肠道微生物与自闭症谱系障碍发病关系的研究进展

王青青 陈海思 韩奂 高静芳

自闭症谱系障碍（autism spectrum disorder，ASD）是一种神经发育障碍性疾病，通常起病于发育早期，主要表现为不同程度的社交缺陷、重复受限的行为模式、兴趣或活动。近年来ASD 患病率在逐年升高，已成为严重影响儿童健康的全球公共卫生问题。美国疾病预防与控制中心数据显示，全球儿童和青少年ASD 患病率已达到0.7%～1.5%，且男性的患病率远高于女性。多数患者在3～10 岁被确诊，平均年龄为4～5岁[1]。相关研究表明，70%的患者共病1 种其他精神障碍，40%的患者共病2 种及以上其他精神障碍，其中最常见的是注意缺陷多动障碍，此外还有品行障碍、破坏性情绪调节障碍、失眠及焦虑症等[2]。这不仅对患者自身发展和正常的社会功能造成一定的影响，也对家庭造成一定的照料负担。目前关于ASD 的病因及发病机制仍不明确，有研究发现除关联性较高的遗传和表观遗传学因素外，父母年龄偏大、母体免疫抗体、产前用药、妊娠合并症以及有害重金属物质接触等对ASD 的发生和发展均有不可忽视的作用[3]。此外，有证据表明肠道菌群的组成与ASD 的发展也存在着密切关系[4-6]。Sharon 等[7]将人类ASD 患者的肠道微生物移植到无菌小鼠体内，发现可诱导出小鼠的ASD 行为，这证实肠道微生物与ASD 发病的关系。本文主要从肠道微生物概述、肠道微生物与ASD 的关系、肠道微生物在ASD 发病机制中的作用等方面展开，对肠道微生物与ASD 发病关系的研究进展作一综述。

1 肠道微生物概述

人体肠道中存在着约100 万亿个微生物，并构成以细菌为主的生态系统，还包含少量真菌、病毒、原生动物和古菌。健康成人的肠道微生物主要包括四大门，分别为拟杆菌门（革兰阴性菌，如拟杆菌和普雷沃菌）、厚壁菌门（革兰阳性需氧菌和厌氧菌，如乳酸杆菌、梭状芽胞杆菌和瘤胃球菌）、变形杆菌门（如肠杆菌）和放线菌门（如双歧杆菌），其中厚壁菌门与拟杆菌门比值是评估健康的重要指标[8]。

研究表明，肠道菌群主要在人体代谢、肠道免疫、肠道屏障和肠-脑轴等4 个方面发挥作用[9]，与人类的健康和疾病息息相关。肠道菌群多样性降低可能导致肥胖的发生，且与1 型糖尿病、2 型糖尿病、动脉粥样硬化、银屑病关节炎等多种疾病的转归有关；其代谢产物短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）参与调节体内葡萄糖、胆固醇及脂肪的代谢[10]，氧化三甲胺可以增加动脉粥样硬化及主要不良心血管事件发生的风险[11]。炎症反应是焦虑症和抑郁症的重要发病机制之一。Ang 等[12]研究发现，双歧杆菌能够促进肠道Th17 生成并介导炎症反应的发生。Simpson 等[13]研究表明，抑郁症和焦虑症的患者肠道双歧杆菌丰度偏高。亦有临床研究发现，阿尔茨海默病患者肠道中厚壁菌门减少，而拟杆菌门增加[14]。一项粪便菌群移植实验证实精神分裂症患者的肠道微生物能通过影响谷氨酸的代谢来诱导受体小鼠表现出精神病性症状[15]。Grimaldi 等[5]使用益生元对30 例ASD 患儿进行干预，结果发现益生元联合饮食治疗后，患儿的自闭症治疗评估量表社交评分、自闭症谱系商社交技能量表评分均明显降低（P＜0.05），这表明患儿的社交技能得到改善。由此可见，肠道菌群能够影响多种神经精神类疾病的发生、发展。

2 肠道微生物与ASD 的关系

2.1 ASD 患者肠道微生物组成的变化 一项Meta 分析共纳入18 项研究（包括近500 例ASD 患儿和400 名以上健康儿童），对肠道中8 门17 属细菌的相对丰度进行综合分析，结果发现这些儿童的微生物主要由拟杆菌门和厚壁菌门组成，与健康儿童比较，拟杆菌门在ASD 患儿中的丰度更高，而厚壁菌门以及双岐杆菌的丰度更低，厚壁菌门与拟杆菌门比值差异不明显[16]。但也有研究报道了相反结果，即厚壁菌门与拟杆菌门比值增加[17]。因此，针对这两种菌门在ASD 患儿肠道中的组成，目前尚有争议。其他研究探讨了ASD 患者肠道微生物组成的变化，结果发现ASD 患者肠道中普雷沃菌、瘤胃球菌、巨球型菌以及链球菌与健康对照组存在差异，尤其是普雷沃菌的差异更为显著[18]；提示这些肠道菌群可能会成为ASD 的潜在生物标志物。Tomova 等[19]采用qRT-PCR 法检测10 例ASD患儿及其兄弟姐妹和健康对照儿童的粪便菌群，结果发现ASD 儿童拟杆菌门与厚壁菌门比值明显降低，补充益生菌制剂（含有乳酸菌、双歧杆菌和链球菌）4 个月后，拟杆菌门与厚壁菌门比值得到明显改善。可见，ASD 患儿的肠道微生物相较于健康儿童具有更高的生物量、丰度和多样性[20]。

2.2 肠道微生物与ASD 患者的胃肠道症状和行为症状的关系 ASD 患者更易发生腹泻、便秘、腹胀、胃反流等胃肠道疾病，患病率为20%～70%，且这类患者更易出现焦虑和感觉过敏的症状。ASD 患者的某些外化行为异常和内化症状与胃肠道症状高度相关，如具有攻击性行为且年龄偏小的ASD 患儿更有可能出现恶心症状，而年龄偏大并伴有焦虑症的患儿更易出现便秘症状[21]。Hosie 等[22]研究发现，携带人类神经素-3 R451C 错义突变（NL3R451C）的小鼠（一种ASD 模型，主要表现为社交互动缺陷和重复刻板行为）胃肠道症状表型和小肠神经元数量明显增加，提示NL3R451C基因突变患者存在胃肠道症状，这种突变是通过肠神经系统的作用产生小肠转运改变和γ-氨基丁酸A（γ-Aminobutyric acid A，GABAA）受体介导的结肠运动变化，GABAA 受体可能是治疗ASD 相关胃肠道症状的潜在靶点。

一项基于肠道微生物治疗的Meta 分析发现，一些干预措施能够通过改变肠道微生物来改善ASD 患者的行为和胃肠道症状，如使用益生菌和（或）益生元能够改善ASD 的异常行为（易怒、嗜睡、刻板、多动等）和胃肠道症状（便秘、腹泻等）；同时还发现，链球菌、拟杆菌和梭状芽孢杆菌与ASD 症状的激发性呈正相关，经黏液真杆菌的相对丰度与排便频率呈正相关，而柔嫩梭菌、真杆菌的相对丰度与排便频率呈负相关，进一步证实肠道微生物在ASD 的发生、发展中具有重要作用[23]。Dossaji 等[24]评估了FMT 对ASD 患儿行为症状和胃肠道症状的改善作用，结果显示经FMT 后，ASD患儿行为症状的严重程度降低23%（随访发现这种改善作用能维持2 年），而胃肠道症状严重程度降低80%。ASD 患儿便秘发生率高达22.2%[25]。Mazurek等[26]研究发现，慢性便秘患者的焦虑程度高于无便秘患者，患有慢性胃肠道疾病的ASD 患儿焦虑发生率高于无胃肠道症状的患儿，且合并的胃肠道症状越多，其焦虑评分越高（P＜0.05），这证实胃肠道疾病与行为症状之间也存在着潜在的联系。

3 肠道微生物在ASD 发病机制中的作用

近年来研究证实ASD 的发病机制与肠道、大脑之间的双向作用有关，即“肠-脑轴”。在这条作用轴上，肠道微生物可以通过迷走神经系统、肠道微生物代谢产物、神经免疫系统及神经内分泌等途径影响ASD 的发生、发展。

3.1 迷走神经系统 连接大脑的神经通路主要为迷走神经系统。迷走神经是副交感神经系统的主要组成部分，由80%的传入神经和20%的传出神经组成，属于混合神经，它能够感知到来自肠道内的刺激（机械刺激、化学刺激等），从而将信号通过神经纤维传入大脑。Sgritta 等[27]研究表明，罗伊氏乳杆菌能够逆转ASD小鼠的社交缺陷，但当切断迷走神经时，罗伊氏乳杆菌对小鼠的社交缺陷并没有明显改善，而实施假手术的对照小鼠症状则得到明显改善，这说明罗伊氏乳杆菌对ASD 社会行为的影响依赖于迷走神经系统。对于共病焦虑症的ASD 患者，单纯接受暴露的认知行为疗法后的复发率较高，而针对啮齿动物的研究发现，联合迷走神经刺激疗法能够提高疗效并降低复发率，同时还能改善学习、记忆等认知功能，故迷走神经刺激疗法有望成为患有严重焦虑症的ASD 患者的辅助治疗方法[28]。相关研究证明，鼠李糖乳杆菌具有抗焦虑的作用，但是当雄性小鼠接受迷走神经离断术后再给予鼠李糖乳杆菌14 d，则小鼠的焦虑样行为未得到改善，且下丘脑-垂体-肾上腺轴的调节作用减弱，并导致T 淋巴细胞增加，这说明迷走神经可以通过内分泌和免疫途径在肠-脑轴中发挥作用[29]，通过直接和间接的方式来介导肠道微生物和大脑之间的信号传导。

3.2 肠道微生物代谢产物 肠道微生物的代谢产物能够直接或间接地作用于中枢神经系统，在多种神经精神类疾病的发生、发展中起着重要作用[30]。食物中的膳食纤维可以被肠道细菌分解利用，最终代谢产物为SCFA，主要包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐。一项人体神经干细胞体外培养实验发现，暴露于丙酸可以诱导神经细胞增殖及炎症因子TNF-α 水平增加，可能与GPR41（一种通过G 蛋白耦联的SCFA 受体）的介导作用有关，这验证了丙酸与ASD 患者胶质细胞增生、炎症反应增强和神经连接紊乱的相关性[31]。母体肠道微生物的改变可能会增加后代患ASD 的风险。一项研究对ASD 的BTBR 小鼠模型应用肠道细菌代谢产物丁酸盐，结果发现能够有效逆转后代小鼠的社会缺陷和重复行为，这表明丁酸盐可以改善ASD 小鼠突触可塑性的缺陷，为ASD 的早期治疗提供了一个新的方向[32]。脂多糖是革兰阴性细菌细胞壁的组成成分，目前已被广泛用于各种神经精神类疾病动物模型的诱导剂[33]，脂多糖与ASD 小鼠模型呈现出的年龄和性别差异有关，如暴露于脂多糖的青春期雄性小鼠除焦虑、抑郁症状外，还表现出重复行为和工作记忆缺陷；而成年小鼠仅表现为抑郁和焦虑样行为；雌性小鼠则表现出前脉冲抑制缺陷[34]。肠道微生物也可以产生和分泌神经递质，如乳酸杆菌和双岐杆菌可产生γ-氨基丁酸，大肠杆菌、芽孢杆菌和酵母菌可产生去甲肾上腺素，念珠菌、链球菌等可产生5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT），进而通过神经递质建立起肠道与大脑的联系[35]。

3.3 神经免疫系统 ASD 患者除社会行为缺陷和胃肠道反应以外，全身性炎症反应、胃肠道相关免疫问题也是一个重要的特征。Tartaglione 等[36]在母体免疫激活的小鼠后代中发现其海马和小脑神经免疫标志物（TNF-α、IL-6 和IL-1β 等）明显增加，肠道微生物也发生了显著变化（拟杆菌门增加，厚壁菌门减少），而且肠道微生物生物量与神经免疫标志物水平呈负相关，这证实肠道微生物在神经炎症反应调节中起着关键作用。Reed 等[37]的动物实验发现，给暴露于母体免疫激活的神经发育障碍的小鼠后代注射脂多糖，可以改善小鼠的社会行为缺陷，可能与IL-17a 作用于S1DZ神经元从而介导炎症反应，进而恢复社会行为的作用有关。一些细菌化合物如脂多糖、肽聚糖、鞭毛等，被认为是病原体相关的分子模式，易诱发宿主免疫反应，增加肠道的通透性，其产生的炎症介质（包括细胞因子、趋化因子、抗菌肽等）进入血液后引起全身性炎症反应，使得血脑屏障通透性增加，从而激活小胶质细胞，进而导致中枢神经系统炎症反应发生[38-39]。

3.4 神经内分泌 人体中90%以上的5-HT 是由肠道中的内分泌细胞（主要为肠嗜铬细胞）产生的，而内分泌细胞参与调节人体多种器官的功能。最近研究证实肠道微生物能够调节5-HT 的生成，如小鼠和人类肠道中的原生孢子菌能够促进结肠嗜铬细胞的5-HT合成[40]。5-HT 水平变化会影响大脑发育，并引起行为异常，包括焦虑、抑郁样行为以及社交能力下降等类似于ASD 的表现[41]。Wu 等[42]分别对ABX 小鼠（一种肠道微生物缺失的小鼠模型）去除肾上腺、拮抗糖皮质激素受体及药理学抑制皮质酮合成后，发现小鼠的社交能力均得到恢复，从而证实通过抑制下丘脑-垂体-肾上腺轴产生皮质醇能有效改善社交缺陷；为了进一步验证，又对ABX 小鼠进行粪肠球菌定植3 周，结果发现小鼠的社交活动增多（P＜0.05），皮质酮水平降低（P＜0.05）。由此证实肠道微生物可以通过介导下丘脑-垂体-肾上腺轴来改善小鼠的社会行为缺陷。

4 小结

肠道微生物在ASD 的发生、发展中具有重要作用。ASD 患者中普遍存在肠道微生物异常，包括微生物的组成及其代谢产物的改变，这些异常与ASD 的社会行为表现以及胃肠道症状息息相关。有学者提出了肠-脑轴机制，即肠道微生物可以通过迷走神经系统、肠道微生物代谢产物、神经免疫系统及神经内分泌等途径影响神经发育，进而导致各类神经精神类疾病的发生。目前针对ASD 的治疗主要采取行为干预，尚无药物被批准用于治疗ASD 的核心症状（包括社交障碍和重复行为）。现有的关于ASD 患者症状治疗的研究（如益生菌、益生元、FMT 等）均得到了正向的结果，因此，对肠道微生物的干预可能成为未来治疗ASD 的新靶点。关于肠道微生物影响ASD 的机制仍需进一步探索，需要更多大样本的研究来寻找可靠的生物标志物，以指导ASD 更精准的筛查、诊断和治疗。