《Metabolites》：Metabolic Dysregulation and Metabolite-Targeted Interventions in Autism Spectrum Disorder: Mechanisms and Translational Perspectives
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孤独症谱系障碍（ASD）是一种异质性神经发育障碍，以社交沟通受损及限制性重复行为为主要特征。代谢失调日益被认为是连接遗传因素与环境因素与ASD异常神经发育的关键中间机制。本综述总结了涉及肠道菌群代谢物、能量代谢、神经递质通路及免疫-代谢交互作用的ASD相关代谢
孤独症谱系障碍（ASD）是一种异质性神经发育障碍，以社交沟通受损及限制性重复行为为主要特征。代谢失调日益被认为是连接遗传因素与环境因素与ASD异常神经发育的关键中间机制。本综述总结了涉及肠道菌群代谢物、能量代谢、神经递质通路及免疫-代谢交互作用的ASD相关代谢异常。此类代谢紊乱通过免疫激活、氧化应激、线粒体功能障碍及神经递质稳态破坏等途径影响神经发育，最终损害突触可塑性与神经连接性。研究团队还概述了靶向代谢物干预的临床前及临床研究进展，此类干预显示出调节相关代谢通路的潜力。然而，需指出特定代谢生物标志物的改善可能仅与行为改变相关联，而非确切驱动行为改变。当前研究受限于试验设计不一致、队列规模较小及机制验证不足；此外，个体间代谢异质性限制了干预措施的普适疗效。研究团队讨论了临床转化障碍，并提出未来优先方向：界定代谢亚型、验证生物标志物及开发精准代谢干预策略。阐明上述代谢机制将推动靶向性、个体化治疗的发展，从而改善ASD的神经发育结局。
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ASD发病机制的代谢视角
2.1 核心病理生理级联反应
需强调，当前在ASD中观察到的代谢异常主要反映相关性而非明确因果性。这些代谢改变可能是疾病的促成因素、疾病本身的继发后果，或仅由合并因素（如胃肠道症状或高度限制性饮食习惯）产生的附带产物。代谢失调可能代表遗传易感性与环境因素交互影响神经发育的汇聚通路。遗传因素主要通过改变代谢酶活性或破坏代谢通路稳态来介导该病理过程。与ASD频繁相关的复杂病理生理特征，如线粒体缺陷、神经炎症、氧化应激及肠脑轴失调，本质上与上述代谢改变相耦联。需注意，这些机制的因果方向性仍存在持续争议。尽管研究表明微生物代谢物可直接调节宿主神经发育，但大队列分析提示某些微生物组改变可能表现为ASD相关饮食限制的继发后果，而非主要疾病驱动因素。这些不同机制并非孤立存在，而是在更广泛的代谢网络内动态交互，共同整合先天遗传易感性与后天环境刺激，最终影响神经发育轨迹并促成ASD核心临床表型。
一旦中枢神经系统稳态被破坏，环境及代谢紊乱被假设通过若干汇聚信号级联影响神经发育。例如，代谢应激与全身性炎症可能激活下丘脑-垂体-肾上腺轴，导致皮质醇异常波动。此外，代谢失调可抑制SIRT1/AMPK通路，进而促成哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路的异常过度激活。此类失调的能量与营养感知级联可破坏突触稳态，最终危及正常神经发育轨迹。
2.2 ASD中的代谢改变
ASD儿童的代谢异常主要涉及四条代谢通路：肠道菌群来源代谢、能量代谢、神经递质代谢及免疫-代谢交互作用。
2.2.1 肠道来源代谢改变
肠脑轴代表一种双向通讯系统，微生物代谢物通过该系统影响神经发育及神经信号通路。ASD中肠道菌群组成与肠道通透性的改变与微生物代谢物的异常产生及全身分布相关。多项代谢组学研究报道，与正常对照儿童相比，ASD儿童尿液样本中色氨酸及嘌呤代谢物发生改变。先驱研究证明，神经发育障碍小鼠模型中4-EPS全身水平升高。这种肠道来源代谢物穿越血脑屏障并定位于脑区，破坏少突胶质细胞功能及神经元髓鞘化模式，从而加剧小鼠焦虑样行为。该研究进一步阐明4-EPS通过抑制组蛋白去乙酰化酶3损害少突胶质前体细胞分化，导致前额叶-边缘回路低髓鞘化的机制通路。4-EPS及吲哚衍生物等化合物在多个ASD队列中被报道升高，并与特定行为表型及胃肠道合并症相关。然而，进一步分层分析显示，4-EPS升高主要见于伴有严重胃肠道症状的ASD儿童亚组，而非无此类合并症者，提示既往报道的关联可能受胃肠道功能障碍混杂影响。
2.2.2 能量代谢异常
能量代谢紊乱，尤其是线粒体功能障碍，在ASD中频繁观察到。乳酸、丙酮酸、ATP及酰基肉碱水平异常提示氧化磷酸化与脂肪酸代谢存在潜在损害。多项研究一致报道ASD个体存在代谢标志物异常，如乳酸和丙酮酸升高，同时ATP水平降低。在外周血中，血清肉碱及酰基肉碱代谢物谱显示出准确分类5岁以下ASD儿童的潜力。此外，人脑组织死后代谢组学分析已鉴定出特定中枢标志物，如小脑组织中9-十六碳烯酰肉碱与特定磷脂酰胆碱的组合可将ASD脑与对照脑区分，灵敏度和特异度达80%，为中枢神经系统脂质及线粒体代谢改变提供了直接证据。
2.2.3 神经递质相关代谢改变
ASD中的神经递质稳态与代谢通路内在关联，尤其是色氨酸代谢。血清素、犬尿氨酸及吲哚通路的失调已被充分记录，并与神经活性代谢物失衡相关。约30%的ASD个体报道存在高血清素血症。在儿科ASD队列中，特异性代谢谱分析显示神经保护性犬尿喹啉酸水平常降低，而兴奋毒性喹啉酸升高。尽管近期大规模荟萃分析表明基线外周血犬尿氨酸标志物可能并非普遍改变，但尿液及局部代谢改变强烈提示色氨酸-犬尿氨酸通路存在显著失调。此外，肠道微生物组驱动的吲哚代谢通路紊乱可能改变色氨酸可利用性，使其优先偏离血清素和褪黑素合成，最终扰乱整体神经递质稳态。
2.2.4 免疫-代谢交互作用
异常的免疫-代谢交互作用，涵盖母体免疫激活、氧化应激及神经炎症，在ASD中发挥关键作用。这些过程与全身代谢紊乱密切相关，并可能协同破坏神经发育。孕期母体感染触发的母体免疫激活显著增加后代ASD风险。实验模型提示该风险与后代下游神经炎症及氧化应激代谢紊乱密切相关。临床上，ASD儿童外周血表现出显著氧化应激，表现为抗氧化酶活性降低、脂质过氧化增加及晚期糖基化终末产物显著积累。此外，ASD患者中广泛观察到的线粒体功能障碍增加细胞内自由基生成，加剧中枢神经炎症，形成免疫与代谢联合失调的恶性循环。
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基于代谢物的干预
3.1 人类层面临床应用
目前，多种基于代谢物的干预方法已应用于临床领域。
3.2 临床前动物模型干预
同样，针对ASD的靶向代谢物干预已在临床前动物模型中被证明可靠有效。
3.3 靶向肠道菌群来源代谢物的干预
3.3.1 临床研究进展
AB-2004：一项开放标签1b/2a期临床试验评估了靶向微生物酚类代谢物的AB-2004在ASD青少年患者中的安全性与疗效。该研究纳入30名12至16岁伴有胃肠道症状的ASD青少年，接受8周剂量递增的AB-2004治疗。结果显示AB-2004降低了尿液和血清中4-EPS及其他ASD相关微生物代谢物水平，证明肠道来源微生物代谢物的靶向结合可有效降低其全身浓度。然而，该试验存在显著局限性，其开放标签、单臂设计缺乏安慰剂对照，无法消除评估偏倚和安慰剂效应，削弱了疗效发现的稳健性。
益生菌、益生元及合生元：益生菌、益生元和合生元是靶向肠道菌群并通过肠脑轴发挥作用的核心干预策略。通过调节色氨酸代谢通路，此类干预可改善ASD个体的核心社交、情绪及认知症状，与行为疗法联用时可提供协同获益。此外，通过调节短链脂肪酸的产生，这些治疗可修复肠道屏障损伤、抑制炎症级联，同时缓解胃肠道合并症及神经行为症状。然而，现有研究受限于样本量小和异质性高，无法形成高级别循证推荐。治疗反应的显著个体差异、对SCFAs在ASD病理生理中双重作用认识不完整、长期安全性数据缺乏及未能识别特异性应答代谢亚型共同阻碍了其临床转化。近期综合综述表明，现有益生菌补充临床试验对ASD儿童核心社交沟通症状的效果不一致，在大规模多中心随机对照试验完成前无法形成高级别循证推荐。
3.3.2 临床前机制验证
吲哚丙酸：一项利用16p11.2+/-小鼠模型的临床前研究证明，吲哚丙酸补充可显著改善社交和认知缺陷，同时恢复抑制性神经递质稳态。行为评估显示IPA给药后16p11.2+/-小鼠社交互动时长和空间记忆表现增强。机制上，IPA减弱海马齿状回神经元过度激活，伴随γ-氨基丁酸合成增加。分子分析鉴定出海马DG区MAPK3及其编码蛋白ERK1表达降低，包括p-ERK1水平降低。值得注意的是，IPA通过增强ERK1磷酸化恢复神经元兴奋-抑制平衡，而不改变MAPK3转录或翻译输出。该研究主要局限在于仅依赖单一16p11.2+/-杂合缺失小鼠模型，未在其他遗传或环境诱导模型及人类受试者中验证，限制了向高度异质临床ASD人群外推治疗效果。
丁酸盐：假设提出孕期母体丁酸盐不足可能使后代易患神经发育脆弱性。小鼠研究证实，母体在妊娠期和哺乳期补充丁酸盐可提高后代丁酸盐水平，从而减轻遗传易感后代的神经发育异常及孤独症样行为。机制上，母体来源丁酸盐经胎盘和乳汁传递，直接影响胎儿及新生儿神经发育。产前丁酸盐给药恢复后代海马组蛋白去乙酰化酶抑制活性，通过BDNF-TrkB信号增强促进突触可塑性。此外，丁酸盐调节的母体肠道菌群组成改变与肠道屏障功能增强及宫内促炎细胞因子暴露减少相关。
脆弱拟杆菌：在环境危险因素背景下，poly(I:C)诱导的母体免疫激活小鼠模型被广泛使用。研究表明MIA可导致后代显著肠道菌群失调及血清4-EPS水平升高。值得注意的是，脆弱拟杆菌给药等微生物代谢干预可纠正肠道通透性并改善这些特定模型中的焦虑样及刻板行为，提示微生物介导的代谢干预潜在通路。
罗伊氏乳杆菌：针对遗传易感性，代谢干预也在特定基因敲除模型中探索，如Shank3 KO小鼠。临床前研究表明，通过罗伊氏乳杆菌介导的催产素通路进行代谢调节，可有效逆转腹侧被盖区受损的突触可塑性并挽救这些动物的社交缺陷。
3.4 靶向线粒体能量代谢的干预
3.4.1 生酮饮食
生酮饮食的拟议机制涉及能量代谢调节、肠道菌群重塑及神经炎症过程减轻。一项纳入15名ASD儿科受试者的开放标签临床试验评估了为期3个月的改良生酮无麸质饮食联合中链甘油三酯补充。干预后，参与者在特定核心孤独症特征方面表现出显著改善，尤其是ADOS-2总分及社交影响亚域，以及多项CARS-2项目。然而，限制性重复行为未见显著改善。此外，该饮食干预面临依从性实际挑战，研究报告了招募队列中相当高的退出和未启动率。儿童长期生酮饮食干预还可能带来生长迟缓、血脂异常及胃肠道不适等潜在风险，实施过程中需个体化营养评估和监测。
3.4.2 乙酰-L-肉碱
尽管临床观察表明ASD儿童肠道乙酸和丁酸水平较正常对照显著降低，乙酰-L-肉碱的机制疗效主要在临床前模型中验证。一项利用ASD模型大鼠的对照研究比较了乙酰-L-肉碱补充组与非补充组的行为和生化结局。行为表型分析显示，未补充的ASD大鼠对新型同伴和物体表现出探索行为减少，自我梳理频率增加，这是社交退缩、兴趣受限和重复行为的表型标志。粪便代谢组学分析报告未补充ASD大鼠的乙酸和丁酸浓度显著低于健康对照。机制研究提出乙酰-L-肉碱增强微生物SCFAs合成，进而通过紧密连接蛋白上调和抗炎表型小胶质细胞极化减轻神经炎症。这些发现强调了乙酰-L-肉碱作为微生物群-代谢调节剂双重靶向ASD胃肠道和神经行为症状的治疗潜力。
3.5 靶向免疫-代谢交互作用的干预
3.5.1 苏拉明
苏拉明是临床使用中最古老的合成治疗药物之一，以其嘌呤能信号抑制剂活性而闻名。SAT-1试验是一项安慰剂对照临床试验，评估单次苏拉明干预与安慰剂的安全性和生物学活性。共10名确诊ASD儿童入组。苏拉明给药后观察到语言、社交、行为和发育领域的短暂改善，最大疗效持续3周，随后3周逐渐降至基线水平。疗效衰减与药代动力学清除之间的时间相关性强调了单次给药疗效的短暂性。
3.5.2 N-乙酰半胱氨酸
N-乙酰半胱氨酸是谷胱甘肽前体和潜在谷氨酸能调节剂，已在初步临床环境中评估用于靶向氧化应激和氧化还原失衡。一项初步随机对照试验表明，口服NAC给药与ASD儿童易激惹显著降低相关。然而，这些发现的初步性质、依赖信息提供者行为量表及合并精神药物使用，需在更大队列中进一步验证。
3.5.3 萝卜硫素
同样靶向免疫-代谢交互作用，萝卜硫素是一种膳食植物化学物，被假设上调Keap1-Nrf2细胞保护信号通路，从而减轻氧化应激和神经炎症。一项随机双盲安慰剂对照试验报道，萝卜硫素治疗与中重度ASD年轻男性社交反应性和异常行为改善相关。值得注意的是，停止治疗后行为获益出现回退。当前证据仍受限于人口统计学代表性不足及潜在选择偏倚。
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靶向代谢物干预的临床转化前景
4.1 转化优先级分类
尽管存在上述病理相关性，靶向代谢物干预的临床转化仍面临显著差距。目前尚无药物治疗ASD核心缺陷，干预主要针对继发症状。极少代谢干预进入正式的大规模III期临床试验。为明确不同干预的转化轨迹并优化研究资源配置，研究团队提出基于GRADE系统核心原则改编的转化优先级分级框架。高优先级干预值得立即临床转化，关键候选包括生酮饮食和AB-2004。中优先级干预需进一步临床验证以强化证据基础，包括益生菌/益生元/合生元、乙酰-L-肉碱、苏拉明及米诺环素辅助治疗。低优先级干预，如吲哚丙酸、丁酸盐补充及口服万古霉素，需在谨慎临床探索前深化临床前机制研究。
4.2 核心障碍
临床转化过程极为缓慢，主要受四大核心障碍限制：临床前模型与人ASD之间的转化差距；缺乏经过验证的预测性和药效学生物标志物；ASD代谢亚型分层不足；临床试验方法学局限。
4.3 突破临床转化障碍的策略
为弥合转化差距，未来临床前研究必须采用多模型验证系统。为应对生物标志物缺乏，大规模前瞻性多组学队列研究对于识别和验证治疗反应预测标志物及药效学参与标志物至关重要。为克服分层不足，未来临床试验应实施生物标志物驱动的分层设计。为解决方法学局限，研究者应优先开展多中心、大队列、随机双盲安慰剂对照试验。
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结论与未来方向
总之，代谢失调为理解ASD发病机制和干预提供了有前景且生物学相关的视角。尽管治疗潜力广泛，ASD靶向代谢物干预的临床转化仍面临方法学挑战和表型异质性。未来研究必须优先三个核心目标：启动大规模前瞻性多组学队列研究以建立因果关系并验证可靠代谢生物标志物；开展严格设计的多中心随机对照试验，利用生物标志物指导的代谢分层；建立ASD代谢亚型标准化分类系统。
