孤独症代谢组生物标志物

文章来源：【公众号】自闭症医学进展；ID号：woniubbhealth

简介：《PlasmaandFecalMetaboliteProfilesInAutismSpectrumDisorder》是2020年发表在BiologicalPsychiatry上的一篇临床试验性文章，研究结果显示，特定代谢产物的变化与孤独症（ASD）临床行为评分密切相关，提示特定代谢产物或可作为ASD的生物标志物。

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研究方法

该研究是一项队列研究，研究者通过质谱法（LC/MS和DMS-MS）对比分析了3-12岁ASD患者与健康儿童的血浆样本（130例ASD样本：其中40例伴有胃肠道症状；101例健康对照样本）以及粪便样本（57例ASD样本，40例健康对照样本）的代谢组差异。样本分析使用了整体的血液和粪便代谢物数据集合，包含1611个来源于血液的代谢物和814个来源于粪便的代谢物。

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研究结果

1.代谢组差异：

研究者对231例血浆样本及97例粪便样本分别进行代谢组学检测，结果发现，在ASD和健康对照儿童中，检测到1611个代谢物，其中差异物194个；粪便一共检测到814个代谢物，其中差异物19个。通过随机森林分析发现，无论哪种样本类型，预测效果都不佳，预测准确性均在0.7左右。随机森林得到的前30种代谢物，是ASD和TD人群之间总体代谢差异的最强驱动因素。差异性代谢产物主要来自脂质、氨基酸、辅因子/维生素途径等。这个结果也进一步说明孤独症患者与健康人群的代谢物差异不仅存在于粪便当中，也存在于血液中，可能通过循环系统影响全身的代谢物水平，包括大脑。在孤独症ADOS评分中，语言和社交打分主要与脂质代谢途径相关；语言打分与血浆中甘油脂类、血浆和粪便中的胆汁酸类和鞘脂类呈现中度的负相关。社交打分与血浆中总游离脂肪酸水平呈现正相关，尤其是C18链长的。

2.氧化应激途径：

在个体代谢物水平，研究发现ASD患儿症状的严重程度打分（ADOSSS）与氧化应激途径中的代谢物（半胱氨酸、蛋氨酸、S-腺苷-L-蛋氨酸和谷胱甘肽途径）之间存在显著正相关。其中一些分子如亚牛磺酸和牛磺酸，在ASD粪便样品中含量较高，而在ASD血浆样品中含量较低。可能是因为这些物质在粪便中的产生和排泄不同，或者由于肠道通透性改变导致血浆透过率改变。

牛磺酸在体内发挥多种作用，之前研究发现ASD中牛磺酸水平的变化。亚牛磺酸和牛磺酸的缺乏已经发现会导致大脑中细胞分化的障碍，以及影响神经元的信号传导。

3.氨基酸代谢

氨基酸降解、体内平衡和进入大脑等过程的失调被认为是ASD患者神经元应激的一个原因。代谢组学数据显示，ASD患者中一些氨基酸通路失调如谷氨酸、谷胱甘肽、甲硫氨酸和γ-谷氨酰代谢物等与ASD的严重程度有关。氧化应激相关的谷胱甘肽途径前体物质如γ-谷氨酰代谢物等能够影响γ-氨基丁酸（GABA）等神经递质的水平，在ASD的发生发展中扮演着重要作用。有研究发现，ASD患者体内γ-谷氨酰代谢物和其他氧化还原过程中的代谢物增加与ASD患者的行为能力密切联系。在本研究中发现γ-谷氨酰代谢物与ASD患者症状严重程度之间存在显著的负相关关系。另外，尿素循环可以使氨基酸中的氨基通过尿液排出体外，尿素循环通路异常表明氨基酸降解异常，导致血液中含氮化合物的增多，造成神经毒性积累。

4.脂质代谢：

脂质对于能量储存、细胞膜完整性和细胞信号传导至关重要，并且可以在中枢神经系统中发挥多种作用，脂质水平与ASD密切相关。以往的研究发现，ASD中磷脂的水平降低，长链脂肪酸的水平升高，而多不饱和脂肪酸（PUFA）的含量在不同的研究中有不同的变化。本研究对999种脂质进行了全面的定量分析，其中，有13.7%在ASD和健康对照组中存在显著差异，具体来说，与健康对照相比，4.6%在ASD中升高，9.1%在ASD中降低。存在显著差异的脂质包括磷脂、胆固醇和甘油，一般来说，较短的饱和脂肪酸在ASD中的含量较低。在粪便样本和血浆样本中，多不饱和脂肪酸水平往往呈现相反的趋势，未来还需进一步研究其变化与ASD之间的关系。虽然多不饱和脂肪酸等脂质分子具有抗炎作用，其在体内的含量降低可能直接导致胃肠道功能障碍，但目前没有观察到脂质代谢与ASD胃肠道症状（包括腹泻、便秘和肠易激综合征等）之间存在显著的相关性。

5.细胞能量与氧化应激

与健康对照组相比，孤独症的细胞能量和氧化应激水平发生改变。多项研究发现，酰基肉碱可以作为线粒体和氧化应激的标志物，并且是线粒体功能障碍的既定指标，可以反映细胞的代谢状态。酰基肉碱允许脂质通过线粒体膜以进行β-氧化，发生异常可能造成脂质的异常高水平累积，同时β-氧化降低。

与没有胃肠道症状的ASD患者相比，合并胃肠道症状的ASD患者在粪便样本中短链酰基肉碱的含量增加而长链酰基肉碱的水平下降。另外，酰基肉碱的水平与ASD社交行为的严重程度呈显著的正相关关系，这是由短链酰基肉碱驱动的。在ASD粪便样本中，乙酰肉碱和游离肉碱的含量增加。在ASD的血浆和粪便样本中，磷脂代谢标志物和其他线粒体标志的含量也不尽相同，其中，磷脂代谢标志物水平在粪便样本中增高。

这些结果表明，线粒体功能障碍可能不仅是ASD的共患病，也可能是ASD潜在的风险因素。代谢物的变化及其与ASD严重程度的关联为ASD中线粒体和氧化应激变化提供了越来越多的支持性证据。

6.类固醇激素代谢：

以往的多项ASD相关研究检测了雄激素、孕烯醇酮和孕酮代谢途径中的类固醇代谢物的水平，结果发现类固醇代谢物异常水平与ASD严重程度呈正相关关系，且降低特定的类固醇代谢物后ASD相关行为得到改善。

但最近的一项研究发现相反的结果，在对ASD儿童进行抗氧化治疗的临床试验中，孕烯醇酮和雄激素的水平增加与ASD行为改善相关。此次研究发现，ASD患者中孕烯醇酮和雄激素途径中许多检测到的代谢物增加，这说明与胆固醇下游代谢相关的生理途径在ASD和健康对照人群中存在显著差异。而类固醇代谢在整体上没有变化，这是因为大多数初级胆汁酸和甾醇代谢物没有受到影响。另外，这些激素水平的升高与性别无关，且雄激素水平随着年龄的增加而增加。

7.酚类代谢物：

酚类代谢物，是包含酚结构的、类别多样化的数千个分子，来源于食物成分或者芳香氨基酸被肠道菌群生物合成。酚类代谢物在生物体内以游离酚的形式存在，可以通过肠道组织被宿主吸收，然而微生物对酚类代谢物的作用可以显著改变其吸收程度、生物利用度和活性，从而对宿主产生不同的作用。很多研究都强调了酚类代谢物在ASD中的作用，但是具体的变化情况目前尚无定论。

此次研究发现，与健康对照相比，ASD患者的酪氨酸、苯甲酸盐和食物成分/植物代谢物等途径的酚类代谢物趋向于发生改变。对甲酚硫酸盐是ASD儿童尿液中显著升高的一种有毒分子，这些变化的酚类代谢物有一部分与对甲酚硫酸盐的结构相似，包括4-乙基苯基硫酸盐（4-EPS）、2-乙基苯基硫酸盐、甲酚衍生物、4-烯丙基苯基硫酸盐和4-甲基苯磺酸盐等。其中，4-甲基苯磺酸盐在一部分ASD患者中提高了约60倍。同样的，在动物模型中也观察到了这些酚类代谢物的变化。以往的研究发现，在母体激活免疫小鼠模型中，4-EPS升高46倍，且给予野生型小鼠4-EPS可以诱导其产生焦虑样行为。此次研究中发现与健康对照相比，4-EPS在ASD的血浆样本中增加了6.9倍，且这些个体其他酚类代谢物的水平也明显升高，包括4-乙酰苯基硫酸盐和4-EPS的衍生物等。这些结果共同说明，酚类代谢物与ASD的发生发展密切相关。

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研究结论

这些发现支持在孤独症症状表现与代谢物、胃肠道生理情况之间存在相关性，并可以开发孤独症的生物标志物。

1.孤独症和健康对照儿童的氨基酸、脂质和异源代谢物存在显著差异；

2.孤独症中氧化应激和线粒体功能障碍、脂质分布变化显著改变；

3.特定代谢物谱与孤独症临床症状的严重程度存在相关性。

参考文献：NeedhamBD,AdameMD,SerenaG,RoseDR,PrestonGM,ConradMC,CampbellAS,DonabedianDH,FasanoA,AshwoodP,MazmanianSK.PlasmaandFecalMetaboliteProfilesinAutismSpectrumDisorder.BiolPsychiatry.2021Mar1;89(5):451-462.doi:10.1016/j.biopsych.2020.09.025.Epub2020Oct10.PMID:33342544;PMCID:PMC7867605.