編者按
自閉癥譜系障礙（ASD），是一種神經(jīng)發(fā)育障礙性疾病，影響著全球1-2%的兒童，常伴有社交障礙、重復(fù)刻板行為、焦慮、癲癇和睡眠障礙，其病因復(fù)雜，有效的治療手段極為有限。Katnal2作為ASD風(fēng)險基因，敲除該基因在小鼠、斑馬魚中均可導(dǎo)致發(fā)育異常、腦縮小、神經(jīng)系統(tǒng)受損和運(yùn)動障礙。近年來，腸-腦軸成為研究熱點(diǎn)，腸道里的微生物，竟然能“遙控”大腦發(fā)育和行為。但具體怎么控？哪些菌是關(guān)鍵？能不能用來治病？
3月30日，一項發(fā)表在微生物生態(tài)學(xué)頂刊《The ISME Journal》（IF10.0）上的突破性研究，利用Katnal2基因突變斑馬魚構(gòu)建了自閉癥譜系障礙（ASD）樣模型，探究腸道菌群對神經(jīng)發(fā)育的影響，并評估兩種干預(yù)策略——糞菌移植（FMT） 與“下一代益生菌”嗜黏蛋白阿克曼菌（Akk 菌）補(bǔ)充的治療效果，發(fā)現(xiàn)它們通過重塑腸道菌群、調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)基因及SCFA受體信號，可以顯著改善神經(jīng)發(fā)育缺陷與行為異常，不僅揭示了腸-腦軸在 ASD 中的關(guān)鍵作用，也為開發(fā)基于 Akk 菌的精準(zhǔn)微生物療法提供了堅實的實驗依據(jù)。
01、研究亮點(diǎn)
首次在斑馬魚自閉癥譜系障礙（ASD）模型中建立了菌群與表型的因果鏈，通過雙向糞菌移植（FMT）實驗，證實腸道菌群既可誘發(fā)也可逆轉(zhuǎn)自閉癥樣癥狀；
發(fā)現(xiàn)了“下一代益生菌”Akk菌的單菌治療效果，無需完整菌群移植，僅補(bǔ)充 Akk 菌即可顯著改善發(fā)育、行為和神經(jīng)分子缺陷，具有極高的臨床轉(zhuǎn)化潛力；
雖然總短鏈脂肪酸無顯著變化，但SCFA受體ffar2表達(dá)上調(diào)，不依賴總SCFA 水平，而依賴受體敏感性，揭示了Akk菌通過增強(qiáng)信號接收能力而非改變代謝物總量來發(fā)揮作用；
結(jié)合發(fā)育表型、行為學(xué)、微生物組分析、神經(jīng)遞質(zhì)基因表達(dá)、SCFA檢測及相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)等，開展多維度整合分析，系統(tǒng)揭示了“菌群-腸-腦軸”的調(diào)控圖譜。
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02、主要研究成果
1. 雙向糞菌移植（FMT）實驗，驗證菌群的因果作用
研究人員采用普通飼養(yǎng)（CR）與無菌（GF）斑馬魚，通過雙向糞菌移植（FMT）實驗，將健康魚與模型魚之間互換菌群，系統(tǒng)評估了對斑馬魚發(fā)育、行為的影響。當(dāng)將野生型（AB）健康斑馬魚的糞便菌群移植到無菌的Katnal2基因突變斑馬魚體內(nèi)后，觀察CR-Katnal2組與CR-AB組斑馬魚的發(fā)育指標(biāo)情況，發(fā)現(xiàn)野生型的健康斑馬魚的FMT能夠顯著改善Katnal2突變體斑馬魚的孵化率和生長狀況，這表明微生物組對早期發(fā)育至關(guān)重要。實驗結(jié)果顯示，CR-Katnal2組的斑馬魚孵化率顯著低于CR-AB組 (11.1% vs 30.5%, P<0.01)，表明早期發(fā)育受損；斑馬魚體長、體重、心率均顯著恢復(fù)；斑馬魚運(yùn)動能力得到改善，表現(xiàn)為游泳距離、速度、活動時間均增加，靜止時間縮短；斑馬魚焦慮樣行為減少，在光暗刺激實驗中反應(yīng)更靈敏。
隨后，當(dāng)將Katnal2基因突變魚的菌群移植到無菌的健康A(chǔ)B魚體內(nèi)，健康斑馬魚則出現(xiàn)了發(fā)育遲緩、活動減少、行為異常等ASD樣表型。因此，糞菌移植雙向?qū)嶒炞C實，腸道菌群能夠誘導(dǎo)或逆轉(zhuǎn)自閉癥（ASD）樣表型。
圖2
圖3
2. Akk菌的成功定植與單獨(dú)治療效果
Akk菌是一種降解黏蛋白的細(xì)菌，被譽(yù)為“下一代益生菌”，此前多用于代謝疾病研究。研究人員將熒光標(biāo)記的Akk菌在斑馬魚腸道內(nèi)成功定植并持續(xù)72小時，且未引起不良反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，Akk菌單獨(dú)治療即可顯著改善斑馬魚的發(fā)育、行為等。
實驗結(jié)果顯示，Akk菌可以有效改善發(fā)育指標(biāo)，無菌魚體長縮短、心率降低；補(bǔ)充Akk菌后體長部分恢復(fù)，心率完全恢復(fù)至正常水平。而在Katnal2突變魚中，效果更明顯，無菌突變魚體長最短，Akk菌使其顯著增長；心率也從19.5恢復(fù)至21.6（接近對照22.3）。行為方面，在自發(fā)游泳和光暗刺激實驗中，無菌魚自發(fā)游泳距離、速度、活動減少，靜止時間延長，狂躁頻率降低；補(bǔ)充Akk菌后，斑馬魚的運(yùn)動距離、速度、活動頻率均顯著提升，靜止時間縮短，趨近正常對照。特別是在Katnal2突變魚中，Akk菌的效果更加明顯，幾乎將GF（無菌）狀態(tài)下的行為缺陷“拉回”到接近普通飼養(yǎng)水平。
圖4
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3. Akk菌重塑腸道菌群
研究人員發(fā)現(xiàn)，Akk菌可以重塑腸道菌群，降低變形菌門、增加厚壁菌門，特定菌屬變化與表型高度相關(guān)。16S rRNA測序顯示，野生型健康A(chǔ)B斑馬魚富含厚壁菌門、放線菌門、梭桿菌門豐富，而Katnal2突變斑馬魚的變形菌門占絕對優(yōu)勢，高達(dá)87.67%，特別是Stenotrophomonas屬暴增，達(dá)到84.23%。利用Akk菌干預(yù)后，變形菌門減少，厚壁菌門增加，關(guān)鍵菌屬，如Desulfovibrio、Enterococcus、Aeromonas等發(fā)生動態(tài)變化。這些變化與心率、體長、運(yùn)動能力、基因表達(dá)（th、tph1a、ca7、ffar2） 顯著相關(guān)。通過相關(guān)性分析進(jìn)一步證實，特定的菌群組成直接關(guān)聯(lián)著特定的神經(jīng)行為結(jié)果。
圖6
【7】
4. Akk菌調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)基因及SCFA 信號通路
研究人員還檢測了與多巴胺（DA）、血清素（5-HT）、GABA相關(guān)的關(guān)鍵基因。在Katnal2突變魚中，tph1a（血清素合成酶）表達(dá)降低，而Akk菌使其恢復(fù)；htr3a（血清素受體）異常升高，Akk菌可以使其顯著下調(diào)；th（多巴胺合成酶）受抑制，Akk菌可以部分恢復(fù)；碳酸酐酶（ca2, ca4a, ca7, ca14） 表達(dá)增加，表明GABA能增強(qiáng)神經(jīng)元活性。
短鏈脂肪酸（SCFA）信號通路方面，雖然總SCFA水平在各組間無顯著差異，但SCFA受體基因ffar2的表達(dá)在Akk菌處理后顯著上調(diào)，這表明Akk菌并非通過改變總SCFA產(chǎn)量，而是通過增強(qiáng)受體敏感性來傳遞信號，從而調(diào)節(jié)神經(jīng)功能。
圖8
近年來，環(huán)特生物自主建立了以細(xì)胞、類器官、斑馬魚、哺乳動物、皮膚外植體和人體臨床為特色的多維生物技術(shù)解決方案，構(gòu)建了斑馬魚自閉癥、抑郁癥、焦慮癥等200多種疾病模型，為研究自閉癥的神經(jīng)發(fā)育機(jī)制、尋找潛在治療策略提供了寶貴工具。歡迎有需要的客戶垂詢！
03、編者點(diǎn)評
本研究首次在斑馬魚自閉癥（ASD）模型中證實，糞菌移植和Akk菌補(bǔ)充可通過重塑腸道菌群、調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)基因及SCFA受體信號，顯著改善Katnal2突變斑馬魚的神經(jīng)發(fā)育與行為異常，Akk菌可通過腸-腦軸逆轉(zhuǎn)神經(jīng)發(fā)育缺陷。相比傳統(tǒng)糞菌移植，單一益生菌具有標(biāo)準(zhǔn)化、安全性高、易于生產(chǎn)等優(yōu)勢，為開發(fā)基于Akk菌的精準(zhǔn)微生物療法治療自閉癥譜系障礙提供了堅實的實驗依據(jù)。
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參考文獻(xiàn)：
Jia, P.P., et al. Fecal microbiota transplantation and Akkermansia muciniphila restore neurodevelopment and behavior via the gut-brain axis in autism-like zebrafish. The ISME Journal (2026).