Untargeted Cross-Matrix Metabolomics Reveals Tryptophan Metabolism Shift in Children with Autism
本研究利用尿液和粪便的非靶向跨矩阵代谢组学技术，揭示了患有自闭症谱系障碍的儿童表现出一种系统性的代谢紊乱，其特征为色氨酸代谢失调、线粒体功能受损以及肠道微生物群-代谢物相互作用改变。
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自闭症谱系障碍是一种复杂的疾病，它影响着一个人如何进行交流、如何与他人互动以及如何体验世界。虽然科学家早已知道基因和环境在其中发挥作用，但驱动这一症状的具体生物学机制仍然难以捉摸。近年来，研究者的注意力转向了肠道，特别是生活在其中的数万亿微小细菌。这些微生物不仅负责消化食物，还通过被称为“微生物-肠-脑轴”的神经、激素和化学信号网络与大脑进行交流。当这种通信系统出现异常时，可能会导致自闭症症状的产生。为了理解这种联系，研究人员经常观察代谢物，即当我们的身体和肠道细菌分解食物并处理能量时所产生的微小化学分子。这些分子充当一种化学语言，告诉我们在微观层面上身体内部正在发生什么。
武汉大学中南医院的一个研究小组决定通过同时检查身体的两个不同部分——肠道本身和血液——来倾听这种化学语言。虽然许多先前的研究仅孤立地观察粪便或尿液，但该小组希望看到肠道局部环境如何与全身相连的全貌。他们招募了33名患有自闭症的儿童和27名没有该症状的儿童。研究人员从每个孩子身上采集了粪便和尿液样本。利用能够同时识别数千种微小化学结构的先进机器，科学家们绘制了两组人群的代谢图谱。他们一直在寻找那些出现在自闭症儿童体内而非对照组中的特定化学特征，希望能以此追踪一条从肠道到大脑的路径。
分析显示，患有自闭症的儿童在处理一种名为色氨酸的特定营养素时存在明显的差异。色氨酸是食物中含有一种氨基酸，人体利用它来制造对大脑和睡眠至关重要的化学物质。在自闭症儿童的粪便样本中，研究人员发现两种关键物质的水平显著降低：吲哚和一种被称为6-羟基褪黑素的褪黑素形式。吲哚是肠道细菌在分解色氨酸时产生的一种化学物质，而褪黑素是调节睡眠-觉醒周期的激素。这些物质在肠道中水平较低，表明这些儿童体内的细菌无法正确分解色氨酸。这一发现与许多自闭症儿童面临睡眠问题的普遍观察相吻合，因为身体可能无法产生足够的化学信号来进行休息。
故事并未止步于肠道。当研究人员观察尿液（反映了全身发生的情况）时，他们发现了另一种相关但不同的模式。自闭症儿童的尿液中含有较高水平的某些其他色氨酸分解产物，例如5-甲氧基色氨酸，而2-甲基烟酸的水平则较低。这种发生在肠道与出现在尿液中的情况之间的不匹配，表明存在全身性的紊乱。看起来色氨酸通路在多个环节都出现了断裂，阻碍了身体在正确的时间制造正确的化学物质。这种紊乱可能不仅影响睡眠，还会影响神经递质（即脑细胞之间用于交流的化学物质）的平衡。
除了色氨酸通路之外，研究还揭示了细胞内更深层的能量危机证据。研究人员发现，在自闭症儿童的粪便和尿液中，参与人体主要产能循环的特定化学物质水平升高。这些化学物质是驱动线粒体（细胞内作为发电厂的微小结构）过程的一部分。当这些“发电厂”运作效率不高时，身体无法正常产生能量，且废弃物会堆积。这些能量相关异常在肠道和尿液中同时出现，指向了一个全身性的问题，暗示代谢障碍的根源可能在于细胞产生能量的能力出现了故障。这支持了这样一种观点：自闭症涉及身体能量网络的广泛紊乱，其影响范围远超大脑。
为了理解肠道细菌可能如何引起这些变化，科学家们构建了一张地图，展示了不同细菌群落的丰度如何与这些化学物质水平相关联。他们发现，某些有时可能有害的细菌与有益的褪黑素化学物质水平较低有关。相反，其他通常有益的细菌则与能量相关化学物质水平较高有关。这表明，自闭症儿童的肠道微生物组成不仅是不同的，而且在积极地驱动着研究中所见的代谢错误。细菌很可能正在改变化学环境，从而干扰身体处理营养物质和产生能量的能力。
研究人员谨慎地指出，他们的发现是一个起点，而非最终答案。由于这项研究是在单一时间点进行的，他们无法确定这些代谢变化是导致了自闭症，还是由自闭症引起的。此外，他们研究的儿童群体相对较小，且两组之间的年龄和性别并非完全匹配，尽管研究中使用了统计方法来解释这些差异。尽管存在这些局限性，该研究仍提供了一个强有力且统一的视角。通过同时观察肠道和全身，该团队表明，自闭症与人体处理色氨酸和产生能量的方式存在广泛的紊乱。这项工作表明，未来的治疗方案可能会侧重于修复肠道微生物群，以恢复这些重要化学物质的流动，从而有望改善自闭症儿童的睡眠及整体福祉。
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