Follow Your Gut: 肠道菌群为何能导致自闭症
本文转自驻波公众号。
Follow Your Gut: 肠道菌群为何能导致自闭症
文 / 范静萱
审稿 / 单浩哲，张涵雄
排版 / 单浩哲，范静萱
前不久，公众号“知识分子”发表了<疫苗引起自闭症？ 一起影响深远的学术欺诈>一文，文中仔细剖析了一个叫 Andrew Wakefield 医生1998年在《柳叶刀》上发表的论文中的漏洞与造假。这篇问题百出的文章最后在2010年被撤稿。然而，他的文章中另一个有趣的联系，即肠道炎症和自闭症：12个有自闭症行为表型的儿童病例都伴发有严重的肠炎。事实上，其他医生也经常在自闭症患者中观察到胃肠道异常——这一点在 Wakefield 之后也有大量证据支持。如果不是他所声称的疫苗中的荨麻疹病毒疫苗作祟，又有什么其他的可能性呢？隔着'千山万水’的肠道和大脑是如何相互影响的呢？
肠道细菌群（gut microbiome）—— 肠道炎症的幕后推手
要回答这个问题，首先要搞清楚是具体什么导致了肠道炎症。虽然像其他主要器官一样在“体内“，但人体消化道直接与外界环境接触，所以也就包容了一批特殊的寄居者 —— 肠道菌群。在生理状态下，它们帮助调节消化道酸碱度，消灭有害细菌，助力消化；在疾病发生时则会转而危害人体免疫系统。近些年，肠道菌群（flora）作为基础研究和药物开发的对象，可谓炙手可热：心血管等代谢类疾病自免疫疾病（autoimmune diseases），癌症，老年痴呆症等疾病都相继被证明与肠道菌群有着千丝万缕的联系。那么联想到自闭症儿童中高发的胃肠道疾病，我们不禁要问这是否也能用肠道菌群解释呢？
神经免疫领域的先驱、加州理工大学的 Paul Patterson 提出了”自闭症和肠道菌群相关”的假说。 在 Patterson 教授实验室2013年发表在《细胞》上发表的文章中，作者 Elaine Hsiao 等选择了母体免疫激活（Maternal Immune Activation, MIA）小鼠的后代作为研究对象（MIA 是指母鼠在怀孕期间由于感染引起的免疫激活）。这些小鼠会很高程度地表现出和人类自闭症患者类似的行为，所以科研人员经常把他们当作自闭症的动物模型。为了对小鼠们肠道菌群来个系统全面的归纳，他们分别取了对照组和 MIA 组后代的肠道采样进行16S核糖体 RNA 基因测序。通过测序分类，他们发现 MIA 小鼠的后代和健康老鼠后代肠道中的细菌群完全不同！
上图（对照组）和下图（MIA组）的肠道菌群种类差异很大（红色越深说明某种菌越多）
发现了肠道异常的症结之后，作者们下面要攻克的关键问题就是找到其中的因果关系。带着肠道菌群异常导致自闭症的设想，他们试图首先修正盘踞在 MIA 后代鼠中的菌群，重新建立肠道的正常功能，并看看这些改变是否能缓解自闭症的表型。果然，“益生菌”（ Bacteroides fragilis）不负众望地让“自闭症”模型鼠体内缺失的6中关键菌种回到正常水平，更关键的是，小鼠在自闭症方面的行为表型被大大减轻。
肠道菌群从哪来？—— 母亲的馈赠
Patterson 教授的工作无疑让更多自闭症研究者把目光聚焦在肠道菌群上，一个问题也自然而然地产生：之前临床报道的这么多名儿童病例肯定不会是碰巧一起吃了不干净的东西，那么他们肠道菌群的病变又是从何而来呢？
一言以蔽之：婴儿体内最初的肠道菌群来自母体。这些菌群在母亲分娩过程中被传输到婴儿肠道中这个过程叫：细菌定植（bacterial colonization of gut）。所以，母体在怀孕期间的免疫系统与肠道的状况很可能是引起自闭症更直接的原因。这也就解释了为什么修正MIA后代的肠道菌群可以显著减轻但无法完全修正自闭症表型。最近，“母体免疫状态导致胎儿自闭症”这个假说由学术伉俪——麻省理工学院的教授 Gloria Choi 和她的丈夫、哈佛大学医学院的 Jun Huh ——带领的研究团队证实。这样一个从母体肠道到胎儿大脑的曲折的故事他们可是用了三篇 CNS 的文章才讲明白呢！
MIA模型到底是什么原理？—— 越过胎盘的白介素17
MIA小鼠作为常见的自闭症模型鼠，其后代表现出典型的自闭症行为特征：交流障碍，重复刻板行为，感知敏感。 然而，就像是民间口口相传的偏方一般， MIA 是个被众多实验室屡试不爽的经典模型，但其背后的原理却一直是一个谜团。不同于各种自闭症关联基因敲除模型，MIA是完全基于环境因素与神经发育过程来模拟自闭症的，目前研究人员也并不清楚这个过程中哪个分子导致了新生儿的表型。
电影《雨人》，由达斯汀·霍夫曼饰演的自闭症患者，由于对飞机噪声过于敏感而发狂
知识卡片一：自闭症小鼠什么样？
弹珠埋藏行为是在小鼠里常见的自闭症表型之一，用来测试小鼠的重复性行为。自闭症小鼠会不断把弹珠埋入沙中，健康小鼠却不会。这一点和人类自闭症患者类似——他们会反复做同样的行为。
三厢社交实验：健康小鼠会选择大部分时间在有陌生小鼠的区域，而自闭症小鼠会选择回避同类，自己待着。
在此之前，帕特森实验室把矛头指向了白细胞介素-6（IL-6），因为它的血清浓度在 MIA 后显著增高。如果同时注射该细胞因子的抗体控制其浓度的话，MIA 对后代自闭症表型的效果就失灵了，这让IL-6的假说收到了很多青睐。但是学术伉俪却发现尽管 IL-6 有显著上升，在MIA鼠的胎儿大脑中却并未检测到IL-6受体水平的变化，这说明来自母体的 IL-6 并不能直接导致后代大脑的实质性变化！Huh 凭借其在免疫学上的造诣，敏锐地推测了 IL-6 的下游通路白细胞介素-17（IL-17）才是导致自闭症的真凶。不出所料，在2016发表在《科学》杂志的文章中，Choi团队发现：不仅母鼠血浆中的 IL-17 浓度大幅上调，IL-17更可以通过胎盘直接促进胎儿大脑表达其受体；如果抑制母体的 IL-17 竟然可以完全逆转后代自闭症症状！
作者们继续发问：来自母体的 IL-17 究竟对后代的大脑结构究竟造成了哪些具体影响呢？
通过观察染过色的小鼠大脑，研究人员发现超过半数的小鼠的脑子都在同一个地方出了问题。这个地方便是位于负责感觉的初级感觉皮层中的 S1DZ（见下图左）。在自闭症小鼠中，S1DZ 不仅有不正常的分层，它还缺少负责抑制神经活动的神经元（PV+ interneurons）。没了负责减速的“刹车”，这块地方的脑活动就变得不正常得活跃了。
S1DZ位于大脑的初级感觉皮层
虽然 S1DZ 肯定发生了病变，但是神经活动过度兴奋怎么会导致自闭症行为呢？为了回答这个问题，研究人员望向了 S1DZ 的输出端 —— 纹状体（striatum）和颞叶联合皮质（TeA）。很巧，这两个地方恰巧是控制自闭症两种重要的症状——重复性行为和社交缺陷——的脑区。运用光遗传技术，研究人员可以单独刺激 S1DZ 里和纹状体相连的神经元，以及和 TeA 相连的神经元。果不其然，刺激这两群神经元能导致小鼠产生重复性行为和社交缺陷。这就证实了S1DZ 病变对自闭症行为的充分性。
图A中在怀孕两周的 MIA母鼠后代明显表现出表层神经元无法被 SATB2染色，然而这种缺陷在同时给母鼠注射 anti-IL-17a 的抗体时就可以避免。 图B中在怀孕两周半 MIA 的母鼠后代呈现了皮层分层发育的混乱，同样的，给母鼠注射 anti-IL-17a 的抗体可以避免。
自此，从母体免疫到新生儿产生的一系列自闭症表型终于形成了一个闭环，MIA 背后的机理也终于浮出水面。
可是诶不对啊？这一切只解释了免疫系统和自闭症的关系，这和肠子里的细菌有什么关系？
回到肠道菌群 —— 那些不确定的“环境因素”
既然 MIA 有如此明确的神经环路，为什么不是所有母鼠的免疫反应都会导致后代的自闭症？换句话说，这个在母体里启动 IL-17a 信号通路并引起下游神经发育异常的开关到底是什么呢？
这还要从一个引起了研究者们的关注的小细节说起：用来做动物实验的小鼠一般是从不同的公司买来的。这几个科学家发现，同样一个基因背景的小鼠（C57BL/6），从 Taconic Biosciences (Tac) 买来的就很容易用作 MIA 模型，而 从 Jackson Laboratories (Jax) 买来的即使有母鼠免疫反应也很难在后代中发现自闭症症状。更有趣的是，在 Jax 母鼠的血浆中，其他表现炎症反应的细胞介素如 TNFα 和 IFNβ 仍然显著升高，而单单 IL-17a 没有任何高于基准水平的变化。既然从基因背景上看小鼠们的免疫系统都没有任何缺陷，到底是什么导致了这种 IL-17a 的“缺陷”呢？
知识卡片二：T细胞分化路径
身体内未经分化且表达 CD4 受体的T细胞在识别树突状细胞（dendritic cell）呈递的抗原时会被附近存在的不同种细胞介素引导而走上背道而驰的分化之路，并且一旦在某一个亚型的方向上成熟大多数情况下就会“一条路走到黑”。研究表明，抗原的特性（细菌，真菌，寄生虫）对于初始T细胞如何分化，是变成 Th1，Th17还是 Treg 等也有着决定性作用。
研究者们首先检验的是一个最简单直接的猜测 —— Tac小鼠拥有更多的 Th17 细胞存量，所以一旦有感染，点燃导火索就会立刻分泌大量的 IL-17a。
是什么激活了 Th17 细胞导致 IL-17a 分泌呢？两个团队则把目光聚焦在了一种节状丝菌（SFB）上。原来 SFB 只存在于 Tac 小鼠而非 Jax 小鼠的肠道中。而当研究者们在一些 Jax 小鼠的喂食中掺入了含有 SFB 的排泄物后，这些小鼠的后代也无一例外都得上了自闭症。并且，提取肠道单核细胞进行培养，就会发现肠道里有 SFB 的小鼠也明显拥有更高的 Th17 比例，并且这些 Th17 细胞大多数都十分有特异性的仅仅对 SFB 相关抗原产生反应！
这样，IL-17a 上游的故事也被完整的补全：长期存在于母体肠道内的菌群 SFB 与带有特定抗原受体的初始T细胞相互作用导致大量向 Th17 亚型的分化，并最终在母鼠受到外界感染时激起 IL-17a 快速的爆发式上调从而启动对于胎儿神经发育的深远影响。
自此，从肠道细菌 SFB 到 MIA 后代产生自闭症表型的完整故事被串联了起来，为我们展示了这个神经发育疾病发展过程的一种可能。也提供了可能的干预防方法：比如调控肠道菌群，或从母体免疫系统的Th17入手进行抑制。
写在最后
这篇小小的短文只是给两个团队近几年精彩的工作揭开了一角。Gloria 和 Jun 不仅是志同道合的合作伙伴，也是每次组会必撒狗粮的恩爱夫妻。（看，做 science 也是可以很甜蜜的）！两个人虽然背景迥异，却在神经免疫这个日渐发展的领域里优势互补，强强联合，做的风生水起。
“虽然围绕着肠道细菌有很多争议，但我始终相信很多其他神经发育类疾病最终都可以通过它们找到合理的解释，” 如今在 HMS 免疫与微生物系任教的 Jun 经常在组会上和我们这样说。攻克了自闭症 MIA 模型的难关之后，两个团队也正在积极地研究抑郁症与免疫系统和肠道微生物的关系。让我们拭目以待！