对肠道微生物组对 PD 中谷氨酸的影响的理解仍然有限，可用的研究主要检查肠道微生物组内的谷氨酸。尽管 PD 通常与谷氨酸能多动症有关，但近对 PD 肠道微生物组的宏基因组分析显示，谷氨酸/谷氨酰胺合成基因和途径减少，谷氨酸降解途径增加。这些发现与早期对PD肠道微生物组的荟萃分析结果一致。然而，值得注意的是，谷氨酸不容易穿过血脑屏障，这可能限制了它对大脑谷氨酸水平的直接影响。相反，已经确定了谷氨酰胺（谷氨酸的直接前体）的几种转运蛋白。值得注意的是，与仅接受常规方案的安慰剂组相比，益生菌与常规方案的联合给药导致 PD 患者的血清谷氨酰胺浓度降低。有必要进行进一步的研究，以检查基于微生物组的疗法在调节 PD 中谷氨酸能信号传导方面的潜力和潜在机制。

神经退行性疾病中的肠道激素

产生激素的肠内分泌细胞（EEC）是遍布胃肠道的特化上皮细胞。已经确定了20 多种具有重叠靶点和作用的肠道激素。一旦释放，肠道激素就会对粘膜和神经元网络内的邻近细胞产生局部影响，并对包括中枢神经系统在内的远处器官产生全身影响。值得注意的是，肠道微生物群衍生的代谢物，包括SCFA、次级 BA 和吲哚，已被证明可以调节EEC的肠道激素分泌。在本节中，作者回顾了在神经退行性疾病中具有重要意义的肠道激素，特别是生长素释放肽、瘦素和 GLP-1。

生长素释放肽

生长素释放肽是一种辛酰化肽激素，通过充当生长激素促分泌素受体（GHSR） 的内源性配体（通常称为生长素释放肽受体）来发挥其生物活性。生长素释放肽受体在大脑中表达高。中枢生长素释放肽信号在多种生理功能中起着关键作用，包括食物摄入的调节、海马突触可塑性和神经发生、焦虑、抑郁和认知功能。值得注意的是，与年龄相关的生长素释放肽信号传导减少与认知功能下降有关。据报道，肠道微生物组及其代谢物可调节生长素释放肽分泌和中枢神经系统功能。

阿尔茨海默病。越来越多的证据表明，AD患者生长素释放肽信号传导功能失调。研究发现，Aβ 与 5xFAD 小鼠的海马 GHSR1α 活性结合并抑制，导致突触缺陷和认知能力下降。此外，随着年龄的增长，3xTg-AD小鼠的血浆生长素释放肽水平逐渐降低，这通过施用多菌株益生菌制剂（SLAB51）逆转，导致认知障碍的减弱。近一项针对老年人的研究报告称，血浆生长素释放肽的年龄依赖性减少和血浆肝脏表达的抗菌肽2 （LEAP2）/生长素释放肽2 的比率升高，这与认知障碍有关。随后，研究发现，降低血浆LEAP2/生长素释放肽比率通过恢复海马神经发生、减轻突触丢失和抑制神经炎症来逆转老年小鼠的认知缺陷。此外，生长素释放肽信号的激活已被证明可以减弱正常衰老、加速衰老和 AD。生长素释放肽的神经保护作用可能归因于它能够影响与年龄相关的途径，包括 sirtuin-1 激活，研究表明它能够在不同的小鼠衰老模型中延长寿命。

帕金森病。生长素释放肽受体在各种大脑区域表达，包括 SN。生长素释放肽通过调节SN内的多巴胺能神经元兴奋性来参与运动功能的调节。此外，生长素释放肽通过激活 Wnt/β-连环蛋白通路促进中脑神经干细胞分化为多巴胺能神经元。相反，通过SN内施用选择性GHSR1α抑制剂抑制中枢GHSR1α激活导致运动协调受损。来自帕金森病患者的证据表明，在禁食状态下血浆生长素释放肽水平降低，以及餐后状态下生长素释放肽反应和分泌受损。这些发现为进一步研究生长素释放肽在帕金森病中的神经保护作用提供了关键基础。事实上，越来越多的证据表明生长素释放肽在多种啮齿动物模型中具有神经保护作用，包括 MPTP 诱导的 PD 小鼠、6-OHDA 诱导的 PD大鼠和A53T α-突触核蛋白转基因小鼠。这些有益作用归因于其促进自噬、增强线粒体生物发生和生物能量学、减轻神经炎症和抑制细胞凋亡的能力。

瘦素

瘦素是一种由脂肪细胞衍生的肽激素，由白色脂肪组织产生。它将代谢信息传递给主要在中枢神经系统中表达的瘦素受体，以调节能量稳态和免疫功能。值得注意的是，脑能量受损是神经退行性疾病的核心特征，包括 AD、PD、ALS、FTD 和 HD。瘦素信号转导参与多种信号通路，包括 Janus 激酶2（JAK2）/信号转导和转录激活因子3（STAT3）通路、PI3K/AKT 通路、mTOR 通路和 AMPK 通路。这些途径与衰老、神经炎症和神经退行性变高度相关。

近的证据表明肥胖与认知功能下降之间存在关联，表明瘦素信号传导是改善认知障碍的目标。值得注意的是，一些研究表明肠道微生物组在调节瘦素信号传导和肥胖方面具有重要作用。此外，近对16项随机对照试验的荟萃分析显示，益生菌或合生元（益生元+益生菌）的施用可显著降低循环瘦素水平。

阿尔茨海默病。瘦素通常被认为对认知功能有益，因为研究一致表明，瘦素水平较高的个体与痴呆和AD的风险降低有关，近的一项荟萃分析报告，与认知正常个体相比，AD患者的血液瘦素水平降低。此外，瘦素参与抵消 Aβ 病理学和 tau 磷酸化，以防止突触功能障碍。这在近的一项研究中很明显，该研究揭示了低血浆瘦素与认知障碍患者脑脊液 Aβ 浓度增加之间的强烈关联，这表明脑淀粉样蛋白沉积增加。值得注意的是，通过长期施用多菌株益生菌来提高血浆瘦素水平已被证明可以改善 3xTg-AD 小鼠的 Aβ 病理学。

帕金森病。虽然瘦素主要作用于下丘脑的神经元，但瘦素信号传导在保护多巴胺能系统方面也起着重要作用。瘦素受体在几个下丘脑外区域广泛表达，包括 SN 中的多巴胺能神经元。然而，作者对瘦素在帕金森病中的作用的理解仍然不完整，临床研究的证据有限。值得注意的是，近的一项荟萃分析（仅包括198名PD患者和182名对照组）发现，与对照组相比，PD患者的血清瘦素水平略低，尽管差异未达到统计学意义。这些有限的研究结果强调需要更全面的研究来了解瘦素在帕金森病的发病、进展和管理中的机制和功能。

胰高血糖素样肽-1

GLP-1是EEC产生的一种肠促胰岛素激素，响应摄入的营养物质，刺激葡萄糖依赖性胰岛素分泌并抑制食欲。GLP-1 由于 GLP-1 受体（GLP-1R）在多个器官（包括小胶质细胞和星形胶质细胞）中的广泛表达而具有多效性作用，因此正在探索其在神经退行性疾病中的潜力。GLP-1R激动剂被批准用于治疗2型糖尿病和肥胖症，由于其抑制神经炎症的能力，在神经退行性疾病中显示出有希望的神经保护作用。GLP-1 的分泌受肠道微生物群以及多种肠道微生物群衍生的代谢物（包括 SCFA、次级 BA、吲哚和 PUFA ）的调节。此外，益生菌和益生元能够刺激GLP-1分泌并上调GLP-1R在大脑中的表达。

阿尔茨海默病。糖尿病是认知障碍和痴呆的公认危险因素，痴呆现在是糖尿病人群的主要死亡原因之一。鉴于这些联系，人们越来越有兴趣重新利用抗糖尿病类药物 GLP-1R 激动剂用于 AD。大量的临床前证据支持 GLP-1R 激动剂对 AD 认知的神经保护作用，这归因于减少 Aβ 病理学、tau 磷酸化、神经胶质激活和神经炎症的能力。值得注意的是，GLP-1R 激动剂 NLY01 通过小胶质细胞 GLP-1R 抑制 Aβ 诱导的小胶质细胞活化，导致 5xFAD 和 3xTg-AD 小鼠的反应性星形胶质细胞转化降低。此外，GLP-1R激动剂的神经保护作用得到了临床研究的证实，这些研究报告2型糖尿病患者的认知障碍减少和痴呆发病率降低。这些令人鼓舞的结果促使两项III期随机对照试验探索口服GLP-1R激动剂索马鲁肽在AD早期的疗效。有趣的是，索马鲁肽治疗已被证明可以激活肠道上皮内淋巴细胞GLP-1R并调节肠道微生物群，有助于减少T细胞介导的炎症。

帕金森病。糖尿病是帕金森病的一个公认的危险因素，由于潜在的病理机制重叠，糖尿病与疾病进展加快有关。据报道，接受 GLP-1R 激动剂的糖尿病患者患 PD。GLP-1R 激动剂在 PD 中的神经保护作用在许多临床前研究中得到支持，并归因于它们恢复胰岛素信号传导、减少神经胶质激活、神经炎症和氧化应激的能力。与 AD 小鼠模型中的发现类似，NLY01的给药可防止小胶质细胞活化和反应性星形胶质细胞转化，有效防止α突触核蛋白病诱导的神经变性。值得注意的是，艾塞那肽以批准用于2型糖尿病治疗的剂量给药，可显著数量地越过 BBB，并改善PD患者的运动和认知功能。

基于微生物组的疗法改善肠道菌群失调已被证明可以恢复 GLP-1 信号传导并减轻 PD 病理。乳乳球菌 MG1363-pMG36e-GLP-1 是一种产GLP-1的工程益生菌菌株，通过抑制神经胶质活化、氧化应激和铁死亡来抵消MPTP诱导的神经退行性变。此外，益生菌丁酸梭菌可恢复结肠GLP-1水平，并上调MPTP诱导小鼠大脑中的GLP-1R表达，同时减少小胶质细胞活化和PD病理。通过薯蓣皂苷处理缓解 MPTP 诱导的肠道菌群失调和 BAs 改变，激活肠道 TGR5 刺激 GLP-1 分泌并上调大脑中 GLP-1R 的表达，从而减弱神经胶质激活和神经退行性变。总而言之，这些研究强调了肠道微生物组干预在恢复 GLP-1 信号传导和改善 PD 发病机制方面的潜力。

改善微生物群-肠-脑轴的干预点

在本节中，作者概述了调节微生物群-肠-脑轴的三个潜在干预点，即肠道屏障、血脑屏障和脑膜。作者提供的证据证明功能失调的屏障完整性会诱导神经胶质激活和神经退行性变。因此，恢复这些生物屏障的完整性有望抵消神经退行性疾病中功能失调的神经胶质状态。在生物屏障中，鉴于肠道微生物群和肠道屏障之间的直接相互作用，靶向肠道屏障是有希望和直接的方法。此外，越来越多的证据表明，外周免疫系统可能直接影响外周的神经退行性过程，因此，作者讨论了肠道微生物群进行免疫调节的证据，其在肠脑轴的背景下的神经免疫作用越来越被认可。

通过微生物代谢物恢复肠道屏障

微生物群-肠-脑轴的一个关键调节因子是多层肠道屏障。肠道屏障由粘液层、上皮屏障和肠道血管屏障组成，共同为宿主提供极好的保护，使其免受外部危害。在 MCI、AD、PD 和 ALS 患者中观察到肠道微生物组改变和肠道屏障损伤。因此，恢复肠道屏障完整性代表了一种很有前途的治疗策略，可以破坏导致神经退行性变的级联事件。

粘液层是一种部分可穿透且高度动态的物理屏障，将管腔内容物与下面的肠层分开。粘蛋白是粘液层的主要结构元素，是由上皮中的杯状细胞产生和分泌的重糖基化蛋白质家族。除了其经典的胃肠道相关功能外，越来越明显的是，粘液层还通过调节微生物群组成以及微生物群与宿主之间的相互作用来调节免疫和炎症。肠道菌群对粘液层稳态的影响也被揭示出来。早期证据表明，GF小鼠表现出有缺陷的粘液层的特征。由于产生大量粘蛋白的任务对杯状细胞具有挑战性，因此需要受控的未折叠蛋白反应和内质网（ER）扩增以防止内质网应激的积累。完整的肠道微生物群通过激活上皮细胞特异性内质网应激传感器ERN2 及其下游转录因子X-box结合蛋白1（XBP1） 来促进杯状细胞成熟和粘液屏障组装。ERN2 是未折叠蛋白反应的三个主要信号转导分支之一，在胃肠道和呼吸道产生粘蛋白的杯状细胞中特异性表达。它负责恢复杯状细胞蛋白稳态。

在衰老过程中，肠道屏障会逐渐分解，从而促进促炎性肠道微生物群衍生的代谢物和致病细菌产物易位到血液中（图5）。这一过程会引发全身炎症反应升高，逐渐损害血脑屏障的完整性，导致中枢神经系统炎症和神经退行性变。微生物组介导的衰老过程中肠道屏障的破坏促进了N6-羧甲基赖氨酸通过肠粘膜屏障过度易位到血液中。这种增加的易位导致N6-羧甲基赖氨酸在大脑中积累，这反过来又通过诱导氧化应激和线粒体功能障碍导致小胶质细胞功能障碍。值得注意的是，从年轻小鼠到老年小鼠的 FMT 恢复了老年小鼠的肠上皮屏障完整性并减弱了小胶质细胞的激活。

图5、通过肠道屏障改善微生物群-肠-脑轴。a）高纤维饮食有助于健康的肠道微生物组，并通过增加产生短链脂肪酸的物种和纤维降解的物种和促进对扰动的抵抗力来增强肠道屏障的完整性。吲哚及其衍生物通过激活上皮芳烃受体（AHR）来改善肠道屏障的完整性。b）低纤维饮食、衰老和睡眠不足会导致生态失调，并通过减少产生短链脂肪酸的物种和纤维降解的物种，同时增加粘蛋白降解的物种，导致生态失调并破坏肠道屏障的完整性。低纤维饮食通过损害CD4+ T细胞的代谢适应性来诱导粘膜和全身免疫抑制。

有趣的是，近的证据揭示了AD大脑的神经病理变化对肠道微生物组和肠道屏障完整性的不利影响。近开发的具有淀粉样蛋白和神经原纤维缠结病理学的转基因 AD 小鼠模型（ADLPAPT小鼠）表现出肠道微生物群改变、慢性肠道炎症、肠道屏障通透性增加和全身炎症。然而，WT 小鼠4个月的每日 FMT 成功改变了ADLPAPT小鼠的肠道微生物群组成，导致循环 Ly6Chi 单核细胞群恢复、Aβ 沉积、tau 聚集体和小胶质细胞活化减少。脑室内注射 Aβ 后的另一项研究报告了类似的发现。这些发现强调了未来研究描绘病理学时间顺序的必要性。

短链脂肪酸恢复肠道屏障完整性

在膳食纤维发酵过程中，肠道微生物群产生的短链脂肪酸对粘液层的强化至关重要（图5a）。高纤维摄入会增加膳食纤维代谢者和短链脂肪酸的产生者，从而刺激粘液分泌，以维持结构良好和完整的粘液层。重要的是，膳食纤维还通过限制微生物生长和平衡物种间的积极和消极相互作用来促进人类肠道微生物群对扰动的抵抗力。一项在帕金森病患者中进行的概念验证试验表明，促进短链脂肪酸的益生元纤维干预可减少血浆连蛋白，表明肠道屏障完整性得到改善。此外，近的一项随机临床试验报告说，在地中海饮食中进行为期 3 个月的高纤维干预，大大降低了肠道屏障受损妇女的血浆脂多糖结合蛋白（LBP）和粪便连蛋白浓度。该研究进一步进行了基于模型的因果中介分析，并揭示了地中海饮食的屏障稳定作用是由丙酸盐和丁酸盐介导的。

相比之下，悉生小鼠的慢性或间歇性低纤维饮食会刺激粘蛋白降解细菌的增殖和活性，导致粘液层侵蚀和病原体易感性增加（图5b）。此外，给小鼠喂食以低膳食纤维、高脂肪和高单纯碳水化合物为特征的西式饮食会诱导纤维降解细菌的消耗，包括拟杆菌门（S24-7家族）和放线菌门（双歧杆菌）。这伴随着短链脂肪酸的产生减少、内部粘液生长速率降低和粘液渗透性增加。西式饮食的消费也推动了拟杆菌突变的出现，这是一种专门发酵复杂多糖的厌氧菌。这些突变促进小鼠肠道中粘蛋白O-聚糖的降解。因此，肠道通透性的增加促进了细菌及其副产物转移到粘膜和血液中。这导致肠道和循环免疫和炎症细胞的异常激活，导致全身炎症、神经炎症和神经退行性变。

补充燕麦β葡聚糖来恢复喂食高脂肪和纤维缺乏饮食的肥胖小鼠的拟杆菌，成功地恢复了肠道屏障的完整性，包括粘液厚度和紧密连接（TJ）蛋白的水平。此外，补充β葡聚糖可减弱肥胖小鼠的小胶质细胞活化和认知障碍。重要的是，β-葡聚糖对认知功能的有益作用在抗生素给药后消失了，这表明肠道微生物群是认知功能的重要介质。同样，使用衣康酸二甲酯重塑 HFD 喂养小鼠的肠道微生物组通过增加产生 SCFA 的细菌和恢复肠道免疫稳态来恢复肠道屏障完整性。这伴随着 HFD 诱导的小胶质细胞活化、神经炎症、突触损伤和认知障碍的缓解。

近，越来越多的证据表明，睡眠剥夺（SD）会导致肠道菌群失调和肠道屏障破坏，导致小胶质细胞激活和认知能力下降（图5b）。在一项针对7959名参与者的纵向研究中，中年期间持续性SD（每晚 <6 小时）与30%的痴呆风险升高相关。慢性SD 通过NLRP3炎症小体激活触发肠道微生物群改变，导致小鼠结肠中粘液厚度减少和 TJ 蛋白水平降低。这伴随着血脑屏障完整性受损、大脑中 NLRP3 激活、小胶质细胞激活和认知障碍。此外，从长期睡眠不足的小鼠到对照小鼠的FMT在很大程度上概括了在慢性SD中观察到的病理变化，在人类中观察到SD对认知功能的类似不利后果。人类SD通过激活TLR4/NF-κB信号通路诱导产生SCFAs的物种耗竭，全身炎症。这与血清连蛋白和 S100β 水平升高相结合，表明肠道屏障和 BBB 受损。有趣的是，与SPF小鼠相比，GF睡眠不足的小鼠表现出较弱的炎症反应，减少的肠道屏障损伤和较轻的认知障碍，这突出了肠道微生物群在介导SD诱导的病理变化中的关键作用。事实上，从SD人到GF小鼠的FMT显著降低了SCFAs水平，促进了外周和中枢炎症反应，并损害了认知功能。

吲哚及其衍生物恢复肠道屏障完整性

参与维持肠道屏障完整性的其他主要代谢物是吲哚及其衍生物，它们由膳食色氨酸的细菌发酵产生。色氨酸是一种通过膳食来源获得的必需氨基酸，可作为多种微生物和宿主代谢物（包括吲哚）的生物合成前体。值得注意的是，PD肠道微生物组的宏基因组分析揭示了色氨酸生物合成途径的减少。几种吲哚衍生物，包括吲哚-3-乙醇、吲哚-3-丙酮酸和吲哚-3-醛，通过激活上皮AHR来维持顶端连接复合物的完整性并改善肠道屏障的完整性（图5a）。AHR是一种在肠道微环境中广泛表达的配体依赖性转录因子，对维持肠道屏障完整性具有深远影响。AHR信号转导参与上皮细胞分化和隐窝干细胞增殖的调节。膳食补充吲哚-3-甲醇可激活肠上皮细胞中的AHR，以恢复感染枸橼酸杆菌啮齿动物的小鼠的肠道屏障完整性。除了对上皮AHR的影响外，膳食中补充吲哚-3-甲醇也会触发LPS治疗小鼠内皮AHR的激活。这导致内皮细胞中的炎症活化减少，从而改善肠道血管屏障的完整性。

近的一项研究强调了APP / PS1小鼠中产生吲哚的细菌的显著改变，这与肠屏障功能障碍和认知功能障碍相结合。相反，用吲哚、吲哚-3-乙酸和吲哚-3-丙酸的混合物口服管饲可逆转肠道屏障损伤，减少 Aβ 积累和 tau 过度磷酸化，从而改善 APP/PS1 小鼠的突触可塑性和认知功能。此外，吲哚通过激活小胶质细胞AHR抑制小胶质细胞活化和NLRP3炎症小体活化。

微生物代谢物恢复血脑屏障（BBB）

血脑屏障是一种复杂的、多细胞的、动态的界面，对维持中枢神经系统稳态和正常的大脑功能至关重要。它严格调节无数分子的通过，包括必需营养素和有害的外源性分子。它还负责从大脑中清除有毒的代谢废物和内源性内毒素。重要的是，它通过限制免疫细胞向大脑的迁移来充当免疫屏障。血脑屏障由紧密堆积的、无开窗的内皮细胞组成，这些内皮细胞由TJ和粘附连接（AJs）连接，它们与周细胞和星形胶质细胞共享一个共同的基底膜。这些细胞与神经元和小胶质细胞一起形成神经血管单位 （NVU），共同有助于维持 BBB 的完整性。

然而，随着年龄的增长，BBB会逐渐失去完整性。血脑屏障受损会启动外周免疫细胞的浸润并触发小胶质细胞和星形胶质细胞活化，终导致突触和神经元丢失。血液来源的蛋白质纤维蛋白的浸润也诱导小胶质细胞极化为AD和多发性硬化症小鼠的氧化应激和神经退行性表型。近对AD患者的海马体和额叶皮层进行的单核RNA测序分析发现，前45个AD GWAS命中中有30个在脑血管细胞中表达。此外，BBB 破坏在其他神经退行性疾病中得到了很好的表征，包括 PD、ALS、FTD 和 HD。神经退行性疾病中的BBB破坏使其成为明确的干预目标。尽管它们在解剖学上是分开的，但越来越多的证据表明肠道扰动对大脑健康的影响。大量证据表明，肠道微生物群衍生的代谢物是血脑屏障完整性的重要调节因子，这表明血脑屏障可能是肠道微生物群和神经胶质细胞之间的重要通讯接口。

短链脂肪酸可提高血脑屏障的完整性

短链脂肪酸是研究广泛的微生物衍生代谢物，对血脑屏障的完整性有相当大的影响（图6a）。初步调查显示，与SPF小鼠相比，GF小鼠表现出增加的BBB通透性和受损的TJ。然而，GF小鼠的BBB缺陷在用产生SCFA的细菌单定植或用丁酸钠口服管饲后得到恢复。在使用抗生素治疗肠道微生物群耗竭后，也观察到类似的趋势。抗生素治疗的小鼠表现出更大的 BBB 通透性和减少的 TJ 蛋白，在 SPF 小鼠的 FMT 后部分改善。体外血脑屏障模型的研究阐明了短链脂肪酸的保护机制。丙酸盐被发现通过减少氧化应激来挽救LPS诱导的hCMEC/D3单层渗透性损伤。近另一项关于bEnd.3内皮细胞的研究表明，丁酸盐和丙酸盐通过调节肌动蛋白细胞骨架的组织和增加肌动蛋白和 TJ 蛋白 ZO-1 之间的相互作用来改善 BBB 的完整性。此外，丁酸盐和丙酸盐逆转了LPS诱导的细胞-细胞连接处ZO-1和claudin-5的减少，并恢复了LPS诱导的线粒体功能障碍。有必要进行进一步的研究，以验证SCFA对神经退行性疾病模型中BBB完整性的影响。

图6、通过血脑屏障改善微生物群-肠-脑轴。a）短链脂肪酸和对甲酚葡糖苷酸可改善血脑屏障完整性并防止神经胶质活化。b）据报道，轻度认知障碍、阿尔茨海默病（AD）和帕金森病（PD）患者的血浆和脑脊液中三甲胺-N-氧化物（TMAO）水平升高。TMAO有害于血脑屏障的完整性，并诱导神经胶质细胞活化。

N-氧化三甲胺破坏 BBB 完整性

另一个参与BBB完整性调节的重要代谢物是TMAO（图6b）。研究报告了 MCI、AD 和 PD 患者血浆和脑脊液中 TMAO 水平升高。此外，发现参与 TMA 产生的基因家族在 PD 肠道微生物组中升高，导致胆碱代谢增加和随后的 TMA 产生。在大脑中，TMAO对神经元生理学有害，因为它诱导神经元衰老、氧化应激和改变突触可塑性。此外，TMAO还通过诱导小胶质细胞和星形胶质细胞活化与神经炎症有关。

然而，关于TMAO对BBB生理学的作用，出现了相互矛盾的结果。近的一项研究发现，喂食补充TMAO饮食的APP/PS1小鼠在顶叶皮层中表现出闭塞蛋白和ZO-1表达减少，同时小胶质细胞和星形胶质细胞活化增加。TMAO对血脑屏障完整性的不利影响在慢性肾病患者中也有报道，使用脂肪组织中的阻力动脉作为血脑屏障的替代模型。然而，已发现长期低剂量 TMAO 补充剂可预防 LPS 诱导的 C57Bl/6J 小鼠 BBB 改变和记忆障碍。在使用 hCMEC/D3 细胞的体外 BBB 模型中，证明 TMA 暴露增加了细胞旁通透性，而 TMAO 暴露增强了屏障完整性和跨内皮电阻 （TEER）。

结构相似的TMA和TMAO的二分作用很有趣，需要进一步研究胆碱-TMA-TMAO 通路。在AD的背景下，胆碱通常被认为是有益的，因为低膳食胆碱摄入量与痴呆和AD。终身补充胆碱已显示出对雌性APP / PS1小鼠的Aβ病理学和小胶质细胞激活的保护作用。相反，胆碱缺乏已被发现会加剧雌性 3xTg-AD 小鼠的 Aβ 和 tau 病理。此外，胆碱缺乏也会损害3xTg-AD小鼠和非转基因对照小鼠的葡萄糖代谢，这可能与AD有关，因为高血糖和糖尿病与BBB分解和痴呆有关。需要更多的研究来了解胆碱-TMA-TMAO通路的潜在机制，并确定改善血脑屏障完整性的佳肠道微生物群操作。值得注意的是，一项针对健康男性的纵向研究已经确定了十种与血浆TMAO浓度相关的肠道微生物。其中，拟杆菌显著增强了红肉/胆碱摄入量与血浆TMAO水平之间的关联。

对甲酚葡糖苷酸可提高血脑屏障完整性

另一种参与调节血脑屏障完整性的细菌代谢物是对甲酚葡糖苷酸（pCG），它是一种从苯丙氨酸和酪氨酸的微生物代谢中衍生出来的苯酚（图6a）。近的证据表明，pCG治疗通过上调几种转运蛋白相关通路和下调炎症通路来改善雄性C57Bl/6小鼠的血脑屏障完整性。随后对 hCMEC/D3 细胞的检查显示，pCG 通过抑制 TLR4 信号转导来抵消 LPS 的透化作用。未来有必要利用神经退行性疾病模型进行研究，以检查 pCG 在神经退行性疾病病理学期间对 BBB 完整性的影响。

脑膜是新兴目标

肠-脑膜轴已成为肠-脑界面的另一个重要方面，引起了相当大的关注。脑膜是一个三层膜屏障，包括外硬脑膜、中蛛网膜和内软脑膜，覆盖脊髓和脑实质。越来越多的证据表明，脑膜不是一种惰性的结构屏障，而是积极参与与大脑的广泛神经免疫串扰。脑膜承载着多种先天性和适应性免疫细胞，这些细胞以不同的数量分布在不同的脑膜层中，以实现组织特异性功能。在衰老过程中，脑膜会向促炎免疫反应转变，其特征是T细胞和B细胞数量增加。功能失调的脑膜也是神经退行性疾病中神经炎症的重要因素，可作为 T 细胞浸润的检查点。此外，脑膜淋巴功能障碍诱导小胶质细胞激活和DAM特征的获得，伴随着5xFAD小鼠大脑中的Aβ沉积。

虽然肠道微生物组与神经退行性疾病中脑膜损伤之间的因果关系尚未确定，但近的证据表明，微生物群-免疫细胞对话对脑膜具有重要意义。肠-脑膜轴的一个关键介质是粘膜相关不变 T 细胞 （MAIT）。MAIT 细胞是非常规的先天样 T 细胞，大量存在于人体血液、肝脏和粘膜中。他们通过其半不变的 T 细胞受体 （TCR） 识别由非多态性主要组织相容性复合体（MHC）I类相关（MR1）分子呈递的微生物衍生的维生素B2（核黄素）。MAIT细胞的发育和成熟依赖于微生物群，GF小鼠中MAIT细胞数量的减少证明了这一点，这可以通过微生物定植来恢复。此外，HFD喂养的肥胖小鼠中的应激和不平衡微生物群通过减少MAIT细胞激动剂配体来降低MAIT细胞频率。这伴随着肠道炎症增加、肠道菌群失调和肠道完整性受损。

近在小鼠脑膜和脉络丛（CP）中检测到 MAIT 细胞后，证明了 MAIT 细胞对脑膜屏障完整性和神经炎症的调节作用。MAIT 细胞负责通过表达抗氧化分子来维持脑膜稳态，与年龄匹配的Mr1+/+小鼠相比，MAIT细胞缺陷的Mr1–/–小鼠的氧化损伤增加和脑膜屏障完整性受损证明了这一点。此外，Mr1–/–小鼠在皮层和海马体中表现出广泛的小胶质细胞增生，以及认知功能受损。然而，通过从WT小鼠过继转移MAIT细胞来防止这些缺陷，从而支持MAIT细胞在脑膜屏障上的保护功能。未来需要研究使用神经退行性疾病小鼠模型调查肠道微生物群操作对脑膜 MAIT 细胞和脑膜屏障完整性的影响，以确定靶向 MAIT 细胞的潜力。

恢复外周免疫稳态

免疫系统失调，包括先天性和适应性免疫反应，以及由此产生的慢性炎症是神经退行性疾病的重要驱动因素。虽然外周免疫细胞通常被认为在中枢神经系统浸润后诱导神经退行性变，但越来越多的证据表明它们可能直接影响外周的神经退行性过程。

肠道微生物组参与与免疫系统的广泛双向交流。值得注意的是，某些肠道微生物群及其代谢物可能会刺激或抑制幼稚CD4+ T细胞分化为TH17细胞。TH17 细胞在粘膜屏障处高度丰富，在调节组织稳态中起关键作用。Treg和 TH17个细胞对于维持佳的肠道免疫系统至关重要。不健康的饮食干预，如高脂肪、高糖和高盐干预，已被证明会对肠道微生物组产生负面影响，并通过损害T 诱发肠道炎症H17 个细胞功能。此外，肠道微生物组调节视黄酸受体相关孤儿受体γ阳性（RORγ+）T的活性注册细胞，其失调可导致结肠炎、食物过敏和结肠癌等疾病。

SCFA已被证明可以调节各种免疫细胞的功能，包括T细胞、B细胞、巨噬细胞、树突状细胞和先天淋巴细胞。例如，丁酸盐已被证明可以通过促进 T 的分化来限制炎症注册细胞并支持调节性B细胞的功能。近的一项研究发现，从富含纤维的饮食到低纤维盛宴饮食的短期饮食转换会损害粘膜和外周 CD4+ T 细胞的代谢适应性，从而诱发粘膜和全身免疫的短暂抑制。这些影响与 SCFA 的快速降低、mTOR 活性受损和 CD4+ T 细胞的线粒体功能有关。另一方面，某些继发性 BA 通过刺激 Treg 发挥抗炎作用和抑制TH17细胞分化。虽然这些发现揭示了肠道微生物组与免疫反应之间的关系，但需要进一步的研究来阐明它们在神经退行性疾病中错综复杂的相互作用。新出现的证据强调了肠脑轴上的Treg细胞和TH17细胞，延伸到神经病理学疾病，表明了未来研究的潜在领域。

基于微生物组的疗法

神经退行性疾病患者肠道微生物组的改变促使研究人员探索基于微生物组的疗法的临床应用，包括益生元、益生菌和 FMT。几项研究进一步支持了这一基本原理，这些研究表明人类肠道微生物组是血浆代谢组的主要决定因素，可能比遗传学起着更主要的作用。

益生菌和益生元

根据国际益生菌和益生元科学协会（ISAPP）的说法，益生菌被定义为“活的微生物，当给予足够的量时，会给宿主带来健康益处”。益生菌的施用通常旨在引入特定的微生物菌株，以刺激微生物组中的健康促进途径并增加有益代谢物的产生。新的培养和测序技术的发展，以及作者对人类肠道微生物群景观的了解的扩展，使益生菌能够超越传统的乳酸菌和双歧杆菌，进入下一代益生菌（NGP）。NGP 的例子包括 A. muciniphila、Faecalibacterium prausnitzii、Roseburia intestinalis 和 Bacteroides fragilis。

另一方面，益生元被ISAPP定义为“被宿主微生物选择性利用的底物，赋予健康益处”。益生元是不可消化的物质，可选择性地刺激有益细菌的生长，以增加相关代谢物的产生。广泛记录的益生元包括菊粉、低聚果糖和GOS，它们可促进乳酸杆菌或双歧杆菌属的生长。然而，技术进步已将益生元的靶点从乳酸杆菌和双歧杆菌扩展到其他新发现的促进健康的肠道微生物，如真杆菌属和粪杆菌等。

作者总结了益生菌（表1，略）和益生元（表2，略）在神经退行性疾病模型中的应用的体内研究结果，特别关注它们对肠道屏障、血脑屏障和神经胶质细胞的影响。总体而言，这些研究一致证明了益生菌和益生元对动物模型认知功能的有益作用。这归因于它们能够增强肠道屏障和血脑屏障的完整性，同时还促进肠道炎症的消退。益生菌和益生元被证明可有效重建有益的肠道微生物群和恢复代谢功能，尤其是产生短链脂肪酸的物种，导致短链脂肪酸水平升高。生物屏障损伤的缓解，加上全身LPS水平的降低，可减弱全身炎症和神经胶质激活，从而减少神经退行性疾病病理学。此外，益生菌和益生元的给药似乎有助于神经退行性疾病模型中神经递质系统的恢复。

值得注意的是，这些研究还报告了有益肠道微生物的相对丰度增加和有害肠道微生物的相对丰度降低。然而，由于技术差异，使用相对丰度的局限性和偏倚风险引起了人们的关切，这可能导致基于比例分析的错误解释。微生物分类单元相对丰度的变化固有地被其余分类单元的相应增加或减少所补偿，从而导致对下游分析产生不利影响的相关性偏差。偏差可以引入样品处理的所有阶段，包括样品采集方案的选择、防腐剂的选择、储存温度、DNA 提取方案、文库制备、测序平台和生物信息学分析流程。因此，建议通过定量微生物组分析（绝对定量）来弥补相对定量检测结果的不足。这种方法将更全面地了解基于微生物组的疗法对肠道微生物组和神经退行性疾病病理学的影响。

粪便微生物群移植（FMT）

FMT是指将健康供体的微生物生态系统转移到受体的胃肠道的过程，目的是改变受体的肠道微生物组并治疗与肠道菌群失调相关的疾病。它被认为是一种广泛且基本上没有针对性的肠道微生物群调节策略，将供体微生物生态系统与受体的生态系统对立起来。然而，FMT多年来取得了重大进展，从转移新鲜供体粪便的相对粗糙的程序发展成为主流治疗方案。这种演变是通过标准化 FMT 产品的开发实现的，并更加强调其药物配方、药代动力学、药效学和毒性。FMT的一个关键优势是能够转移有利的微生物及其复杂的支持生态系统。FMT 常用于治疗艰难梭菌感染和炎症性肠病。值得注意的是，在近FDA批准RBX2660（Rebyota）和SER-109（Vowst）用于预防复发性艰难梭菌感染之后，FMT取得了一个重要的里程碑，凸显了FMT在人类疾病中的治疗潜力。有趣的是，SER-109 是一种以胶囊剂型给药的口服微生物组治疗药物，无需内窥镜检查程序。

如前所述，神经退行性疾病和神经胶质激活的发展与肠道菌群失调和微生物代谢物改变有关。在本节中，作者总结了调查FMT在神经退行性疾病中应用的体内研究结果（表3，略）。一般来说，来自健康对照小鼠或WT小鼠的FMT在神经退行性疾病的受体小鼠模型中显示出纠正肠道菌群失调和缓解神经退行性变的有希望的结果。这些积极的结果可归因于有益微生物的促进和有益代谢物的升高，从而恢复肠道屏障和血脑屏障的完整性。因此，受体小鼠表现出全身炎症、神经胶质激活和神经炎症的减少。

基于微生物组的疗法的临床应用

鉴于越来越多的证据表明肠道微生物群操纵对认知功能具有潜力，人们对应用基于微生物组的疗法来缓解神经退行性疾病的进展产生了浓厚的兴趣。本文中作者分别总结了已完成和正在进行的临床试验（表4、5，略）。近的一项研究将便秘/排便频率确定为肠道微生物群与发生PD的可能性之间关系的潜在介质。因此，作者纳入了研究对便秘影响的临床试验作为终点。

尽管在理解肠脑通讯方面取得了进展，并在实验模型中取得了令人鼓舞的结果，但基于微生物组的疗法的临床试验产生了不同的结果。基于微生物组的疗法通常表现出良好的安全性和耐受性，同时在改善认知功能和运动功能方面具有一定程度的临床疗效。此外，这些干预措施可有效改善 PD 患者的便秘相关参数，包括排便、肠道运输时间、粪便稠度和与便秘相关的生活质量。然而，目前研究的一个显著局限性是缺乏肠道微生物组分析，这阻碍了干预前后分类组成和代谢组学谱的比较。此外，在ALS、FTD和HD中探索基于微生物组的疗法的临床试验也很少。

益生菌和益生元的应用受到几个因素的限制。益生菌的一个显著局限性是其治疗效果欠佳，这主要归因于它们易受低胃 pH 值和暴露于各种消化酶的影响，导致益生菌失活和生物活性受损。此外，益生菌的粘膜粘附能力低和肠道保留不足极大地阻碍了它们的肠道定植。目前正在研究几种创新策略，以提高益生菌的口服生物利用度和肠道靶向能力。这些包括微胶囊化、水凝胶包封、纳米颗粒包封、纳米酶整合、纳米包衣、矿物包衣和光遗传学益生菌系统。

另一方面，很难预测和控制益生元操纵微生物组的结果，因为它们会影响多种微生物物种的生长和活动。然而，正在进行的努力集中在了解具有不同结构的膳食纤维如何调节人类肠道微生物组。此外，越来越多的研究正在探索精确操纵肠道微生物群的策略，以达到特定的健康终点。此外，益生元的有效性因天然微生物群而异。当肠道中已经存在必要的细菌菌株时，益生元更有可能有效。然而，在某些医疗条件下可能缺乏这些有益的菌株。因此，必须施用缺失的共生细菌菌株，以恢复和支持健康的肠道微生物群。对控制益生元代谢和吸收的机制的精细理解将为临床试验的合理设计提供信息。

另一个值得注意的趋势是，研究FMT在治疗神经退行性疾病中的应用的试验数量有限。作者的理解中有一个明显的差距，即抵抗神经退行性变的“理想”肠道微生物组，从而使识别合适的供体变得非常复杂。FMT在抗癌治疗中的应用也存在类似的局限性。有趣的是，越来越多的研究正在调查癌症患者粪便样本的使用，这些患者对免疫检查点抑制剂表现出完全和持久的反应。这种方法有望在神经退行性疾病的背景下进行调查。

此外，FMT 还受到其可变植入程度、有限的可扩展性和缺乏标准化协议的限制。微生物植入的程度是FMT临床成功与否的重要指标。为了改善 FMT 植入，建议对受体进行抗生素预处理，基于近的两项荟萃分析，这些分析报告称，在具有不稳定微生物群落的受体中，供体微生物组植入程度更高。此外，FMT给药的组合途径是增强菌株植入的有效策略。另一个考虑点是，必须反复施用FMT，以抵消影响肠道生态位的持续疾病驱动力，并取得长期疗效。这一临床要求凸显了对具有出色稳定性和可重复性的标准化 FMT 产品的迫切需求。FMT还可能带来意外将病原体和抗生素耐药微生物引入接受者的风险。因此，必须在 FMT 之前对供体样本进行筛查，以减轻这些风险。

结论

全球神经退行性疾病患病率有增无减，加上目前 FDA 批准的药物的治疗效果欠佳，强调需要一种替代策略来发现有效的治疗靶点。微生物群-肠道-脑轴是神经胶质功能的重要调节因子，使其成为改善神经退行性疾病发展和进展的可操作靶点。在尖端技术的帮助下，作者开始描绘神经退行性疾病中肠道微生物群和神经胶质细胞之间错综复杂的交流。失调的肠道微生物组通过损害肠道屏障和血脑屏障的完整性对神经胶质细胞产生不利影响，近的证据也揭示了脑膜屏障的参与。现有的临床前证据支持使用益生菌、益生元和 FMT 通过恢复肠道屏障和 BBB 的完整性来减轻神经胶质激活和认知障碍。然而，基于微生物组的疗法的临床转化仍然具有挑战性，这凸显了继续研究工作的必要性，以解开微生物群-肠-脑轴的复杂性并充分利用其潜力。

在改变的肠道微生物组和疾病之间建立明确的因果关系仍然具有挑战性，因为很难确定观察到的微生物组改变是致病的、后果性的，还是仅仅是旁观者对疾病的反应。此外，现有的动物模型并不能完全概括人类微生物组和病理生物学的复杂性。因此，人类微生物群相关啮齿动物的阳性结果和因果关系的过高率（95%）要求谨慎，不要过度解释和夸大这些发现的因果关系。然而，当动物模型与单细胞技术和计算技术相结合时，它们仍然是必不可少的补充工具，因为它们提供了通过人类研究难以获得的有价值的机理见解。

技术和方法创新的日益成熟使作者能够解开微生物群-肠-脑轴的许多方面，并发现治疗开发的机会。值得注意的是，近开发的非侵入性、可摄入采样装置使得在整个肠道中收集管腔内容物成为可能，有可能克服粪便样本在反映肠道微生物群区域差异方面的局限性。此外，我们开始了解调节群落行为的肠道微生物群错综复杂的细胞间信号传导机制。归根结底，人类肠道微生物组的延展性为开发基于微生物组的神经退行性疾病个性化疗法提供了令人兴奋的机会。

属于微生物组“绝对定量”的时代，已经到来！

01 天昊生物Accu16S^®细菌与AccuITS^TM真菌绝对定量测序专利技术简介：

天昊生物开发的微生物Accu16S^®细菌与AccuITS^TM真菌绝对定量测序技术，是一种基于添加内标序列的微生物绝对定量检测方法。本技术通过向样品DNA中添加天昊专利的人工合成已知拷贝数内标序列，然后进行16S扩增子文库构建、测序，再根据内标序列reads数及其绝对拷贝数绘制出标准曲线，后可获得样品中OTU代表序列对应的细菌物种绝对拷贝数。利用该方法，研究者可以同时获得绝对定量分析结果、常规扩增子相对定量结果，以及相对定量与绝对定量的比较分析结果，可谓“一次检测，三套结果”，数据更加全面准确。

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