腸道菌群與自閉癥發(fā)病機(jī)制的研究

劉文鳳，王榮斌

(南昌大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，南昌 330006)

自閉癥譜系障礙(autism spectrum disorders，ASDs)可分為自閉癥(autism disorder)，兒童瓦解性精神障礙(childhood disintegative disorder)、阿斯伯格綜合征(asperger syndrome)等多個(gè)種別，此中自閉癥是比較嚴(yán)重的一種[1]。自閉癥是一種神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙疾病，患者常缺乏社會(huì)功能，并伴有語言和非語言交流障礙以及行為刻板和樂趣局限等特點(diǎn)，目前認(rèn)為與遺傳、感染與免疫、神經(jīng)發(fā)育、環(huán)境和心理因素有關(guān)[2]。Tomova等[3]發(fā)現(xiàn)超過90%的自閉癥患者有胃食管反流、便秘、腹瀉、腹痛、嘔吐和營養(yǎng)不良等消化道問題，這些胃腸道癥狀與異常微生物菌落有關(guān)，且自閉癥嚴(yán)重程度與胃腸功能障礙嚴(yán)重程度呈正相關(guān)，表明腸道菌群可能作為環(huán)境因素可能參與了自閉癥的發(fā)生。腸道菌群可以通過腦-腸軸(brain-gut-axis)影響腸道神經(jīng)系統(tǒng)、神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)和免疫等系統(tǒng)間接地調(diào)控大腦功能，進(jìn)而與某些疾病相關(guān)聯(lián)。本綜述就自閉癥的病因、腸道菌群的功能及腸道菌群與自閉癥潛在的發(fā)病機(jī)制三方面的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，旨在補(bǔ)充闡明自閉癥發(fā)病的另一個(gè)危險(xiǎn)因素，希望對(duì)自閉癥的早期診斷、及時(shí)干預(yù)及新的治療思路提供幫助。

1 自閉癥及其病因?qū)W說

自閉癥(autism,也稱孤獨(dú)癥)于1943年由美國科學(xué)家Kanner發(fā)現(xiàn)并命名，是一種高發(fā)于青少年的廣泛性發(fā)育障礙(pervasive developmental disorder,PDD)。目前學(xué)界比較一致的觀點(diǎn)認(rèn)為，自閉癥患者的定義性特征為：3歲前就有所顯示的社交障礙和語言溝通能力缺陷，以及大量重復(fù)性的刻板行為，焦慮、抑郁，興趣狹窄，以及在某些情況下嚴(yán)重的智力障礙和發(fā)育遲緩等。自閉癥的臨床診斷主要依靠病史詢問、體格檢查及行為觀察和量表評(píng)定，和輔助檢查如腦電圖和核磁共振等[4]。

自閉癥的確切發(fā)病原因尚未明了，目前相關(guān)的研究多集中在神經(jīng)心理學(xué)、遺傳學(xué)、感染與免疫學(xué)、神經(jīng)影像學(xué)以及兒童早期發(fā)育中的危險(xiǎn)因素等方面。遺傳學(xué)方面研究人員[5]發(fā)現(xiàn)自閉癥的發(fā)病存在著家族性聚集特征，自閉癥患者的親屬中有廣泛的自閉樣表現(xiàn)型，一些自閉癥易感基因包括RELN、 SHANK3、 NLGN3、 NLGN4X、 MET、 GABRB3、 OXTR和SLC6A4，這些基因的突變多是致使兒童自閉癥的發(fā)生的緣由。此外Wang等[6]發(fā)現(xiàn)自閉癥患兒攜帶更多的mtDNA突變，而線粒體是產(chǎn)生能量的主要場所，與多種疾病及神經(jīng)發(fā)育有密切關(guān)系，患兒攜帶的改變蛋白產(chǎn)物的潛在有害突變可能與自閉癥發(fā)病有關(guān)。

自閉癥的發(fā)生多與兒童胚胎期和圍生期被感染有關(guān)。病毒的持續(xù)感染導(dǎo)致人體免疫細(xì)胞克隆缺乏，使其不能產(chǎn)生針對(duì)病毒的免疫應(yīng)答，進(jìn)而侵害中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育。Mahic等[7]提出少數(shù)母親在遺傳上易對(duì)某些致病病原體如HSV-2，產(chǎn)生強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)，這種強(qiáng)大的免疫反應(yīng)產(chǎn)生的炎性分子和抗體可以跨過胎盤，破壞胎兒大腦。Careaga等[8]研究發(fā)現(xiàn)4～45歲自閉癥患者死后的大腦標(biāo)本均存在明顯持續(xù)的炎癥反應(yīng)，小膠質(zhì)細(xì)胞的激活和干擾素(IFN)C，IL-1β，IL-6，腫瘤壞死因子(TNFα)-和趨化因子C的含量增加，并且使用免疫療法后一部分患者癥狀有所改善。

在神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)領(lǐng)域，約30%的自閉癥患者外周血5-羥色氨酸水平升高，但是這一發(fā)現(xiàn)并非特異。中樞神經(jīng)興奮劑能夠引起一部分自閉癥兒童的刻板行為增多，同時(shí)抗精神病藥物能夠減少自閉癥患者的刻板和多動(dòng)行為，因此可以推測自閉癥的發(fā)生可能和多巴胺水平有關(guān)。此外部分自閉癥患者的海馬、小腦、杏仁細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，普肯耶細(xì)胞減少，同時(shí)大腦嗅覺皮質(zhì)以及乳頭體致密神經(jīng)元數(shù)量也發(fā)生增高的現(xiàn)象。部分自閉癥患者CT及MRI表現(xiàn)小腦、額葉皮質(zhì)、和杏仁核結(jié)構(gòu)異常，如大腦雙側(cè)半球不夠?qū)ΨQ、腦室體積擴(kuò)展、小腦體積減小等，可是這些轉(zhuǎn)變并非特異。

2 腸道菌群及其功能

有研究[9]表明有大約1013～1014個(gè)細(xì)菌寄生在人體腸道中，其數(shù)目是人體細(xì)胞數(shù)目的10倍，所含基因數(shù)量是人基因總量的150倍。這些細(xì)菌超過1000種，50屬，7000個(gè)菌株，其中擬桿菌門和厚壁菌門是主要菌群，其次是放線菌門、變形菌門、疣微菌和梭桿菌門等。近年來人們逐漸發(fā)現(xiàn)腸道微生物不僅有代謝與營養(yǎng)作用、生物拮抗及防御感染作用、驅(qū)動(dòng)免疫成熟和維持免疫穩(wěn)態(tài)的作用，還與循環(huán)和神經(jīng)發(fā)育等方面有著重要的作用。

腸道菌群對(duì)神經(jīng)疾病方面的作用也越來越被人們重視，大量的研究[10]表明腸道與大腦之間存在著一個(gè)腦-腸軸(brain-gut-axis),其中腸道菌群作為主要的參與者，可通過影響此軸調(diào)控宿主的腦功能與行為等，因此腸道菌群的改變也會(huì)經(jīng)此軸影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育與功能。目前，已經(jīng)證明腸道菌群失調(diào)和精神分裂、阿爾茨海默病、自閉癥有很大的關(guān)聯(lián)。理解腸道菌群在自閉癥發(fā)生中所扮演的角色，對(duì)于治療該疾有著非常重要的意義。

3 腸道菌群與自閉癥發(fā)病機(jī)制

在對(duì)自閉癥患者和普通人糞便進(jìn)行微生物群落觀察分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩者的腸道菌群落在種類和數(shù)量上的存在較為明顯的差異，其中放線菌(actinomycetes)、擬桿菌(bacteroides)、厚壁菌(phylum firmicutes))以及擬桿菌(bacteroides)的相對(duì)含量及某些代謝產(chǎn)物在自閉癥患者和正常人的腸道中存在明顯的差異[11]。

3.1 迷走神經(jīng)途徑

腸道菌群具有激活迷走神經(jīng)作用并增加小鼠的焦慮行為，原因可能是中樞神經(jīng)系統(tǒng)GABA受體表達(dá)改變。Averina等[12]也報(bào)道了空腸彎曲桿菌感染后小鼠的焦慮性增加，原因可能是空腸彎曲桿菌通過影響迷走神經(jīng)從而導(dǎo)致了小鼠焦慮性增加。而Bercik等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌的抗焦慮作用可能是通過迷走神經(jīng)來完成的，因?yàn)楫?dāng)切斷迷走神經(jīng)時(shí)，雙歧桿菌對(duì)結(jié)腸炎小鼠焦慮行為的改善也隨之消失，而神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子含量并無改變。

3.2 硫元素途徑

腸道是人體最重要的消化器官，生命所需的大量營養(yǎng)元素都是通過腸道吸收的，腸道菌群失調(diào)常常會(huì)干擾人體對(duì)營養(yǎng)元素的吸收以及對(duì)物質(zhì)的代謝。有研究[14]表明硫元素的攝取量降低與自閉癥的發(fā)生有相關(guān)性。而腸道菌群失調(diào)時(shí)人體對(duì)硫元素的攝取會(huì)改變。食物中的硫元素常常以可以被腸道吸收的硫酸鹽的形式存在，但當(dāng)硫酸鹽被某些硫還原菌轉(zhuǎn)化成硫化氫時(shí)則會(huì)逸出，這種情況下碳元素的生物利用率將降低。例如脫硫弧菌是人體腸道中一種特異性硫還原菌，它可以將進(jìn)入腸道中的硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫化氫，正常人腸道中這種菌的含量不高。如果因?yàn)槟承┰蚴姑摿蚧【谌梭w腸道中異常性增值，就會(huì)導(dǎo)致原本可以被腸道吸收的硫酸鹽轉(zhuǎn)化為不能被吸收的硫化氫，這樣就增加了自閉癥的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 免疫系統(tǒng)途徑

腸道微生物還可以通過對(duì)人體免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)來刺激各種細(xì)胞因子從而間接影響大腦生理和病理活動(dòng)。ASD患者觀察到多種免疫系統(tǒng)失調(diào)，如循環(huán)和腦細(xì)胞因子、驅(qū)化因子、炎癥因子及免疫反應(yīng)性水平改變。許多ASD患者一致的免疫表型是升高的炎性狀態(tài)，細(xì)胞因子和趨化因子的增加，包括γ-干擾素，白細(xì)胞介素(IL)-β，IL-6表達(dá)，腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、單核細(xì)胞趨化蛋白-1，轉(zhuǎn)化生長因子-β，和趨化因子(C-C motif)配體2，還有活躍的細(xì)胞免疫應(yīng)答反應(yīng)。無菌動(dòng)物對(duì)束縛應(yīng)激的HPA軸反應(yīng)較之正常動(dòng)物更加敏感，同時(shí)無菌動(dòng)物的大腦皮層和海馬區(qū)表達(dá)的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子。同時(shí)，當(dāng)正常菌群在無菌動(dòng)物的腸道內(nèi)正常定植后，本來發(fā)展不好的免疫系統(tǒng)逐漸發(fā)育良好且應(yīng)激反應(yīng)恢復(fù)正常。Bercik等[15]觀察到小鼠感染鼠鞭蟲后血液中γ-IFN和TNF-α、犬尿氨酸、犬尿氨酸/色氨酸的比值升高，并表現(xiàn)出焦慮樣的應(yīng)激行為，這表明腸道菌群的改變會(huì)導(dǎo)致小鼠免疫系統(tǒng)的失調(diào)并同時(shí)增加小鼠的焦慮樣行為。而單核細(xì)胞趨化蛋白1(MCP-1/CCL2)介導(dǎo)單核細(xì)胞和T細(xì)胞活化并運(yùn)輸?shù)浇M織損傷區(qū)。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，MCP-1可以調(diào)節(jié)髓樣細(xì)胞的募集到炎癥或損傷的部位。Xu等[16]測量了自閉癥患者的腦，腦脊液和血漿中的MCP-1水平，發(fā)現(xiàn)自閉癥患者的MCP-1水平升高，升高的MCP-1產(chǎn)生與較高的異常行為的分?jǐn)?shù)，跟發(fā)育受損和適應(yīng)功能有關(guān)，這些發(fā)現(xiàn)提示腦中MCP-1升高可能與小膠質(zhì)細(xì)胞活化和單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞向神經(jīng)變性區(qū)域的募集有關(guān)。腸道菌群改變時(shí)在腸道內(nèi)也會(huì)觸發(fā)局部免疫反應(yīng)，而該反應(yīng)可能導(dǎo)致腸神經(jīng)系統(tǒng)異常激活，導(dǎo)致部分感覺和運(yùn)動(dòng)功能的改變，這種改變可能會(huì)導(dǎo)致焦慮甚至疼痛等狀況的發(fā)生。益生菌的使用可以通過影響B(tài)DNF的表達(dá)來緩解小鼠的焦慮行為，益生菌試劑可以顯著地減少C反應(yīng)蛋白、TNF-α、和IL-6在血漿中的水平，從而改善機(jī)體的免疫調(diào)節(jié)功能。

3.4 神經(jīng)遞質(zhì)途徑

腸道中的某些細(xì)菌能生產(chǎn)和泌出多種人體神經(jīng)遞質(zhì)，如兒茶酚胺、5-羥色胺和組胺、以及γ-氨基丁酸(簡稱GABA)等，這些神經(jīng)遞質(zhì)可以通過腸神經(jīng)或者腸嗜鉻細(xì)胞向中樞神經(jīng)傳遞信號(hào)，但具體的傳遞通路尚不明確。根據(jù)研究[17]推測，腸道菌群產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，如生物胺、短鏈脂肪酸-丙酸、神經(jīng)遞質(zhì)前體，也可通過腸神經(jīng)或者腸嗜細(xì)胞向中樞神經(jīng)傳遞信號(hào)。5-羥色胺是一種非常重要的腸道信號(hào)分子，由腸道嗜鉻細(xì)胞分泌，Kaluznaczaplinska等[18]研究發(fā)現(xiàn)自閉癥患兒全血色氨酸水平降低，5-羥色胺水平增高，且水平越高患者焦慮和抑郁癥狀越嚴(yán)重。因此選擇性使用5-羥色胺回收抑制劑可以改善自閉癥患兒攻擊性行為和重復(fù)語言、刻板行為癥狀。此外，腸道微生物也可能產(chǎn)生多巴胺，丙酸，γ-氨基丁酸，組胺和乙酰膽堿，調(diào)節(jié)CNS的功能和HPA軸的穩(wěn)定性。

3.5 神經(jīng)內(nèi)分泌途徑

腸道微生物可通過下丘腦-垂體-腎上腺軸(the hypothalamic-pituitary-adrenal axis,HPA )產(chǎn)生作用來影響人體神經(jīng)系統(tǒng)與自閉癥發(fā)生發(fā)展。腸道內(nèi)無微生物的動(dòng)物在應(yīng)激時(shí)可觀察到強(qiáng)烈的HPA軸反應(yīng)和相應(yīng)激素水平的升高，而動(dòng)物益生菌的治療后可明顯改善動(dòng)物體內(nèi)皮質(zhì)醇基礎(chǔ)水平和腸道的通透性，這說明腸道菌群對(duì)HPA軸具有重要的作用。Golubeva等[19]通過建立長期處于應(yīng)激狀態(tài)的產(chǎn)前大鼠模型，并觀察到產(chǎn)前應(yīng)激可引起成年雄性大鼠非常強(qiáng)烈的HPA軸反應(yīng)，同時(shí)伴有血壓升高和認(rèn)知功能障礙。

同時(shí)該研究也發(fā)現(xiàn)產(chǎn)前應(yīng)激還可誘導(dǎo)大鼠腸道菌群的變化，不同菌屬在腸道的相對(duì)豐度差異與HPA對(duì)不同壓力的反應(yīng)有相關(guān)性。Luczynski等[20]發(fā)現(xiàn)剛出生的無菌小鼠(germ free，GF小鼠)皮質(zhì)醇和促腎上腺皮質(zhì)等激素水平明顯增高，HPA軸的活性增強(qiáng)，相比于正常小鼠GF小鼠表現(xiàn)出焦慮、非空間和工作記憶障礙、社交活動(dòng)降低。而給GF小鼠移植正常菌群時(shí)，上述癥狀消失,HPA軸活動(dòng)恢復(fù)正常。Huo等[21]實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示在慢性束縛應(yīng)激下無菌小鼠與無特定病原微生物小鼠的下丘腦組織相比，表現(xiàn)出伴有HPA軸過度活動(dòng)的抗焦慮行為。HPA軸具有復(fù)雜的反饋機(jī)制，并且腸內(nèi)微生物可以通過內(nèi)分泌系統(tǒng)調(diào)節(jié)行為，這可能隨后引起HPA軸過度活躍，從而引起自閉癥癥狀。

4 總結(jié)與展望

腸道菌群是人體內(nèi)重要的系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)機(jī)體健康和疾病中起到十分重要的作用。腸道菌群失調(diào)將造成炎癥、胃腸道不適和神經(jīng)毒性代謝物的增多,并引發(fā)異常的應(yīng)激反應(yīng)，認(rèn)知能力降低,和焦慮和抑郁癥狀，這可能是導(dǎo)致自閉癥的原因之一。本綜述總結(jié)了腸道菌群通過迷走神經(jīng)、硫元素、免疫、神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)內(nèi)分泌等多種途經(jīng)影響自閉癥的發(fā)生發(fā)展，提供了干預(yù)腸道菌群來預(yù)防和治療自閉癥及其焦慮等癥狀的思路?？梢陨钊胙芯咳祟惻c微生物共生的作用和相互調(diào)節(jié)的具體機(jī)制，聚焦于腸道菌群如何影響神經(jīng)疾病的發(fā)生發(fā)展，為治療相關(guān)疾病提供基礎(chǔ)。但因?yàn)榛A(chǔ)和臨床研究不多，未來可以多開展腦-腸軸基礎(chǔ)干預(yù)機(jī)制，益生菌的使用及特定的飲食治療等臨床研究。