补充丁酸对于孤独症的作用

简介：意大利研究团队在孤独症模型小鼠中发现，母亲在怀孕和哺乳期间补充丁酸可提高后代体内的丁酸水平，进而可以减轻后代的神经发育异常和孤独症样行为。该项研究成果于今年10月发表在《生物医学与药物治疗》（Biomedicine & Pharmacotherapy）杂志上。

1. 研究背景

近年来，越来越多的证据证实了肠脑轴的存在，即肠道与脑之间存在双向调控机制。研究发现，患有孤独症等神经系统疾病的患者普遍伴随肠道菌群失衡，肠道菌群失衡可以通过影响肠道菌群代谢物等途径进一步诱发和加重神经系统疾病的症状表现[1,2]。

肠脑轴双向调节机制

来源：Socała K, et al. The role of microbiota-gut-brain axis in neuropsychiatric and neurological disorders.  Pharmacological Research, 2021, 172: 105840.

短链脂肪酸是一类含有2-5个碳原子的饱和脂肪酸，同时也是一类在脑肠轴中起重要介导作用的肠道菌群代谢物，可由部分肠道细菌分解膳食纤维生产出来。其中最具代表性的短链脂肪酸是丁酸。

研究表明，丁酸可通过调节神经系统、免疫系统和内分泌系统改善认知与记忆，并起到抗焦虑和抗抑郁的作用。具体说：

1）丁酸可直接影响连接脑和肠道的迷走神经从而调节相关脑区的脑电活动；

2）通过增强组蛋白的乙酰化提升脑内神经营养因子水平，起到促进神经元生长发育、提高神经元活性和修复神经元损伤的作用；

3）补充丁酸还可以改善肠漏、降低肠道中促炎介质的表达和调节肠内分泌细胞的活性，从而间接地减少免疫激活和神经炎症，起到改善神经系统和缓解神经精神症状的效果 [3]。

短链脂肪酸在肠脑轴中的作用

来源：Dalile B, et al. The role of short-chain fatty acids in microbiota-gut-brain communication. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 2019, 16(8): 461–478.

2019至2020年，郑州大学和山东大学的研究团队相继发现孤独症儿童肠道中丁酸盐水平显著低于健康儿童[4,5]，提示丁酸盐水平低可能是孤独症的诱发因素。

同期，重庆医科大学的研究团队在健康志愿者中发现胎儿在出生时脐带血中的丁酸盐水平与母亲生产前血清中的丁酸盐水平呈现显著的正相关关系，提示孕妇血液中的丁酸盐可通过胎盘和脐带运输至胎儿体内[6]。

意大利那不勒斯费德里科二世大学的研究团队综合以上结果并结合丁酸促进神经系统发育的功能特性，推测儿童患孤独症可能与母亲孕期体内丁酸盐水平较低有关：母亲孕期体内丁酸盐水平较低，易造成儿童在胎儿期和出生后一段时期内体内缺少丁酸盐，进而可能导致儿童出现神经发育障碍，并最终表现为孤独症。若这一猜想成立，那么母亲在怀孕期间补充丁酸盐则有望能够预防和避免儿童出现神经发育障碍和孤独症症状。

今年10月，该研究团队在孤独症模型小鼠中证实了上述部分猜想。他们发现母鼠在怀孕和哺乳期间补充丁酸盐可提高后代体内的丁酸盐水平进而可以减轻后代的神经发育异常和孤独症样行为，并将研究成果发表在《生物医学与药物疗法》期刊上[7]。

母亲在怀孕和哺乳期补充丁酸盐减轻神经发育异常和孤独症行为

来源：Coley EJL, Hsiao EY. Malnutrition and the microbiome as modifiers of early neurodevelopment. Trends in Neurosciences, 2021, 44(9): 753-764.

2. 研究方法

本项研究以BTBR孤独症模型小鼠作为实验对象，这种小鼠携带突变基因，可引发小鼠出现社交缺陷和重复刻板行为等孤独症样行为。

研究人员将BTBR母鼠（以下称为“孤独症母鼠”）与同品系雄鼠同笼，并将孤独症母鼠分为两组。一组孤独症母鼠在怀孕全程和哺乳期（产后0-18天）每天饮用含有约30mg/kg的丁酸盐的水，另一组孤独症母鼠则全程饮用不含丁酸盐的水。孤独症母鼠产仔后第18天，将母鼠与鼠仔分离（断奶），并在幼鼠出生后第30天和第60天对幼鼠开展行为学、形态学和电生理学检测。

同时，本项研究以B6小鼠作为健康对照并开展平行实验。这种小鼠的基因型、生理状态及行为表现均正常。为便于读者理解，以下将称B6母鼠及其后代为“健康母鼠”及“健康幼鼠”。

3. 研究结果

1）母亲在怀孕和哺乳期间补充丁酸盐可提高后代体内丁酸盐水平

研究人员分别检测了在孕期和哺乳期补充了丁酸钠的孤独症母鼠、未补充丁酸钠的孤独症母鼠、健康母鼠以及它们的后代在产仔（出生）时和断奶时的血浆丁酸盐水平。

结果显示，未补充丁酸钠的孤独症母鼠，其自身与后代在产仔（出生）时和断奶时的血浆丁酸盐水平显著低于同时期的健康母鼠及健康幼鼠；而孕期和哺乳期补充了丁酸钠的孤独症母鼠及其后代在产仔（出生）时和断奶时的血浆丁酸盐水平，则显著高于未补充丁酸钠的孤独症母鼠及所生后代，并且与同时期健康母鼠及健康幼鼠的血浆丁酸盐水平持平。

此外，还发现补充了丁酸钠的孤独症母鼠的后代在出生30天后（即断奶12天后）血浆丁酸盐水平仍显著高于未补充丁酸钠的孤独症母鼠的后代的同时期水平，并且与同时期健康幼鼠的血浆丁酸盐水平无显著差异。

上述结果表明，孕期和哺乳期口服丁酸钠可提升母亲和后代血浆中的丁酸盐水平，并进一步证实了丁酸盐可经胎盘由母体运输至胎儿；同时也提示，母体内的丁酸盐还可经乳汁传输给后代，从而使后代体内的丁酸盐水平在母乳喂养阶段和断奶后一段时期内得以维持。

2）孤独症母鼠在怀孕和哺乳期间补充丁酸盐可减轻后代孤独症幼鼠的社交缺陷和重复刻板行为

接下来，研究人员在幼鼠出生后第30天和第60天时开展行为学测试，以评价不同干预类型的母鼠所生后代的社交和重复刻板行为程度。

数据显示，在出生后第30天时，未补充丁酸钠的孤独症母鼠所生后代的埋珠行为和自我理毛行为显著多于健康幼鼠，而补充了丁酸钠的孤独症母鼠所生后代的埋珠行为和自我理毛行为数量较未补充丁酸钠的孤独症母鼠所生后代显著降低。

这一结果表明在孕期和哺乳期给孤独症母鼠补充丁酸可减轻其后代的重复刻板行为。

人和动物都具有主动接近并探索同类的自然行为，即社会亲和行为，这一行为是建立社会交往的基础。研究人员借助三箱实验检测了不同小鼠的社会亲和行为。

结果显示，健康幼鼠与其他小鼠的相处时长显著多于与静态物体相处和自身独出的时长，表明健康幼鼠可表现出明显的社交意向。而未补充丁酸钠的孤独症母鼠所生后代与其他小鼠的相处时长则显著少于与静态物体相处和自身独出的时长，并且也显著少于健康幼鼠与其他小鼠的相处时长，表明未补充丁酸钠的孤独症母鼠所生后代未能表现出明显的社交意向，且具有较高的“孤独程度”。

令人惊喜的是，补充了丁酸钠的孤独症母鼠所生后代显示出与健康幼鼠相仿的社交亲和行为，表现出明显的社交意向。其在出生后第30天和第60天时与其他小鼠的相处时长显著多于与静态物体相处和自身独出的时长，并显著多于未补充丁酸钠的孤独症母鼠所生后代与其他小鼠的相处时长。这一结果表明孤独症母鼠在孕期和哺乳期补充丁酸可减轻其后代出生后的社交缺陷、恢复其正常社交行为。

以上结果表明，先天带有孤独症突变基因的幼鼠，若其母亲在怀孕期间和哺乳期间补充丁酸盐，则可减轻其在出生后的重复刻板行为和社交缺陷。

3）孤独症母鼠在怀孕和哺乳期间补充丁酸盐可减轻后代孤独症幼鼠的小脑异常扩张现象

部分孤独症儿童存在头围和脑体积过大的特征，而本项研究所选用的BTBR孤独症模型小鼠也具有类似的生理特征，即小脑扩张。

研究人员对不同干预类型的母鼠所生幼鼠在出生后第30天时的小脑切片进行形态学分析，发现未补充丁酸钠的孤独症母鼠所生后代的小脑外周周长、小脑总面积以及小脑各层结构（颗粒层、分子层、白质层）的面积均显著大于健康幼鼠；同时，相比未补充丁酸钠的孤独症母鼠所生后代，补充了丁酸钠的孤独症母鼠所生后代的上述小脑指标均显著减小。以上结果表明，孤独症小鼠的小脑出现异常扩张，而孤独症母鼠在孕期和哺乳期补充丁酸则可减轻后代孤独症幼鼠在出生后的小脑异常扩张情况。

4）孤独症母鼠在怀孕和哺乳期间补充丁酸盐可预防后代孤独症幼鼠出现小脑浦肯野细胞兴奋性异常降低和突触可塑性受损

夹在小脑颗粒层和分子层之间的浦肯野细胞是小脑皮质中唯一的传出神经元。作为小脑皮层唯一的传出通路，浦肯野细胞在小脑功能的执行（如协调运动平衡、形成工作记忆、发出语音等）中起着至关重要的作用。

研究人员通过给予不同强度的电流刺激并借助膜片钳技术检测了不同幼鼠在出生后第60天时小脑浦肯野细胞的电生理特性，发现在使用高强度电流（700pA和800pA）进行刺激时，未补充丁酸钠的孤独症母鼠所生后代的浦肯野细胞放电频率显著低于健康幼鼠，而补充了丁酸钠的孤独症母鼠所生后代的浦肯野细胞放电频率与健康幼鼠持平。

这一现象表明，孤独症小鼠的小脑浦肯野细胞对高强度刺激的兴奋性降低，而孤独症母鼠在孕期和哺乳期补充丁酸可预防后代孤独症小鼠出现浦肯野细胞兴奋性异常降低的情况。

突触是神经元之间相互连接并借以传递神经信号的结构。突触的连接强度具有可塑性，其功能可随神经活动的加强而加强、减弱而减弱，从而准确地传递神经信号。小脑平行纤维是小脑浦肯野细胞兴奋性电信号输入的主要来源之一，前者通过突触向后者传递兴奋性神经递质，使后者细胞膜上产生兴奋性突触后电流，从而实现兴奋性信号的传导。

研究人员通过向平行纤维给予高频脉冲刺激后测定浦肯野细胞上的兴奋性突触后电流以检测小鼠浦肯野细胞的突触可塑性。发现健康幼鼠和补充了丁酸钠的孤独症母鼠所生幼鼠的浦肯野细胞可呈现至少30分钟的兴奋性突触后电流的增强，表明平行纤维与浦肯野细胞之间的突触表现出长时程增强作用，即突触可塑性良好；而未补充丁酸钠的孤独症母鼠所生幼鼠的浦肯野细胞在高频脉冲刺激后未表现出明显的兴奋性突触后电流增强，甚至表现出兴奋性突触后电流的抑制，表明平行纤维与浦肯野细胞之间的突触的可塑性受损。

以上结果提示，孤独症幼鼠小脑浦肯野细胞出现突触可塑性受损和兴奋性异常降低，而孤独症母鼠在孕期和哺乳期补充丁酸则可预防后代孤独症小鼠出现上述损伤和异常。

4. 展望

本项研究在小鼠中发现，母体内的丁酸可经胎盘和乳汁传输给后代，母亲在怀孕和哺乳期间补充丁酸盐可提高后代体内的丁酸盐水平，进而可以减轻带有孤独症基因的后代小鼠在出生后的神经发育异常和孤独症样行为，包括减轻社交缺陷、减少重复刻板行为、减缓小脑的异常扩张，以及避免小脑浦肯野细胞出现突触可塑性受损和兴奋性异常降低。

本项研究的结果提示，补充丁酸具有作为孤独症出生前预防手段的潜力，孤独症高风险孕妇（如已育有一孤独症儿童的母亲）在怀孕和哺乳期间补充丁酸可能具有预防子代出现孤独症和神经发育障碍或减轻孩子孤独症症状的作用。

参考文献：

[1] Coley EJL, Hsiao EY. Malnutrition and the microbiome as modifiers of early neurodevelopment. Trends in Neurosciences, 2021, 44(9): 753-764.

[2] Socała K, et al. The role of microbiota-gut-brain axis in neuropsychiatric and neurological disorders. Pharmacological Research, 2021, 172: 105840.

[3] Dalile B, et al. The role of short-chain fatty acids in microbiota-gut-brain communication. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 2019, 16(8): 461–478.

[4] Liu S, et al. Altered gut microbiota and short chain fatty acids in Chinese children with autism spectrum disorder. Scientific Reports, 2019, 9(1): 287.

[5] Wang Y, et al. Probiotics and fructo-oligosaccharide intervention modulate the microbiota-gut brain axis to improve autism spectrum reducing also the hyper-serotonergic state and the dopamine metabolism disorder. Pharmacological Research, 2020, 157: 104784.

[6] Yu L, et al. Butyrate, but not propionate, reverses maternal diet-induced neurocognitive deficits in offspring. Pharmacological Research, 2020, 160: 105082.

[7] Cristiano C, et al. Maternal treatment with sodium butyrate reduces the development of autism-like traits in mice offspring. Biomedicine & Pharmacotherapy,  2020, 156: 113870.