谷氨酸能系统在儿童孤独症谱系障碍发病机制中的研究进展

孙雪梅,张晓华 综述,王芳芳 审校

(胜利油田中心医院:1.病理科;2.儿童康复保健科,山东 东营 257034)

孤独症谱系障碍(ASD)是一种多病因神经发育性疾病,即以社会交流/互动障碍和重复刻板的兴趣、行为及活动为核心症状的一系列疾病(DSM-5)。ASD的发病率逐年攀升,高达1%左右,男性发病率是女性的4倍[1]。ASD的发病机制复杂且多因素,对双胞胎和家族的研究表明,ASD具有强大的遗传背景。虽然ASD病例之间存在高度异质性,但共同症状的发生表明某些神经发育途径存在共同缺陷。在这一系列中,ASD的异常神经发育被认为是引起兴奋性/抑制性突触连接失衡的一个潜在的病理机制[2]。神经递质在外周和中枢神经系统的发育中起着关键作用。谷氨酸(Glu)是哺乳动物大脑中主要的兴奋性神经递质,直接参与大脑发育和突触发生[3]、记忆、行为和运动活动调节及胃肠功能调节。此外,在ASD患者和动物模型中都报道了Glu受体基因的异常和谷氨酸能途径的失调。与普通人群相比,ASD患者的癫痫患病率增加[4],因此认为ASD患者存在兴奋性和(或)抑制性大脑活动功能障碍。本文从Glu在典型脑发育过程中的信号转导入手,介绍了目前支持谷氨酸能系统参与ASD病理生理学的证据,包括肠道Glu代谢改变的报道和正在进行的治疗ASD核心症状的临床试验。

1 谷氨酸能系统在大脑发育中的关键作用

ASD症状出现在发育早期(尤其3岁以前),在突触快速形成和成熟的基本时期。脑发育涉及许多过程,包括突触发生、轴突和树突树状结构、迁移和突触可塑性。在大脑发育过程中,神经递质及其受体起着至关重要的作用。在脑发育过程中,Glu受体的分布和分子特性发生了很大的变化,使得大脑在生长过程中容易受到Glu神经传递变化的影响。研究表明,Glu受体表达和调节的改变已知与某些神经病理状况有关,如神经和精神疾病,包括阿尔茨海默病和帕金森病、精神分裂症、情绪障碍、抑郁症、癫痫、焦虑、压力和ASD[5]。对于病理条件下Glu受体功能、亚基表达和结合特性的个体发生变化的认识和研究还很不完整。然而,体内和体外的研究已经提供了关于不同Glu受体亚单位表达水平的区域密度和时间变化的信息[6]。Glu受体分为离子型和代谢型,离子型受体依据其对Glu敏感度的不同分为N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体、α-氨基羟甲基恶唑丙酸(AMPA)受体及红藻氨基酸(Kainate)受体家族[7]。AMPA受体由不同亚基的四聚体(Glu R1-4)组成,AMPAR、NMDAR亚基的表达随着发育过程和大脑不同区域的变化而变化。Kainate-2-羧基-3-羧基-甲基-4-异丙烯基吡咯烷受体(KAR)可激活调节新生儿海马的网络和突触活动。KAR在出生后的第1周内广泛表达于杏仁核,这一时期与突触发生的过程相吻合,表明其参与了突触形成的过程。脑发育过程的另一个重要方面是维持Glu和γ-氨基丁酸(GABA)之间的兴奋-抑制(E/I)平衡。与Glu相反,GABA参与抑制神经传递。然而,在发育初期,GABA能神经元形成兴奋性突触,直到后来在成熟过程中才变得抑制性。在神经元突触和神经回路中维持稳定的E/I平衡对于正常的大脑发育和功能至关重要。因此,E/I平衡的紊乱与包括ASD在内的神经发育障碍有关[8]。

2 谷氨酸能系统与ASD

2.1ASD中的Glu信号 据估计,中枢神经细胞内Glu水平约为10 mmol/L,远高于细胞外液(0.5～2.0 μmol/L)、脑脊液(10 μmol/L)或血浆(150 μmol/L)。脑中Glu水平受到许多机制的密切调节,如血脑屏障的内皮细胞及神经元和星形胶质细胞之间的Glu/谷氨酰胺(Gln)循环等。有报道指出,与健康对照组相比,ASD患者血浆Glu水平较高,血浆Gln水平较低[9]。血浆Glu水平升高与ASD的严重程度增加有关。尽管由于腔膜上的可饱和立体选择性易化转运体,Glu不会以可观的数量进入大脑,但原则上,血Glu水平可能影响大脑Glu水平。血及脑中Glu在代谢过程中处于一个紧密平衡和高度动态的循环中,以维持适当水平[10]。研究表明,在ASD患者中,杏仁核-海马区、初级感觉皮层[11]、前扣带回皮层[12]和听觉皮层中Gln的水平明显较高,而右侧颞内侧叶中Glu的水平有降低的趋势。HOLLESTEIN等[13]使用氢质子磁共振波谱(1H-MRS)技术研究发现,随着时间的推移,ASD组的前扣带回皮层Glu水平与对照组相比有所降低,而随着时间的流逝,重复行为的增加与同一区域的Glu水平降低有关。在健康成人大脑中,Glu和GABA都维持E/I平衡,增强的Glu水平会导致Glu受体的长期激活,从而导致神经元的钙超载,这种现象被称为兴奋性毒性。许多证据表明,谷氨酸能功能障碍、兴奋性毒性和神经炎症是相互交织的现象。事实上,皮层灌注NMDA增加了促炎性细胞因子肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白细胞介素-1β(IL-1β)的表达。胶质细胞和免疫细胞控制由神经元发出的“开”和“关”信号驱动的促炎活动。Glu释放是激活促炎性细胞因子TNF-α和IL-1β释放的“开启”信号。事实上,TNF-α通过胞吐AMPA受体增强兴奋性突触强度,通过诱导胞吐GABA(a)受体降低抑制性突触强度,总体上使E/I平衡向兴奋方向移动。

2.2ASD患者谷氨酸能系统的遗传学研究 近年来,随着基因检测技术的突飞猛进,发现超过800个相关基因和基因组区域在ASD发病中有一定作用,其中包括Glu受体基因的突变及Glu受体亚基的mRNA和蛋白表达的修饰。有报道指出,SLC1A2基因,编码胶质高密度Glu转运体,参与Glu神经传递系统。杂合de novo GRIA2变异体已在诊断为智力残疾和神经发育异常的患者中被报道,包括ASD[14]。RAMANATHAN等[15]提供了进一步的证据,他们观察到,在一个孤独症患者的染色体上,含有GRIA2基因的区域有1个19M位的缺失。对ASD患者GRIN2B的测序研究发现了大量罕见的错义突变、严重的从头剪接位点变异和3个额外的从头功能丧失变异。对从头突变的进一步分析证实GRIN2B是一个高置信度的ASD候选基因[16]。同样,GRIN2A编码NMDAR的2A型调节亚基,常与神经发育表型和ASD相关。GRIN2A基因罕见的致病性缺失和杂合从头错义变异[17]与儿童局灶性癫痫有关。遗传学研究也发现,ASD和Glu受体Kainate家族的GRIK基因之间有遗传联系。关于GRIK5,在孤独症儿童中发现了3个新的错义突变。GRIP1基因与ASD也有关联,该基因编码一种支架蛋白,介导几种跨膜蛋白的转运和膜组织。有学者报道,与480例对照者相比,在480例ASD患者中报道了罕见但发病率较高的错义突变[18]。全基因组关联研究提供了ASD与染色体7q21-32区变异之间的联系证据,该区域含有Glu代谢受体8基因(GRM8)。此外,在1名ASD和智力残疾儿童的染色体7q31.33q32.1区发现了1个包含GRM8在内的13个基因的微缺失[19]。

2.3谷氨酸能基因和蛋白在ASD中的表达 谷氨酸脱羧酶(GAD)是Glu/GABA循环中的限速酶,将Glu转化为GABA,以2种异构体GAD65和GAD67存在。GAD67基因位于2号染色体上的一个易感位点,在小脑浦肯野细胞中大量表达。同时,有报道研究ASD患者浦肯野细胞中GAD67 mRNA水平显著降低[20]。值得注意的是,ASD患者浦肯野细胞的数量和大小也减少。有报道指出,ASD患儿齿状回大神经元GAD65 mRNA显著减少[21]。ASD患者小脑中兴奋性氨基酸转运蛋白-1(EAAT1)和EAAT2的mRNA水平也有所增加。在血浆和光谱研究中观察到的Glu水平增加可能有助于增强EAAT的表达。ASD患者大脑的组织学研究显示,边缘区包括海马区有小尺寸神经元和增多的神经元堆积,以及杏仁核和海马体相对于整个大脑的体积减小。

2.4ASD患者中的Glu/GABA平衡 由于谷氨酸能和GABA能神经传递之间的正确平衡对于正常的信息处理、稳定性和神经元网络的组织至关重要,兴奋和抑制之间的不平衡、谷氨酸能信号增强和(或)GABA能信号减弱的功能障碍可能与ASD的病理生理学有关[22]。GABA能传递在大脑发育过程中起着关键作用。事实上,在胚胎和出生后早期,GABA对未成熟神经元起兴奋作用,并与Glu协同作用,驱动谷氨酸能神经元突触的发育、细胞迁移和分化。由于GABA传递过程中的去极化-超极化转换对于E/I平衡的正确建立至关重要,GABA能信号转导的改变会损害正常的细胞处理,并导致如ASD功能的缺陷。到目前为止,越来越多的证据表明,Glu-Gln循环异常可能为 ASD 发生的核心机制[23]。在体内的1H-MRS测量显示,ASD儿童血浆GABA水平显著增加。相反,脑区分析报告ASD儿童额叶GABA/Glu值降低,青少年高功能ASD患者枕脑区GABA/Glu值降低。不同的结果显示,与对照组相比,ASD儿童视皮层GABA水平升高,感觉运动皮层GABA水平降低,以及前扣带回皮层中GABA/肌酸水平降低[24]。此外,遗传学研究表明在ASD中γ-氨基丁酸能功能障碍的参与。事实上,在染色体15q11-q13区域发现了罕见的突变,包括从头突变和固有变异,该区域包含GABA受体的特定亚基编码区,包括GABRB3、GABRA5和GABRG3。ASD遗传和药理动物模型的分子和细胞研究报道γ-氨基丁酸能功能障碍与ASD的发病有关[25]。总的来说,谷氨酸能和γ-氨基丁酸能神经传递的功能障碍表明E/I平衡的病理转换,至少部分与代偿机制的失败有关,如突触效力、可塑性、膜兴奋性和(或)突触数量的适应,这些机制在生理学上可防止神经元过度兴奋。BRUINING等[26]通过神经网络振荡的计算模型证明了ASD儿童网络活动的功能性E/I值和长程时间相关性的增加有关。同样,SPIEGEL等[27]用实验性双眼对抗测试范式法研究,ASD患者视皮层E/I平衡发生改变,ASD患者大脑中较慢的竞争动力与较高的ASD特征有关。此外,在最近的一项研究中,经颅磁刺激监测皮质-脊髓兴奋性和皮质内抑制表明,ASD表型的严重程度与E/I平衡之间存在正相关[28]。ASD高雌雄比的性别特异性机制可能不同程度地影响E/I平衡,从而影响ASD表型。

2.5肠道Glu代谢的变化 越来越多的证据表明,Glu除了是大脑中主要的兴奋性神经递质外,还是肠神经系统和胃肠道的重要神经递质。在肠道中,Glu来源于食物,也有少量来源于微生物活动,它与味觉和消化过程等多种功能密切相关。膳食中的Glu不能通过血脑屏障。然而,当饮食或微生物群发生改变时,血脑屏障通透性可能改变,Glu在大脑中积累。肠内Glu通过激活分布在迷走神经、内脏神经和盆腔神经上的受体,以及通过包括迷走神经背侧运动核在内的传出通路上的受体,对肠和脑之间的双向交流起着重要的作用。动物模型研究发现,在小鼠体内给予益生菌可以刺激微生物群调节代谢途径,提高脑内Glu水平[29]。此外,最近的研究表明,肠道微生物群失调的小鼠海马组织中蛋白质磷酸化的异常与谷氨酸能神经递质系统紊乱有关[30]。超微结构和免疫组织化学证据表明肠神经系统具有完整的谷氨酸能机制,包括泡状谷氨酸能转运体[30]和所有已知的离子型谷氨酸(iGlu)和代谢型谷氨酸(mGlu)受体。在食道、胃、小肠和大肠中都发现了iGlu和mGlu受体,它们可能参与特定的功能,包括肌肉活动和局部血流。值得注意的是,肠胶质细胞和星形胶质细胞在形态和分子上存在许多相似之处,特别是在Gln合成酶和iGlu受体表达方面,这表明在肠神经系统中,胶质细胞可能有助于防止细胞外Glu水平上升到神经毒性水平。有研究报道,通过对ASD肠道微生物群的表征强调了肠道谷氨酸能神经递质机制的失调,这可能在ASD症状的发展中发挥作用[31]。一项针对43名ASD儿童的研究发现,肠道皮质醇水平降低与Glu代谢的变化有关,2-酮基Glu显著减少,微生物群的变化,粪便样品中的类杆菌含量特别低,长形卵形芽孢杆菌和肉毒梭菌含量都很高[32]。与此相一致,富含脂肪和低碳水化合物的生酮饮食通过其对肠道微生物组成的影响,导致副乳酸菌增加,并同时导致脑Glu水平的增加,从而降低了2种不同ASD小鼠模型的癫痫易感性。

3 针对谷氨酸能系统的药物治疗

在美国,批准的治疗ASD的药物干预仅限于利培酮和阿立哌唑,这2种药物都被美国食品药品监督管理局(FDA)指示用于治疗ASD相关的易激惹症状,但不用于DSM-5确定的对ASD诊断至关重要的核心症状。因此,寻找新的药理靶点以减少症状、改善功能和潜在影响长期结果的、有效的基于发病机制的治疗是至关重要的。目前临床试验集中在针对许多神经生物学途径、γ-氨基丁酸能和谷氨酸能传递、神经炎症、神经肽和内源性大麻素系统。迄今为止,Glu受体拮抗剂治疗ASD的临床疗效有限。在这些试验中测试的药物包括美金刚(一种NMDA受体拮抗剂)和mGlu5拮抗剂(如苯那班、马伏格鲁坦和巴西格鲁坦)。功能磁共振成像用于测量药物利鲁唑治疗后前额叶皮层的功能连通性。之所以使用该类药物,是因为其对GABA和Glu靶点有广泛的作用,因此似乎能够在大多数个体中调节Glu及GABA通量,且利鲁唑具有良好的药代动力学特征和极低的不良反应。有研究指出,利鲁唑治疗可增加ASD患者前额叶皮质的抑制指数,并增加了前额叶功能连接。值得注意的是,在对照组患者中,GABA含量的减少与Gln含量的增加有关,而在ASD患者中,利鲁唑增加了抑制指数,但不改变Gln。总之,利鲁唑使ASD患者的平衡向GABA转移,而对照组的平衡向Gln转移。利鲁唑通过抑制电压依赖性钠通道,减少神经递质释放,促进星形胶质细胞摄取细胞外Glu而起作用[33]。JOSHI等[34]在一项为期12周的随机试验中使用美金刚(一种非选择性的NMDA受体拮抗剂)治疗ASD青少年的社会缺陷,在治疗前和治疗后进行神经影像、功能磁共振成像和共振波谱分析,以评估患有ASD的青少年和健康志愿者的功能性神经元缺陷,在非语言准确性量表的诊断分析和自我报告的执行功能方面,非语言交流有显著的改善,没有引起严重的不良反应。通常,高Glu水平对应于大脑中的过度兴奋性,这可能是由突触中Glu水平升高和(或)其受体过度表达引起的。在一项双盲安慰剂对照研究中,28名ASD 儿童接受了拉莫三嗪(一种调节葡萄糖释放剂),接受治疗的儿童在沟通和社会化的语言方面表现出改善[35]。NMDA受体拮抗剂似乎对高兴奋性和攻击行为有效。美金刚已经被假设在潜在的调节学习、阻断Glu的过度效应(可能包括神经炎症活动)和影响ASD的神经胶质活动中发挥作用。在设计治疗ASD核心症状的药物开发计划时,必须考虑ASD是一种贯穿整个人类生命周期的神经发育障碍,在此期间对特定治疗的疗效和反应可能不同。因此,对ASD治疗的初始批准应该包括儿童和年轻人。药物开发可能需要在儿童和成人中进行单独的临床试验,以确保2组的有效性和安全性。

4 小结与展望

ASD是一种由遗传、表观遗传和环境等多种因素引起的多因素神经发育性疾病。然而,ASD的行为症状和发育阶段的一致性提示了一个共同的神经生物学基础上的病因。大量研究表明,谷氨酸能功能障碍可能参与ASD病理生理学,因为Glu直接参与脑发育和功能,以及肠道微生物群和中枢神经系统之间的双向通信轴。目前,人们对ASD在成年后是如何发展的,或者主要症状是否持续或改变仍然知之甚少。同样令人担忧的是,靶向治疗的有限可用性和(或)开发新药物的有限成功。识别新的生物标志物将大大有助于靶向和精确治疗的发展,阐明谷氨酸能功能障碍对ASD症状的影响可能有助于确定新的药理靶点。迄今为止,还没有批准谷氨酸能药物治疗ASD,尽管一些临床试验处于早期阶段,旨在评估已经批准用于ASD患者其他情况的谷氨酸能药物。深入研究谷氨酸能系统的作用及其机制将有助于了解ASD的发病机制,为寻找ASD的诊断和治疗方法提供理论基础,并提供潜在诊疗分子靶标。