肌萎缩侧索硬化与肠道微生物关系的研究进展

骆 嵩 李 理 马 博 刘东亮 刘晓林 屈洪党

蚌埠医学院第一附属医院，安徽 蚌埠 233004

肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）是一种致命性的神经系统变性疾病，常累及患者的上下运动神经元，从而出现进行性加重的运动神经元损伤及破坏，引发肌肉萎缩无力、吞咽困难、呼吸费力等临床症状，患者最终死于营养障碍、重症感染、呼吸衰竭等。病程中患者意识清楚，疾病发生发展及演变的过程都会给患者带来巨大心理压力。目前ALS 具体和确切的发病机制尚不清楚，国内外学者的相关研究发现ALS可能与神经系统炎症反应［1］、能量代谢紊乱［2］、环境因素［3］、遗传因素［4］等存在关系。近年来发现神经系统变性疾病中的帕金森病［5］、阿尔茨海默病［6］等发病与肠-脑轴调节异常有关，因此针对肠道微生物与ALS 的研究［7］也日益得到国内外学者研究重视，本文就ALS 发病机制与肠道微生物关系的最新研究进展加以综述，以有助于临床诊疗参考。

1 肌萎缩侧索硬化疾病概述

ALS 是运动神经元病中最常见的一种疾病亚型，主要累及上下运动神经元，但目前研究发现其也可能损害感觉系统［8］和高级皮层功能系统［9］。此外，流行病学显示ALS患者具有一定的家族遗传倾向［4］，可以分为家族性ALS（familial ALS，fALS）和散发性ALS（sporadic ALS，sALS），全球范围内更多的患者属于sALS。ALS 由于主要损害运动神经元，因此患者主要表现为肢体运动能力进行性下降直至瘫痪、球部症状以吞咽费力、饮水呛咳等临床症状。当呼吸肌受到累及时，患者可出现呼吸费力甚至呼吸衰竭，因此ALS 患者晚期多死于营养障碍、肺部感染、误吸引发的窒息以及呼吸衰竭等。目前对于ALS的病因及发病机制尚处于探索阶段，已知的是ALS 患者存在能量代谢功能紊乱［2］，如BMI降低［10］，糖［11］、脂肪［12］、蛋白质［13］代谢紊乱等。此外，对fALS患者的基因组学研究分析，目前已知的突变异常的致病基因有上百种，如铜/锌超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD1）［14］、反式激活反应-DNA结合蛋白基因（TAR DNA-binding protein，TARDBP）［15］、肉瘤融合基因（fused in sarcoma，FUS）［16］等，进一步提示这部分ALS患者具有家族遗传倾向性。研究发现高强度负荷的职业运动员ALS［17］发病率也相对较高，还有重金属中毒、农药物长期接触等都不同程度增加ALS 发病率，进一步提示ALS 发病与环境因素关系也较为密切。

由于ALS 疾病进展的不可逆性，患者中位存活期一般是3～5 a［18］，因此很多ALS患者会有不同程度的心理疾病，如焦虑、抑郁、睡眠障碍等。遗憾的是目前已经证实治疗ALS 有效的药物十分有限，全球范围内公认的相对治疗有效的药物主要是两类，一类是通过抑制兴奋性谷氨酸神经毒性作用而发挥保护神经元功能的药物利鲁唑［19］，一类是具有抗氧化及清除氧自由基的药物依达拉奉［20］。尽管如此，这两类药物对于延长ALS 患者存活期限仍旧十分有限［19-20］，而基因治疗、干细胞疗法等目前仍处于试验阶段，距离临床应用仍有较大距离。因此，寻找ALS的发病机制，进而寻找更多治疗靶点药物将对ALS诊疗具有十分重要和深远的临床意义。

2 肠道微生物与神经系统关系

2.1 肠道微生物环境目前研究显示存在于人体肠道区域内的微生物群落数量高达3.9×1013个，这一数字相当于人体细胞数总和［21］，肠道菌群与人体健康有着十分复杂的辨证关系，一般将肠道菌群又人为划分为条件致病性菌群、益生菌群、共生菌群等，这些菌群正常条件下与人类共生共存，更多时候对于维护人体健康发挥重要的作用，合成生命必需的维生素、分解代谢营养成分等，但是这种平衡关系是动态性的，一旦某种因素引起菌群异位或数量增减等，都会引发机体疾病发生，因此目前对于肠道菌群及肠道微环境变化所致疾病的相关研究在国内外均是热点。

在对帕金森病、阿尔茨海默病等神经变性疾病患者的研究中，肠道微生物-肠道-脑轴与这类疾病有着密切的关系［5-6，22-23］。ALS 也属于神经系统变性疾病，因此ALS 患者肠道微生物环境的研究对于揭示ALS发病机制、疾病转归，甚至疾病治疗新思路均有十分重要的现实意义。

2.2 肠道微生物-肠-脑轴与神经系统由于肠道微生态环境变化在许多疾病的发生发展中发挥十分重要的作用，尤其是近年来研究证实肠道系统-中枢神经系统之间也存在双向交流调节系统［23-24］，因此肠-脑轴在神经系统调节过程中的重要作用也逐渐为国内外学者发现，而肠道微生物对于肠道系统功能正常发挥与否占据主导作用，虽然目前尚未完全接受肠-脑轴的调节机制，但目前已知的有内分泌肠道激素调节、迷走神经通路调节、神经介质分泌调节、神经免疫途径调节等多通路构成的肠脑双向调节系统［23-24］。肠-脑轴主要是由肠道系统（包括微生物）与中枢神经系统之间进行物质等信息交流的具有双向调节功能的网络，其中包括肠道系统、植物神经系统、神经内分泌系统、神经免疫系统等组成的网络样通路［25］。目前关于肠-脑轴这一概念也日益为国内外学者所接受，并进一步深入研究其病理生理功能。

3 肠道微生物与ALS疾病关系

3.1 ALS肠道微生物特点虽然肠道系统微生物数量与种类在个体间存在一定差异性，并受到饮食习惯、营养搭配等诸多因素的影响，但现有的研究显示ALS 患者的肠道微生物种类和数量与健康人群相比，仍有自身的特点和区别。对ALS 小鼠模型研究发现，SOD1G93A 小鼠肠道紧密连接存在特异性损伤，由此肠道通透性增加，进一步分析肠道菌群发现是由于产生丁酸盐的丁基弧菌数量减少所致［26］。在对ALS 患者人群研究中，2018 年的一项研究通过比较25 例ALS 患者和32 例健康者的肠道菌群变化情况，发现二者肠道微生物菌群并无显著变化，包括厚壁菌门/拟杆菌门比值并无明显差异性变化［27］。与之相反的另一项研究将50例ALS患者和50名年龄、性别相匹配的健康者进行比较，与健康组相比，ALS患者的肠道微生物丰度发生显著性变化，此外ALS 疾病进展与肠道微生物多样性下降一致，考虑可能与ALS患者病情变化引起的饮食结构变化［28］有关。还有研究显示，ALS 患者中较高的厚壁菌门/拟杆菌门比值往往与ALS 患者死亡风险增加有相关性，且肠道菌群多样性与否也与ALS 患者死亡风险有关［29］。为了进一步显示肠道微生物数量变化对于ALS发病是否有影响，2019 年的一项回顾性分析发现反复应用抗生素与增加ALS 发病风险存在一定关系［30］，进一步间接证实ALS患者肠道微生物环境变化与疾病发生发展具有一定关系。

3.2 肠道微生物与ALS目前国内外学者公认的肠-脑轴系统对ALS 发病有重要作用。肠道微生物通过分解代谢营养物质、分泌信号因子，合成一些生物化合物，从而经过血液、内分泌系统进入到中枢神经系统，发挥其生物活性，以达到调节神经系统的作用。研究显示肠道微生物代谢物，如烟酰胺是维生素B3的酰胺模式，参与体内能量代谢活动，此外发现SOD1G93A小鼠血清和脑脊液中的烟酰胺水平下降，与之相对应的是肠道嗜黏性阿克曼菌数量减少，并且通过肠道移植肠道嗜黏性阿克曼菌，可改善ALS小鼠生存期［31］，进一步证实肠道微生物可通过代谢产物水平变化影响ALS 发病转归。有学者对SOD1G93A小鼠模型的研究发现，在8～9周龄尚未发病时的ALS小鼠，先出现肠道微生物丰度减少，从而使得肠道微生物发酵产生短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs），如乙酸、丙酸、丁酸等，随之肠道紧密型屏障通透性增加，并且短链脂肪酸下降程度与肠道通透性程度增加存在关联，而对ALS 小鼠补充丁酸、丙酸后，其肠壁通透性基本恢复正常［26，31］。此外肠壁通透性增加进一步加剧肠道微生物释放一些信号因子，尤其是炎性因子通过肠壁屏障进入到血液系统，引起炎症反应，进而导致神经免疫系统异常活化。对于中枢神经系统，长期慢性炎症反应会不断加剧神经系统变性疾病发生，如PD、AD、ALS等。神经免疫炎症调节也是ALS 发病的重要机制，较多的研究显示肠道微生物可以通过肠-脑轴调节中枢神经系统免疫炎症反应［26-27，31］。一些肠道微生物代谢产生的分子可能是一些免疫调节因子，如短链脂肪酸、芳基受体（aryl hydrocarbon receptor，AHR）配体、多胺和多糖等，如SCFAs 可以通过抑制组蛋白去乙酰化介导调节T细胞转化，从而引起T细胞浸润和促炎细胞因子上调，引发或加剧中枢神经系统炎性反应［26，31］。官俏兵等［32］在ALS 小鼠模型中发现无菌环境下饲养的ALS 小鼠的肠道为无菌状态，其小胶质细胞活化程度相对较低，且白介素-6等炎症指标均下降，无菌环境下饲养的ALS 小鼠的脊髓运动神经元较之在SPF环境饲养的ALS 小鼠脊髓运动神经元损伤程度下降，进一步提示肠道微生物可通过肠-脑轴调节神经系统免疫炎症反应，从而影响ALS发病及转归。

4 总结与展望

目前越来越多的研究显示肠道微生物通过肠-脑轴，包括神经免疫通路、自主神经通路、神经内分泌系统等影响和调控ALS 疾病转归，因此筛选出可能导致肠道微生物变化的因素以及影响ALS发生发展的微生物种类，并基于此找寻治疗ALS 有益的肠道微生物以及治疗靶点，制定相应治疗方案，对于揭示ALS发病机制和寻找更为有效的治疗靶点提供了新的思路。