自閉癥譜系障礙（ASD）是一類由遺傳和環(huán)境因素共同導(dǎo)致的神經(jīng)發(fā)育疾病，患者核心癥狀表現(xiàn)為社交障礙與重復(fù)刻板行為。ASD發(fā)病率逐年升高，但目前尚缺乏有效的治療手段。試圖通過改變影響ASD發(fā)生發(fā)展的環(huán)境因素來緩解ASD癥狀，尤其是核心癥狀，逐漸成為近年來治療ASD的熱點。有研究表明腸道微生物能夠有效調(diào)節(jié)神經(jīng)活動，并影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)的行為。也有研究表明腸道微生物可以通過腸-腦軸這條雙向通路與中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行溝通交流。然而，在ASD的狀態(tài)下，腸道微生物如何調(diào)節(jié)與ASD相關(guān)的神經(jīng)活動知之甚少。此外，能否通過腸道干預(yù)而治療ASD缺乏足夠證據(jù)。

3月3日，中國科學(xué)院北京生命科學(xué)研究院趙方慶團隊在Nature Communications上，發(fā)表了題為Changes to gut amino acid transporters and microbiome associated with increased E/I ratio in Chd8^+/- mouse model of ASD-like behavior的研究論文，報道了在腸道微生物-腸-腦軸調(diào)控ASD的機制研究方面的最新成果。該團隊從解析ASD動物模型在神經(jīng)系統(tǒng)和腸道的表型入手，通過開展菌群定植實驗和藥物干預(yù)實驗，探究了腸道微生物對ASD中神經(jīng)活動的調(diào)控機制。該研究首次闡明了氨基酸轉(zhuǎn)運體在腸道微生物調(diào)節(jié)與ASD相關(guān)的神經(jīng)活動中的作用，揭示了腸道微生物-腸-腦軸雙向溝通的新機制。

科研團隊選擇染色質(zhì)解旋酶DNA結(jié)合蛋白8雜合敲除的小鼠（Chd8^+/-）作為研究ASD中腸道微生物調(diào)節(jié)神經(jīng)活動的動物模型。該團隊評估了Chd8^+/-小鼠的ASD樣行為，并揭示了Chd8^+/-小鼠表現(xiàn)出ASD樣行為的機制。在神經(jīng)遞質(zhì)水平，Chd8^+/-小鼠表現(xiàn)為興奮性神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸水平升高，導(dǎo)致興奮性神經(jīng)遞質(zhì)和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)（γ-氨基丁酸）的比例增加。同時，腦中和外周血中谷氨酸的前體物質(zhì)谷氨酰胺水平升高。為了驗證腸道對氨基酸的吸收是否參與外周血中的氨基酸水平異常，該團隊進(jìn)行腸道單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)腸道上皮細(xì)胞中氨基酸的轉(zhuǎn)運體表達(dá)量增加，這一發(fā)現(xiàn)在蛋白水平上也得到驗證（圖1）。

該團隊進(jìn)一步探究Chd8^+/-小鼠的腸道微生物，發(fā)現(xiàn)Chd8^+/-小鼠發(fā)生了以擬桿菌屬水平減少為特征的腸道菌群紊亂，并證實了宿主通過調(diào)節(jié)腸道防御素而影響腸道菌群組成。為了闡明腸道微生物紊亂在Chd8^+/-小鼠ASD樣行為中的作用，對Chd8^+/-小鼠進(jìn)行共飼養(yǎng)實驗，發(fā)現(xiàn)與Chd8^+/+小鼠共飼養(yǎng)糾正了的Chd8^+/-小鼠的腸道微生物紊亂和相應(yīng)的ASD樣行為。研究挑選單形擬桿菌這一變化幅度最大的擬桿菌對Chd8^+/-小鼠進(jìn)行單菌定植實驗，發(fā)現(xiàn)補充單形擬桿菌糾正了腸道氨基酸轉(zhuǎn)運體的表達(dá)水平、腦中異常的谷氨酸和谷氨酰胺水平以及ASD樣行為。為了探索腸道微生物是否通過調(diào)節(jié)腸道氨基酸轉(zhuǎn)運體而調(diào)節(jié)外周血中谷氨酰胺的水平，進(jìn)而調(diào)節(jié)腦中的谷氨酰胺及谷氨酸水平，最終影響興奮/抑制不平衡，該團隊使用腸道氨基酸轉(zhuǎn)運體的抑制劑，發(fā)現(xiàn)該抑制劑可以起到和單形擬桿菌相似的作用（圖2）。

該研究首次闡釋了腸道氨基酸轉(zhuǎn)運體在腸道微生物調(diào)節(jié)與ASD相關(guān)的神經(jīng)活動中的作用，揭示了腸道微生物調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)的新機制，完善了腸道微生物-腸-腦軸雙向溝通的理論基礎(chǔ)（圖3）。在此基礎(chǔ)上，研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物和腸道氨基酸轉(zhuǎn)運體抑制劑能夠糾正ASD相關(guān)的行為，尤其是社交障礙這一核心癥狀，提示腸道干預(yù)有可能作為ASD臨床治療的有效手段。此外，研究進(jìn)一步證實了腸道微生物和宿主在ASD發(fā)生發(fā)展和治療中的相互作用，即宿主通過調(diào)控腸道防御素水平而影響腸道微生物的組成，而腸道微生物通過調(diào)節(jié)腸道氨基酸轉(zhuǎn)運體而調(diào)控宿主神經(jīng)活動。

研究工作得到國家杰出青年科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項的支持，同時在腸道微生物菌株分選研究中獲得中科院微生物研究所研究員劉雙江團隊的支持。

趙方慶團隊在前期工作中針對復(fù)雜菌群結(jié)構(gòu)和功能的精準(zhǔn)解析問題，建立了一系列新技術(shù)和新方法，相關(guān)研究發(fā)表在Cell（2020）、Gut（2020/2018）、Nature Communications（2022/2021/2017）、Genome Biology（2021/2016）、ISME J（2019）、Microbiome（2017）、Nucleic Acids Res（2016）上，這些研究豐富了關(guān)于復(fù)雜微生物組結(jié)構(gòu)組成、動態(tài)演替和功能的認(rèn)識，為剖析腸道微生物與宿主互作提供了理論依據(jù)、奠定了方法學(xué)基礎(chǔ)。

論文鏈接

圖1.Chd8^+/-小鼠模型的興奮抑制不平衡

圖2.單形擬桿菌干預(yù)對興奮抑制不平衡及行為表型的恢復(fù)作用

圖3.Chd8^+/-小鼠模型中腸道微生物-腸-腦軸互作機制

來源：中科院