通过基于头发的生物标志物，研究注意力缺陷多动障碍（ADHD）症状与下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA轴）和褪黑素系统内部及相互之间的相互作用之间的关系

《Psychoneuroendocrinology》：Association of ADHD symptoms with the interactions within and between the HPA axis and melatonin system characterized by hair-based biomarkers

　　三军一|徐旭良|徐贵荣|丁婷|辛忠|魏高|邓慧华
东南大学生物科学与医学工程学院脑与学习科学系，南京211189，中国

**摘要**
**背景**
注意力缺陷多动障碍（ADHD）的特征是神经内分泌系统功能异常，尤其是下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴和褪黑素-N-乙酰血清素（MEL-NAS）系统及其相互作用存在昼夜节律问题。然而，ADHD的具体神经内分泌机制仍不清楚。这可能部分归因于该疾病的临床异质性以及传统急性生物标志物（来自生物流体）的固有波动性，这些标志物无法反映长期的生理稳态。

**方法**
本研究采用横断面设计，招募了106名根据DSM-IV标准被诊断为ADHD的中国儿童（年龄：6-12岁）。利用头发中的皮质醇（F）、皮质酮（E）、褪黑素（MEL）和N-乙酰血清素（NAS）及其比值作为这两个系统及其相互作用的生物标志物。ADHD症状通过SNAP-IV量表进行评估，该量表包括注意力不集中、多动/冲动和反抗性症状，由儿童家长填写。收集距离头皮最近的1厘米头发用于四种激素的液相色谱-串联质谱分析。

**结果**
反抗性症状与MEL/NAS比值呈显著正相关（p < 0.05）。控制人口统计变量和反抗性症状后，多动/冲动与F/NAS和E/NAS比值呈显著正相关（p < 0.05），但注意力不集中未见此类关联。

**结论**
ADHD核心症状的临床异质性源于不同的神经内分泌网络失衡。在多动/冲动背后，应激相关信号传导的功能优势超过了NAS介导的神经保护作用。此外，反抗性症状与昼夜代谢稳态的紊乱有关。

**引言**
注意力缺陷多动障碍（ADHD）是一种常见的神经发育障碍，全球约有5-7%的儿童受到影响（Polanczyk等人，2007年），男孩的发病率更高（Palma等人，2015年）。尽管历史上认为这是一种仅限于儿童期的疾病，但在大约65%的病例中，这些障碍会持续到成年（诊断与统计）。神经影像学研究已证实前额叶皮层（PFC）、基底节、前扣带回皮层和小脑存在结构和功能改变（Fernández-Jaén等人，2014年；Makris等人，2007年；Yang等人，2018年；Silk等人，2009年；Cao等人，2009年；Cherkasova和Hechtman，2009年），但这些解剖学发现并不能完全解释ADHD的复杂病因。因此，最近的研究越来越多地关注该疾病的神经内分泌基础，认为ADHD的临床异质性可能源于生理稳态和应激调节的基本缺陷。

下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴作为应激反应的中心中介，一直是研究的主要焦点（Pinto等人，2016年；Randazzo等人，2008年；Llorens等人，2022年；Taylor等人，2020年）。然而，ADHD中HPA功能障碍的具体性质仍存在争议。荟萃分析和病例对照研究大多报告ADHD儿童表现出HPA功能低下，如早晨皮质醇水平较低（Chang等人，2021年；Isaksson等人，2012年），以及皮质醇觉醒反应减弱（Fortier等人，2013年；Freitag等人，2009年）。相反，其他研究观察到伴有焦虑症的ADHD病例中HPA功能亢进（Corominas-Roso等人，2015年）。这些不一致性表明，ADHD中的HPA改变可能并不统一，而是可能受到特定临床表型的影响。此外，其他共病情况（如对立违抗性障碍（ODD）和内化症状）可能会使ADHD的生物学特征更加复杂，因为这些情况可能导致昼夜皮质醇变化和应激反应性的差异（Imeraj等人，2012年；Petropoulos等人，2024年）。这强调了在研究ADHD的神经内分泌基础时考虑共病症状维度的重要性。值得注意的是，学龄前时期（4-5岁）的头发皮质醇浓度已被确定为8岁时ADHD发展的显著预测因素（Pauli-Pott等人，2019年）。此外，6岁时的唾液皮质醇水平降低可以预测9岁时外化行为的增加（Salis等人，2016年）。然而，阐明HPA活动与ADHD症状之间关联的研究仍然相对较少。

与应激失调并行的是，褪黑素-N-乙酰血清素（MEL-NAS）系统在ADHD病理生理学中可能起着关键但未被充分认识的作用。众所周知，高达82%的ADHD儿童存在睡眠问题（Luu和Fabiano，2025年），特别是慢性入睡困难（CSOI）（Bendz和Scates，2010年；Hoebert等人，2009年）。ADHD中的慢性睡眠障碍可能导致MEL-NAS系统的普遍生物钟紊乱，因为褪黑素调节昼夜节律。MEL-NAS失调越来越多地被认为是与昼夜节律紊乱相关的ADHD核心表型。然而，MEL-NAS系统的慢性紊乱与ADHD核心症状之间的关联尚不明确。

**关键点**
HPA轴和MEL-NAS系统并非孤立运作，它们通过双向相互作用紧密相连。生物学上，糖皮质激素可以抑制松果体中的褪黑素合成（Kellner等人，2008年），而褪黑素则可以减弱HPA活性并促进恢复过程（Bierwolf等人，1997年）。它们之间的生理相互作用表明，ADHD的核心症状可能不仅仅源于单一系统的缺陷，还源于应激反应性（即HPA活性）与神经保护/昼夜节律能力（即MEL-NAS活性）之间动态平衡的破坏。现有文献主要分别研究这两个系统，忽略了它们之间的功能相互作用。

激素比值可能是生理动态平衡的关键指标，比单独的绝对浓度更能反映稳态的相互作用。最近的网络分析证实，激素之间的比值可能是系统内代谢活动和系统间相互作用的稳定标志物，例如皮质醇与皮质酮的比值（F/E）、褪黑素与N-乙酰血清素的比值（MEL/NAS）、皮质醇和皮质酮与褪黑素的比值（F/MEL和E/MEL）、皮质醇和皮质酮与N-乙酰血清素的比值（F/NAS和E/NAS）（Hou等人，2025年）。具体而言，系统内比值可以反映同一途径内的代谢平衡和转化效率。例如，F/E比值已被证明在老年人中可用于评估慢性感知压力（Shimanoe等人，2021年）、库欣综合征的诊断（Ceccato等人，2017年）以及妊娠并发症和2型糖尿病风险的预测（Jayasuriya等人，2019年；Liu等人，2019年）。因此，F/E比值可能反映了HPA轴内皮质醇和皮质酮的转化效率或代谢平衡。同样，MEL/NAS比值可能反映了MEL-NAS系统内的代谢平衡，而在不同细胞类型和组织中研究MEL/NAS比值也将具有价值。新兴证据表明，MEL/NAS比值在双相情感障碍中可能尤为重要（Anderson等人，2016年）。鉴于褪黑素对多种细胞类型和组织的广泛影响，确定其比值可能具有重要意义，因为不同的MEL/NAS比值可能产生不同的生理效应（álvarez-Diduk等人，2015年）。F/MEL和E/MEL比值可能代表HPA轴与褪黑素系统（或应激系统与睡眠调节）之间的功能相互作用，可能反映个体平衡应激反应和恢复过程的能力。前额叶皮层（PFC）的完整性在支持高级认知功能中起着关键作用，其缺乏是ADHD的核心症状。此外，PFC对压力暴露（Arnsten，2009年）和睡眠剥夺（Killgore，2010年）极为敏感。因此，F/MEL比值升高反映了长期压力未得到充分昼夜节律调节的生理状态，我们假设这种特定失衡可能耗尽认知资源，从而导致注意力不集中。虽然F/MEL比值已被确定为衰老期间认知表现的关联因素，并被提议作为多种临床情境下的潜在生物标志物（Sroykham和Wongsawat，2018年；Mazzoccoli等人，2005年；Buckley和Schatzberg，2010年；Galbo和Kall，2016年），但E/MEL比值尚未得到充分研究。如上所述，皮质醇、皮质酮和褪黑素之间的生理相互作用表明，E/MEL比值可能为ADHD症状的神经内分泌基础提供额外的细微见解。F/NAS和E/NAS比值可能反映应激反应与神经保护之间的平衡，尽管这一点尚未得到充分研究。由于N-乙酰血清素是一种强大的神经保护剂，可以调节大脑可塑性和防止神经元过度兴奋（Tosini等人，2012年），F/NAS比值升高可能表明应激信号传导相对于神经保护能力占主导地位，这对应于对压力诱导的兴奋的抑制控制丧失。N-乙酰血清素的缓冲效应不足可能导致神经元兴奋性增加和皮层抑制功能受损。行为上，系统性的过度兴奋和抑制控制失败可能是冲动和运动多动性的核心神经生物学基础。虽然激素比值作为神经内分泌标志物具有潜力，但其应用受到方法学问题的限制，包括统计解释（Sollberger和Ehlert，2016年）和测量稳健性（Del Giudice和Gangestad，2022年）。更重要的是，尽管这些比值提供了关于应激生理和神经内分泌相互作用的宝贵见解，但它们与ADHD的具体相关性仍需进一步研究。

**结论**
本研究旨在探讨关键系统内和系统间比值与ADHD症状之间的关联。皮质醇作为HPA轴的主要产物，直接反映HPA活性和压力负荷（Russell等人，2012年；Hellhammer等人，2009年）。这种激素通过与大脑各区域（如海马体、杏仁核、PFC和其他边缘结构）表达的类固醇受体的相互作用来调节应激反应和相关的神经内分泌回路（Russell等人，2012年；Cortese和Coghill，2018年；Nikolas和Burt，2010年）。同样，皮质酮也是HPA活性的生物标志物（Hellhammer等人，2009年），因为它主要由11β-羟基类固醇脱氢酶催化的皮质醇转化而来（Randazzo等人，2008年）。褪黑素主要在松果体中合成（Pandi-Perumal等人，2008年），因此被视为昼夜节律的标志物（Touitou等人，2017年）。然而，由于其快速代谢和通常较低的循环水平，其可靠性有限（Zhao等人，2016年；Tan等人，2015年）。N-乙酰血清素是褪黑素的前体（Amaral和Cipolla-Neto，2018年），具有强大的抗氧化和神经保护作用，可以调节大脑可塑性（Tosini等人，2012年；Anderson和Rodriguez，2015年；Kang等人，2023年）。尽管N-乙酰血清素的昼夜节律与褪黑素相同（Tosini等人，2012年），但其生物丰度更高（Amaral和Cipolla-Neto，2018年）。因此，N-乙酰血清素的缺乏或化学计量失衡可能削弱其神经保护作用，可能导致MEL-NAS系统的过度兴奋（Tosini等人，2012年；Zhou等人，2014年）。总之，褪黑素和N-乙酰血清素都可以作为评估褪黑素系统活性的生物标志物。

传统上，生物标志物的测定基于体液生物基质（如脑脊液、血液（血浆或血清）、唾液和尿液）中的激素水平。然而，这些传统标志物仅能反映几分钟到几天的身体状态。相比之下，头发中的激素因其持久性、稳定性和可追溯性而被证明是可靠的长期生物标志物（Russell等人，2012年）。先前的研究表明，唾液生物标志物是血液生物标志物的良好替代品，因为皮质醇和皮质酮在两者之间有很强的相关性（Meulenberg和Hofman，1990年）。此外，还发现头发和血浆或唾液中的皮质醇和皮质酮生物标志物之间存在中等程度的相关性（Chen等人，2019年），表明头发生物标志物可以在一定程度上反映血液中的游离激素。此外，褪黑素和N-乙酰血清素已被证明与多种疾病或生理状态有关（Zhu等人，2022年），尽管目前尚无研究证明头发和血液或唾液生物标志物之间的相关性。因此，本研究选择了头发中的这四种激素作为具有实际生理意义的内源性生物标志物。此外，由于头发中的激素浓度容易受到人口统计因素（如年龄、性别和BMI）（Stalder等人，2017年；Wheeler等人，1998年；Chan等人，2014年；Biener等人，2024年）以及与头发相关的变量（如洗头频率）（Stalder等人，2017年；Preinbergs等人，2023年；Hoffman等人，2014年）的影响，这些混杂因素必须严格控制。虽然这些比率提供了关于神经内分泌相互作用的有价值见解，但它们与ADHD及其核心症状维度的具体相关性仍有待探索。因此，本研究旨在利用头发来源的生物标志物来确定ADHD核心症状（即注意力不集中和多动/冲动）与HPA轴和MEL-NAS系统内部及之间的功能相互作用之间的关联。我们假设不同的神经内分泌失衡驱动了ADHD的具体维度：（1）多动和冲动主要是由压力动员与神经保护能力之间的失衡引起的，这反映在F/NAS和E/NAS比率的升高上；（2）注意力不集中是由慢性压力负荷与恢复性睡眠过程之间的动态平衡失调引起的，表现为F/MEL比率的升高。

**研究设计与参与者**
本研究采用了横断面设计，并利用头发中的皮质醇（F）、皮质酮（E）、褪黑素和N-乙酰血清素的水平作为HPA轴和MEL-NAS系统活动的生物标志物，同时利用F/E、MEL/NAS、F/MEL、F/NAS、E/MEL和E/NAS比率作为这两个系统内部及之间相互作用的生物标志物。收集了参与者的 demographic 数据和与头发相关的信息（如洗头频率）作为协变量。

**描述性结果**
表1显示了ADHD儿童的SNAP-IV总分及其各个维度，以及四种激素的浓度和头发中的激素比率。女孩在皮质醇、皮质酮、F/MEL和F/NAS比率、E/MEL和E/NAS比率方面显著高于男孩（p<0.05），但在其他结果变量方面两组之间没有差异（p>0.114）（详细信息见补充材料中的表S6）。

**基于头发的生物标志物与SNAP-IV维度的部分相关性**
如表2所示，N-乙酰血清素显示出与SNAP-IV维度的显著相关性。

**讨论**
本研究利用头发来源的生物标志物系统地检查了中国ADHD儿童ADHD核心症状与HPA轴和MEL-NAS系统的功能活动及其相互作用之间的关联。研究发现，对立维度与MEL/NAS比率有显著关联。相比之下，多动/冲动与F/NAS和E/NAS比率相关，并与N-乙酰血清素的神经保护能力存在边际关联。

**结论**
多动/冲动与HPA轴和MEL-NAS系统之间的失衡呈正相关，这种失衡通过F/NAS和E/NAS比率表现出来，这表明压力信号在影响多动/冲动方面可能起主导作用，超过了N-乙酰血清素的神经保护作用。对立维度与MEL-NAS系统内部的失衡呈正相关，这种失衡通过MEL/NAS比率表现出来，这表明昼夜节律的紊乱可能与此有关。

**作者贡献声明**
邓慧华：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。侯旭亮：调查、资金获取、数据管理、概念构思。易三军：撰写初稿、验证、资源准备、方法学设计、资金获取、数据管理、概念构思。翟婷：方法学设计、资金获取。徐贵荣：方法学设计、资金获取。钟欣：方法学设计、资金获取。

**伦理信息**
所有参与者及其父母在参与研究前均提供了书面知情同意书。本研究遵循了《赫尔辛基宣言》，并获得了东南大学伦理委员会的批准（2024ZDKYLL343-P01）。

**资金**
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
无。