【前沿科普】口腔细菌可能是阿尔茨海默症 (老年痴呆) 的诱因 | 今天你刷牙了吗?

——阿尔茨海默症药物研发背景——

2018年1月全球最大制药公司辉瑞（Pfizer）宣布放弃阿尔茨海默症（AD)药物研发以来，2018年-2019年阿尔茨海默症药物研发似乎被阴霾笼罩，药物研发失败的消息不断传来。美国强生、英国阿斯利康、美国礼来、美国百健、日本卫材等全球制药巨头公司纷纷折戟，宣布阿尔茨海默症药物研发失败或放弃研发，无论对于患者还是其他制药公司来说，这都是沉痛的打击。

             

图1. 搜索关键词“阿尔兹海默症&药物研发&放弃&失败”

这场与时间赛跑的比赛，人类还有希望吗？

根据美国药品研究与制造商协会（PhRMA）发布的报告，在1998-2017年期间，全球已有146个阿尔茨海默症药物在临床试验中遭遇失败，仅有4种药物成功上市，只有1/37的成功率。

为什么针对阿尔茨海默症的药物研发如此困难呢？主要还是归因于该疾病的发病机制目前尚未研究清楚。

——阿尔茨海默症背景——

阿尔茨海默症（Alzheimer disease，AD），俗称老年痴呆症，一种起病隐匿的进行性发展的神经系统退行性疾病。临床上以记忆障碍、失语、失用、失认、视空间技能损害、执行功能障碍以及人格和行为改变等全面性痴呆表现为特征，病因迄今未明（来源：百度百科）。

虽然目前阿尔茨海默症致病机理尚未完全明确，不过基于已有的研究进展，目前已有几个主流的致病机理假说。根据PhRMA的报告，1998-2017年146个失败的AD药物中，按作用机制分类，其中4%为tau蛋白机制，15%为β淀粉样蛋白机制，19%为神经炎症机制，26%为神经递质机制，而36%为其他机制。

基于AD患者显著的病理特征：大脑中有淀粉样斑块（由β-淀粉样蛋白组成）和神经元缠结（Tau蛋白引发），β-淀粉样蛋白（Aβ）假说和Tau蛋白假说也就成为两大主流假说。“Aβ和Tau蛋白谁是元凶”成为该领域争论的焦点，两大阵营每年都会发布出研究成果相互争论。

报告中97.3%的失败率和近年来AD药物研发屡屡铩羽的消息不禁让人怀疑：我们真的找到了AD真正的致病机理了吗？备受争议的Aβ假说和Tau假说真的是最终的解决方案吗？元凶真的是Aβ和Tau蛋白其中之一吗？

——阿尔茨海默症治疗新思路——

2019年1月23日，著名国际学术期刊《Science Advance》上发表了题为“Porphyromonasgingivalis in Alzheimer’s disease brains: Evidence for disease causation and treatment with small-molecule inhibitors”引发了AD药物研发领域激烈的讨论。来自加州大学旧金山分校的Stephen Dominy课题组发现，慢性牙周炎的致病菌——牙龈卟啉单胞菌，可能是导致阿尔茨海默症的真正诱因，为阿尔茨海默症治疗提供了新思路。

牙龈卟啉单胞菌（Porphyromonasgingivalis，P.gingivalis）是一种革兰氏阴性厌氧细菌，其可以产生称为牙龈蛋白酶（gingipains）的毒性因子，牙龈蛋白酶是由Kgp、RgpA和RgpB组成的半胱氨酸蛋白酶。牙龈蛋白酶被分泌，运输到细菌外膜表面，并以可溶性和外膜囊泡相关的形式被部分释放到细胞外环境中。Kgp和RgpA/B对牙龈卟啉单胞菌的存活和致病性至关重要，在宿主定植，宿主防御失活，铁和营养物获取以及组织破坏中发挥关键作用。牙龈蛋白酶已被证明可介导牙龈卟啉单胞菌在内皮细胞，成纤维细胞和上皮细胞中的毒性。

——摘要（太长不看版）——

1.    牙龈卟啉单胞菌（Porphyromonas gingivalis）是慢性牙周炎的关键病原体，在阿尔茨海默病患者的大脑中被鉴定出来。

2.    在阿尔茨海默病患者的大脑中也发现了该细菌分泌的毒性蛋白酶，称为牙龈蛋白酶（gingipains），并且其水平与Tau蛋白和泛素病理学相关。

3.    小鼠口腔牙龈卟啉单胞菌感染导致细菌的脑定植并增加大脑Aβ_1-42（淀粉样蛋白斑块的组分）的产生。

4.    此外，牙龈蛋白酶在体内和体外具有神经毒性，对正常神经元功能所需的蛋白质Tau发挥有害作用。

5.    为了阻止这种神经毒性，研究人员设计并合成了针对牙龈蛋白酶的小分子抑制剂。牙龈蛋白酶抑制降低了已建立的牙龈卟啉单胞菌诱发的脑部感染的细菌负荷，阻断了Aβ_1-42产生，减弱了神经炎症，并拯救了海马区的神经元。这些数据表明，牙龈蛋白酶抑制剂可用于治疗牙龈卟啉单胞菌的脑定植和阿尔茨海默病的神经变性。

——研究成果——

一、在所有AD患者大脑和7/10轻度至中度认知障碍的患者（疑似AD患者）脑脊液中检测到牙龈卟啉单胞菌。表明牙龈卟啉单胞菌确实能够进入大脑。

二、研究课题组利用免疫组化（IHC）的方法鉴定了牙龈蛋白酶（gingipain）与AD患者的诊断、Tau负荷、泛素负荷有显著的相关性。

图2. 牙龈蛋白酶与AD患者的诊断、Tau负荷、泛素负荷有显著的相关性

三、牙龈蛋白酶与海马区神经元和病理学特征（包括Tau缠结和淀粉样斑块）共定位

图3. 牙龈蛋白酶与海马区神经元和病理学特征共定位

四、并且，体外实验证明牙龈蛋白酶还能将Tau蛋白切成碎片。

图4.牙龈蛋白酶可以切割Tau蛋白

五、牙龈卟啉单胞菌入侵大脑后诱导Aβ_1-42的应激产生。

用牙龈卟啉单胞菌口服感染小鼠导致脑感染以及诱导Aβ_1-42的应激产生。而牙龈蛋白酶基因敲除的牙龈卟啉单胞菌感染的小鼠大脑中细菌定植和Aβ_1-42大幅减少，因此，牙龈蛋白酶对于Aβ_1-42的应激产生是必须的。同时他们也发现Aβ_1-42对牙龈卟啉单胞菌有抗菌功能。

图5. 牙龈卟啉单胞菌入侵大脑后诱导Aβ_1-42的应激产生

六、牙龈蛋白酶抑制剂可以起到治疗小鼠阿尔茨海默症的效果

通过对被感染的小鼠口服牙龈蛋白酶抑制剂后，可以保护小鼠大脑神经元，抑制细菌生长以及降低β-淀粉样蛋白沉积，表明通过抑制牙龈蛋白酶来治疗AD或许是一种可行的思路。该课题组正在进行相关的临床试验，期待好的结果。

图6.小分子牙龈蛋白酶抑制剂在体外和体内保护神经元细胞免受牙龈卟啉单胞菌和牙龈蛋白酶诱导的毒性

——小结——

研究人员发现牙龈卟啉单胞菌及其分泌的牙龈蛋白酶存在于绝大多数的AD患者大脑和疑似AD患者脑脊液中，并且与海马区神经元、Tau神经缠结、β-淀粉样沉淀斑块等有共定位。并且牙龈蛋白酶在体外可以将Tau蛋白切成碎片，且产生的碎片在形成Tau缠结中起到重要作用。

通过小鼠实验发现通过让小鼠口腔感染牙龈卟啉单胞菌，6周后所有小鼠的大脑中都感染了牙龈卟啉单胞菌，并且引发了β-淀粉样斑块。

牙龈卟啉单胞菌可以引起阿尔茨海默症重要病理学特征Tau缠结和β-淀粉样斑块的出现，被认为是阿尔茨海默症的诱因。

而牙龈蛋白酶基因敲除的小鼠的大脑菌和β-淀粉样斑都大幅减少，表明了牙龈蛋白酶在这个过程中的重要作用。因此研究人员设计了牙龈蛋白酶的小分子抑制剂，体内和体外实验都证明牙龈蛋白酶的小分子抑制剂可以显著挽救牙龈卟啉单胞菌造成的AD症状，保护小鼠大脑神经元，抑制细菌生长以及降低β-淀粉样蛋白沉积等，可以作为新的治疗思路。

参考文献：

Dominy, S. S. et al. Porphyromonas gingivalis in Alzheimer's disease brains: Evidence for disease causation and treatment with small-molecule inhibitors. Sci Adv 5 (2019).

doi: 10.1126/sciadv.aau3333. 

作者：刘 冰