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本文系统评价了用于帕金森病（PD）研究的体外肠脑轴模型。探讨了这些模型模拟 PD 关键机制的能力，分析其设计、局限性及在 PD 治疗研究中的应用潜力，为相关研究提供了重要参考，助力推动 PD 治疗策略的发展。
1. 引言
1.1 帕金森病
帕金森病（PD）是一种神经退行性疾病，其特征为黑质（SN）中的多巴胺能神经元（DN）缺失，患者常出现震颤、僵硬和不对称性运动迟缓等症状。PD 的发病率随年龄增长而上升，全球患病率在过去四十年不断增加。其病因具有多因素性，少数病例与遗传因素紧密相关，如 Dardarin（LRRK2）基因、葡萄糖脑苷脂酶（GBA）基因和 α- 突触核蛋白（SNCA）基因等的突变。PD 的病理生理学主要表现为 DN 逐渐进行性退化以及基底神经节中异常 α- 突触核蛋白的聚集。近年来，肠道菌群失调与突触核蛋白病及 PD 之间的联系受到越来越多的关注。
1.2 肠脑轴与帕金森病
人体的微生物群落广泛分布于皮肤、口腔、呼吸道和胃肠道等部位，其中 90% 定植于小肠和大肠，它们对免疫、神经和内分泌通路的调节起着重要作用。肠道菌群与中枢神经系统之间的双向相互作用被称为 “肠脑轴”，这一轴被认为对神经系统疾病的发展有重要影响，其作用机制包括神经桥接、胃肠道上皮屏障渗漏和脂肪酸扰动等。
1.3 肠道 α- 突触核蛋白病可能通过迷走神经逆行转运至中枢神经系统
肠神经系统（ENS）是外周神经系统的最大分支，它控制着胃肠道的运动和黏膜功能。2003 年，Heiko Braak 提出特发性 PD 的包涵体起始于低位脑区，可能起源于 ENS 和迷走神经背运动核（DMVN），并通过迷走神经向上传导至中枢神经系统。在 PD 患者的 ENS 和胃中发现了路易小体和胃 α- 突触核蛋白免疫反应性包涵体，以及在 PD 小鼠模型中的实验结果，都支持了这一假说。此外，“肠漏” 状态下肠道屏障的通透性增加，可能使 α- 突触核蛋白错误折叠病原体进入肠神经元，还可能导致促炎细菌分子与肠神经元相互作用，引发局部炎症，促进 α- 突触核蛋白错误折叠，但目前确切机制尚未明确。
1.4 脂肪酸功能与神经元活力
在健康的肠道系统中，共生微生物群通过产生短链脂肪酸（SCFAs）来维持肠道上皮的完整性。SCFAs 由肠道中膳食纤维和淀粉的细菌发酵产生，对调节肠道免疫反应、细胞凋亡和神经元活动具有重要作用。PD 患者的黏膜活检和粪便样本中，产生丁酸的细菌种类显著减少。丁酸不仅可以减轻肠道屏障缺陷和血脑屏障（BBB）损伤引起的炎症反应，还能调节细胞凋亡、减少神经元死亡，与 PD 患者的运动和非运动症状存在相关性。由于 PD 的患病率预计会增加，且其发病机制尚未完全明确，因此对肠脑轴体外模型的研究对于深入了解和治疗 PD 至关重要。
2. 方法
本系统评价遵循 2020 年系统评价和荟萃分析的首选报告项目（PRISMA）指南。在 PubMed 搜索引擎上进行前瞻性文献检索，检索时间限定为 2016 年 1 月 1 日至 2024 年 11 月 10 日，仅纳入与 PD 相关的肠脑轴或胃肠道类器官的体外实验英文文章，排除灰色文献、指南和二次分析。通过两位作者独立筛选标题和摘要，第三位作者进行调解，最终确定符合条件的研究。
3. 结果
3.1 纳入研究的数据库检索
数据库检索共识别出 1090 条记录，无重复记录，经全文筛选后最终选定 7 项研究。
3.2 使用的细胞类型
研究中使用的细胞类型多样，包括成年大鼠海马祖细胞（AHPC）、人诱导多能干细胞（hiPSCs）衍生的神经干细胞（iNSCs）、人结肠癌细胞系（Caco-2）、人原发性脑微血管内皮细胞（hBMECs）、大鼠胰岛细胞系（RIN14B）、人神经母细胞瘤细胞系（SH-SY5Y）、人结肠上皮细胞系（HT29-MTX-E12）等，不同细胞类型用于模拟不同的组织和器官功能。
3.3 类器官芯片之间的互连类型
不同研究中肠和脑类器官芯片（OOCs）之间的互连方式各不相同。有的研究采用两室系统，通过扩散屏障连接；有的设置 “混合器” 或直接结构整合；还有的通过微流体管道、半透膜等连接，模拟不同的生理环境和物质运输方式。
3.4 测量和检测方法
测量和检测方法包括电化学分析、荧光成像、免疫染色、多重细胞因子分析等。这些方法用于监测神经递质水平、细胞生长、代谢物影响、细胞间相互作用等，从不同角度为研究提供数据支持。
3.5 体外模型的整体结构和设计
- Mao 等人的模型：虽不是完整的肠脑轴模型，但通过微流体芯片研究神经递质与 AHPC 神经球的相互作用，其 PEG 凝胶扩散屏障可控制神经递质扩散，为研究神经细胞增殖和分化提供了可控环境。
- MINERVA 平台：多器官芯片系统，集成了模拟肠道菌群、肠道上皮、免疫系统、BBB 和大脑的模块，通过微流体管道连接，可模拟微生物分泌的神经毒素等物质的传递，用于研究神经退行性变。
- Kim 等人（2021）的 GBA 原型：由肠道、BBB 和大脑模块组成，通过多孔膜和外部泵实现分子扩散和介质流动，模拟肠脑轴的生理过程，研究肠脑相互作用。
- Kim 等人（2024）的模型：由肠道芯片和大脑芯片组成，肠道芯片培养 Caco-2 细胞，大脑芯片培养 iNSCs，但两者无直接流体连接，需手动转移物质。
- Chapin 等人的平台：利用集成碳纳米管涂层金电极的微孔细胞培养膜，模拟肠道 5 - 羟色胺（5-HT）释放和检测，研究肠脑通信机制。
- Trapecar 等人的模型：聚焦于肠道 - 肝脏 - 脑轴，采用人 PD 患者来源的 iPSCs 分化的细胞，通过 Transwell 插入物和微流体泵等设计，模拟生理条件，研究神经退行性变中系统炎症和免疫调节的作用。
- Jones 等人的双胃肠道 - 脑 MPS：通过微流体管道连接胃肠道（GIT）和大脑芯片，模拟物质在生理相关流体环境中的转运，研究神经毒素 1 - 甲基 - 4 - 苯基吡啶离子（MPP+）的作用。
4. 讨论
4.1 多器官芯片的局限性和在 PD 应用中的问题
- Mao 等人的微流体芯片：虽能支持细胞存活和分化，但缺乏免疫组件、模拟肠道芯片和 BBB，无法完全模拟体内屏障界面。不过在模拟神经递质和神经毒素对 PD 相关神经元的影响方面有潜力。
- MINERVA 平台：在模拟微生物 - 肠 - 脑轴方面有优势，但尚未专门用于 PD 建模。
- Trapecar 等人的模型：利用患者来源的细胞研究微生物组衍生代谢物在 PD 中的作用，但存在 BBB 模拟困难、缺乏活微生物组、实验短期性、免疫系统简化、规模和通量有限等问题。
- Chapin 等人的平台：在细胞附着和 5-HT 检测方面存在挑战，可通过改进细胞来源、膜表面涂层和增加检测指标来优化。
- Kim 等人（2024）的模型：缺乏肠道和大脑芯片的直接流体连接，限制了对体内代谢物流的模拟，但在研究肠道衍生代谢物对大脑的影响方面有一定价值。
- Kim 等人（2021）的 GBA 模型：简化了体内复杂的相互作用，缺乏多种系统组件和微生物影响，且 PDMS 材料可能影响实验结果，但在模拟体内流速和剪切应力方面有一定成果。
4.2 其他体外模型在帕金森病研究中的前景
文中还提及了一些虽未纳入本次重点综述，但与 PD 研究相关的单器官芯片模型。这些模型分别从不同角度，如神经元分化、神经毒素作用、药物治疗效果、基因变异影响等方面，为 PD 研究提供了有价值的信息。
5. 结论和展望
PD 的患病率不断上升，对公共健康构成日益严重的威胁，但目前对其病理生理机制和病因的了解仍不完整。体外肠脑轴模型为研究 PD 的复杂生物学过程提供了有价值的工具，能够在可控环境中模拟人体生物学过程，探索特定的病理生理机制、系统相互作用和反馈机制。尽管这些模型存在局限性，如无法完全模拟系统因素和关键身体元素，但随着技术的不断进步，有望解决这些问题，实现更准确地复制 PD 病理生理学基础的相互作用，推动 PD 研究和治疗的发展。
