肠道菌群与自闭症发病机制的研究

刘文凤，王荣斌

(南昌大学第一临床医学院，南昌 330006)

自闭症谱系障碍(autism spectrum disorders，ASDs)可分为自闭症(autism disorder)，儿童瓦解性精神障碍(childhood disintegative disorder)、阿斯伯格综合征(asperger syndrome)等多个种别，此中自闭症是比较严重的一种[1]。自闭症是一种神经系统发育障碍疾病，患者常缺乏社会功能，并伴有语言和非语言交流障碍以及行为刻板和乐趣局限等特点，目前认为与遗传、感染与免疫、神经发育、环境和心理因素有关[2]。Tomova等[3]发现超过90%的自闭症患者有胃食管反流、便秘、腹泻、腹痛、呕吐和营养不良等消化道问题，这些胃肠道症状与异常微生物菌落有关，且自闭症严重程度与胃肠功能障碍严重程度呈正相关，表明肠道菌群可能作为环境因素可能参与了自闭症的发生。肠道菌群可以通过脑-肠轴(brain-gut-axis)影响肠道神经系统、神经内分泌系统和免疫等系统间接地调控大脑功能，进而与某些疾病相关联。本综述就自闭症的病因、肠道菌群的功能及肠道菌群与自闭症潜在的发病机制三方面的研究进展进行总结，旨在补充阐明自闭症发病的另一个危险因素，希望对自闭症的早期诊断、及时干预及新的治疗思路提供帮助。

1 自闭症及其病因学说

自闭症(autism,也称孤独症)于1943年由美国科学家Kanner发现并命名，是一种高发于青少年的广泛性发育障碍(pervasive developmental disorder,PDD)。目前学界比较一致的观点认为，自闭症患者的定义性特征为：3岁前就有所显示的社交障碍和语言沟通能力缺陷，以及大量重复性的刻板行为，焦虑、抑郁，兴趣狭窄，以及在某些情况下严重的智力障碍和发育迟缓等。自闭症的临床诊断主要依靠病史询问、体格检查及行为观察和量表评定，和辅助检查如脑电图和核磁共振等[4]。

自闭症的确切发病原因尚未明了，目前相关的研究多集中在神经心理学、遗传学、感染与免疫学、神经影像学以及儿童早期发育中的危险因素等方面。遗传学方面研究人员[5]发现自闭症的发病存在着家族性聚集特征，自闭症患者的亲属中有广泛的自闭样表现型，一些自闭症易感基因包括RELN、 SHANK3、 NLGN3、 NLGN4X、 MET、 GABRB3、 OXTR和SLC6A4，这些基因的突变多是致使儿童自闭症的发生的缘由。此外Wang等[6]发现自闭症患儿携带更多的mtDNA突变，而线粒体是产生能量的主要场所，与多种疾病及神经发育有密切关系，患儿携带的改变蛋白产物的潜在有害突变可能与自闭症发病有关。

自闭症的发生多与儿童胚胎期和围生期被感染有关。病毒的持续感染导致人体免疫细胞克隆缺乏，使其不能产生针对病毒的免疫应答，进而侵害中枢神经系统的发育。Mahic等[7]提出少数母亲在遗传上易对某些致病病原体如HSV-2，产生强烈的免疫反应，这种强大的免疫反应产生的炎性分子和抗体可以跨过胎盘，破坏胎儿大脑。Careaga等[8]研究发现4～45岁自闭症患者死后的大脑标本均存在明显持续的炎症反应，小胶质细胞的激活和干扰素(IFN)C，IL-1β，IL-6，肿瘤坏死因子(TNFα)-和趋化因子C的含量增加，并且使用免疫疗法后一部分患者症状有所改善。

在神经递质相关领域，约30%的自闭症患者外周血5-羟色氨酸水平升高，但是这一发现并非特异。中枢神经兴奋剂能够引起一部分自闭症儿童的刻板行为增多，同时抗精神病药物能够减少自闭症患者的刻板和多动行为，因此可以推测自闭症的发生可能和多巴胺水平有关。此外部分自闭症患者的海马、小脑、杏仁细胞结构发生了改变，普肯耶细胞减少，同时大脑嗅觉皮质以及乳头体致密神经元数量也发生增高的现象。部分自闭症患者CT及MRI表现小脑、额叶皮质、和杏仁核结构异常，如大脑双侧半球不够对称、脑室体积扩展、小脑体积减小等，可是这些转变并非特异。

2 肠道菌群及其功能

有研究[9]表明有大约1013～1014个细菌寄生在人体肠道中，其数目是人体细胞数目的10倍，所含基因数量是人基因总量的150倍。这些细菌超过1000种，50属，7000个菌株，其中拟杆菌门和厚壁菌门是主要菌群，其次是放线菌门、变形菌门、疣微菌和梭杆菌门等。近年来人们逐渐发现肠道微生物不仅有代谢与营养作用、生物拮抗及防御感染作用、驱动免疫成熟和维持免疫稳态的作用，还与循环和神经发育等方面有着重要的作用。

肠道菌群对神经疾病方面的作用也越来越被人们重视，大量的研究[10]表明肠道与大脑之间存在着一个脑-肠轴(brain-gut-axis),其中肠道菌群作为主要的参与者，可通过影响此轴调控宿主的脑功能与行为等，因此肠道菌群的改变也会经此轴影响中枢神经系统的发育与功能。目前，已经证明肠道菌群失调和精神分裂、阿尔茨海默病、自闭症有很大的关联。理解肠道菌群在自闭症发生中所扮演的角色，对于治疗该疾有着非常重要的意义。

3 肠道菌群与自闭症发病机制

在对自闭症患者和普通人粪便进行微生物群落观察分析时发现，两者的肠道菌群落在种类和数量上的存在较为明显的差异，其中放线菌(actinomycetes)、拟杆菌(bacteroides)、厚壁菌(phylum firmicutes))以及拟杆菌(bacteroides)的相对含量及某些代谢产物在自闭症患者和正常人的肠道中存在明显的差异[11]。

3.1 迷走神经途径

肠道菌群具有激活迷走神经作用并增加小鼠的焦虑行为，原因可能是中枢神经系统GABA受体表达改变。Averina等[12]也报道了空肠弯曲杆菌感染后小鼠的焦虑性增加，原因可能是空肠弯曲杆菌通过影响迷走神经从而导致了小鼠焦虑性增加。而Bercik等[13]的研究发现，双歧杆菌的抗焦虑作用可能是通过迷走神经来完成的，因为当切断迷走神经时，双歧杆菌对结肠炎小鼠焦虑行为的改善也随之消失，而神经元细胞内脑源性神经营养因子含量并无改变。

3.2 硫元素途径

肠道是人体最重要的消化器官，生命所需的大量营养元素都是通过肠道吸收的，肠道菌群失调常常会干扰人体对营养元素的吸收以及对物质的代谢。有研究[14]表明硫元素的摄取量降低与自闭症的发生有相关性。而肠道菌群失调时人体对硫元素的摄取会改变。食物中的硫元素常常以可以被肠道吸收的硫酸盐的形式存在，但当硫酸盐被某些硫还原菌转化成硫化氢时则会逸出，这种情况下碳元素的生物利用率将降低。例如脱硫弧菌是人体肠道中一种特异性硫还原菌，它可以将进入肠道中的硫酸盐转化为硫化氢，正常人肠道中这种菌的含量不高。如果因为某些原因使脱硫弧菌在人体肠道中异常性增值，就会导致原本可以被肠道吸收的硫酸盐转化为不能被吸收的硫化氢，这样就增加了自闭症的发病风险。

3.3 免疫系统途径

肠道微生物还可以通过对人体免疫系统的调节来刺激各种细胞因子从而间接影响大脑生理和病理活动。ASD患者观察到多种免疫系统失调，如循环和脑细胞因子、驱化因子、炎症因子及免疫反应性水平改变。许多ASD患者一致的免疫表型是升高的炎性状态，细胞因子和趋化因子的增加，包括γ-干扰素，白细胞介素(IL)-β，IL-6表达，肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、单核细胞趋化蛋白-1，转化生长因子-β，和趋化因子(C-C motif)配体2，还有活跃的细胞免疫应答反应。无菌动物对束缚应激的HPA轴反应较之正常动物更加敏感，同时无菌动物的大脑皮层和海马区表达的脑源性神经营养因子。同时，当正常菌群在无菌动物的肠道内正常定植后，本来发展不好的免疫系统逐渐发育良好且应激反应恢复正常。Bercik等[15]观察到小鼠感染鼠鞭虫后血液中γ-IFN和TNF-α、犬尿氨酸、犬尿氨酸/色氨酸的比值升高，并表现出焦虑样的应激行为，这表明肠道菌群的改变会导致小鼠免疫系统的失调并同时增加小鼠的焦虑样行为。而单核细胞趋化蛋白1(MCP-1/CCL2)介导单核细胞和T细胞活化并运输到组织损伤区。在中枢神经系统中，MCP-1可以调节髓样细胞的募集到炎症或损伤的部位。Xu等[16]测量了自闭症患者的脑，脑脊液和血浆中的MCP-1水平，发现自闭症患者的MCP-1水平升高，升高的MCP-1产生与较高的异常行为的分数，跟发育受损和适应功能有关，这些发现提示脑中MCP-1升高可能与小胶质细胞活化和单核细胞/巨噬细胞向神经变性区域的募集有关。肠道菌群改变时在肠道内也会触发局部免疫反应，而该反应可能导致肠神经系统异常激活，导致部分感觉和运动功能的改变，这种改变可能会导致焦虑甚至疼痛等状况的发生。益生菌的使用可以通过影响BDNF的表达来缓解小鼠的焦虑行为，益生菌试剂可以显著地减少C反应蛋白、TNF-α、和IL-6在血浆中的水平，从而改善机体的免疫调节功能。

3.4 神经递质途径

肠道中的某些细菌能生产和泌出多种人体神经递质，如儿茶酚胺、5-羟色胺和组胺、以及γ-氨基丁酸(简称GABA)等，这些神经递质可以通过肠神经或者肠嗜铬细胞向中枢神经传递信号，但具体的传递通路尚不明确。根据研究[17]推测，肠道菌群产生的代谢产物，如生物胺、短链脂肪酸-丙酸、神经递质前体，也可通过肠神经或者肠嗜细胞向中枢神经传递信号。5-羟色胺是一种非常重要的肠道信号分子，由肠道嗜铬细胞分泌，Kaluznaczaplinska等[18]研究发现自闭症患儿全血色氨酸水平降低，5-羟色胺水平增高，且水平越高患者焦虑和抑郁症状越严重。因此选择性使用5-羟色胺回收抑制剂可以改善自闭症患儿攻击性行为和重复语言、刻板行为症状。此外，肠道微生物也可能产生多巴胺，丙酸，γ-氨基丁酸，组胺和乙酰胆碱，调节CNS的功能和HPA轴的稳定性。

3.5 神经内分泌途径

肠道微生物可通过下丘脑-垂体-肾上腺轴(the hypothalamic-pituitary-adrenal axis,HPA )产生作用来影响人体神经系统与自闭症发生发展。肠道内无微生物的动物在应激时可观察到强烈的HPA轴反应和相应激素水平的升高，而动物益生菌的治疗后可明显改善动物体内皮质醇基础水平和肠道的通透性，这说明肠道菌群对HPA轴具有重要的作用。Golubeva等[19]通过建立长期处于应激状态的产前大鼠模型，并观察到产前应激可引起成年雄性大鼠非常强烈的HPA轴反应，同时伴有血压升高和认知功能障碍。

同时该研究也发现产前应激还可诱导大鼠肠道菌群的变化，不同菌属在肠道的相对丰度差异与HPA对不同压力的反应有相关性。Luczynski等[20]发现刚出生的无菌小鼠(germ free，GF小鼠)皮质醇和促肾上腺皮质等激素水平明显增高，HPA轴的活性增强，相比于正常小鼠GF小鼠表现出焦虑、非空间和工作记忆障碍、社交活动降低。而给GF小鼠移植正常菌群时，上述症状消失,HPA轴活动恢复正常。Huo等[21]实验结果也显示在慢性束缚应激下无菌小鼠与无特定病原微生物小鼠的下丘脑组织相比，表现出伴有HPA轴过度活动的抗焦虑行为。HPA轴具有复杂的反馈机制，并且肠内微生物可以通过内分泌系统调节行为，这可能随后引起HPA轴过度活跃，从而引起自闭症症状。

4 总结与展望

肠道菌群是人体内重要的系统，在调节机体健康和疾病中起到十分重要的作用。肠道菌群失调将造成炎症、胃肠道不适和神经毒性代谢物的增多,并引发异常的应激反应，认知能力降低,和焦虑和抑郁症状，这可能是导致自闭症的原因之一。本综述总结了肠道菌群通过迷走神经、硫元素、免疫、神经递质、神经内分泌等多种途经影响自闭症的发生发展，提供了干预肠道菌群来预防和治疗自闭症及其焦虑等症状的思路。可以深入研究人类与微生物共生的作用和相互调节的具体机制，聚焦于肠道菌群如何影响神经疾病的发生发展，为治疗相关疾病提供基础。但因为基础和临床研究不多，未来可以多开展脑-肠轴基础干预机制，益生菌的使用及特定的饮食治疗等临床研究。