自閉的世界並不自閉?腸道菌叢有肚裡蛔蟲話要說

■懷孕期間如果受到病毒或是細菌感染,會不會影響到胎兒的神經發育、與出生後的行為發展呢?之前茲卡病毒導致小腦症的憂慮,造成人心惶惶。但其實早在茲卡病毒疫情出現之前,就有不少研究發現,懷孕期的病毒與細菌感染,有可能增加胎兒日後得到思覺失調症與自閉症的風險。這是為什麼呢?

撰文|駱宛琳

懷孕的時候,如果被病毒或細菌感染,有可能增加胎兒神經發育障礙的危險。目前的研究,多半把矛頭指向思覺失調症與自閉症。2010 年時有流行病學研究指出,如果孕期時,能夠預防孕婦被病毒、細菌與寄生蟲感染的話,或許思覺失調症的案例能下降三成。而讓臨床研究專家皺眉的嫌疑犯,包括了流感病毒、單純皰疹病毒、德國麻疹,還有細菌感染,與寄生蟲弓蟲症感染。緊接著不久,以丹麥一萬件自閉症案例為主的研究,也發現自閉症罹患率跟第一孕期間的病毒感染有極為顯著關聯。

這些數據聽起來像是恐怖的都市傳說,但在老鼠身上,類似的關聯也已在實驗模型裡被驗證。懷孕期間,如果母體免疫系統活化(maternal immune activation),可能會影響到子代的神經發育與行為模式。在小老鼠身上,如果母鼠懷孕期間被流感病毒感染,或是利用合成的雙股 RNA 多聚肌苷酸多聚胞苷酸 poly (I:C) 來模擬病毒感染,又或者利用細菌外模結構上的脂多醣引起懷孕母鼠體內的發炎反應,子代小鼠就很容易出現典型自閉症症狀:像是社交障礙、高度焦慮,與重複偏執的行為模式,會像著魔似地不斷把彈珠埋起來。

最近在 Nature 期刊上,美國麻州大學醫學院的 Jun Huh 博士,和麻省理工學院的 Gloria Choi 博士發表了兩篇研究。兩個實驗室合力提出了可能的背後機轉,為母體免疫反應活化,與子代神經行為模式之間的關聯性,提出強而有力的背書。他們一個實驗室以免疫學的角度切入母鼠懷孕期間,母體免疫活化對幼鼠行為模式的影響;另一個實驗室把研究焦點放在母體免疫活化對幼鼠大腦神經發育的影響,兩篇研究互相支持也巧妙互補地讓孕期感染與胎兒行為之間的因果關係,有了合宜的解釋。

美國麻州大學醫學院的 Jun Huh 博士實驗室,利用 poly (I:C) 模擬病毒感染,發現如果誘發懷孕母鼠體內的免疫系統活化,懷孕母鼠血液內的細胞激素 IL-17 濃度會異常增高,小腸內的輔助型 Th17 細胞也異常增生,然後生出來的小老鼠也都出現自閉症行為。但有趣的是,如果在給予懷孕母鼠 poly (I:C) 之後,也及時給予抗生素萬古黴素治療,子代小鼠類似自閉症式的行為,就可以有效預防了。可見懷孕母鼠體內的腸道菌叢,和子代小鼠出現類似自閉症的行為,有著直接關聯。那罪魁禍首是誰?透過顯微鏡觀察與腸道菌叢 DNA 分析,研究人員發現母鼠腸道內的分節絲狀菌(segmented filamentous bacteria)是最有可能的頭號嫌疑犯。

為了要讓分節絲狀菌的罪行罪證確鑿,Huh 博士實驗室做了一件很有趣的事。他們從兩個不同的老鼠實驗中心 Jackson Lab(Jax)和 Taconic Biosciences(Tac)買來同品系的老鼠。但因為每個機構的環境菌叢都不太一樣,剛好從 Tac 機構買來的純品系小鼠帶有分節絲狀菌,而從 Jax 實驗中心買來的沒有。當同時讓兩個不同來源的懷孕母鼠都被注射 poly (I:C) 活化懷孕母鼠體內免疫反應,從 Jax 實驗中心來的母鼠生下來的小老鼠完全沒事,但從 Tac 來的母鼠,生下來的子代幼鼠卻和之前的動物實驗模型一樣,出現類似自閉症的症狀。但如果將分節絲狀菌灌注入 Jax 實驗中心來的懷孕母鼠,則子代小鼠的行為模式也會出現焦慮、重複行為,並且逃避社交刺激。

這個實驗不僅落實腸道菌叢在母體免疫反應活化中所扮演的關鍵角色,也點出一件有趣的細節。因為在分節絲狀菌所誘發的母體免疫活化反應中,增生的輔助型 Th17 細胞能夠立即針對細菌感染反應,代表這群細胞是本來就存在於懷孕母鼠體內。因為,如果是第一次免疫反應,通常需要幾天的時間,才能夠將免疫反應好好活化。

那母體免疫反應又影響到了子代小鼠大腦中的哪一個反應區塊呢?麻省理工學院的 Gloria Choi 博士實驗室由此接手,利用光遺傳學(optogenetics)的技術,研究母體免疫反應是如何影響子代幼鼠的大腦發育,進而改變行為模式。所謂的光遺傳學,是利用基因工程技術,將對特定波長的光有反應的離子通道表現在大腦特地區塊。這些對光敏感的離子通道,在接受到特定波長的光線之後,會被活化。因此,藉由調控對光敏感的離子通道表現在大腦哪一個區域,就可以進而活化、或是抑制該區的神經活性。而藉由光遺傳學技術,Choi 博士實驗室發現,在大腦主要體覺皮質部位(primary somatosensory cortex) 的異顆粒區(dysgranular zone)神經元,是主要造成小鼠出現類似自閉症行為的源頭。藉由控制這區域神經元的活性,就會影響到小鼠是不是會出現社交障礙與重複偏執的行為。

Jun Huh 博士實驗室和 Gloria Choi 博士實驗室聯手發表的兩篇研究,算是為懷孕時期母體免疫反應活化,與子代神經發育與行為模式之間的關聯性,有了一個好解釋。之後,他們在實驗小鼠身上所學到的事,是不是也能拿來解釋流行病學研究所觀察到的關聯性,還值得拭目以待。

原始論文:

  1. Shin Yim Y, et al. Reversing behavioural abnormalities in mice exposed to maternal inflammation. Nature. 2017 Sep 13. doi: 10.1038/nature23909.
  2. Kim S et al. Maternal gut bacteria promote neurodevelopmental abnormalities in mouse offspring. Nature. 2017 Sep 13. doi: 10.1038/nature23910.

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作者:駱宛琳 美國聖路易華盛頓大學(Washington University in St. Louis)免疫學博士,從事T細胞發育與活化相關的訊息傳導研究。

 

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