吳建業(yè)，徐磊，康貝貝，姜志梅，徐瑞陽，陳寧

孤獨(dú)癥譜系障礙(autism spectrum disorder，ASD)發(fā)病于胎兒至嬰幼兒時(shí)期，一旦確診會(huì)伴隨終生，至今尚未找到明確的發(fā)病原因。與遺傳因素、環(huán)境因素、缺氧、孕期感染等多種因素有關(guān)系[1]，大部分ASD兒童伴有腸道癥狀，其中腹脹、便秘最為常見[2]。對(duì)ASD兒童的腸道菌群進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)和正常兒童的腸道菌群相比，ASD兒童腸道菌群的組成和分布都發(fā)生了變化。陳換利[3]研究發(fā)現(xiàn)ASD兒童腸道有益菌群數(shù)量減少、有害菌群數(shù)量增加。近些年腸道因素對(duì)ASD兒童相關(guān)癥狀的影響引起了人們的注意，比如早期感染、產(chǎn)前的母體感染、相關(guān)抗生素的暴露。以上提及的因素都有可能會(huì)破壞和改變嬰幼兒正在發(fā)育中的腸道菌群，導(dǎo)致組成和分布發(fā)生改變。和正常兒童的糞便進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ASD兒童糞便的丙酸、乙酸含量明顯升高，丁酸含量顯著下降[4]。有學(xué)者對(duì)比國(guó)內(nèi)ASD兒童和正常兒童也發(fā)現(xiàn)短鏈脂肪酸水平異常，乙酸和丁酸的水平較低[5]。短鏈脂肪酸對(duì)人體的代謝功能、腦、腸道屏障和免疫功能等方面產(chǎn)生影響。本文將從腸道炎癥、腸道屏障、血腦屏障、氧化應(yīng)激幾個(gè)方面論述短鏈脂肪酸影響ASD核心癥狀的可能機(jī)制。

1 短鏈脂肪酸的來源及生理作用

短鏈脂肪酸指的是碳原子數(shù)量小于6位的有機(jī)酸，包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、異丁酸和異戊酸。其中前三者在人體含量最高而且在人體的免疫、代謝、神經(jīng)系統(tǒng)和屏障的維持方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。短鏈脂肪酸主要是由結(jié)腸中的厭氧菌發(fā)酵膳食纖維和未消化的碳水化合物產(chǎn)生，產(chǎn)生的大部分短鏈脂肪酸都在腸道內(nèi)部被消耗，只有少部分乙酸和丙酸通過單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和單羧酸鈉轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白被肝臟吸收，作用于身體的其他代謝途徑。由于前三者含量最多且作用最關(guān)鍵，所以把乙酸、丙酸和丁酸為代表的短鏈脂肪酸用來作為評(píng)價(jià)腸道菌群健康狀況的指標(biāo)之一[6]。短鏈脂肪酸的生物學(xué)功能包括維持黏膜免疫細(xì)胞的活性、腸道上皮的完整性、降低腸道pH值從而抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)保證腸道菌群的穩(wěn)態(tài)，以及調(diào)節(jié)能量代謝、炎癥和腫瘤的生長(zhǎng)發(fā)育。

丁酸主要由腸道菌群中的厚壁菌門產(chǎn)生，作為結(jié)腸上皮細(xì)胞的主要能量來源。丁酸具有調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)分化[7-8]和抗氧化的作用。初步研究發(fā)現(xiàn)，低劑量和高劑量的丁酸鹽引起的應(yīng)激反應(yīng)對(duì)大腦的學(xué)習(xí)、記憶和認(rèn)知功能會(huì)產(chǎn)生好的影響[9-10]。

乙酸是短鏈脂肪酸中含量最豐富的，約占短鏈脂肪酸總量的60%～75%，主要由腸道菌群中的雙歧桿菌、乳桿菌和阿克曼氏菌產(chǎn)生，文岑[11]在研究中發(fā)現(xiàn)，乙酸可以減輕小膠質(zhì)細(xì)胞的炎癥反應(yīng)，通過GPR43受體發(fā)揮作用。同時(shí)乙酸還可以消除由脂多糖引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)，從而保護(hù)腦組織。

丙酸的來源除了從氨基酸和脂肪酸中內(nèi)源性合成之外，還存在于天然食品中，而且常被作為防腐劑添加到小麥和乳制品中。丙酸是一種有機(jī)酸，所以在正常的生理pH值下可以穿過腸道屏障和血腦屏障，尤其是血腦屏障，進(jìn)入腦內(nèi)后經(jīng)單羧酸受體被神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞吸收，給大腦提供能量來源，這一點(diǎn)在發(fā)育早期的大腦特別重要[12]。

2 短鏈脂肪酸影響ASD核心癥狀的可能機(jī)制

目前，ASD在兒童中的發(fā)病率呈逐年遞增的趨勢(shì)，而且大部分ASD的兒童同時(shí)還會(huì)伴有一些腸道疾病，腸道菌群的組成和正常兒童相比也發(fā)生了變化。經(jīng)過一些體外實(shí)驗(yàn)和組織的離體研究發(fā)現(xiàn)，短鏈脂肪酸與腸道炎癥、腸道屏障、血腦屏障和氧化應(yīng)激有關(guān)，而一部分ASD兒童也存在腸道炎癥、腸道屏障、血腦屏障等功能障礙。因此，兒童腸道菌群組成的改變導(dǎo)致短鏈脂肪酸水平發(fā)生變化，進(jìn)而可能通過以下機(jī)制影響了ASD兒童的癥狀表現(xiàn)。

2.1 短鏈脂肪酸與腸道炎癥 炎癥是機(jī)體正常的病理反應(yīng)，腸道炎癥與短鏈脂肪酸有很大的關(guān)系，短鏈脂肪酸主要依賴G蛋白偶聯(lián)受體來發(fā)揮抗炎作用，這一點(diǎn)在Macia等[13]研究中得到證實(shí)。在Kim等[14]的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)被敲除了SCFAs受體GPR43的小鼠，進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿庖叻磻?yīng)后，其腸上皮發(fā)展出了不可控制的炎癥反應(yīng)。短鏈脂肪酸可以促進(jìn)Treg細(xì)胞的正常發(fā)育，Treg細(xì)胞對(duì)誘導(dǎo)外周對(duì)自身和外來抗原的耐受是必不可少的，其分泌的白細(xì)胞介素-10在炎癥中發(fā)揮核心作用。在Smith等[15]的研究中發(fā)現(xiàn)，通過口服短鏈脂肪酸可以增加Treg細(xì)胞的數(shù)量。

先天淋巴細(xì)胞和CD4 T細(xì)胞產(chǎn)生白細(xì)胞介素-22對(duì)腸道免疫至關(guān)重要，作為TH17和TH22的細(xì)胞因子，通過誘導(dǎo)抗菌肽和促進(jìn)上皮屏障功能來保護(hù)宿主免受腸道炎癥的損傷。在Yang等[16]的研究中發(fā)現(xiàn)，丁酸可以通過GPR41受體來促進(jìn)先天淋巴細(xì)胞和C44 T細(xì)胞產(chǎn)生白細(xì)胞介素-22，增強(qiáng)腸道的抗炎作用。在Gao等[17]的研究中發(fā)現(xiàn)丁酸通過H4細(xì)胞中的緊密連接和粘蛋白信號(hào)通路來發(fā)揮抗炎作用。正常水平的短鏈脂肪酸對(duì)于抑制腸道炎癥的發(fā)展發(fā)揮著關(guān)鍵作用，在ASD兒童中短鏈脂肪酸水平異常，尤其是丁酸降低，會(huì)使腸道受損發(fā)生腸漏，有害代謝進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)和腦組織導(dǎo)致異常的神經(jīng)發(fā)育。

2.2 短鏈脂肪酸與腸道屏障 上皮細(xì)胞緊密連接的完整性與腸道屏障之間存在關(guān)系，腸道屏障可以阻止腸道菌群產(chǎn)生的有害代謝物進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)和腦組織產(chǎn)生有害影響。G蛋白偶聯(lián)受體是短鏈脂肪酸的受體之一，丁酸通過GPR109A受體來發(fā)揮對(duì)腸道屏障的保護(hù)作用，這一點(diǎn)在鞏宇紅等[18]的實(shí)驗(yàn)中被證實(shí)。此外，丁酸通過增加腸道屏障緊密連接蛋白的產(chǎn)生來維持腸道屏障的完整性[19]，誘導(dǎo)抗菌肽的產(chǎn)生來幫助腸道抵御病原體保護(hù)腸道。Peng等[20]的研究發(fā)現(xiàn)，丁酸可以通過調(diào)節(jié)AMP活化蛋白激酶激活的緊密連接的組裝，從而增強(qiáng)腸道屏障。

Nielsen等[21]的體外研究發(fā)現(xiàn)，在低劑量的丁酸鈉可以改善E12人結(jié)腸細(xì)胞的屏障功能，但在高劑量的體外研究中則沒有效果，但E12細(xì)胞上皮屏障功能的改善是由于杯狀細(xì)胞產(chǎn)生的黏液表達(dá)增加所致這與之前的研究有所不同。當(dāng)腸道屏障受損發(fā)生腸漏時(shí)，會(huì)使血液中腸道微生物產(chǎn)物增多，可以在ASD兒童的血清中檢測(cè)到脂多糖水平升高。Foley等[22]給懷孕的母鼠注射脂多糖一定時(shí)間后，在子鼠中可以觀察到有社交行為缺陷和重復(fù)行為的孤獨(dú)癥樣表現(xiàn)。

2.3 短鏈脂肪酸與血腦屏障 血腦屏障由腦毛細(xì)血管壁和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成，將血漿和腦細(xì)胞分隔開，阻擋了有害物質(zhì)進(jìn)入腦組織，對(duì)神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞造成影響，保護(hù)腦組織。在Mohajeri等[23]研究發(fā)現(xiàn)，外周血液中的短鏈脂肪酸可以使緊密連接蛋白的產(chǎn)生增多，維持血腦屏障的完整性。但在Braniste等[24]無菌小鼠的實(shí)驗(yàn)中卻發(fā)現(xiàn)了與之相反的結(jié)果，可能是由于短鏈脂肪酸的種類不同導(dǎo)致了不同的結(jié)果。在對(duì)ASD患者腦組織進(jìn)行解剖觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)大腦和小腦血腦屏障的表達(dá)發(fā)生變化，尤其是CLDN-5和CLDN-12，但在自閉癥兒童的大腦皮質(zhì)中CLDN-12蛋白表達(dá)顯著降低[25]，可能是由于自閉癥兒童CLDN-12表達(dá)的降低，導(dǎo)致ASD兒童腦組織其他緊密蛋白表達(dá)增加來代償血腦屏障的完整性，從而出現(xiàn)與解刨觀察相同的情況。

在ASD患者的腦內(nèi)檢測(cè)到有促炎因子的存在，有可能是由于血腦屏障的通透性增高而進(jìn)入腦內(nèi)。高水平的促炎因子會(huì)使血腦屏障的通透性進(jìn)一步增加，特別是TH17細(xì)胞分泌的白細(xì)胞介素-17可以通過調(diào)節(jié)閉塞素和閉塞帶的表達(dá)來影響血腦屏障的通透性，而且白細(xì)胞介素-17還可以增強(qiáng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生活性氧的能力[26]，使腦細(xì)胞受損。這與ASD患者腦組織變化具有相似性。此外，短鏈脂肪酸還可以穿過血腦屏障，調(diào)節(jié)腦內(nèi)GABA、谷氨酸和谷胱氨酸的水平，影響腦內(nèi)的興奮和抑制神經(jīng)遞質(zhì)、谷胱甘肽的產(chǎn)生和代謝，從而對(duì)行為可能產(chǎn)生影響[27]，這與ASD的興奮和抑制失衡學(xué)說有相關(guān)性，兩者可能具有相關(guān)性。

2.4 短鏈脂肪酸與氧化應(yīng)激 正常機(jī)體自由基的產(chǎn)生和消除處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡過程，使細(xì)胞處在一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境中。當(dāng)自由基的產(chǎn)生和消除之間失衡時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞和組織功能障礙。腸道菌群產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可以穿過血腦屏障，影響腦內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，向小鼠腦室注射短鏈脂肪酸，可以觀察到與ASD患者腦部一致的氧化應(yīng)激效應(yīng)，而且神經(jīng)病理學(xué)分析顯示的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞和活化的小膠質(zhì)細(xì)胞增加，與ASD患者腦部觀察到的一致。同時(shí)對(duì)經(jīng)過丙酸處理過的動(dòng)物，腦區(qū)進(jìn)行勻漿分析發(fā)現(xiàn)，其離散區(qū)域存在有氧化應(yīng)激的增加，還伴隨有谷胱甘肽代謝受損和過氧化氫酶等抗氧化酶活性降低[28]。但有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與其不同的結(jié)果，丁酸可以通過抑制HDAC來發(fā)揮細(xì)胞內(nèi)的抗氧化作用，同時(shí)上調(diào)抗氧化基因的表達(dá)，這一點(diǎn)在戢力維等[29]的研究中得到證實(shí)。在文岑[11]的研究中發(fā)現(xiàn)，乙酸可以消除脂多糖引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)，從而保護(hù)腦組織。ASD兒童體內(nèi)短鏈脂肪酸的水平發(fā)生改變，導(dǎo)致自由基的清除減慢，尤其是腦內(nèi)的谷胱甘肽循環(huán)發(fā)生障礙，導(dǎo)致腦內(nèi)自由基的清除減慢，可能會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元損傷。

2.5 相關(guān)機(jī)制 短鏈脂肪酸是由腸道中不同菌群發(fā)酵食物而產(chǎn)生，ASD兒童腸道菌群的組成發(fā)生變化，導(dǎo)致其產(chǎn)生的各種代謝物質(zhì)發(fā)生改變不能維持原來的正常作用。尤其是丁酸、乙酸和丙酸，當(dāng)丁酸的水平發(fā)生變化不能維持正常的腸道屏障和血腦屏障，緊密連接蛋白減少，腸道菌群產(chǎn)生的有害代謝物進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)和腦組織，影響腦部神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，導(dǎo)致一些異常和重復(fù)的刻板行為出現(xiàn)，而且丁酸水平發(fā)生變化，不能誘導(dǎo)正常的腸道炎癥反應(yīng)，也會(huì)加重腸道屏障的損壞過程，導(dǎo)致腸漏的發(fā)生。乙酸和丁酸可以誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)揮抗氧化作用，保護(hù)細(xì)胞發(fā)揮其正常作用，不受其體內(nèi)過多自由基物質(zhì)的破壞，在ASD患者體內(nèi)存在氧化應(yīng)激反應(yīng)，而且還存在有線粒體功能障礙，可能與體內(nèi)短鏈脂肪酸水平變化有關(guān)，不能及時(shí)清除體內(nèi)的氧化物質(zhì)對(duì)細(xì)胞的損害。丙酸與ASD的研究目前較多，向小鼠側(cè)腦室注射丙酸，可以制備出ASD模型鼠。一些研究也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過丙酸處理的小鼠，會(huì)出現(xiàn)類似ASD患者相似的刻板運(yùn)動(dòng)行為?？赡苁怯捎诒嶙鳛橐环N神經(jīng)毒素，抑制電子鏈傳遞所導(dǎo)致。此外，經(jīng)過丙酸處理的小鼠，腦部和血漿磷脂的組成會(huì)發(fā)生變化，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育產(chǎn)生影響，出現(xiàn)一些異常表現(xiàn)。磷脂作為細(xì)胞的主要構(gòu)成成分，如果其發(fā)生變化，會(huì)使細(xì)胞尤其是腦部的神經(jīng)細(xì)胞受到不可逆的破壞。ASD患者短鏈脂肪酸水平異常，腸道內(nèi)微生物代謝物進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)和腦組織，可能進(jìn)一步影響ASD患者癥狀的表現(xiàn)。

3 討論

ASD從發(fā)現(xiàn)之初，一直尚未找到明確的發(fā)病原因，本綜述主要介紹了腸道菌群產(chǎn)生的短鏈脂肪酸，影響ASD核心癥狀的可能機(jī)制，與正常兒童進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)ASD的兒童，短鏈脂肪酸的水平存在異常，可以推測(cè)是由于產(chǎn)生短鏈脂肪酸的腸道菌群發(fā)生改變，腸道菌群的組成發(fā)生變化導(dǎo)致其產(chǎn)生短鏈脂肪酸的水平發(fā)生變化。這一現(xiàn)象在大部分ASD的兒童中都存在，但也可能是由于ASD兒童食物選擇的偏好和不同地區(qū)的飲食習(xí)慣引起了這種變化，而不是由于ASD的兒童腸道菌群發(fā)生變化，因此，關(guān)于其具體變化的原因，還需要進(jìn)一步分析和研究。

本文主要從短鏈脂肪酸與腸道炎癥、腸道屏障、血腦屏障和氧化應(yīng)激四個(gè)方面，進(jìn)行論述。短鏈脂肪酸主要依靠G蛋白偶聯(lián)受體發(fā)揮對(duì)腸道炎癥的抑制作用，當(dāng)ASD的兒童短鏈脂肪酸水平發(fā)生變化，不能發(fā)揮其正常的作用，則可能會(huì)對(duì)ASD兒童產(chǎn)生一些影響。另外，短鏈脂肪酸也可以通過AMP活化蛋白激酶來發(fā)揮對(duì)腸道的保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)短鏈脂肪酸可以增強(qiáng)腸道和血腦屏障緊密連接蛋白的表達(dá)，但在不同的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了與之相反的結(jié)果，可能是由于其實(shí)驗(yàn)環(huán)境和不同的短鏈脂肪酸導(dǎo)致表達(dá)出不一樣的結(jié)果。由于短鏈脂肪酸可以穿過血腦屏障，因此，其可以參與到腦部神經(jīng)遞質(zhì)的產(chǎn)生和代謝過程，在向小鼠腦室注射短鏈脂肪酸的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)小鼠腦室進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，短鏈脂肪酸引起的神經(jīng)細(xì)胞炎癥和氧化應(yīng)激反應(yīng)，與在ASD患者腦部發(fā)現(xiàn)是一致的，這從側(cè)面可以證實(shí)過量的短鏈脂肪酸，可以對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育產(chǎn)生一些有害影響，導(dǎo)致一些異常行為的出現(xiàn)，而且通過向小鼠側(cè)腦室注射丙酸，可以制備出ASD鼠模型也證實(shí)了這一點(diǎn)。此外，本綜述所引用的主要為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中所觀察到的，由于其動(dòng)物和人類身體內(nèi)的信號(hào)通路和腦部組織可能存在差別，因此需要更多論證。

腸道菌群作為人類身體內(nèi)最大內(nèi)分泌器官的組成部分，在人體的生長(zhǎng)發(fā)育，尤其是在早期兒童神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。特別是腸道菌群產(chǎn)生的短鏈脂肪酸，在人體的腸道、免疫、神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育等方面發(fā)揮作用。ASD的兒童腸道菌群的組成發(fā)生改變，導(dǎo)致短鏈脂肪酸的水平發(fā)生變化，可能會(huì)對(duì)嬰幼兒的身體產(chǎn)生不良影響。盡管目前缺乏乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸對(duì)ASD影響的研究，但通過向老鼠側(cè)腦室注射丙酸可以制造出ASD鼠模型，以及相關(guān)的體外研究都發(fā)現(xiàn)，短鏈脂肪酸的水平在ASD的兒童中存在異常。雖已有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群產(chǎn)生的短鏈脂肪酸，可以影響ASD的發(fā)生發(fā)展，但關(guān)于短鏈脂肪酸具體的作用機(jī)制以及發(fā)揮作用的信號(hào)通路尚不清楚，因此，關(guān)于短鏈脂肪酸在ASD方面的研究仍需進(jìn)一步探索。