如雪科技新闻

让自闭症小鼠告别“社恐”,仅需一瓶乳酸菌?

作者: 点击量:

  来源:我是科学家iScientist

  今天是“世界自闭症日”(4月2日)。自闭症,作为一种在儿童中越来越高发的精神类疾病,近些年引起了越来越多的关注,可是它的诊断和治疗一直以来都非常困难。然而如果我告诉你也许某些自闭症用乳酸菌就可以改善,你八成会觉得我和卖保健品的有什么交易。

  不过,最近发表在神经科学界顶级期刊《神经元》(NEURON)上的一项研究表明[1],这也许不是在忽悠人。这篇由美国休斯顿贝勒医学院Mauro Costa-Mattioli实验室发表的论文,通过对罗伊氏乳杆菌在自闭症小鼠模型上的研究,为缓解自闭症提供了潜在的新思路。

  现年78岁的安维萨他因“发现”心脏含有干细胞(c-kit)而出名,这些c-kit细胞,据称可以再生心肌,从而可以用于治疗心脏病,一度被认为开创了心脏干细胞疗法。然而,国际上很多实验室试图重复这一结果却没能成功.直到2014年,美国辛辛那提儿童医院心血管生物学家杰弗里·摩尔肯丁课题组首次用遗传实验证明,小鼠心脏中的c-kit细胞几乎从未产生新的心肌细胞。

  全球自闭儿童逐年增多

  对小鼠的研究首先揭示,疟原虫唤起机体的多种免疫细胞攻击和杀伤癌细胞。在疟原虫感染后,负责天然免疫的自然杀伤细胞(NK细胞)和树突状细胞(DC细胞)被激活,并诱导这些细胞释放细胞因子,杀灭一部分癌细胞。尤其是DC细胞,是机体功能最强的专职抗原递呈细胞,能高效地摄取、加工处理和递呈抗原,诱导特异性的细胞毒性T淋巴细胞(CTL)生成,并且攻击肿瘤。现在的肿瘤免疫疗法之一就是,应用肿瘤相关抗原或抗原多肽在体外致敏DC细胞,再回输病人体内以抗击肿瘤。

  全世界大约1%人口患有自闭症(CDC, 2014),美国每59个儿童中就有1例自闭症患者(CDC, 2018),而这个比例还在逐年升高。中国在2013年的调查结果约为0.23%[2],虽然较美国更低,但受调查人群的覆盖率和诊断手段所限,这个数据很可能远低于实际值,而且在近年更新的调查中自闭症显示出较大增长[3],成为不容小觑的问题。

  自闭症患儿的常见症状包括社交困难,重复行为等。过去几十年中,绝大多数关于自闭症的研究都着眼于大脑。毕竟大脑所在的中枢神经系统控制着人的认知功能和种种行为,社交也不应该例外。

  研究人员使用KRAS和TRP53突变的自发性胰腺癌小鼠,对比了16周龄以上,已长出胰腺癌的小鼠,和8~10周龄,还处于癌前病变阶段的小鼠的肝组织,发现那些已经长成胰腺癌的小鼠肝脏中,髓系细胞的数量增加了,还出现了细胞外基质纤连蛋白和I型胶原的表达沉积增加。

  神经学家们构建了多种基于中枢神经系统功能障碍的自闭症生物模型,基于此生产出浩如烟海的文献,也揭示了与自闭症相关的许多事实。与过去的主流神经学思路不同,这篇文章的研究者们另辟蹊径,把目光放在了肠道微生物上。

  自闭又拉稀?这并非偶然

  到底是什么激活了这些STAT3?研究人员把目光转向了它上游的IL-6。研究人员发现,在敲除了IL-6的小鼠中,胰腺的原发瘤没有受到影响,不过肝脏中,STAT3的激活减弱了,髓系细胞趋化因子血清淀粉样蛋白(SAA)的表达下降了,髓系细胞和细胞外基质的积累也都减少了,更重要的是,肝脏对转移瘤的接受能力下降了。而封锁住IL-6的受体也产生了相似的效果。

  人类的肠道中存在着丰富的微生物群,大多是不致病的厌氧菌,其中的一些种类甚至是肠道独有的。通常认为这些细菌有助消化,保护肠粘膜屏障,帮助降解有毒代谢物,支持免疫系统和抑制有害菌等作用[4],从而和宿主形成了牢固的共生关系。

  先把时钟拨回到2016年。那一年,Knight教授团队发现,当小鼠喝水时,只要当水接触到嘴部和喉咙,大脑中的一些神经元就会被关闭。这暗示这些神经元可能起到了促进喝水的作用,而信号则是来自口腔和喉咙等部位。

  其实肠道微生物与大脑活动之间的相互作用早已不是第一次被发现。这一相互作用被称为“大脑-肠道-微生物轴(brain-gut-microbiome axis)”。过去几年间,这一通路已经得到了科学家的广泛重视。

  但是近年的发现表明,它们的作用远不止于此。人们发现大脑似乎可以用某种方式对肠道菌群施加影响。神经系统可以调控黏蛋白的分泌,进而改变肠道菌群。甚至紧张焦虑的心理状态也可能改变肠道菌群的构成[4](正是基于这些发现,大脑-肠道-微生物轴的概念才被提出)。

  第一种可能性,是肠道益生菌通过保护肠粘膜屏障完整性来避免一些有毒代谢物进入血液。作者也首先检查了这一方面,然而研究中用到的自闭症小鼠,肠粘膜屏障通透性并没有比正常小鼠更差,细胞间连接也没有显示异常,因此肠粘膜屏障并不是原因所在。

  另外一些研究表明这个通路并不是单向的,肠道微生物可以反过来影响大脑。例如,抗生素处理过的肠道微生物缺失小鼠和无菌培养的小鼠在多种行为测试中与肠道微生物正常的小鼠存在显著差异[5-7]。

  此外自闭症与肠道健康之间的联系其实也已经被观察报道过。很长时间以来,人们在临床中经常能发现自闭症和消化问题的某种关联性。相当部分的自闭症患儿同时也罹患胃肠消化疾病,如腹泻、便秘、胀气、呕吐等等[4]。

  通过对肝细胞mRNA的测序,研究人员在两组小鼠中找出了275个存在表达差异的蛋白,其中差异最大的要数IL-6–JAK–STAT3相关的蛋白了。进一步对STAT3激活情况的分析表明,本就有胰腺癌的小鼠中,80~90%的肝细胞中的STAT3都被磷酸化激活了,而对照组只有2%。

  近些年的广泛研究,将一些特定的肠道菌种与自闭症关联起来。但过去的研究只是泛泛地从诸如肠道菌落生态失衡、有害菌产生的不良代谢物等较为宏观的角度进行解释[4],缺乏具体的机理研究。

  “我们并没有说玉米糖浆导致了新肿瘤的发生,因为即便是没有添加糖分的正常饮食,这些小鼠也会出现肿瘤,”本研究的第一作者Marcus Goncalves教授提醒道:“但一旦你提供额外的糖分,肿瘤就会长得更大。”

  乳酸菌片改善自闭?这也许不是梦

  而这一次,研究者们通过一种常见的益生菌,揭示了肠道微生物影响大脑的另一种更为直接的途径。

  故事的主角叫做罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)。它广泛存在于哺乳动物肠道中。如果你在搜索引擎中输入“罗伊氏乳杆菌”,会发现许多育儿经谈到它如何帮助婴儿消化吸收,解决肠绞痛等等。此外,它还常常作为“益生菌”添加到配方奶里。

  研究人员先对若干自闭症模型小鼠[见文末注释]粪便中的微生物种群进行了分析。他们发现这些小鼠的肠道微生物与正常小鼠相比都存在明显的差异。尤其引起研究者注意的是,自闭症小鼠中肠道罗伊氏乳杆菌的水平显著低于普通小鼠。

  那么,缺乏罗伊氏乳杆菌与自闭症的症状间有没有因果关系呢?研究者做了一个很简单的实验。在自闭症小鼠出生三周后给它们喂食一定剂量的罗伊氏乳杆菌,持续四周,然后测试小鼠的社交行为。

  神奇的是,和没有喂食罗伊氏乳杆菌的自闭症小鼠相比,实验组的社交行为完全恢复到了正常小鼠的水平。值得一提的是,罗伊氏乳杆菌似乎只特异地只影响小鼠的社交行为,其他活动水平并没有改善。

  那么它的作用原理是什么呢?

  使用组织蛋白酶抑制剂处理野生型模式小鼠,可以有效增强树突细胞的肿瘤抗原呈递能力,达到抑制肿瘤生长的效果。

  第一种可能性,是肠道益生菌通过保护肠粘膜屏障完整性来避免一些有毒代谢物进入血液。作者也首先检查了这一方面,然而研究中用到的自闭症小鼠,肠粘膜屏障通透性并没有比正常小鼠更差,细胞间连接也没有显示异常,因此肠粘膜屏障并不是原因所在。

  于是作者把目光投向第二种可能性——罗伊氏乳杆菌也许会通过连接肠道和大脑的“桥梁”迷走神经(vagus nerve)来作用于大脑。为了验证这个假设,他们切断了自闭症小鼠的迷走神经,这一回,再对自闭症小鼠使用罗伊氏乳杆菌就完全无法改善它们的社交行为了。这个结果证实了罗伊氏乳杆菌确实是通过迷走神经的介导作用来影响大脑的。

  那么,肠道的信号在大脑中产生了什么影响?在哺乳动物中,社交行为会激活大脑的奖赏中心——中脑腹侧被盖区(Ventral Tegmental Area,VTA)。此前的研究表明,中脑腹侧被盖区的活性可以受到一种名为催产素(Oxytocin)的激素的调控,从而影响着小鼠的社交行为。脑中催产素的释放则是受到传入迷走神经的信号的调控的!来自同一研究小组此前的工作表明罗伊氏乳杆菌影响小鼠大脑催产素的分泌水平[8],所以一个合理的假设是罗伊氏乳杆菌通过迷走神经影响了大脑催产素水平。

  研究者检测了自闭症小鼠脑中的催产素水平,发现果然比正常小鼠低了不少,而经过罗伊氏乳杆菌处理的自闭症小鼠则恢复到了正常水平。如此看来,确实是催产素的问题。为了进一步验证催产素的充分性,他们直接对切断迷走神经的自闭症小鼠的鼻内施加催产素,小鼠的社交行为也获得了改善。这说明催产素是真正影响行为的有效因素。

  为了验证催产素的必要性,他们特异性地敲除了构成奖赏中心中脑腹侧被盖区的神经元的催产素受体基因。这样的小鼠即使在脑中出现了更多催产素,中脑腹侧被盖区也感受不到——可以说是“累觉不爱”了。研究者发现,这些小鼠虽然肠道罗伊氏乳杆菌是正常水平的,但依然出现了社交行为障碍!并且,这种“累觉不爱”的自闭症小鼠中即使补充罗伊氏乳杆菌也无法改善社交行为障碍。

  至此,研究者们揭示了“罗伊氏乳杆菌—迷走神经—大脑催产素—社交行为”这条重要的通路,也提出一种潜在的自闭症诊疗方向。但这条链中仍然有重要一环没有得到解释:罗伊氏乳杆菌是如何影响迷走神经的?是它们自己主动发出的信号,还是它们产生的代谢物?未来一个可以尝试的实验是看看保留代谢物的灭活乳杆菌萃取液是否也能“治愈”自闭症小鼠。

  不过必须提醒读者们的是,这项研究并不意味着仅靠喝酸奶吃乳酸菌片就能治愈自闭症。

  首先,这篇研究的主要数据仅仅包括小鼠在两三种设定下的“社交”行为表现,虽然是被承认的研究范式,但究竟能有多准确地表征自闭症是存疑的。而且作者也在论文中提到,自闭症小鼠的另一行为表型——更低的活动性,就并没有被罗伊氏乳杆菌改善。因此文章的实验结果并不能直接解读为“治愈自闭症”。

  第二,如前所述,自闭症患者有丰富的个体差异性,在某几种小鼠模型上有效不代表在所有自闭症小鼠模型都有效。

  一个正常携带E-selectin基因的小鼠在受到细菌感染发炎后,血液流动变慢,巨噬细胞打着滚地与血管的内表皮接触,并会从血管壁扩散出来,到达炎症发生地,开始杀灭细菌的工作。

  最后,从实验室小鼠转化到人类患者还有又有不少难以逾越的鸿沟。

  但同时也要承认,这篇文章的发现为自闭症治疗提供了另一种思路。通常认为罗伊氏乳杆菌对人体是安全无害的,所以如果未来某天,真的将其应用到自闭症临床治疗中,想必会是安全又廉价的方法(就算治不好自闭症,缓解一下拉肚子的问题也能提高患者生活质量嘛)。

  “纯粹是为了好玩,我做了另外一个实验。因为我把这些患癌小鼠治好了,于是我决定再次给它们注射肿瘤,但这次不再用酶来治疗它们,看看会发生些什么?”艾利森回忆道。他没争得许可,也没做实验记录。就是一时兴起,结果发现小鼠安然无恙。