兴奋-抑制失衡与孤独症谱系障碍：作用机制及治疗进展

石 岳，朱 波，黄宇光

中国医学科学院北京协和医院麻醉科，北京 100730

孤独症谱系障碍(autism spectrum disorder，ASD)是世界上患病率增长最快的神经发育障碍，其治疗因疾病的遗传异质性而颇具挑战。研究表明，中枢神经系统的兴奋-抑制(excitatory-inhibitory，E-I)失衡可能是ASD的重要发病机制之一，在多种ASD动物模型中进行神经环路E-I失衡调节，能够改善模型动物的孤独症样行为。相关临床试验将E-I失衡作为ASD治疗靶点，恢复特定皮质区域原有的E-I平衡状态，能够对ASD患者起到一定的治疗作用。本文就E-I失衡在ASD中的作用机制以及E-I失衡调节剂治疗ASD的相关研究进展作一综述，以期为探索ASD的有效治疗手段提供新思路。

1 ASD概述

狭义的ASD即孤独症，最早由Kanner教授于1943年作为儿童罕见病报道，经研究发现，ASD实际上是一类较普遍的终身疾病[1]。2013年美国《精神障碍诊断与统计手册(第5版)》(diagnostic and statistical manual of mental disorders，DSM-5)将ASD定义为儿童在其发育早期表现出以下临床症状：持续的社会交流和社会交往障碍；受限的兴趣与活动模式和重复刻板行为[2]。自最初定义以来，这种描述并无实质性改变。目前，全球ASD的发病率呈现快速增长趋势，严重影响儿童、青少年的正常生活。美国研究表明，3～17岁儿童ASD患病率已自2009年的1.1%升高至2017年的2.5%[3]。我国2016年调查结果显示，6～12岁儿童ASD患病率约为0.7%，较既往亦有所升高[4]。

目前，ASD的发病机制尚不明确，研究表明其可能具有高度遗传性，且与环境相关[3]。ASD患者中存在上百个致病突变位点，包括单基因突变或拷贝数变异(copy number variation，CNV)，呈现出显著的遗传异质性[4]。目前ASD治疗主要以行为干预和教育干预为主，辅以精神类药物，但治疗效果有限，尚无有效治疗方式。近年来，中枢神经系统的E-I失衡被认为是ASD的重要发病机制之一，受到广泛关注。E-I平衡是由以谷氨酸能为代表的兴奋性递质系统和以γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)能为代表的抑制性递质系统协同作用，在神经环路的构建中发挥关键作用。2003年Rubenstein等[5]提出重要假设，认为在遗传或表观遗传调控下感觉、记忆、社会和情感等关键神经环路中E-I平衡的兴奋性增加，可能是引起孤独症样表现的发病机制。应用ASD动物模型开展的大量研究进一步证实了上述假说[6-7]。

2 ASD动物模型

稳定可靠的动物模型对于深入探究ASD病理生理机制及治疗相关研究具有重要价值。目前ASD模型动物主要包括啮齿类、非人灵长类、斑马鱼等，其中以大鼠和小鼠最为常见。ASD动物模型能够模拟社交障碍、兴趣受限与重复刻板行为等行为学表现。ASD动物模型根据构建方法不同可分为基因模型、特发性孤独症模型和环境诱导模型：(1)基因模型：采用基因编辑技术，对动物的单基因或多基因进行编辑构建的模型，ASD患者中存在大量的致病突变位点，其中包括介导突触稳定性的Neuroligins和Neurexins基因、脆性X综合征致病基因Fmr1、Shank3和Mecp2等，通过基因敲除或过表达构建多种基因表达异常动物模型[8-11]，常表现为特定的遗传综合征，除ASD样行为外还包括生长迟缓、癫痫发作等异常表现，因此在适用性方面有一定局限性。(2)特发性孤独症模型：通过行为学实验筛选繁育的小鼠和大鼠品系，代表模型为BTBR T+ Itpr3tf/J(以下简称“BTBR”)近交系小鼠，能够高度模拟并稳定复制ASD的全部核心症状，该模型目前已得到广泛应用[12]。(3)环境诱导模型：在发育关键期暴露于生化刺激、病毒感染、紧张刺激等环境因素而诱发ASD，以经典的丙戊酸(valproic acid，VPA)暴露模型为代表[13-14]，然而由环境因素致病的ASD患者仅占少数，此类模型可能无法完整表现ASD行为特征。

3 中枢神经系统的E-I平衡

在细胞层面，大脑皮层中单个锥体神经元的兴奋性突触和抑制性突触被精准调控，确保树突中E/I突触比例相对恒定；在皮质环路层面，兴奋性与抑制性皮质神经元比例同样被精准调控，使得单神经元和皮质脑区在发育过程中可维持E-I平衡[15-16]。当兴奋水平超过抑制水平时，神经环路活性增强，直至环路可激发的活性达到最大值，或者在增长的边界状态下抑制水平超过兴奋水平，达到平衡状态；反之，当抑制水平超过兴奋水平时，神经环路活性减弱，直至环路静默，或在边界状态下抑制减少程度高于兴奋减少程度，从而实现E-I平衡，孤立环路的相关研究证实了这一观点，通过光遗传学技术刺激一簇神经元，其活性可传递至同层其他神经元及其他分层中，调动起足够水平的抑制用于产生平衡稳态[17-18]。当出现发育异常或病理状态改变兴奋和抑制的固有稳态时，神经环路的活性水平随之变化，称为E-I失衡，其发病机制较为复杂，并非E/I比值的整体改变，而是兴奋性或抑制性神经元中不同亚类的相对活性变化[16]。造成E-I失衡的干扰因素可能影响多个神经环路的不同靶点，包括E-I突触发育、突触可塑性、中间神经元和锥体神经元的局部相互作用、下游信号通路等[19-21]。

4 E-I失衡在不同ASD动物模型中的作用机制

4.1 基因模型

脆性X综合征是最常见的引起遗传性ASD和智力低下的单基因病，致病基因为Fmr1。Fmr1基因敲除小鼠模型能够增强海马区代谢性谷氨酸能受体(metabotropic glutamate receptor，mGluR)依赖性长时程抑制，mGluR拮抗剂可逆转这一现象以及小鼠的孤独症样行为，提示mGluR依赖性突触可塑性可能是ASD的发病机制之一[22]。

Neuroligin-3(Nlgn3)是细胞黏附分子之一，在突触间黏附和突触分化过程中发挥重要作用。Nlgn3 R451C置换突变小鼠表现为社交活动减弱和空间学习能力增强，其躯体感觉皮质区的自发抑制性突触后电流(spontaneous inhibitory postsynaptic currents，sIPSCs)频率较野生型增加，而兴奋性突触无显著变化[23]；R451C突变小鼠和Nlgn3敲除小鼠的海马GABA能神经元均记录到内源性大麻素信号受损[24]；不同Nlgn3突变体可能存在相同的纹状体选择性突触损伤，对D1多巴胺受体的GABA能抑制减少，导致重复行为增加[25]，且Nlgn3敲除小鼠表现出和综合征型ASD相似的mGluR依赖性突触可塑性改变，且发育后期再表达Nlgn3可挽救此表型[26]。

编码兴奋性突触后骨架蛋白的Shank3基因是目前的研究热点。Shank3B敲除小鼠AMPA受体介导的微小兴奋性突触后电流(miniature excitatory postsy-naptic currents，mEPSCs)频率在皮质纹状体环路神经元中显著减少，而在海马CA1区无显著改变[10]。Shank3外显子4-9敲除小鼠的mEPSCs频率和幅度均与野生型无差异，但兴奋性突触受体NMDA/AMPA比值显著下降，提示NMDA受体功能受损[27]。此外，在Shank3杂合缺失小鼠的前额叶皮质(prefrontal cortex，PFC)观察到NMDA受体介导的mEPSCs频率下降，而AMPA相关兴奋性几乎无变化[28]，表明Shank3突变通过影响AMPA或NMDA受体功能使得特定环路的兴奋性下降，引起社交障碍和重复行为增多等孤独症样表现。Shank3突变可对海马CA1区的突触传递和可塑性造成一定影响[29-32]，但小鼠的异常行为表现与ASD核心表现并不完全一致。

4.2 特发性孤独症模型

以BTBR小鼠为代表模型，Han等[33]首次发现BTBR小鼠海马CA1区GABA能介导的sIPSCs频率较野生型B6小鼠降低，微小抑制性突触后电流(spontaneous inhibitory postsynaptic currents，mIPSCs)频率和幅度不变，而EPSCs频率相应增强，提示突触前抑制被削弱、E/I比值增加；应用小剂量氯硝西泮(正别构GABA受体激动剂)可逆转sIPSCs频率降低并改善BTBR小鼠的社交表现，B6小鼠的表型则不受这一干预的影响。Cellot等[34]在新生BTBR小鼠海马CA3区发现sIPSCs的频率和幅度均增强，AMPA介导的EPSCs频率与B6小鼠无差异；而在CA1区观察到sIPSCs频率降低，与上述研究结论一致。BTBR小鼠的内侧PFC则同时存在EPSCs频率增强和sIPSCs频率减弱，将BTBR小鼠反复暴露于具有激活GABA-A受体和抑制NMDA受体作用的七氟醚中，可使sIPSCs频率降低，暴露后小鼠的重复刻板行为也明显减少[35]。综上，BTBR小鼠模型中不同脑区的E-I失衡存在差异，且E/I比值改变方向不统一，但这些改变以及小鼠行为学表型可能均与GABA能突触传递密切相关。

4.3 环境诱导模型

在ASD的环境诱导模型中观察E-I平衡变化的研究相对较少。Banerjee 等[36]对孕鼠进行腹腔注射VPA诱导子代ASD大鼠模型，记录到其颞叶皮质的mIPSCs频率较野生型显著降低，且电诱发IPSCs(electrically-evoked IPSCs，eIPSCs)频率在一定程度上被削弱；应用多种突触传递调节剂处理脑片后再次记录，发现上述E-I失衡来源于GABA能突触传递在突触前和突触后均受损，但该研究缺乏相应的行为学证据。Kang等[37]对VPA模型小鼠腹腔注射美金刚(具有中度亲和力的非竞争性NMDA受体拮抗剂)，发现小鼠的社交缺陷和重复刻板行为均得到改善，但其NMDA受体功能是否增强仍颇具争议[38-40]。

5 E-I失衡调节剂治疗ASD的相关临床研究

相关随机对照试验(randomized controlled trials，RCT)表明，应用E-I失衡调节剂恢复特定皮质区域原有的E-I平衡状态，能够对ASD患者起到一定的治疗作用。Chez等[41]对ASD患者开放标签应用美金刚作为辅助治疗，治疗4～8周后患者的语言能力和社会行为均有显著改善，经21个月的长期治疗未出现严重不良反应。Ghaleiha等[42]验证了美金刚作为利培酮治疗的辅助用药安全有效，ASD患儿异常行为量表(aberrant behavior checklist，ABC)中的易激惹性指标及刻板行为均有所缓解。2017年的一项双盲、安慰剂对照RCT纳入了121例ASD患儿，接受为期12周的美金刚缓释制剂或安慰剂单药治疗，尽管安全性良好，但以社会反应量表(social responsiveness scale，SRS)作为疗效指标并未观察到组间差异，基本排除了美金刚作为ASD的候选治疗药物[43]。N-乙酰半胱氨酸(N-acetylcysteine，NAC)作为临床常用的粘液溶解剂，因其具有谷氨酸能和多巴胺能调节剂的作用，被认为可能用于治疗精神类疾病。Hardan等[44]证实NAC口服单药治疗ASD患儿安全可耐受，显著改善了ABC易激惹性指标。随后的2项RCT研究分别以固定剂量和按体质量计算剂量的NAC单药治疗ASD，但关键行为学指标均未改善[45-46]。

Berry-Kravis等[47]在阿巴氯芬(GABA-B受体选择性激动剂)治疗脆性X综合征儿童和成人患者的RCT中观察到社交回避行为显著改善，随后纳入32例非综合征型ASD儿童和青少年进行为期8周的试验，证明阿巴氯芬整体耐受性良好，并且以ABC易激惹性指标为主的多项量表结果得到改善[48]。Ⅱ期临床试验对150例ASD患者进行阿巴氯芬或安慰剂治疗12周后，虽然ABC量表中的主要结局指标无显著差异，但临床总体严重性印象量表(clinical global impression of severity，CGI-S)显示出阿巴氯芬的积极治疗作用[49]。目前仍有2项阿巴氯芬治疗ASD的多中心注册RCT正在开展[50]。

6 小结与展望

E-I失衡是ASD的重要发病机制之一，近20年来诸多研究利用多种ASD动物模型探索了海马、PFC、颞叶等皮质环路中突触传递的变化规律，发现E-I失衡可能发生在不同脑区、不同神经元、甚至由不同受体所介导，整体E/I比值改变并不统一，体现了E-I失衡的多维度性及ASD病因的复杂性。相关临床试验评估了E-I失衡调节剂治疗ASD患者的潜力，发现其作为辅助用药的有效性和安全性良好，但单药治疗时疗效并不显著，现有的RCT研究结果表明仅阿巴氯芬可能成为ASD的一线治疗药物。目前，将ASD模型动物的行为表型定位到特定的环路或信号通路仍存在困难，且人类ASD的临床表现复杂多样，尚缺乏客观定量评估每种症状严重程度的手段和直接检测E-I失衡的生物标志物，动物实验得到的积极结果很难在ASD患者中进行验证。后续研究应重点关注ASD患者E-I失衡标志物检测方面的研究，并根据E-I失衡机制选择相应调节剂开展疗效研究，从而实现病理学改变和临床疗效的协同监测。

作者贡献：石岳负责文献检索及论文撰写；朱波、黄宇光负责论文设计及修订。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突