综述 | 荷兰瓦格宁根大学: 微生物群-肠-脑轴内5-羟色胺在阿尔茨海默病发展中的作用

编译：微科盟小木，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

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导读   阿尔茨海默病(AD)是痴呆症的最常见病因，全世界有5000多万名患者。目前的证据表明，这种破坏性疾病背后的确切机制是多因素造成的，这使寻求有效的疾病缓解疗法变得非常复杂，并阻碍了寻找战略性预防措施。有趣的是，临床前研究指出，选择性5-羟色胺再摄取阻断药或5-羟色胺受体(拮抗剂)激动剂诱导的5-羟色胺能改变可以缓解AD脑神经病理学和临床症状，后者得到了少数人类干预试验的支持。

此外，大量的临床前试验强调了饮食、粪便菌群移植以及益生元和益生菌从肠道开始调节大脑5-羟色胺能神经递质系统的潜力。这些干预措施是否能够真正预防、逆转或减缓AD的发展，应首先在AD小鼠模型的临床前研究中进行测试，包括在肠道和大脑中进行充分的分析测量。

此后，其潜在的治疗效果可以在严格随机对照的人体试验中得到证实，尤其是在阿尔茨海默病的连续阶段(特别是从前驱阶段到轻度阶段)，这些阶段对此类疗法的高度依从性以及足够的空间显著增强仍然是可行的。

最后，这些研究可能有助于开发一种综合性方法来应对这种复杂的多因素疾病，因为微生物群-肠-脑轴内5-羟色胺及其衍生物可能作为疾病进展的生物标志物，在AD药物开发中形成有价值的靶点。本篇叙述性综述总结和讨论了有关微生物群-肠-脑轴内5-羟色胺在AD发展过程中协调作用的现有证据，并强调了未来研究的一般考虑 。    

论文ID

原名：The role of serotonin within the microbiota-gut-brain axis in the development of Alzheimer’s disease: a narrative review

译名：微生物群-肠-脑轴内5-羟色胺在阿尔茨海默病发展中的作用

期刊：Ageing Research Reviews

IF：11.788

发表时间：2022.1

通讯作者：Yannick Vermeiren

通讯作者单位：荷兰瓦格宁根大学(WUR)

DOI号：10.1016/j.arr.2021.101556

综述目录

1 前言   

1.1 阿尔茨海默病   

1.2 阿尔茨海默病中5-羟色胺能神经递质系统的改变   

1.3 5-羟色胺在阿尔茨海默病中的潜在重要性   

1.4 研究问题   

2 方法   

3 结果   

3.1 阿尔茨海默病小鼠模型和患者5-羟色胺的变化   

3.2 粪便菌群移植引起大脑5-羟色胺能改变   

3.3 饮食干预引起大脑5-羟色胺能改变   

3.4 益生元和益生菌引起大脑5-羟色胺能改变   

4 结论   

4.1 5-羟色胺能系统在阿尔茨海默病中的调节作用   

4.2 微生物-肠-脑轴在调节大脑5-羟色胺能系统中的潜力   

4.3 上述发现对于临床应用的意义  

4.4 局限性和反思   

5 结论和一般考虑  

主要内容

1 前言 

1.1 阿尔茨海默病 

全世界约有5000万人患有痴呆症，预计这一数字每20年将翻一番。痴呆症是一个更宽泛的术语，指的是认知功能(包括记忆、学习和思考)衰退，这种衰退的方式比正常衰老的预期更为剧烈。这可能是由多种疾病引起的，但最常见的是阿尔茨海默病(AD)，据世界卫生组织(WHO)统计，AD占所有病例的60~70%。尽管AD被认为是一种老年人疾病，Zhu等人估计早发性AD(＜65岁)占病例总数的6%。无论发病年龄如何，疾病的病程持续约15-25年。发病时，患者可能无症状或经历轻度认知障碍(MCI)。

然而，随着时间的推移，渐进性神经元丧失的症状逐渐加重。在所有疾病阶段，情绪和行为往往会发生变化。这些常见的神经精神症状包括焦虑、抑郁、易怒、食欲减退、刻板行为、精神病和攻击。考虑到认知和行为的改变，痴呆症对患者个人以及家庭、照顾者、朋友以及整个社会都构成了负担，2015年全球痴呆症的社会经济成本约为6700亿欧元。 尽管许多基因多态性与AD有关，但遗传学给出的解释远远不够完整，只有少数家族性(通常是早期发病)AD例外。

然而，相关基因可能会提示可能的病理生理机制，如载脂蛋白E(APOE)决定的等位基因风险变异。AD的总体情况包括胆碱能、儿茶酚胺能(多巴胺或肾上腺素)和吲哚胺能(5-羟色胺能)神经元功能和丧失的渐进性局部下降，然后是神经元外的神经毒性β淀粉样蛋白(Aβ)斑块聚集，以及神经元内沉积的磷酸化tau蛋白(P-tau)神经纤维缠结(NFT)，两者都是AD的组织学特征。其他因素也被怀疑同样参与其中，如血脑屏障不完整、氧化应激和线粒体功能障碍。

另一个致病因素是脂质和蛋白质的糖基化，导致晚期糖基化终产物。此外，大量证据表明，神经炎症通过加速上述过程在AD发展中发挥作用，尤其是小胶质细胞似乎参与其中。最后，微生物-肠-脑轴可能也参与了AD的发展。总之，这些可疑的疾病调节剂是目前正在进行的有效治疗的靶点。Livingston等人确定了生命周期中12个可改变的潜在风险因素，约占全球痴呆症的40%，这有助于制定公共卫生预防策略。在这些风险因素中，生活方式通常起着突出作用。   

1.2 阿尔茨海默病中5-羟色胺能神经递质系统的改变 

阿尔茨海默病大脑的显著变化远远超出了Aβ和tau蛋白的范围，其中最显著的神经化学变化之一是5-羟色胺能神经递质系统紊乱，这涉及但不限于情绪和认知功能障碍。

首先，大脑总血清素含量下降，特别是颞叶和额叶皮层，其次是脑脊液血清素水平的改变。再次，Cross等人发现AD患者死后大脑中的杏仁核、新皮质和海马中的血清素(5-羟色胺，5-HT)1型和2型受体大量缺失，最近，Solas等人研究了5-HT7受体与AD精神病症状的关系。研究还发现，攻击性和抑郁症状与大脑特定区域(如海马)的血清素水平(及其代谢产物5-羟基吲哚乙酸(5-HIAA))之间存在相关性。多项研究还显示，选择性5-羟色胺再摄取阻断药(SSRI)作用于5-羟色胺转运体(SERT)(图1)，可以缓解AD患者的行为和认知症状，其中包括攻击和焦虑。

此外，脑脊液(CSF)Aβ浓度被证明与SSRI治疗有关，长期使用抗抑郁药(如SSRI)似乎可以降低抑郁症患者患痴呆的风险。这些发现假设5-羟色胺能系统改变和AD发展有直接关系，这使得它成为预防和对症治疗的一个有价值的靶点。 总体上，大脑中血清素的总含量远低于肠道组织，甚至比肠腔中的含量更少。据估计，5%-10%仅在大脑中产生，而在肠道中则会产生90%-95%。必需的芳香族氨基酸色氨酸是合成血清素的主要前体。在膳食或补充摄入后，氨基酸可以通过一系列反应转化为几种产物，如血清素，或更具体地说，5-羟色胺(5-HT)。形成神经递质的中间产物是5-羟色氨酸(5-HTP)。合成后，血清素又可以通过单胺氧化酶(MAO)的作用转化为其他代谢产物，如5-HIAA(图1)。然而，色氨酸也可以通过犬尿氨酸途径代谢，这需要吲哚胺-2,3-双加氧酶(IDO)。

合成血清素本身所必需的一种酶是色氨酸羟化酶(TPH)，它在限速步骤中发挥作用。肠道的神经元和肠嗜铬细胞(ECC)都含有这种酶，尽管存在略微不同的变异。TPH1和TPH2分别在肠道和大脑中含量最多。除EEC外，肠道中的几种微生物也能产生激素和神经递质，包括血清素。例如，大肠杆菌k12(Escherichia coli k12)和植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)，至少在体外是这样。

图1 从色氨酸开始的5-羟色胺和犬尿氨酸生物合成和代谢途径。 必需氨基酸色氨酸是合成5-羟色胺的基础，其代谢途径包括犬尿氨酸途径。5-羟色胺能脑回路都始于中缝核，中缝核是一组产生5-羟色胺的神经元，位于脑桥高度的脑干，其传出神经与整个新皮层、边缘系统(包括杏仁核和海马)、间脑、小脑和周围/自主神经系统(如脊髓、迷走神经)相连。

SSRI的作用机制是阻断SERT，从而防止5-羟色胺从突触间隙释放后回突触前神经元后的再摄取。犬尿氨酸途径引起神经毒性和神经保护代谢产物的形成。熊果酸主要形成于星形胶质细胞(略带紫色)，是一种有效的NMDA受体拮抗剂，可阻止细胞内大量钙离子的释放，从而抑制兴奋性。相反，3-羟基犬尿氨酸被认为是一种强有力的氧化应激源和自由基供体，导致线粒体损伤和活性氧的产生。

NMDA受体激动剂喹啉酸也有类似的神经毒性作用，其功能与犬尿氨酸相反。喹啉酸主要在小胶质细胞(带粉红色)形成。缩写：3-HAO：3-羟基邻氨基苯甲酸3,4-双氧化酶；5-HIAA：5-羟基吲哚乙酸；5-HT：5-羟色胺(血清素)；AADC：芳香族L-胺基酸脱羧基酶；ACMSD：2-氨基3-羧基粘康酸6-半醛脱羧酶；ASMT：乙酰基-5-羟色胺-O-甲基转移酶；Ca2+：钙；IDO：吲哚胺-2,3双加氧酶；KAT：犬尿氨酸转氨酶；KMO：犬尿氨酸-3-单加氧酶；KYNU：犬尿氨酸酶；MAO：单胺氧化酶；NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；NAT：N-乙酰基转移酶；NMDA：N-甲酰-D-天门冬氨酸；SERT：5-羟色胺转运体；SSRI：选择性5-羟色胺再摄取阻断药；TDO：色氨酸二加氧酶；TPH：色氨酸羟化酶；QPRT：喹啉酸磷酸核糖转移酶。   

1.3 5-羟色胺在阿尔茨海默病中的潜在重要性 

简而言之，大脑、肠道和微生物群都产生血清素。然而，血清素本身(不像它的中间体)很难穿过血脑屏障，这在老鼠身上得到了证实(使用放射标记技术)。这指出存在不同的血清素池，相反，它们可能会相互作用。正如Wang和Wang所述，肠道和大脑通过代谢、激素和神经途径双向连接，这一事实支持了这一观点。短链脂肪酸(SCFA)是膳食纤维摄入后肠道微生物产生的代谢产物，被认为是影响认知功能的重要媒介。

这可能是通过对基因表达的影响，因为SCFA刺激TPH1的转录。通过营养、粪便微生物群移植(FMT)或益生元和益生菌的结合，干扰肠道中的微生物群(组成)已经成为一种新兴的大脑健康潜在调节剂，并可能影响远缘血清素库。 作为肠-脑轴内吲哚胺神经递质5-羟色胺重要性的一个指标，先前的研究表明，在饮食中添加色氨酸可以增强老年大鼠的学习和记忆能力，同时降低转基因AD小鼠的海马细胞凋亡和神经元Aβ负荷。Musumeci等人称，这些影响是额叶皮质和海马中5-羟色胺和脑源性神经营养因子表达变化的结果。此外，FMT能够调节海马中的Aβ含量，这在衰老加速小鼠模型中得到了证实。   

1.4 研究问题 

AD是一种复杂的多因素疾病，其发病机制尚不完全清楚。大多数临床前证据表明，5-羟色胺可能在AD相关的认知衰退和神经病理学方面发挥作用，这可能通过微生物群-肠-脑轴间接调节，无论是在发展还是发病方面。在这篇叙述性综述中，我们将讨论多项相关研究，旨在回答以下问题：微生物群-肠-脑轴中的血清素在AD发展过程中的作用?

由于目前还没有研究将这个问题作为一个整体来处理，所以研究问题将被细分为两个子问题：首先，大脑5-羟色胺能系统的改变是否与AD的发展有关?其次，是否可能通过调节微生物群-肠-脑轴来改变大脑的血清素能系统?  

2 方法 

搜索了两个数据库为本篇叙述性综述收集文献。在PubMed和Scopus中使用一组查询执行搜索。对于每个子问题，都使用了特定的查询。重复的发现被排除在外，其余获得的文章通过标题和摘要进行筛选，然后对相关文章进行更深入的阅读。无论人体还是动物体内设计，只要是干预研究，都被认为符合本综述的目的。一般来说，评论文章被排除在外。对于本综述中不包括的总结性试验的综述，也有例外。

对于第一个子问题，在过去的20年里，包括AD小鼠或大鼠模型的临床前随机对照试验和人类临床试验中，如果他们特别地操纵大脑的5-羟色胺能系统，至少是合格的。试验对象有预先存在的精神障碍(如抑郁症)被排除在外。这同样适用于那些聚焦于某一特定行为症状(如躁动或抑郁)的试验，而不是各种行为症状、认知和/或潜在的病理。对于第二个子问题，包括健康受试者或与AD病理或症状相关的(诱发)疾病状态的研究，这些研究观察血清素(相关)酶、受体、转运体或大脑中的浓度，前提是这些研究通过益生元、益生菌、FMT或营养进行干预。此外，用英语以外的语言写的文章不被考虑。最终，67篇文章被认为与本综述相关，这可以在概述中看到(图2)。 

图2 研究的纳入和排除流程图。   

3 结果 

3.1 阿尔茨海默病小鼠模型和患者5-羟色胺的变化

虽然大量证据支持AD中5-羟色胺能变化的存在，但这并不一定意味着因果关系。因此，需要进行干预研究，控制5-羟色胺的合成、代谢或转运，同时评估其对AD脑病理或临床症状的影响。一种经过充分研究的控制大脑血清素浓度的方法是使用SSRI，其被广泛用作抗抑郁药。多项研究报告了其在AD小鼠模型中对Aβ斑块的影响，如表1所示。

表1 AD小鼠模型研究SSRI对Aβ斑块和tau缠结负荷和/或相关认知和/或行为功能的临床前研究。

缩写：Aβ：β淀粉样蛋白；AD：阿尔茨海默病；APP：淀粉样前体蛋白；DG：齿状回；HC：海马；PS1：早老素1；P-tau：磷酸化tau蛋白；SSRI：选择性5-羟色胺再摄取阻断药；TST：悬尾试验。   不同类型的SSRI，如氟西汀、艾司西酞普兰、西酞普兰和帕罗西汀，可导致整个大脑、皮质或海马的Aβ水平和/或斑块减少，其中海马区是研究最多的区域。

由于Olesen、Severino和Von Linstow等人未能将该效应复制到新皮层，因此该效应可能是区域特异性的。Ai等人和Jin等人研究了AD脑内的另一个神经病理标志——P-tau沉积。然而，帕罗西汀和氟西汀在他们使用的AD小鼠模型中没有发现显著的作用。

另一方面，Halliday等人的研究结果确实揭示了给药曲唑酮后Tau P301L阳性小鼠的tau负荷有所改善。海马或附近区域(如齿状回)也反复观察到对神经元丧失的预防作用。其他AD模型诱导的异常似乎也得到了改善，如小胶质细胞增生和线粒体缺陷。重要的是，大多数提到的临床前研究也报告了对认知功能(如学习和记忆)的保护作用，其次是关于斑块、缠结和神经元丢失的改变。Torrisi等人的随机对照试验证实了对认知的积极影响。然而，这与Olesen和Severino等人的发现相矛盾。后者还发现APP/PS1小鼠存活率下降，这在一定程度上质疑其长期效用和安全性，尽管在这项特定研究中通过反复腹腔注射长期SSRI给药可能总体上给这些小鼠造成了充满压力的生活条件。

根据这一假设，一种新的理论认为，SSRI对抑郁样表型的影响不是由药物本身决定的，而是由药物诱导并由环境驱动的。尤

其值得一提的是，与对照组相比，在充实条件下服用氟西汀的老鼠总体上改善了其抑郁样表型，而那些在紧张生活环境中服用氟西汀的老鼠则表现出明显的恶化。 此外，还进行了人工干预研究。Sheline等人对认知健康老年人(n=114)进行的艾司西酞普兰安慰剂对照试验证实了这一点。剂量范围为20-30 mg，持续时间为2-8周。与未治疗组相比，治疗组脑脊液Aβ1-42水平降低了9.4%。此外，Klaassens等人的单剂量小型安慰剂对照交叉试验显示西酞普兰(30 mg)对楔前叶和后扣带皮层(特征)连通性丧失有保护作用，而对认知功能没有影响。使用NeuroCart测试组对轻度AD患者(n=12)和对照组(n=12)的认知功能进行了测量。相反的是，一项对14个随机安慰剂对照试验的meta分析表明，SSRI对AD患者的认知功能有益。从动物和人类的干预研究结果来看，SSRI可以改变阿尔茨海默氏病的神经病理和症状。

除了SSRI外，许多其他化合物也能调节5-羟色胺能系统，如5-HT受体拮抗剂和激动剂。首先，5-HT6受体拮抗剂在临床前试验中已被证明对认知有积极作用，但在实际AD患者的临床试验中并未证明有显著作用。除5-HT6受体外，5-HT1A受体也引起了人们的兴趣。部分5-HT1A受体激动剂坦度螺酮已被证明可以改善AD和血管性痴呆患者的焦虑、抑郁、躁动、易怒和妄想，通过神经精神科量表和简易精神状态检查评分进行评估。

同样，NAD-299，一种高亲和力的5-HT1A受体拮抗剂，已被证明在链脲佐霉素诱导的AD大鼠模型中对皮质和海马的Aβ斑块负荷以及海马氧化应激、损伤和神经元连接产生多种作用。

值得注意的是，Afshar等人在给药5-HT2A受体激动剂TCB-2后观察到了类似的效果。相反，在APP/PS1小鼠中，一种反向5-HT2A受体激动剂Pimavanserin已被证明可以减少皮层、海马和CSF中的Aβ，同时改善小鼠的认知功能。在一项使用5-HT2A受体拮抗剂地氯雷他定的试验中，小鼠的认知能力也得到了改善，使用的是同一类型的转基因小鼠。其他发现包括改善小胶质细胞吞噬作用，小胶质细胞-斑块相互作用和神经可塑性，伴有神经炎症的减少，以及海马CA1区Aβ斑块的减少。此外，两种5-HT4受体激动剂(RS 67333和SSP-002392)与转基因AD小鼠脑区减少的Aβ斑块相结合，在学习和记忆方面显示了良好的效果。

然而，对斑块的影响似乎依赖于治疗时间和发病时间，Tesseur等人(2013)和Giannoni等人(2013)未能在一些干预组中复制这些效应。在使用5-HT7受体激动剂AS19后，海马Aβ斑块的减少与认知能力的改善也被报道。在雄性Wistar大鼠AD模型中，这种激动剂也被证明可以减少海马细胞凋亡并改善可塑性。最后，5-HT3受体拮抗剂恩丹司琼进行了临床试验，未显示出对认知参数有任何影响。

总之，这些研究表明5-HT1A/2A/4/6/7受体激动剂在AD病理和临床症状方面发挥不同的作用(表2)。

表2 5-羟色胺受体激动剂对Aβ斑块负荷和/或相关认知和/或行为功能的影响在AD小鼠模型或人类干预试验中的临床前研究。

缩写：5-HT：5-羟色胺；AD：阿尔茨海默病；APP：淀粉样前体蛋白；DG：齿状回；HC：海马；PS1：早老素1；CSF：脑脊液；MMSE：简易精神状态量表；NPI：神经精神科量表。   

3.2 粪便菌群移植引起大脑5-羟色胺能改变 

利用FMT可以研究AD患者大脑5-羟色胺能改变中微生物群的作用和可操控性。不幸的是，目前在AD小鼠模型和患者中都缺乏这样的研究。然而，Hata等人将4名神经性厌食症患者和4名年龄匹配的健康个体微生物群移植到4周龄的无菌雌性小鼠(n=72)，观察到脑干5-羟色胺含量明显下降，其他脑区5-HIAA含量呈升高趋势。行为测试(如旷场实验和大理石掩埋)表明有希望的改变。更具体地说，接受神经性厌食症患者FMT的小鼠表现出更多的焦虑和强迫行为。

与此相对应的是，在一项研究中，接受11名精神分裂症患者FMT的5周龄的接受抗生素治疗(无病原体)的小鼠，与10名对照个体的FMT相比，海马和纹状体5-羟色胺、前额皮质和纹状体犬尿氨酸以及海马TPH-1表达都有所增加。这些发现伴随着学习和记忆障碍的增加，通过高架十字迷宫、社会交互行为测试、强迫游泳实验、旷场实验、Barnes迷宫、三室社交实验和新物体识别测试进行评估。

因此，这两项研究都证明，除了临床功能外，FMT还能影响5-羟色胺能神经传递，至少在无菌小鼠中是这样。此外，一项包括50-70岁患有treatment-naïve代谢综合征的白种人(n=24)的人类干预研究显示，与口服丁酸补充剂相比，胃旁路术后患者FMT后下丘脑和丘脑SERT结合均呈阳性趋势。注射123I-碘氟潘作为放射性配体后，利用单光子发射计算机断层扫描(SPECT)在两个区域中对5-羟色胺转运体进行可视化分析。此外，在粪便微生物群分析中，两组间的微生物群落组成存在显著差异。

总之，这些研究表明FMT能够引起大脑5-羟色胺能的变化，甚至可能对认知和行为方面产生深远的影响。   

3.3 饮食干预引起大脑5-羟色胺能改变 

不那么激烈，但同时更难以控制的是饮食方式。首先，一项针对西方饮食的随机对照临床前试验，其定义为高脂肪含量，与标准饮食相比，可能是肠-脑轴的调节剂。膳食中蛋白质含量分别为28%和29%，精制碳水化合物含量分别为49%和55%，脂肪含量分别为33%和13%。该研究的样本量很小，每组只有3到4只雄性老鼠(6周龄)。在三周的干预期后，进行了行为测试，如高架Barnes迷宫和跳台潜伏期，发现高脂饮食组的焦虑和探索行为有所减少。此外，对大脑的神经递质分析显示对海马中的色氨酸水平有增强作用。

然而，海马5-羟色胺水平和TPH2表达保持不变。Beilharz等人更大规模的研究也报道了西方饮食与标准饮食的比较，虽然在雄性老鼠(n=60)中共进行了约四周的研究。

重要的是，饮食增加了5-HT1A而降低了5-HT2C受体基因在海马中的表达。这些影响在边缘皮层中不存在。行为测试(高架十字迷宫、物体识别和位置识别)显示对空间记忆有负面影响，但对焦虑没有影响。其他发现是微生物多样性的减少。值得注意的是，使用含有长双歧杆菌(Bifidobacterium longum)、婴儿双歧杆菌(B. infantis)和短双歧杆菌(B. breve)、嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)、副干酪乳杆菌(L. paracasei)、保加利亚乳杆菌(L. bulgaricus)和植物乳杆菌(L. plantarum)以及唾液链球菌(Streptococcus salivarius)的益生菌进行两周的治疗，可以防止观察到的对空间记忆和微生物多样性的影响。

在另一项随机对照试验中，雄性大鼠(n=12)被喂食高脂饲料4周，在这种情况下，直到肥胖。这些发现甚至显示了大脑整体血清素的下降，伴随着从粪便样本中评估的拟杆菌的过度生长。 其次，Egerton等人研究了一种特定的饮食成分(即鱼油脂肪)与氟西汀联合添加到标准饮食中喂食2周后对母鼠分离的雄性大鼠(n=58)的影响。行为测试，如高架十字迷宫，旷场实验和强迫游泳测试，结果显示出抑郁和焦虑的改善。相反，随后的生化分析显示脑干血清素水平无显著差异。不足的是，没有对大脑的其他区域进行检查，这使得对调查结果的解释更加复杂。然而，鱼油脂肪和氟西汀，无论是单独还是联合使用，都能降低脑干中血清素的主要代谢物5-HIAA的水平。因此，肠道微生物群组成和短链脂肪酸产量的变化暗示了这一效应的潜在调节作用。

例如，拟杆菌门(Bacteroidetes)和普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)的丰度增加，以及丁酸盐水平的降低似乎是鱼油脂肪组的特征。 最后，正如前面提到的，迄今为止最令人信服的证据来自Musumeci和Noristani等人的研究，虽然这并不是一个完整的饮食方法。Noristani和同事发现在三转基因AD小鼠模型中，急性增加膳食色氨酸摄入量一个月(0.40 g Trp/100 g)后CA1海马神经元内Aβ减少，而Musumeci等人提供了直接证据，表明相似的饮食增加了5-羟色胺能神经传递，尤其是在老年大鼠的海马体中。同样，色氨酸缺失(非AD)小鼠最近也表现出大脑区域特异性的5-HT和5-HIAA水平显著降低，即在海马、脑干、皮质和纹状体。   

3.4 益生元和益生菌引起大脑5-羟色胺能改变 

各种各样的研究强调了益生菌对大脑5-羟色胺能系统的影响，通常与行为和认知变化相结合。所有纳入研究的详细情况见表3。 首先，九项随机对照临床前试验报告了益生菌植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)的疗效。益生菌的抗焦虑作用已在几项研究中证实，这同样适用于学习和记忆的改善。除了认知改变，Zaydi等人在D-半乳糖诱导的衰老大鼠模型中显示了益生菌对血清素相关酶(如TPH1)的增强作用。此外，益生菌增加了整个大脑的血清素水平，尤其是靠近杏仁核的海马体。此外，健康大鼠5-羟色胺转运体(5-HTT或SLC6A4)表达的增加也有报道。

这在应激斑马鱼中得到了证实，特别是5-羟色胺转运体亚型SLC6A4a。在其代谢物5-HIAA的情况下，这个发现似乎是矛盾的。Liu等人研究显示，无菌雄性小鼠的纹状体增加，但前额皮质或海马没有增加，而Liu等人的另一项研究显示，早期生活应激的雄性小鼠整体减少。 其他乳杆菌菌株也产生类似的效果。Borrelli和Xie等人报道了斑马鱼和成年雄性小鼠大脑中血清素相关酶的DNA表达增加，以及5-羟色胺转运体的DNA表达增加。值得注意的是，Xie等人只发现了益生菌在应激诱导下的作用。

此外，相关的临床前试验观察到大脑血清素水平的升高，无论是在特定区域(如海马)，还是整个大脑。相反，据Luo等人报道，高氨血症诱导的神经炎症大鼠的海马和小脑中血清素减少。益生菌联合菊粉治疗可提高大鼠齿状回和海马5-HT1A受体的表达和密度。此外，其对焦虑和认知功能(包括学习和记忆)的改善也有报道。 四项有关双歧杆菌的随机安慰剂对照临床前试验的结果相互矛盾。例如，Tian等人研究发现，长期处于应激状态的成年雄性C57BL/6小鼠喂食B. infantis菌株后，海马中血清素水平增加，但前额皮质中血清素水平没有增加。

Desbonnet等人发现，使用同样的菌株，大鼠额叶皮层中5-HIAA水平下降，而5-HIAA/5-HT比值(分解代谢转换的衡量指标)和整体血清素含量未受影响。另一方面，Tian等人报道了长期应激的成年雄性C57BL/6J小鼠在喂食B. breve菌株后，前额皮质中血清素水平增加，而非脑干。此外，Engevik及其同事发现，将B. dentium菌株喂食无菌小鼠后，5-HT2A受体的表达主要在海马CA1亚区增强。在一些病例中，粪便中SCFA成分也随之变化。

在试验中发现，使用B. dentium菌株会使乙酸盐增加，而使用B. infantis菌株会使乙酸盐、正丁酸盐、丙酸盐和异丁酸盐减少。 另外四种类型的益生菌也被发现能提高大脑中的血清素水平。在皮下注射1,2-二甲肼的大鼠中，产生吡咯喹啉醌的大肠杆菌影响全脑血清素水平，而梭菌(Clostridium)和阿克曼氏菌(Akkermansia)则分别影响雄性应激和非应激小鼠的海马血清素水平。此外，Clostridium还降低了海马组织中MAO、SLC6A4和5-HT1A/2A/5/6受体的表达，同时增加了海马组织中TPH2的表达。其次，Clostridium还改善了抑郁样行为。

另一方面，屎肠球菌(Enterococcus faecium)对应激雏鹅全脑5-羟色胺含量的影响相反。 几种益生菌的组合改善了小鼠或大鼠与年龄相关的认知能力下降，可能还改善了抑郁症。据Tillmann等人报道，对焦虑、社会行为或记忆没有影响。总的来说，衰老加速小鼠的大脑血清素水平在整个大脑中都有所增加。在大鼠身上，同样的效果在海马和额叶皮层中被发现。然而，Tillmann等人在抑郁遗传大鼠模型中发现前额皮质和海马没有受到影响。

然而，富含益生元的益生菌混合物在雄性Wistar大鼠海马和(前)额叶皮层中显示出TPH2升高和IDO降低。除了TPH2外，在类似的益生菌混合物干预中也观察到MAO水平下调。

最后，以前只使用益生元对大脑血清素水平的影响进行研究，到目前为止很少有研究。首先，它影响猪的认知功能，以及新生小鼠及其母鼠的焦虑和行为。其次，关于对5-羟色胺受体5-HT2A、5-HT2C和5-HT1A表达的影响，在益生元类型和/或研究之间存在相矛盾的结果。第三，发现血清素水平在猪和雄性BALB/c小鼠大脑的特定区域下降。

表3 在动物模型中进行的临床前干预研究，研究了益生元和益生菌对大脑血清素水平、受体、转运体、酶和相关基因表达的影响。

缩写： 5-HIAA：5-羟基吲哚乙酸；5-HT：5-羟色胺(血清素)；5-HTP：5-羟色氨酸；Aβ：β淀粉样蛋白；AD：阿尔茨海默病；APP：淀粉样前体蛋白；CMS：慢性轻度应激；DG：齿状回；DRN：中缝背核；HC：海马；IDO：吲哚胺-2,3双加氧酶；MAO：单胺氧化酶；PS1：早老素1；P-tau：磷酸化tau蛋白；SSRI：选择性5 -羟色胺再摄取阻断药；SCFA：短链脂肪酸；TPH：色氨酸羟化酶。   

4 结论 

先前已经强调了微生物群-肠-脑轴在AD中的参与可能对预防和治疗产生影响。此外，最近一项孟德尔随机分析提出，由于神经递质改变(5-羟色胺、γ-氨基丁酸)，该轴与AD发展之间存在直接联系。

值得注意的是，GV-971是一种从海藻提取物(低聚甘露酸钠)中提取的药物，靶向肠道微生物群，目前正在进行三期试验(NCT04520412)。这些最新进展突出了该轴在寻找疾病缓解疗法中的重要性，除了血清素及其衍生物在微生物群-肠-脑轴中的修饰作用，尤其是在AD的发展中。   4.1 5-羟色胺能系统在阿尔茨海默病中的调节作用 文献搜索旨在找出5-羟色胺能改变和AD的发展是否以及如何相关。在这方面，大多数研究主要是临床前试验，但也有少数人的干预试验，表明SSRI和5-羟色胺受体(拮抗剂)激动剂可能很好地改变潜在的神经病理学，包括临床症状。

尽管治疗的有效性可能取决于疾病阶段，Giannoni等人的试验已经强调了这一点。体外机制研究进一步加强了5-羟色胺能系统的调节作用。Hornedo-Ortega等人的研究证明了这一点，他们表明5-羟色胺能够防止Aβ寡聚体和纤维的不稳定，从而防止不溶性斑块的形成。这种效应可以通过破坏Aβ42原纤维之间和内部的盐桥以及β-片结构来建立。除了对斑块负荷的影响，5-羟色胺还可能通过对热休克蛋白70、SIRT-1和SIRT-2基因表达的作用来发挥神经保护作用，这在大鼠细胞中得到了证实。 

相反，很少有试验未能复制SSRI对海马Aβ斑块减少以及减轻认知功能障碍的作用。在Klaassens等人的试验情况下，这可能是由于样本量小和单一给药剂量。这三项动物试验的意外发现可能部分可以用给药途径来解释，因为这些试验属于少数口服SSRI的试验。

其他因素，如样本量、干预时间和AD模型的类型，与其他发现了疗效的动物试验相比，似乎没有什么特别的不同。此外，SSRI对P-tau蛋白的影响仍然不明确，因为Halliday等人和Jin等人的发现相互矛盾，尽管这两项试验都涉及过表达人类tau突变的小鼠。最后，SSRI对新皮层斑块负荷的影响以及5-HT3受体拮抗剂对认知的影响似乎不存在，尽管这也可能与给药途径有关。尽管如此，大多数纳入的研究都支持这样的假设，即大脑5-羟色胺能神经递质系统的改变在本质上参与了AD的病理生理学，因此，从早期阶段开始干预其发展可能是一个可行的预防目标，并可能(对症)治疗。这一观点与Joshi等人关于AD多尺度和多水平5-羟色胺能建模方法的综述一致。   

4.2 微生物-肠-脑轴在调节大脑5-羟色胺能系统中的潜力

接下来的问题是，是否可以通过调节微生物-肠-脑轴来阻止或禁止5-羟色胺能的改变。事实上，营养、益生菌、益生元和FMT似乎影响大脑中5-羟色胺水平、5-羟色胺受体、相关酶(TPH1、TPH2、MAO、IDO)和5-羟色胺转运体(SLC6A4)的表达。这种观察到的与5-羟色胺有关的肠道和大脑之间的联系可能是多种不同相互作用的结果，如图3所示。一个例子可能是迷走神经活动的调节，与SSRI的情况类似。例如，口服SSRI可增强迷走神经的活性，而迷走神经切断术随后消除了其抗抑郁作用。

最近，细菌色氨酸代谢物甚至与迷走神经刺激有关，通过激活肠道上皮感觉肠内分泌细胞。此外，纳入的研究中5-羟色胺能的变化往往伴随着认知或行为的变化。例如，Liu等人的益生元试验显示，认知能力和全脑血清素水平都有所提高。尽管大脑功能的改善可能是血清素水平提高的直接影响(图3)，但它也可能与膳食色氨酸的替代命运有关，即犬尿氨酸途径。这一途径的代谢物，如喹啉酸(图1)，通过各种机制被证明具有神经毒性，如激活N-甲基-D-天冬氨酸受体。因此，通过微生物群的作用抑制这种化合物的形成(例如通过降低IDO的活性或色氨酸的可用性)可能会减少神经毒性，从逻辑上讲，这对整体大脑健康是有益的。

因此，Yu等人的研究显示IDO抑制对认知、Aβ形成和神经元损失有积极作用，而Parrott等人强调了其在AD小鼠模型中对焦虑和抑郁样症状的预防作用。值得注意的是，并非所有犬尿氨酸代谢途径的代谢物都必然对大脑有害。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)是一种对线粒体功能至关重要的辅助因子，作为年龄相关疾病的可能调节因子引起了人们的兴趣。 然而，在所有的干预试验中观察到的(有益的)5-羟色胺能改变并不一致。

例如，在一项FMT试验中，学习和记忆障碍伴随着海马血清素水平的增加。除了之前描述的SSRI在AD动物模型中的积极作用之外，这似乎与AD中(海马)5-羟色胺水平降低影响认知的假设相矛盾。对于其中两项饮食干预，血清素本身似乎没有受到影响，尽管在有效调节行为之后观察到血清素相关的变化(如色氨酸或5-HIAA水平)。然而，值得注意的是，在一项试验中只测量了脑干中的血清素水平，而在另一项试验中，样本量很小。此外，只有少数饮食干预试验可用，调查的分析神经化学措施的种类有限。然而，在转基因AD小鼠模型中，添加高水平的色氨酸可以降低Aβ负荷。

不幸的是，除了转基因AD小鼠模型(不考虑饮食)中海马5-羟色胺能纤维的生长增加作为对Aβ积累的潜在防御机制外，研究人员无法揭示海马或中缝核中与较高色氨酸摄入有关的直接5-羟色胺能变化。提出的一种神经保护机制是通过激活5-HT1A/B受体并随后开放K+通道使附近神经元超极化，从而使AD脑内斑块附近的5-羟色胺能发挥作用。超极化反过来又限制了Ca2+的进入，因此限制了兴奋性毒性，因为电压门控钙通道将保持关闭，而NMDA受体的Mg2+阻断变得有利。 

最后，益生元和益生菌对大脑的影响似乎有很大的不同，这突出了菌株选择的重要性。植物乳杆菌是研究得最多的菌株之一，似乎能有效地调节大脑血清素，对认知和行为都有益。另一方面，屎肠球菌(Enterococcus faecium)降低了密度应激雏鹅的脑血清素水平；在猪海马和小鼠前额叶皮层中也观察到了这种作用。对于大多数纳入的菌株，最大的限制是缺乏重复研究，以及研究终点的不一致性。一些研究侧重于酶和受体，而另一些研究则专注于血清素及其代谢物水平。

另一种变化可以在测量的目标区域发现：一些是在整个大脑中进行的，其他一些只在某些区域中进行。总体上，除了饮食、FMT、益生元和益生菌以及菌株选择似乎与5-羟色胺能的变化存在内在联系之外，上述局限性使得我们很难得出最终结论，这与变化方向(增加或减少)和被测分析物(无论是整体水平，还是受体、酶或转运体)无关。

图3 与潜在增强子相关的肠-脑相互作用介导的5-羟色胺能功能。 5-羟色胺(5-HT)是微生物群-肠-脑轴信号的关键调节因子，在整个人体中发挥与大脑和肠道(外圈)有关的多种功能。它的产生、可用性和活性受到多种方式的影响，性别、遗传(如酶活性、受体分布)和药物(如SSRI)是主要的外部或生理(内部)决定因素。首先，膳食或添加色氨酸(Trp)可在肠嗜铬细胞(ECC)的作用下转化为5-羟色氨酸(5-HTP)，然后在芳香族L-氨基酸脱羧酶(AADC)的作用下转化为5-羟色胺。

5-HT释放后，与肠神经系统上的受体相互作用，调节肠道运动，并诱导进一步沿迷走神经进行信号传导。迷走神经传入信号进一步传播到中缝背核和孤束核。这两个核都与控制情绪的情绪调节大脑网络相连接，这实际上可能进一步决定饮食行为。其次，通过ECC产生5-HT还可以通过膳食纤维或相关益生元的摄入和消化来实现，随后微生物群会产生短链脂肪酸(SCFA；如丙酸、丁酸、乙酸)，这些短链脂肪酸刺激ECC进行额外的5-HT合成。特定的肠道微生物菌株也可以自己合成神经递质。重要的是，5-HT合成的中间体5-HTP可以从体循环中通过血脑屏障，而5-HT则不能。在神经元中，Trp通过TPH2的作用转化为5-HTP，并通过AADC进一步转化为5-HT。迷走神经可以认为是5-HT调节肠-脑连接的高速公路，具有相互作用。

对于阿尔茨海默病(AD)的发展，粪便菌群移植、饮食和益生元/益生菌可增强上述通路，最终促进脑5-羟色胺能神经传递(如海马、边缘皮层)。这可能导致行为和认知结果的改变，或者根据疾病阶段，预防、减弱或延迟神经炎症，从而导致随后的斑块或缠结的形成(左上角)。该图中未包括与AD进展中的神经炎症过程相关的饮食Trp的替代命运，即犬尿氨酸途径的进一步参与。缩写：5-HIAA：5-羟基吲哚乙酸；5-HT：5-羟色胺(血清素)；5-HTP：5-羟色氨酸；AADC：芳香族L-氨基酸脱羧酶；BBB：血脑屏障；DRN：中缝背核；ECC：肠嗜铬细胞；ENS：肠神经系统；FMT：粪便微生物群移植；IBS：肠易激综合征；MAO：单胺氧化酶；MCI：轻度认知障碍；NTS：孤束核；SCD：主观认知下降；SCFA：短链脂肪酸；SERT：5-羟色胺转运体；SSRI：选择性5-羟色胺再摄取阻断药；TPH：色氨酸羟化酶；Trp：色氨酸。   

4.3 上述发现对于临床应用的意义 

所讨论的干预措施对AD发展的影响仍有待确定，因为纳入的试验均未类似地评估(i)肠道和大脑(或相关的生物液)中的血清素水平，(ii)进入途径(例如，益生元/益生菌、饮食、FMT)和(iii)所涉及的(iv)AD小鼠模型或处于(v)不同疾病阶段的患者的认知和/或行为结果。此外，应该记住的是，每个人都有自己独特的微生物群组成，这可能会影响个体对FMT、饮食、益生元和益生菌的反应。

这在包括FMT的试验中没有体现出来，因为在FMT之前接受了抗生素治疗的受试者中测量了对大脑5-羟色氨能系统的影响。因此，目前还不清楚移植后的微生物群是否能够充分地定殖肠道，从而以其自身的初始微生物群组成改变实际的肠-脑通讯。在将FMT从健康受试者转移到(肠易激综合征或抑郁)患者的临床研究中，显示患者精神症状确实有所改善，然而，这种益处只持续了大约3到6个月。值得注意的是，一项病例研究观察到一名艰难梭菌(Clostridioides difficile)感染的AD患者在FMT后认知和行为症状迅速改善。患者妻子(85岁)的粪便被用作供体。在干预后6个月，改善显著(没有提供进一步的数据)。对于益生元和益生菌试验，其对人体的有效性也可能提出同样的问题，特别是有几个试验使用了无菌条件或无菌小鼠。

与此同时，一项旨在研究双歧杆菌(给药3个月)对遗忘型MCI患者的微生物群组成、大脑网络和认知的影响的随机对照试验正在进行中(NCT03991195)。其次是一个类似的试验，AD患者补充双歧杆菌和乳杆菌菌株12周(NCT05145881)。不幸的是，在这两项研究中，均未测量大脑血清素。最后，临床前研究中的外部因素也应该在实际转化为人类情况之前进行积极的调查和控制，因为例如SSRI的疗效已经假设在很大程度上依赖于环境影响，在紧张的生活条件下，甚至有可能严重恶化而不是改善。在这种情况下，提出的一种机制可能是增加5-羟色氨能神经传递后神经元可塑性增强，使个体更容易受到生活环境质量的影响。   

4.4 局限性和反思 

首先需要考虑一些方法上的局限性和反思。例如，这篇综述的焦点很狭隘，主要集中在血清素上。与其合成和代谢途径相关的代谢物和前体，如褪黑素、色氨酸和神经炎症犬尿氨酸途径(如喹啉和犬尿氨酸)，不在本综述的范围内。它们的重要性当然不应被低估，可以放在AD神经炎症的一般概念框架中。另一个需要考虑的重要方面是，观察到的脑5-羟色胺含量改变与临床结果改善和/或AD病理学减弱之间的相关性(例如，SSRI治疗后)并不一定意味着因果关系。在列举的临床前研究中观察到的大脑5-羟色胺能效应也是如此，这些研究包括益生元和益生菌、FMT和饮食方法/饮食限制。考虑到肠道和大脑中5-羟色胺能神经递质系统可能作为相邻和相似神经递质系统的中间连接，这种影响可能非常间接。5-羟色胺退行性变是否可能是AD病理的下游效应，还是可能具有致病作用，仍有待证实。SSRI治疗并不能明确地干预人类AD的进展，这可能是因为长期SSRI治疗对多种5-羟色胺受体亚型的复杂影响。

在这方面，经常看到成功的动物研究与临床试验中缺乏重复性之间的差异。因此，很难确定5-羟色胺系统的因果关系，但目前为止已经出现了一些研究，揭示了5-羟色胺和Aβ之间直接的结构和分子相互作用的修饰作用。最后一个局限性可能是排除仅在肠道和/或血液中测量血清素水平、受体、酶或转运体的研究。这些最终通常用于人体试验，因为在体内大脑测量(例如PET扫描)更昂贵，而且可能更具侵入性。尽管这些研究不一定能提供有关大脑血清素含量和变化的相关信息，但这些研究肯定有助于全面理解血清素在微生物群-肠-脑轴上的作用。至于成像研究，鉴于我们提出的假设，非常需要这些研究，但这些研究应该使用合适的放射性配体，并优先与血清素合成或代谢的外周分析相结合。  

结论和一般考虑

综上，目前研究的证据表明，大脑的5-羟色胺能神经递质系统参与了AD的发展。此外，该系统可以通过微生物群-肠-脑轴进行调节(利用益生元/益生菌、FMT和营养)，至少在各种临床前研究中得到了证实。

下一步是在AD小鼠模型中，在疾病病理的不同阶段对益生菌、FMT和饮食进行随机安慰剂对照试验。因此，应首选至少涵盖tau和Aβ异常的转基因小鼠模型(如APP/PS1/TauP301L转基因小鼠)。理想的研究终点应包括认知方面、神经精神症状(如抑郁和攻击性)，以及中枢(大脑)和外周(CSF、血液、肠道(活检或粪便材料))血清素水平、受体、酶(IDO、MAO、TPH2、TPH1)和/或转运蛋白表达的测量。可以区分神经化学和行为上重要的大脑区域，如海马、脑干、杏仁核和额叶皮层。

功能宏基因组学方法使用粪便材料来进一步确定细菌代谢物如何直接(间接)影响5-羟色胺能信号，在这方面仍然是一个非常强大的工具。

下一步，需要进行大规模的人类随机安慰剂对照干预试验，以确定在阿尔茨海默病的哪个阶段5-羟色胺能系统的这些调节剂(如益生元/益生菌、FMT、饮食)可能具有最好的效果，最好是从前驱阶段(如因AD引起的主观认知衰退或MCI)到较轻的AD阶段，在这些阶段，对此类治疗的高度依从性以及明显增强的足够空间仍然是可行的。最后，此类试验可能有助于开发一种综合方法来应对这种复杂的多因素疾病，因为微生物-肠-脑轴内5-羟色胺及其衍生物可能作为疾病进展的潜在生物标志物，形成有价值的AD预防策略和药物开发靶点。