维生素D-肠脑轴在孤独症谱系障碍中的双向交互作用：机制与治疗靶点

《International Journal of General Medicine》：The Vitamin D-Gut-Brain Axis in Autism Spectrum Disorder: A Bidirectional Crosstalk

　　

孤独症谱系障碍（ASD）是一种复杂的神经发育障碍性疾病，由遗传因素与环境因素相互作用所致。近年来，维生素D缺乏与肠道菌群失调已被确立为ASD发病机制中两个关键的环境相关因素。二者并非独立发挥作用，而是通过复杂的双向交互机制共同参与ASD的发生与进展。本文为叙述性综述，系统总结了维生素D缺乏与肠道菌群失调在ASD中关联性的最新研究进展。在机制层面，维生素D在多个水平上调控肠脑轴，包括肠道菌群组成、肠屏障功能、肠道炎症、细菌易位、微生物代谢产物、血脑屏障完整性与神经炎症。反之，肠道菌群通过短链脂肪酸（SCFAs）影响维生素D的代谢与生物活性，从而构成双向的维生素D-肠脑轴。该轴可能通过调控神经炎症、肠脑串扰及神经发育过程而参与ASD表型的形成。值得注意的是，目前该领域的大多数证据来源于临床前研究，而相关临床证据仍然有限。未来研究应着重解析潜在的分子串扰机制，并开发针对维生素D状态与微生物特征个体化干预策略。

论文主体内容总结

维生素D缺乏与ASD

维生素D代谢：人体约80–90%的维生素D在皮肤经紫外线照射内源性合成（维生素D₃），循环中大部分与维生素D结合蛋白（DBP）结合。维生素D需经肝脏25-羟化酶（CYP2R1）转化为25-羟基维生素D（25(OH)D），再经肾脏1α-羟化酶（CYP27B1）转化为活性形式1,25-二羟基维生素D（1,25(OH)₂D）。活性维生素D与维生素D受体（VDR）结合后转位至细胞核调控靶基因表达。VDR广泛表达于肠道上皮细胞、免疫细胞、神经元及小胶质细胞，为维生素D的多效性非经典功能提供了分子基础。

维生素D水平与ASD：ASD儿童血清25(OH)D水平较低，且25(OH)D水平与ASD风险呈负相关。维生素D水平越低，ASD核心症状越严重。维生素D缺乏是影响ASD儿童多维神经发育的重要危险因素，与运动功能、个人-社会技能发育商（DQ）、听语DQ及手眼协调DQ异常密切相关。不同维生素D亚型对ASD神经发育的影响存在差异：25(OH)D₂选择性损害适应行为与个人-社会行为，而25(OH)D₃与症状严重程度呈强负相关，与适应行为、精细运动及个人-社会功能呈正相关。孕期维生素D缺乏与子代ASD风险升高相关，母体血清维生素D水平每增加25 nmol/L（或10 ng/mL），子代ASD风险降低19%。

VDR与ASD：VDR基因多态性是ASD遗传易感性的关键决定因素。VDR rs7975232为ASD保护性遗传位点，而rs731236与rs2228570为风险位点。rs731236 T/C基因型与维生素D缺乏存在协同效应，二者结合进一步增加ASD风险。值得注意的是，常见VDR基因多态性位点与血清维生素D浓度几乎不直接相关，提示VDR基因多态性可能通过改变VDR蛋白结构、受体活性及下游信号通路转导效率来调控ASD风险，而非通过影响基础维生素D代谢水平。

CYP2R1、CYP27B1与ASD：ASD患者中CYP2R1与CYP27B1表达水平较健康对照上调。CYP27B1基因（rs4646536）及CYP2R1基因（rs10741657）多态性与ASD遗传易感性无显著关联。上述活化酶表达升高并非源于基因突变，而是对维生素D缺乏、神经发育异常或肠道菌群失调的继发性代偿性代谢改变。

DBP与ASD：GC基因亚型（尤其是GC1f）在ASD中显著高于健康对照，GC基因亚型及多态性影响ASD患者的临床表型表现与功能损害程度。ASD患者血浆DBP水平低于健康对照，这是维生素D缺乏的促成因素之一。GC基因多态性介导的DBP结构与功能异常可能通过降低维生素D生物利用度间接诱导相对性维生素D缺乏，协同加重ASD神经发育损害与临床症状。

维生素D在ASD中的潜在病理生理机制：维生素D缺乏与ASD的关系涉及遗传突变、氧化应激、炎症反应、免疫调节、神经元过度增殖及神经递质水平异常等多种机制。神经发育调控方面，维生素D补充可改善ASD小鼠模型的核心表型（刻板行为与社交缺陷）。母体孕期及哺乳期维生素D缺乏通过抑制子代大脑皮层WNT/β-catenin信号通路促进皮层中间前体细胞异常增殖。ASD儿童维生素D水平与额叶及小脑灰质体积显著相关。维生素D调控海马轴突导向发育、上调脑内5-羟色胺（5-HT）水平、保护突触结构与功能。静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）研究证实维生素D缺乏破坏ASD儿童多个脑区的局部神经同步化与功能连接。免疫调控方面，ASD患者炎症标志物升高且与血清25(OH)D水平负相关，维生素D补充下调多种促炎细胞因子表达，缓解全身慢性炎症并抑制过度中枢神经炎症。母体高维生素D水平可改善母体炎症暴露子代肠道CD4?T细胞的异常免疫表型。

肠道菌群失调与ASD

ASD中的肠道菌群失调：ASD表现出显著的肠道菌群结构紊乱与微生态系统功能失调。荟萃分析显示ASD肠道菌群改变无普遍一致模式，但双歧杆菌属丰度下降是最一致的发现。Dorea、Blautia、Lachnospira及Streptococcus属也表现出较高一致性。ASD与健康对照间α多样性无显著统计学差异，而β多样性存在显著差异，提示ASD微生物异常主要表现为微生物群落结构的整体重组。

ASD中的肠脑轴：肠道菌群通过神经解剖、免疫、神经内分泌及代谢途径构成复杂通讯网络调控中枢神经系统发育与功能。

神经元通路：肠道菌群可通过迷走神经直接向大脑传递信号。迷走神经刺激（VNS）抑制小胶质细胞促炎激活表型、调控神经发生、维持突触可塑性稳态并抑制异常神经元凋亡。电针介导的VNS可改善ASD小鼠模型的社交缺陷、焦虑样及抑郁样行为。肠道细菌亦可经迷走神经易位至脑内。

免疫学通路：肠道菌群失调增加肠道屏障通透性与炎症水平，导致肠道微生物易位入血，进而穿越受损血脑屏障（BBB）触发神经炎症。移植ASD儿童粪菌的小鼠肠道组织E-钙黏蛋白、claudin-3及免疫球蛋白A（IgA）水平降低，肠道屏障通透性增加。ASD儿童血浆脂多糖结合蛋白（LBP）水平升高。定植ASD粪菌的小鼠皮层组织claudin-5表达降低，导致BBB功能障碍并加剧神经炎症反应。肠道菌群失调还调节脑驻留T细胞功能活性，促进小胶质细胞促炎转化。母体免疫激活（MIA）小鼠模型中，母体IL-17A通路参与子代孤独症样表型，MIA母鼠粪菌移植可引发受体小鼠肠道炎症、社交能力下降及神经炎症增加。

神经内分泌通路：肠道菌群通过代谢产物影响宿主神经内分泌功能。丁酸盐抑制组蛋白去乙酰化酶（HDACs）并促进促肾上腺皮质激素释放激素受体2（CRHR2）表达，缓解下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴过度激活。促肾上腺皮质激素释放激素（CRH）释放诱导肥大细胞脱颗粒，进而破坏BBB完整性。

代谢通路：ASD儿童持续存在异常代谢物浓度。短链脂肪酸（SCFAs）方面，乙酸在ASD婴儿中浓度随症状严重程度升高而增加，但乙酸可改善Shank3缺陷ASD小鼠的社交缺陷。丙酸（PPA）在ASD个体中水平升高，与肠道乳杆菌属丰度负相关、与ASD核心症状严重程度正相关。PPA过度蓄积通过增加氧化应激、促进神经元凋亡、激活广泛神经炎症、下调脑源性神经营养因子（BDNF）与抑制性γ-氨基丁酸（GABA）水平、上调兴奋性谷氨酸（Glu）水平、诱导星形胶质细胞过度激活及海马和小脑胶质增生与神经元丢失等多重机制诱导中枢神经系统损伤，并诱导脑脱髓鞘及破坏肠道屏障完整性。丁酸盐在ASD小鼠模型中普遍显著降低，属保护性SCFA，通过逆转小脑皮层肥大、浦肯野细胞放电异常及突触可塑性缺陷发挥多重神经保护作用。氨基酸代谢方面，ASD患者粪便样本中谷氨酰胺（Gln）和Glu水平降低、GABA水平升高，与大肠杆菌过度生长相关；血浆样本中Gln和GABA水平降低，GABA水平与ASD严重程度负相关，Glu水平与ASD严重程度正相关。ASD脑中Gln、Glu及GABA表达呈显著脑区特异性：大脑皮层、丘脑及小脑呈高Glu低GABA的过度兴奋状态。色氨酸代谢方面，血浆色氨酸水平与ASD严重程度负相关。ASD个体外周5-HT水平普遍升高且男性更显著，外周5-HT升高程度越大ASD症状越严重。ASD动物模型脑内5-HT水平呈脑区特异性差异。ASD个体存在犬尿氨酸通路（KP）紊乱，表现为血清犬尿氨酸（KYN）水平升高、犬尿酸（KA）水平降低，KA降低与ASD患者自杀倾向风险增加密切相关。长双歧杆菌可全面调控外周肠道、血液及中枢的KP代谢，调节脑内神经毒性代谢物喹啉酸（QUIN）水平及Glu/GABA平衡，抑制小脑小胶质细胞过度激活。吲哚-3-丙酸（IPA）为肠道菌群专一合成的核心保护性代谢物，ASD个体中IPA生成减少，导致海马IPA/AhR/NF-κB信号通路异常激活，引发海马小胶质细胞过度激活与神经元突触过度修剪。酚类化合物方面，ASD个体粪便对甲酚（p-Cresol）水平升高。p-Cresol通过下调ADAM17和ADAM10表达损害正常神经免疫反应、抑制海马神经元树突生长与突触形成、降低中脑腹侧被盖区多巴胺能神经元活性并损害儿茶酚胺神经递质生物合成，介导ASD社交缺陷。

维生素D与肠脑轴在ASD中的潜在交互作用

维生素D调控肠道菌群、肠屏障、肠道免疫及细菌易位：维生素D/VDR信号通路通过调控肠道菌群组成、肠上皮屏障功能、先天性与适应性免疫应答、肠道炎症及细菌易位，在肠脑轴调控网络中发挥上游起始作用。维生素D重塑肠道菌群组成与丰度特征：健康个体肠道中粪球菌属和双歧杆菌属丰度与维生素D水平负相关；维生素D干预改变特定菌群丰度，母体维生素D缺乏塑造子代ASD易感肠道菌群结构。肠道VDR缺乏触发肠道菌群失调，肠上皮特异性VDR缺乏改变肠道微生物群落结构。多种疾病动物模型一致证实维生素D改善肠道通透性异常与肠道炎症，机制上维生素D上调关键紧密连接蛋白表达、升高超氧化物歧化酶等抗氧化因子水平、降低炎症细胞因子表达。维生素D/VDR信号通路调控肠道先天性与适应性免疫稳态：维生素D靶向潘氏细胞、3型固有淋巴样细胞（ILC3s）及巨噬细胞，促进潘氏细胞合成分泌防御素和溶菌酶等抗菌肽，维持ILC3数量与免疫防御功能，抑制JAK-STAT通路过度激活逆转巨噬细胞极化失衡。适应性免疫方面，维生素D促进树突状细胞（DCs）维持耐受状态，与浆细胞样树突状细胞（pDCs）协同促进肠道归巢α4β7?CX3CR1?调节性B细胞和α4β7?调节性T细胞生成，促进IgA?B细胞分化与肠道IgA分泌。维生素D或VDR缺乏促进细菌易位导致LPS水平升高，LPS可穿越BBB触发慢性神经炎症，而维生素D干预抑制细菌易位并阻断外周炎症向中枢神经系统的传递。

维生素D调控BBB与神经炎症：维生素D是维持BBB结构完整性与调节脑血管通透性的关键保护因子。维生素D缺乏导致脑组织免疫球蛋白外渗增加、脑血管通透性升高。多种疾病与干预模型证实维生素D上调occludin-1、claudin-3、claudin-5、occludin、膜联蛋白A1、VE-钙黏蛋白及骨桥蛋白等关键BBB完整性标志物表达。VDR缺乏促进小胶质细胞/巨噬细胞过度分泌TNF-α和IFN-γ等促炎细胞因子，诱导内皮细胞释放CXCL10，持续加剧BBB破坏与中枢炎症浸润。维生素D全面改善神经炎症，其神经保护作用涵盖抑制促炎细胞因子释放、抑制小胶质细胞M1促炎极化、减轻氧化应激损伤、减弱神经元凋亡与焦亡及调控神经递质合成。ASD动物模型研究表明，孕期维生素D降低子代脑内IL-6和IL-17A等典型促炎细胞因子过度表达，有效改善ASD样神经病理表型。

维生素D调控HPA轴功能稳态：HPA轴功能障碍是ASD神经发育异常与行为失调的重要促成因素。维生素D增强皮质酮介导的负反馈抑制，平复过度激活的HPA轴，阻断继发性神经、免疫及肠道功能损伤。

维生素D调控肠道代谢物：维生素D缺乏降低脑组织Gln和Glu水平，维生素D干预上调Gln和Glu水平。在谷氨酸毒性损伤模型中，维生素D通过上调VDR表达减轻MSG诱导的神经元损伤，并通过激活mTOR信号通路对抗过度Glu刺激诱导的神经元凋亡与中枢神经炎症。维生素D对GABA的调控呈脑区特异性差异。维生素D缺乏导致中枢5-HT合成不足，维生素D通过激活VDR上调脑内色氨酸羟化酶2（TPH2）表达促进脑内5-HT生成。维生素D参与调控KP稳态：可升高KYN浓度及神经保护性代谢物KA水平，在VPA诱导ASD大鼠模型中减少KP异常中间代谢物蓄积及神经毒性代谢物积累。维生素D正向调控肠道乙酸合成并促进产乙酸优势菌鲟鱼柠檬酸杆菌增殖，乙酸可恢复维生素D缺乏斑马鱼中β-防御素表达受抑状态；在乙酸诱导结肠炎模型中，维生素D拮抗乙酸诱导的肠道毒性。维生素D缺乏导致ASD小鼠回肠PPA水平升高；在短肠综合征小鼠中，PPA通过激活Yes相关蛋白（YAP）信号上调肠道VDR表达。维生素D与丁酸盐存在强效双向协同关系：维生素D通过抑制肠球菌过度生长、富集产丁酸菌间接增加丁酸盐水平；肠道VDR缺失通过下调产丁酸菌属Butyricimonas丰度及粪便丁酰辅酶A转移酶表达加剧丁酸盐缺乏；丁酸盐通过激活TGF-β/Smad3信号通路上调VDR表达，与维生素D产生协同效应，联合增强肠道炎症抑制、屏障修复及抗氧化能力，并协同调控HPA轴稳态。

结论

维生素D作为上游核心调控因子，通过重塑肠道菌群组成与多样性、修复肠上皮屏障损伤、平衡肠道免疫稳态、抑制异常细菌易位、稳定中枢BBB完整性、抑制过度中枢神经炎症、调控HPA轴神经内分泌过度激活及平衡多种关键代谢物稳态，全面调控肠脑轴功能。同时，肠道菌群通过其衍生代谢产物反向调控肠道VDR表达及维生素D/VDR信号通路活性，形成维生素D与肠道菌群间的闭环双向交互系统，共同影响ASD疾病进展与症状严重程度。然而，当前证据等级存在局限：支持维生素D-肠脑轴在ASD中作用的证据主要来源于相关性人类研究（横断面与病例对照设计）及啮齿动物模型，因果推断受限；部分关键机制证据源自非ASD疾病模型，外推至ASD病理背景需谨慎；ASD肠道菌群研究普遍存在样本量小、地理与饮食异质性、测序方法差异及缺乏纵向随访等问题；维生素D与肠道菌群在人类中双向交互的直接因果证据极为有限。未来研究应开展按基线25(OH)D水平与肠道菌群特征分层的预期队列研究、采用孟德尔随机化增强因果推断、利用中介分析量化肠道菌群及其代谢物在维生素D调控神经发育中的中介贡献、建立从孕期至儿童期的纵向母婴队列、并在此基础上探索针对个体维生素D状态与菌群特征的精准干预策略，通过严格设计的随机对照试验验证其疗效与安全性。