腸道菌群產生的短鏈脂肪酸影響孤獨癥譜系障礙核心癥狀的相關機制研究

吳建業(yè)，徐磊，康貝貝，姜志梅，徐瑞陽，陳寧

孤獨癥譜系障礙(autism spectrum disorder，ASD)發(fā)病于胎兒至嬰幼兒時期，一旦確診會伴隨終生，至今尚未找到明確的發(fā)病原因。與遺傳因素、環(huán)境因素、缺氧、孕期感染等多種因素有關系[1]，大部分ASD兒童伴有腸道癥狀，其中腹脹、便秘最為常見[2]。對ASD兒童的腸道菌群進行分析，發(fā)現(xiàn)和正常兒童的腸道菌群相比，ASD兒童腸道菌群的組成和分布都發(fā)生了變化。陳換利[3]研究發(fā)現(xiàn)ASD兒童腸道有益菌群數(shù)量減少、有害菌群數(shù)量增加。近些年腸道因素對ASD兒童相關癥狀的影響引起了人們的注意，比如早期感染、產前的母體感染、相關抗生素的暴露。以上提及的因素都有可能會破壞和改變嬰幼兒正在發(fā)育中的腸道菌群，導致組成和分布發(fā)生改變。和正常兒童的糞便進行對比發(fā)現(xiàn)，ASD兒童糞便的丙酸、乙酸含量明顯升高，丁酸含量顯著下降[4]。有學者對比國內ASD兒童和正常兒童也發(fā)現(xiàn)短鏈脂肪酸水平異常，乙酸和丁酸的水平較低[5]。短鏈脂肪酸對人體的代謝功能、腦、腸道屏障和免疫功能等方面產生影響。本文將從腸道炎癥、腸道屏障、血腦屏障、氧化應激幾個方面論述短鏈脂肪酸影響ASD核心癥狀的可能機制。

1 短鏈脂肪酸的來源及生理作用

短鏈脂肪酸指的是碳原子數(shù)量小于6位的有機酸，包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、異丁酸和異戊酸。其中前三者在人體含量最高而且在人體的免疫、代謝、神經(jīng)系統(tǒng)和屏障的維持方面發(fā)揮關鍵作用。短鏈脂肪酸主要是由結腸中的厭氧菌發(fā)酵膳食纖維和未消化的碳水化合物產生，產生的大部分短鏈脂肪酸都在腸道內部被消耗，只有少部分乙酸和丙酸通過單羧酸轉運蛋白和單羧酸鈉轉運蛋白被肝臟吸收，作用于身體的其他代謝途徑。由于前三者含量最多且作用最關鍵，所以把乙酸、丙酸和丁酸為代表的短鏈脂肪酸用來作為評價腸道菌群健康狀況的指標之一[6]。短鏈脂肪酸的生物學功能包括維持黏膜免疫細胞的活性、腸道上皮的完整性、降低腸道pH值從而抑制細菌的生長保證腸道菌群的穩(wěn)態(tài)，以及調節(jié)能量代謝、炎癥和腫瘤的生長發(fā)育。

丁酸主要由腸道菌群中的厚壁菌門產生，作為結腸上皮細胞的主要能量來源。丁酸具有調節(jié)細胞增殖、誘導分化[7-8]和抗氧化的作用。初步研究發(fā)現(xiàn)，低劑量和高劑量的丁酸鹽引起的應激反應對大腦的學習、記憶和認知功能會產生好的影響[9-10]。

乙酸是短鏈脂肪酸中含量最豐富的，約占短鏈脂肪酸總量的60%～75%，主要由腸道菌群中的雙歧桿菌、乳桿菌和阿克曼氏菌產生，文岑[11]在研究中發(fā)現(xiàn)，乙酸可以減輕小膠質細胞的炎癥反應，通過GPR43受體發(fā)揮作用。同時乙酸還可以消除由脂多糖引起的氧化應激反應，從而保護腦組織。

丙酸的來源除了從氨基酸和脂肪酸中內源性合成之外，還存在于天然食品中，而且常被作為防腐劑添加到小麥和乳制品中。丙酸是一種有機酸，所以在正常的生理pH值下可以穿過腸道屏障和血腦屏障，尤其是血腦屏障，進入腦內后經(jīng)單羧酸受體被神經(jīng)元和神經(jīng)膠質細胞吸收，給大腦提供能量來源，這一點在發(fā)育早期的大腦特別重要[12]。

2 短鏈脂肪酸影響ASD核心癥狀的可能機制

目前，ASD在兒童中的發(fā)病率呈逐年遞增的趨勢，而且大部分ASD的兒童同時還會伴有一些腸道疾病，腸道菌群的組成和正常兒童相比也發(fā)生了變化。經(jīng)過一些體外實驗和組織的離體研究發(fā)現(xiàn)，短鏈脂肪酸與腸道炎癥、腸道屏障、血腦屏障和氧化應激有關，而一部分ASD兒童也存在腸道炎癥、腸道屏障、血腦屏障等功能障礙。因此，兒童腸道菌群組成的改變導致短鏈脂肪酸水平發(fā)生變化，進而可能通過以下機制影響了ASD兒童的癥狀表現(xiàn)。

2.1 短鏈脂肪酸與腸道炎癥 炎癥是機體正常的病理反應，腸道炎癥與短鏈脂肪酸有很大的關系，短鏈脂肪酸主要依賴G蛋白偶聯(lián)受體來發(fā)揮抗炎作用，這一點在Macia等[13]研究中得到證實。在Kim等[14]的實驗中發(fā)現(xiàn)，對被敲除了SCFAs受體GPR43的小鼠，進行適當?shù)拿庖叻磻螅淠c上皮發(fā)展出了不可控制的炎癥反應。短鏈脂肪酸可以促進Treg細胞的正常發(fā)育，Treg細胞對誘導外周對自身和外來抗原的耐受是必不可少的，其分泌的白細胞介素-10在炎癥中發(fā)揮核心作用。在Smith等[15]的研究中發(fā)現(xiàn)，通過口服短鏈脂肪酸可以增加Treg細胞的數(shù)量。

先天淋巴細胞和CD4 T細胞產生白細胞介素-22對腸道免疫至關重要，作為TH17和TH22的細胞因子，通過誘導抗菌肽和促進上皮屏障功能來保護宿主免受腸道炎癥的損傷。在Yang等[16]的研究中發(fā)現(xiàn)，丁酸可以通過GPR41受體來促進先天淋巴細胞和C44 T細胞產生白細胞介素-22，增強腸道的抗炎作用。在Gao等[17]的研究中發(fā)現(xiàn)丁酸通過H4細胞中的緊密連接和粘蛋白信號通路來發(fā)揮抗炎作用。正常水平的短鏈脂肪酸對于抑制腸道炎癥的發(fā)展發(fā)揮著關鍵作用，在ASD兒童中短鏈脂肪酸水平異常，尤其是丁酸降低，會使腸道受損發(fā)生腸漏，有害代謝進入循環(huán)系統(tǒng)和腦組織導致異常的神經(jīng)發(fā)育。

2.2 短鏈脂肪酸與腸道屏障 上皮細胞緊密連接的完整性與腸道屏障之間存在關系，腸道屏障可以阻止腸道菌群產生的有害代謝物進入循環(huán)系統(tǒng)和腦組織產生有害影響。G蛋白偶聯(lián)受體是短鏈脂肪酸的受體之一，丁酸通過GPR109A受體來發(fā)揮對腸道屏障的保護作用，這一點在鞏宇紅等[18]的實驗中被證實。此外，丁酸通過增加腸道屏障緊密連接蛋白的產生來維持腸道屏障的完整性[19]，誘導抗菌肽的產生來幫助腸道抵御病原體保護腸道。Peng等[20]的研究發(fā)現(xiàn)，丁酸可以通過調節(jié)AMP活化蛋白激酶激活的緊密連接的組裝，從而增強腸道屏障。

Nielsen等[21]的體外研究發(fā)現(xiàn)，在低劑量的丁酸鈉可以改善E12人結腸細胞的屏障功能，但在高劑量的體外研究中則沒有效果，但E12細胞上皮屏障功能的改善是由于杯狀細胞產生的黏液表達增加所致這與之前的研究有所不同。當腸道屏障受損發(fā)生腸漏時，會使血液中腸道微生物產物增多，可以在ASD兒童的血清中檢測到脂多糖水平升高。Foley等[22]給懷孕的母鼠注射脂多糖一定時間后，在子鼠中可以觀察到有社交行為缺陷和重復行為的孤獨癥樣表現(xiàn)。

2.3 短鏈脂肪酸與血腦屏障 血腦屏障由腦毛細血管壁和神經(jīng)膠質細胞構成，將血漿和腦細胞分隔開，阻擋了有害物質進入腦組織，對神經(jīng)元和神經(jīng)膠質細胞造成影響，保護腦組織。在Mohajeri等[23]研究發(fā)現(xiàn)，外周血液中的短鏈脂肪酸可以使緊密連接蛋白的產生增多，維持血腦屏障的完整性。但在Braniste等[24]無菌小鼠的實驗中卻發(fā)現(xiàn)了與之相反的結果，可能是由于短鏈脂肪酸的種類不同導致了不同的結果。在對ASD患者腦組織進行解剖觀察時，發(fā)現(xiàn)大腦和小腦血腦屏障的表達發(fā)生變化，尤其是CLDN-5和CLDN-12，但在自閉癥兒童的大腦皮質中CLDN-12蛋白表達顯著降低[25]，可能是由于自閉癥兒童CLDN-12表達的降低，導致ASD兒童腦組織其他緊密蛋白表達增加來代償血腦屏障的完整性，從而出現(xiàn)與解刨觀察相同的情況。

在ASD患者的腦內檢測到有促炎因子的存在，有可能是由于血腦屏障的通透性增高而進入腦內。高水平的促炎因子會使血腦屏障的通透性進一步增加，特別是TH17細胞分泌的白細胞介素-17可以通過調節(jié)閉塞素和閉塞帶的表達來影響血腦屏障的通透性，而且白細胞介素-17還可以增強中樞神經(jīng)系統(tǒng)內小膠質細胞產生活性氧的能力[26]，使腦細胞受損。這與ASD患者腦組織變化具有相似性。此外，短鏈脂肪酸還可以穿過血腦屏障，調節(jié)腦內GABA、谷氨酸和谷胱氨酸的水平，影響腦內的興奮和抑制神經(jīng)遞質、谷胱甘肽的產生和代謝，從而對行為可能產生影響[27]，這與ASD的興奮和抑制失衡學說有相關性，兩者可能具有相關性。

2.4 短鏈脂肪酸與氧化應激 正常機體自由基的產生和消除處于一個動態(tài)的平衡過程，使細胞處在一個穩(wěn)定的環(huán)境中。當自由基的產生和消除之間失衡時，就會導致細胞和組織功能障礙。腸道菌群產生的短鏈脂肪酸可以穿過血腦屏障，影響腦內環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。在動物實驗中發(fā)現(xiàn)，向小鼠腦室注射短鏈脂肪酸，可以觀察到與ASD患者腦部一致的氧化應激效應，而且神經(jīng)病理學分析顯示的反應性星形膠質細胞和活化的小膠質細胞增加，與ASD患者腦部觀察到的一致。同時對經(jīng)過丙酸處理過的動物，腦區(qū)進行勻漿分析發(fā)現(xiàn)，其離散區(qū)域存在有氧化應激的增加，還伴隨有谷胱甘肽代謝受損和過氧化氫酶等抗氧化酶活性降低[28]。但有實驗發(fā)現(xiàn)與其不同的結果，丁酸可以通過抑制HDAC來發(fā)揮細胞內的抗氧化作用，同時上調抗氧化基因的表達，這一點在戢力維等[29]的研究中得到證實。在文岑[11]的研究中發(fā)現(xiàn)，乙酸可以消除脂多糖引起的氧化應激反應，從而保護腦組織。ASD兒童體內短鏈脂肪酸的水平發(fā)生改變，導致自由基的清除減慢，尤其是腦內的谷胱甘肽循環(huán)發(fā)生障礙，導致腦內自由基的清除減慢，可能會導致神經(jīng)元損傷。

2.5 相關機制 短鏈脂肪酸是由腸道中不同菌群發(fā)酵食物而產生，ASD兒童腸道菌群的組成發(fā)生變化，導致其產生的各種代謝物質發(fā)生改變不能維持原來的正常作用。尤其是丁酸、乙酸和丙酸，當丁酸的水平發(fā)生變化不能維持正常的腸道屏障和血腦屏障，緊密連接蛋白減少，腸道菌群產生的有害代謝物進入循環(huán)系統(tǒng)和腦組織，影響腦部神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，導致一些異常和重復的刻板行為出現(xiàn)，而且丁酸水平發(fā)生變化，不能誘導正常的腸道炎癥反應，也會加重腸道屏障的損壞過程，導致腸漏的發(fā)生。乙酸和丁酸可以誘導細胞發(fā)揮抗氧化作用，保護細胞發(fā)揮其正常作用，不受其體內過多自由基物質的破壞，在ASD患者體內存在氧化應激反應，而且還存在有線粒體功能障礙，可能與體內短鏈脂肪酸水平變化有關，不能及時清除體內的氧化物質對細胞的損害。丙酸與ASD的研究目前較多，向小鼠側腦室注射丙酸，可以制備出ASD模型鼠。一些研究也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過丙酸處理的小鼠，會出現(xiàn)類似ASD患者相似的刻板運動行為?？赡苁怯捎诒嶙鳛橐环N神經(jīng)毒素，抑制電子鏈傳遞所導致。此外，經(jīng)過丙酸處理的小鼠，腦部和血漿磷脂的組成會發(fā)生變化，對神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育產生影響，出現(xiàn)一些異常表現(xiàn)。磷脂作為細胞的主要構成成分，如果其發(fā)生變化，會使細胞尤其是腦部的神經(jīng)細胞受到不可逆的破壞。ASD患者短鏈脂肪酸水平異常，腸道內微生物代謝物進入循環(huán)系統(tǒng)和腦組織，可能進一步影響ASD患者癥狀的表現(xiàn)。

3 討論

ASD從發(fā)現(xiàn)之初，一直尚未找到明確的發(fā)病原因，本綜述主要介紹了腸道菌群產生的短鏈脂肪酸，影響ASD核心癥狀的可能機制，與正常兒童進行對比可以發(fā)現(xiàn)ASD的兒童，短鏈脂肪酸的水平存在異常，可以推測是由于產生短鏈脂肪酸的腸道菌群發(fā)生改變，腸道菌群的組成發(fā)生變化導致其產生短鏈脂肪酸的水平發(fā)生變化。這一現(xiàn)象在大部分ASD的兒童中都存在，但也可能是由于ASD兒童食物選擇的偏好和不同地區(qū)的飲食習慣引起了這種變化，而不是由于ASD的兒童腸道菌群發(fā)生變化，因此，關于其具體變化的原因，還需要進一步分析和研究。

本文主要從短鏈脂肪酸與腸道炎癥、腸道屏障、血腦屏障和氧化應激四個方面，進行論述。短鏈脂肪酸主要依靠G蛋白偶聯(lián)受體發(fā)揮對腸道炎癥的抑制作用，當ASD的兒童短鏈脂肪酸水平發(fā)生變化，不能發(fā)揮其正常的作用，則可能會對ASD兒童產生一些影響。另外，短鏈脂肪酸也可以通過AMP活化蛋白激酶來發(fā)揮對腸道的保護作用。研究發(fā)現(xiàn)短鏈脂肪酸可以增強腸道和血腦屏障緊密連接蛋白的表達，但在不同的實驗中發(fā)現(xiàn)了與之相反的結果，可能是由于其實驗環(huán)境和不同的短鏈脂肪酸導致表達出不一樣的結果。由于短鏈脂肪酸可以穿過血腦屏障，因此，其可以參與到腦部神經(jīng)遞質的產生和代謝過程，在向小鼠腦室注射短鏈脂肪酸的實驗中，對小鼠腦室進行分析發(fā)現(xiàn)，短鏈脂肪酸引起的神經(jīng)細胞炎癥和氧化應激反應，與在ASD患者腦部發(fā)現(xiàn)是一致的，這從側面可以證實過量的短鏈脂肪酸，可以對神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育產生一些有害影響，導致一些異常行為的出現(xiàn)，而且通過向小鼠側腦室注射丙酸，可以制備出ASD鼠模型也證實了這一點。此外，本綜述所引用的主要為動物實驗中所觀察到的，由于其動物和人類身體內的信號通路和腦部組織可能存在差別，因此需要更多論證。

腸道菌群作為人類身體內最大內分泌器官的組成部分，在人體的生長發(fā)育，尤其是在早期兒童神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育中發(fā)揮著至關重要的作用。特別是腸道菌群產生的短鏈脂肪酸，在人體的腸道、免疫、神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育等方面發(fā)揮作用。ASD的兒童腸道菌群的組成發(fā)生改變，導致短鏈脂肪酸的水平發(fā)生變化，可能會對嬰幼兒的身體產生不良影響。盡管目前缺乏乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸對ASD影響的研究，但通過向老鼠側腦室注射丙酸可以制造出ASD鼠模型，以及相關的體外研究都發(fā)現(xiàn)，短鏈脂肪酸的水平在ASD的兒童中存在異常。雖已有相關研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群產生的短鏈脂肪酸，可以影響ASD的發(fā)生發(fā)展，但關于短鏈脂肪酸具體的作用機制以及發(fā)揮作用的信號通路尚不清楚，因此，關于短鏈脂肪酸在ASD方面的研究仍需進一步探索。