筆者將帶你深入導讀一篇發表於頂尖期刊《Science Advances》的指標性文獻。該研究為阿茲海默症（Alzheimer's disease, AD）的致病機轉提供了強而有力的因果證據，指出慢性牙周炎的關鍵病原體及其分泌的毒素，可能是導致大腦退化與發炎的核心驅動力。
目錄
- 傳染病假說的復甦：類澱粉蛋白是敵是友？
- 潛伏於齒齦的刺客：牙齦喀紫質單胞菌與其入侵途徑
- 死者與生者的證詞：大腦與腦脊髓液中的微觀證據
- 揭開 Tau 蛋白斷裂的微觀機制：有毒蛋白酶的精準破壞
- 顛覆傳統的類澱粉蛋白：是大腦防線還是致病源頭？
- 免疫防線的崩潰：APOE4 基因與發炎體的脆弱環節
- 逆轉戰局的精準打擊：小分子標靶處置的潛力
- 結語
- 參考資料
傳染病假說的復甦：類澱粉蛋白是敵是友？
臨床上，阿茲海默症患者的大腦通常表現出與感染一致的神經發炎特徵，包含微膠細胞活化、發炎體活化、補體活化以及細胞因子特徵的改變。儘管過去曾在患者腦中發現傳染性病原體，並推測其與疾病有關，卻始終缺乏確立因果關係的有力證據。
然而，新近的科學發現為致病機轉帶來了不同視角。長期被視為致病元凶的類澱粉蛋白（Amyloid-β, Aβ），其實是一種抗菌胜肽（antimicrobial peptide），此觀點重新燃起了醫界尋找潛在感染源的興趣。流行病學觀察也顯示，慢性牙周炎（Chronic periodontitis）及其關鍵病原體——牙齦喀紫質單胞菌（Porphyromonas gingivalis），是發展出 Aβ 斑塊、失智症及阿茲海默症的重要風險因子。甚至有前瞻性研究記錄到，患有活動性慢性牙周炎的 AD 患者，其認知功能在 6 個月內的下降幅度顯著大於無活動性牙周炎者。
基於上述背景，本篇文獻的核心假說應運而生：P. gingivalis 可能透過分泌名為「牙齦蛋白酶（gingipains）」的毒性蛋白酶，在阿茲海默症的發病機轉中扮演關鍵角色，進而促進神經損傷。
潛伏於齒齦的刺客：牙齦喀紫質單胞菌與其入侵途徑
剖析這位不速之客是理解這場大腦微觀戰役的第一步。P. gingivalis 作為一種不解糖（asaccharolytic）的格蘭氏陰性厭氧菌，主要存在於牙齦和牙周感染中。值得注意的是，在 25% 沒有口腔疾病的健康個體中，也能觀察到低程度的定植。
關於細菌從口腔進入循環系統的途徑，文獻指出，日常的刷牙、使用牙線、咀嚼以及牙科處置，皆可能引發 P. gingivalis 的暫時性菌血症（Transient bacteremia）。一旦進入血液，病原體便能轉移至多種組織（如冠狀動脈、胎盤和肝臟）。近期更有一項分析發現，高達 100% 的心血管疾病患者都有 P. gingivalis 在動脈中的定植現象。
在宿主體內生存的過程中，P. gingivalis 產生了主要的毒力因子（virulence factors）——牙齦蛋白酶（gingipains）。這是一群半胱胺酸蛋白酶（cysteine proteases），由專門切割離胺酸的 Kgp，以及專門切割精胺酸的 RgpA 和 RgpB 所組成。
這些毒性蛋白酶對細菌的存活至關重要。它們被分泌到細胞外或附著於細菌外膜囊泡（OMV）上，負責獲取鐵和胺基酸等營養、破壞宿主組織，同時去活化（inactivate）宿主的免疫防禦機制。過去的數據已證實其對內皮細胞、纖維母細胞和上皮細胞的毒性，而本研究則進一步探討它們對大腦神經元的破壞力。
死者與生者的證詞：大腦與腦脊髓液中的微觀證據
探究 P. gingivalis 是否真實入侵大腦，需仰賴直接的病理證據。透過免疫組織化學染色法（IHC），實驗分析了阿茲海默症患者與無失智症對照組的腦部組織微陣列（TMA）。
腦組織中的驚人發現
顯微鏡下的影像揭示了極高的感染率。在阿茲海默症患者的腦組織樣本中，高達 96%（51/53）觀察到 RgpB 蛋白酶呈陽性反應，而 91%（49/54）觀察到 Kgp 蛋白酶呈陽性。相較於無失智症的對照組，阿茲海默症患者腦中的 RgpB 與 Kgp 負荷量（load）均觀察到顯著較高（P < 0.0001）。
更關鍵的是，細菌毒素的負荷量與神經病理特徵密切相關。數據顯示，腦中 RgpB 與 Kgp 的負荷量，與 Tau 蛋白的負荷量觀察到顯著的正相關。同樣地，這兩種牙齦蛋白酶的負荷量也與泛素（ubiquitin，一種標記受損蛋白質的物質）的負荷量呈現顯著正相關。
對照組揭示的疾病連續性
「無失智症對照組」的數據同樣帶來了震撼。在這些神經學表現正常的長者腦中，仍有 39% 觀察到 RgpB 染色陽性，52% 觀察到 Kgp 染色陽性。進一步的交叉比對發現，即便在對照組樣本中，牙齦蛋白酶的負荷量與 Tau 蛋白及泛素的負荷量之間，也維持著正相關。
上述觀察結果勾勒出一個「連續性（continuum）」的病理過程，意即牙齦蛋白酶與阿茲海默症病理特徵早在臨床症狀出現前便已同時存在。此現象符合「臨床前阿茲海默症（preclinical AD）」的概念，並反駁了「大腦感染純粹肇因於失智後口腔衛生變差」的傳統觀點，支持感染乃發生於認知衰退之前的早期事件。
活體患者的腦脊髓液檢測
除了死後解剖，尋找活體診斷的指標是另一項科學挑戰。腦脊髓液（CSF）常被視為窺探大腦感染的窗口。為此，臨床分析前瞻性地收集了 10 名被診斷為可能阿茲海默症（probable AD）患者的腦脊髓液與唾液樣本。
藉由高靈敏度的 qPCR 技術，10 名患者中有 7 名的 CSF 樣本被偵測到 P. gingivalis 的特異性基因（hmuY），其濃度落在每微升 10 至 50 個拷貝數之間。活體證據的確立，不僅進一步證實病原體對中樞神經系統的感染，也暗示腦脊髓液中的細菌 DNA 具備作為差異化診斷標記的潛力。同時，以幽門桿菌（Helicobacter pylori）作為對照的檢測結果全數呈現陰性，排除了 PCR 偽陽性的疑慮。
揭開 Tau 蛋白斷裂的微觀機制：有毒蛋白酶的精準破壞
神經元內部 Tau 蛋白的異常與神經纖維纏結，是阿茲海默症最具代表性的病理特徵之一。釐清細菌與 Tau 蛋白之間的因果關係，成為解開病理謎團的核心步驟。體外細胞實驗（in vitro）使用了會表現高分子量 Tau 蛋白的人類神經母細胞瘤細胞系（SH-SY5Y）進行測試。
數據呈現了驚人的破壞速度：當細胞暴露於野生型的 P. gingivalis 時，短短 1 小時內，細胞內的可溶性總 Tau 蛋白即表現出劑量依賴性（dose-dependent）的快速流失。後續的對照實驗進一步確認了元凶，當細胞感染的是「缺乏分泌牙齦蛋白酶能力」的突變菌株時，其 Tau 蛋白程度與完全未感染的健康對照組相似。介入性結果確立了牙齦蛋白酶就是導致 Tau 蛋白流失的直接驅動力。
質譜儀下的 44 個切割位點
探究有毒蛋白酶切斷 Tau 蛋白的具體位置，需仰賴高解析度質譜儀（Mass spectrometry）的精確分析。實驗將純化的重組 Tau-441 蛋白與極低濃度（1 nM 與 10 nM）的 Kgp 和 RgpB 蛋白酶混合後進行觀測。
分析結果顯示，在 10 nM 的濃度下，Tau 蛋白被肢解成無數碎片，涵蓋了高達 85% 的胺基酸序列。從中精準找出的 44 個切割位點裡，包含了 14 個 RgpB 切割位點與 30 個 Kgp 切割位點。
這當中最引人注目的，是 Kgp 蛋白酶所產生的特定碎片。質譜儀數據證實，Kgp 產生了四種含有「VQIVYK」序列的 Tau 胜肽碎片，以及兩種含有「VQIINK」序列的碎片。在過去的生化研究中，這些特定的六胜肽結構（hexapeptide sequence）被認為是促使正常 Tau 蛋白異常聚合、形成配對螺旋絲（PHFs）與神經纖維纏結的核心序列。
此外，文獻討論亦提及，牙齦蛋白酶具備直接切割神經元內前卡斯帕酶-3（procaspase-3）的能力，能將其活化（activate）為卡斯帕酶-3（caspase-3）。這種宿主酵素的異常活化，已知會進一步加劇 Tau 蛋白的磷酸化與切割。諸多機制共同說明了，細菌進入大腦後釋放的毒力因子，會直接且嚴重地擾亂神經元內部的蛋白質結構。
顛覆傳統的類澱粉蛋白：是大腦防線還是致病源頭？
檢視完神經元內部的 Tau 蛋白，目光必須轉向阿茲海默症的另一大病理標誌：位於細胞外的類澱粉蛋白（Aβ1–42）斑塊。
如同第一章所述，本研究的立論基礎包含了「Aβ 是一種抗菌胜肽」的新興概念。體外實驗讓 P. gingivalis 直接暴露於 Aβ1–42 之中來檢驗此假說。影像分析顯示，Aβ1–42 會與細菌表面的 RgpB 產生共定位（colocalization）現象。更關鍵的細胞存活率分析證實，Aβ1–42 能顯著降低 P. gingivalis 的存活率（破壞細菌膜並導致細菌死亡），而使用 Aβ1–40 或序列打亂的 Aβ1–42 則不具備同等的殺菌效果。
活體動物實驗的因果實證
活體大腦在面對牙周病菌感染時，是否真的會產生 Aβ 作為防禦反應？小鼠口腔感染實驗解答了這個問題。野生型 BALB/c 小鼠被分為多組，其中感染組每隔一天在口腔塗抹野生型 P. gingivalis，療程持續 6 週。
介入性實驗的結果提供了明確的因果證據：單純的口腔感染，確實導致細菌成功定植於小鼠大腦，並且導致大腦中的 Aβ1–42 濃度顯著增加（P < 0.001）。
更精妙的對照設計在於「突變菌株組」。當小鼠感染的是缺乏牙齦蛋白酶的突變菌株（ΔKgp 或 ΔRgp）時，大腦中的 Aβ1–42 濃度與未感染的模擬對照組（Mock-infected）沒有顯著差異。實驗數據確立了一個極為重要的轉譯醫學觀念：活體大腦中 Aβ1–42 的大量產生，並非單純因為細菌的存在，而是大腦對「牙齦蛋白酶」這種毒力因子所作出的強烈免疫防禦反應。
免疫防線的崩潰：APOE4 基因與發炎體的脆弱環節
既然大腦具備分泌 Aβ 作為抗菌胜肽的能力，為何部分個體的防線卻容易崩潰，最終發展成阿茲海默症？文獻討論從遺傳學與免疫學的角度提出了極具深度的生化解釋。
在流行病學領域，載脂蛋白 E4（APOE4）是已知最大的偶發性阿茲海默症遺傳風險因子。結構分析指出，與 APOE3 或 APOE2 相比，APOE4 蛋白質含有較多的精胺酸（arginine）殘基。
前述章節曾提及，Rgp 牙齦蛋白酶正是專門針對「精胺酸」進行切割的有毒蛋白酶。基於此特徵，一項新假說被提出：由於 APOE4 含有更多的精胺酸，它可能比 APOE3 更容易成為 Rgp 牙齦蛋白酶切割的受質（substrate）。這種破壞不僅可能導致宿主先天的免疫功能下降，被切斷的 APOE 蛋白質碎片本身亦可能具備神經毒性。此觀點為 APOE4 的遺傳風險提供了一個與細菌感染直接相關的全新化學視角。
外膜囊泡（OMVs）與發炎體的致命活化
面對宿主免疫系統，P. gingivalis 的攻擊策略極具多樣性。細菌會釋放富含牙齦蛋白酶的奈米級「外膜囊泡（Outer membrane vesicles, OMVs）」。這些囊泡能被哺乳動物細胞快速內化，並在巨噬細胞與神經元內部活化（activate）發炎體（inflammasomes）。
發炎體作為細胞內的先天免疫防禦系統，一旦被過度刺激便會引發災難。囊泡的侵入會驅動 NLRP3 發炎體的活化，並促使 ASC 斑點的形成（ASC specks，這已被證明會驅動 Aβ 的聚集與沉積）。而在神經元內部，NLRP1 發炎體同樣能偵測到細菌的毒力因子。發炎體的異常活化最終將導致細胞焦亡（pyroptosis），並釋放大量促發炎細胞因子 IL-1β 與 IL-18。
同時，宿主細胞表面負責調節發炎與吞噬細菌的受體（如 TREM1 與 TREM2），也面臨被癱瘓的命運。Rgp 能夠將 TREM1 從細胞表面切除，而 Kgp 則能將其降解。這類破壞會導致宿主清除細菌的能力受損，並引發長期的慢性神經發炎，完整解釋了病原體如何在大腦中建立難以根除的慢性感染。
逆轉戰局的精準打擊：小分子標靶處置的潛力
面對大腦深處的慢性感染，傳統的廣效性抗生素（broad-spectrum antibiotics）往往難以奏效。其不僅難以穿透血腦屏障，長期使用更會引發抗藥性與破壞正常菌叢。為此，針對病原體毒力因子的「小分子標靶抑制劑」成為突破口。
如同前述，P. gingivalis 是一種高度依賴胺基酸獲取能量的細菌，而 Kgp 蛋白酶正是它獲取養分的關鍵工具。具備中樞神經滲透性的不可逆 Kgp 抑制劑（COR271 與後續推進至臨床的 COR388）被成功開發出來，旨在直接「切斷細菌的糧草」。
活體動物試驗與神經保護作用
評估藥物療效的活體動物試驗中，小鼠大腦被建立 P. gingivalis 感染模型後，開始接受口服 COR388 處置（management）。介入性實驗結果顯示，處置不僅顯著降低了小鼠大腦中的細菌基因拷貝數，還以劑量依賴性的方式顯著降低了腦部 Aβ1–42 濃度與促發炎細胞因子 TNFα 的濃度。
更具臨床意義的是，針對海馬迴的組織分析揭露，未接受處置的感染小鼠表現出顯著的 Gad67+ GABAergic 中間神經元流失；而接受 Kgp 抑制劑處置的小鼠，其神經元的流失現象則得到了顯著的挽救與保護。
克服抗藥性的化學優勢
這類小分子標靶藥物具備另一個極大的優勢。在體外連續培養的壓力測試中，細菌被分別暴露於廣效性抗生素（moxifloxacin）與 COR388 之中。僅經過 12 代繁殖，細菌對 moxifloxacin 就產生了超過 1000 倍的抗藥性（最低抑菌濃度 MIC 暴增）；然而，即便經過反覆暴露，病原體對 COR388 卻完全沒有發展出抗藥性。這顯示針對毒力因子的抑制策略，比起直接殺死細菌的廣效抗生素，更能避免抗藥性的快速產生。
結語
整份文獻透過嚴謹的人類組織觀察與活體動物介入實驗，不僅確立了慢性牙周炎病原體 P. gingivalis 及其有毒蛋白酶在阿茲海默症大腦神經退化中所扮演的因果角色，更重新定義了類澱粉蛋白（Aβ）作為先天免疫抗菌胜肽的防禦意義。
更重要的是，實驗數據成功證明了針對特定細菌毒力因子（Kgp）的標靶抑制劑，能夠有效清除大腦感染、減輕神經發炎，並發揮實質的神經保護作用。這為未來阿茲海默症的臨床處置提供了一條極具潛力的「疾病修飾（disease-modifying）」新途徑。
參考資料
Dominy, S. S., Lynch, C., Ermini, F., Benedyk, M., Marczyk, A., Konradi, A., ... & Potempa, J. (2019). Porphyromonas gingivalis in Alzheimer's disease brains: Evidence for disease causation and treatment with small-molecule inhibitors. Science Advances, 5(1), eaau3333. https://doi.org/10.1126/sciadv.aau3333
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