自闭症与肠道的关系：微生物可能很快带来新的治疗方法

这个故事刊登在2020年11月号，题为“细菌与大脑”。订阅《发现》杂志，阅读更多此类故事。

要让人们相信人类肠道是一个崇高而奇妙的地方，值得特别关注，并非易事。萨基斯·马兹马尼安（Sarkis Mazmanian）在14年前抵达加州理工学院担任他的第一个教职后不久就发现了这一点，当时他向一位当地艺术家解释了他新办公室外墙的想法。

由此产生的壁画至今仍欢迎马兹马尼安实验室的访客。一条长达40英尺、呈管状的结肠，模糊地呈现出迷幻色彩，粉色、紫色和红色，蜿蜒穿过走廊。旁边的一个面板上，荧光黄色和绿色的细菌从肠道深处发炎的部分爆发出来，如同来自外太空的放射性熔岩。

与这位科学家此后一直致力于的研究相比，这幅壁画显得朴实无华。在过去的十年左右，马兹马尼安一直是这样一种观点的主要倡导者：人类消化道中的菌群对人体和思维的影响远比我们想象的要强大得多——这项科学努力使他在2012年获得了50万美元的麦克阿瑟基金会“天才奖”。自那时以来，马兹马尼安和一小批但不断增长的微生物学家同仁已经积累了大量诱人的证据，证明微生物组在各种脑部疾病中的作用，包括精神分裂症、阿尔茨海默病、帕金森病和抑郁症。

但他们在自闭症方面看到的结果最终可能证明最具变革性。自闭症影响着美国约1/59的儿童，涉及严重的社交退缩、沟通问题，有时还有焦虑和攻击性。这种脑部疾病的原因仍是推测。现在，马兹马尼安和其他研究人员发现，自闭症可能与肠道微生物组的异常有着千丝万缕的联系——甚至是由其引起的。

一个生物学故事

47岁的马兹马尼安——光头、法兰绒衬衫和紧身牛仔裤——像一个准备去当地咖啡馆写作的年轻都市潮人。最初，文学生活是他的计划。马兹马尼安出生在黎巴嫩，父母是两位亚美尼亚难民，两人都只有小学文化。他的家人最初定居在加利福尼亚州圣费尔南多谷，在那里，马兹马尼安遇到了一位充满活力的英语高中老师。这位老师认识到他在语言方面的天赋，并鼓励他从事文学事业。1990年，马兹马尼安考入加州大学洛杉矶分校，计划主修英语。

当他上第一堂生物课时，一切都改变了。在图书馆里，他弯腰翻阅着厚厚的新教科书，阅读着光合作用等基本生物学概念，马兹马尼安感觉一个广阔的新世界向他敞开了大门。

“生平第一次，我想翻开书页，看看故事会走向何方，”他说，“我想我那时就决定要成为一名科学家。”

马兹马尼安最着迷的是这样一种想法：肉眼看不见的微小生物，却能像强大、独立的机器一样运作——强大到足以占据并摧毁人体。从微生物学专业毕业后，马兹马尼安加入加州大学洛杉矶分校的一个传染病实验室，开始研究引起葡萄球菌感染的细菌。在临近博士论文答辩时，马兹马尼安读到一位著名微生物学家撰写的一页评论，其中强调了我们的肠道中充满了数百甚至数千种不同的细菌。但这些细菌是什么，以及它们如何影响人体，在很大程度上仍然未知。

当马兹马尼安深入研究时，他发现没有人回答过在他看来最明显的问题：为什么旨在攻击和摧毁入侵者的免疫系统，会允许数百种细菌在我们的肠道中不受干扰地生存和繁衍？对他来说，细菌的生存意味着我们已经进化到可以与它们共存。如果真是这样，他推断，那么微生物和人体之间一定存在某种益处——一种共生关系。但那是什么呢？

肠道入侵者

马兹马尼安着手研究肠道微生物与免疫系统之间的联系。作为一名博士后研究员，他加入了哈佛大学传染病专家丹尼斯·卡斯珀（Dennis Kasper）的实验室。

首先，马兹马尼安研究了无菌小鼠（从出生起就完全免受所有微生物侵害的实验室小鼠）的免疫系统与微生物水平很少或正常的小鼠的免疫系统有何不同。他预计这项初步调查只是漫长而艰巨的科学探索的第一步。但当他去实验室检查结果打印件时，他立刻意识到自己可能已经发现了重大突破。无菌小鼠的特定类型免疫细胞——辅助性T细胞——减少了30%到40%。

由于辅助性 T 细胞在协调对抗入侵病原体的攻击中起着关键作用，这一发现表明无菌小鼠的免疫系统远不如微生物水平正常的小鼠强健。

“那令人兴奋，对吧？”马兹马尼安回忆道。“显然，我重复了实验，并以多种不同方式进行了测试。然后我提出了下一个问题：‘我能否在成年动物中恢复[免疫]功能？’ ”

马兹马尼安用标准实验室小鼠的微生物定殖了免疫缺陷的无菌小鼠的肠道。在接受粪便移植后，它们的T细胞数量急剧上升。在一个月内，它们的数量与在无菌环境外饲养的小鼠相同。

马兹马尼安决心找出引起这种转变的微生物，他诉诸于反复试验。他一个接一个地将小鼠肠道中发现的细菌菌株添加到无菌小鼠的肠道中。

他研究的前五六个物种都没有取得任何进展。然后，仅仅因为方便，他决定测试实验室里现成的一种。马兹马尼安的导师卡斯珀一直在研究一种名为“脆弱拟杆菌”（Bacteroides fragilis）的肠道微生物。当马兹马尼安将卡斯珀的一个样本植入他的无菌小鼠的肠道时，结果非常显著：T细胞数量飙升至正常水平。最终，马兹马尼安证明，只需向它们的肠道中添加这些细菌产生的一种单一分子，即多糖A，就可以重现这种效果。

“选择完全没有任何逻辑，”马兹马尼安回忆道。“[脆弱拟杆菌]是现成的，它来自肠道。”换句话说，他很幸运。

马兹马尼安深入研究并发现，脆弱拟杆菌（B. fragilis）最大的影响在于调节性T细胞（或称抑制性T细胞）亚型群体的数量。这些细胞在阻止免疫系统攻击宿主身体、预防自身免疫或炎症性疾病方面起着关键作用。这是首次有科学家证明，一种微生物的单一化合物可以逆转免疫系统的特定问题。

对马兹马尼安来说，这项于2005年发表在《细胞》（Cell）杂志上的发现暗示了治疗各种自身免疫、炎症和过敏性疾病的新方法。如果能通过调整患者的微生物组来帮助有缺陷的免疫系统，那会怎么样呢？正是带着这种探索精神，他于2006年抵达帕萨迪纳，在加州理工学院建立了自己的实验室。

一次方便的合作

几年后，马兹马尼安与神经科学家同事保罗·帕特森在校园里共进午餐。帕特森一直被一个困扰人类自闭症研究者多年的谜团所困扰：当怀孕的母亲在孕中期受到严重感染时，她们的孩子患自闭症的可能性会大大增加。

正如马兹马尼安所说，帕特森是个话不多的人，午餐时马兹马尼安“滔滔不绝”地讲着自己的工作。

“你知道，”帕特森若有所思地插话道，“我觉得自闭症儿童有胃肠道问题。”帕特森回忆说，他读到过大约60%的自闭症儿童有某种形式的临床胃肠道问题，如腹胀、便秘、胀气或腹泻。他想，是否可能存在微生物组的关联呢？

他们谈着谈着，马兹马尼安的兴奋之情也愈发高涨。

几年前，帕特森发现，当他让怀孕的小鼠接触流感病毒等病原体时，它们生下的幼崽长大后更容易被巨响惊吓，回避社交接触，并重复性地梳理自己——这些症状类似于自闭症。帕特森正在比较这些模仿自闭症的小鼠的大脑与它们的神经典型表亲的大脑，看是否能检测到任何差异，以解释母体免疫系统是如何干扰幼崽大脑发育的。

马兹马尼安有一个建议：下一次帕特森为了研究大脑而牺牲他的一只自闭症小鼠时，何不把肠子留给走廊尽头的同事呢？

当肠道送到马兹马尼安的实验室时，他发现神经典型小鼠的肠道看起来是正常的。但模仿自闭症的后代肠道几乎普遍发炎。这是否意味着微生物组是这种炎症的原因？而这又是否与行为症状以某种方式相关联？

在2012年冬季和春季，马兹马尼安和帕特森继续他们的对话。马兹马尼安发现小鼠的微生物组存在明显差异。而且，他们注意到，具有自闭症特征的小鼠患有肠漏综合征，即肠道内壁通透性增加，可能导致病原体和过敏原渗出。这种状况在自闭症儿童中也有报道。

于是，马兹马尼安和帕特森将注意力转向肠道之外。他们采集了血液样本，以查看是否有肠道微生物或它们产生的化合物在身体其他部位循环。他们特别关注一种名为4-乙基苯基硫酸盐的分子，这种分子在具有自闭症症状的小鼠体内含量高出约45倍。而且它看起来很熟悉：在结构上，它几乎与最近在患有自闭症的儿童体内显著升高的分子相同。

这足以迈出下一步。连续三周，马兹马尼安每天将从有自闭症样症状的小鼠体内提取的分子直接注射到5周龄正常实验室小鼠的血液中（这是自闭症小鼠通常出现肠漏症的年龄）。然后，马兹马尼安和他的团队对它们进行了一系列行为测试。这些小鼠比未经治疗的同类更容易受惊，在大的空旷空间中也更不自在，这表明与自闭症样症状小鼠常见的焦虑相关行为有所增加。研究人员于2013年在《细胞》杂志上发表了他们的结果。

尽管令人惊讶，但这些数据在某些方面是说得通的。许多制药公司依赖小分子药物，这些药物可以口服，但仍能穿过血脑屏障并影响行为。肠道细菌产生的小分子似乎完全有可能进入血液并到达大脑。它们甚至不需要从肠道渗出就能做到这一点。

小鼠与人类

帕特森于2014年去世，享年70岁，距离两人开创性的《细胞》论文发表仅六个月。大约在同一时间，数百英里外的一家诊所正在进行一系列平行实验，为未来的发展铺平道路。当帕特森和马兹马尼安在小鼠身上进行研究时，亚利桑那州立大学的微生物学家罗莎·克拉伊马尔尼克-布朗（Rosa Krajmalnik-Brown）与吉姆·亚当斯（Jim Adams）合作，研究人类。亚当斯负责该大学的自闭症和阿斯伯格研究项目。

研究人员对人类自闭症患者的微生物组进行了详细分析，发现自闭症儿童的细菌多样性要低得多。值得注意的是，几种与碳水化合物消化相关的重要细菌种类严重不足。

克拉伊马尔尼克-布朗和亚当斯启动了一项初步试验，旨在测试粪便移植对18名患有严重自闭症并伴有严重胃肠道问题的7至16岁儿童的影响。研究人员对这些儿童施用强效抗生素以杀死其微生物组，随后进行肠道清洁。然后，他们用取自健康神经典型成年志愿者的移植菌群替换了微生物。

结果超出了所有人的预期。该手术显著减轻了胃肠道症状，并增加了儿童肠道中细菌的多样性。更重要的是，他们的神经系统症状也得到了改善。

在2017年研究开始时，一位独立评估员发现83%的参与者患有严重自闭症。两年后，只有17%的参与者被评定为严重自闭症。而44%的参与者已不再处于自闭症谱系内。

“[我的孩子]完全变了一个人，”达娜·伍兹（Dana Woods）说，她的儿子伊森（Ethan）五年前7岁时参加了这项初步研究。“他现在的沟通能力大不相同了。他现在更专注了。他更清醒了。他不再接受职业治疗。他也不再接受言语治疗了。研究结束后，他的测试结果与神经典型儿童仅相差两分。”

在2017年关于该试验的第一份报告中，该团队强调了移植后微生物组的许多显著变化，特别是三种细菌种群的激增。其中包括双歧杆菌（Bifidobacterium）增加了四倍，这是一种似乎在维持健康肠道中起关键作用的益生菌。

但要弄清楚细胞层面发生了什么——真正深入观察一些肠道——将需要另一种媒介。亚利桑那州立大学的团队需要马兹马尼安的小鼠。

“归根结底，我们关心的是治愈人类以及微生物组如何影响人类，”克拉伊马尔尼克-布朗解释道。“这就是我们与人类合作的原因。但用小鼠，你可以做更多机制性的研究。”

伟大的老鼠侦探

克拉伊马尔尼克-布朗、马兹马尼安及其合作者共同发现了一些引人入胜的新见解，这些见解大大有助于解开这个谜团。2019年5月，该团队在《细胞》杂志上发表了另一篇备受瞩目的论文，他们将克拉伊马尔尼克-布朗的严重自闭症患者的粪便样本移植到马兹马尼安的无菌小鼠的肠道中。这些小鼠的后代表现出自闭症样症状，如重复和强迫行为。

这一次，团队更深入地研究了大脑中发生的生化过程，不仅关注行为，还关注产生行为的化学物质。出现自闭症样行为的小鼠体内牛磺酸和5-氨基戊酸（5AV）的水平明显较低。当他们查阅文献时，团队了解到这两种物质已知会模拟大脑中一种关键信号传导剂——γ-氨基丁酸（GABA）的活性——其他研究发现GABA在自闭症儿童的大脑中含量不足。

更重要的是，一些人推测，自闭症儿童出现感觉过度刺激的倾向可能源于无法抑制过度兴奋的神经元。缺乏 GABA 可能正是导致这种情况的原因。

科学家们接下来给患有自闭症儿童微生物组的怀孕小鼠口服了高剂量的牛磺酸和5AV。当它们出生后，研究人员继续给幼崽喂食这些物质，直到它们成年。与未经治疗的动物相比，第二代小鼠的行为症状显著减少。牛磺酸通过弹珠掩埋测试，减少了重复行为，增加了社交互动水平，并缓解了焦虑。接受5AV的小鼠更活跃、更善于社交。

“我们治愈了有行为问题的人类，”克拉伊马尔尼克-布朗说。“[我们]将其中一些缺陷和行为转移到了小鼠身上——基本上是相反的。这意义重大。”

马兹马尼安希望在接下来的几个月里迈出下一步。

“我可以按一个开关，点亮一盏灯，我知道那个开关可以点亮那盏灯。我不知道电路，我不知道电线在哪里，”马兹马尼安说。“究竟是如何发生的……我们就是不明白。”

这项最新研究本身并不能证明微生物组失调会导致这种脑部疾病——许多对马兹马尼安的工作持怀疑态度的其他科学家乐于指出这一点。

“这篇论文引起了轰动，但在我看来，试图在小鼠身上模拟与精神相关的条件，有点牵强，”芝加哥大学研究微生物组的神经生物学家桑格拉姆·西索迪亚（Sangram Sisodia）说。“自闭症小鼠？”

这也不是唯一的批评。几位研究人员提出，该小组没有适当关注他们的一项测试——其结果与他们的论点相冲突——而另一些人则发现他们用于评估结果的统计方法存在缺陷。马兹马尼安淡化了这些批评，但承认这项工作尚未 conclusive。

同时，亚利桑那州立大学的试验也引发了质疑，主要原因是样本量过小、缺乏对照组以及评估儿童自闭症严重程度的方法。克拉伊马尔尼克-布朗和亚当斯表示他们坚持自己的研究结果，但也同意需要更多的研究。最近几个月，他们已经启动了两项新研究来解决这些问题。

亚当斯坚称这项工作已经改变了生活。“我们跟踪了我们所有18名参与者，”他说，指的是接受粪便移植的儿童。“果然，我们发现大部分胃肠道益处都保持了下来。一个又一个家庭说他们的孩子只是缓慢而稳定地持续取得进步。”他们于2019年春季在《科学报告》（Scientific Reports）上发表了更新报告。

“我还没有准备好说这个案子已经结案，”马兹马尼安说。“健康的怀疑主义是件好事。我相信临床前数据，我相信小鼠数据。但还有很多研究需要做。”

健康的肠道，新的展望

在7岁接受粪便移植之前，伊森·洛约拉（Ethan Loyola）患有慢性严重腹泻、便秘和绞痛，症状极其严重，以至于他的母亲达娜（Dana）说他“排便时听起来有点像产妇”。

“看着你的孩子经历这一切真是太糟糕了，”她说，并解释说当她让患有自闭症的儿子参加亚利桑那州立大学的研究时，她的“唯一目标是治好他的肠道”。

令人惊奇的是，伊森的痛苦在试验开始几周后就开始消失。但这并不是最显著的变化。移植前，伊森的言语缓慢而拖沓，语言能力基本。他似乎生活在自己的世界里。他经常发脾气。达娜记忆中，她和伊森的每个早晨都充满了争吵、打架、推搡和愤怒。但有一天早上，发生了一件令人震惊的事情。

“有一天早上他把我叫醒，他把脸凑到我面前，带着大大的笑容说，‘早上好，妈妈！’”她回忆道。“他只是兴奋而快乐，准备好带着大大的笑容开始新的一天。我感动得哽咽了，因为我从未经历过一个早上快乐的孩子。”

后来，伊森拿着一台iPad过来，打开了一个带有会说话的猫的应用程序，它可以重复孩子大声说出的话。他播放了自己几周前录制的一段视频。

“[他]看着我的眼睛说，‘妈妈，我为什么那样说话？我怎么了？’他一说完，我就屏住了呼吸。我不得不镇定自己说，‘我不知道。但是你感觉好点了吗？你觉得有什么不同吗？你为什么这么想？’ ”

伊森的沟通能力已经开始提高。研究后一年内，他的语言治疗师让他从语言治疗中毕业，因为他已经达到了所有目标。

“他从彩虹的一端走到了彩虹的另一端，”她说。“在研究之前，我非常害怕。我最大的恐惧是‘当我不在的时候，他将如何在这个世界上航行？’我想我现在有了很多希望，他会自己过得很好。”

编者注：本文早期版本中伊森的姓氏有误。应为洛约拉（Loyola）。