原創 任行星 BioArt 2019-09-07
2018年7月17日，中國本土研製的抗阿爾茨海默症（AD）原創新藥GV-971臨床3期成功揭盲，在國內外引起了強烈反響。去年10月25日，在巴塞羅那舉行的第11屆國際阿爾茨海默症臨床試驗大會上，GV-971第一發明人、中科院上海藥物研究所耿美玉研究員代表上海綠谷製藥有限公司、全國34家從事GV-971臨床3期臨床醫院的研究者做主旨發言，首次在全球披露GV-971臨床3期數據，現場反響強烈，獲得了與會頂尖國際專家的高度認可。從GV-971的發現到臨床3期試驗成功完成，整個歷程21年，這期間整個研發團隊進行了了艱苦卓越的工作。業界普遍關心的一個核心問題是，GV-971臨床成功其作用機理是什麼？剛剛在Cell Research上在線發表的耿美玉研究團隊的研究論文揭示了GV-971的作用機理，對發現AD治療新方案具有重大的意義。國際知名專家、美國神經學協會現任主席、華盛頓大學David M. Holtzman教授特別撰文highlight該文章，此外，熟悉相關工作的中國科學技術大學的朱書教授也應邀對該工作進行了點評，以饗讀者！
撰文 | 任行星
點評 | 朱書（中國科學技術大學教授）
阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）又稱老年痴呆，是一種神經退行性腦部疾病。1906年Alois Alzheimer博士利用腦切片染色法發現老年痴呆患者腦內神經纖維纏結，伴有神經元細胞退化，並且大腦皮層出現很多斑塊，於是將這種神經系統疾病命名為“阿爾茨海默病”【1】。隨著現代醫學的發展，人們發現AD特徵性病理變化：大腦β澱粉樣蛋白（β-amyloid，Aβ）沉積形成老年斑（Plaque），Tau蛋白過度磷酸化造成神經纖維纏結（NFTs）以及神經元丟失，並伴隨膠質細胞增生。然而，AD的發病機理以及治療依然是世界難題。
據《Word Alzheimer Report 2018》統計，2018年全球有近5000萬AD患者，到2050年預計將增加至1.52億人。這對全球來說是極重的醫療負擔，然而目前關於AD藥物的研發幾乎沒有任何突破性進展。目前世界上沒有一種藥物能夠減緩或停止AD導致的神經元損傷。美國FDA批准了六種治療AD的藥物，卡巴拉汀、加蘭他敏、多奈哌齊、美金剛、美金剛聯合多奈哌齊和他克林。除了美金剛外，這些藥物都是通過暫時增加大腦中神經遞質來改善症狀。美金剛阻止大腦中NMDA受體過度激活對神經細胞的刺激損傷。這些藥物不能減輕AD的病理變化，也不能逆轉或減緩疾病進程。
據《Word Alzheimer Report 2018》統計，2018年全球有近5000萬AD患者，到2050年預計將增加至1.52億人。這對全球來說是極重的醫療負擔。目前，美國FDA批准的六種AD治療藥物（卡巴拉汀、加蘭他敏、多奈哌齊、美金剛、美金剛聯合多奈哌齊和他克林）均為症狀改善藥物。這些藥物既不能減輕AD的病理變化，也不能延緩疾病的病程進展。
9月6日，中國科學院上海藥物研究所耿美玉課題組聯合上海綠谷製藥有限公司等研究團隊在Cell Research雜誌上發表了題為Sodium oligomannate therapeutically remodels gut microbiota and suppresses gut bacterial amino acids-shaped neuroinflammation to inhibit Alzheimer’s disease progression的研究論文，研究發現在AD的進程中，腸道菌群失衡導致外周血中苯丙氨酸和異亮氨酸的異常增加，進而誘導外周促炎性Th1細胞的分化和增殖，並促進其腦內侵潤。侵潤入腦的Th1細胞和腦內固有的M1型小膠質細胞共同活化，導致AD相關神經炎症的發生。同步，該團隊發現新型AD治療藥物GV-971通過重塑腸道菌群平衡、降低外周相關代謝產物苯丙氨酸/異亮氨酸的積累，減輕腦內神經炎症，進而改善認知障礙，達到治療AD的效果。
近年來，人們對胃腸道菌群的認知逐漸加深，大量的研究表明胃腸道菌群與代謝性疾病（肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪肝等）、腦血管疾病、神經精神系統疾病、腫瘤等有著密切的關係。目前研究證實，腸道菌群失衡與自閉症、抑鬱症、帕金森症、阿爾茨海默病等疾病有密切聯繫【2】。
在本研究中，作者首先確認了在AD進程中，腸道菌群的改變與腦內侵潤的免疫細胞具有相關性。研究使用了常用的5XFAD轉基因小鼠（Tg）模型，他們發現，隨著AD病程進展，Tg小鼠腸道菌群組成發生了顯著改變。追蹤Tg小鼠菌群結構的動態變化過程發現，在Tg小鼠2-3月齡時，擬桿菌門、厚壁菌門和疣微菌門丰度最高（Bacteroides 47.3%, Firmicutes 33.0% 和Verrucomicrobia 12.2%），然而到了7-9月齡時，則以厚壁菌門為主導（Firmicutes 62.8%）。這些結果表明隨著AD的進展，Tg小鼠腸道菌群的組成發生了明顯的改變。
有研究提示腸道菌群參與觸發大腦神經炎症
【3】。因此，作者假設在AD進程中，以上菌群變化和神經炎症有密切關係，並加以確證。首先，利用IBA1染色和流式細胞分析發現，Tg小鼠腦內小膠質細胞（Microglia）在2-3月齡和7-9月齡呈現兩種截然不同的激活狀態。在2-3月齡時，促炎的M1型和神經保護的M2型小膠質細胞活化都在增加，隨著疾病的進展，促炎的M1型小膠質細胞持續增加，並在7-9月齡時達到頂峰，然而神經保護的M2型小膠質細胞在3-5月齡開始下降，之後就維持在一個較低的水平。進一步分析AD進程中Tg小鼠腦中外周免疫細胞侵潤狀態，發現腦內外周侵潤的CD45high細胞比例顯著增高，並且CD4+ T細胞的兩個主要亞型Th1和Th2表現出和促炎的M1型、神經保護的M2型小膠質細胞相似的變化過程。顯然，該研究表明隨著腸道菌群的失衡，腦內的神經炎症模式轉為以Th1細胞和M1型小膠質細胞活化為主導。那麼在AD的進程中，腸道菌群的丰度和大腦免疫細胞的變化是否有關聯呢？作者分析發現在7-9月齡富集的腸道菌群與腦內Th1和M1細胞比例呈正相關（圖1），這些結果表明，在AD的進程中，腸道菌群變化和腦內免疫細胞以及神經炎症密切相關。 圖1. 7-9月齡富集腸道菌群與腦內免疫細胞的相關性分析
作者進一步從正反兩個方面證實了腸道菌群是大腦免疫細胞侵潤以及小膠質細胞激活所必需的。一方面利用抗生素處理Tg小鼠，使腸道菌群丰度顯著降低，這時腦中侵潤的Th1細胞比例和M1型小膠質細胞的活化也明顯降低。同窩飼養實驗從另一個角度證實了腸道菌群對腦內神經炎症的驅動作用。同窩的野生型（WT）小鼠由於長期暴露於Tg小鼠的糞菌中，其體內的菌群組成更接近於Tg小鼠，使得其腦中Th1、M1細胞的比例顯著升高、細胞因子的表達譜和認知功能也更接近於Tg小鼠。短期的糞菌移植實驗也同樣證實，正常小鼠接受Tg小鼠糞菌後，腦中Th1細胞比例明顯增加。相反，Tg小鼠接受正常小鼠糞菌後，腦中Th1細胞比例明顯減少。這些結果都表明，在AD進程中，腸道菌群改變可以驅動腦內外周免疫細胞侵潤以及神經炎症反應。
與此同時，作者驗證了該團隊研發的治療AD的原創寡糖類新藥GV-971對AD轉基因小鼠認知功能障礙的改善作用。作者利用水迷宮和Y迷宮實驗證實，AD模型小鼠接受GV-971治療3個月後，認知功能障礙有明顯改善（圖2）。同時，在去年結束的為期36周、多中心、隨機、雙盲、治療輕、中度AD患者的臨床3期實驗中，GV-971能夠明顯改善輕、中度AD患者的認知功能障礙。
圖2. GV-971對APP/PS1 轉基因小鼠行為變化的影響
那麼GV-971的作用機制是什麼呢？作者進一步探究了GV-971是否通過影響腸道菌群進而影響AD進程。作者發現5XFAD轉基因小鼠（Tg）口服GV-971一個月後，腸道菌群的組成更接近於野生型小鼠，且腸道菌群的分佈發生了明顯的雙向變化。與腸道菌群的變化一致，GV-971治療Tg小鼠後，之前腦內免疫細胞與腸道菌群間的相關性被打破，腦內促炎性Th1細胞比例下降，小膠質細胞的活化水平也顯著降低，同時，腦內多種細胞因子水平廣泛下降
（圖3）。並且，GV-971的治療顯著降低了Tg小鼠腦內Aβ斑塊沉積和Tau蛋白的磷酸化，對Tg小鼠辨別學習能力也有明顯的改善作用。這些結果表明，GV-971可以通過調節腸道菌群改善AD小鼠神經炎症和認知功能障礙。
圖3. GV-971通過調節腸道菌群來降低神經炎症
許多研究表明腸道菌群可以通過代謝產物影響宿主的免疫系統【4】。那麼，在AD的進程中，腸道菌群是否通過代謝產物調節大腦神經炎症呢？作者發現Tg小鼠糞菌培養上清可以刺激naïve CD4+ T細胞更多地分化成促炎性Th1細胞，說明菌群產生的相關代謝產物可以調節免疫細胞分化。通過非靶向代謝組學分析發現WT、Tg和GV-971治療的Tg小鼠糞便中存在31種差異的代謝產物，這些代謝產物在Tg小鼠中與WT小鼠相比顯著升高或降低，同時這種改變在GV-971處理後可以明顯逆轉。通過通路富集，作者發現這些代謝物主要集中在一些氨基酸相關代謝通路，特別是苯丙氨酸（Phenylalanine）等相關通路。
氨基酸可以通過特定的轉運體被免疫細胞攝取，從而驅動免疫細胞的分化和增殖【5】。於是作者檢測了苯丙氨酸和異亮氨酸轉運體SLC7A5的表達水平。他們發現在Th1細胞中存在SLC7A5表達。用13C同位素標記苯丙氨酸表明Th1細胞能夠攝取苯丙氨酸，並且這種攝取可以被SLC7A5抑制劑阻斷。進一步研究發現苯丙氨酸或異亮氨酸能刺激naïve CD4+ T細胞分化成Th1細胞，並可刺激Th1細胞的增殖。當給WT小鼠腹腔注射苯丙氨酸或異亮氨酸時，小鼠血液中Th1細胞的比例也顯著增加。
GV-971 處理一個月可明顯降低Tg小鼠糞便和血液樣本中苯丙氨酸和異亮氨酸的含量，並且減少苯丙氨酸或異亮氨酸所誘導的Th1細胞的分化，同步降低苯丙氨酸誘導的Th1細胞增殖。
為了進一步驗證上述小鼠模型上的研究結果是否在臨床樣本上具有可重現性，作者又比較了輕度認知障礙AD患者和對應年齡段的健康人血液中苯丙氨酸、異亮氨酸和Th1免疫細胞等含量的差別，結果發現輕度認知障礙AD患者Phe/Ile水平和Th1細胞含量比例較健康人均明顯升高，提示了該工作具有潛在的臨床轉化價值。
圖4. AD進程中“腸腦軸”調節示意圖及GV-971干預策略
綜上，在AD進程中，伴隨Aβ的沉積以及Tau蛋白的磷酸化的發生，腸道菌群的組成發生變化，繼而導致代謝產物異常，異常的代謝產物刺激外周免疫炎症，促使炎性免疫細胞Th1向大腦侵潤，引起腦內M1型小膠質細胞的活化，導致AD相關神經炎症的發生，最終導致認知功能障礙。口服GV-971能夠重塑腸道菌群，降低異常代謝產物，阻止外周炎性免疫細胞向大腦的侵潤，抑制神經炎症，同時減少Aβ的沉積和Tau蛋白的磷酸化，從而改善認知障礙，達到治療AD的目的（圖4）。
圖為中科院上海藥物所耿美玉團隊與綠谷製藥研究院的科研人員合影
國際著名專家美國神經學協會主席、華盛頓大學David M. Holtzman教授等特別撰文在Cell Research 同期發表題為“The microbiome: A target for Alzheimer disease?”的亮點評述，全文中文翻譯如下：
腸道菌群：阿爾茨海默病的新靶點？
近期越來越多的研究提示腸道菌群與阿爾茨海默病（AD）發病過程關聯，但目前有關腸道菌群的改變是如何影響AD發生發展的病理過程卻知之甚少。王薪懿等人在β澱粉樣蛋白轉基因小鼠模型中研究發現，腸道菌群失衡促進的外周免疫細胞侵潤與AD病理學和行為學改變密切相關。
AD是一種神經退行性疾病，其引起的記憶和思維能力的進行性下降足以嚴重擾亂患者的日常生活。可以預見，隨著人口老齡化，如果沒有任何一款AD病程改變藥物研發成功的話，未來AD在全球的發病率將會顯著增加。非常遺憾的是，目前，針對減少大腦β澱粉樣蛋白（Aβ）沉積或中和Aβ毒性藥物的臨床研究均以失敗告終。事實上，研究證明早在AD患者出現認知功能障礙之前的15-20年，其腦內Aβ早已開始積聚，同步大腦還伴隨其它病理變化，包括tau蛋白聚集和神經炎症的發生。AD對公眾健康的巨大挑戰不斷激勵著科學家們銳意進取、努力創新，探索研發可以針對AD發病機制不同方面、疾病發生不同階段的候選藥物。
免疫系統在AD發病機制中具有重要作用，無論是中樞神經系統內的先天性免疫，還是獲得性免疫都開始受到關注，其中外周免疫系統在AD發生發展中的作用正在逐步成為領域研究的焦點。一些研究表明，AD患者和AD動物模型的大腦中存在著血液來源的白細胞（如淋巴細胞、單核細胞和中性粒細胞）。例如，在Aβ沉積的轉基因小鼠模型中，抑制調節性T細胞（Treg）可導致Aβ的減少。另一項獨立研究發現，包括T細胞和B細胞在內的外周免疫細胞缺失可導致Aβ的沉積量增加2倍以上。這些研究均提示外周免疫系統與腸道菌群之間存在密切的相互作用。
隨著微生物在人類健康中的重要性逐漸被認可，越來越多的研究致力於探索腸道菌群失調、致病菌群定植與AD發病機制三者之間的聯繫。然而，非常遺憾的是，這些聯繫的具體機制目前尚不清楚。新近，發表於Cell Research的一篇文章中，王薪懿等來自中科院上海藥物所和上海綠谷製藥的研究人員睿智地在Aβ澱粉樣蛋白轉基因小鼠模型中證明了腸道菌群失衡可促進外周免疫細胞向大腦的侵潤，進而增強小膠質細胞的活化，引起認知功能障礙和Aβ蛋白沉積。在此基礎上，作者們又進一步研究了海洋寡糖抗AD新藥GV-971對該過程的影響，GV-971剛於近期在中國完成了3期臨床研究，其對輕、中度AD患者認知功能具有穩健、持續的改善作用，前景良好。通過本研究，他們也證明了GV-971可通過重塑腸道菌群的平衡、減少Aβ相關病理特徵、改善認知功能障礙，為靶向腸道菌群治療AD這一新策略提供了更翔實的證據。
作者們首先評估了Aβ澱粉樣變性小鼠模型（5xFAD轉基因小鼠）的腸道菌群特徵。該模型鼠Aβ累積及聚集始於3月齡，海馬區神經突觸的丟失及認知功能障礙的出現則發生在7-9月齡。伴隨上述病理特徵的變化，5xFAD小鼠的腸道菌群組成也同步發生了顯著變化，與之不同的是，同期野生型對照小鼠的腸道菌群組成則保持相對穩定。進一步研究發現7月齡時， 5xFAD模型小鼠厚壁菌門相對擬桿菌門菌群丰度的比率大幅增加。該現象在其他研究也有報道，它們共同支持了腸道菌群變化可伴隨Aβ沉積這一觀點。作者們隨後研究了腸道菌群變化影響Aβ相關發病過程的機理。他們發現伴隨Aβ積聚及其下游事件如神經突觸退化和腸道菌群失衡的發生，促炎性小膠質細胞的數量在第7個月時也同步增加。有趣的是，外周侵潤促炎T輔助細胞1（Th1）的數量也相應增加。這些結果表明，AD相關的腸道菌群失衡可能以某種方式刺激外周免疫細胞向大腦侵潤，繼而通過加劇神經炎症導致Aβ相關的病理變化。為了進一步驗證上述發現，他們首先採用抗生素去除腸道菌群，結果發現5xFAD動物模型中活化的小膠質細胞和外周侵潤性Th1細胞的數量均相應減少。反之，在與5xFAD小鼠同籠飼養的正常野生型小鼠中（可共享轉基因型小鼠的腸道菌群）或者從5xFAD動物供體接受糞便微生物移植（FMT）的野生型小鼠中，均發現存在侵潤性Th1細胞增加的現象。
接下來，文章作者擴展了他們對GV-971在減輕Aβ相關病理過程和緩解認知功能下降等方面的研究。通過使用5xFAD轉基因小鼠，作者對GV-971是否可部分通過調節腸道菌群來改善認知障礙進行了實驗。經口灌胃給予GV-971治療一個月後，5xFAD轉基因小鼠展示出明顯的腸道菌群組成改變，且伴隨Aβ斑塊、大腦Th1細胞比例和小膠質細胞活化水平的減少。深入的機制研究發現，5xFAD轉基因小鼠的糞便和血液中苯丙氨酸和異亮氨酸（Phe/Ile）的含量和野生型小鼠相比明顯升高，且Phe/Ile能夠誘導Th1細胞的分化和增殖。值得注意的是，GV-971則可將5xFAD轉基因小鼠的Phe/Ile含量恢復至正常對照水平。作者進一步比較、驗證了輕度認知障礙AD患者和正常年齡段的健康人，發現AD患者Phe/Ile水平和Th1細胞比例較正常人均明顯升高，提示了該工作具有潛在的臨床轉化價值。
綜上所述，該研究表明腸道菌群失調可導致Phe/Ile升高，繼而介導Th1細胞的增殖/分化並向大腦侵潤（圖1），這些侵潤的Th1細胞可進一步激活小膠質細胞並促進Aβ相關的病理過程。考慮到炎症免疫變化和腸道菌群失調在其他疾病中也佔很大比例（例如，多發性硬化症中外周免疫細胞的參與、肥胖中厚壁菌門與擬桿菌的比率增加），因此目前尚不清楚該發生機制是否僅為AD所特有。另外，該研究表明重塑腸道菌群功能是GV-971的一種獨特的作用機制，但仍不能排除GV-971存在其它的作用機制。事實上，GV-971可通過直接抑制神經炎症或β澱粉樣蛋白纖維形成來阻止AD發病。特別值得提出的是，
GV-971作用機制的闡述毫無疑問為深度理解靶向腸道菌群作為治療AD新策略提供了重要的概念支持，為抗AD複雜疾病的藥物研發提供全新幹預方法。附David M. Holtzman教授簡介：
David M. Holtzman教授是華盛頓大學聖路易斯醫學院Hope Center神經系統疾病中心的科學主任，神經學系的教授及主任。是國際神經領域及AD研究領域的頂級科學家，現任美國神經學協會主席。主要學術貢獻是發現了apoE與AD的關聯性，揭示了突觸功能及突觸囊泡與突觸釋放Aβ的機制。開發了AD腦脊液的生物標誌物，研製的靶向Aβ抗體和Tau蛋白抗體的藥物分別在臨床3期和2期進行研究。獲得Paul Beeson Physician Faculty衰老研究學者獎、美國神經學會阿爾茨海默症Potamkin 獎、阿爾茨海默症MetLife獎、美國國家衰老研究所頒發的MERIT獎、創新及企業家Chancellor’s獎項數項。
專家點評
朱書（中國科學技術大學）
近年來，腸道微生物與疾病的研究無疑是生命科學領域最熱門的話題之一，指數級增長的數據表明，“腸道-腸道微生物-大腦”雙向調節系統不再僅僅是一個概念，這種雙向作用模式組成了由上至下（top-down）和由下至上（down-top）的兩種調節體系【6】（圖a）。由上至下的調節，如中樞神經系統對消化系統的調節可通過影響腸動力、腸分泌、粘膜通透性等，而影響腸道微生物組分。腦腸互動異常引發的疾病如腸易激綜合徵（IBS）、胃腸道紊亂等的作用機制正逐步清晰【7】。而由下至上的調控，如腸道及腸道微生物調節大腦的功能及行為也越來越受到重視。目前，腸道菌群紊亂與一系列神經系統疾病包括自閉症、抑鬱症、帕金森症、阿爾茨海默病等的關聯也越來越清晰。因此，針對這些神經系統疾病，研究人員的目光已逐步從靶向中樞神經系統轉移到靶向腸道微生物或者腸道免疫特徵的研究上來【8】 。
圖a. 腸-腸道微生物-腦作用模式圖【6】
腸道微生物對大腦的一個主要調節方式是通過神經免疫和神經內分泌系統實現。腸道微生物通過短鏈脂肪酸（Short-chain fatty acids，SCFAs）、次級膽汁酸（Secondary bile acids，2BAs）、色氨酸（Tryptophan）等代謝產物與腸道內分泌細胞（Enteroendocrine cells，EECs）、腸道嗜鉻細胞（Enterochromaffin cells，ECCs）以及腸道粘膜免疫系統交互作用進而觸發級聯放大反應
【9】。此外，腸道菌群也可以產生一些刺激神經組織的物質如γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid）、5-羥色胺（5-HT）、去甲腎上腺素（Norepinephrine）、多巴胺（Dopamine）等通過直接或間接方式作用於大腦。儘管腸道與大腦的互作溝通方式多種多樣，但是其因果關係特別是其精準的互作調控機制知之甚少【6】。目前，有關腸道影響神經退行性疾病研究中，對帕金森症（Parkinson’s disease，PD）的研究最為深入，且近期取得了一系列突破性進展，為其它神經退行性疾病的研究提供了重要範例。2016年12月，加州理工學院科學家們在Cell發文，首次顛覆性證實腸道細菌和PD之間的功能聯繫，發現腸道菌群產生短鏈脂肪酸（SCFA）可以激活大腦小膠質細胞，進而引發神經炎症，致使神經元損傷【10】。今年6月26日，美國約翰霍普金斯大學研究人員在Neuron發文證實，錯誤摺疊的α-突觸核蛋白可以沿著迷走神經從小腸傳播至大腦，通過切斷迷走神經可阻止錯誤摺疊α-突觸核蛋白入腦，並提出阻斷這種傳播途徑可能是預防帕金森病的關鍵所在，拓展PD干預新策略【11】。7月18日發表在
Nature上的一項最新研究表明，腸道感染可以在人類疾病相關基因PINK1敲除的小鼠模型中，引發免疫反應，導致運動障礙及多巴胺能神經元丟失等帕金森病樣病變，提示腸道感染可以作為PD的觸發事件【12】（詳見此前BioArt的相關報道：Nature亮點| 關鍵體內證據證實腸道感染與帕金森病關聯）。阿爾茨海默病（AD）作為一種典型的神經退行性疾病，儘管發現已有百餘年的歷史，但其發病機制仍然不十分清楚。截至目前，有關參與AD發生發展的假說多達30餘種，包括大家熟知的Aβ沉積、神經纖維纏結、神經炎症、顱腦外傷等。近年隨著生命科學的飛速發展，不斷拓展業界對AD發病複雜機制的深度認知，2015年弗吉尼亞大學的神經學家Jonathan Kipnis團隊在Nature上發文指出,大腦中“排汙管”腦膜淋巴管障礙導致的腦實質中Aβ沉積是AD發病的重要原因【13】；2018年6月，西奈山醫學院研究人員用大數據和無偏見（unbiased）系統研究體系，發現病原體參與AD的發生發展，證明人類皰疹病毒 6A (HHV-6A) 和 7 (HHV-7)與AD的關聯最為密切【14】。而腸道菌群失衡與AD發生發展的關聯性研究正在成為業界高度關注的熱點話題，有研究發現AD患者腸道菌群失調引起促炎菌群增加，進而導致大腦炎症因子水平升高，引發神經退行性疾病
【15】；實驗動物則顯示，AD小鼠腸道菌群的組成與健康小鼠不同，進一步研究發現無菌狀態下的AD模型小鼠的大腦Aβ比AD模型小鼠顯著減少，表明腸道菌群可影響Aβ沉積而影響AD病程進展【16】。近日，中國科學院上海藥物研究所耿美玉課題組聯合上海綠谷製藥有限公司科研團隊在Cell Research雜誌上發表了題為Sodium oligomannate therapeutically remodels gut microbiota and suppresses gut bacterial amino acids-shaped neuroinflammation to inhibit Alzheimer’s disease progression的研究論文，進一步證實在AD發病過程中，腸道菌群紊亂自身足以引起腦內神經炎症，並首次發現菌群來源的氨基酸代謝產物的異常升高是菌群誘導神經炎症的一個重要機制，是導致AD認知障礙的關鍵。更重要的是，該團隊首次揭示GV-971通過重塑腸道菌群平衡，降低腸道菌群代謝產物特別是苯丙氨酸和異亮氨酸的產生，降低外周及中樞炎症，減少腦內Aβ沉積和Tau過度磷酸化，從而改善認知功能障礙。
眾所周知，AD患者的大腦促炎因子水平升高是一個普遍現象，有研究認為Aβ沉積導致炎性因子水平的升高；也有研究發現炎性因子升高是誘導Aβ沉積的原因【17】。有趣的是，Aβ具有一定的抗菌活性，研究發現AD病人的額葉勻漿能夠抑制白色念珠菌的生長；在小鼠和線蟲AD模型中，Aβ可以聚集成網絡、阻止沙門氏菌或念珠菌感染，提示感染性的免疫反應可刺激Aβ產生【18】。基於AD患者腸道菌群具有其特殊組成，我們推測腸道中大量動態平衡的促炎和抑炎菌群在外界壓力刺激條件下失去平衡、進而導致促炎反應發生，最終通過“腦-腸軸”促進神經炎症的發生（圖b）。
耿美玉課題組的研究發現不但證實了上述這些疑問與猜想，而且首次提供了AD腸道菌群失調誘導大腦神經炎症的具體分子機制。她們發現腸道菌群失調導致包括苯丙氨酸和異亮氨酸在內的氨基酸的異常積累，這些異常氨基酸釋放到外周血液，可促進Th1細胞等外周免疫細胞的分化和增殖，進而增加外周促炎型Th1等免疫細胞向大腦中的浸潤，導致神經炎症的產生。上述研究成果為闡明AD複雜疾病的發病機制提供全新研究視角，為抗AD複雜疾病的藥物研發提供全新幹預策略。
圖b. 微生物在AD進程中可能的病理生理作用【19】
目前，AD藥物開發主要聚焦於靶向大腦β澱粉樣蛋白（Aβ）沉積和神經細胞Tau蛋白聚集。截至目前，全球累計研發投入超過6000億美元，臨床試驗失敗藥物有320餘個，失敗率高達99.6%，17年無AD治療新藥上市。眾所周知，2016年底製藥巨頭禮來公司備受矚目的靶向Aβ治療性抗體藥物Solanezumab臨床3期失敗，使靶向Aβ的理論學說受到巨大沖擊。2019年3月21日，百健及其合作伙伴日本衛材對兩項靶向Aβ的抗體治療藥物Aducanumab（BIIB037）的3期臨床試驗的宣停，標誌著單一靶向Aβ干預策略的侷限
【20】。有關Tau拮抗的多個藥物處於臨床的不同研究階段，如TRx0237、RO7105705、C2N 8E12、BIIB092等，然而降低Tau蛋白能否有效治療AD，以及降低其含量是否能導致其他的病理狀態，目前尚存在巨大爭議【19】，這些均極大地挑戰了傳統“一藥一靶”的AD治療策略。耿美玉教授團隊首次揭示GV-971是通過靶向腦-腸軸發揮其治療AD的作用。系統研究發現GV-971通過重塑腸道菌群平衡，降低腸道菌群代謝產物特別是苯丙氨酸和異亮氨酸的產生，降低外周及中樞炎症，減少腦內Aβ沉積和Tau過度磷酸化，從而改善認知功能障礙。除了靶向調節腸道菌群失衡外，GV-971還能直接透過血腦屏障，通過多位點、多片段、多狀態地捕獲Aβ，抑制Aβ聚集體的形成，並使已形成的聚集體解聚。GV-971這種獨特作用機制的闡明為該藥3期臨床試驗的顯著有效性與安全性提供了重要的科學依據。
耿美玉教授團隊長期致力於抗老年痴呆藥物的研發。該研究有望為AD的治療帶來“中國方案”，填補AD治療領域內全世界17年沒有新藥上市的空白。 儘管這一“中國方案”是否能為AD的治療帶來革命性的變化尚需藥物上市後在更多患者群體獲益後再予評價，但本研究的科研成果無疑大大增強了我們對AD治療改善的信心，並且為拓闢AD治療新路徑提供了翔實的實驗依據。
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