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越来越多的研究表明，肠道微生物群在自闭症谱系障碍（ASD）的发生发展中发挥着重要作用。近年来，科学家发现，这些生活在肠道中的微生物，竟然能通过一条被称为“肠-脑轴”的神秘通道，与大脑“对话”。这种交流不仅影响情绪和认知，还可能与一种复杂的神经发育障碍ASD密切相关。ASD是一种神经发育障碍，其特征是社交行为异常、重复性行为以及类焦虑行为。尽管越来越多的证据表明ASD可能与“肠-脑”轴有关，但其潜在机制尚不清楚。

基于此，2025年7月11日，韩国浦项科技大学生命科学系Sin-Hyeog Im研究团队在Nature communications杂志发表了“Gut microbiota and brain-resident CD4⁺ T cells shape behavioral outcomes in autism spectrum disorder”揭示了肠道微生物群和大脑驻留的CD4⁺ T细胞影响自闭症谱系障碍的行为表现。

为了深入研究这一机制，作者建立了一个无菌的BTBR小鼠模型用于研究ASD。在雄性小鼠中，肠道微生物群的缺失缓解了与ASD相关的行为并减少了大脑中炎症性驻留T细胞的数量。此外，CD4⁺ T细胞的耗竭减轻了神经炎症和ASD相关行为，提示存在“肠-免疫-脑”轴。作者鉴定出多个与ASD相关的微生物和代谢调控因子，尤其是与谷氨酸/GABA比值和3-羟基戊二酸相关的因子。通过一个基于计算机的代谢物预测模型，作者提出Limosilactobacillus reuteri IMB015（IMB015）可作为潜在益生菌候选菌株。给予IMB015治疗后能够降低谷氨酸/GABA比值和减轻神经炎症，从而改善行为表现。

本研究揭示了一条“肠-免疫-脑”轴，表明肠道微生物群及其代谢产物可以调节大脑中的免疫细胞并影响与ASD相关的行为。

图一 GF BTBR小鼠不表现出与ASD相关的表型

在8周龄时，BTBR小鼠在三箱社交测试中表现出比B6小鼠更低的社交偏好。它们在有目标小鼠所在的“社交箱”中停留的时间与在空箱中停留的时间相当或更少。作者通过三箱社交新奇性测试评估社交记忆，检测小鼠在有陌生小鼠的箱子（新奇箱）与有熟悉小鼠的箱子（熟悉箱）中的停留时间。BTBR小鼠表现出较差的社交记忆，因为它们对熟悉和新奇个体没有明显偏好，而B6小鼠则对新奇个体表现出强烈兴趣。通过埋珠实验评估重复性行为，埋藏的弹珠数量反映了强迫样和重复性行为的程度。BTBR小鼠埋藏了显著更高比例的弹珠，表明其具有高度的重复性行为。此外，在旷场实验中，BTBR小鼠在中心区域的停留时间和进入次数更多，显示出异常的类焦虑行为。同时，它们在旷场中的运动活性也显著高于B6小鼠。此前已有研究表明BTBR小鼠具有频繁自我梳理毛发的行为。在旷场和三箱实验中，BTBR小鼠的自我梳理时间也长于B6小鼠。BTBR小鼠在这些行为测试中表现出比B6小鼠更强的运动能力。

杏仁核和海马是与焦虑、多动和社交认知密切相关的脑区。BTBR小鼠的行为异常与这些脑区神经元激活程度升高有关，表现为c-FOS+神经元数量增加。

许多研究已经发现肠道微生物群与自闭症之间的关联。作者通过胚胎移植并在无菌隔离器中饲养建立了无菌BTBR小鼠（GF BTBR）。这些小鼠缺乏肠道微生物群，但并未影响其社交能力，因为GF和SPF状态的BTBR小鼠在三箱社交测试中均未表现出对社交箱的偏好。然而，在社交新奇性测试中，GF BTBR小鼠明显更倾向于新奇箱，表明其社交记忆恢复正常。此外，GF BTBR小鼠在埋珠实验中表现出更少的重复行为。在旷场实验中，GF小鼠在中心区域的停留时间也较SPF小鼠减少，表明其类焦虑行为趋于正常化，接近于正常的B6小鼠。无菌状态并未影响旷场中的运动能力。

ASD相关行为的改变表明肠道微生物群可能调控神经功能。免疫荧光染色结果显示，GF BTBR小鼠的杏仁核和齿状回中c-FOS⁺神经元数量较SPF小鼠减少。这些结果表明，尽管BTBR小鼠具有遗传上的自闭症倾向，但缺乏肠道微生物群可以通过改变大脑神经元活动来预防某些自闭症相关的行为表型。

图二 CD4⁺ T细胞的耗竭消除了与ASD相关的行为异常和神经炎症

作者旨在探索适应性免疫在调节ASD中的作用。已有研究发现，CD4⁺ T细胞而非CD8⁺ T细胞，在小胶质细胞的正常成熟以及海马神经发生中发挥关键作用。此外，在B6小鼠模型中也发现，只有CD4⁺ T细胞能够调控重复性行为和类焦虑行为。

为了验证CD4⁺ T细胞在ASD发病机制中的作用，作者在SPF状态下的BTBR小鼠中通过注射抗CD4单克隆耗竭抗体，在出生后第5天（P5）、第13天（P13）和第36天（P36）耗竭CD4⁺ T细胞。在8周龄时，CD4⁺ T细胞在脾脏、引流淋巴结和脑实质中的显著减少，而CD8⁺ T细胞的数量没有变化。CD4⁺ T细胞的耗竭改善了社交记忆，但在三箱测试中并未改善社交偏好。此外，CD4⁺ T细胞的缺失还显著减少了重复性行为。更重要的是，CD4⁺ T细胞耗竭的BTBR小鼠在旷场实验中进入中心区域的时间和频率减少，运动活性也下降。这些表现与GF BTBR小鼠和健康的B6小鼠相似，进一步说明肠道微生物群与CD4⁺ T细胞在ASD病理机制中存在关联。

鉴于CD4⁺ T细胞在小胶质细胞成熟中的作用，作者进一步检测了在BTBR小鼠中耗竭CD4⁺ T细胞是否影响大脑中的其他免疫细胞群体？结果发现，CD4⁺ T细胞的缺失导致小胶质细胞数量减少，而巨噬细胞数量无明显变化。有趣的是，CD4⁺ T细胞的缺失改变了小胶质细胞的表型，炎症性的M1型小胶质细胞减少，而具有抗炎和组织修复功能的M2型小胶质细胞比例增加。此外，这些小胶质细胞中IL-10、IL-6和TNF-α的产生减少，但IL-1β未发生变化。这些结果表明，脑内的CD4⁺ T细胞可能具有双重作用：一方面促进神经炎症，另一方面调控小胶质细胞的功能。

图三 L. reuteri IMB015治疗性缓解了与ASD相关的表型

为了利用单一定义明确的细菌来模拟健康微生物群的保护作用，作者进行了计算机模拟分析以筛选出能够降低谷氨酸/GABA比值的菌株。为此，作者进行了基于基因组规模的代谢重建，该方法根据细菌基因组信息恢复其所有可能的代谢反应。这种基于基因组的代谢建模方法有助于根据细菌的代谢能力高效筛选候选菌株。

在一系列测试的益生菌候选菌株中，鉴定出一种具有高GABA生成能力和强谷氨酸摄取能力的菌株：L. reuteri IMB015。为了评估IMB015的治疗潜力，作者对SPF状态的BTBR幼鼠从3周龄至8周龄期间，每天通过口服灌胃给予每只小鼠1 × 10⁹ CFU的IMB015。在三箱社交偏好测试中，对照组和IMB015处理组均表现出社交能力受损。然而，IMB015显著改善了社交记忆。此外，在埋珠实验中，IMB015有效减轻了BTBR小鼠的重复性行为。尽管运动活性没有明显变化，但IMB015处理减少了小鼠在旷场实验中心区域的停留时间。

这些行为的改善与神经元中c-FOS水平的变化相关：IMB015显著降低了杏仁核和海马齿状回中的神经元过度激活。作者进一步进行了靶向代谢组学分析以验证IMB015的行为改善是否与谷氨酸/GABA比值的变化有关。结果显示，IMB015处理后GABA水平有上升趋势。然而，IMB015显著降低了谷氨酸水平，并降低了谷氨酸/GABA比值。此外，IMB015还表现出降低3-羟基戊二酸水平的趋势。相比之下，有害的L. murinus菌株则表现出升高谷氨酸和3-羟基戊二酸水平。这种差异表明，即使是同一属的不同菌种，也可能对代谢产物池和相应行为产生截然不同的影响。接着探究了IMB015的治疗效果是否是通过免疫调节实现的。结果显示，IMB015在体外诱导了抗炎表型：其增加了小肠固有层中Treg细胞的数量并减少了脾脏中CD4⁺和CD8⁺ T细胞的IFN-γ分泌。同样地，在脑组织中，IMB015也提高了Treg细胞的数量，并降低了脑内驻留的CD4⁺和CD8⁺ T细胞的IFN-γ分泌。这些结果表明，IMB015具有通过改变代谢产物池和调节神经炎症来改善自闭症相关行为的治疗潜力。