孤独症谱系障碍与氧化应激标志物的相关性研究进展

张彤 刘雅楠 曹宪振 刘效伊 赵国强 魏凤香，2★

孤独症谱系障碍（Autism spectrum disorder，ASD）是一种高度异质的神经发育疾病，其特征是社交障碍、语言交流障碍、兴趣或活动范围狭窄以及重复行为［1］，这些核心症状通常可在儿童3 岁时发现和诊断。ASD 好发于男性，逐年呈显著上升趋势［2］。越来越多的研究表明，氧化应激（Oxidative Stress，OS）在孤独症谱系障碍的病理过程发挥着重要作用［3］，现就OS 病理状况以及潜在生物标志物在ASD 的发生发展之间的关系作一综述。

1 氧化应激

OS 是由于活性物质（active substrate，RS）的异常增加以及抗氧化剂对自由基的防御能力减少的一种病理状况［4］。机体内存在过量的RS 通常会损害核酸、蛋白质和脂质等必需的细胞成分，导致氨基酸侧链氧化、形成蛋白质-蛋白质交联及蛋白质骨架氧化造成蛋白质片段化。

OS 在不同的机制和水平上对机体会产生不利影响，其定义是氧化剂和抗氧化防御网络系统之间的不平衡［5］。近年研究发现，OS、炎症和功能障碍之间存在密切关系，当胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）升高和清除自由基的内源性抗氧化防护系统能力降低时，机体内环境失衡发生OS，进而促进血管内皮损伤和分泌促炎分子导致神经炎症［6］，影响人机体免疫功能、新陈代谢及内分泌发生功能紊乱。目前，OS 存在于广泛的精神疾病中，如ASD、精神分裂症、双相情感障碍、严重抑郁症及抗精神病引起的迟钝性肌营养不良症等［7］。

2 氧化应激与ASD 的关系

目前已发现遗传因素与内外环境有毒物质二者交互作用对人体的损害与OS 亢进机制相关，抗氧化能力和OS 诱导自由基之间的平衡是ASD 病理生理发展过程中的关键［8］。图1 为氧化应激参与孤独症谱系障碍潜在的发病机制。若机体氧化负担加重易产生大量的自由基，对神经元产生毒性作用，导致抗氧化剂水平下降，氧化剂与抗氧化剂比例失衡［9］。

图1 氧化应激参与孤独症谱系障碍潜在的发病机制Fig. 1 Oxidative stress is involved in the potential pathogenesis of autism spectrum disorders

ROS 具有高度活性，可诱导碳水化合物、脂质、蛋白质和DNA 的氧化修饰，不利于维持细胞完整性和功能性［10］，有氧细胞会形成抗氧化防御来对抗ROS 的产生和有害影响，一些抗氧化机制的成员共同调节氧化还原状态，如超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GPX）/谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase，GSR）以及谷胱甘肽（glutathione，GSH）、维生素A 和E 等生物活性物质。ASD 患者ROS 产生过多、抗氧化能力降低以及出现线粒体功能障碍等生理功能异常极易引起OS［11］，在细胞结构中发生氧化损伤可能导致细胞凋亡和坏死等功能恶化［12-14］，进而可引起表观遗传失调、神经系统疾病、炎症反应、神经功能紊乱、脑损伤［15］。目前可使用酶联免疫吸附实验、质谱等特定方法检测OS 生物标志物。因此，早期评估和治疗抗氧化状态可能在诱导不可逆的脑损伤之前减少大脑中的OS，且明确潜在生物标志物可用于ASD 早期诊断、评估以及为药物或营养治疗提供信息和靶向治疗，并具有更好的预后效果。

3 ASD 中潜在的OS 生物标志物

ASD 与OS 水平增加和抗氧化能力降低有关，其抗氧化防御机制受损可导致细胞膜损伤、膜流动性和通透性改变以及蛋白质、脂质和DNA 的氧化改变［11］。研究表明，ASD 患儿与健康儿童相比MDA、总血浆过氧化物酶、总抗氧化能力活性及铅等重金属发生改变［9］。总之，ASD 患者的OS 增加，检测其生物标志物可能有助于发现ASD 在发病机制和临床症状方面的早期预防和诊治。

表1 为ASD 中OS 标志物的研究趋势，通过结合MeSH 术语和关键词检索自建库以来由PubMed数据库收录的原始文献资料发现，近期ASD 与OS发生发展的研究呈现上升的趋势，其中患者营养素水平备受重视。SOD、CAT、8-羟基脱氧鸟苷（8-hydroxy-2-deoxyguanosine，8-OHdG）、MDA 等生物标志物作为内源性及外源性因素来评估机体内氧化损伤的程度对研究ASD 疾病与OS 之间的关系以及评价抗氧化剂治疗氧化损伤的效果具有重要意义。

表1 孤独症谱系障碍中氧化应激标志物的研究趋势Table 1 Trends of oxidative stress markers in autism spectrum disorders

3.1 内源性抗氧化剂

3.1.1 抗氧化酶SOD、CAT

超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）广泛存在于动物、植物、微生物和培养细胞中［16］，SOD 催化超氧化物阴离子发生岐化作用，生成H2O2和O2，其不仅是超氧化物阴离子清除酶，也是H2O2主要生成酶，在生物抗氧化系统中具有重要作用［17］。ASD 患者与健康对照组相比，血浆中SOD1 浓度更高，更易受到OS 的影响，并在男性患者中更加具有显著意义［18］。CAT 是最主要的H2O2清除酶，在活性氧清除系统中发挥作用。研究发现，ASD 患儿与健康儿童相比，其SOD 活性减弱、CAT 活性增强，进而导致ASD 患者血浆中SOD/CAT 比值明显降低，碳基含量明显升高。在对照组中，SOD 和CAT 活性之间存在很强的相关性［19］。因此，在ROS 过度产生、大分子氧化损伤、慢性/持续炎症中会导致神经元细胞功能异常或神经元死亡，极有可能是SOD/CAT 失衡在ASD 的发病机制中发挥重要作用。

3.1.2 抗氧化酶GPX

GPX 是一种重要的抗氧化酶，具有清除和灭活过氧化氢和脂质的功能，保护机体免受OS 的影响［20］。谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase 1，GPX1）是一种硒依赖蛋白，是GPX 的主要和最丰富的同工酶。GPX1 位于细胞质中，存在于大多数实质器官和外周血细胞，通过催化减少潜在有害的过氧化物，从而有助于减少OS 来维持健康，在细胞抗氧化防御机制中发挥不可或缺的作用。在ASD 的研究中，GPX 活性降低且GPX1 中ALA6 等位基因可能对该疾病具有保护作用［21］。

3.1.3 非酶抗氧化剂GSH

谷胱甘肽氧化还原信号在ASD 患者中发挥着重要作用［15］，在颞叶和小脑中发现GSH 水平降低、GSH 及氧化性谷胱甘肽（Oxidative glutathione，GSSG）氧化还原比降低等大脑特异性变化引起OS 时，GSSG 是ASD 神经炎症的重要因素［22］。ASD 患儿血液中GSSG 高于正常儿童，而还原谷胱甘肽、总谷胱甘肽、GSH/ GSSG、总GSH/GSSG比值是降低的［23］。因此，谷胱甘肽通过改善抗OS系统及参与神经炎症的神经保护来减少OS，这极有可能是自闭症的潜在治疗方法。

3.2 外源性抗氧化剂

3.2.1 维生素

维生素和营养素对神经系统维持正常功能是极其重要的。维生素D 是一种神经类固醇激素，在中枢神经系统发育中发挥着重要作用［24］，ASD患儿血液维生素B9、维生素D、维生素B12 以及维生素E 浓度相对于健康对照儿童呈现下降的趋势，在前瞻性研究的荟萃分析表明，孕产妇或新生儿维生素D 减少的儿童患ASD 的可能性高出54%［25］。因此，为ASD 儿童制定详细的营养评估，并提供及时和密集的干预措施是十分必要的。

3.2.2 微量元素

对于具有ASD 特征的儿童，在整个童年时期筛查营养摄入值是十分重要的。研究表明，Ca 水平与ASD 的核心症状呈负相关，而Ca、Fe 和Zn 与ASD 儿童的格塞尔发展量表评分呈正相关［26-27］。微量元素Se 可以通过调节神经递质水平，减少OS，缓解神经炎症和挽救神经细胞损伤，在小鼠的海马体中起保护作用，不仅降低了ROS 和MDA 含量，还显著提高了SOD 活性、CAT 活性［28］。因此，补充Ca、Se 等微量元素可以减弱孤独症样行为，并改善ASD 疾病模型中的OS、炎症反应和相关基因表达。

3.3 其他生化指标8-OHdG、MDA、T-AOC

机体的氧化损伤是广泛存在的，主要表现为生物大分子（如DNA、蛋白质、脂类等）结构和功能的损伤，并可能导致基因突变、细胞癌变及个体衰老等现象。8-OHdG 由大量ROS 攻击DNA 的鸟嘌呤碱基第8 位碳原子进行氧化反应产生，并能在体内稳定存在，被认为是DNA 氧化损伤中最常用的生物标志物［29］。现可通过高灵敏度、高选择性的检测手段检测8-OHdG，评估体内氧化损伤和修复的程度，OS 与DNA 损伤的相互关系对研究神经退行性疾病、衰老机制、癌症发生机制、环境毒物与OS 的关系等均有重要的意义。

MDA 是常用的膜脂过氧化指标，其含量是反映机体抗氧化潜在能力的重要参数，可表达机体脂质过氧化速率和强度以及间接反映组织过氧化损伤程度。总抗氧化能力（total antioxidant capacity，T-AOC）代表机体抗氧化防御体系的整体状态，能更好地反映机体抗氧化状态［30］。与正常儿童相比，ASD 的T-AOC 水平显著降低，而MDA 水平较高，可能影响氧化剂/抗氧化剂比率失衡导致神经元转导异常，从而导致ASD 特征的认知和言语功能异常［9］。因此，研究并检测OS 生物标志物为临床进一步研究孤独症谱系障碍具有重要意义，可能为今后该病的诊疗提供新的思路。

4 小结与展望

综上所述，OS 和抗氧化防御系统在ASD 的病理过程发挥着重要作用，机体内ROS 升高和清除自由基的内源性抗氧化防护系统能力降低可导致内环境失衡发生OS 进而促进血管内皮损伤和促炎分子分泌造成神经功能紊乱及炎症反应。SOD、CAT、谷胱甘肽相关的生物代谢指标（GSH、GSSG、GPX）可作为ASD 患者OS 重要标志物，可能与ASD 危险因素和发病机制密切相关，有利于为该病早期预防与诊治提供依据。