自闭症与肠道菌群—微生物组可能很快会带来新的疗法

科学家正在探寻自闭症患者的肠道菌群与其病症间的关联。初步研究显示，粪便移植疗法在一定程度上改善了儿童自闭症的症状。

要想令人们相信自己的肠道内有着壮丽奇妙、值得细品的景致，并非一件容易的事儿。14年前，来到加州理工学院开启生涯首任教职的萨基斯·马兹曼尼亚（Sarkis Mazmanian）很快便感受到了这件事的难度，当时他正向当地艺术家阐释自己对新办公室外墙壁上的画作的想法。

壁画上有一条12米长的管状结肠，各处显着粉红、鲜红和紫红的色彩，蜿蜒至走廊尽头处，给人一种迷幻的视觉体验，荧光黄、绿色的细菌从肠道高度发红的部位喷发出来，如同来自外太空的放射性熔岩。这幅壁画迎接着马兹曼尼亚实验室的访客。

与科学家一直致力于创作的科研壁画相比，办公室外的这幅壁画可以说不值一提。过去十年，马兹曼尼亚一直认为消化道的菌群对人身体和心灵的影响远比我们想象的大得多——他在这方面的科学研究助他在2012年赢得了奖金金额高达50万美元的麦克阿瑟天才奖。从那以后，这位微生物学家和一小群（此后队伍不断壮大）同仁在这一研究方向上越走越远，积累了一系列能够证明微生物组在各种脑部疾病中发挥作用的证据，这些疾病包括精神分裂症、阿尔茨海默病、帕金森病和抑郁症。

不过最具变革性的发现是关于自闭症。在美国，每59个孩子就有1个受到自闭症困扰，他们表现出不同程度的社交退缩和沟通障碍，有时还会出现焦虑和攻击性。自闭症的成因目前仍不确定，不过马兹曼尼亚和其他研究人员发现，该疾病可能与肠道微生物组的反常有着千丝万缕的联系，甚至可能是直接的因果关联。

生物学生涯的开启

47岁的马兹曼尼亚剃光了头，身着法兰绒衬衫和紧身牛仔裤，看着很像一个正要前往咖啡馆写作的都市潮范儿青年。最初，文学是他的职业规划。马兹曼尼亚在黎巴嫩出生，其父母都是亚美尼亚难民，且均未接受过一年级以上的教育。他后来进入了位于加州圣费尔南多山谷（他和家人最初定居的地方）的一所高中。他的英语老师是个充满活力的人，认为马兹曼尼亚有语言天赋，就鼓励他从事文学。1990年马兹曼尼亚进入加州大学洛杉矶分校（UCLA），计划主修英语。

萨尔基斯·马兹曼尼亚出现在人类肠道壁画前

但他的第一节大学生物课改变了一切。自那时起，马兹曼尼亚开始投身图书馆，在厚厚的教科书中学习诸如光合作用等生物学基本概念，他感到广阔的新世界向他敞开了大门。

他说道：“我有生以来第一次开启新的生涯篇章，看自己会走向何方。我决定要成为一名科学家。”

最令马兹曼尼亚着迷的一个想法：肉眼难见的微小生物体也可以是一台自成体系且功能强大的机器，能够控制并破坏人体。在获得微生物学学位后，他加入了UCLA的一个研究传染病的实验室，开始和引起感染的葡萄球菌等微生物打交道。临近博士毕业论文答辩的时候，马兹曼尼亚读到一篇由著名微生物学家撰写的评论，文章着重阐述了这样一个事实：人体肠道内充满了成百上千种不同的细菌，但我们现在还不清楚它们具体是什么，以及如何影响人体。

他也提出了另一个问题：为什么旨在攻击和消灭外来入侵者的免疫系统能允许数百种微生物在人体内生存和繁殖？但在深入调查这一领域的过程中，他发现根本没有人回答这个在自己看来最基本的问题。马兹曼尼亚认为人类与细菌的共生是由进化导致的，换言之，这种共生关系对于双方来说必有某种生存益处。那么，这个益处是什么呢？

入驻肠道的小家伙

马兹曼尼亚开始着手研究肠道微生物与免疫系统之间的联系。他作为博士后研究员加入了哈佛大学传染病专家丹尼斯·卡斯帕（Dennis Kasper）的实验室。

马兹曼尼亚先研究了无菌小鼠（从出生起就完全隔绝所有微生物的实验小鼠）相比于其他微生物水平较低或正常的普通小鼠，免疫系统有何不同。他以为这次初步调查只是漫长而艰苦的科学追寻旅程的第一步，但当他看到打印出来的实验数据时，这位刚刚上路的博士后立刻意识到自己可能已经取得了实质进展——无菌小鼠的辅助性T细胞相比正常同类低了30%～40%。

由于辅助性T细胞在协调免疫系统针对入侵病原体的反击中起着关键作用，因此马兹曼尼亚的发现表明无菌小鼠的免疫系统远没有其他微生物水平正常的同类强大。

“那太令人兴奋了，对吧？毫无疑问，我后来又重复了这个实验并以多种不同方式进行了验证。”马兹曼尼亚回忆道，“然后我提出了下一个问题——我可以恢复成年动物的免疫功能吗？”

马兹曼尼亚将来自标准实验室小鼠的肠道微生物移至免疫受损的无菌小鼠的肠道内，结果发现接受了粪便移植的无菌小鼠的T细胞数量猛增，在一个月内追平了普通实验小鼠。

为确定到底是何种微生物引发了这一转变，马兹曼尼亚反复试验，逐个将在普通小鼠肠道中发现的菌株移至无菌小鼠肠道。

前五六个菌株都不是答案。马兹曼尼亚决定再测试一个实验室里现成就有的菌种——他的导师卡斯帕一直在研究的一种名为脆弱拟杆菌的肠道微生物。当他将卡斯帕收存的一个样本植入无菌小鼠的肠道时，惊人的结果出现了：他们的T细胞数量激增至正常水平。最终，马兹曼尼亚又证明可以通过把这些脆弱拟杆菌产生的多糖A（polysaccharide A）分子加入肠道来实现相同效果。

他回忆道：“我的选择其实没有任何逻辑。脆弱拟杆菌来自肠道，且现成就有，所以我选择移植它。”换句话说，这次惊人发现要在很大程度上归功于运气。

马兹曼尼亚开展了更深入的研究，并在此获得了关键发现：脆弱拟杆菌对调节性T细胞的影响最大。调节性T细胞又称抑制性T细胞，是辅助性T细胞的一个亚群，对于防止免疫系统攻击有共生微生物的宿主细胞，预防自身免疫或炎症性疾病至关重要。马兹曼尼亚的工作是学界有史以来第一次证明来自某种微生物的某个化合物有能力逆转免疫系统的问题。

以上研究成果于2005年发表在《细胞》（Cell）上，为设计针对多种自身免疫、炎症以及过敏性疾病的新疗法提供了思路。

而马兹曼尼亚的新问题是，如果我们确实能通过调控患者的微生物组来改善免疫系统，那具体应该怎样操作呢？为了得到答案，他于2006年来到洛杉矶帕萨迪纳，在加州理工学院建立了自己的实验室。

意外的合作

几年后的某一天，他和自己的同事、神经科学家保罗·帕特森（Paul Patterson）在学校共进午餐。帕特森被一个问题困扰多年——这也是困扰众多自闭症研究者多年的问题：如果怀孕的母亲在孕中期（孕14周到孕27周期间）受到严重感染，她的孩子更有可能发展出自闭症。

他若有所思地对马兹曼尼亚说道：“你知道，我认为自闭症的孩子有胃肠道疾病。”帕特森曾了解到，有60%的自闭症儿童都存在某种形式的胃肠道问题，例如腹胀、便秘、肠胃气胀或腹泻。他想知道二者是否因微生物组而相互关联。随着交谈深入，马兹曼尼亚越发充满兴趣。

几年以前，帕特森发现，如果怀孕的小鼠被暴露于流感病毒之类的病原体，它们生出的幼崽很可能会惧怕大的声响，回避社交，反复打理自己的毛发——类似人类自闭症的表现。当与马兹曼尼亚交流时，他正在将这些有自闭嫌疑的小鼠的大脑与其表现正常的表亲的大脑进行比较，以期找出二者间的差异，进而解释母体的免疫系统如何干扰幼崽的大脑发育。

马兹曼尼亚给了一个建议：帕特森下次再牺牲小鼠用于脑部研究时，把肠子留下来给自己。

收到小鼠肠子的马兹曼尼亚着手比较了这些准自闭小鼠与其他神经典型小鼠（也就是神经发育正常的健康小鼠）的肠道差异。他发现后者的肠子很正常，但有自闭倾向的小鼠们的肠子几乎清一色地发着炎，且严重程度相当一致。微生物群可能是这些炎症的原因吗？它是否与自闭倾向存在直接关联？

马兹曼尼亚发现两类小鼠的肠道微生物组有明显差异，那些自闭倾向的小鼠还患有肠漏综合征——肠壁的通透性增加，使得病原体和过敏原容易渗出，而肠漏综合征在自闭症儿童中也有报道。

鉴于此，马兹曼尼亚和帕特森将注意力转移至肠道外。他们采集了自闭症小鼠的血液样本，查看是否有肠道微生物或其产生的化合物通过循环进入了身体其他部位。他们追踪一种名为4-苯乙基硫酸酯的分子，发现它在自闭症小鼠体内的含量比正常小鼠多了约44倍。值得一提的是，最近有科学家发现自闭症儿童体内的一种化学分子的含量相比正常孩子高了不少，其化学结构与4-苯乙基硫酸酯几乎如出一辙。

基于这些发现，两人着手下一步研究计划。马兹曼尼亚连续3周，每天都将从自闭症小鼠身上收集到的4-苯乙基硫酸酯分子直接注射入5周大（自闭症小鼠表现出漏肠症症状的年龄）的正常实验小鼠的血液，然后对其进行一系列行为测试，最终发现这些打了“药”的小鼠相比同龄的正常小鼠，更容易受到惊吓，也更容易在空旷的环境里感到不舒服。2013年，他们在《细胞》上发表了这些开创性的研究结果。论文发表6个月后，帕特森去世，享年70岁。

实验数据令人惊讶，但在某种程度上也属情理之中，要知道许多制药公司都研制了口服的小分子药物，它们在被人体吸收后跨越血脑屏障，影响患者的行为。同理，由肠道细菌产生的小分子也完全有可能通过血液循环抵达大脑——而且甚至不一定非要从肠道内泄漏出来。

人与鼠实验

在帕特森和马兹曼尼亚开展小鼠实验时，亚利桑那州立大学（ASU）的微生物学家罗莎·克拉伊玛尼克-布朗（Rosa Krajmalnik-Brown）与吉姆·亚当斯（Jim Adams）合作，对人类自闭症患者的肠道菌群进行了研究。亚当斯当时正领导着ASU的自闭症和艾斯伯格症候群研究计划。

两位科学家全面分析了自闭症儿童的微生物组，发现其菌种多样性相比普通人的少得多，其中与碳水化合物消化密切相关的几个菌种尤为稀缺。

到2017年，布朗和亚当斯又做了项初步试验。他们对18名年龄在7～16岁、存在严重肠胃问题的重症自闭症儿童进行粪便移植：先用强力的抗生素杀死他们肠道内的原有微生物组，完成大清洗，接着把提取自健康志愿者肠道的菌群移植入清洗后的肠道。

结果超出了所有人的预期。粪便移植大大减轻了患者的胃肠问题，增加了肠道内的微生物多样性。更为重要的是，他们的神经系统症状也得到缓解：这项研究开始时，83%的参与者都患有严重自闭症；试验两年后，仅剩17%的患者依然评估为严重自闭症，44%的人恢复健康。

达娜·伍兹（Dana Woods）是其中一名受试儿童的母亲，她这样说道：“我的孩子现在完全不一样了，他的沟通能力比过去好得多，更愿意参与到各项活动中，对许多事物更有兴趣。他目前不用再接受相关治疗。”

研究团队在关于2017年试验的第一份报告中强调了粪便移植后患者肠道菌群的许多明显变化，以3种细菌的数量激增最为突出——其中双歧杆菌（被很多人认为在维持肠道健康方面起着关键作用）的数量增加了3倍。

虽然试验结果很出彩，但要想更深入地从细胞层面阐清微生物-肠道-神经系统症状间的关联机制，ASU的团队还需要马兹曼尼亚的帮助。

布朗解释道：“我们的终极目标是把患者治好，同时搞明白微生物组如何影响人体健康。这就是我们寻求合作的原因。实验室的小鼠可以帮我梳理机制。”

了不起的鼠侦探

2019年5月，布朗、马兹曼尼亚与其他合作者在《细胞》上共同发表论文介绍他们的一个重大新发现：在将曾接受布朗团队治疗的严重自闭症患者的粪便样本移植入马兹曼尼亚实验室里的无菌小鼠的肠道内之后，它们哺育的后代表现出了自闭症的症状，例如重复性和强迫性行为。

布朗等人在此项研究中更加深入地观察并分析了小鼠大脑里的生化过程，不仅仅关注其行为变化，更聚焦于控制这些行为的化学物质。他们发现，表现出自闭症行为的小鼠体内牛磺酸和5-氨基戊酸（5AV）的含量明显更低。这两种物质可模仿大脑内一种关键的信号传导递质——γ-氨基丁酸（GABA）的功能。其他研究者发现自闭症儿童的大脑缺乏GABA。

此外，一些科学家推测自闭症儿童之所以容易出现感觉过度刺激的情况，原因可能就在于GABA缺乏导致其难以抑制过度兴奋的神经元。

研究团队之后又令怀孕小鼠（同样移植了自闭症患者的粪便样本）口服高水平的牛磺酸和5AV，待分娩完成，继续向幼崽喂食相同物质，直至成年。最终，这些二代小鼠的自闭症表现相比未经治疗的同辈明显缓解——牛磺酸减少了它们的重复性行为，提升了社交能力，减轻了焦虑；而服用5AV的小鼠显得更加充满活力、善于社交。

在一些同行看来，这项发现了牛磺酸和5AV奇效的新研究本身还不足以证明微生物群失调可导致脑部疾病。

芝加哥大学的神经生物学家桑格拉姆·西索迪亚（Sangram Sisodia）主攻微生物组研究，她说：“该论文引起了极大轰动，但我认为，把人类的神经系统问题建模在小鼠身上，这本身是有点问题的。”

此外，有几位同行指出他们的一项测试结果实际上与论文结论相矛盾，部分统计方法也存在缺陷。马兹曼尼亚并未过多纠结于这些批评，但也同意这项工作尚无定论。

不过，布朗和亚当斯很笃信自己的结果，但也表示应该开展更多研究。

亚当斯坚称这项工作已经改变了人们（意指接受粪便移植的自闭症儿童）的生活：“我们跟进了18名参与者中的每一位。他们的家人告诉我们孩子状况持续改善。”研究团队于2019年春季在《科学报告》（Scientif i c Reports）中发表了研究新进展。

马兹曼尼亚说道：“我还没打算结束这个课题。对已有结论的合理怀疑是一件好事。我相信临床前数据，我相信小鼠实验数据，但仍有很多研究等待我们完成。”

资料来源 discovermagazine.com