自閉癥譜系障礙（ASD）是一類由遺傳因素和環境因素共同作用導致的神經發育疾病，患者的核心癥狀表現為社交障礙以及重復刻板行為。雖然ASD發病率逐年升高，但目前尚缺乏有效的治療手段，尤其是針對核心癥狀。鑒于糾正ASD患者腦中的基因突變相對困難，因此，通過改變影響ASD發生發展的環境因素，進而起到緩解ASD癥狀，尤其是核心癥狀，逐漸成為了科學研究的熱點。近年來，越來越多的證據表明腸道微生物能夠調節神經活動并且影響中樞神經系統相關的行為。已有研究表明腸道微生物可以通過腸-腦軸這條雙向通路與中樞神經系統進行溝通交流。但是，在ASD的狀態下，腸道微生物如何調節與ASD相關的神經活動仍然知之甚少。此外，能否通過腸道干預而治療ASD目前仍然缺乏足夠的證據。

2022年3月3日，中國科學院北京生命科學研究院趙方慶團隊在《Nature Communications》上發表研究論文“Changes to gut amino acid transporters and microbiomeassociated with increased E/I ratio in Chd8+/mouse model of ASD-like behavior”，報道了他們在腸道微生物-腸-腦軸調控ASD的機制研究方面的最新成果。該團隊從解析ASD動物模型在神經系統和腸道的表型入手，在此基礎上引入了菌群定植實驗和藥物干預實驗，開展了腸道微生物對ASD中神經活動調控機制的研究。研究首次闡明了氨基酸轉運體在腸道微生物調節與ASD相關的神經活動中的作用，揭示了腸道微生物-腸-腦軸雙向溝通的新機制。

該研究團隊選擇染色質解旋酶DNA結合蛋白8雜合敲除的小鼠(Chd8+/-)作為研究ASD中腸道微生物調節神經活動的動物模型。首先，該團隊評估了Chd8+/-小鼠的ASD樣行為并揭示了Chd8+/-小鼠表現出ASD樣行為的機制。在神經遞質水平，Chd8+/-小鼠表現為興奮性神經遞質谷氨酸水平升高，導致興奮性神經遞質和抑制性神經遞質（γ-氨基丁酸）的比例增加。同時，腦中和外周血中谷氨酸的前體物質谷氨酰胺水平升高。為了驗證腸道對氨基酸的吸收是否參與了外周血中的氨基酸水平異常，該團隊進行了腸道單細胞轉錄組測序，發現腸道上皮細胞中氨基酸的轉運體表達量增加，這一發現也在蛋白水平上得到了驗證（圖1）。

圖1. Chd8+/-小鼠模型的興奮抑制不平衡

該團隊進一步探索了Chd8+/-小鼠的腸道微生物，發現Chd8+/-小鼠發生了以擬桿菌屬水平減少為特征的腸道菌群紊亂，并證實了宿主通過調節腸道防御素而影響腸道菌群組成。為了探索腸道微生物紊亂在Chd8+/-小鼠ASD樣行為中的作用，對Chd8+/-小鼠進行了共飼養實驗，發現與Chd8+/+小鼠共飼養糾正了的Chd8+/-小鼠的腸道微生物紊亂和相應的ASD樣行為。隨后，挑選了單形擬桿菌這一變化幅度最大的擬桿菌對Chd8+/-小鼠進行單菌定植實驗，發現補充單形擬桿菌糾正了腸道氨基酸轉運體的表達水平、腦中異常的谷氨酸和谷氨酰胺水平以及ASD樣行為。最后，為了探索腸道微生物是否通過調節腸道氨基酸轉運體而調節外周血中谷氨酰胺的水平，進而調節腦中的谷氨酰胺以及谷氨酸水平，最終影響興奮/抑制不平衡，該團隊使用了腸道氨基酸轉運體的抑制劑，發現該抑制劑可以起到和單形擬桿菌相似的作用（圖2）。

圖2. 單形擬桿菌干預對興奮抑制不平衡及行為表型的恢復作用

該研究首次闡明了腸道氨基酸轉運體在腸道微生物調節與ASD相關的神經活動中的作用，揭示了腸道微生物調控神經系統的新機制，完善了腸道微生物-腸-腦軸雙向溝通的理論基礎（圖3）；發現了腸道微生物和腸道氨基酸轉運體抑制劑能夠糾正ASD相關的行為，尤其是社交障礙這一核心癥狀，提示腸道干預有可能作為ASD臨床治療的有效手段；證實了腸道微生物和宿主在ASD發生發展和治療中的相互作用：宿主通過調控腸道防御素水平而影響腸道微生物的組成，而腸道微生物通過調節腸道氨基酸轉運體而調控宿主神經活動。

圖3. Chd8+/-小鼠模型中腸道微生物-腸-腦軸互作機制

中科院北京生科院博士后于游、博士研究生張冰和副研究員冀培豐為論文的并列第一作者，趙方慶研究員為通訊作者。該工作獲得了國家杰出青年科學基金、科技部重點研發計劃和中國科學院戰略先導專項的支持，在腸道微生物菌株分選上得到了中國科學院微生物研究所劉雙江研究員及其團隊的大力支持。趙方慶團隊在前期工作中針對復雜菌群結構和功能的精準解析問題，建立了一系列新技術和新方法，相關研究發表在Cell (2020)、Gut (2020, 2018)、Nature Communications (2022, 2021, 2017)、Genome Biology (2021, 2016)、ISME J (2019)、Microbiome (2017)、Nucleic Acids Res (2016)。這些研究豐富了我們對復雜微生物組結構組成、動態演替和功能的認識，為深入理解腸道微生物與宿主互作提供了理論依據和方法學基礎。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28746-2

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