顧友余，張碧，秦炯

(北京大學(xué)人民醫(yī)院兒科，北京 100044)

孤獨(dú)癥譜系障礙(autism spectrum disorder，ASD)是一組嬰幼兒期起病的神經(jīng)發(fā)育障礙性疾病，其典型臨床特征包括社交障礙、興趣狹窄以及重復(fù)性、刻板性動作或行為，部分患者伴有語言障礙。ASD可分為典型孤獨(dú)癥、不典型孤獨(dú)癥、阿斯伯格綜合征等亞型。ASD根據(jù)癥狀嚴(yán)重程度不同分為輕度、中度以及重度。近年來，全球ASD發(fā)病率逐年增高，全世界8歲兒童ASD的預(yù)期發(fā)病率高達(dá)14.6‰[1]，美國兒童ASD發(fā)病率約為1/68[2]，我國兒童ASD發(fā)病率約為1%[3]。

目前ASD的病因和發(fā)病機(jī)制尚不清晰，也缺乏有效的治療手段。研究發(fā)現(xiàn)，某些特定區(qū)域的染色體重排(如15q11～q13、16p11.2)以及某些特定類型的基因突變[如SYNGAP1(Synaptic Ras GTPase-activating protein 1)基因、電壓門控2A型鈉離子通道基因、染色體結(jié)構(gòu)域解旋酶DNA結(jié)合蛋白8基因]與ASD的發(fā)生密切相關(guān)[4]；妊娠期服用抗癲癇藥物(丙戊酸鈉)[5]、宮內(nèi)感染[6]、多囊卵巢綜合征[7]以及環(huán)境污染[8]等均可顯著增加胎兒出生后罹患ASD的概率；有某些遺傳性神經(jīng)系統(tǒng)疾病(如結(jié)節(jié)性硬化癥、脆性X綜合征、神經(jīng)纖維瘤?、裥?的患兒也可出現(xiàn)ASD的臨床癥狀[4]；此外，不同性別的ASD患病率不同，男童患病率是女童的4倍以上[1-2]，提示女性體內(nèi)可能存在抑制ASD發(fā)生發(fā)展的特異性物質(zhì)。與健康對照者相比，ASD患者的腸道菌群及其代謝產(chǎn)物的數(shù)量和組成發(fā)生顯著改變[9-11]；調(diào)控腸道菌群可在一定程度上改善ASD患者的臨床癥狀[12]，提示腸道菌群失調(diào)與ASD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。現(xiàn)就腸道菌群失調(diào)在ASD發(fā)生發(fā)展中的作用以及相關(guān)的分子機(jī)制予以綜述。

1 腸道菌群及其主要代謝產(chǎn)物

腸道菌群是寄居在人體胃腸道內(nèi)的微生物族群，其總數(shù)可達(dá)1014個(gè)，是人體細(xì)胞總數(shù)的10倍以上。腸道菌群具有調(diào)控機(jī)體消化、吸收、排泄、免疫、氨基酸合成和分解、膽汁酸代謝以及維生素合成等生理功能的作用[13-15]。人體腸道菌群主要分為革蘭陽性厚壁菌門、革蘭陰性擬桿菌門、放線菌門以及變形菌門4類，其中前兩者占總數(shù)的90%以上。

腸道菌群的主要代謝產(chǎn)物包括短鏈脂肪酸、游離氨基酸以及一些神經(jīng)遞質(zhì)。短鏈脂肪酸包括乙酸、丙酸和丁酸等，在人體內(nèi)所占比例約為60∶20∶20，是腸道內(nèi)微生物發(fā)酵膳食纖維得到的代謝產(chǎn)物[16]。大約95%的短鏈脂肪酸被結(jié)腸吸收，其中乙酸通過血液循環(huán)進(jìn)入肝臟，作為重要的底物參與膽固醇合成；丙酸進(jìn)入肝臟后參與糖脂代謝，并抑制膽固醇的合成；丁酸直接被結(jié)腸上皮細(xì)胞吸收，是結(jié)腸上皮細(xì)胞的主要能量來源[17]。此外，腸道菌群還參與機(jī)體蛋白質(zhì)代謝，為自身生長提供氮源，也為機(jī)體合成必需氨基酸。游離氨基酸是腸道內(nèi)未消化的蛋白質(zhì)和多肽在腸道菌群的作用下分解得到的產(chǎn)物，其數(shù)量和組成可反映腸道菌群的功能。其中一部分氨基酸(如谷氨酸、色氨酸和酪氨酸)也可作為神經(jīng)遞質(zhì)或前體。腸道菌群參與合成和分泌的神經(jīng)遞質(zhì)還包括多巴胺、5-羥色胺、γ氨基丁酸以及去甲腎上腺素等[18]。

2 腸道菌群失調(diào)在ASD發(fā)生發(fā)展中的作用和機(jī)制

近年來，隨著對腸道菌群和中樞神經(jīng)系統(tǒng)研究的不斷深入，“腦-腸-微生物軸”理論正在被越來越多的人所接受。這一理論認(rèn)為，中樞神經(jīng)系統(tǒng)與腸道之間通過神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)、神經(jīng)免疫系統(tǒng)以及迷走神經(jīng)系統(tǒng)雙向調(diào)控，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物在其中起著重要的媒介作用[19-20]。因此，腸道又被稱為“第二大腦”。調(diào)控腸道菌群及其代謝產(chǎn)物可能有助于治療包括ASD在內(nèi)的多種難治性中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病。下文從腦-腸-微生物軸的神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)、神經(jīng)免疫系統(tǒng)以及迷走神經(jīng)系統(tǒng)3個(gè)方面對腸道菌群及其代謝產(chǎn)物改變在ASD發(fā)生發(fā)展中的作用和機(jī)制進(jìn)行闡述。

2.1神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng) 下丘腦-垂體-腎上腺軸(hypothalamus-pituitary-adrenocortical axis,HPA軸)和交感腎上腺髓質(zhì)系統(tǒng)分別合成糖皮質(zhì)激素和兒茶酚胺，參與調(diào)控人體應(yīng)激反應(yīng)[21]。下丘腦室旁核的小細(xì)胞性神經(jīng)元接受刺激合成并釋放促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素至垂體，與垂體促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素受體1結(jié)合，激活促腎上腺皮質(zhì)激素的前體物質(zhì)阿黑皮素原，加速促腎上腺皮質(zhì)激素的合成并作用于腎上腺，促進(jìn)腎上腺合成并釋放皮質(zhì)醇[22]。與此同時(shí)，交感腎上腺髓質(zhì)系統(tǒng)也被激活，兒茶酚胺類物質(zhì)腎上腺素和去甲腎上腺素大量合成釋放。皮質(zhì)醇、腎上腺素和去甲腎上腺素共同作用可引起機(jī)體血糖升高、免疫抑制以及脂肪蛋白質(zhì)代謝增強(qiáng)等一系列應(yīng)激反應(yīng)。之后腎上腺發(fā)出負(fù)反饋信號，抑制下丘腦和垂體的相關(guān)激素分泌，減輕應(yīng)激反應(yīng)。

腸道菌群對HPA軸的發(fā)育和生理功能具有重要、不可替代的調(diào)控作用[23]。動物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無菌大鼠和無菌小鼠受到外界壓力后，HPA軸活性顯著升高，菌群移植可部分改善這一癥狀[24-25]。在垂體，腸道菌群能夠抑制糖皮質(zhì)激素受體敏感性基因(FK506結(jié)合蛋白基因)的表達(dá)；在腎上腺，腸道菌群可抑制編碼類固醇生成的黑皮質(zhì)素受體2基因、類固醇生成急性調(diào)節(jié)蛋白基因以及細(xì)胞色素P450家族成員11A1基因的表達(dá)[26]。新生兒期HPA軸尚未發(fā)育完全，皮質(zhì)醇含量異常以及圍生期應(yīng)激反應(yīng)等可引起新生兒腸道菌群數(shù)量和組成發(fā)生改變[27-28]，導(dǎo)致下丘腦室旁核基因表達(dá)改變以及腎上腺皮質(zhì)酮釋放增多，進(jìn)而影響HPA軸的發(fā)育[29]。出生后母嬰分離的子代鼠腸道通透性增加以及血漿皮質(zhì)酮水平顯著升高，使用益生菌Bifidobacterium bifidum G9-1治療能夠顯著改善上述癥狀[30]，提示調(diào)控腸道菌群可改善HPA軸發(fā)育及功能異常。此外，腸道菌群的代謝產(chǎn)物5-羥色胺能夠調(diào)控下丘腦促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素的分泌，5-羥色胺受體表達(dá)改變可影響HPA軸的功能[31]。

ASD與HPA軸功能異常之間存在密切聯(lián)系。動物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，母鼠孕中期腹腔注射丙戊酸誘導(dǎo)的子代雄性孤獨(dú)癥模型小鼠腎上腺皮質(zhì)酮水平顯著升高[32]。臨床研究發(fā)現(xiàn)，未共患其他神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病的ASD患者唾液皮質(zhì)醇水平顯著降低[33-34]，血漿5-羥色胺水平顯著升高[35]；特里爾社會壓力測試結(jié)果顯示，ASD患兒接受外界刺激后，唾液皮質(zhì)醇水平未顯著升高[36]。然而，有臨床研究得出了相反的結(jié)論，如Corbett等[37]研究發(fā)現(xiàn)ASD患兒皮質(zhì)醇晝夜節(jié)律變化較大，接受外界刺激后皮質(zhì)醇水平顯著升高；Spratt等[38]的研究結(jié)果與Corbett等[37]相似。ASD患者普遍存在腸道菌群失調(diào)，推測腸道菌群可能通過調(diào)控HPA軸影響ASD的病程，但具體機(jī)制尚不清晰，需要進(jìn)一步研究。

2.2神經(jīng)免疫系統(tǒng) 腸道菌群及其代謝產(chǎn)物構(gòu)成了腸黏膜的化學(xué)和生物屏障，參與免疫系統(tǒng)的發(fā)育和調(diào)節(jié)。腸道菌群在T細(xì)胞的發(fā)育、分化以及維持免疫系統(tǒng)平衡方面具有重要調(diào)控作用，可維持輔助性T細(xì)胞(helper T cell，Th細(xì)胞)17/調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cell，Treg細(xì)胞)的動態(tài)平衡[39]。分段絲狀細(xì)菌的鞭毛蛋白參與誘導(dǎo)腸道內(nèi)Th17細(xì)胞，影響白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-17相關(guān)信號通路基因(IL-6、IL-1β、腫瘤壞死因子-α、IL-17A、IL-17F和IL-22)和上皮細(xì)胞特異性基因(誘導(dǎo)型一氧化氮合酶、雙氧化酶2、雙氧化酶成熟因子2、血清淀粉樣蛋白啟動子、反式激活因子和脂質(zhì)運(yùn)載蛋白2)的表達(dá)[40-41]。ASD患兒Th17與Treg細(xì)胞的動態(tài)平衡被打破，Th細(xì)胞(包括Th1、Th2和Th17細(xì)胞)數(shù)量增加、Treg細(xì)胞數(shù)量減少，且Th17/Treg細(xì)胞比值與ASD癥狀的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[42-43]。上述研究結(jié)果提示，ASD的發(fā)生發(fā)展可能與腸道菌群對免疫細(xì)胞(特別是T細(xì)胞)的異常調(diào)控有關(guān)，但具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

除直接調(diào)控T細(xì)胞的發(fā)育和分化外，腸道菌群失調(diào)還可能通過影響腸道黏膜屏障及血腦屏障的完整性間接調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)。腸道菌群失調(diào)可引起腸道上皮細(xì)胞間緊密連接蛋白(包括閉鎖連接蛋白-1、閉鎖蛋白和供緊密連接蛋白-1)表達(dá)減少[44]，腸道黏膜通透性增加[45]，大量的毒素、細(xì)菌及其組成成分和代謝產(chǎn)物(如脂多糖)通過受損的腸道壁進(jìn)入血液循環(huán)，引起系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)[46-47]；同樣，腸道菌群失調(diào)與腦組織緊密連接蛋白(包括閉鎖蛋白和供緊密連接蛋白-5)表達(dá)減少密切相關(guān)，這一改變可引起血腦屏障通透性增加[48]；系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)時(shí)，血液循環(huán)中的炎癥因子可結(jié)合在腸道黏膜上皮細(xì)胞和腦血管內(nèi)皮細(xì)胞表面，激活Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)，引起腸道黏膜上皮細(xì)胞和腦血管內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生炎癥反應(yīng)，加重腸道黏膜屏障和血腦屏障損傷[49-51]；之后炎癥因子通過受損的血腦屏障進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)[52]。其中IL-1β和腫瘤壞死因子-α可結(jié)合在神經(jīng)元表面，引起小膠質(zhì)細(xì)胞過度激活及神經(jīng)炎癥反應(yīng)[53-55]。

大量研究發(fā)現(xiàn)，ASD患兒血漿和腦脊液中炎癥因子水平顯著升高[56-57]；而一些具有抗神經(jīng)炎癥作用的物質(zhì)(如維生素D、蘿卜硫素、白藜蘆醇、催產(chǎn)素)在ASD的相關(guān)臨床試驗(yàn)中取得了一定療效[58]；上述研究結(jié)果提示，系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)和神經(jīng)炎癥反應(yīng)在ASD的發(fā)生發(fā)展過程中可能具有重要作用。Tomova等[59]對來自斯洛伐克的63例ASD男童及27例健康對照男童的糞便進(jìn)行腸道菌群高通量二代測序，發(fā)現(xiàn)ASD男童存在嚴(yán)重的腸道菌群失調(diào)，多達(dá)87種腸道微生物的豐度與健康對照相比存在差異；其中Bilophila和Carboxydothermus的豐度與小膠質(zhì)細(xì)胞釋放的炎癥因子S100B表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，提示小膠質(zhì)細(xì)胞活化可能在ASD發(fā)生發(fā)展中具有重要調(diào)控作用。甘露醇/乳果糖試驗(yàn)證實(shí)，與健康對照者相比，ASD患兒腸道黏膜通透性顯著增加[60]；對ASD患者和非ASD患者的遺體進(jìn)行尸檢發(fā)現(xiàn)，與非ASD患者相比，ASD患者腸組織和腦組織多種緊密連接蛋白表達(dá)水平顯著改變，腸黏膜屏障和血腦屏障受到破壞[61]，提示腸道菌群可能通過影響腸黏膜屏障和血腦屏障，引起系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)和神經(jīng)炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致ASD的發(fā)生發(fā)展。

但目前仍存在一些問題有待進(jìn)一步研究，如腸道菌群調(diào)控免疫細(xì)胞發(fā)育和分化的分子機(jī)制；腸道微生物數(shù)量和組成改變引起緊密連接蛋白表達(dá)下調(diào)的分子機(jī)制；除腸黏膜屏障和血腦屏障受到破壞外，系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)的其他影響因素以及神經(jīng)炎癥反應(yīng)與孤獨(dú)癥樣行為之間的具體關(guān)系等。

2.3迷走神經(jīng)系統(tǒng) 迷走神經(jīng)系統(tǒng)是腸道菌群調(diào)控中樞神經(jīng)系統(tǒng)最快、最直接的途徑[62]。胃腸道黏膜上分布著超過1億個(gè)神經(jīng)元，這些神經(jīng)元組成了腸神經(jīng)系統(tǒng)。其中迷走神經(jīng)受體可感受腸道菌群及其代謝產(chǎn)物的變化，通過迷走神經(jīng)將信號傳遞給中樞神經(jīng)系統(tǒng)；中樞神經(jīng)系統(tǒng)接收信號后會產(chǎn)生興奮并通過迷走神經(jīng)反向傳遞給胃腸道黏膜神經(jīng)元，調(diào)控胃腸道的功能[63]。腸道菌群代謝產(chǎn)生的神經(jīng)遞質(zhì)(如多巴胺、5-羥色胺、γ氨基丁酸)通過迷走神經(jīng)系統(tǒng)引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元興奮或抑制[64]。

腸道菌群代謝產(chǎn)物數(shù)量和組成的改變可通過影響迷走神經(jīng)系統(tǒng)引起宿主孤獨(dú)癥樣行為。Liu等[65]對來自河南鄭州的30例ASD兒童及20例健康對照兒童的糞便進(jìn)行腸道菌群16S核糖體RNA測序及代謝產(chǎn)物鑒定發(fā)現(xiàn)，與健康對照兒童相比，ASD兒童糞便中乙酸、丁酸含量較低，且產(chǎn)丁酸菌(Ruminococcaceae、Eubacterium、Lachnospiraceae、Erysipelotrichaceae)相對豐度顯著偏低。而腸道菌群的代謝產(chǎn)物丙酸通過調(diào)控多巴胺和5-羥色胺引起大鼠社交功能障礙[66]；丁酸通過改變酪氨酸羥化酶基因的表達(dá)調(diào)控多巴胺的分泌[67]；提示腸道菌群失調(diào)通過影響其代謝產(chǎn)物的數(shù)量和組成，傳遞信號給迷走神經(jīng)系統(tǒng)，進(jìn)而調(diào)控孤獨(dú)癥樣行為。與健康對照者相比，ASD患兒糞便中短鏈脂肪酸、游離氨基酸以及氨的含量顯著升高[68]，尿色氨酸含量顯著升高，尿纈氨酸含量顯著降低[69]，血漿5-羥色胺及γ氨基丁酸含量顯著升高[37]，腦組織5-羥色胺含量顯著降低[70]。接受迷走神經(jīng)刺激術(shù)治療的ASD患者核心癥狀得到顯著改善[71]，提示腸道菌群失調(diào)可能通過影響迷走神經(jīng)系統(tǒng)的功能引起ASD的相關(guān)癥狀。

3 結(jié) 語

ASD是一類累及多系統(tǒng)、涉及多靶點(diǎn)的難治性神經(jīng)發(fā)育性疾病，使用單一作用靶點(diǎn)的藥物進(jìn)行治療難以取得良好的效果。此外，腸道菌群在不同個(gè)體和不同群體之間的差異較大，且受到多種因素(如性別、年齡、種族、飲食習(xí)慣、家庭條件、受教育程度以及衛(wèi)生情況)的影響。因此，根據(jù)每例ASD患者自身的腸道菌群及其代謝產(chǎn)物特點(diǎn)，實(shí)行個(gè)體化精準(zhǔn)治療可能成為研究熱點(diǎn)。未來需進(jìn)一步了解每種腸道菌群及代謝產(chǎn)物的生理作用，在此基礎(chǔ)上探索不同菌群、不同代謝產(chǎn)物之間以及菌群與代謝產(chǎn)物之間的相互作用關(guān)系，并運(yùn)用生物信息學(xué)技術(shù)探索腸道菌群及其代謝產(chǎn)物改變引起ASD發(fā)生發(fā)展的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，從而開發(fā)出新的、個(gè)體化的治療藥物和治療手段，實(shí)現(xiàn)ASD的精準(zhǔn)治療。