自閉癥與腸道菌群
—微生物組可能很快會(huì)帶來新的療法

科學(xué)家正在探尋自閉癥患者的腸道菌群與其病癥間的關(guān)聯(lián)。初步研究顯示，糞便移植療法在一定程度上改善了兒童自閉癥的癥狀。

要想令人們相信自己的腸道內(nèi)有著壯麗奇妙、值得細(xì)品的景致，并非一件容易的事兒。14年前，來到加州理工學(xué)院開啟生涯首任教職的薩基斯·馬茲曼尼亞（Sarkis Mazmanian）很快便感受到了這件事的難度，當(dāng)時(shí)他正向當(dāng)?shù)厮囆g(shù)家闡釋自己對新辦公室外墻壁上的畫作的想法。

壁畫上有一條12米長的管狀結(jié)腸，各處顯著粉紅、鮮紅和紫紅的色彩，蜿蜒至走廊盡頭處，給人一種迷幻的視覺體驗(yàn)，熒光黃、綠色的細(xì)菌從腸道高度發(fā)紅的部位噴發(fā)出來，如同來自外太空的放射性熔巖。這幅壁畫迎接著馬茲曼尼亞實(shí)驗(yàn)室的訪客。

與科學(xué)家一直致力于創(chuàng)作的科研壁畫相比，辦公室外的這幅壁畫可以說不值一提。過去十年，馬茲曼尼亞一直認(rèn)為消化道的菌群對人身體和心靈的影響遠(yuǎn)比我們想象的大得多——他在這方面的科學(xué)研究助他在2012年贏得了獎(jiǎng)金金額高達(dá)50萬美元的麥克阿瑟天才獎(jiǎng)。從那以后，這位微生物學(xué)家和一小群（此后隊(duì)伍不斷壯大）同仁在這一研究方向上越走越遠(yuǎn)，積累了一系列能夠證明微生物組在各種腦部疾病中發(fā)揮作用的證據(jù)，這些疾病包括精神分裂癥、阿爾茨海默病、帕金森病和抑郁癥。

不過最具變革性的發(fā)現(xiàn)是關(guān)于自閉癥。在美國，每59個(gè)孩子就有1個(gè)受到自閉癥困擾，他們表現(xiàn)出不同程度的社交退縮和溝通障礙，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)焦慮和攻擊性。自閉癥的成因目前仍不確定，不過馬茲曼尼亞和其他研究人員發(fā)現(xiàn)，該疾病可能與腸道微生物組的反常有著千絲萬縷的聯(lián)系，甚至可能是直接的因果關(guān)聯(lián)。

生物學(xué)生涯的開啟

47歲的馬茲曼尼亞剃光了頭，身著法蘭絨襯衫和緊身牛仔褲，看著很像一個(gè)正要前往咖啡館寫作的都市潮范兒青年。最初，文學(xué)是他的職業(yè)規(guī)劃。馬茲曼尼亞在黎巴嫩出生，其父母都是亞美尼亞難民，且均未接受過一年級以上的教育。他后來進(jìn)入了位于加州圣費(fèi)爾南多山谷（他和家人最初定居的地方）的一所高中。他的英語老師是個(gè)充滿活力的人，認(rèn)為馬茲曼尼亞有語言天賦，就鼓勵(lì)他從事文學(xué)。1990年馬茲曼尼亞進(jìn)入加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA），計(jì)劃主修英語。

薩爾基斯·馬茲曼尼亞出現(xiàn)在人類腸道壁畫前

但他的第一節(jié)大學(xué)生物課改變了一切。自那時(shí)起，馬茲曼尼亞開始投身圖書館，在厚厚的教科書中學(xué)習(xí)諸如光合作用等生物學(xué)基本概念，他感到廣闊的新世界向他敞開了大門。

他說道：“我有生以來第一次開啟新的生涯篇章，看自己會(huì)走向何方。我決定要成為一名科學(xué)家。”

最令馬茲曼尼亞著迷的一個(gè)想法：肉眼難見的微小生物體也可以是一臺(tái)自成體系且功能強(qiáng)大的機(jī)器，能夠控制并破壞人體。在獲得微生物學(xué)學(xué)位后，他加入了UCLA的一個(gè)研究傳染病的實(shí)驗(yàn)室，開始和引起感染的葡萄球菌等微生物打交道。臨近博士畢業(yè)論文答辯的時(shí)候，馬茲曼尼亞讀到一篇由著名微生物學(xué)家撰寫的評論，文章著重闡述了這樣一個(gè)事實(shí)：人體腸道內(nèi)充滿了成百上千種不同的細(xì)菌，但我們現(xiàn)在還不清楚它們具體是什么，以及如何影響人體。

他也提出了另一個(gè)問題：為什么旨在攻擊和消滅外來入侵者的免疫系統(tǒng)能允許數(shù)百種微生物在人體內(nèi)生存和繁殖？但在深入調(diào)查這一領(lǐng)域的過程中，他發(fā)現(xiàn)根本沒有人回答這個(gè)在自己看來最基本的問題。馬茲曼尼亞認(rèn)為人類與細(xì)菌的共生是由進(jìn)化導(dǎo)致的，換言之，這種共生關(guān)系對于雙方來說必有某種生存益處。那么，這個(gè)益處是什么呢？

入駐腸道的小家伙

馬茲曼尼亞開始著手研究腸道微生物與免疫系統(tǒng)之間的聯(lián)系。他作為博士后研究員加入了哈佛大學(xué)傳染病專家丹尼斯·卡斯帕（Dennis Kasper）的實(shí)驗(yàn)室。

馬茲曼尼亞先研究了無菌小鼠（從出生起就完全隔絕所有微生物的實(shí)驗(yàn)小鼠）相比于其他微生物水平較低或正常的普通小鼠，免疫系統(tǒng)有何不同。他以為這次初步調(diào)查只是漫長而艱苦的科學(xué)追尋旅程的第一步，但當(dāng)他看到打印出來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，這位剛剛上路的博士后立刻意識(shí)到自己可能已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)進(jìn)展——無菌小鼠的輔助性T細(xì)胞相比正常同類低了30%～40%。

由于輔助性T細(xì)胞在協(xié)調(diào)免疫系統(tǒng)針對入侵病原體的反擊中起著關(guān)鍵作用，因此馬茲曼尼亞的發(fā)現(xiàn)表明無菌小鼠的免疫系統(tǒng)遠(yuǎn)沒有其他微生物水平正常的同類強(qiáng)大。

“那太令人興奮了，對吧？毫無疑問，我后來又重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)并以多種不同方式進(jìn)行了驗(yàn)證。”馬茲曼尼亞回憶道，“然后我提出了下一個(gè)問題——我可以恢復(fù)成年動(dòng)物的免疫功能嗎？”

馬茲曼尼亞將來自標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室小鼠的腸道微生物移至免疫受損的無菌小鼠的腸道內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)接受了糞便移植的無菌小鼠的T細(xì)胞數(shù)量猛增，在一個(gè)月內(nèi)追平了普通實(shí)驗(yàn)小鼠。

為確定到底是何種微生物引發(fā)了這一轉(zhuǎn)變，馬茲曼尼亞反復(fù)試驗(yàn)，逐個(gè)將在普通小鼠腸道中發(fā)現(xiàn)的菌株移至無菌小鼠腸道。

前五六個(gè)菌株都不是答案。馬茲曼尼亞決定再測試一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里現(xiàn)成就有的菌種——他的導(dǎo)師卡斯帕一直在研究的一種名為脆弱擬桿菌的腸道微生物。當(dāng)他將卡斯帕收存的一個(gè)樣本植入無菌小鼠的腸道時(shí)，驚人的結(jié)果出現(xiàn)了：他們的T細(xì)胞數(shù)量激增至正常水平。最終，馬茲曼尼亞又證明可以通過把這些脆弱擬桿菌產(chǎn)生的多糖A（polysaccharide A）分子加入腸道來實(shí)現(xiàn)相同效果。

他回憶道：“我的選擇其實(shí)沒有任何邏輯。脆弱擬桿菌來自腸道，且現(xiàn)成就有，所以我選擇移植它。”換句話說，這次驚人發(fā)現(xiàn)要在很大程度上歸功于運(yùn)氣。

馬茲曼尼亞開展了更深入的研究，并在此獲得了關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：脆弱擬桿菌對調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的影響最大。調(diào)節(jié)性T細(xì)胞又稱抑制性T細(xì)胞，是輔助性T細(xì)胞的一個(gè)亞群，對于防止免疫系統(tǒng)攻擊有共生微生物的宿主細(xì)胞，預(yù)防自身免疫或炎癥性疾病至關(guān)重要。馬茲曼尼亞的工作是學(xué)界有史以來第一次證明來自某種微生物的某個(gè)化合物有能力逆轉(zhuǎn)免疫系統(tǒng)的問題。

以上研究成果于2005年發(fā)表在《細(xì)胞》（Cell）上，為設(shè)計(jì)針對多種自身免疫、炎癥以及過敏性疾病的新療法提供了思路。

而馬茲曼尼亞的新問題是，如果我們確實(shí)能通過調(diào)控患者的微生物組來改善免疫系統(tǒng)，那具體應(yīng)該怎樣操作呢？為了得到答案，他于2006年來到洛杉磯帕薩迪納，在加州理工學(xué)院建立了自己的實(shí)驗(yàn)室。

意外的合作

幾年后的某一天，他和自己的同事、神經(jīng)科學(xué)家保羅·帕特森（Paul Patterson）在學(xué)校共進(jìn)午餐。帕特森被一個(gè)問題困擾多年——這也是困擾眾多自閉癥研究者多年的問題：如果懷孕的母親在孕中期（孕14周到孕27周期間）受到嚴(yán)重感染，她的孩子更有可能發(fā)展出自閉癥。

他若有所思地對馬茲曼尼亞說道：“你知道，我認(rèn)為自閉癥的孩子有胃腸道疾病。”帕特森曾了解到，有60%的自閉癥兒童都存在某種形式的胃腸道問題，例如腹脹、便秘、腸胃氣脹或腹瀉。他想知道二者是否因微生物組而相互關(guān)聯(lián)。隨著交談深入，馬茲曼尼亞越發(fā)充滿興趣。

幾年以前，帕特森發(fā)現(xiàn)，如果懷孕的小鼠被暴露于流感病毒之類的病原體，它們生出的幼崽很可能會(huì)懼怕大的聲響，回避社交，反復(fù)打理自己的毛發(fā)——類似人類自閉癥的表現(xiàn)。當(dāng)與馬茲曼尼亞交流時(shí)，他正在將這些有自閉嫌疑的小鼠的大腦與其表現(xiàn)正常的表親的大腦進(jìn)行比較，以期找出二者間的差異，進(jìn)而解釋母體的免疫系統(tǒng)如何干擾幼崽的大腦發(fā)育。

馬茲曼尼亞給了一個(gè)建議：帕特森下次再犧牲小鼠用于腦部研究時(shí)，把腸子留下來給自己。

收到小鼠腸子的馬茲曼尼亞著手比較了這些準(zhǔn)自閉小鼠與其他神經(jīng)典型小鼠（也就是神經(jīng)發(fā)育正常的健康小鼠）的腸道差異。他發(fā)現(xiàn)后者的腸子很正常，但有自閉傾向的小鼠們的腸子幾乎清一色地發(fā)著炎，且嚴(yán)重程度相當(dāng)一致。微生物群可能是這些炎癥的原因嗎？它是否與自閉傾向存在直接關(guān)聯(lián)？

馬茲曼尼亞發(fā)現(xiàn)兩類小鼠的腸道微生物組有明顯差異，那些自閉傾向的小鼠還患有腸漏綜合征——腸壁的通透性增加，使得病原體和過敏原容易滲出，而腸漏綜合征在自閉癥兒童中也有報(bào)道。

鑒于此，馬茲曼尼亞和帕特森將注意力轉(zhuǎn)移至腸道外。他們采集了自閉癥小鼠的血液樣本，查看是否有腸道微生物或其產(chǎn)生的化合物通過循環(huán)進(jìn)入了身體其他部位。他們追蹤一種名為4-苯乙基硫酸酯的分子，發(fā)現(xiàn)它在自閉癥小鼠體內(nèi)的含量比正常小鼠多了約44倍。值得一提的是，最近有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)自閉癥兒童體內(nèi)的一種化學(xué)分子的含量相比正常孩子高了不少，其化學(xué)結(jié)構(gòu)與4-苯乙基硫酸酯幾乎如出一轍。

基于這些發(fā)現(xiàn)，兩人著手下一步研究計(jì)劃。馬茲曼尼亞連續(xù)3周，每天都將從自閉癥小鼠身上收集到的4-苯乙基硫酸酯分子直接注射入5周大（自閉癥小鼠表現(xiàn)出漏腸癥癥狀的年齡）的正常實(shí)驗(yàn)小鼠的血液，然后對其進(jìn)行一系列行為測試，最終發(fā)現(xiàn)這些打了“藥”的小鼠相比同齡的正常小鼠，更容易受到驚嚇，也更容易在空曠的環(huán)境里感到不舒服。2013年，他們在《細(xì)胞》上發(fā)表了這些開創(chuàng)性的研究結(jié)果。論文發(fā)表6個(gè)月后，帕特森去世，享年70歲。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)令人驚訝，但在某種程度上也屬情理之中，要知道許多制藥公司都研制了口服的小分子藥物，它們在被人體吸收后跨越血腦屏障，影響患者的行為。同理，由腸道細(xì)菌產(chǎn)生的小分子也完全有可能通過血液循環(huán)抵達(dá)大腦——而且甚至不一定非要從腸道內(nèi)泄漏出來。

人與鼠實(shí)驗(yàn)

在帕特森和馬茲曼尼亞開展小鼠實(shí)驗(yàn)時(shí)，亞利桑那州立大學(xué)（ASU）的微生物學(xué)家羅莎·克拉伊瑪尼克-布朗（Rosa Krajmalnik-Brown）與吉姆·亞當(dāng)斯（Jim Adams）合作，對人類自閉癥患者的腸道菌群進(jìn)行了研究。亞當(dāng)斯當(dāng)時(shí)正領(lǐng)導(dǎo)著ASU的自閉癥和艾斯伯格癥候群研究計(jì)劃。

兩位科學(xué)家全面分析了自閉癥兒童的微生物組，發(fā)現(xiàn)其菌種多樣性相比普通人的少得多，其中與碳水化合物消化密切相關(guān)的幾個(gè)菌種尤為稀缺。

到2017年，布朗和亞當(dāng)斯又做了項(xiàng)初步試驗(yàn)。他們對18名年齡在7～16歲、存在嚴(yán)重腸胃問題的重癥自閉癥兒童進(jìn)行糞便移植：先用強(qiáng)力的抗生素殺死他們腸道內(nèi)的原有微生物組，完成大清洗，接著把提取自健康志愿者腸道的菌群移植入清洗后的腸道。

結(jié)果超出了所有人的預(yù)期。糞便移植大大減輕了患者的胃腸問題，增加了腸道內(nèi)的微生物多樣性。更為重要的是，他們的神經(jīng)系統(tǒng)癥狀也得到緩解：這項(xiàng)研究開始時(shí)，83%的參與者都患有嚴(yán)重自閉癥；試驗(yàn)兩年后，僅剩17%的患者依然評估為嚴(yán)重自閉癥，44%的人恢復(fù)健康。

達(dá)娜·伍茲（Dana Woods）是其中一名受試兒童的母親，她這樣說道：“我的孩子現(xiàn)在完全不一樣了，他的溝通能力比過去好得多，更愿意參與到各項(xiàng)活動(dòng)中，對許多事物更有興趣。他目前不用再接受相關(guān)治療。”

研究團(tuán)隊(duì)在關(guān)于2017年試驗(yàn)的第一份報(bào)告中強(qiáng)調(diào)了糞便移植后患者腸道菌群的許多明顯變化，以3種細(xì)菌的數(shù)量激增最為突出——其中雙歧桿菌（被很多人認(rèn)為在維持腸道健康方面起著關(guān)鍵作用）的數(shù)量增加了3倍。

雖然試驗(yàn)結(jié)果很出彩，但要想更深入地從細(xì)胞層面闡清微生物-腸道-神經(jīng)系統(tǒng)癥狀間的關(guān)聯(lián)機(jī)制，ASU的團(tuán)隊(duì)還需要馬茲曼尼亞的幫助。

布朗解釋道：“我們的終極目標(biāo)是把患者治好，同時(shí)搞明白微生物組如何影響人體健康。這就是我們尋求合作的原因。實(shí)驗(yàn)室的小鼠可以幫我梳理機(jī)制。”

了不起的鼠偵探

2019年5月，布朗、馬茲曼尼亞與其他合作者在《細(xì)胞》上共同發(fā)表論文介紹他們的一個(gè)重大新發(fā)現(xiàn)：在將曾接受布朗團(tuán)隊(duì)治療的嚴(yán)重自閉癥患者的糞便樣本移植入馬茲曼尼亞實(shí)驗(yàn)室里的無菌小鼠的腸道內(nèi)之后，它們哺育的后代表現(xiàn)出了自閉癥的癥狀，例如重復(fù)性和強(qiáng)迫性行為。

布朗等人在此項(xiàng)研究中更加深入地觀察并分析了小鼠大腦里的生化過程，不僅僅關(guān)注其行為變化，更聚焦于控制這些行為的化學(xué)物質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)出自閉癥行為的小鼠體內(nèi)牛磺酸和5-氨基戊酸（5AV）的含量明顯更低。這兩種物質(zhì)可模仿大腦內(nèi)一種關(guān)鍵的信號(hào)傳導(dǎo)遞質(zhì)——γ-氨基丁酸（GABA）的功能。其他研究者發(fā)現(xiàn)自閉癥兒童的大腦缺乏GABA。

此外，一些科學(xué)家推測自閉癥兒童之所以容易出現(xiàn)感覺過度刺激的情況，原因可能就在于GABA缺乏導(dǎo)致其難以抑制過度興奮的神經(jīng)元。

研究團(tuán)隊(duì)之后又令懷孕小鼠（同樣移植了自閉癥患者的糞便樣本）口服高水平的牛磺酸和5AV，待分娩完成，繼續(xù)向幼崽喂食相同物質(zhì)，直至成年。最終，這些二代小鼠的自閉癥表現(xiàn)相比未經(jīng)治療的同輩明顯緩解——牛磺酸減少了它們的重復(fù)性行為，提升了社交能力，減輕了焦慮；而服用5AV的小鼠顯得更加充滿活力、善于社交。

在一些同行看來，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)了牛磺酸和5AV奇效的新研究本身還不足以證明微生物群失調(diào)可導(dǎo)致腦部疾病。

芝加哥大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家桑格拉姆·西索迪亞（Sangram Sisodia）主攻微生物組研究，她說：“該論文引起了極大轟動(dòng)，但我認(rèn)為，把人類的神經(jīng)系統(tǒng)問題建模在小鼠身上，這本身是有點(diǎn)問題的。”

此外，有幾位同行指出他們的一項(xiàng)測試結(jié)果實(shí)際上與論文結(jié)論相矛盾，部分統(tǒng)計(jì)方法也存在缺陷。馬茲曼尼亞并未過多糾結(jié)于這些批評，但也同意這項(xiàng)工作尚無定論。

不過，布朗和亞當(dāng)斯很篤信自己的結(jié)果，但也表示應(yīng)該開展更多研究。

亞當(dāng)斯堅(jiān)稱這項(xiàng)工作已經(jīng)改變了人們（意指接受糞便移植的自閉癥兒童）的生活：“我們跟進(jìn)了18名參與者中的每一位。他們的家人告訴我們孩子狀況持續(xù)改善。”研究團(tuán)隊(duì)于2019年春季在《科學(xué)報(bào)告》（Scientif i c Reports）中發(fā)表了研究新進(jìn)展。

馬茲曼尼亞說道：“我還沒打算結(jié)束這個(gè)課題。對已有結(jié)論的合理懷疑是一件好事。我相信臨床前數(shù)據(jù)，我相信小鼠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但仍有很多研究等待我們完成。”

資料來源 discovermagazine.com