我国学者发现肠道菌群参与孤独症发病新机制

孤独症谱系障碍（Autism Spectrum Disorder, ASD）是一组复杂的神经发育障碍性疾病，主要特征为受损的社交功能，重复刻板行为和狭窄兴趣。

根据美国疾病预防与控制中心的统计数据，过去十年里该疾病的发病率呈现逐年上升的趋势。

今年公布的数据显示美国8岁儿童的ASD患病率为1/54，比2002年公布的1/150高出将近两倍。

ASD的病因复杂，异质性强，环境因素和遗传因素共同起作用，目前没有发现确切的病因机制。

越来越多的证据表明ASD儿童肠道菌群失调，比如双歧杆菌丰度降低，梭菌属丰度上升，但是并没有得出一致的结论。

这是由于遗传、环境等因素导致个体肠道菌群组成存在高度异质性，个体间的异质性可能会覆盖疾病导致的肠道菌群改变。

基于此，研究者提出了一个新的肠道菌群差异分析的策略，即类配对分析法，将具有相似代谢背景的ASD儿童与健康儿童配对，得到若干ASD-对照对子，再进行差异分析。

2020年10月22日，来自北京大学的王娟团队和中科院基因组所的康禹团队合作在Science Advances杂志上发表了题为 ”A quasi-paired cohort strategy reveals the impaired detoxifying function of microbes in the gut of autistic children” 的论文。

研究者应用宏基因组学技术，采用类配对分析法，揭示了孤独症患者肠道菌群解毒功能及谷胱甘肽生成下降；这些解毒酶的丰度与儿童尿液中线粒体功能标志物浓度显著负相关，提示菌群解毒功能对线粒体有潜在保护作用；并且基于这些酶构建的诊断模型能准确区分孤独症和健康对照儿童（AUC 0.88），且诊断分数与ASD临床评分相关。

研究结果揭示由于孤独症儿童微生物组失衡，产生微生物解毒功能受损，导致机体毒素蓄积及线粒体功能受损，这可能是微生物参与孤独症发病的重要新机制，并为孤独症医学干预提供新的策略。

关于肠道菌群与ASD相关性的研究已经有很多，但是未能得出一致的结论。

哪些微生物与ASD的致病因素相关，肠道菌群的哪些功能可能影响到ASD的发生发展？

为了深入了解这些问题，研究者们招募了39名ASD儿童，40名年龄性别相匹配的对照儿童，并收集了他们的粪便样本进行宏基因组测序分析。

宏基因组分析共鉴定出209种物种，每个样本包含101±14种物种。

ASD组和对照组的α和β多样性没有显著性差异。

主成分分析显示，ASD个体和对照个体散在分布，两组间没有显著差异。

肠道菌群组成在ASD和对照组间未能有效区分，不同表型的组内和组间样本的距离也无显著差异。

这些都表明ASD与对照组在肠道菌群层面的差异很可能被个体间的高度异质性所掩盖。

尽管可以通过传统的差异分析筛选出一些差异菌群，菌种也与前人研究部分结果相符，但是这些菌群并未展现出集中的特征，所富集出的差异代谢通路所含信息量较少，无法提示菌群通过何种机制影响ASD的发生发展。

鉴于肠道菌群高度的异质性，研究者设计了类配对分析法（图1）：通过比较代谢背景相似但表型不同的样本，排除共同的代谢背景，挖掘出两组样本之间的菌群功能特征（类似基因组分析中的双胞胎研究）。

研究者构造了配对组，总共有65对ASD-对照对子，采用配对t检验的方法鉴别出了96条ASD相关的通路，其中39条上调的通路，57条下调的通路。

特别地是，在ASD组中可以看到显著的解毒通路的下降，共5条毒素降解相关的通路下降，其中两条通路与谷胱甘肽合成有关，分别为γ-谷氨酰循环通路和谷氨酸盐及谷氨酰胺合成通路，谷氨酰胺和谷氨酸盐是谷胱甘肽的前体物质。

另外三条毒素降解通路为甲基膦酸酯（Methylphosphonate）、3-苯基丙酸酯（3-phenylpropanoate）、3-(3-羟苯基)丙酸甲酯（3-(3-hydroxyphenyl)-propanoate和丙酮醛降解通路，这些通路上所有的酶都在ASD组中下降（图2）。

研究者定量测量了ASD儿童和对照儿童尿液有机酸的浓度，并将尿液有机酸的浓度与ASD肠道微生物解毒酶做了相关性分析。

结果显示，与对照组相比，大部分ASD儿童存在代谢异常，这与早先的研究结果一致。

ASD组最显著的尿液有机酸浓度异常为线粒体标记物乌头酸、辛二酸、2-羟基马尿酸、延胡索酸等代谢物水平升高，这表明ASD儿童的三羧酸循环发生障碍。

研究者发现这些线粒体标记物与ASD肠道微生物解毒酶呈显著负相关（图3），表明ASD肠道微生物解毒酶与线粒体保护功能有关。

采用随机森林的方法，研究者构建了基于解毒酶的诊断模型，并用ROC曲线评估诊断模型的功效，发现诊断模型的AUC值为88%，对ASD具有较好的诊断效果。

最重要的五个酶为谷胱甘肽合成酶，谷氨酸盐/谷氨酰胺合成酶，氨基苯甲酸酯降解酶、氯烷烃降解酶、丙酮醛降解酶。

研究者对每个样本中的平均诊断得分和ASD的临床评估得分进行了相关性分析，由于诊断得分是基于解毒酶计算的，因此诊断得分也可以看作是微生物解毒功能受损的综合得分。

诊断得分随着ASD严重程度的增加而增加，即随着临床评估得分的增加而增加（图4）。

这些相关性也表示，受损的微生物解毒功能与ASD严重程度相关，表明肠道微生物组的变化可能通过解毒功能障碍参与ASD的发病机制。

由于肠道菌群在个体间的高度异质性，本研究采用类配对分析法，排除了饮食、遗传等因素导致的肠道菌群差异的影响，发现在孤独症儿童中肠道菌群解毒功能受损，且可能导致线粒体功能障碍，并与症状严重程度相关。

基于解毒酶的诊断模型，对孤独症具有较好的诊断效果。这一发现可能为孤独症的研究和干预策略提供新的方向。 

原文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/43/eaba3760