石 岳，朱 波，黃宇光

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院麻醉科，北京 100730

孤獨(dú)癥譜系障礙(autism spectrum disorder，ASD)是世界上患病率增長(zhǎng)最快的神經(jīng)發(fā)育障礙，其治療因疾病的遺傳異質(zhì)性而頗具挑戰(zhàn)。研究表明，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的興奮-抑制(excitatory-inhibitory，E-I)失衡可能是ASD的重要發(fā)病機(jī)制之一，在多種ASD動(dòng)物模型中進(jìn)行神經(jīng)環(huán)路E-I失衡調(diào)節(jié)，能夠改善模型動(dòng)物的孤獨(dú)癥樣行為。相關(guān)臨床試驗(yàn)將E-I失衡作為ASD治療靶點(diǎn)，恢復(fù)特定皮質(zhì)區(qū)域原有的E-I平衡狀態(tài)，能夠?qū)SD患者起到一定的治療作用。本文就E-I失衡在ASD中的作用機(jī)制以及E-I失衡調(diào)節(jié)劑治療ASD的相關(guān)研究進(jìn)展作一綜述，以期為探索ASD的有效治療手段提供新思路。

1 ASD概述

狹義的ASD即孤獨(dú)癥，最早由Kanner教授于1943年作為兒童罕見病報(bào)道，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，ASD實(shí)際上是一類較普遍的終身疾病[1]。2013年美國(guó)《精神障礙診斷與統(tǒng)計(jì)手冊(cè)(第5版)》(diagnostic and statistical manual of mental disorders，DSM-5)將ASD定義為兒童在其發(fā)育早期表現(xiàn)出以下臨床癥狀：持續(xù)的社會(huì)交流和社會(huì)交往障礙；受限的興趣與活動(dòng)模式和重復(fù)刻板行為[2]。自最初定義以來，這種描述并無實(shí)質(zhì)性改變。目前，全球ASD的發(fā)病率呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，嚴(yán)重影響兒童、青少年的正常生活。美國(guó)研究表明，3～17歲兒童ASD患病率已自2009年的1.1%升高至2017年的2.5%[3]。我國(guó)2016年調(diào)查結(jié)果顯示，6～12歲兒童ASD患病率約為0.7%，較既往亦有所升高[4]。

目前，ASD的發(fā)病機(jī)制尚不明確，研究表明其可能具有高度遺傳性，且與環(huán)境相關(guān)[3]。ASD患者中存在上百個(gè)致病突變位點(diǎn)，包括單基因突變或拷貝數(shù)變異(copy number variation，CNV)，呈現(xiàn)出顯著的遺傳異質(zhì)性[4]。目前ASD治療主要以行為干預(yù)和教育干預(yù)為主，輔以精神類藥物，但治療效果有限，尚無有效治療方式。近年來，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的E-I失衡被認(rèn)為是ASD的重要發(fā)病機(jī)制之一，受到廣泛關(guān)注。E-I平衡是由以谷氨酸能為代表的興奮性遞質(zhì)系統(tǒng)和以γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)能為代表的抑制性遞質(zhì)系統(tǒng)協(xié)同作用，在神經(jīng)環(huán)路的構(gòu)建中發(fā)揮關(guān)鍵作用。2003年Rubenstein等[5]提出重要假設(shè)，認(rèn)為在遺傳或表觀遺傳調(diào)控下感覺、記憶、社會(huì)和情感等關(guān)鍵神經(jīng)環(huán)路中E-I平衡的興奮性增加，可能是引起孤獨(dú)癥樣表現(xiàn)的發(fā)病機(jī)制。應(yīng)用ASD動(dòng)物模型開展的大量研究進(jìn)一步證實(shí)了上述假說[6-7]。

2 ASD動(dòng)物模型

穩(wěn)定可靠的動(dòng)物模型對(duì)于深入探究ASD病理生理機(jī)制及治療相關(guān)研究具有重要價(jià)值。目前ASD模型動(dòng)物主要包括嚙齒類、非人靈長(zhǎng)類、斑馬魚等，其中以大鼠和小鼠最為常見。ASD動(dòng)物模型能夠模擬社交障礙、興趣受限與重復(fù)刻板行為等行為學(xué)表現(xiàn)。ASD動(dòng)物模型根據(jù)構(gòu)建方法不同可分為基因模型、特發(fā)性孤獨(dú)癥模型和環(huán)境誘導(dǎo)模型：(1)基因模型：采用基因編輯技術(shù)，對(duì)動(dòng)物的單基因或多基因進(jìn)行編輯構(gòu)建的模型，ASD患者中存在大量的致病突變位點(diǎn)，其中包括介導(dǎo)突觸穩(wěn)定性的Neuroligins和Neurexins基因、脆性X綜合征致病基因Fmr1、Shank3和Mecp2等，通過基因敲除或過表達(dá)構(gòu)建多種基因表達(dá)異常動(dòng)物模型[8-11]，常表現(xiàn)為特定的遺傳綜合征，除ASD樣行為外還包括生長(zhǎng)遲緩、癲癇發(fā)作等異常表現(xiàn)，因此在適用性方面有一定局限性。(2)特發(fā)性孤獨(dú)癥模型：通過行為學(xué)實(shí)驗(yàn)篩選繁育的小鼠和大鼠品系，代表模型為BTBR T+ Itpr3tf/J(以下簡(jiǎn)稱“BTBR”)近交系小鼠，能夠高度模擬并穩(wěn)定復(fù)制ASD的全部核心癥狀，該模型目前已得到廣泛應(yīng)用[12]。(3)環(huán)境誘導(dǎo)模型：在發(fā)育關(guān)鍵期暴露于生化刺激、病毒感染、緊張刺激等環(huán)境因素而誘發(fā)ASD，以經(jīng)典的丙戊酸(valproic acid，VPA)暴露模型為代表[13-14]，然而由環(huán)境因素致病的ASD患者僅占少數(shù)，此類模型可能無法完整表現(xiàn)ASD行為特征。

3 中樞神經(jīng)系統(tǒng)的E-I平衡

在細(xì)胞層面，大腦皮層中單個(gè)錐體神經(jīng)元的興奮性突觸和抑制性突觸被精準(zhǔn)調(diào)控，確保樹突中E/I突觸比例相對(duì)恒定；在皮質(zhì)環(huán)路層面，興奮性與抑制性皮質(zhì)神經(jīng)元比例同樣被精準(zhǔn)調(diào)控，使得單神經(jīng)元和皮質(zhì)腦區(qū)在發(fā)育過程中可維持E-I平衡[15-16]。當(dāng)興奮水平超過抑制水平時(shí)，神經(jīng)環(huán)路活性增強(qiáng)，直至環(huán)路可激發(fā)的活性達(dá)到最大值，或者在增長(zhǎng)的邊界狀態(tài)下抑制水平超過興奮水平，達(dá)到平衡狀態(tài)；反之，當(dāng)抑制水平超過興奮水平時(shí)，神經(jīng)環(huán)路活性減弱，直至環(huán)路靜默，或在邊界狀態(tài)下抑制減少程度高于興奮減少程度，從而實(shí)現(xiàn)E-I平衡，孤立環(huán)路的相關(guān)研究證實(shí)了這一觀點(diǎn)，通過光遺傳學(xué)技術(shù)刺激一簇神經(jīng)元，其活性可傳遞至同層其他神經(jīng)元及其他分層中，調(diào)動(dòng)起足夠水平的抑制用于產(chǎn)生平衡穩(wěn)態(tài)[17-18]。當(dāng)出現(xiàn)發(fā)育異常或病理狀態(tài)改變興奮和抑制的固有穩(wěn)態(tài)時(shí)，神經(jīng)環(huán)路的活性水平隨之變化，稱為E-I失衡，其發(fā)病機(jī)制較為復(fù)雜，并非E/I比值的整體改變，而是興奮性或抑制性神經(jīng)元中不同亞類的相對(duì)活性變化[16]。造成E-I失衡的干擾因素可能影響多個(gè)神經(jīng)環(huán)路的不同靶點(diǎn)，包括E-I突觸發(fā)育、突觸可塑性、中間神經(jīng)元和錐體神經(jīng)元的局部相互作用、下游信號(hào)通路等[19-21]。

4 E-I失衡在不同ASD動(dòng)物模型中的作用機(jī)制

4.1 基因模型

脆性X綜合征是最常見的引起遺傳性ASD和智力低下的單基因病，致病基因?yàn)镕mr1。Fmr1基因敲除小鼠模型能夠增強(qiáng)海馬區(qū)代謝性谷氨酸能受體(metabotropic glutamate receptor，mGluR)依賴性長(zhǎng)時(shí)程抑制，mGluR拮抗劑可逆轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象以及小鼠的孤獨(dú)癥樣行為，提示mGluR依賴性突觸可塑性可能是ASD的發(fā)病機(jī)制之一[22]。

Neuroligin-3(Nlgn3)是細(xì)胞黏附分子之一，在突觸間黏附和突觸分化過程中發(fā)揮重要作用。Nlgn3 R451C置換突變小鼠表現(xiàn)為社交活動(dòng)減弱和空間學(xué)習(xí)能力增強(qiáng)，其軀體感覺皮質(zhì)區(qū)的自發(fā)抑制性突觸后電流(spontaneous inhibitory postsynaptic currents，sIPSCs)頻率較野生型增加，而興奮性突觸無顯著變化[23]；R451C突變小鼠和Nlgn3敲除小鼠的海馬GABA能神經(jīng)元均記錄到內(nèi)源性大麻素信號(hào)受損[24]；不同Nlgn3突變體可能存在相同的紋狀體選擇性突觸損傷，對(duì)D1多巴胺受體的GABA能抑制減少，導(dǎo)致重復(fù)行為增加[25]，且Nlgn3敲除小鼠表現(xiàn)出和綜合征型ASD相似的mGluR依賴性突觸可塑性改變，且發(fā)育后期再表達(dá)Nlgn3可挽救此表型[26]。

編碼興奮性突觸后骨架蛋白的Shank3基因是目前的研究熱點(diǎn)。Shank3B敲除小鼠AMPA受體介導(dǎo)的微小興奮性突觸后電流(miniature excitatory postsy-naptic currents，mEPSCs)頻率在皮質(zhì)紋狀體環(huán)路神經(jīng)元中顯著減少，而在海馬CA1區(qū)無顯著改變[10]。Shank3外顯子4-9敲除小鼠的mEPSCs頻率和幅度均與野生型無差異，但興奮性突觸受體NMDA/AMPA比值顯著下降，提示NMDA受體功能受損[27]。此外，在Shank3雜合缺失小鼠的前額葉皮質(zhì)(prefrontal cortex，PFC)觀察到NMDA受體介導(dǎo)的mEPSCs頻率下降，而AMPA相關(guān)興奮性幾乎無變化[28]，表明Shank3突變通過影響AMPA或NMDA受體功能使得特定環(huán)路的興奮性下降，引起社交障礙和重復(fù)行為增多等孤獨(dú)癥樣表現(xiàn)。Shank3突變可對(duì)海馬CA1區(qū)的突觸傳遞和可塑性造成一定影響[29-32]，但小鼠的異常行為表現(xiàn)與ASD核心表現(xiàn)并不完全一致。

4.2 特發(fā)性孤獨(dú)癥模型

以BTBR小鼠為代表模型，Han等[33]首次發(fā)現(xiàn)BTBR小鼠海馬CA1區(qū)GABA能介導(dǎo)的sIPSCs頻率較野生型B6小鼠降低，微小抑制性突觸后電流(spontaneous inhibitory postsynaptic currents，mIPSCs)頻率和幅度不變，而EPSCs頻率相應(yīng)增強(qiáng)，提示突觸前抑制被削弱、E/I比值增加；應(yīng)用小劑量氯硝西泮(正別構(gòu)GABA受體激動(dòng)劑)可逆轉(zhuǎn)sIPSCs頻率降低并改善BTBR小鼠的社交表現(xiàn)，B6小鼠的表型則不受這一干預(yù)的影響。Cellot等[34]在新生BTBR小鼠海馬CA3區(qū)發(fā)現(xiàn)sIPSCs的頻率和幅度均增強(qiáng)，AMPA介導(dǎo)的EPSCs頻率與B6小鼠無差異；而在CA1區(qū)觀察到sIPSCs頻率降低，與上述研究結(jié)論一致。BTBR小鼠的內(nèi)側(cè)PFC則同時(shí)存在EPSCs頻率增強(qiáng)和sIPSCs頻率減弱，將BTBR小鼠反復(fù)暴露于具有激活GABA-A受體和抑制NMDA受體作用的七氟醚中，可使sIPSCs頻率降低，暴露后小鼠的重復(fù)刻板行為也明顯減少[35]。綜上，BTBR小鼠模型中不同腦區(qū)的E-I失衡存在差異，且E/I比值改變方向不統(tǒng)一，但這些改變以及小鼠行為學(xué)表型可能均與GABA能突觸傳遞密切相關(guān)。

4.3 環(huán)境誘導(dǎo)模型

在ASD的環(huán)境誘導(dǎo)模型中觀察E-I平衡變化的研究相對(duì)較少。Banerjee 等[36]對(duì)孕鼠進(jìn)行腹腔注射VPA誘導(dǎo)子代ASD大鼠模型，記錄到其顳葉皮質(zhì)的mIPSCs頻率較野生型顯著降低，且電誘發(fā)IPSCs(electrically-evoked IPSCs，eIPSCs)頻率在一定程度上被削弱；應(yīng)用多種突觸傳遞調(diào)節(jié)劑處理腦片后再次記錄，發(fā)現(xiàn)上述E-I失衡來源于GABA能突觸傳遞在突觸前和突觸后均受損，但該研究缺乏相應(yīng)的行為學(xué)證據(jù)。Kang等[37]對(duì)VPA模型小鼠腹腔注射美金剛(具有中度親和力的非競(jìng)爭(zhēng)性NMDA受體拮抗劑)，發(fā)現(xiàn)小鼠的社交缺陷和重復(fù)刻板行為均得到改善，但其NMDA受體功能是否增強(qiáng)仍頗具爭(zhēng)議[38-40]。

5 E-I失衡調(diào)節(jié)劑治療ASD的相關(guān)臨床研究

相關(guān)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)(randomized controlled trials，RCT)表明，應(yīng)用E-I失衡調(diào)節(jié)劑恢復(fù)特定皮質(zhì)區(qū)域原有的E-I平衡狀態(tài)，能夠?qū)SD患者起到一定的治療作用。Chez等[41]對(duì)ASD患者開放標(biāo)簽應(yīng)用美金剛作為輔助治療，治療4～8周后患者的語言能力和社會(huì)行為均有顯著改善，經(jīng)21個(gè)月的長(zhǎng)期治療未出現(xiàn)嚴(yán)重不良反應(yīng)。Ghaleiha等[42]驗(yàn)證了美金剛作為利培酮治療的輔助用藥安全有效，ASD患兒異常行為量表(aberrant behavior checklist，ABC)中的易激惹性指標(biāo)及刻板行為均有所緩解。2017年的一項(xiàng)雙盲、安慰劑對(duì)照RCT納入了121例ASD患兒，接受為期12周的美金剛緩釋制劑或安慰劑單藥治療，盡管安全性良好，但以社會(huì)反應(yīng)量表(social responsiveness scale，SRS)作為療效指標(biāo)并未觀察到組間差異，基本排除了美金剛作為ASD的候選治療藥物[43]。N-乙酰半胱氨酸(N-acetylcysteine，NAC)作為臨床常用的粘液溶解劑，因其具有谷氨酸能和多巴胺能調(diào)節(jié)劑的作用，被認(rèn)為可能用于治療精神類疾病。Hardan等[44]證實(shí)NAC口服單藥治療ASD患兒安全可耐受，顯著改善了ABC易激惹性指標(biāo)。隨后的2項(xiàng)RCT研究分別以固定劑量和按體質(zhì)量計(jì)算劑量的NAC單藥治療ASD，但關(guān)鍵行為學(xué)指標(biāo)均未改善[45-46]。

Berry-Kravis等[47]在阿巴氯芬(GABA-B受體選擇性激動(dòng)劑)治療脆性X綜合征兒童和成人患者的RCT中觀察到社交回避行為顯著改善，隨后納入32例非綜合征型ASD兒童和青少年進(jìn)行為期8周的試驗(yàn)，證明阿巴氯芬整體耐受性良好，并且以ABC易激惹性指標(biāo)為主的多項(xiàng)量表結(jié)果得到改善[48]。Ⅱ期臨床試驗(yàn)對(duì)150例ASD患者進(jìn)行阿巴氯芬或安慰劑治療12周后，雖然ABC量表中的主要結(jié)局指標(biāo)無顯著差異，但臨床總體嚴(yán)重性印象量表(clinical global impression of severity，CGI-S)顯示出阿巴氯芬的積極治療作用[49]。目前仍有2項(xiàng)阿巴氯芬治療ASD的多中心注冊(cè)RCT正在開展[50]。

6 小結(jié)與展望

E-I失衡是ASD的重要發(fā)病機(jī)制之一，近20年來諸多研究利用多種ASD動(dòng)物模型探索了海馬、PFC、顳葉等皮質(zhì)環(huán)路中突觸傳遞的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)E-I失衡可能發(fā)生在不同腦區(qū)、不同神經(jīng)元、甚至由不同受體所介導(dǎo)，整體E/I比值改變并不統(tǒng)一，體現(xiàn)了E-I失衡的多維度性及ASD病因的復(fù)雜性。相關(guān)臨床試驗(yàn)評(píng)估了E-I失衡調(diào)節(jié)劑治療ASD患者的潛力，發(fā)現(xiàn)其作為輔助用藥的有效性和安全性良好，但單藥治療時(shí)療效并不顯著，現(xiàn)有的RCT研究結(jié)果表明僅阿巴氯芬可能成為ASD的一線治療藥物。目前，將ASD模型動(dòng)物的行為表型定位到特定的環(huán)路或信號(hào)通路仍存在困難，且人類ASD的臨床表現(xiàn)復(fù)雜多樣，尚缺乏客觀定量評(píng)估每種癥狀嚴(yán)重程度的手段和直接檢測(cè)E-I失衡的生物標(biāo)志物，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)得到的積極結(jié)果很難在ASD患者中進(jìn)行驗(yàn)證。后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注ASD患者E-I失衡標(biāo)志物檢測(cè)方面的研究，并根據(jù)E-I失衡機(jī)制選擇相應(yīng)調(diào)節(jié)劑開展療效研究，從而實(shí)現(xiàn)病理學(xué)改變和臨床療效的協(xié)同監(jiān)測(cè)。

作者貢獻(xiàn)：石岳負(fù)責(zé)文獻(xiàn)檢索及論文撰寫；朱波、黃宇光負(fù)責(zé)論文設(shè)計(jì)及修訂。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突