自閉症スペクトラム障害（ASD）は、行動、コミュニケーション、社会的能力に主に影響を及ぼす、幅広い影響を伴う神経発達障害です。かつてASDは稀な疾患と考えられており、1970年代の有病率は1万人あたり3〜4人と記録されていました。現在では、世界人口の約1%が自閉症であると推定されています。これは、わずか数十年の間に20〜30倍に増加したことを意味します。
現在、この増加の要因を解明するための研究が進められており、診断基準の変更、認知度やスクリーニングの向上、さらには環境要因などが挙げられています。診断を支援する重要な分野の一つが、ASDに関連するバイオマーカーの発見です。バイオマーカーは、生物学的な差異を特定・測定するための客観的な手段を提供し、診断目的だけでなく、治療の可能性を予測するためにも役立ちます。
ASDの診断手法は時代とともに進化してきましたが、DSM-5で使用される基準は依然として行動に基づくものが中心であり、主観的な判断に頼る側面が少なくありません。また、症状や重症度の多様性から、効果的な治療法の特定も課題となっています（図2）。
研究者らは、さまざまなバイオマーカーががんの早期発見や、アルツハイマー病やパーキンソン病といった神経変性疾患の特定において重要な役割を果たしていることに注目してきました。現在では、自閉症関連のバイオマーカーを活用することで、自閉症リスクの高い患者のスクリーニング、より効果的な介入に向けた早期診断、そして患者をサブグループに分類して薬物反応を予測することが可能になりつつあります。これらの進歩は、臨床医に重要な知見をもたらし、患者により良いケアを提供することにつながります。
私たちは、科学情報の最大規模の人間によるキュレーションリポジトリであるCAS Content Collection™を調査し、過去10年間でASDバイオマーカーに関する論文が著しく増加していることを確認しました（図3参照）。
自閉症の特定にはどのような種類のバイオマーカーが使用できるのでしょうか？
ASDバイオマーカーは、非分子バイオマーカーと分子バイオマーカーに分類できます。図4に示すように、文献では分子バイオマーカーが圧倒的に多く（全文書の92%）、非分子バイオマーカーはごくわずか（8%）です。非分子バイオマーカーは主観的であると見なされるのに対し、分子バイオマーカーはより客観的で測定可能です。
図3は、特定された自閉症関連バイオマーカーに関する文献の出版傾向を示しています。また、将来的にさらなる包括的な研究によってASDバイオマーカーとして確定される可能性のある、多くの候補バイオマーカーに関する文献も確認されました。
自閉症の分子バイオマーカー
自閉症スペクトラム障害（ASD）の分子バイオマーカーについては、多岐にわたる研究が進められています。CAS Content Collectionに基づき、文献での重要度に応じた分類を検証します。
- 遺伝的バイオマーカー：ASDは遺伝率が高いと考えられており、その結果、多くの潜在的な遺伝的バイオマーカーの研究が進んでいます。研究により、ASD症例の50%以上に遺伝的要因が関与していることが明らかになっており、現在までに400以上の遺伝子がASDの表現型に関連していると報告されています。CAS Content Collectionにおいて、ASDに関する文献で頻出する主要な遺伝子を特定しました（図5参照）。
ASDと最も関連が深い遺伝子はFMR-1遺伝子（脆弱X精神遅滞1遺伝子）であり、脆弱X症候群（FXS）との関連が知られています。FXSの男性の約50%、女性の約20%がDSM-5のASD診断基準を満たしています。エキソン5、10、11における一塩基多型（SNP）もASDとの関連が示されています。その他、ASDに関連する主要な遺伝子として、PTCHD1、HOX、CHD2、CHD8、FOXP2、SHANK3、OXTR、PTEN、CHD2、NL3などが挙げられます。これらの遺伝子は脳の発達と機能において多様な役割を担っており、ASD患者の行動、コミュニケーション、認知能力に影響を与えています。
自閉症の遺伝的複雑性は、複数の経路が関与している可能性を示唆しています。これは単なる遺伝パターンではなく、異なる遺伝子と環境要因の複雑な相互作用があることを意味します。現在、ASDに関連する遺伝的リスクの大部分は、特定の単一遺伝子変異や他の単一遺伝子症候群ではなく、SNPやコピー数多型に起因する可能性を示す証拠が増えています。遺伝的マーカーは有望な早期診断ツールであり、薬物療法の標的となる遺伝的経路を特定できる可能性があります。さらに、SNPは症状の重症度に基づいてASD患者を層別化するために利用できる可能性があります。
- 免疫学的バイオマーカー：複数のメタ分析研究により、母体胎児脳指向性自己抗体や葉酸受容体α自己抗体などの予測マーカーが特定されています。また、研究者はASD患者においてインターフェロンγ、インターロイキン-1β、インターロイキン-6、腫瘍壊死因子α、ケモカインといった炎症マーカーの上昇を発見しています。しかし、神経炎症がASDの直接的な原因なのか、それとも酸化ストレスなどの他の生物学的プロセスによる二次的な影響なのかは、依然として明らかではありません。
- 代謝バイオマーカー：ASDは代謝の多くの変化と関連していますが、これらの代謝障害と疾患の病態生理との正確な相関関係は完全には解明されていません。しかし、いくつかの代謝マーカーが潜在的な診断指標として浮上しています。
液体クロマトグラフィー/質量分析法を用いた複数の大規模なメタボロミクス研究により、ASD患者ではプリン代謝、ATP関連プリン作動性シグナル伝達、脂肪酸酸化が変化し、乳酸、グリセロール、コレステロール、セラミドといった生理的ストレス分子が増加していることが示されています。エネルギー、神経伝達物質、分岐鎖アミノ酸（BCAA）に関連する代謝経路の変化や、アミノアシルtRNA合成の変化もASDの重症度と関連していることが示されています。ミトコンドリア代謝の機能不全に起因する電子伝達系の異常な活性やエネルギー代謝の障害も、ASDの一因となっています。示されています。
この分野における近年の取り組みは、代謝バイオマーカーのクラスター間の関係や相互接続性を特定し、それらを自閉症のサブグループ化に活用することに焦点を当てています。メタボロミクス研究では、スラミン（CAS RN: 145-63-1）やスルフォラファン（CAS RN: 4478-93-7）といった特定の分子をASD治療の薬理学的介入として利用する研究が進められています。また、メタボロミクス研究はASD患者の治療方針の決定にも役立ちます。例えば、カルニチンやBCAAが低い表現型を持つ小児は、カルニチンやBCAAの補給から恩恵を受ける可能性があるという予備的な証拠があります。
- 酸化ストレスバイオマーカー：複数の研究により、ASDと酸化ストレスに関連する生理学的異常（脂質過酸化生成物の濃度上昇や脳組織におけるグルタチオン予備能の低下など）との相関関係が確立されています。その結果、マロンジアルデヒド（MDA; CAS RN: 542-78-9）、4-ヒドロキシ-2-ノネナール（CAS RN: 75899-68-2）、F2-イソプロスタンといった脂質過酸化の副産物が、ASDの早期診断における潜在的なバイオマーカーとして注目されています。低下した
また、血漿中のMDAレベルの上昇とASDの重症度の間には、正の相関がある可能性があります。ASDのもう一つの重要かつ信頼性の高い新たなバイオマーカーとして、高い感度と再現性を持つGSH/GSSG酸化還元比が挙げられます。これらの潜在的なバイオマーカーは、早期診断や評価、さらには薬物療法や栄養療法による介入の補助として利用できる可能性があります。抗酸化酵素システムの機能を高めることで、ASD患者が経験する酸化ストレスによる損傷を軽減し、症状の重症度を緩和できる可能性があります。
- エピジェネティックバイオマーカー：遺伝的要因に加え、ASDにおけるエピジェネティックな調節因子の役割を理解することも同様に重要です。研究により、DNAメチル化パターンの違いとASD関連遺伝子との関連が示されています。また、ヒストンアセチルーム全域関連解析により、前頭前皮質および側頭皮質におけるASD症例の68%以上で共通のアセチルームシグネチャーが特定されています。細胞外循環マイクロRNAはASDの行動レベルと関連しており、詳細なプロファイリングによってASDの診断マーカーとしての評価が進められています。
- Gut microbiome biomarkers: In the past few years, understanding the role of gut microbiota in ASD pathogenesis has become a prominent area of research. Studies have indicated that there is a dysregulation in the composition of gut microbiota in ASD individuals like an increase in Bacteroidetes phylum or Firmicutes phylum or a decrease in Coprococcus and Bifidobacterium genera. Notably, within the Bacteroides family and Lachnospiraceae, the reduced microbial quantities correlate with neurodevelopmental levels and behavioral symptoms like social impairment in patients with ASD.
The activity of the gut microbiota generates various metabolites which play a crucial role in regulating brain function, such as short-chain fatty acids and propionic acid. Furthermore, research has revealed a close relationship between the gut microbiota composition and neurotransmitters like gamma-aminobutyric acid (GABA; CAS RN: 56-12-2), serotonin (CAS RN: 50-67-9), and dopamine (CAS RN: 51-61-6). The imbalance in gut microbiota composition hence has a vital role in pathogenesis of ASD.
自閉症の非分子バイオマーカー
研究されている非分子バイオマーカーは分子バイオマーカーよりも少ないものの、これらの測定値は包括的な検査を提供し、ASDの診断を支援することができます。
- 神経画像バイオマーカー：ASDの診断に役立つ神経画像バイオマーカーには2種類あります。1つ目は構造画像です。複数の縦断的MRI研究により、6〜12ヶ月時点での皮質表面の過剰な拡大や、ブローカ野およびウェルニッケ野の異常など、ASDと脳の構造的変化との関連が特定されています。このような研究は、早期診断のための将来的な画像バイオマーカーを提供します。
もう1つの神経画像バイオマーカーは機能的画像です。安静時機能的MRI（fMRI）は、特定の課題の有無にかかわらず脳内の機能的結合と活動を捉える上で極めて重要な役割を果たし、ASDの神経メカニズムに関する深い洞察を提供します。構造画像と同様に、機能画像も早期診断に利用できる可能性があります。
- 神経生理学的バイオマーカー：脳波（EEG）は、脳活動を検出し、神経生理学的状態を分析するために最も広く使用されているツールです。EEG測定における特定の周波数やパターン、特徴が、臨床医によるASD診断と相関していることが示されています。これらの研究は、EEG測定から得られる特定のデジタルバイオマーカーが、ASDの早期診断マーカーとして機能する可能性を示唆しています。
- アイトラッキング（視線計測）バイオマーカー：これは、視覚刺激を観察、注視、追跡する際の個人の視線パターンを観察・分析することで、ASDの指標を特定する方法です。複数の研究により、対照群と比較してASD患者では視覚的注意のパターンが異なることが示されています。これらの違いは、ASD患者の社会的障害とも密接に関連しています。
臨床試験が自閉症バイオマーカーの画期的な進歩につながる可能性
2024年11月時点で、ASDバイオマーカーに関する観察研究は59件、介入研究は107件実施されています。介入研究のうち40件が第I相または第II相試験であり、3件が後期段階に達しています：
表1：ASDバイオマーカーの後期臨床試験。出典：ClinicalTrials.gov。
臨床的に認められたバイオマーカーが、近い将来、より広く利用されるようになる可能性があります。しかし、ASDバイオマーカーにおける最大の課題は、ASD個人の多様性に起因する研究間での再現性の確保です。
研究対象となる小児の対照群を特定することも困難です。バイオマーカー研究における理想的な対照群は、ASDコホートと同年齢で、ASDとは無関係の発達遅延がある小児です。通常、こうした研究に含まれる対照群は、兄弟姉妹ではない定型発達の小児であり、必ずしも臨床的に適切な集団とは言えません。
臨床研究におけるこれらの障壁を克服するには時間と労力を要しますが、ASDバイオマーカーに関する有望なデータは、より優れた診断法や治療選択肢が近い将来実現する可能性を示唆しています。原因が完全には解明されていないままASDの診断率が急増している現状において、研究者や臨床医がASDを診断し、患者一人ひとりに適した治療法を見極めるためのより効果的な手法を確立することは極めて重要です。バイオマーカーが持つ定量的な特性は、臨床医にとってそのための重要なツールとなるでしょう。
