《Molecules》：Molecular Diagnostic Biomarkers in Autism Spectrum Disorder: From Multi-Omics Signatures to Precision Therapeutic Targets
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孤独症谱系障碍（autism spectrum disorder, ASD）是一种以显著生物异质性（biological heterogeneity）为特征的系统性多器官疾病。当前临床管理因依赖主观行为表型（behavioral phenotyping）而非客
孤独症谱系障碍（autism spectrum disorder, ASD）是一种以显著生物异质性（biological heterogeneity）为特征的系统性多器官疾病。当前临床管理因依赖主观行为表型（behavioral phenotyping）而非客观分子标志物（molecular markers）而面临瓶颈。本综述综合了ASD诊断领域的突破，正从还原论的“一刀切”（“one-size-fits-all”）策略转向整合性系统生物学框架（integrative systems biology framework）。研究人员评估了遗传变异（genetic variants）与表观遗传修饰（epigenetic modifications）如何汇聚于共同通路，如突触稳态（synaptic homeostasis）和染色质重塑（chromatin remodeling）。此外，本文重点阐述了蛋白质组学（proteomic）和代谢组学（metabolomic）特征作为诊断标志物的潜力，这些特征较基因组标志物更接近临床表型（clinical phenotype）的功能状态，包括性别特异性代谢表型（sex-specific metabotypes）。神经炎症（neuroinflammation）、氧化应激（oxidative stress）及肠道–微生物群–脑轴（gut–microbiota–brain axis）被界定为病理生理学（pathophysiology）的关键促成因素。最后，研究人员提出通过机器学习（machine learning, ML）整合多组学（multi-omics）数据的路线图，以促进早期筛查（early screening）和精准治疗分层（precision therapeutic stratification）。通过将分子足迹（molecular footprints）与临床表型（clinical phenotyping）相桥接，本综合为神经发育障碍（neurodevelopmental disorders, NDDs）中的个性化医疗（personalized medicine）提供了基础。
1. Introduction（引言）：ASD为一组异质性神经发育障碍，核心为持续社交沟通缺陷及限制性、重复行为，并被视为系统性多器官疾病。现行诊断依赖行为观察与照护者报告，如M-CHAT、ASQ、ADI-R、ADOS、CARS等，具主观性且症状前检测不足。分子标志物旨在补充而非替代行为框架，用于症状前风险分层、客观生物分型及治疗反应监测；2岁前为神经可塑性高峰的干预“黄金期”。ASD生物异质性显著，需借助NGS、单细胞转录组学和深度表型代谢组学等识别汇聚与分化通路。本文综述遗传、表观遗传、蛋白质组、代谢、免疫及微生物组领域进展，评估其用于早期筛查和精准干预锚点的潜力。
2. Methods（方法）：本文为叙述性综述。文献检索覆盖PubMed（MEDLINE）、Scopus、IEEE Xplore、Web of Sciences和Google Scholar，检索截至2026年8月。检索词包括“autism spectrum disorder”“genetic”“epigenetic”“Non-coding RNA”“microRNAs”“proteomic”“metabolomic”“immune dysregulation”“neuroinflammation”“oxidative stress”“redox”“gut microbiota”等组合，并进行引文追踪；优先纳入同行评议研究、临床试验及近期综述。
3. The Genetic and Epigenetic Landscape: From Genomic Architecture to Environmental Programming（遗传与表观遗传景观：从基因组架构到环境编程）：ASD由遗传变异与动态表观调控交互所致。高遗传率提示遗传贡献，但表型异质性表明遗传架构不能完全解释疾病表现；表观机制整合环境暴露与基因组调控，基因组变异和表观签名均具识别生物亚型的分子诊断潜力。
3.1 Genomic Landscapes: From Monogenic Syndromes to Convergent Pathways（基因组景观：从单基因综合征到汇聚通路）：ASD遗传架构涵盖罕见高外显新生突变至常见多基因风险累积。FMR1、TSC1/TSC2、MECP2、SHANK3等综合征基因提供早期认识；WES/WGS拓展风险位点，SFARI Gene数据库涉及逾1200个基因。ASD相关基因汇聚于神经元分化、突触发育、染色质调控和翻译调控等功能模块；SUV420H1、ARID1B、CHD8等突变影响特定神经元群体，支持兴奋–抑制（E/I）失衡模型。治疗反应可能依赖遗传背景，Shank3缺陷模型对膳食锌补充有挽救效应，而Shank2缺陷效应有限，提示Shank3/Shank2缺陷或为锌反应预测标志物。
3.2 Epigenetic Mechanisms Linking Environmental Exposures to Gene Regulation（连接环境暴露与基因调控的表观遗传机制）：DNA甲基化和组蛋白修饰可介导产前环境暴露对基因调控与神经发育的影响。母体代谢障碍与子代ASD风险相关；OR2L13启动子甲基化改变被提及，但其对早期神经发生的作用尚需研究。“Extreme Male Brain”（EMB）理论促使研究产前激素暴露，部分研究提示胎儿类固醇激素与RORA表观调控相关，包括启动子H3K9三甲基化增加和转录活性降低，但证据有限；EMB理论解释范围仍有争议。
3.3 Non-Coding RNA Networks: The Rheostats of Neurodevelopment（非编码RNA网络：神经发育的流变器）：miRNAs和lncRNAs在转录后水平精细调控基因表达。NEAT1、TUG1、AQP4-AS1具外周诊断签名潜力；RAB1B-AS1与高风险基因CHD8互作并调制囊泡运输。SINEUPs工程化ncRNAs可提升内源性蛋白如CHD8水平，以挽救单倍剂量不足表型。miRNAs在血清、唾液和粪便中较稳定，适于非侵入性液体活检，但表达具年龄依赖性；miR-484下调可区分ASD队列并与症状严重度呈负相关。上述标志物仍属候选，需独立验证，相关性不能确认因果。
4. Targeted Proteomics and Metabolomics Diagnostic Markers（靶向蛋白质组学与代谢组学诊断标志物）：蛋白质组和代谢组捕获遗传/表观调控下游的功能状态，较基因组变异更能反映细胞活动与生理适应。高分辨质谱和生物体液组学支持在外周样本中发现微创诊断候选。
4.1 Proteomic Signatures: From Enzymes to Neural Homeostasis（蛋白质组签名：从酶到神经稳态）：ASD蛋白质组改变涉及突触信号、免疫调节和细胞代谢。早期脑组织研究显示突触支架和神经传递相关蛋白失调，近期转向血浆/血清等外周体液。研究报道炎症介质、补体级联及氧化应激相关蛋白的可重复改变，提示中枢神经系统外系统性参与。机器学习辅助的多蛋白组合具中等分类准确度，多蛋白签名优于单一标志物，但队列间变异显著，标准化和独立验证是临床转化前提。
4.2 Metabolomics and the “Sex-Bias” Paradigm（代谢组学与“性别偏倚”范式）：代谢组反映遗传、环境、饮食、微生物和免疫信号整合。性别特异性分子签名可解释ASD男性偏倚；女性ASD子代母体孕中期血浆醚/非醚磷脂平衡紊乱，男性ASD脐血中失调化学簇密度更高，提示不同性别可能经不同代谢通路发生“生物学打击”，支持Female Protective Model，并提示性别分层诊断工具的重要性。
4.3 The Shift Toward Integrated Multi-Biomarker Panels（向整合多生物标志物面板转变）：单一标志物因ASD异质性而跨队列变异较大，整合多种蛋白质和代谢物签名的模型通常显示更高诊断效能。该转变有助于识别具生物学意义的代谢表型，支持靶向营养补充或酶替代等个性化代谢干预。未来需将多标志物框架与标准化临床表型和严格机器学习验证方法整合。
5. Immune Dysregulation and Neuroinflammation: Systemic Signatures and CNS Crosstalk（免疫失调与神经炎症：系统签名与中枢神经系统交互）：免疫功能障碍不仅是共病，而参与ASD病理生理。其神经炎症状态表现为持续性低度系统性细胞因子网络失衡和免疫“ priming”，轻微触发即可引起夸大炎症反应并与行为严重度相关。
5.1 Systemic Cytokine Profiles: Molecular Correlates of Behavior（系统细胞因子谱：行为的分子相关物）：中枢和外周免疫改变均有报道，包括发育脑内微胶质激活及外周血异常细胞因子谱。IL-6、TNF-α、IL-1β等促炎介质在多个ASD队列升高，提示持续低度炎症。IL-8和MCP-1（CCL2）与社交沟通缺陷及认知灵活性受损相关；TNF-α和IL-6高浓度常见于易激惹、刻板行为和攻击性明显者，提示特定细胞因子谱或可作为预测行为轨迹和干预分型的“生物型”。
5.2 The IL-38/IL-36R Axis: A Failure of Homeostatic Buffering（IL-38/IL-36R轴：稳态缓冲失败）：IL-38为IL-1家族抗炎拮抗剂，其作为诊断筛查和治疗监测候选标志物的潜力仍需独立复制。ASD儿童血清IL-38代偿性升高，但杏仁核内IL-38及其受体IL-36R显著不足，提示中枢不能利用系统性抗炎信号以抑制局部神经炎症。针对18 kDa转位蛋白（TSPO）的PET显像可可视化微胶质激活，为“液体–影像”关联提供在体验证和神经炎症监测方法。
5.3 Immunomodulatory Paradigms: From “Dampening” to Precision（免疫调节范式：从“抑制”到精准）：celecoxib（COX-2抑制剂）、prednisolone及omega-3脂肪酸等干预在减轻易激惹和多动方面显示初步疗效。机制可能涉及微胶质由促炎M1-like向神经保护M2-like表型重编程，以及Treg/Th17平衡恢复。未来需识别特定免疫生物型，以靶向细胞因子抑制剂实现精准免疫精神病学。
6. Oxidative Stress and Redox Imbalance: Molecular Fingerprints of Cytotoxicity（氧化应激与氧化还原失衡：细胞毒性的分子指纹）：氧化应激不仅是ASD病理的下游后果，也可能是连接遗传易感、线粒体功能障碍、免疫激活和神经发育轨迹改变的整合机制。活性氧（ROS）产生与抗氧化防御失衡对高代谢需求、抗氧化储备有限的发育脑影响显著；氧化还原失调可作为发育放大器， destabilize线粒体生物能量、重塑表观调控并损害突触可塑性。
6.1 Multidimensional Cascades of Oxidative and Nitrative Damage（氧化与硝化损伤的多维级联）：ASD中脂质过氧化、蛋白质氧化和DNA氧化构成系统氧化还原级联。MDA和4-HNE升高提示膜完整性受损；8-iso-prostaglandin F
2α（8-iso-PGF
2α）升高反映系统性脂质氧化负担。蛋白质羰基和3-NT升高，尤其小脑；NO和过氧亚硝酸盐抑制线粒体电子传递链、损害ATP生成并形成恶性循环。8-OHdG升高指示慢性DNA氧化，且与ASD严重度正相关，具临床分期和预后评估潜力。
6.2 Compromised Antioxidant Defense and Redox Homeostasis（抗氧化防御受损与氧化还原稳态）：谷胱甘肽（GSH）在ASD死后脑样本显著耗竭，GSH/GSSG降低与语言障碍和社交缺陷相关。抗氧化能力受损可能源于线粒体低效和一碳代谢紊乱等内在代谢易感，而非仅环境暴露。甲硫氨酸–同型半胱氨酸循环紊乱表现为维生素B9、B12和SAM降低；部分研究见SOD和catalase代偿升高，但总体血清抗氧化水平降低，提示组织特异性 redox稳态失败。
7. The Gut–Microbiota–Brain Axis: A Microbial–Metabolic Signaling Hub（肠道–微生物群–脑轴：微生物–代谢信号枢纽）：肠道微生物群可通过微生物代谢物、免疫调节和氧化还原调控影响线粒体功能、表观编程和突触成熟。ASD中微生物生态失调不仅是胃肠共病，也可能是汇聚于神经发育易感的代谢和炎症通路调节者。
7.1 Microbial Dysbiosis and Targeted Metabolomics（微生物生态失调与靶向代谢组学）：粪便宏基因组常报告Clostridium增多及Bifidobacterium、Bacteroidetes减少，但研究间不一致，可能受地域、饮食、年龄、胃肠共病、药物、样本处理、测序平台、生物信息流程和亚型影响。分类学改变机制信息有限，功能代谢输出更关键。短链脂肪酸（SCFAs）影响血–脑屏障（BBB）完整性和神经炎症，丁酸可经表观机制影响宿主基因表达；p-cresol和4-ethylphenol升高可区分ASD并与症状严重度相关；胆汁酸和色氨酸通路失调提示更广泛代谢界面。
7.2 Intestinal Permeability and Microbial-Metabolic Crosstalk（肠道通透性与微生物–代谢交互）：ASD中肠屏障完整性改变，“leaky gut”可能促进系统性炎症信号。十二指肠活检显示CLDN1、OCLN等紧密连接蛋白下调、孔形成claudins表达增加，或削弱上皮完整性并促进微生物产物易位；产丁酸菌减少可部分解释上述改变。宏基因组与代谢组整合可识别包含细菌签名及下游代谢物的组合，具较高判别性能；多层面微生物谱与宿主分子标志物整合是有前景的诊断框架方向。
8. Methodological and Translational Hurdles from Multi-Omics Discovery to Clinical Implementation（从多组学发现到临床实施的方法学与转化障碍）：外周ASD标志物诊断特异性有限，细胞因子、氧化还原、线粒体代谢物和微生物谱也见于精神分裂症、重性抑郁、癫痫和炎症性肠病等，需多域整合并纳入非ASD临床对照。统计显著差异不等于临床可用；临床实施需分析效度、预设决策阈值、临床效度和临床效用。组学高维与样本量有限易致过拟合，特征选择或调参中的数据泄漏可夸大性能；嵌套交叉验证、预设预处理和独立外部验证必要。样本处理、实验流程和平台差异可致批次效应，ComBat-seq等协调方法并非适用于所有组学。类别不平衡和校准不足影响转化，评估应包括判别、敏感度、特异度、预测值和校准。单中心或同质队列结果可能受祖先、年龄、性别、发育阶段和环境暴露影响，需多样队列验证并检查亚组性能。SHAP、LIME等可解释AI有助特征归因，但不能确立因果；临床采用需可重复性能、相对现有诊断的增量价值和真实世界前瞻评估。
9. Conclusions and Future Perspectives（结论与未来展望）：ASD不能用单一生物层分子扰动解释，而源于遗传、表观、代谢、线粒体、免疫和微生物网络的动态双向交互。基因组风险位点个体预测力有限；表观调控是环境暴露、代谢状态和细胞应激调控基因表达的关键界面；线粒体功能障碍和系统氧化还原失衡是连接代谢紊乱、神经元信号异常、突触可塑性受损和慢性神经免疫激活的汇聚节点；微生物及代谢衍生物调节BBB通透性、神经炎症和宿主代谢稳态。ASD病理生理由网络级失调驱动，单一标志物模型不足。未来诊断需转向多组学综合，整合遗传风险评分、表观签名、代谢谱、线粒体功能标志和微生物签名，并借助机器学习与网络算法解析异质数据。但多数候选标志物仍处探索阶段，受样本量、批次效应、平台差异和纵向验证不足限制，整合多组学诊断尚未成熟用于常规临床；需多中心复制、标准化分析流程和纵向追踪，以推动客观、生物学分层的早期干预。
