Rối loạn phổ tự kỷ (ASD) đề cập đến một loạt các bệnh về phát triển thần kinh được đặc trưng bởi hai triệu chứng đặc trưng, khiếm khuyết về giao tiếp xã hội và hành vi lặp đi lặp lại.
Axit gamma-aminobutyric (GABA) là một trong những chất dẫn truyền thần kinh ức chế quan trọng nhất trong hệ thần kinh trung ương (CNS). Sự dẫn truyền thần kinh ức chế GABAergic rất quan trọng đối với việc điều hòa nhịp điệu não và các hoạt động tự phát của tế bào thần kinh trong quá trình phát triển thần kinh.
Bằng chứng di truyền đã xác định một số biến thể của gen liên quan đến hệ thống GABA, chỉ ra tỷ lệ dẫn truyền thần kinh kích thích/ức chế (E/I) bất thường liên quan đến quá trình sinh bệnh của ASD. Tuy nhiên, cơ chế phân tử cụ thể mà GABA và sự dẫn truyền synap GABAergic ảnh hưởng đến ASD vẫn chưa rõ ràng. Công nghệ chuyển gen cho phép dịch các biến thể di truyền vào mô hình động vật gặm nhấm để nghiên cứu sâu hơn về tình trạng rối loạn chức năng và cấu trúc synap liên quan đến ASD. Trong bài đánh giá này, chúng tôi đã tóm tắt bằng chứng từ các nghiên cứu về hình ảnh thần kinh, tử thi và di truyền và dược lý ở người, đồng thời nhấn mạnh vào tình trạng rối loạn chức năng synap GABAergic và mất cân bằng E/I do đó. Chúng tôi cố gắng làm sáng tỏ vai trò bệnh lý sinh lý của rối loạn chức năng và cấu trúc synap trong ASD và cung cấp thông tin chi tiết cho các cuộc điều tra trong tương lai.
Rối loạn phổ tự kỷ (ASD) đề cập đến một loạt các bệnh về phát triển thần kinh được đặc trưng bởi hai triệu chứng đặc trưng là khiếm khuyết về giao tiếp xã hội và hành vi lặp đi lặp lại ( Happe, 1999 ). Các quan sát lâm sàng cho thấy những bệnh nhân mắc ASD thường mắc kèm khuyết tật trí tuệ (ID), rối loạn tâm trạng, động kinh và rối loạn đường ruột ( Happé và Frith, 1996 ; Rudolph và Möhler, 2014 ; Richard và cộng sự, 2017 ). Tỷ lệ mắc chứng tự kỷ tăng dần theo thời gian và với tần suất cao hơn đáng kể ở trẻ sơ sinh nam so với trẻ sơ sinh nữ ( Fatemi và cộng sự, 2013 ). Một số cuộc điều tra đã chứng minh rằng các yếu tố di truyền, biểu sinh, môi trường quanh sinh và sự tương tác phức tạp của chúng có liên quan đến các cơ chế thần kinh sinh lý của ASD ( Belmonte và cộng sự, 2004 ; Hallmayer và cộng sự, 2011 ; Cattane và cộng sự, 2020 ). Tuy nhiên, tính không đồng nhất cao về mặt lâm sàng đặt ra thách thức cho cả chẩn đoán và điều trị lâm sàng cũng như các nghiên cứu sâu hơn về cơ chế sinh bệnh học tế bào và phân tử của ASD.
Sự dẫn truyền thần kinh qua synap, bao gồm cả sự dẫn truyền thần kinh kích thích và ức chế, là cơ sở thần kinh sinh lý của nhiều chức năng khác nhau của não. Sự dẫn truyền thần kinh bất thường, đặc biệt là sự mất cân bằng giữa sự kích thích và ức chế trong hệ thần kinh trung ương (CNS), có thể liên quan đến quá trình sinh bệnh ASD. Dựa trên Nghiên cứu liên kết toàn bộ hệ gen (GWAS) và bằng chứng di truyền ở người, một số gen synap mã hóa quá trình tổng hợp, giải phóng và liên kết các protein thụ thể của chất dẫn truyền thần kinh đã được báo cáo là góp phần vào quá trình sinh bệnh ASD ( Kumar và Christian, 2009 ). Axit gamma-aminobutyric (GABA) là một chất dẫn truyền thần kinh ức chế quan trọng trong CNS. Sự dẫn truyền thần kinh ức chế GABAergic rất quan trọng đối với việc điều hòa nhịp điệu não và các hoạt động tự phát của tế bào thần kinh trong quá trình phát triển não. Sự mất cân bằng giữa sự kích thích và ức chế GABAergic do đó có thể góp phần gây ra rối loạn chức năng của hệ thống GABAergic CNS. Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy rối loạn chức năng dẫn truyền thần kinh ức chế có liên quan đến các cơ chế thần kinh sinh lý của các rối loạn thần kinh tâm thần, bao gồm bệnh tâm thần phân liệt, trầm cảm và lo âu ( Amin và cộng sự, 2006 ; Möhler, 2012 ; Duman và cộng sự, 2019 ). Đặc biệt, người ta đã nghiên cứu rộng rãi rằng sự kích thích bất thường của tế bào thần kinh ở các vùng não cụ thể do thiếu ức chế GABAergic là cơ chế thần kinh sinh lý của bệnh động kinh ( Puts và Edden, 2012 ; Kaila và cộng sự, 2014 ). Rối loạn chức năng GABAergic có thể cung cấp một lời giải thích hợp lý tiềm tàng cho tình trạng mắc bệnh động kinh cao hoặc tăng khả năng mắc bệnh động kinh được quan sát thấy ở những bệnh nhân mắc chứng tự kỷ ( Richard và cộng sự, 2017 ).
Trong bài đánh giá này, chúng tôi đã tóm tắt bằng chứng từ các nghiên cứu di truyền, chụp ảnh thần kinh ở người, tử thi, và di truyền và dược lý tập trung vào rối loạn chức năng GABAergic và điều tra sự mất cân bằng kích thích/ức chế (E/I) tiếp theo trong ASD. Chúng tôi nhấn mạnh vào những thay đổi hội tụ và thần kinh sinh lý về cách GABA tham gia vào ASD từ các dòng bằng chứng khác nhau. Chúng tôi hướng đến việc làm sáng tỏ tiềm năng của GABA và các chất điều biến thụ thể GABA (GABA R) như là các mục tiêu điều trị tiềm năng cho ASD.
Bằng chứng từ các nghiên cứu hình ảnh thần kinh trong cơ thể sống
Bằng chứng trên người từ phổ cộng hưởng từ proton (1H-MRS), chụp ảnh thần kinh, xét nghiệm miễn dịch liên kết với enzyme (ELISA) và các nghiên cứu não sau khi chết đã báo cáo về mức độ thay đổi của các chất chuyển hóa GABA và tỷ lệ GABA so với các chất chuyển hóa, chẳng hạn như glutamate và creatine ( Rolf và cộng sự, 1993 ; Dhossche và cộng sự, 2002 ; Thatcher và cộng sự, 2009 ; Al-Otaish và cộng sự, 2018 ). Một nghiên cứu cho thấy việc thiết lập lại pha điện não đồ (EGG) của 54 bệnh nhân mắc ASD cho thấy số lượng và/hoặc sức mạnh của các kết nối đồi thị-vỏ não giảm so với những người khỏe mạnh ( Thatcher và cộng sự, 2009 ). Các bằng chứng trước đó cho thấy mức serotonin tăng lên và mức axit amin, cụ thể là axit aspartic, glutamine, axit glutamic và GABA, giảm ở những bệnh nhân mắc chứng tự kỷ so với nhóm đối chứng ( Rolf và cộng sự, 1993 ). Tuy nhiên, có những kết quả trái ngược nhau rằng những bệnh nhân tự kỷ trẻ tuổi biểu hiện mức GABA trong huyết tương cao hơn, giảm dần theo tuổi ( Dhossche và cộng sự, 2002 ). Một số bằng chứng cũng báo cáo mức GABA trong huyết tương cao hơn và mức glutamate/GABA thấp hơn ở những đối tượng tự kỷ so với nhóm đối chứng ( El-Ansary và Al-Ayadhi, 2014 ; Al-Otaish và cộng sự, 2018 ). Al Otaish và cộng sự (2018) phát hiện thấy tỷ lệ glutamate/glutamine cao hơn và mức glutamine trong huyết tương thấp hơn ở những bệnh nhân ASD. Một nghiên cứu khác tập trung vào sự thay đổi mức kháng thể chống tế bào thần kinh bao gồm kháng thể anti-glutamic acid decarboxylase (GAD), kháng thể anti-glutamate receptor và bảy loại mức kháng thể anti-ganglioside bằng ELISA không tìm thấy sự khác biệt đáng kể giữa đối tượng tự kỷ và đối tượng đối chứng ( Bayram và cộng sự, 2016 ).
Gần đây, một lượng lớn bằng chứng sử dụng phổ cộng hưởng từ (MRS) đã phát hiện ra rằng tỷ lệ GABA/glutamate thấp hơn ( Harada và cộng sự, 2011 ; Kubas và cộng sự, 2012 ; Drenthen và cộng sự, 2016 ; Ajram và cộng sự, 2017 ), N-acetylaspartate/creatine, GABA/creatine và glutamate/creatine ( Kuba và cộng sự, 2012 ) ở thùy trán, mức GABA/creatine thấp hơn ở vỏ não vành trước ( ACC) của bệnh nhân mắc ASD so với nhóm đối chứng bình thường ( Kuba và cộng sự, 2012 ; Cochran và cộng sự, 2015 ). Động lực cạnh tranh hai mắt thể hiện ở nhóm đối chứng bình thường, phụ thuộc vào sự cân bằng giữa động lực vỏ não ức chế và kích thích, không có ở những người tham gia mắc chứng tự kỷ; những phát hiện này chỉ ra hoạt động GABAergic giảm trong não của trẻ tự kỷ ( Robertson và cộng sự, 2016 ). Các nhà nghiên cứu đã đi đến kết luận rằng trẻ tự kỷ có mức GABA cảm biến vận động thấp hơn thông qua nhiệm vụ xúc giác phát hiện phân biệt biên độ và phân biệt tần số khi có kích thích thích nghi ( Puts và cộng sự, 2017 ). Bệnh nhân ASD biểu hiện nồng độ GABA thấp hơn ở vỏ não cảm biến vận động và nồng độ GABA có tương quan tích cực với chứng quá mẫn cảm xúc giác tự báo cáo ở người lớn mắc ASD ( Sapey-Triomphe và cộng sự, 2019 ). Người ta đã chỉ ra rằng trẻ tự kỷ có nồng độ GABA cao hơn ở vỏ não thị giác hai bên (VIS), điều này được phát hiện có liên quan đến khả năng tìm kiếm hiệu quả hơn và suy giảm xã hội ( Edmondson và cộng sự, 2020 ). Điều thú vị là những kết quả này cho thấy rối loạn chức năng hệ thống GABAergic ở bệnh nhân ASD, đặc biệt là ở trẻ em, có liên quan đến chức năng nhận thức cao hơn, bao gồm chức năng cảm giác cơ thể, hành vi tìm kiếm và xã hội. Một cuộc điều tra gần đây phát hiện ra rằng có một mối tương quan tiêu cực giữa GABA đồi thị và thương số phổ tự kỷ (AQ) ở những người tham gia nam mắc chứng tự kỷ, trong khi mức độ GABA đồi thị có mối tương quan tích cực với AQ ở những người tham gia nữ ( Fung và cộng sự, 2021 ). Những kết quả này chỉ ra rằng mức độ GABA có thể tương quan với mức độ nghiêm trọng của các triệu chứng tự kỷ theo cách cụ thể theo giới tính. Xem xét tính không đồng nhất cao về mặt lâm sàng của chứng tự kỷ, hệ thống GABA bị thay đổi có thể rõ rệt hơn đối với một phân nhóm cụ thể của ASD lâm sàng. Drenthen và cộng sự phát hiện ra nồng độ Glu/creatine cao hơn và nồng độ GABA/glutamate thấp hơn ở những người tham gia mắc chứng tự kỷ chức năng cao (HFA), điều này phù hợp với các kết quả nghiên cứu trước đây ( Drenthen và cộng sự, 2016 ). Bằng chứng cho thấy trẻ em và thanh thiếu niên mắc HFA có tổng lượng N-acetylaspartate (tNAA) và tổng lượng creatine giảm, tăng glutamate + glutamine (Glx)/tNAA, nhưng Glx không đổi và mức GABA tương đương giữa nhóm khỏe mạnh và nhóm tự kỷ ( Carvalho Pereira và cộng sự, 2018 ). Điều thú vị là họ cũng quan sát thấy rằng mức GABA tuyệt đối và tương đối nhỏ hơn có liên quan đến kỹ năng giao tiếp kém của bệnh nhân tự kỷ ( Carvalho Pereira và cộng sự, 2018 ). Những kết quả này chỉ ra mối quan hệ quan trọng của hệ thống GABA bị thay đổi với chứng tự kỷ lâm sàng, nhưng mức độ chất chuyển hóa GABA và tỷ lệ GABA với chất chuyển hóa không đủ để trở thành mục tiêu lâm sàng cho chẩn đoán do độ chính xác và độ tin cậy kém.
Kết quả từ các nghiên cứu sau khi chết đã chỉ ra rằng tín hiệu GABAergic bị thay đổi có liên quan đến các cơ chế thần kinh sinh lý của chứng tự kỷ. Nhóm tự kỷ có biểu hiện mRNA GAD 67 tăng lên ở các tế bào thần kinh trung gian tiểu não và giảm mRNA glutamic acid decarboxylase 65 (GAD 65) trong các tế bào được đánh dấu lớn hơn ở nhân răng cưa tiểu não ( Yip và cộng sự, 2008 , 2009 ). Điều này cho thấy rằng sự rối loạn của mạch tiểu não nội tại trong não tự kỷ có thể ảnh hưởng đến nhận thức và hành vi liên quan đến chứng tự kỷ bằng cách ảnh hưởng đến đầu ra của tế bào Purkinje (PC) đến các vùng não quan trọng khác. Những cá nhân mắc chứng tự kỷ cho thấy sự gia tăng có chọn lọc về mật độ các tế bào thần kinh trung gian calbindin (CB)+, calretinin (CR)+ và parvalbumin (PV)+ ở hồi hải mã so với những người đối chứng bình thường ( Lawrence và cộng sự, 2010 ). Một nghiên cứu gần đây sử dụng phương pháp nhuộm miễn dịch mô hóa học đã phát hiện ra rằng nồng độ protein của tiểu đơn vị α2 của thụ thể GABA-A ở đoạn đầu sợi trục của tế bào hình chóp ở các lớp siêu hạt của vùng vỏ não trước trán của những người tham gia mắc chứng tự kỷ giảm đáng kể ( Hong và cộng sự, 2020 ). Fatemi và cộng sự đã báo cáo sự điều hòa giảm các tiểu đơn vị khác nhau của thụ thể GABA-A và GABA-B ở cả nồng độ mRNA và protein ( Fatemi và cộng sự, 2009a ; Fatemi và cộng sự, 2009b ; Fatemi và cộng sự, 2010 ; Blatt và Fatemi, 2011 ; Fatemi và Folsom, 2011 ). Họ báo cáo rằng GABBR1 , GABBR2 , GABRA1 và GABRB3 giảm đáng kể ở tiểu não ( Fatemi và cộng sự, 2009a ; Fatemi và cộng sự, 2009b ), GABRA1 , GABRA2 , GABRA3 và GABRB3 giảm đáng kể ở vỏ não đỉnh, và GABRA1 thay đổi đáng kể ở vỏ não trán trên ( Fatemi và cộng sự, 2009a ).
Bằng chứng từ các nghiên cứu sau khi chết trong ống nghiệm
Bằng chứng từ các nghiên cứu chụp ảnh tự động thụ thể định lượng đã được thực hiện để xác định mật độ và sự phân bố của các thụ thể kích thích và ức chế ( Blatt và cộng sự, 2001 ; Guptill và cộng sự, 2007 ; Oblak và cộng sự, 2009 ; Lawrence và cộng sự, 2010 ). Các vị trí liên kết của benzodiazepine, một chất điều biến dị lập thể tích cực trên GABA-A R, đã giảm đáng kể ở hồi hải mã và ACC của não tự kỷ, trong khi các thụ thể khác không thay đổi đáng kể ( Oblak và cộng sự, 2009 ). Bằng chứng tiếp theo cho thấy các vị trí benzodiazepin gắn nhãn [(3)H]flunitrazepam (BDZ) giảm trong hồi hải mã tự kỷ là do số lượng vị trí liên kết hoặc số lượng thụ thể giảm nhưng không phải do ái lực liên kết ( Blatt và cộng sự, 2001 ; Guptill và cộng sự, 2007 ; Lawrence và cộng sự, 2010 ). Bên cạnh hồi hải mã, vùng tiểu não có thể nhận đầu vào rộng rãi từ vỏ não trán qua lớp hạt; người ta thấy có sự giảm đáng kể các vị trí liên kết BDZ trong các lớp trên hạt và các lớp dưới hạt của vùng tiểu não ( Oblak và cộng sự, 2009 ). Những kết quả này chỉ ra rằng sự rối loạn điều hòa đáng kể của hệ thống GABAergic, từ tổng hợp đến thụ thể, trong não tự kỷ, có thể cung cấp các mục tiêu tiềm năng cho liệu pháp điều trị và chẩn đoán bệnh tự kỷ và các bệnh lý thần kinh liên quan.
Bằng chứng từ nghiên cứu di truyền
Rối loạn phổ tự kỷ (ASD) và các rối loạn phát triển thần kinh khác được đặc trưng bởi các hành vi lặp đi lặp lại và các khiếm khuyết về mặt xã hội có tính di truyền cao. Bằng chứng di truyền cho thấy các đột biến gen đơn lẻ rất hiếm gặp ở các gia đình mắc chứng tự kỷ. Mỗi biến thể di truyền phổ biến gây ra một tác động di truyền nhẹ lên nguy cơ mắc ASD, trong khi tác động tích lũy của các biến thể di truyền phổ biến góp phần gây ra ASD tới 15–50% ( Vorstman và cộng sự , 2017). Các biến thể di truyền hiếm gặp, bao gồm các biến thể de novo và biến thể nội tại, góp phần gây ra ASD từ 10–30% ( Vorstman và cộng sự, 2017 ). Một số bằng chứng đã quan sát thấy những bất thường về tế bào học ở vùng nhiễm sắc thể 15q11–q13 ở những cá nhân mắc chứng tự kỷ ( Buxbaum và cộng sự, 2002 ; Hogart và cộng sự, 2007 ; Guo và cộng sự, 2017 ). Vị trí 15q11–q13 chứa các vùng mã hóa của các tiểu đơn vị cụ thể của GABA-AR, bao gồm GABRB3 , GABRA5 và GABRG3 , có liên quan chặt chẽ đến quá trình sinh bệnh của chứng tự kỷ ( Delahanty và cộng sự, 2011 ; Bonnet-Brilhault và cộng sự, 2016 ; Guo và cộng sự, 2017 ). Sự trùng lặp của gen E3 ubiquitin ligase UBE3A và ba gen GABA-AR không được in nằm ở 15q11.2–q13.1 (hội chứng Dup15q) có thể gây ra các khiếm khuyết về hành vi kiểu hình tự kỷ ( Bonnet-Brilhault và cộng sự, 2016 ). Người ta thấy rằng các đa hình một nucleotide (SNP) của các đa hình GABRB3 rs2081648, GABRA5 rs35586628 và GABRG3 rs208129 có liên quan đến các khiếm khuyết về hành vi dựa trên triệu chứng trong khả năng hòa đồng ( Naroozi và cộng sự, 2018 ). Người ta cũng thấy rằng GABRA4 làm tăng nguy cơ mắc chứng tự kỷ thông qua tương tác với GABRB1 , cho thấy sự tương tác gen-gen phức tạp trong các gen tiểu đơn vị thụ thể GABA liên quan đến bệnh học của chứng tự kỷ ( Ma và cộng sự, 2005 ). Do đó, kết quả tổng thể cho thấy rằng các đa hình gen liên quan đến GABA có vẻ đủ để gây ra kiểu hình hành vi tự kỷ; liệu việc giải quyết các khiếm khuyết gen liên quan đến GABA bằng phương pháp tiếp cận di truyền có thể cải thiện hành vi hay không vẫn đáng được thảo luận thêm.
Rối loạn chức năng GABAergic ở mô hình động vật mắc ASD
Mặc dù tích lũy bằng chứng in vivo và in vitro từ các nghiên cứu trên người cho thấy rối loạn chức năng của hệ thống GABA có liên quan đến ASD và bằng chứng di truyền đã xác nhận thêm điều đó, nhưng các cơ chế phân tử và tế bào vẫn còn mơ hồ. Gần đây, công nghệ chuyển gen cho phép dịch các biến thể di truyền vào các mô hình động vật gặm nhấm để nghiên cứu sâu hơn về rối loạn chức năng khớp thần kinh về mặt cấu trúc và chức năng trong ASD. Nghiên cứu các tín hiệu tế bào hội tụ hoặc các biến đổi GABAergic của các mô hình động vật di truyền và dược lý hiện tại góp phần hiểu rõ hơn về các cơ chế của ASD. Các gen ứng cử viên hiện tại gây ra rối loạn chức năng truyền GABAergic bằng cách ảnh hưởng đến phiên mã của thụ thể GABA-A (GABA-AR), giải phóng GABA trước synap, hình thành khớp thần kinh GABAergic và truyền qua cấu trúc synap (Hình 1).
Các gen ứng cử viên hiện tại của ASD liên quan đến quá trình truyền synap GABAergic và các cơ chế liên quan. Các gen ứng cử viên hiện tại gây ra rối loạn chức năng truyền GABAergic bằng cách ảnh hưởng đến quá trình phiên mã của các tiểu đơn vị GABA-A, giải phóng GABA trước synap, hình thành synap GABAergic và quá trình truyền trung gian qua cấu trúc synap. Các gen ứng cử viên liên quan đến GABA và vai trò điều hòa được biểu thị bằng chữ màu đỏ. Các chất điều biến dược lý của GABA-R được báo cáo là có hiệu quả làm giảm được biểu thị bằng chữ màu xanh lam.
Phần 2:
Nguồn: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8858939/