腸道菌群與自閉癥發病機制的研究

劉文鳳，王榮斌

(南昌大學第一臨床醫學院，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)等多個種別，此中自閉癥是比較嚴重的一種[1]。自閉癥是一種神經系統發育障礙疾病，患者常缺乏社會功能，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，目前認為與遺傳、感染與免疫、神經發育、環境和心理因素有關[2]。Tomova等[3]發現超過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，且自閉癥嚴重程度與胃腸功能障礙嚴重程度呈正相關，表明腸道菌群可能作為環境因素可能參與了自閉癥的發生。腸道菌群可以通過腦-腸軸(brain-gut-axis)影響腸道神經系統、神經內分泌系統和免疫等系統間接地調控大腦功能，進而與某些疾病相關聯。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病機制三方面的研究進展進行總結，旨在補充闡明自閉癥發病的另一個危險因素，希望對自閉癥的早期診斷、及時干預及新的治療思路提供幫助。

1 自閉癥及其病因學說

自閉癥(autism,也稱孤獨癥)于1943年由美國科學家Kanner發現并命名，是一種高發于青少年的廣泛性發育障礙(pervasive developmental disorder,PDD)。目前學界比較一致的觀點認為，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，以及大量重復性的刻板行為，焦慮、抑郁，興趣狹窄，以及在某些情況下嚴重的智力障礙和發育遲緩等。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定，和輔助檢查如腦電圖和核磁共振等[4]。

自閉癥的確切發病原因尚未明了，目前相關的研究多集中在神經心理學、遺傳學、感染與免疫學、神經影像學以及兒童早期發育中的危險因素等方面。遺傳學方面研究人員[5]發現自閉癥的發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生的緣由。此外Wang等[6]發現自閉癥患兒攜帶更多的mtDNA突變，而線粒體是產生能量的主要場所，與多種疾病及神經發育有密切關系，患兒攜帶的改變蛋白產物的潛在有害突變可能與自閉癥發病有關。

自閉癥的發生多與兒童胚胎期和圍生期被感染有關。病毒的持續感染導致人體免疫細胞克隆缺乏，使其不能產生針對病毒的免疫應答，進而侵害中樞神經系統的發育。Mahic等[7]提出少數母親在遺傳上易對某些致病病原體如HSV-2，產生強烈的免疫反應，這種強大的免疫反應產生的炎性分子和抗體可以跨過胎盤，破壞胎兒大腦。Careaga等[8]研究發現4～45歲自閉癥患者死后的大腦標本均存在明顯持續的炎癥反應，小膠質細胞的激活和干擾素(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。

在神經遞質相關領域，約30%的自閉癥患者外周血5-羥色氨酸水平升高，但是這一發現并非特異。中樞神經興奮劑能夠引起一部分自閉癥兒童的刻板行為增多，同時抗精神病藥物能夠減少自閉癥患者的刻板和多動行為，因此可以推測自閉癥的發生可能和多巴胺水平有關。此外部分自閉癥患者的海馬、小腦、杏仁細胞結構發生了改變，普肯耶細胞減少，同時大腦嗅覺皮質以及乳頭體致密神經元數量也發生增高的現象。部分自閉癥患者CT及MRI表現小腦、額葉皮質、和杏仁核結構異常，如大腦雙側半球不夠對稱、腦室體積擴展、小腦體積減小等，可是這些轉變并非特異。

2 腸道菌群及其功能

有研究[9]表明有大約1013～1014個細菌寄生在人體腸道中，其數目是人體細胞數目的10倍，所含基因數量是人基因總量的150倍。這些細菌超過1000種，50屬，7000個菌株，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。近年來人們逐漸發現腸道微生物不僅有代謝與營養作用、生物拮抗及防御感染作用、驅動免疫成熟和維持免疫穩態的作用，還與循環和神經發育等方面有著重要的作用。

腸道菌群對神經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，可通過影響此軸調控宿主的腦功能與行為等，因此腸道菌群的改變也會經此軸影響中樞神經系統的發育與功能。目前，已經證明腸道菌群失調和精神分裂、阿爾茨海默病、自閉癥有很大的關聯。理解腸道菌群在自閉癥發生中所扮演的角色，對于治療該疾有著非常重要的意義。

3 腸道菌群與自閉癥發病機制

在對自閉癥患者和普通人糞便進行微生物群落觀察分析時發現，兩者的腸道菌群落在種類和數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)的相對含量及某些代謝產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 迷走神經途徑

腸道菌群具有激活迷走神經作用并增加小鼠的焦慮行為，原因可能是中樞神經系統GABA受體表達改變。Averina等[12]也報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從而導致了小鼠焦慮性增加。而Bercik等[13]的研究發現，雙歧桿菌的抗焦慮作用可能是通過迷走神經來完成的，因為當切斷迷走神經時，雙歧桿菌對結腸炎小鼠焦慮行為的改善也隨之消失，而神經元細胞內腦源性神經營養因子含量并無改變。

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元素都是通過腸道吸收的，腸道菌群失調常常會干擾人體對營養元素的吸收以及對物質的代謝。有研究[14]表明硫元素的攝取量降低與自閉癥的發生有相關性。而腸道菌群失調時人體對硫元素的攝取會改變。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，但當硫酸鹽被某些硫還原菌轉化成硫化氫時則會逸出，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，它可以將進入腸道中的硫酸鹽轉化為硫化氫，正常人腸道中這種菌的含量不高。如果因為某些原因使脫硫弧菌在人體腸道中異常性增值，就會導致原本可以被腸道吸收的硫酸鹽轉化為不能被吸收的硫化氫，這樣就增加了自閉癥的發病風險。

3.3 免疫系統途徑

腸道微生物還可以通過對人體免疫系統的調節來刺激各種細胞因子從而間接影響大腦生理和病理活動。ASD患者觀察到多種免疫系統失調，如循環和腦細胞因子、驅化因子、炎癥因子及免疫反應性水平改變。許多ASD患者一致的免疫表型是升高的炎性狀態，細胞因子和趨化因子的增加，包括γ-干擾素，白細胞介素(IL)-β，IL-6表達，腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、單核細胞趨化蛋白-1，轉化生長因子-β，和趨化因子(C-C motif)配體2，還有活躍的細胞免疫應答反應。無菌動物對束縛應激的HPA軸反應較之正常動物更加敏感，同時無菌動物的大腦皮層和海馬區表達的腦源性神經營養因子。同時，當正常菌群在無菌動物的腸道內正常定植后，本來發展不好的免疫系統逐漸發育良好且應激反應恢復正常。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，并表現出焦慮樣的應激行為，這表明腸道菌群的改變會導致小鼠免疫系統的失調并同時增加小鼠的焦慮樣行為。而單核細胞趨化蛋白1(MCP-1/CCL2)介導單核細胞和T細胞活化并運輸到組織損傷區。在中樞神經系統中，MCP-1可以調節髓樣細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，發現自閉癥患者的MCP-1水平升高，升高的MCP-1產生與較高的異常行為的分數，跟發育受損和適應功能有關，這些發現提示腦中MCP-1升高可能與小膠質細胞活化和單核細胞/巨噬細胞向神經變性區域的募集有關。腸道菌群改變時在腸道內也會觸發局部免疫反應，而該反應可能導致腸神經系統異常激活，導致部分感覺和運動功能的改變，這種改變可能會導致焦慮甚至疼痛等狀況的發生。益生菌的使用可以通過影響BDNF的表達來緩解小鼠的焦慮行為，益生菌試劑可以顯著地減少C反應蛋白、TNF-α、和IL-6在血漿中的水平，從而改善機體的免疫調節功能。

3.4 神經遞質途徑

腸道中的某些細菌能生產和泌出多種人體神經遞質，如兒茶酚胺、5-羥色胺和組胺、以及γ-氨基丁酸(簡稱GABA)等，這些神經遞質可以通過腸神經或者腸嗜鉻細胞向中樞神經傳遞信號，但具體的傳遞通路尚不明確。根據研究[17]推測，腸道菌群產生的代謝產物，如生物胺、短鏈脂肪酸-丙酸、神經遞質前體，也可通過腸神經或者腸嗜細胞向中樞神經傳遞信號。5-羥色胺是一種非常重要的腸道信號分子，由腸道嗜鉻細胞分泌，Kaluznaczaplinska等[18]研究發現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語言、刻板行為癥狀。此外，腸道微生物也可能產生多巴胺，丙酸，γ-氨基丁酸，組胺和乙酰膽堿，調節CNS的功能和HPA軸的穩定性。

3.5 神經內分泌途徑

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

同時該研究也發現產前應激還可誘導大鼠腸道菌群的變化，不同菌屬在腸道的相對豐度差異與HPA對不同壓力的反應有相關性。Luczynski等[20]發現剛出生的無菌小鼠(germ free，GF小鼠)皮質醇和促腎上腺皮質等激素水平明顯增高，HPA軸的活性增強，相比于正常小鼠GF小鼠表現出焦慮、非空間和工作記憶障礙、社交活動降低。而給GF小鼠移植正常菌群時，上述癥狀消失,HPA軸活動恢復正常。Huo等[21]實驗結果也顯示在慢性束縛應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，表現出伴有HPA軸過度活動的抗焦慮行為。HPA軸具有復雜的反饋機制，并且腸內微生物可以通過內分泌系統調節行為，這可能隨后引起HPA軸過度活躍，從而引起自閉癥癥狀。

4 總結與展望

腸道菌群是人體內重要的系統，在調節機體健康和疾病中起到十分重要的作用。腸道菌群失調將造成炎癥、胃腸道不適和神經毒性代謝物的增多,并引發異常的應激反應，認知能力降低,和焦慮和抑郁癥狀，這可能是導致自閉癥的原因之一。本綜述總結了腸道菌群通過迷走神經、硫元素、免疫、神經遞質、神經內分泌等多種途經影響自閉癥的發生發展，提供了干預腸道菌群來預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節的具體機制，聚焦于腸道菌群如何影響神經疾病的發生發展，為治療相關疾病提供基礎。但因為基礎和臨床研究不多，未來可以多開展腦-腸軸基礎干預機制，益生菌的使用及特定的飲食治療等臨床研究。