基于“口腔—腸—腦軸”理論探討微生物對孤獨癥譜系障礙的影響*

李圓圓 于 情 黃明欣 李 宇 虞寶萍 石 萍

天津市兒童醫院(天津大學兒童醫院)心理科 300134

孤獨癥譜系障礙(Autism spectrum disorder,ASD)是一類以不同程度的社會交往和交流障礙、狹隘興趣和刻板行為為主要特征的一種嚴重神經發育行為障礙性疾病[1]。2023年美國疾控中心數據顯示,每36名8歲兒童中就有1名ASD兒童[2],且其患病率呈逐年上升的趨勢,ASD已成為我國兒童精神殘疾類別首位疾病。

ASD的病因及發病機制目前尚不清楚,對于其核心癥狀也缺乏有效的藥物治療。目前學者普遍認為,ASD可能是環境、生物和遺傳因素綜合作用的結果[3]。微生物是人體的附屬器官,聚集在人體不同部位的微生物群落與其宿主形成互利共生關系,微生態的失衡會導致疾病的發生。目前已發現ASD兒童存在微生態的失衡,這種研究多集中于腸道微生物中,“微生物—腸—腦軸”被眾多學者認為與ASD有關[4],然而,口腔中微生物的致病作用尚未得到令人滿意的探索。胃腸道和口腔是人體內共生微生物的主要分布部位,唾液微生物組與腸道微生物組之間可能發生生物學相關的相互作用。因此,口腔和腸道微生物群可能共同參與ASD的發生發展,這種關聯可能是直接的或間接的。本文將全面探討口腔—腸—腦軸在ASD發生發展中的作用。

1 口腔微生物與ASD

1.1 口腔疾病與ASD ASD兒童較正常兒童有更多的口腔問題。ASD兒童患齲齒的概率較正常兒童高, 且其齲齒會加重ASD的核心癥狀[5]。另外,ASD兒童的牙齦出血和牙結石的檢出率明顯高于非ASD兒童,且幾乎所有ASD患兒都有牙齦炎[6]。這可能與ASD兒童行為和飲食習慣有關,更容易引起口腔微生態系統的失衡,從而導致口腔問題或全身性疾病。如有些ASD兒童口腔功能較差,咀嚼和吞咽動作不協調,他們更喜歡軟爛的食物,喜歡將飯含在口中不吞咽,這種做法增加了口腔細菌結合碳水化合物的機會[7]。多數ASD兒童行為問題較為突出,存在口周的感覺異常,很難完成日常刷牙,因此,許多ASD兒童的口腔衛生習慣較差。

1.2 口腔微生物與ASD 口腔微生物群是人體僅次于腸道的第二大微生物群。口腔微生態系統是由不同的口腔微生物之間以及口腔微生物群與宿主之間的相互作用所構成。口腔微生態的失調可能導致齲齒、牙齦炎和牙周炎等口腔疾病或全身性疾病的發生。ASD兒童口腔微生物較正常兒童存在差異。Qiao等人[8]使用高通量測序方法比較了ASD兒童與健康對照組的口腔微生物群,發現ASD患者唾液中的嗜血桿菌和牙菌斑中的鏈球菌數量顯著增加,而普雷沃菌、硒單胞菌、放線菌、卟啉單胞菌和梭桿菌數量明顯減少。此外,口腔菌群可作為ASD兒童潛在的生物標記物,在ASD兒童的輔助診斷,以及作為ASD兒童癥狀嚴重程度的評估都有巨大的潛能。Steve團隊[9]通過宏基因組鳥槍測序發現5類口腔菌群可將ASD兒童與正常兒童區分開,3類菌群可將ASD兒童和全面發育遲緩兒童區分開,且正確率接近80%。有研究發現,口腔單寧菌與認知障礙顯著相關,特別是對于韋氏測試分以及行為(ADI-C孤獨癥診斷訪談量表)、言語和溝通異常(ADOS-A孤獨癥診斷觀察量表)是單寧菌豐度的重要預測因子[4]。種種跡象表明,口腔微生物群可能參與了ASD的發病機制,可能通過直接或間接途徑影響ASD的發展。

1.3 口腔微生物對ASD的直接影響 在直接作用方面,口腔致病性微生物可能通過不同途徑進入腦組織,直接損害中樞神經系統,影響神經免疫活動和炎癥,從而影響ASD的發生。

其中一條直接途徑是,口腔微生物可以直接通過顱神經直接到達大腦,5條顱神經(Ⅴ、Ⅶ、Ⅸ、Ⅹ和Ⅻ)對口咽部的感覺和運動神經支配,既可以作為口腔細菌到達中樞神經系統的直接通道,也可以作為從口腔到大腦的神經信號的傳遞器[9]。另外,口腔面區富含血管和神經,解剖學上靠近大腦,也促進了口腔微生物群和中樞神經系統之間的交流。

口腔微生物進入腦組織的另一途徑是通過血液循環,口腔微生物可以由于牙齦炎、牙周炎等通過破損的口腔黏膜或牙根等進入血液,突破血腦屏障進入大腦。血腦屏障位于外周和中樞神經系統之間,由星形膠質細胞、小膠質細胞和內皮細胞組成,這種細胞之間的緊密連接限制了促炎因子、病原體或神經毒性物質進入腦實質[10]。口腔細菌引起的促炎反應可能破壞血腦屏障的完整性,可能使大腦暴露于細菌代謝物,從而引發炎癥反應并改變中樞神經系統內的代謝活動,神經元、少突膠質細胞和膠質細胞內能量代謝的長期中斷可導致皮層、海馬、杏仁核或小腦的結構變化[11]。有報道發現,感染牙齦假單胞菌的小鼠表現出血腦屏障完整性降低[12]。上述研究結果表明,口腔微生物可能通過自身或其毒性因子損害血腦屏障而進入大腦。

1.4 口腔微生物對ASD的間接影響 口腔微生物對大腦的間接影響可能是由全身性炎癥、代謝介導的。人們對ASD患者大腦解剖發現其存在中樞神經系統炎癥,并且ASD患者腦脊液中的細胞因子和趨化因子也升高,這可能是由于許多革蘭氏陰性菌及牙周相關致病菌富含的脂多糖具有促炎活性,大腦發育中的這種炎癥可能導致突觸功能障礙,進一步促進抗利尿激素的釋放,這已被證明會影響社會行為[13]。此外,ASD患者的口腔生態失調可能導致代謝組紊亂,有報道稱ASD兒童口咽中存在與賴氨酸降解相關的微生物RNA的上調,賴氨酸是一種生酮氨基酸,其降解導致谷氨酸的產生,而谷氨酸是參與學習和記憶的關鍵神經遞質[9]。因此,ASD兒童的口腔微生物與大腦可能存在一定聯系,存在“微生物—口—腦軸”。

2 腸道微生物與ASD

2.1 腸道疾病與ASD 在ASD患兒中胃腸道癥狀也較為突出,據報道,46%～84%的ASD患者有胃腸道癥狀,特別是腹痛、便秘和腹瀉等,并且與其核心癥狀的嚴重程度有關,如胃腸癥狀會加重ASD兒童社會退縮、刻板等行為[14],有胃腸道癥狀的ASD兒童的焦慮和感覺過敏也會更加明顯。這可能與其偏食、挑食的習慣有關,這不但會影響腸道菌群的構成,反過來,腸道菌群的改變又會加重其胃腸道癥狀,進而影響ASD樣行為。

2.2 腸道微生物與ASD 腸道菌群被稱為“人類第二個基因組”,與口腔相比,腸道微生物群表現出更大的多樣性。腸道菌群在體內有重要作用,包括維持腸道屏障的完整性,阻止某些細菌及毒素進入血液,促進消化,某些必需營養素、維生素和激素的合成和代謝,以及從體內排泄一些藥物等。大量研究已經發現ASD兒童存在腸道菌群的改變。Iglesias等[15]發現ASD 患者腸道菌群擬桿菌屬、副桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬、糞桿菌屬和考拉桿菌屬的豐度顯著較高,而糞球菌屬和雙歧桿菌屬的豐度較低。有胃腸道癥狀的ASD兒童普氏菌屬、糞球菌屬和未分類的韋榮氏菌科豐度低于無胃腸道癥狀的ASD兒童[16]。然而,腸道菌群作為ASD潛在的生物標志物,不同的隊列研究具有較高的異質性,這可能是由于地域、飲食條件的不同導致,因此,未來對于找到具有共性的腸道微生物作為其生物標志物仍是一大挑戰。此外,人們發現健康的腸道微生物可以減輕ASD的核心癥狀。Desbonnet等[17]的實驗表明,無菌飼養條件下的雄性小鼠會出現社交回避和重復行為、對社交新穎性和社交動機缺乏興趣等孤獨癥樣行為,當用神經、行為正常的小鼠的糞便細菌定植時,許多行為缺陷被逆轉。這證明了健康微生物群對小鼠模型中典型社會功能的重要性,也證明了腸道細菌可以調節ASD樣癥狀,因此,糞菌移植及益生菌對于ASD患者的治療在將來有巨大的潛力。種種跡象表明,存在“微生物—腸—腦軸”參與ASD的發病機制,這可能是通過直接或間接途徑影響的。

2.3 腸道微生物對ASD的直接作用 腸道菌群與大腦之間的雙向通信可通過多種途徑發生,其中,微生物—腸—腦軸被認為參與ASD的發病機制。胃腸道黏膜包含數以百萬計的神經元,這些神經元構成腸神經系統(Enteric nervous system,ENS)并調節胃腸道功能,因此,腸道被認為是“第二大腦”,ENS與中樞神經系統主要通過迷走神經連接形成腸腦軸[18]。腸道微生物介導的代謝物,如短鏈脂肪酸、游離氨基酸等,可以通過迷走神經通路進入中樞神經系統,進而影響ASD樣行為[19]。腸道微生物對大腦直接作用的另一個重要基礎是腸道通透性的增加,這被稱為“漏腸”[20]。有研究發現ASD動物的胃腸道屏障存在缺陷,導致毒素和細菌產物進入血液,從而通過血腦屏障進入大腦,進而影響認知和行為[21]。因此,腸道菌群可能通過迷走神經及血液系統直接影響大腦,進而影響ASD樣行為。

2.4 腸道微生物對ASD的間接作用 腸道微生物對ASD的間接作用主要是通過免疫系統、代謝及內分泌系統實現。腸道微生物可以通過調節免疫系統與大腦溝通,ASD兒童存在腸道的生態失調,腸道病原微生物和局灶性的腸道炎癥產生的毒素增加了腸道通透性,使得腸道細菌通過腸壁進入腸系膜淋巴組織,通過黏膜免疫細胞激活免疫系統,釋放炎癥因子和趨化因子,如TNF-α、IL-6、IL-8等,激活迷走神經,進而調節中樞神經系統的活性[22]。Konsman等[23]發現外周細胞因子可以通過迷走神經誘導行為抑郁。除了微生物對外周免疫細胞的影響外,腸道微生物群也被報道調節小膠質細胞(腦內免疫細胞)的發育、成熟和功能[24]。此外,神經遞質也可以在“微生物—腸—腦軸”中發揮作用。腸道微生物合成神經活性物質如5-羥色胺、多巴胺、γ-氨基丁酸、組胺等,可以通過迷走神經激活或抑制中樞神經元[25]。腸道微生物還可通過內分泌系統與大腦溝通。據報道,腸道微生物群還與下丘腦—垂體—腎上腺軸(HPA軸)介導的神經內分泌信號通路具有雙向相互作用,應激誘導的HPA軸的激活影響胃腸道功能,并隨后改變腸道微生物組的組成,相反,腸道微生物群的消耗會改變HPA軸的功能,導致循環皮質醇水平升高,使焦慮樣行為增加[26]。目前,學術界普遍認為存在“微生物—腸—腦軸”,這涉及多個系統的復雜相互作用或許可成為治療ASD的新靶點,但仍需進一步研究來揭示健康和疾病中微生物—腸道—腦軸信號傳導的基本原理和精確機制。

3 口腔與腸道菌群的關系

口咽部是進入胃腸道的唯一入口,口腔微生物會出現異位轉移,能隨著唾液進入胃腸道,可在一定程度上改變腸道微生物群落的組成,甚至引發一系列炎癥變化及免疫反應。在人類微生物組計劃中,口腔細菌和糞便細菌在近一半的受試者中重疊。如被認為是慢性牙周炎關鍵細菌的牙齦卟啉單胞菌,不僅引發牙周微生態的失調,還會通過吞咽進入腸道,引發腸道微生物失調,進一步增加腸上皮通透性,并誘導免疫激活,導致全身炎癥[27]。在腸道中生存的牙齦假單胞菌和腸道微生物群或其代謝物都可能通過ENS進入血液并最終進入大腦[28]。并且,Steve團隊[9]發現的3類口腔菌群可將有胃腸道癥狀的ASD兒童與無胃腸道癥狀的ASD兒童區分開。這表明,ASD的胃腸道微生物破壞可能延伸到口咽部,考慮到細菌在很大程度上是單向從口咽部轉移到胃腸道,這意味著口腔生態失調實際上可能是許多ASD研究中報道的腸道生態失調的主要來源。因此,口腔細菌的這種持續的異位定植會使腸道菌群失調并導致慢性炎癥,在一定程度上口腔作為潛在的腸道病原體的儲存庫,會加重腸道疾病,從而誘發腸道介導的全身性病理。

4 結語

口腔菌群及其產物可直接通過神經系統和循環系統影響大腦,或間接通過全身性炎癥和腸道菌群失調影響大腦。腸道菌群及其產物或直接通過ENS或血液影響大腦,或間接通過免疫、代謝、內分泌影響大腦。因此,筆者考慮存在“口腔—腸—腦軸”參與ASD的發病機制,并且,口腔和腸道特異性菌群種類及其產物可能是ASD臨床診斷的潛在生物標志物。然而,目前研究的重點多集中于“腸腦軸”,而口腔在ASD中的作用認知有限。未來需進一步立足于“口腔—腸—腦軸”研究ASD可能的潛在生物標志物,并且探究可能的治療方法以改善孤獨癥核心癥狀。