《Brain, Behavior, and Immunity》：Non-neuronal mechanisms in autism spectrum disorder (ASD): Microglia and astrocytes at the crossroads with neurons
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本文聚焦自闭症谱系障碍(ASD)发病机制中长期被忽视的非神经元细胞作用，系统综述了小胶质细胞和星形胶质细胞通过调控兴奋性/抑制性(E/I)平衡参与ASD病理的新进展。研究整合单细胞转录组学、动物模型及iPSC技术，揭示胶质细胞特异性ASD风险基因表达谱及其对突触修剪、神经递质稳态的调控机制，为开发靶向胶质细胞的干预策略提供了理论依据。
在我们的大脑中，除了承担信息处理的神经元，还存在大量被称为"胶质细胞"的非神经元细胞。长期以来，自闭症谱系障碍（ASD）的研究主要聚焦于神经元功能障碍，但越来越多的证据表明，小胶质细胞和星形胶质细胞这两种重要的胶质细胞，在ASD的病理机制中扮演着关键角色。ASD作为一种复杂的神经发育障碍，其核心特征包括社交互动障碍、沟通困难以及重复刻板行为，影响着全球数百万人的生活质量。
传统观点认为ASD主要源于神经元连接异常，特别是兴奋性（主要由谷氨酸能神经元介导）和抑制性（主要由GABA能神经元介导）信号之间的平衡失调。然而，这种E/I平衡失调的深层机制一直未被完全阐明。近年来，科学家们开始意识到，大脑中的"辅助细胞"——小胶质细胞和星形胶质细胞，可能是解开这个谜题的关键。
小胶质细胞作为大脑的免疫卫士，在早期脑发育过程中负责清除无功能的神经元和突触；而星形胶质细胞则形成"三方突触"，支持突触形成并主动调节神经传递。这两种胶质细胞在发育中的大脑里相互配合，共同塑造动态的E/I网络。当它们在关键神经发育时期功能异常时，就可能导致ASD核心的E/I失衡。
这项发表在《Brain, Behavior, and Immunity》上的综述文章，由芬兰东部大学A.I.Virtanen分子科学研究所的科研团队完成，系统梳理了小胶质细胞和星形胶质细胞在ASD中的作用机制。研究团队通过整合人脑组织研究、动物模型、iPSC来源的胶质细胞系统和转录组学数据，特别关注了产前易感期胶质细胞如何导致E/I失衡及其他神经元功能障碍。
研究人员主要运用了单细胞转录组学、空间转录组学、诱导多能干细胞（iPSC）技术、转基因动物模型（包括条件性基因敲除系统）、表观遗传学分析以及功能神经影像学等多种前沿技术方法。人脑组织样本来源于死后捐赠的ASD患者和对照个体，涉及前额叶皮层、海马体等多个脑区。iPSC技术通过重编程患者体细胞获得特定基因型的胶质细胞，用于体外机制研究。
2. 来自人脑研究的胶质细胞失调证据
死后脑组织研究揭示了ASD患者大脑中区域特异性的胶质细胞变化。前额叶皮层、小脑等区域显示星形胶质细胞标志物GFAP和小胶质细胞标志物HLA-DR水平升高，同时细胞因子及胶质-神经元相互作用增强。在前额叶皮层，GFAP和小胶质细胞基因（TREM2、DAP12、CX3CR1）表达上调，而抑制性标志物（PV、NEFL）减少，表明这一与ASD社交认知缺陷密切相关的脑区存在抑制功能受损。
3. 胶质细胞表达ASD易感基因并改变其转录组
单细胞和空间转录组学分析显示，ASD大脑中胶质细胞状态和转录变化具有动态特性。小胶质细胞基因网络和细胞间通讯出现紊乱，其激活基因和发育转录因子表达增加与临床严重程度相关。年龄分析表明，小胶质细胞从产前吞噬状态转变为成年期更具危害性的促炎表型。原浆性星形胶质细胞是ASD中最受影响细胞类型之一，而突触基因表达下调。这些研究证实多个ASD风险基因在胶质细胞中高表达，且表达水平随发育阶段变化。
4. 小胶质细胞在ASD中的作用——来自靶向模型的因果证据
通过小胶质细胞特异性操作的研究发现，ASD风险基因扰动可通过多种途径影响E/I平衡。PI3K-Akt-mTOR通路是小胶质细胞中高频ASD基因（PTEN、CYFIP1、eIF4E）以及伴有高ASD患病率的单基因综合征（FMR1、TSC1/2）的共同作用机制。小胶质细胞特异性缺失PTEN会激活细胞，上调补体水平，导致过度修剪。补体蛋白（C1q、C3、C4）标记突触以便清除，而ASD相关突变会放大这种补体信号传导。人iPSC来源的小胶质样细胞（iMGL）研究开始揭示更广泛ASD风险基因的人类相关机制。
4.1 ASD模型中受损或过度的小胶质细胞突触修剪
小胶质细胞特异性扰动和清除-再增殖研究表明，改变ASD风险基因或小胶质细胞功能可重置突触数量并驱动ASD相关的E/I失衡。小胶质细胞中MEF2C转录因子缺失会上调C1q和C4A/B，增加修剪并减少兴奋性传递。钠通道Nav1.2（由SCN2A编码）缺失会升高补体C3，驱动小胶质细胞清除PSD95棘突，降低突触传递。
4.2 小胶质细胞功能障碍诱导ASD样行为
即使不与ASD风险直接相关的小胶质细胞蛋白失调也能触发动物模型的ASD样行为。小胶质细胞 fractalkine受体CX3CR1缺失会损害突触成熟，减少连接性，并引起小鼠ASD样行为。自噬相关基因Atg7缺失会阻止内化突触的消化，增加棘突密度和突触蛋白，伴随社交和重复行为缺陷。
4.3 ASD中小胶质细胞对突触发生和过度连接的调节
除缺陷性修剪外，小胶质细胞功能障碍还可导致过度突触发生和连接改变。小胶质细胞分泌脑源性神经营养因子（BDNF）和胰岛素样生长因子1（IGF-1）等营养因子，支持突触形成和环路成熟。ASD患者显示外周BDNF水平升高，虽然BDNF主要由神经元产生，但小胶质细胞来源的BDNF通过神经元TrkB磷酸化增强突触可塑性。
4.4 ASD中小胶质细胞与抑制性中间神经元的相互作用
ASD患者大脑显示GABA能 parvalbumin（PV）中间神经元特异性缺陷，具有ASD样行为的动物模型将这些缺陷与这些细胞的小胶质细胞依赖性过度消除联系起来。PV阳性 chandelier 中间神经元特别易损，这些细胞在锥体神经元轴突起始段（AIS）形成轴-轴突触，这些抑制性输入丢失会促进偏向兴奋的E/I失衡。
5. 星形胶质细胞在ASD中的作用——来自靶向模型的因果证据
星形胶质细胞通过多种机制调节神经传递，包括谷氨酸摄取、GABA处理、钾缓冲和代谢支持。它们分泌血小板反应蛋白和 glypicans 等突触发生线索，并通过神经连接蛋白（NRXN）和神经连接蛋白（NLGN）等粘附分子稳定突触。与微胶质细胞一起，星形胶质细胞也参与突触消除，并作为免疫细胞释放白介素6（IL-6）和补体蛋白（C3、C4）。
5.1 ASD模型中星形胶质细胞对神经递质介导的E/I平衡的控制
多项研究表明星形胶质细胞与ASD中的兴奋性增高密切相关。患者大脑中谷氨酸转运体1（GLT-1/EAAT2，由SLC1A2编码）水平降低，ASD基因的破坏常常损害谷氨酸摄取。条件性缺失或下调GLT-1/EAAT2会升高兴奋性并诱导ASD样行为，这些效应可被谷氨酸受体阻断所缓解。星形胶质细胞特异性缺失FMR1或MeCP2会减少GLT-1并引起ASD样表型和行为。
5.2 ASD中星形胶质细胞对突触形成的支持发生改变
星形胶质细胞在关键发育期释放突触发生因子，其功能障碍可影响兴奋性或抑制性突触的形成。ASD连锁转录调节因子在星形胶质细胞中的扰动显示会改变突触发生基因程序。星形胶质细胞中CHD8的条件性操作改变了啮齿类和灵长类模型的突触发生基因表达。类似地，高置信度ASD基因Tcf7l2在产后星形胶质细胞中的条件性敲除产生增大、有缺陷的星形胶质细胞，增加兴奋性和抑制性突触，并改变社交行为。
5.3 ASD中星形胶质细胞介导的突触前末端异常吞噬
与微胶质细胞一起，星形胶质细胞通过吞噬受体MERTK和MEGF10在发育期间主动消除突触。MEFG10中的变异与ASD连锁。星形胶质细胞（而非微胶质细胞）还利用粘附G蛋白偶联受体ADGRB1/BAI1进行突触吞噬。ADGRB1缺失减少突触前末端的吞噬并增加兴奋性突触密度，暗示星形胶质细胞驱动的突触消除参与E/I平衡。
6. 环境触发因素涉及胶质细胞参与ASD
虽然ASD风险主要是遗传性的，但产前环境因素会适度增加易感性。其中，母体免疫激活（MIA）具有最强的实验支持和与微胶质细胞及星形胶质细胞功能障碍的机制联系。不同的环境侮辱会触发MIA和穿过胎盘的炎症分子，激活胎儿微胶质细胞，引起持久的转录、表观遗传和吞噬变化。
7. 争议与局限
ASD中突触修剪和形成是增加还是减少仍然存在争议，结果因发育阶段、脑区、性别甚至所检测的胶质细胞类型而异。单基因小鼠模型仅捕获人类多基因风险的一部分，因此相反的棘突变化可能不直接反映患者的情况。研究常常缺乏直接的胶质细胞或电生理测量，而诱导性Cre/loxP系统引入内置约束。
8. 展望
研究人员现在拥有令人兴奋的新技术来开始解开本综述中呈现的ASD机制的复杂性。单细胞和空间转录组学及蛋白质组学、长读长测序以及更精确的靶向体内系统现在使我们能够以前所未有的分辨率剖析胶质细胞的贡献。
9. 结论
汇聚的小鼠和人类研究强调，ASD风险基因并不映射到单一的胶质细胞机制，而是在多个胶质细胞谱系、发育窗口和突触支持模式上交叉。跨模型，补体和mTORC1通路作为修剪能力和位置的关键控制器出现；自噬-溶酶体通路完成清除；监视和分泌组程序在关键期内调整兴奋性成熟。利用精炼遗传工具、标准化胶质细胞扰动和多谱系人类模型的方法，对于定义胶质细胞何时以及如何塑造ASD中不断演变的E/I景观至关重要。
这项研究的重要意义在于将ASD研究从传统的神经元中心视角转向整合的神经元-胶质细胞框架，为理解ASD的统一机制提供了新视角。通过阐明胶质细胞在塑造神经环路中的关键作用，不仅加深了对大脑网络发育原理的认识，也为开发针对胶质细胞的精准治疗策略奠定了基础，最终有望为改善神经发育障碍患者的功能和福祉提供新的解决方案。
