肠道菌群与孤独症谱系障碍及注意缺陷/多动障碍的因果关联：两样本孟德尔随机化研究

《Frontiers in Genetics》：Causal associations between gut microbiota and autism spectrum disorder and attention-deficit/hyperactivity disorder: a two-sample mendelian randomization study

　　

背景：肠道菌群（gut microbiota）已被认为与孤独症谱系障碍（ASD）和注意缺陷/多动障碍（ADHD）的发生发展相关。然而，肠道菌群与 ASD 或 ADHD 之间的确切因果关系仍不清楚。方法：研究人员通过孟德尔随机化（MR）分析，研究肠道菌群与两种神经发育性精神障碍（ASD 和 ADHD）之间潜在的因果关联。研究人员使用了全基因组关联研究（GWAS）汇总数据集，包括来自 MiBioGen 联盟（N = 18,340）、Dutch Microbiome Project（N = 8,208）、一项 ASD GWAS（N = 46,350）和一项 ADHD GWAS（N = 292,548）的数据。结果：该项 MR 分析识别出 16 个与 ASD 相关的肠道细菌分类群。其中 7 个分类群与风险增加相关（OR 1.03–1.10），9 个与风险降低相关（OR 0.89–0.96）。相反，28 个肠道细菌分类群与 ADHD 存在因果关联：16 个与风险增加相关（OR 1.02–1.04），12 个与风险降低相关（OR 0.95–0.98）。ASD 和 ADHD 均受到家族“Clostridiales noname”的因果影响，但效应方向相反。结论：该项 MR 分析揭示了特定肠道菌群对 ASD 和 ADHD 的因果效应，提示某些肠道微生物可能在这些障碍的发生、治疗及鉴别诊断中发挥作用。

研究背景：孤独症谱系障碍（ASD）和注意缺陷/多动障碍（ADHD）是两种常见的儿童期神经发育障碍，患病率持续上升。ASD 以社交沟通缺陷和存在受限、重复行为或兴趣为核心特征；ADHD 的核心特征为发育迟缓、注意不集中、多动和冲动，且常持续至成年。两类患者需要大量照护和财力资源，给社会和家庭造成沉重经济负担。二者均高度遗传，病因受遗传和环境风险因素影响，产前和产后因素（如低出生体重、早产、某些母体用药）及环境毒素暴露也参与其中。胃肠道症状在 ASD 和 ADHD 中常见：高达 70% 的 ASD 个体出现便秘、腹泻和腹痛，且症状严重度与 ASD 严重度相关；ADHD 个体也报告胃肠道问题。近年来，研究人员发现肠道菌群（gut microbiota）通过脑肠轴（brain-gut axis）调节中枢神经系统，参与许多神经系统疾病的发生发展。菌群组成从出生到成年变化很大，受分娩方式、抗生素、感染、喂养方式、应激、饮食和宿主遗传等影响。ASD 和 ADHD 患者肠道菌群组成与非患病个体显著不同，早期生命微生物组和代谢物特征与两种障碍风险相关。Sharon 等发现接受 ASD 人类肠道微生物的小鼠开始表现 ASD 样行为；Talge 等报告剖宫产儿童 ADHD 风险增加与肠道菌群多样性降低相关；母乳喂养儿童 ADHD 发生率低于非母乳喂养儿童；饮食干预和粪菌移植被报告可改善 ASD 和 ADHD 症状。ASD 与 ADHD 高度共病，约 20%–50% ADHD 儿童符合 ASD 诊断标准，30%–80% ASD 个体符合 ADHD 标准，这使诊断和治疗复杂化。迄今肠道菌群与 ASD 或 ADHD 的关联主要由观察性研究支持，肠道微生物对神经发育过程的因果效应仍属推测。为探索微生物组成表型与两种精神障碍的因果关系，孟德尔随机化（MR）是可选方法。MR 使用遗传变异作为工具变量（IV）评估风险因素对特定结局的因果效应，类似临床试验随机分组，可减少混杂因素和反向因果，已广泛用于从遗传角度推断因果。研究人员开展两样本 MR（TSMR）分析，探索多种肠道菌群成分对 ASD 和 ADHD 的因果效应。分析揭示特定肠道菌群对两种障碍的因果效应，提示某些微生物分类群可能在其发生、治疗和鉴别诊断中发挥作用。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员采用公开全基因组关联研究（GWAS）汇总数据。ASD 数据来自 Grove 等，18,381 例病例和 27,969 例对照；ADHD 数据来自 Demontis 等，38,691 例病例和 275,986 例对照。肠道菌群数据来自 MiBioGen 联盟（N = 18,340，211 个分类群）和 Dutch Microbiome Project（Dutch，N = 8,208，207 个分类群），均为欧洲血统。以单核苷酸多态性（SNP）为工具变量（IV），阈值 p < 5 × 10^?8 和 p < 1 × 10^?5，r² < 0.001、10 Mb 窗口剔除，基于 1000 Genomes Project 欧洲参考面板，协调等位基因，F >10。使用 R 4.0.5 的 TwoSampleMR 包，主要用逆方差加权（IVW），并用加权中位数（WM）、MR-Egger 做敏感性分析；评估 MR-Egger 截距、Cochran’s Q、I²，并行 Benjamini–Hochberg 错误发现率（FDR）校正。

结果：
Causal effects of the gut microbiota on ASD（肠道菌群对 ASD 的因果效应）：使用 IVW，共识别 16 个细菌分支对 ASD 具有因果效应。其中 family Prevotellaceae 与 ASD 风险显著正相关（OR：1.03–1.10，P ≤ 0.046）；genus RuminococcaceaeUCG005 和 genus Dorea 为保护因素（OR：0.89–0.96，P ≤ 0.043）。此外，还涉及 genus Ruminiclostridium5、genus Ruminococcus1、genus Sutterella、genus Turicibacter、genus Faecalibacterium、species Parabacteroides johnsonii、family Lactobacillaceae、species Lachnospiraceae bacterium_7_1_58FAA、species Roseburia unclassified、species Eubacterium rectale、family Clostridiales noname 等与 ASD 的关联。
Causal effects of the gut microbiota on ADHD（肠道菌群对 ADHD 的因果效应）：共 28 个肠道菌群分类群与 ADHD 相关。其中 genus LachnospiraceaeNC2004group 和 genus Roseburia 等对 ADHD 具有保护作用（OR：0.95–0.98，P ≤ 0.048），family Lachnospiraceae 促进该病（OR：1.02–1.04，P ≤ 0.047）。此外，还涉及 genus FamilyXIIIUCG001、genus RuminococcaceaeUCG003、genus Clostridiuminnocuumgroup、genus Allisonella、genus Butyricicoccus、genus Sellimonas、genus Eisenbergiella、genus Butyricimonas、genus Fusicatenibacter、genus Eubacteriumrectalegroup、genus Bifidobacterium、family Clostridiales noname、species Ruminococcus bromii、genus Parabacteroides、species Ruminococcus torques、species Eubacterium ramulus、genus Pseudoflavonifractor、family Oxalobacteraceae、species Oxalobacter formigenes、species Bifidobacterium longum、species Bacteroides cellulosilyticus、family Micrococcaceae、genus Rothia、genus Oxalobacter、species Dorea longicatena 等。
Notably（值得注意的是）：与未命名 Clostridiales 家族丰度增加相关的遗传因素与 ASD 风险降低和 ADHD 风险增加相关。FDR 校正后，没有任何关联的 FDR 低于 0.05。Cochran’s Q 检验显示 SNP 间无显著异质性（Q_P > 0.05）。但 MR-Egger 分析提示 genus Faecalibacterium 存在水平多效性证据（p_pleiotropy <0.05），因此该结果应谨慎解释。

讨论：
既往研究提示，肠道微生物可能通过著名但仍不清晰的脑肠轴影响 ASD 和 ADHD。观察性研究难以评估因果关系，MR 分析可能提供更清晰视角。肠道菌群可能通过内分泌、神经元和免疫信号通路参与脑肠轴功能，从而直接影响神经系统疾病症状。许多研究涉及微生物产生神经递质和代谢物，包括多巴胺、5-羟色胺、γ-氨基丁酸和短链脂肪酸（SCFAs）在 ASD 和 ADHD 中的作用。本 MR 分析提示，遗传易感导致 genus LachnospiraceaeNC2004group 和 genus Roseburia 等丰度较高，是 ADHD 的因果保护因素（OR：0.95–0.98，P ≤ 0.048），而在 family 水平，Lachnospiraceae（OR：1.02–1.04，P ≤ 0.047）因果促进该病。既往研究中，ADHD 组种水平 Lachnospiraceae 细菌显著减少，而其他 Lachnospiraceae（包括 UCG-010）在 ADHD 患者肠道中过表达。Lachnospiraceae 某些细菌代谢产物与抑郁病因相关；在 ADHD 中，调整性别、年龄和 ADHD 核心症状评分后，退缩和抑郁症状与一种 Lachnospiraceae 物种丰度显著相关。遗传分类将重性抑郁障碍（MDD）与 ADHD 和 ASD 归为同一组精神障碍，这提出其微生物组特征是否部分重叠的问题。本结果显示，导致 family Prevotellaceae 丰度增加的遗传因素显著增加 ASD 风险，与既往观察一致。Prevotellaceae 产生丙酸，可损害社交行为，诱导认知障碍、感觉运动功能障碍、ASD 样症状，并促进大鼠反应性星形胶质增生，且效应呈剂量依赖。反应性星形胶质细胞增多可能导致神经递质失衡、阻碍神经信号、改变血脑屏障通透性并影响神经细胞功能。当大部分丙酸代谢为丁酸时，这些不良效应可能被逆转或缓解。肠道丁酸输注和体外丁酸应用于培养的肌间神经节可通过增加胆碱能神经细胞比例对肠神经系统（ENS）产生积极影响，转化为肠道蠕动增加，被认为对肠道有益。在一项 MR 研究中，胆碱能信号增加被发现降低 ASD 风险；相反，诊断为 ASD 的儿童丁酸浓度降低。在本分析中，遗传支持 genus RuminococcaceaeUCG005、Dorea 和 Ruminiclostridium5 丰度较高对 ASD 有强保护作用，这可能由丙酸向丁酸转化解释。此外，genus Dorea 已知通过阻止有害物质和代谢物进入循环系统保护肠道通透性。但本研究表明，促进 genus Dorea 某一特定物种 D. longicatena 生长的遗传特征对 ADHD 显示轻微负效应。对于 ASD，两个 GWAS 数据库的 MR 分析均证实促进 genus Dorea 富集的遗传成分降低 ASD 风险。然而，对于 genus Faecalibacterium，MiBioGen 和 Dutch 队列分析得出不同结果，可能由于研究人群或所用分析方法不同。因此，genus Faecalibacterium 在 ASD 中的作用仍不清楚，值得进一步研究。值得注意的是，family Clostridiales noname 对 ASD 和 ADHD 的效应彼此相反。遗传易感导致 family Clostridiales 丰度较高降低 ASD 风险，但显著增加 ADHD 风险。产丁酸 Clostridiales 属于 phylum Firmicutes、class Clostridia。这些细菌已知抑制多巴胺-β-羟化酶，阻断多巴胺转化为去甲肾上腺素，这可能显著增加多巴胺水平并间接降低去甲肾上腺素水平，似乎与注意寻求和冲动行为相关，而这是 ADHD 的标志。类似地，产 SCFA 的 Ruminococcus 可能对多巴胺能神经元发挥保护作用，但其在黏蛋白降解中的促炎作用可能抵消该保护。本 MR 分析提示，导致 Ruminococcus 物种丰度较高的遗传成分具有促进 ADHD 但保护 ASD 的作用。尽管其对多巴胺转运体、多巴胺能神经元和相关受体的确切效应远未明确，但临床证据强调 ASD 和 ADHD 患者存在多巴胺代谢失调。因此，抑制多巴胺-β-羟化酶的细菌在这些疾病中的作用看似合理。总之，特定微生物菌株在 ASD 和 ADHD 发病机制中的作用可能具有疾病特异性和因果性。这些菌株可能通过调节脑肠轴、激活免疫系统和调节神经递质产生不同效应，从而影响两种障碍的发展和临床表现。在儿童心理健康研究中，大多数研究肠道菌群的工作集中于 ASD，而关于脑肠轴在 ADHD 中作用的证据仍有限。研究人员利用两个大规模肠道菌群 GWAS 数据识别潜在因果关系，可能为后续研究提供候选微生物群落，尤其在 ADHD 背景下。此外，研究人员还发现与这两种疾病因果相关的微生物群重叠较少，这可能有助于后续鉴别诊断研究。MR 分析用于减少混杂因素和反向因果。多项敏感性分析用于确保结果稳健性。
局限性：所有参与者均来自欧洲人群，因此将结论推广到其他人群时应谨慎。MR 仅考虑影响肠道菌群组成和两种精神障碍的遗传因素，因此结果解释应谨慎。肠道菌群可能受饮食习惯、健康状况、年龄和性别等其他因素影响，其中许多具有遗传成分，目前尚不确定遗传工具是否与这些混杂因素或细菌分类群丰度本身相关。此外，在对所有关联应用 FDR 校正后，没有任何关联仍低于 0.05，突显本研究发现的保守、假说生成性质；这些关联应被视为提示性，需要在独立队列中验证。最后，TSMR 分析中使用的 MiBioGen 和 Dutch 微生物组数据集部分重叠。尽管所有工具变量 F 统计量大于 10，预期样本重叠引入的偏倚有限，但其对因果估计的潜在影响不能完全排除。因此，需要在非重叠队列中进行独立验证以确认发现。

5 结论（翻译）：研究人员识别出可能与 ASD 和 ADHD 相关的特定肠道菌群分类群，这两种障碍似乎涉及不同的微生物群落。这些发现为肠道菌群可能在 ASD 和 ADHD 发生发展中发挥作用提供了提示性证据，并可能为鉴别诊断和微生物群靶向干预的开发提供信息。