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肠道微生物与孤独症谱系障碍的研究进展

  • 2020-01-11 05:12:43
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摘   要:孤独症谱系障碍(ASD)的发病率逐年上升。遗传和环境因素是 ASD 发病的主要原因,其中一个重要的环境因素即肠道微生物失调。近年来,随着肠道微生物与 ASD 相关研究的不断深入,发现肠道微生物可能通过其代谢产物、神经内分泌系统、影响线粒体功能以及表观遗传学调控等机制参与 ASD 的发病。
关键词:孤独症,孤独症谱系,行为问题,社会交往


黎萍1,王叶2,邢杰11 

吉林大学第二医院发育儿科,吉林 长春 130041;2 吉林大学第三医院儿科,吉林 长春 130033


中图分类号:R179  文献标识码:B  文章编号:1008-6579(2016)12-1284-03  doi:10.11852/zgetbjzz2016-24-12-15 

中国儿童保健杂志2016年12月第24卷第12期 CJCHC DEC.2016,Vol 24,No.12


孤 独 症 谱 系 障 碍 (autism spectrum disorder,ASD)的发病率逐年上升。美国疾病预防控制中心2014年 发 布 的 统 计 数 据 表 明,2010 年 美 国 儿 童ASD 的患病率已达到14.7‰,相当于68名儿童中即有 1 例 ASD。对大量同卵双胞胎的调查研究显示,遗传和环境因素是 ASD发病的主要原因,其中一个重要的环境因素是肠道微生物失调[1]。新近的研究表明,肠道微生物通过调控宿主肠道神经内分泌系统、表观遗传学等途径影响 ASD 的发病。本文综述了目前关于肠道微生物与 ASD 的研究进展,将有助于更好地了解 ASD 发病的生物学机理,并从调控肠道微生物的角度为 ASD的潜在治疗提供新思路。


1 肠道微生物与 ASD 发病有关

脑肠轴(brain-gut-axis)包括中枢神经系统、自主神经系统、下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA)、肠道内神经系统等,各部分功能相互协调、相互影响。研究发现,血液中约70%的物质来自肠道,其中36%的小分子物质由肠道微生物产生。肠道微生物通过微生物-肠道-大脑轴不仅影响人体的生理健康,还影响人的神经心理和行为。临床研究显示,ASD 与肠道微生物之间存在相关性,该关联对于相当一部分 ASD 儿童具有临床意义。有研究表明,ASD 儿童肠道微生物多样性和菌群数量的改变与 ASD 病情严重程度显著相关,而与肠道症状和饮食构成无关[2];也有研究表明,ASD儿童肠 道 微 生 物 改 变 与 其 肠 道 症 状、饮 食 构 成 和ASD 病情严重程度均相关,但是与 ASD 症状相关性更显 著[3]。研 究 发 现,ASD 儿 童 肠 道 中 的 普 氏菌、粪球菌和未分类的韦荣球菌明显减少;厚壁菌/拟杆菌的比例低于正常人;病情严重的 ASD 儿童肠道中放线菌和变形菌、脱硫弧菌和普通拟杆菌明显增多,革兰氏阴性的脱硫弧菌和普通拟杆菌数量显著增多;ASD 儿童肠道中的梭状芽孢杆菌、溶组织梭菌的数量显著多于正常对照组。正常人肠道中罕见脱硫弧菌和萨特菌,而约 50% 的 ASD 儿童以及超过50%有胃肠症状的 ASD 儿童肠道中分别可检测到这两种细菌[4]。ASD 还 可能与 真菌的过度增殖有关。研究发现,ASD 儿童尿液中真菌感染的标志物 D-阿拉伯糖醇的含量显著高于正常人;ASD 儿童使用如制霉菌素、氟康唑和酮康唑等抗真菌药后,ASD 症状也有所改善[5]。动物实验 表 明,革 兰 氏阴性病 原 菌脂多糖 (li-popolysaccharide,LPS)导 致 的 炎 性 反 应 可 引 发ASD;此外,LPS还会导致谷胱甘肽水平的降低,增加 ASD 和 共 济 失 调 等 疾 病 的 发 生 风 险[6]。Hsaio等[7]发现,ASD 模型小鼠有肠道渗透性增加和肠道微生物的改变;而外源性给予人类肠道共生的脆弱拟杆菌能够恢复 ASD 小鼠正常的肠道渗透性和肠道微生物构成,并改善其焦虑行为、异常的社交行为和重复刻板行为,改善其感觉、运动能力。


2 肠道微生物与 ASD 发病相关的机制

2.1 肠道微生物代谢产物的作用及对肠壁和血脑屏障通透性的影响

 短链脂肪酸(short-chain fattyacids,SCFA)是肠道微生物主要的代谢产物,其中乙酸、丙酸和丁酸占 SCFA 总量的90%~95%。动物模型和流行病学研究表明,SCFA 与 ASD 发病有关。丙酸(propionic acid,PPA)是肠道微生物代谢产生的一种短链脂肪酸;向大鼠体内注射 PPA 可引起社会交往障碍等 ASD 样行为[8]。ASD 儿童体内丙氨酸显著高于正常人;丙氨酸能透过血脑屏障,并与抑制 性 神 经 递 质 γ-氨 基 丁 酸 (gamma-aminobu-tyric acid,GABA)竞争,导致大脑加速产生 GABA,过量的 GABA 可 导 致 小 鼠 出 现 社 会 交 往 障 碍[9]。梭菌释放外毒素和丙酸盐,而丙酸盐会导致大鼠出现 ASD 样行为;艰难梭状芽孢杆菌产生的甲酚会降解谷胱甘肽,加重 ASD[10]。ASD 模型小鼠血 液中有较高水平的4-乙基苯酚硫酸盐(4-ethylphenylsul-phate,4EPS),将4EPS注入到正常小鼠体内后可导致其出现 ASD 样行为[7]。正常的血脑屏 障 是 脑 发 育 和 功 能 完 整 性 的 关键,血脑屏障的发育有赖于正常的肠道通透性与肠道微生物。一方面,肠道微生物对肠道屏障完整性的维持十分重要。动物实验证实,在全肠外营养大鼠模型中静脉添加 SCFA 可以有效维持肠绒毛高度、宽度 及 隐 窝 深 度,维 持 肠 上 皮 细 胞 完 整 性[11]。无菌鼠肠道上皮的完整性受损,而添加肠道微生物代谢产物丁酸后,肠道屏障能够恢复正常。此外,丁酸还可以促进肠道 Caco-2细胞机械屏障分子蛋白ZO-1蛋 白 和 Occludin 蛋 白-5 的 表 达。 另 外 一 方面,血脑屏障的通透性受肠道微生物影响。LPS引发 ASD 与其炎性反应增加血脑屏障的通透性有关。和具有正常肠道微生物的小鼠比较,胚胎期无菌的小鼠肠道紧密连接蛋白 Occludin及 Claudin-5的低表达,血脑屏障通透性增加,并且持续到幼年甚至成年时期[12]。

2.2 肠神经系统和迷走神经的双向调控

 肠神经系统和迷走神经为肠道和 大脑 提供了双向联 系 途径。肠炎沙门菌可通过迷走神经扩散到大脑。给予小鼠益生菌可改善其抑郁行为,改变相应的脑神经递质;而切除迷走神经能减轻益生菌的这些作用,表明迷走神经对肠道微生物和大脑之间的联系是必须的[13]。空肠弯曲杆菌感染导致焦虑行为明显增加;肠道微生物可导致内脏感觉神经核,尤其是孤束核的c-Fos表达迅速增加。

2.3 线粒体功能紊乱

 线粒体功能紊乱会损害能量高度依赖的神经 发 育 过 程,与 ASD 发 病 密 切 相关。约5%的 ASD 儿童有线粒体功能紊乱;梭菌、脱硫弧菌、萨特菌和拟杆菌等 ASD 相关菌群的代谢产物PPA可通过促使线粒体三羧酸循环中 PPA 到丙酰辅酶 A(propionyl-CoA)的过程异常,引起线粒体功能紊乱,并导致 ASD以及其他的神经行为问题[14]。

2.4 神经内分泌机制

 肠道微生物可直接影响宿主的 HPA 轴;而宿主分泌的应激相关的神经 化学物质肾上腺素、去甲肾上腺素等,可作用于细菌信号途径,促进细菌增殖。幽门螺旋杆菌利用左旋多巴(L-DOPA)促进生长,而抗生素抑制该菌可增加 L-DOPA 的利用度,因而缓解神经认知紊乱[15]。

2.5 表观遗传学改变 

DNA 甲基化、组蛋白修饰和非编码 RNA 等表观遗传 学 因素是 ASD 发病的机制之一;肠道微生物可通过多方面改变表观遗传学。肠道微生物的代谢产物SCFA 可影响表观遗传学调控的关键酶。例如,丁酸可使组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)乙酰基从组蛋白转移,是 HDAC的抑制因子;丙酸、乳酸和丙酮酸也是HDAC抑制剂。肠道微生物依赖 HDAC-3调控肠道黏膜的炎症反应。肠道微生物能合成叶酸和维生素 B12,后 两 者 对 DNA 的 甲 基 化 和 组 蛋 白 非 常 重要[16]。此外,肠道微生物可分泌小编码 RNA,并与宿主交互作用[17]。


3 针对肠道微生物的治疗

近年来,通过改善肠道微生物对 ASD 儿童进行干预来的研究取得了一定进展。美国1名3岁中重度 ASD 男童,口 服阿 莫 西 林 第 4 天 后 症 状 显 著 改善[18]。嗜酸乳杆菌能明显改善 ASD 儿童的眼神交流、社会交往和反馈行为等。33名 ASD儿童服用含有5种益生菌的胶囊和1种来自乳酸菌裂解物的免疫激活剂21d后,29名儿童的语言沟通、社会交往、感觉、认知以及行为等方面的症状明显改善[19]。2例ASD儿童接受粪菌移植治疗后,行为学表现明显改善,但机会感染增加[20]。目前,有1/5的医生建议,ASD儿童常规给予益生元治疗。由此可见,干预肠道微生物能改善一部分 ASD 儿童的行为学表现,也从另一方面说明 ASD发病与肠道微生物异常有关。目前的研究已经证实 ASD 与肠道微生物之间存在密切联系,但尚不明确肠道微生物是 ASD 的发病原因还是结果,或者只是一种混淆因素。目前的研究表明,以肠道微生物为靶标进行干预对 ASD 的治疗具有积极意义,但需要大样本的临床随机对照研究来进一步证实其作用,严格地评估其安全性和有效性,并采用更严格的实验方法,进一步明确肠道微生物影响 ASD 发病的机制。肠道微生物将会是ASD 研究的重点方向之一;以肠道微生物作为靶标的食物、益生菌、益生元、合生元、益生素、粪菌移植等方法有望用于 ASD 的治疗。


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