腸道菌群失調在孤獨癥譜系障礙發生發展中作用和機制的研究進展

顧友余，張碧，秦炯

(北京大學人民醫院兒科，北京 100044)

孤獨癥譜系障礙(autism spectrum disorder，ASD)是一組嬰幼兒期起病的神經發育障礙性疾病，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可分為典型孤獨癥、不典型孤獨癥、阿斯伯格綜合征等亞型。ASD根據癥狀嚴重程度不同分為輕度、中度以及重度。近年來，全球ASD發病率逐年增高，全世界8歲兒童ASD的預期發病率高達14.6‰[1]，美國兒童ASD發病率約為1/68[2]，我國兒童ASD發病率約為1%[3]。

目前ASD的病因和發病機制尚不清晰，也缺乏有效的治療手段。研究發現，某些特定區域的染色體重排(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、染色體結構域解旋酶DNA結合蛋白8基因]與ASD的發生密切相關[4]；妊娠期服用抗癲癇藥物(丙戊酸鈉)[5]、宮內感染[6]、多囊卵巢綜合征[7]以及環境污染[8]等均可顯著增加胎兒出生后罹患ASD的概率；有某些遺傳性神經系統疾病(如結節性硬化癥、脆性X綜合征、神經纖維瘤病Ⅰ型)的患兒也可出現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]，提示女性體內可能存在抑制ASD發生發展的特異性物質。與健康對照者相比，ASD患者的腸道菌群及其代謝產物的數量和組成發生顯著改變[9-11]；調控腸道菌群可在一定程度上改善ASD患者的臨床癥狀[12]，提示腸道菌群失調與ASD的發生發展密切相關。現就腸道菌群失調在ASD發生發展中的作用以及相關的分子機制予以綜述。

1 腸道菌群及其主要代謝產物

腸道菌群是寄居在人體胃腸道內的微生物族群，其總數可達1014個，是人體細胞總數的10倍以上。腸道菌群具有調控機體消化、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，其中前兩者占總數的90%以上。

腸道菌群的主要代謝產物包括短鏈脂肪酸、游離氨基酸以及一些神經遞質。短鏈脂肪酸包括乙酸、丙酸和丁酸等，在人體內所占比例約為60∶20∶20，是腸道內微生物發酵膳食纖維得到的代謝產物[16]。大約95%的短鏈脂肪酸被結腸吸收，其中乙酸通過血液循環進入肝臟，作為重要的底物參與膽固醇合成；丙酸進入肝臟后參與糖脂代謝，并抑制膽固醇的合成；丁酸直接被結腸上皮細胞吸收，是結腸上皮細胞的主要能量來源[17]。此外，腸道菌群還參與機體蛋白質代謝，為自身生長提供氮源，也為機體合成必需氨基酸。游離氨基酸是腸道內未消化的蛋白質和多肽在腸道菌群的作用下分解得到的產物，其數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)也可作為神經遞質或前體。腸道菌群參與合成和分泌的神經遞質還包括多巴胺、5-羥色胺、γ氨基丁酸以及去甲腎上腺素等[18]。

2 腸道菌群失調在ASD發生發展中的作用和機制

近年來，隨著對腸道菌群和中樞神經系統研究的不斷深入，“腦-腸-微生物軸”理論正在被越來越多的人所接受。這一理論認為，中樞神經系統與腸道之間通過神經內分泌系統、神經免疫系統以及迷走神經系統雙向調控，腸道菌群及其代謝產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”。調控腸道菌群及其代謝產物可能有助于治療包括ASD在內的多種難治性中樞神經系統疾病。下文從腦-腸-微生物軸的神經內分泌系統、神經免疫系統以及迷走神經系統3個方面對腸道菌群及其代謝產物改變在ASD發生發展中的作用和機制進行闡述。

2.1神經內分泌系統 下丘腦-垂體-腎上腺軸(hypothalamus-pituitary-adrenocortical axis,HPA軸)和交感腎上腺髓質系統分別合成糖皮質激素和兒茶酚胺，參與調控人體應激反應[21]。下丘腦室旁核的小細胞性神經元接受刺激合成并釋放促腎上腺皮質激素釋放激素至垂體，與垂體促腎上腺皮質激素釋放激素受體1結合，激活促腎上腺皮質激素的前體物質阿黑皮素原，加速促腎上腺皮質激素的合成并作用于腎上腺，促進腎上腺合成并釋放皮質醇[22]。與此同時，交感腎上腺髓質系統也被激活，兒茶酚胺類物質腎上腺素和去甲腎上腺素大量合成釋放。皮質醇、腎上腺素和去甲腎上腺素共同作用可引起機體血糖升高、免疫抑制以及脂肪蛋白質代謝增強等一系列應激反應。之后腎上腺發出負反饋信號，抑制下丘腦和垂體的相關激素分泌，減輕應激反應。

腸道菌群對HPA軸的發育和生理功能具有重要、不可替代的調控作用[23]。動物實驗發現，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激素受體敏感性基因(FK506結合蛋白基因)的表達；在腎上腺，腸道菌群可抑制編碼類固醇生成的黑皮質素受體2基因、類固醇生成急性調節蛋白基因以及細胞色素P450家族成員11A1基因的表達[26]。新生兒期HPA軸尚未發育完全，皮質醇含量異常以及圍生期應激反應等可引起新生兒腸道菌群數量和組成發生改變[27-28]，導致下丘腦室旁核基因表達改變以及腎上腺皮質酮釋放增多，進而影響HPA軸的發育[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]，提示調控腸道菌群可改善HPA軸發育及功能異常。此外，腸道菌群的代謝產物5-羥色胺能夠調控下丘腦促腎上腺皮質激素釋放激素的分泌，5-羥色胺受體表達改變可影響HPA軸的功能[31]。

ASD與HPA軸功能異常之間存在密切聯系。動物實驗發現，母鼠孕中期腹腔注射丙戊酸誘導的子代雄性孤獨癥模型小鼠腎上腺皮質酮水平顯著升高[32]。臨床研究發現，未共患其他神經精神系統疾病的ASD患者唾液皮質醇水平顯著降低[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果顯示，ASD患兒接受外界刺激后，唾液皮質醇水平未顯著升高[36]。然而，有臨床研究得出了相反的結論，如Corbett等[37]研究發現ASD患兒皮質醇晝夜節律變化較大，接受外界刺激后皮質醇水平顯著升高；Spratt等[38]的研究結果與Corbett等[37]相似。ASD患者普遍存在腸道菌群失調，推測腸道菌群可能通過調控HPA軸影響ASD的病程，但具體機制尚不清晰，需要進一步研究。

2.2神經免疫系統 腸道菌群及其代謝產物構成了腸黏膜的化學和生物屏障，參與免疫系統的發育和調節。腸道菌群在T細胞的發育、分化以及維持免疫系統平衡方面具有重要調控作用，可維持輔助性T細胞(helper T cell，Th細胞)17/調節性T細胞(regulatory T cell，Treg細胞)的動態平衡[39]。分段絲狀細菌的鞭毛蛋白參與誘導腸道內Th17細胞，影響白細胞介素(interleukin,IL)-17相關信號通路基因(IL-6、IL-1β、腫瘤壞死因子-α、IL-17A、IL-17F和IL-22)和上皮細胞特異性基因(誘導型一氧化氮合酶、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運載蛋白2)的表達[40-41]。ASD患兒Th17與Treg細胞的動態平衡被打破，Th細胞(包括Th1、Th2和Th17細胞)數量增加、Treg細胞數量減少，且Th17/Treg細胞比值與ASD癥狀的嚴重程度呈正相關[42-43]。上述研究結果提示，ASD的發生發展可能與腸道菌群對免疫細胞(特別是T細胞)的異常調控有關，但具體機制有待進一步研究。

除直接調控T細胞的發育和分化外，腸道菌群失調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節免疫系統。腸道菌群失調可引起腸道上皮細胞間緊密連接蛋白(包括閉鎖連接蛋白-1、閉鎖蛋白和供緊密連接蛋白-1)表達減少[44]，腸道黏膜通透性增加[45]，大量的毒素、細菌及其組成成分和代謝產物(如脂多糖)通過受損的腸道壁進入血液循環，引起系統性炎癥反應[46-47]；同樣，腸道菌群失調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)表達減少密切相關，這一改變可引起血腦屏障通透性增加[48]；系統性炎癥反應時，血液循環中的炎癥因子可結合在腸道黏膜上皮細胞和腦血管內皮細胞表面，激活Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)，引起腸道黏膜上皮細胞和腦血管內皮細胞發生炎癥反應，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入中樞神經系統[52]。其中IL-1β和腫瘤壞死因子-α可結合在神經元表面，引起小膠質細胞過度激活及神經炎癥反應[53-55]。

大量研究發現，ASD患兒血漿和腦脊液中炎癥因子水平顯著升高[56-57]；而一些具有抗神經炎癥作用的物質(如維生素D、蘿卜硫素、白藜蘆醇、催產素)在ASD的相關臨床試驗中取得了一定療效[58]；上述研究結果提示，系統性炎癥反應和神經炎癥反應在ASD的發生發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行腸道菌群高通量二代測序，發現ASD男童存在嚴重的腸道菌群失調，多達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的豐度與小膠質細胞釋放的炎癥因子S100B表達呈負相關，提示小膠質細胞活化可能在ASD發生發展中具有重要調控作用。甘露醇/乳果糖試驗證實，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患者的遺體進行尸檢發現，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，引起系統性炎癥反應和神經炎癥反應，導致ASD的發生發展。

但目前仍存在一些問題有待進一步研究，如腸道菌群調控免疫細胞發育和分化的分子機制；腸道微生物數量和組成改變引起緊密連接蛋白表達下調的分子機制；除腸黏膜屏障和血腦屏障受到破壞外，系統性炎癥反應的其他影響因素以及神經炎癥反應與孤獨癥樣行為之間的具體關系等。

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

腸道菌群代謝產物數量和組成的改變可通過影響迷走神經系統引起宿主孤獨癥樣行為。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行腸道菌群16S核糖體RNA測序及代謝產物鑒定發現，與健康對照兒童相比，ASD兒童糞便中乙酸、丁酸含量較低，且產丁酸菌(Ruminococcaceae、Eubacterium、Lachnospiraceae、Erysipelotrichaceae)相對豐度顯著偏低。而腸道菌群的代謝產物丙酸通過調控多巴胺和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調控多巴胺的分泌[67]；提示腸道菌群失調通過影響其代謝產物的數量和組成，傳遞信號給迷走神經系統，進而調控孤獨癥樣行為。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]。接受迷走神經刺激術治療的ASD患者核心癥狀得到顯著改善[71]，提示腸道菌群失調可能通過影響迷走神經系統的功能引起ASD的相關癥狀。

3 結 語

ASD是一類累及多系統、涉及多靶點的難治性神經發育性疾病，使用單一作用靶點的藥物進行治療難以取得良好的效果。此外，腸道菌群在不同個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、飲食習慣、家庭條件、受教育程度以及衛生情況)的影響。因此，根據每例ASD患者自身的腸道菌群及其代謝產物特點，實行個體化精準治療可能成為研究熱點。未來需進一步了解每種腸道菌群及代謝產物的生理作用，在此基礎上探索不同菌群、不同代謝產物之間以及菌群與代謝產物之間的相互作用關系，并運用生物信息學技術探索腸道菌群及其代謝產物改變引起ASD發生發展的信號轉導通路，從而開發出新的、個體化的治療藥物和治療手段，實現ASD的精準治療。