氧化应激在孤独症中的作用机制及生物标志物的应用

简介

《Oxidative Stress in Autism Spectrum Disorder—Current Progress of Mechanisms and Biomarkers》于2022年发表于FRONTIERS IN PSYCHIATRY 期刊。

本研究总结了近年来发现氧化应激引起孤独症的机制及作为生物标志物的最新研究进展。这些研究中鉴定出的潜在生物标志物可用于孤独症的早期诊断与评估，并为孤独症药物或营养治疗干预提供靶点。本文共引用279篇文献来阐述氧化应激与孤独症的关系，知识密度非常高，本周我们介绍相关机制与生物标志物，下周给大家推送关于治疗的内容。

背景介绍

孤独症的发病率逐年上升，寻找可靠的孤独症生物标志物能够促进孤独症的早期诊断与治疗、反映致病过程、评估治疗与干预的结果、确定生理同质的孤独症患者亚群等，因此具有重要的意义。但孤独症的病因和发病机制尚不清楚。尽管孤独症有明显的基因遗传背景，但在发现的超过1000个相关基因中，没有任何一个基因在病例中占比超过1%。孤独症不仅是一种基因多样化的疾病，还与诸多环境因素有关。同时孤独症合并多种共患病，包括癫痫、智力障碍、注意力缺陷、胃肠道问题、睡眠障碍等，因此识别孤独症谱系障碍的生物标志物一直倍具挑战。

有证据表明免疫失调、氧化应激、线粒体功能障碍等是孤独症发病机制的关键组成部分。与此相关的生物标志物在患者的大脑、血液与尿液中都有检测到。这表明这些生物标志物可以用于减少诊断的异质性、提高治疗的反应预测。目前为止，许多研究已经报道了孤独症患者的氧化应激是增加的（包括酶抗氧化剂减少、大脑和外周循环中的DNA、脂质和蛋白质氧化产物增加等），在外周体液中发现的氧化应激标志物与孤独症的严重程度相关。

一、常见抗氧化剂与活性氧之间的相互作用

氧化还原反应是细胞生理过程中不可或缺的一类反应，在此过程中会生成活性氧（reactive oxygen, ROX）。活性氧的主要来源是许多酶：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NOX)异构体、髓过氧化物酶(MPO)、一氧化氮合成酶（NOSs）、琥珀酸脱氢酶（SDH）、二氢乳酸脱氢酶 （DHOH）等，在分离酶或线粒体的研究中，这些酶被证明可以能可观的速率产生活性氧。应该注意的是，活性氧物质（reactive oxygen species, ROS)不是某种特定的分子，它包含了一组来自于分子氧的分子，如：超氧化物（O2-•）、过氧化氢（H2O2•）、羟基自由基（•OH）等。

ROS在正常的生理过程中被细胞的抗氧化防御系统所消除，身体处于一种生理平衡。如果ROS产生增加或细胞抗氧化能力下降，这种平衡就会被破坏，从而导致氧化应激。当细胞遭受严重的氧化应激时，与抗氧化能力失衡的ROS会破坏蛋白质、脂质、DNA等生物分子，也会破坏生物膜等生物结构。各种细胞防御系统的抗氧化能力是基于酶的抗氧化剂，如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)；还有非酶抗氧化剂，如抗坏血酸(维生素C)、尿酸、生育酚(维生素E)、喹啉类、类胡萝卜素与多酚类物质；作为防御系统的补充，还有一些修复系统如蛋氨酸亚砜还原酶、二硫化物还原酶/异构酶、磷脂酶和DNA修复酶，它们能修复被残留的ROS破坏修饰的结构与生物分子。

下图呈现了一些常见抗氧化剂与活性氧之间的相互作用。

二、氧化应激在孤独症中的致病机制

研究表明，孤独症可以由氧化应激的多种形式引起，其中包括蛋白质翻译后变化（如羰基化）、异常代谢（如脂质过氧化）、有毒物质积累（如活性氧积累）。为了检测孤独症患者的氧化应激水平，多种生物标志物已经被开发使用。如过氧化脂质（LOOH）、丙二醛（MDA）、氧化性DNA损伤的标志物8-羟基-2'-脱氧鸟苷（8-OH-dG）、蛋白羰基与3-硝基酪氨酸（3-NT）。总体来说，氧化应激参与了ASD的发病机制。由于遗传和环境因素的相互作用，ASD患者产生过多的ROS，抗氧化能力下降，线粒体功能紊乱。所有这些生理上的异常都有可能导致氧化应激。而氧化应激可以导致表观遗传学失调、神经发育紊乱、神经炎症、脑损伤与神经功能障碍，最终导致孤独症。

三、与孤独症相关的氧化应激生物标志物

 一：血液中存在的生物标志物

（1）还原型谷胱甘肽（GSH）、 氧化型谷胱甘肽（GSSG）、GSH/GSSG：

研究表明较低的GSH水平与孤独症的严重程度相关。GSH在人体内通过谷胱甘肽过氧化物酶转化为GSSG，并通过谷胱甘肽还原酶还原回GSH。孤独症患者氧化应激水平升高引起GSH消耗增加，会破坏GSH和GSSG的动态平衡。因此，许多研究不仅检测样本中的GSH，还有GSH/GSSG的比值。GSH/GSSG比率上升是所有相关研究的一致结果，表明它是人体氧化应激压力的一个很好的指标。

（2）同型半胱氨酸（Hcy）、维生素B6、B9与B12：

-同型半胱氨酸：

a)   同型半胱氨酸是一种非蛋白质氨基酸，对于活性甲基转移和转硫途径都是必需的，它位于蛋氨酸循环和反式硫化途径的交汇处；b)  蛋氨酸循环负责产生通用甲基供体S-腺苷甲硫氨酸(SAM)，用于各种甲基转移反应；c） 反式硫化途径与谷胱甘肽的合成有关；d)  Hcy水平的变化可能对这两种代谢途径产生影响。蛋氨酸循环损害、反硫代谢异常与DNA甲基化改变已被证明与ASD的发展有关。有研究发现，孤独症儿童中SAM的浓度高于健康对照组，而SAM/S-腺苷同型半胱氨酸（SAH）的浓度则明显低于健康对照组，表明孤独症患者甲基化循环受损。

-B族维生素：

包括维生素B6（吡哆醇）、维生素B9（叶酸）和B12（钴胺）在中枢神经系统的发育、分化和功能中发挥重要的作用。并参与蛋氨酸-同型半胱氨酸途径，对于在循环的酶促反应中起辅助因子的作用。孤独症儿童血液中，维生素B9和B12的水平显著低于对照组，这种缺乏导致同型半胱氨酸再甲基化降低，同型半胱氨酸水平升高。缺乏维生素B12可能导致低甲基化，影响大脑发育。缺乏B族维生素可能是由于营养不良，消化吸收不好，或者肠道功能紊乱。肠道菌群对于消化至关重要，因为它们合成必需的维生素和辅因子，如B族维生素、核黄素、硫胺素和叶酸等。叶酸的缺乏以及高同型半胱氨酸水平对于神经系统尤为有害，因为高同型半胱氨酸具有神经毒性。

综上所述，同型半胱氨酸、维生素B6、B9、B12可能参与孤独症的致病机制。导致的原因可能包括孤独症儿童存在基因或生理方面的障碍，或者不良生活方式及饮食习惯及其他一些生理状况。因此，监控它们的水平非常重要。

（3）丙二醛（MDA）、4-羟基壬烯醛（ 4-HNE）：

脂质过氧化物是由氧自由基攻击脂质产生，是氧化应激的重要组成部分。一方面磷脂双分子层主要由多不饱和脂肪酸（PUFAs）组成，当暴露于氧化应激压力时，ROS会不断攻击膜脂质；另一方面，某些PUFAs（例如花生四烯酸（AA））也可以通过特定酶（如脂肪氧化酶）氧化为各种信号分子。脂质无论是通过酶的作用还是通过ROS的攻击作用被氧化，这一过程都会产生多种经典的脂质过氧化生物标志物，如MDA、4-HNE、F2-异前列腺素等。

有研究表明，孤独症患者的额脑中MDA和4-HNE水平较高，提示患者大脑中存在脂质过氧化，并可能与孤独症的病理过程有关。MDA与蛋白质形成复合物时（尤其是与膜蛋白）具有细胞毒性。MDA也参与DNA的损伤和突变，从而导致细胞周期的停止。4-HNE是一个脂质过氧化的终产物，并且是细胞毒性最强的物质之一，会导致蛋白质和DNA的损伤，影响自噬，并导致细胞凋亡。高浓度的4-HNE可导致细胞坏死。4-HNE一旦在细胞中产生，主要依靠抗氧化剂（如GSH）清除。一项孤独症脑组织研究发现，4-HNE引起的细胞压力和凋亡可能参与孤独症的病理机制。4-HNE可能是一个有潜力的研究方向。

除了MDA和4-HNE这两个最重要的脂质氧化标志物，新发现的标志物异丙烷也受到密切关注。多项研究发现，在孤独症患者的血液中异丙烷的水平升高。

二：尿液中存在的生物标志物

虽然血液的成分更为复杂，但是尿液生物标志物的研究落后于血液中的生物标志物，可能是由于尿液不如血液成分稳定。尽管如此，尿液生物标志物仍具有很大的潜力和优势。在一些研究中，在ASD患者的血液和尿液中发现了氧化应激生物标志物，这些研究主要集中在血液和尿液的抗氧化能力，以及酶的抗氧化活性和氧化还原反应中间体。例如在先前的研究中，已经观察到孤独症儿童血液和尿液中的Hcy水平更高，孤独症患者的尿液和血液中的Hcy水平是相同的，这意味着尿液中Hcy水平的变化可能反映了血液中的变化，而收集尿液样本是非侵入性、更安全和容易。

近十年对孤独症潜在氧化应激生物标志物的研究

四、小结

1）氧化应激在孤独症的疾病过程中起着至关重要的作用，孤独症患者的氧化应激水平更高，抗氧化能力下降；

2）积极利用生物标志物来监测孤独症患者的生理状态，有助于疾病的诊断、干预和治疗；

3）许多可能的氧化应激标志物已经在孤独症中被发现，然而，试图监测孤独症儿童的氧化应激状态的尝试仍难以达到临床应用标准，还需要更深入的研究；

4）随着质谱技术发展，基于质谱技术的蛋白质组学和代谢组学方法已逐渐成为探索生物标志物的有力工具。这些研究方法使得对孤独症生物标志物的探索更加容易，有助于扩展研究的深度和广度。

参考文献：

Barnard-Brak L, Richman DM, Chesnut SR, Little TD. Social communication questionnaire scoring procedures for autism spectrum disorder and the prevalence of potential social communication disorder in ASD. Sch Psychol Q. (2016) 31:522–33.