肠道菌群与孤独症谱系障碍关系的研究进展

2019-01-07张春艳朱路文唐强

中国康复理论与实践 2019年3期

张春艳，朱路文，唐强

1.黑龙江中医药大学第二临床医学院，黑龙江哈尔滨市150040；2.黑龙江中医药大学附属第二医院，黑龙江哈尔滨市150001

孤独症谱系障碍(autism spectrum disorders,ASD)是一组以社交障碍、重复刻板行为和狭隘兴趣为主要特征的神经发育障碍性疾病。ASD病因至今不明，目前认为遗传和环境因素共同导致ASD的发生。近年来，ASD的发病率急剧上升。美国疾病预防控制中心报道，在0～8岁儿童中ASD患病率2012年为1/68，而2018年达1/59[1]。

ASD除上述核心症状外，还常共患胃肠道功能紊乱(如便秘、腹痛、腹泻和呕吐等)。与正常儿童相比，ASD共患胃肠道功能紊乱的可能性更高[2]。与ASD家族中发育正常的兄弟姐妹相比，ASD共患胃肠道症状发生率更高。有胃肠道症状的ASD患儿社交障碍和行为异常更明显，影响患儿生活自理和融入社会的能力。胃肠道症状与社会交往障碍和异常行为的相关性可能与“微生物-肠-脑轴(microbiota-gut-brain axis,MGBA)”作用关系密切。胃肠道与中枢神经系统之间的双向调节被称为MGBA作用。该轴是综合性的生理概念，综合胃肠道和中枢神经间所有神经传导、内分泌和免疫学信号的传输。

本文将依据MGBA作用，将肠道菌群对ASD的行为学和ASD分子表型进行综述。

1 肠道菌群对ASD的行为学影响

1.1 肠道菌群对ASD模型的行为学影响

肠道菌群通过MGBA影响动物和人类的行为。目前动物实验通过无菌动物(germ-free,GF)移植微生物、大剂量广谱抗菌药物干预无特定病原体(specific pathogen free,SPF)动物、向动物移植特定病原菌和喂食益生菌等证实肠道菌群与动物的行为学相关。

小鼠肠道菌群的结构和菌群数量改变可影响小鼠社交行为。Desbonnet等[3]通过三箱社交实验观察GF鼠的社交能力和社交偏好，结果与正常发育小鼠相比，GF鼠社交互动时间减少，表现出ASD样行为表型，经过脆弱拟杆菌治疗可以逆转ASD行为表型[4]。

母体免疫活化(maternal immune activation,MⅠA)导致ASD小鼠肠道菌群改变，以梭状芽胞杆菌和拟杆菌属为显著，给予脆弱类杆菌治疗，可以降低肠道黏膜屏障的通透性，增加紧密连接蛋白质表达，减少炎性细胞因子如白细胞介素(interleukin,ⅠL)-6的表达，改善肠道的炎性环境，使有毒物质不能进入脑内，减低脑内炎症的发生，进而使ASD鼠社会交往、重复刻板、感知异常和焦虑症状得到改善[5]。

de Theije等[6]的研究显示，母鼠产前暴露于丙戊酸钠环境导致子代肠道菌群结构异常，以厚壁菌门和拟杆菌门数目增加显著，说明肠道菌群结构改变影响子代小鼠中枢神经系统的发育，可产生类似ASD的行为。

BTBR T+tf/J(BTBR)鼠社交行为减少，刻板行为增多，肠道菌群改变，肠道黏膜通透性增加，免疫状态改变。Coretti等[7]的研究表明，Parabacteroides和Sutterella菌属增加，Dehalobacterium和Oscillospira菌属减少，可能是BTBR鼠行为改变、肠道通透性增加和结肠炎性状态相关的驱动因素。BTBR小鼠、Shank3B小鼠和ⅤPA小鼠中L.reuteri水平有明显的降低，给予益生菌治疗可以减轻上述小鼠的社会行为异常[8]。

1.2 肠道菌群代谢产物对ASD模型的行为学影响

肠道菌群代谢产生的脂肪酸、胆汁酸和维生素等产物转移至循环系统，参与调控代谢、免疫调节和中枢神经发育等活动。肠道菌群的代谢物短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)，包括乙酸、本体酸(proprionic acid,PPA)、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸和异戊酸等。

PPA主要由梭状芽胞杆菌、拟杆菌门和脱硫孤菌属分解产生，可以穿过血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)导致类似ASD行为。研究表明，在大鼠侧脑室内注射PPA，可导致大鼠社会行为改变，可能是通过多巴胺和血清素等神经递质来影响大脑功能，引起行为改变[9]。

丁酸可合成神经递质多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素，影响中枢神经系统及其外周的行为活动。乙酸、丙酸和丁酸等可通过BBB进入中枢神经系统参与代谢，特别是对于早期大脑发育和细胞信号传递起重要作用[10]。过高的丙酸水平可产生类ASD样行为改变。Nankova等[11]的研究表明，丙酸和丁酸通过调节PC12细胞中cAMP应答元件结合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)依赖的儿茶酚胺类神经递质参与ASD。

总之，肠道菌群及代谢产物与各种ASD模型的行为问题有相关性，可能在ASD的基因和环境因素中充当一个重要的介质[12]。

1.3 肠道菌群对人类ASD的行为学影响

Wang等[13]认为，与正常发育的对照组相比，ASD患者肠道脱硫菌属、拟杆杆菌和梭状芽胞杆菌增加。Strati等[14]发现与正常人相比，ASD的厚壁菌门/拟杆菌门比例显著增加，同时发现ASD念珠菌是正常人群的两倍。假丝酵母可以释放氨和毒素能诱发ASD样行为[15]。鉴于ASD患儿有肠道菌群结构异常的情况，许多研究者通过改变肠道菌群来治疗ASD胃肠道症状及相关的行为问题，因此将益生菌作为ASD综合治疗措施之一。

Grossi等[16]研究1例ASD并发严重认知障碍的10岁男孩，给予10种混合的益生菌治疗，干预4周，然后随访4个月，结果表明，ASD患儿不但胃肠道症状减轻，还有ASD核心症状的显著改善。Santocchi等[17]将100例ASD学龄前儿童患者分为胃肠组和非胃肠组，给予益生菌和安慰剂治疗6个月，结果给予益生菌的ASD患儿不但在肠道症状、社会交往、感知认知、刻板行为和适应能力有改善，而且血清脂多糖、瘦素、肿瘤坏死因子α (tumor necrosis factor α,TNF-α)和ⅠL-6等都有改变，这说明益生菌可改善胃肠道和社交等行为学障碍，也能治疗分子表型的异常。

1.4 饮食对ASD的行为学影响

Malhi等[18]研究发现，饮食改变也可影响肠道菌群，进而改变社会交往和行为问题。与对照组相比，ASD患儿摄入的水果、蔬菜和蛋白质比较少，每日摄入钾、铜、叶酸和钙也少。ASD患儿采用口服Omega-3治疗，干预12周，患儿表现出社交能力的明显提高。无谷蛋白和/或酪蛋白的饮食能通过调整肠道菌群，改善ASD行为问题，增强生理功能，提高社交能力[19]。生酮饮食是指高脂肪、低碳水化合物饮食。给予ASD模型鼠生酮饮食能导致肠道菌群总数量的改变，提高社交能力，减少重复性行为。Newell等[20]发现，生酮饮食可减少粪便中肠道菌群的丰富度，使ASD尿液中某些细菌正常，提高社交能力。

2 肠道菌群对ASD分子表型的影响

至今ASD的病因病机不清楚，科学家们从许多方面提出假说。由于任何单一的假说都不能解释ASD的复杂发病机制，因此需要涉及遗传、生化、神经内分泌和免疫等多种因素来解释。通过MGBA可将各自独立的假说联系起来，对ASD病因病机做出更好的解释，也为治疗ASD提供新的思路。

2.1 遗传因素

肠道菌群和遗传因素之间的关系，可能影响ASD的发生。例如某些宿主的等位基因位点对肠道菌群的影响，间接调整宿主健康状态。研究者通过比对双胞胎和小鼠品种等方法来衡量肠道菌群的遗传性。尽管许多研究结论存在差异，但仍提供许多有价值的信息。在全基因组关联研究中，研究者发现某些基因能够显著影响肠道菌群。例如由于5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)转运体基因发生变异，使ASD患儿外周血清素增多，研究者在小鼠中诱导这种变异，小鼠不但表现出行为重复、刻板和动作迟缓等类似ASD的表现，同时出现肠道菌群失调和便秘等肠道功能异常的情况[21]。

Petra等[22]研究发现，在ASD患儿的肠道菌群中脱硫弧菌属显著增加，并且该菌属是ASD中较为常见的菌属。通过对ASD患儿兄弟姐妹的调查发现，其同胞间也可能共同携带该菌属，脱硫弧菌属是ASD家族中共同携带的菌属，提示该菌在家族内的传播可能与ASD的遗传易感性有一定关联。经过脆弱拟杆菌治疗后，肠道菌群紊乱得以纠正，且ASD样行为明显好转[5]。

2.2 单胺类神经递质

5-TH能神经元系统紊乱是ASD的主要神经生化假说。血清5-HT是第一个被认为可识别ASD的生物标志物。5-HT不但在调节神经元分化、迁移、轴突生长以及髓鞘和突触形成中发挥重要作用，也对肠道的运动、感觉以及分泌活动产生广泛影响[23-24]。

肠道细菌在调节肠5-HT水平中发挥重要作用。80%～95%的5-HT受体存在于肠道中，因此，血中5-HT水平在很大程度上反映肠道嗜铬细胞(enterochromaffin cell,EC)分泌的5-HT。大约30%的ASD患儿血清中5-HT都有增加[25]，说明ASD患儿体内的血清5-HT水平异常是受肠道菌群的影响。Finegold[26]研究发现，GF小鼠血清5-TH水平显著低于SPF鼠，这可能是肠道菌群缺失导致的直接结果，也可能是代谢产物影响的继发性结果。例如，由肠道细菌包括梭状芽孢杆菌发酵产生的SCFA可增加EC细胞中Tphl mRNA的水平，进而在不改变5-HT再摄取转运体(serotonin reuptake transporter,SERT)表达的情况下增加肠道5-HT水平[27]。

Sjögren等[28]的研究表明，ASD模型小鼠的肠道菌群失调，特别是梭状芽孢杆菌和拟杆菌类，通过脆弱拟杆菌调节肠道菌群，改变胃肠道通透性的缺陷，调整血清吲哚丙酮酸水平，显著降低肠道中5-TH水平，最终纠正ASD相关的行为异常。

除了对肠道5-HT的影响，肠道菌群也能影响大脑中5-HT的水平，从而影响ASD的行为问题。白志余等[29]通过腹腔注射肠内代谢物造成肠道通透性增大的ASD动物模型。与对照组大鼠相比，实验组大鼠的反应探索和逃避危险的行为有显著差异，且海马内、下丘脑内和纹状体内5-HT含量都明显降低，导致行为异常。ASD患儿体内5-HT明显增多，提示胃肠道5-HT分泌失调。如果大量的肠道5-HT不能被及时利用，则会影响大脑发育，导致下丘脑室旁核中催产素的降低，并增加杏仁核中降血钙素相关基因多肽水平，导致ASD患儿社交互动行为异常和便秘[23]。上述实验说明，肠道菌群对肠道和脑内5-HT的水平都会有影响，从而导致ASD的异常行为。MGBA与5-HT的密切联系，为ASD的研究提供新的可能及新的思路。

2.3 神经免疫相关分子

胃肠道是人体免疫细胞聚集最多的地方，健康的肠道菌群通过构建黏膜屏障，维持肠道微生态平衡和内环境的稳定，影响机体免疫系统，抵御外来病原微生物的入侵来保护自身[30]。Takeuchi等[31]通过GF小鼠和普通小鼠的免疫特性发现，GF小鼠存在免疫功能缺陷，经过正常菌群移植后可以使免疫功能恢复。

Lutgendorff等[32]研究发现，ASD患儿肠道菌群发生菌群结构和数量的变化，影响肠道黏膜免疫反应，动物ASD模型和人类ASD患者的肠道基底膜ⅠgG和补体C1q沉着，导致胃肠黏膜细胞的紧密连接蛋白减少[33]，胃肠道黏膜通透性增加[34]，破坏肠黏膜屏障功能。

肠道微生态系统失衡和肠道上皮细胞的屏障完整性遭受破坏时，导致许多细菌产物、细胞因子和趋化因子从肠道屏障转移到肠系膜淋巴组织，并通过黏膜免疫细胞激活免疫系统[35]。被激活的免疫系统释放的炎性细胞因子如ⅠL-1β、Ⅰl-6、干扰素-γ(interferon-gamma,ⅠFN-γ)和TNF-α等可激活迷走神经，进而调节中枢神经系统的活动和外在的行为表现。

此外，ⅠL-1β、Ⅰl-6、ⅠFN-γ和 TNF-α 等细胞因子增高，也可通过血液循环，穿过BBB，定植到大脑内皮细胞，诱发脑内的免疫反应，影响大脑发育并产生异常行为。

因此，ASD患儿胃肠道内存在的多种炎症可能是肠道微生物紊乱引起免疫系统失衡的结果。

陈保林等[36]通过脂多糖诱导的ASD模型进一步证实，小鼠肠道渗透性增加，肠系膜淋巴结和派尔集合淋巴结(Peyer "s patch,PP)中树突状细胞、T细胞和B细胞比例明显增高，肠上皮淋巴细胞增多，而固有层淋巴细胞减少，免疫细胞比例失调明显，细胞因子ⅠL-6、ⅠFN-γ和TNF-α增高，ⅠL-10降低。这些提示，小鼠ASD样行为，肠道屏障功能降低，免疫细胞比例异常，促炎性T细胞功能增强，抗炎性细胞功能被抑制，可能导致肠道黏膜免疫失调。这可能与ASD的胃肠道菌群失调和胃肠道炎性症状有关。

2.4 下丘脑-垂体-肾上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal,HPA)轴相关分子

HPA轴对肠道菌群具有广泛影响。目前认为ASD患儿常共患消化系统症状，可能与应激后皮质醇浓度有显著相关性。压力激活HPA，导致一系列神经内分泌因子的级联反应，调节应激反应、消化和免疫功能。与正常发育的同龄人相比，ASD患儿存在皮质醇分泌增多的同时出现社交互动能力减弱，焦虑明显，智力障碍，适应能力差，语言表达障碍，以及消化系统症状。而ASD患儿的HPA轴的激活是受炎性细胞因子如ⅠL-6和TNF-α调控才能激活[37]。

HAP轴在应激状态下分泌皮质醇可对肠道免疫系统有重要作用，同时对肠黏膜通透性也有明显影响，使肠道共生菌构成比发生改变[38]。应激状态下，肠黏膜通透性增加，肥大细胞或紧密连接体断裂，导致病原菌进入体内，菌群发生移位[39]，导致肠道菌群结构和组成改变，肠道菌群平衡被打破[40]。Crumeyrolle-Arias等[41]和Rook等[42]研究发现，与SPF鼠相比，GF鼠外周循环促肾上腺皮质激素和皮质酮的浓度高。如果将SPF鼠肠道菌群移植给GF鼠后，HPA轴的应答部分可被逆转。例如给予双歧杆菌治疗后，GF小鼠的HPA轴得到逆转。

上述研究表明，HPA轴可影响肠道菌群的平衡状态，益生菌可逆转HPA轴对肠道菌群的调控。Ferguson等[43]认为，ASD不但伴随HPA应激后皮质酮表达升高，还有肠道菌群失调的胃肠道症状；唾液乳杆菌和香肠乳杆菌作为益生菌，可以治疗动物应激后肠道菌群紊乱，逆转皮质酮分泌和神经发育异常，增加神经可塑性[44]。