吴建业，徐磊，康贝贝，姜志梅，徐瑞阳，陈宁

孤独症谱系障碍(autism spectrum disorder，ASD)发病于胎儿至婴幼儿时期，一旦确诊会伴随终生，至今尚未找到明确的发病原因。与遗传因素、环境因素、缺氧、孕期感染等多种因素有关系[1]，大部分ASD儿童伴有肠道症状，其中腹胀、便秘最为常见[2]。对ASD儿童的肠道菌群进行分析，发现和正常儿童的肠道菌群相比，ASD儿童肠道菌群的组成和分布都发生了变化。陈换利[3]研究发现ASD儿童肠道有益菌群数量减少、有害菌群数量增加。近些年肠道因素对ASD儿童相关症状的影响引起了人们的注意，比如早期感染、产前的母体感染、相关抗生素的暴露。以上提及的因素都有可能会破坏和改变婴幼儿正在发育中的肠道菌群，导致组成和分布发生改变。和正常儿童的粪便进行对比发现，ASD儿童粪便的丙酸、乙酸含量明显升高，丁酸含量显著下降[4]。有学者对比国内ASD儿童和正常儿童也发现短链脂肪酸水平异常，乙酸和丁酸的水平较低[5]。短链脂肪酸对人体的代谢功能、脑、肠道屏障和免疫功能等方面产生影响。本文将从肠道炎症、肠道屏障、血脑屏障、氧化应激几个方面论述短链脂肪酸影响ASD核心症状的可能机制。

1 短链脂肪酸的来源及生理作用

短链脂肪酸指的是碳原子数量小于6位的有机酸，包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、异丁酸和异戊酸。其中前三者在人体含量最高而且在人体的免疫、代谢、神经系统和屏障的维持方面发挥关键作用。短链脂肪酸主要是由结肠中的厌氧菌发酵膳食纤维和未消化的碳水化合物产生，产生的大部分短链脂肪酸都在肠道内部被消耗，只有少部分乙酸和丙酸通过单羧酸转运蛋白和单羧酸钠转运蛋白被肝脏吸收，作用于身体的其他代谢途径。由于前三者含量最多且作用最关键，所以把乙酸、丙酸和丁酸为代表的短链脂肪酸用来作为评价肠道菌群健康状况的指标之一[6]。短链脂肪酸的生物学功能包括维持黏膜免疫细胞的活性、肠道上皮的完整性、降低肠道pH值从而抑制细菌的生长保证肠道菌群的稳态，以及调节能量代谢、炎症和肿瘤的生长发育。

丁酸主要由肠道菌群中的厚壁菌门产生，作为结肠上皮细胞的主要能量来源。丁酸具有调节细胞增殖、诱导分化[7-8]和抗氧化的作用。初步研究发现，低剂量和高剂量的丁酸盐引起的应激反应对大脑的学习、记忆和认知功能会产生好的影响[9-10]。

乙酸是短链脂肪酸中含量最丰富的，约占短链脂肪酸总量的60%～75%，主要由肠道菌群中的双歧杆菌、乳杆菌和阿克曼氏菌产生，文岑[11]在研究中发现，乙酸可以减轻小胶质细胞的炎症反应，通过GPR43受体发挥作用。同时乙酸还可以消除由脂多糖引起的氧化应激反应，从而保护脑组织。

丙酸的来源除了从氨基酸和脂肪酸中内源性合成之外，还存在于天然食品中，而且常被作为防腐剂添加到小麦和乳制品中。丙酸是一种有机酸，所以在正常的生理pH值下可以穿过肠道屏障和血脑屏障，尤其是血脑屏障，进入脑内后经单羧酸受体被神经元和神经胶质细胞吸收，给大脑提供能量来源，这一点在发育早期的大脑特别重要[12]。

2 短链脂肪酸影响ASD核心症状的可能机制

目前，ASD在儿童中的发病率呈逐年递增的趋势，而且大部分ASD的儿童同时还会伴有一些肠道疾病，肠道菌群的组成和正常儿童相比也发生了变化。经过一些体外实验和组织的离体研究发现，短链脂肪酸与肠道炎症、肠道屏障、血脑屏障和氧化应激有关，而一部分ASD儿童也存在肠道炎症、肠道屏障、血脑屏障等功能障碍。因此，儿童肠道菌群组成的改变导致短链脂肪酸水平发生变化，进而可能通过以下机制影响了ASD儿童的症状表现。

2.1 短链脂肪酸与肠道炎症 炎症是机体正常的病理反应，肠道炎症与短链脂肪酸有很大的关系，短链脂肪酸主要依赖G蛋白偶联受体来发挥抗炎作用，这一点在Macia等[13]研究中得到证实。在Kim等[14]的实验中发现，对被敲除了SCFAs受体GPR43的小鼠，进行适当的免疫反应后，其肠上皮发展出了不可控制的炎症反应。短链脂肪酸可以促进Treg细胞的正常发育，Treg细胞对诱导外周对自身和外来抗原的耐受是必不可少的，其分泌的白细胞介素-10在炎症中发挥核心作用。在Smith等[15]的研究中发现，通过口服短链脂肪酸可以增加Treg细胞的数量。

先天淋巴细胞和CD4 T细胞产生白细胞介素-22对肠道免疫至关重要，作为TH17和TH22的细胞因子，通过诱导抗菌肽和促进上皮屏障功能来保护宿主免受肠道炎症的损伤。在Yang等[16]的研究中发现，丁酸可以通过GPR41受体来促进先天淋巴细胞和C44 T细胞产生白细胞介素-22，增强肠道的抗炎作用。在Gao等[17]的研究中发现丁酸通过H4细胞中的紧密连接和粘蛋白信号通路来发挥抗炎作用。正常水平的短链脂肪酸对于抑制肠道炎症的发展发挥着关键作用，在ASD儿童中短链脂肪酸水平异常，尤其是丁酸降低，会使肠道受损发生肠漏，有害代谢进入循环系统和脑组织导致异常的神经发育。

2.2 短链脂肪酸与肠道屏障 上皮细胞紧密连接的完整性与肠道屏障之间存在关系，肠道屏障可以阻止肠道菌群产生的有害代谢物进入循环系统和脑组织产生有害影响。G蛋白偶联受体是短链脂肪酸的受体之一，丁酸通过GPR109A受体来发挥对肠道屏障的保护作用，这一点在巩宇红等[18]的实验中被证实。此外，丁酸通过增加肠道屏障紧密连接蛋白的产生来维持肠道屏障的完整性[19]，诱导抗菌肽的产生来帮助肠道抵御病原体保护肠道。Peng等[20]的研究发现，丁酸可以通过调节AMP活化蛋白激酶激活的紧密连接的组装，从而增强肠道屏障。

Nielsen等[21]的体外研究发现，在低剂量的丁酸钠可以改善E12人结肠细胞的屏障功能，但在高剂量的体外研究中则没有效果，但E12细胞上皮屏障功能的改善是由于杯状细胞产生的黏液表达增加所致这与之前的研究有所不同。当肠道屏障受损发生肠漏时，会使血液中肠道微生物产物增多，可以在ASD儿童的血清中检测到脂多糖水平升高。Foley等[22]给怀孕的母鼠注射脂多糖一定时间后，在子鼠中可以观察到有社交行为缺陷和重复行为的孤独症样表现。

2.3 短链脂肪酸与血脑屏障 血脑屏障由脑毛细血管壁和神经胶质细胞构成，将血浆和脑细胞分隔开，阻挡了有害物质进入脑组织，对神经元和神经胶质细胞造成影响，保护脑组织。在Mohajeri等[23]研究发现，外周血液中的短链脂肪酸可以使紧密连接蛋白的产生增多，维持血脑屏障的完整性。但在Braniste等[24]无菌小鼠的实验中却发现了与之相反的结果，可能是由于短链脂肪酸的种类不同导致了不同的结果。在对ASD患者脑组织进行解剖观察时，发现大脑和小脑血脑屏障的表达发生变化，尤其是CLDN-5和CLDN-12，但在自闭症儿童的大脑皮质中CLDN-12蛋白表达显著降低[25]，可能是由于自闭症儿童CLDN-12表达的降低，导致ASD儿童脑组织其他紧密蛋白表达增加来代偿血脑屏障的完整性，从而出现与解刨观察相同的情况。

在ASD患者的脑内检测到有促炎因子的存在，有可能是由于血脑屏障的通透性增高而进入脑内。高水平的促炎因子会使血脑屏障的通透性进一步增加，特别是TH17细胞分泌的白细胞介素-17可以通过调节闭塞素和闭塞带的表达来影响血脑屏障的通透性，而且白细胞介素-17还可以增强中枢神经系统内小胶质细胞产生活性氧的能力[26]，使脑细胞受损。这与ASD患者脑组织变化具有相似性。此外，短链脂肪酸还可以穿过血脑屏障，调节脑内GABA、谷氨酸和谷胱氨酸的水平，影响脑内的兴奋和抑制神经递质、谷胱甘肽的产生和代谢，从而对行为可能产生影响[27]，这与ASD的兴奋和抑制失衡学说有相关性，两者可能具有相关性。

2.4 短链脂肪酸与氧化应激 正常机体自由基的产生和消除处于一个动态的平衡过程，使细胞处在一个稳定的环境中。当自由基的产生和消除之间失衡时，就会导致细胞和组织功能障碍。肠道菌群产生的短链脂肪酸可以穿过血脑屏障，影响脑内环境的稳态。在动物实验中发现，向小鼠脑室注射短链脂肪酸，可以观察到与ASD患者脑部一致的氧化应激效应，而且神经病理学分析显示的反应性星形胶质细胞和活化的小胶质细胞增加，与ASD患者脑部观察到的一致。同时对经过丙酸处理过的动物，脑区进行匀浆分析发现，其离散区域存在有氧化应激的增加，还伴随有谷胱甘肽代谢受损和过氧化氢酶等抗氧化酶活性降低[28]。但有实验发现与其不同的结果，丁酸可以通过抑制HDAC来发挥细胞内的抗氧化作用，同时上调抗氧化基因的表达，这一点在戢力维等[29]的研究中得到证实。在文岑[11]的研究中发现，乙酸可以消除脂多糖引起的氧化应激反应，从而保护脑组织。ASD儿童体内短链脂肪酸的水平发生改变，导致自由基的清除减慢，尤其是脑内的谷胱甘肽循环发生障碍，导致脑内自由基的清除减慢，可能会导致神经元损伤。

2.5 相关机制 短链脂肪酸是由肠道中不同菌群发酵食物而产生，ASD儿童肠道菌群的组成发生变化，导致其产生的各种代谢物质发生改变不能维持原来的正常作用。尤其是丁酸、乙酸和丙酸，当丁酸的水平发生变化不能维持正常的肠道屏障和血脑屏障，紧密连接蛋白减少，肠道菌群产生的有害代谢物进入循环系统和脑组织，影响脑部神经系统的发育，导致一些异常和重复的刻板行为出现，而且丁酸水平发生变化，不能诱导正常的肠道炎症反应，也会加重肠道屏障的损坏过程，导致肠漏的发生。乙酸和丁酸可以诱导细胞发挥抗氧化作用，保护细胞发挥其正常作用，不受其体内过多自由基物质的破坏，在ASD患者体内存在氧化应激反应，而且还存在有线粒体功能障碍，可能与体内短链脂肪酸水平变化有关，不能及时清除体内的氧化物质对细胞的损害。丙酸与ASD的研究目前较多，向小鼠侧脑室注射丙酸，可以制备出ASD模型鼠。一些研究也发现，经过丙酸处理的小鼠，会出现类似ASD患者相似的刻板运动行为。可能是由于丙酸作为一种神经毒素，抑制电子链传递所导致。此外，经过丙酸处理的小鼠，脑部和血浆磷脂的组成会发生变化，对神经系统的发育产生影响，出现一些异常表现。磷脂作为细胞的主要构成成分，如果其发生变化，会使细胞尤其是脑部的神经细胞受到不可逆的破坏。ASD患者短链脂肪酸水平异常，肠道内微生物代谢物进入循环系统和脑组织，可能进一步影响ASD患者症状的表现。

3 讨论

ASD从发现之初，一直尚未找到明确的发病原因，本综述主要介绍了肠道菌群产生的短链脂肪酸，影响ASD核心症状的可能机制，与正常儿童进行对比可以发现ASD的儿童，短链脂肪酸的水平存在异常，可以推测是由于产生短链脂肪酸的肠道菌群发生改变，肠道菌群的组成发生变化导致其产生短链脂肪酸的水平发生变化。这一现象在大部分ASD的儿童中都存在，但也可能是由于ASD儿童食物选择的偏好和不同地区的饮食习惯引起了这种变化，而不是由于ASD的儿童肠道菌群发生变化，因此，关于其具体变化的原因，还需要进一步分析和研究。

本文主要从短链脂肪酸与肠道炎症、肠道屏障、血脑屏障和氧化应激四个方面，进行论述。短链脂肪酸主要依靠G蛋白偶联受体发挥对肠道炎症的抑制作用，当ASD的儿童短链脂肪酸水平发生变化，不能发挥其正常的作用，则可能会对ASD儿童产生一些影响。另外，短链脂肪酸也可以通过AMP活化蛋白激酶来发挥对肠道的保护作用。研究发现短链脂肪酸可以增强肠道和血脑屏障紧密连接蛋白的表达，但在不同的实验中发现了与之相反的结果，可能是由于其实验环境和不同的短链脂肪酸导致表达出不一样的结果。由于短链脂肪酸可以穿过血脑屏障，因此，其可以参与到脑部神经递质的产生和代谢过程，在向小鼠脑室注射短链脂肪酸的实验中，对小鼠脑室进行分析发现，短链脂肪酸引起的神经细胞炎症和氧化应激反应，与在ASD患者脑部发现是一致的，这从侧面可以证实过量的短链脂肪酸，可以对神经系统的发育产生一些有害影响，导致一些异常行为的出现，而且通过向小鼠侧脑室注射丙酸，可以制备出ASD鼠模型也证实了这一点。此外，本综述所引用的主要为动物实验中所观察到的，由于其动物和人类身体内的信号通路和脑部组织可能存在差别，因此需要更多论证。

肠道菌群作为人类身体内最大内分泌器官的组成部分，在人体的生长发育，尤其是在早期儿童神经系统的发育中发挥着至关重要的作用。特别是肠道菌群产生的短链脂肪酸，在人体的肠道、免疫、神经系统的发育等方面发挥作用。ASD的儿童肠道菌群的组成发生改变，导致短链脂肪酸的水平发生变化，可能会对婴幼儿的身体产生不良影响。尽管目前缺乏乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸对ASD影响的研究，但通过向老鼠侧脑室注射丙酸可以制造出ASD鼠模型，以及相关的体外研究都发现，短链脂肪酸的水平在ASD的儿童中存在异常。虽已有相关研究发现肠道菌群产生的短链脂肪酸，可以影响ASD的发生发展，但关于短链脂肪酸具体的作用机制以及发挥作用的信号通路尚不清楚，因此，关于短链脂肪酸在ASD方面的研究仍需进一步探索。