孫雪梅,張曉華 綜述,王芳芳 審校

(勝利油田中心醫(yī)院:1.病理科;2.兒童康復保健科,山東 東營 257034)

孤獨癥譜系障礙(ASD)是一種多病因神經發(fā)育性疾病,即以社會交流/互動障礙和重復刻板的興趣、行為及活動為核心癥狀的一系列疾病(DSM-5)。ASD的發(fā)病率逐年攀升,高達1%左右,男性發(fā)病率是女性的4倍[1]。ASD的發(fā)病機制復雜且多因素,對雙胞胎和家族的研究表明,ASD具有強大的遺傳背景。雖然ASD病例之間存在高度異質性,但共同癥狀的發(fā)生表明某些神經發(fā)育途徑存在共同缺陷。在這一系列中,ASD的異常神經發(fā)育被認為是引起興奮性/抑制性突觸連接失衡的一個潛在的病理機制[2]。神經遞質在外周和中樞神經系統(tǒng)的發(fā)育中起著關鍵作用。谷氨酸(Glu)是哺乳動物大腦中主要的興奮性神經遞質,直接參與大腦發(fā)育和突觸發(fā)生[3]、記憶、行為和運動活動調節(jié)及胃腸功能調節(jié)。此外,在ASD患者和動物模型中都報道了Glu受體基因的異常和谷氨酸能途徑的失調。與普通人群相比,ASD患者的癲癇患病率增加[4],因此認為ASD患者存在興奮性和(或)抑制性大腦活動功能障礙。本文從Glu在典型腦發(fā)育過程中的信號轉導入手,介紹了目前支持谷氨酸能系統(tǒng)參與ASD病理生理學的證據,包括腸道Glu代謝改變的報道和正在進行的治療ASD核心癥狀的臨床試驗。

1 谷氨酸能系統(tǒng)在大腦發(fā)育中的關鍵作用

ASD癥狀出現在發(fā)育早期(尤其3歲以前),在突觸快速形成和成熟的基本時期。腦發(fā)育涉及許多過程,包括突觸發(fā)生、軸突和樹突樹狀結構、遷移和突觸可塑性。在大腦發(fā)育過程中,神經遞質及其受體起著至關重要的作用。在腦發(fā)育過程中,Glu受體的分布和分子特性發(fā)生了很大的變化,使得大腦在生長過程中容易受到Glu神經傳遞變化的影響。研究表明,Glu受體表達和調節(jié)的改變已知與某些神經病理狀況有關,如神經和精神疾病,包括阿爾茨海默病和帕金森病、精神分裂癥、情緒障礙、抑郁癥、癲癇、焦慮、壓力和ASD[5]。對于病理條件下Glu受體功能、亞基表達和結合特性的個體發(fā)生變化的認識和研究還很不完整。然而,體內和體外的研究已經提供了關于不同Glu受體亞單位表達水平的區(qū)域密度和時間變化的信息[6]。Glu受體分為離子型和代謝型,離子型受體依據其對Glu敏感度的不同分為N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體、α-氨基羥甲基惡唑丙酸(AMPA)受體及紅藻氨基酸(Kainate)受體家族[7]。AMPA受體由不同亞基的四聚體(Glu R1-4)組成,AMPAR、NMDAR亞基的表達隨著發(fā)育過程和大腦不同區(qū)域的變化而變化。Kainate-2-羧基-3-羧基-甲基-4-異丙烯基吡咯烷受體(KAR)可激活調節(jié)新生兒海馬的網絡和突觸活動。KAR在出生后的第1周內廣泛表達于杏仁核,這一時期與突觸發(fā)生的過程相吻合,表明其參與了突觸形成的過程。腦發(fā)育過程的另一個重要方面是維持Glu和γ-氨基丁酸(GABA)之間的興奮-抑制(E/I)平衡。與Glu相反,GABA參與抑制神經傳遞。然而,在發(fā)育初期,GABA能神經元形成興奮性突觸,直到后來在成熟過程中才變得抑制性。在神經元突觸和神經回路中維持穩(wěn)定的E/I平衡對于正常的大腦發(fā)育和功能至關重要。因此,E/I平衡的紊亂與包括ASD在內的神經發(fā)育障礙有關[8]。

2 谷氨酸能系統(tǒng)與ASD

2.1ASD中的Glu信號 據估計,中樞神經細胞內Glu水平約為10 mmol/L,遠高于細胞外液(0.5～2.0 μmol/L)、腦脊液(10 μmol/L)或血漿(150 μmol/L)。腦中Glu水平受到許多機制的密切調節(jié),如血腦屏障的內皮細胞及神經元和星形膠質細胞之間的Glu/谷氨酰胺(Gln)循環(huán)等。有報道指出,與健康對照組相比,ASD患者血漿Glu水平較高,血漿Gln水平較低[9]。血漿Glu水平升高與ASD的嚴重程度增加有關。盡管由于腔膜上的可飽和立體選擇性易化轉運體,Glu不會以可觀的數量進入大腦,但原則上,血Glu水平可能影響大腦Glu水平。血及腦中Glu在代謝過程中處于一個緊密平衡和高度動態(tài)的循環(huán)中,以維持適當水平[10]。研究表明,在ASD患者中,杏仁核-海馬區(qū)、初級感覺皮層[11]、前扣帶回皮層[12]和聽覺皮層中Gln的水平明顯較高,而右側顳內側葉中Glu的水平有降低的趨勢。HOLLESTEIN等[13]使用氫質子磁共振波譜(1H-MRS)技術研究發(fā)現,隨著時間的推移,ASD組的前扣帶回皮層Glu水平與對照組相比有所降低,而隨著時間的流逝,重復行為的增加與同一區(qū)域的Glu水平降低有關。在健康成人大腦中,Glu和GABA都維持E/I平衡,增強的Glu水平會導致Glu受體的長期激活,從而導致神經元的鈣超載,這種現象被稱為興奮性毒性。許多證據表明,谷氨酸能功能障礙、興奮性毒性和神經炎癥是相互交織的現象。事實上,皮層灌注NMDA增加了促炎性細胞因子腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白細胞介素-1β(IL-1β)的表達。膠質細胞和免疫細胞控制由神經元發(fā)出的“開”和“關”信號驅動的促炎活動。Glu釋放是激活促炎性細胞因子TNF-α和IL-1β釋放的“開啟”信號。事實上,TNF-α通過胞吐AMPA受體增強興奮性突觸強度,通過誘導胞吐GABA(a)受體降低抑制性突觸強度,總體上使E/I平衡向興奮方向移動。

2.2ASD患者谷氨酸能系統(tǒng)的遺傳學研究 近年來,隨著基因檢測技術的突飛猛進,發(fā)現超過800個相關基因和基因組區(qū)域在ASD發(fā)病中有一定作用,其中包括Glu受體基因的突變及Glu受體亞基的mRNA和蛋白表達的修飾。有報道指出,SLC1A2基因,編碼膠質高密度Glu轉運體,參與Glu神經傳遞系統(tǒng)。雜合de novo GRIA2變異體已在診斷為智力殘疾和神經發(fā)育異常的患者中被報道,包括ASD[14]。RAMANATHAN等[15]提供了進一步的證據,他們觀察到,在一個孤獨癥患者的染色體上,含有GRIA2基因的區(qū)域有1個19M位的缺失。對ASD患者GRIN2B的測序研究發(fā)現了大量罕見的錯義突變、嚴重的從頭剪接位點變異和3個額外的從頭功能喪失變異。對從頭突變的進一步分析證實GRIN2B是一個高置信度的ASD候選基因[16]。同樣,GRIN2A編碼NMDAR的2A型調節(jié)亞基,常與神經發(fā)育表型和ASD相關。GRIN2A基因罕見的致病性缺失和雜合從頭錯義變異[17]與兒童局灶性癲癇有關。遺傳學研究也發(fā)現,ASD和Glu受體Kainate家族的GRIK基因之間有遺傳聯系。關于GRIK5,在孤獨癥兒童中發(fā)現了3個新的錯義突變。GRIP1基因與ASD也有關聯,該基因編碼一種支架蛋白,介導幾種跨膜蛋白的轉運和膜組織。有學者報道,與480例對照者相比,在480例ASD患者中報道了罕見但發(fā)病率較高的錯義突變[18]。全基因組關聯研究提供了ASD與染色體7q21-32區(qū)變異之間的聯系證據,該區(qū)域含有Glu代謝受體8基因(GRM8)。此外,在1名ASD和智力殘疾兒童的染色體7q31.33q32.1區(qū)發(fā)現了1個包含GRM8在內的13個基因的微缺失[19]。

2.3谷氨酸能基因和蛋白在ASD中的表達 谷氨酸脫羧酶(GAD)是Glu/GABA循環(huán)中的限速酶,將Glu轉化為GABA,以2種異構體GAD65和GAD67存在。GAD67基因位于2號染色體上的一個易感位點,在小腦浦肯野細胞中大量表達。同時,有報道研究ASD患者浦肯野細胞中GAD67 mRNA水平顯著降低[20]。值得注意的是,ASD患者浦肯野細胞的數量和大小也減少。有報道指出,ASD患兒齒狀回大神經元GAD65 mRNA顯著減少[21]。ASD患者小腦中興奮性氨基酸轉運蛋白-1(EAAT1)和EAAT2的mRNA水平也有所增加。在血漿和光譜研究中觀察到的Glu水平增加可能有助于增強EAAT的表達。ASD患者大腦的組織學研究顯示,邊緣區(qū)包括海馬區(qū)有小尺寸神經元和增多的神經元堆積,以及杏仁核和海馬體相對于整個大腦的體積減小。

2.4ASD患者中的Glu/GABA平衡 由于谷氨酸能和GABA能神經傳遞之間的正確平衡對于正常的信息處理、穩(wěn)定性和神經元網絡的組織至關重要,興奮和抑制之間的不平衡、谷氨酸能信號增強和(或)GABA能信號減弱的功能障礙可能與ASD的病理生理學有關[22]。GABA能傳遞在大腦發(fā)育過程中起著關鍵作用。事實上,在胚胎和出生后早期,GABA對未成熟神經元起興奮作用,并與Glu協(xié)同作用,驅動谷氨酸能神經元突觸的發(fā)育、細胞遷移和分化。由于GABA傳遞過程中的去極化-超極化轉換對于E/I平衡的正確建立至關重要,GABA能信號轉導的改變會損害正常的細胞處理,并導致如ASD功能的缺陷。到目前為止,越來越多的證據表明,Glu-Gln循環(huán)異?？赡転?ASD 發(fā)生的核心機制[23]。在體內的1H-MRS測量顯示,ASD兒童血漿GABA水平顯著增加。相反,腦區(qū)分析報告ASD兒童額葉GABA/Glu值降低,青少年高功能ASD患者枕腦區(qū)GABA/Glu值降低。不同的結果顯示,與對照組相比,ASD兒童視皮層GABA水平升高,感覺運動皮層GABA水平降低,以及前扣帶回皮層中GABA/肌酸水平降低[24]。此外,遺傳學研究表明在ASD中γ-氨基丁酸能功能障礙的參與。事實上,在染色體15q11-q13區(qū)域發(fā)現了罕見的突變,包括從頭突變和固有變異,該區(qū)域包含GABA受體的特定亞基編碼區(qū),包括GABRB3、GABRA5和GABRG3。ASD遺傳和藥理動物模型的分子和細胞研究報道γ-氨基丁酸能功能障礙與ASD的發(fā)病有關[25]?？偟膩碚f,谷氨酸能和γ-氨基丁酸能神經傳遞的功能障礙表明E/I平衡的病理轉換,至少部分與代償機制的失敗有關,如突觸效力、可塑性、膜興奮性和(或)突觸數量的適應,這些機制在生理學上可防止神經元過度興奮。BRUINING等[26]通過神經網絡振蕩的計算模型證明了ASD兒童網絡活動的功能性E/I值和長程時間相關性的增加有關。同樣,SPIEGEL等[27]用實驗性雙眼對抗測試范式法研究,ASD患者視皮層E/I平衡發(fā)生改變,ASD患者大腦中較慢的競爭動力與較高的ASD特征有關。此外,在最近的一項研究中,經顱磁刺激監(jiān)測皮質-脊髓興奮性和皮質內抑制表明,ASD表型的嚴重程度與E/I平衡之間存在正相關[28]。ASD高雌雄比的性別特異性機制可能不同程度地影響E/I平衡,從而影響ASD表型。

2.5腸道Glu代謝的變化 越來越多的證據表明,Glu除了是大腦中主要的興奮性神經遞質外,還是腸神經系統(tǒng)和胃腸道的重要神經遞質。在腸道中,Glu來源于食物,也有少量來源于微生物活動,它與味覺和消化過程等多種功能密切相關。膳食中的Glu不能通過血腦屏障。然而,當飲食或微生物群發(fā)生改變時,血腦屏障通透性可能改變,Glu在大腦中積累。腸內Glu通過激活分布在迷走神經、內臟神經和盆腔神經上的受體,以及通過包括迷走神經背側運動核在內的傳出通路上的受體,對腸和腦之間的雙向交流起著重要的作用。動物模型研究發(fā)現,在小鼠體內給予益生菌可以刺激微生物群調節(jié)代謝途徑,提高腦內Glu水平[29]。此外,最近的研究表明,腸道微生物群失調的小鼠海馬組織中蛋白質磷酸化的異常與谷氨酸能神經遞質系統(tǒng)紊亂有關[30]。超微結構和免疫組織化學證據表明腸神經系統(tǒng)具有完整的谷氨酸能機制,包括泡狀谷氨酸能轉運體[30]和所有已知的離子型谷氨酸(iGlu)和代謝型谷氨酸(mGlu)受體。在食道、胃、小腸和大腸中都發(fā)現了iGlu和mGlu受體,它們可能參與特定的功能,包括肌肉活動和局部血流。值得注意的是,腸膠質細胞和星形膠質細胞在形態(tài)和分子上存在許多相似之處,特別是在Gln合成酶和iGlu受體表達方面,這表明在腸神經系統(tǒng)中,膠質細胞可能有助于防止細胞外Glu水平上升到神經毒性水平。有研究報道,通過對ASD腸道微生物群的表征強調了腸道谷氨酸能神經遞質機制的失調,這可能在ASD癥狀的發(fā)展中發(fā)揮作用[31]。一項針對43名ASD兒童的研究發(fā)現,腸道皮質醇水平降低與Glu代謝的變化有關,2-酮基Glu顯著減少,微生物群的變化,糞便樣品中的類桿菌含量特別低,長形卵形芽孢桿菌和肉毒梭菌含量都很高[32]。與此相一致,富含脂肪和低碳水化合物的生酮飲食通過其對腸道微生物組成的影響,導致副乳酸菌增加,并同時導致腦Glu水平的增加,從而降低了2種不同ASD小鼠模型的癲癇易感性。

3 針對谷氨酸能系統(tǒng)的藥物治療

在美國,批準的治療ASD的藥物干預僅限于利培酮和阿立哌唑,這2種藥物都被美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)指示用于治療ASD相關的易激惹癥狀,但不用于DSM-5確定的對ASD診斷至關重要的核心癥狀。因此,尋找新的藥理靶點以減少癥狀、改善功能和潛在影響長期結果的、有效的基于發(fā)病機制的治療是至關重要的。目前臨床試驗集中在針對許多神經生物學途徑、γ-氨基丁酸能和谷氨酸能傳遞、神經炎癥、神經肽和內源性大麻素系統(tǒng)。迄今為止,Glu受體拮抗劑治療ASD的臨床療效有限。在這些試驗中測試的藥物包括美金剛(一種NMDA受體拮抗劑)和mGlu5拮抗劑(如苯那班、馬伏格魯坦和巴西格魯坦)。功能磁共振成像用于測量藥物利魯唑治療后前額葉皮層的功能連通性。之所以使用該類藥物,是因為其對GABA和Glu靶點有廣泛的作用,因此似乎能夠在大多數個體中調節(jié)Glu及GABA通量,且利魯唑具有良好的藥代動力學特征和極低的不良反應。有研究指出,利魯唑治療可增加ASD患者前額葉皮質的抑制指數,并增加了前額葉功能連接。值得注意的是,在對照組患者中,GABA含量的減少與Gln含量的增加有關,而在ASD患者中,利魯唑增加了抑制指數,但不改變Gln?？傊?利魯唑使ASD患者的平衡向GABA轉移,而對照組的平衡向Gln轉移。利魯唑通過抑制電壓依賴性鈉通道,減少神經遞質釋放,促進星形膠質細胞攝取細胞外Glu而起作用[33]。JOSHI等[34]在一項為期12周的隨機試驗中使用美金剛(一種非選擇性的NMDA受體拮抗劑)治療ASD青少年的社會缺陷,在治療前和治療后進行神經影像、功能磁共振成像和共振波譜分析,以評估患有ASD的青少年和健康志愿者的功能性神經元缺陷,在非語言準確性量表的診斷分析和自我報告的執(zhí)行功能方面,非語言交流有顯著的改善,沒有引起嚴重的不良反應。通常,高Glu水平對應于大腦中的過度興奮性,這可能是由突觸中Glu水平升高和(或)其受體過度表達引起的。在一項雙盲安慰劑對照研究中,28名ASD 兒童接受了拉莫三嗪(一種調節(jié)葡萄糖釋放劑),接受治療的兒童在溝通和社會化的語言方面表現出改善[35]。NMDA受體拮抗劑似乎對高興奮性和攻擊行為有效。美金剛已經被假設在潛在的調節(jié)學習、阻斷Glu的過度效應(可能包括神經炎癥活動)和影響ASD的神經膠質活動中發(fā)揮作用。在設計治療ASD核心癥狀的藥物開發(fā)計劃時,必須考慮ASD是一種貫穿整個人類生命周期的神經發(fā)育障礙,在此期間對特定治療的療效和反應可能不同。因此,對ASD治療的初始批準應該包括兒童和年輕人。藥物開發(fā)可能需要在兒童和成人中進行單獨的臨床試驗,以確保2組的有效性和安全性。

4 小結與展望

ASD是一種由遺傳、表觀遺傳和環(huán)境等多種因素引起的多因素神經發(fā)育性疾病。然而,ASD的行為癥狀和發(fā)育階段的一致性提示了一個共同的神經生物學基礎上的病因。大量研究表明,谷氨酸能功能障礙可能參與ASD病理生理學,因為Glu直接參與腦發(fā)育和功能,以及腸道微生物群和中樞神經系統(tǒng)之間的雙向通信軸。目前,人們對ASD在成年后是如何發(fā)展的,或者主要癥狀是否持續(xù)或改變仍然知之甚少。同樣令人擔憂的是,靶向治療的有限可用性和(或)開發(fā)新藥物的有限成功。識別新的生物標志物將大大有助于靶向和精確治療的發(fā)展,闡明谷氨酸能功能障礙對ASD癥狀的影響可能有助于確定新的藥理靶點。迄今為止,還沒有批準谷氨酸能藥物治療ASD,盡管一些臨床試驗處于早期階段,旨在評估已經批準用于ASD患者其他情況的谷氨酸能藥物。深入研究谷氨酸能系統(tǒng)的作用及其機制將有助于了解ASD的發(fā)病機制,為尋找ASD的診斷和治療方法提供理論基礎,并提供潛在診療分子靶標。