【综述】肌萎缩侧索硬化与肠道菌群相关性的研究进展

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文章来源：中华神经科杂志, 2021,54(7) : 729-733

作者：陈璐 樊东升

摘要

肌萎缩侧索硬化（ALS）是一种致死性的神经系统退行性疾病，主要累及上下运动神经元，目前其病因尚不完全清楚，研究认为其发病是基因、衰老与环境相互作用的结果。人体的肠道菌群在物质代谢、食物消化和营养素吸收等方面发挥了重要的作用。肠道菌群的多样性和稳定性在维持老年人群健康方面具有重要作用，多样且健康的肠道菌群可以防止神经系统退行性疾病的发生。肠道菌群的改变可能导致ALS的发生和进展，其机制可能包括破坏肠道屏障、产生毒素、诱发炎性反应、导致代谢紊乱等。基于肠道菌群的治疗方案可能会为ALS的治疗提供新的思路。

肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）是一种致死性神经系统退行性疾病，病情进展迅速，预后不良^［1, 2］。探索ALS发病机制和预后的相关因素对延缓疾病进展、改善患者生存质量、减轻家庭及社会负担均具有至关重要的作用。近年来相关研究结果提示，肠道菌群失调与神经炎症的发生、发展密切相关^［3, 4］，深入研究肠道菌群与ALS发生及发展之间的关系能够为揭示ALS的真正病因及制订疾病治疗方案提供新的方向和思路。因此，我们以“gut microbiome”或“gut microbiota”与“amyotrophic lateral sclerosis”作为关键词在Pubmed数据库中进行英文文献检索，以“肠道菌群”“肌萎缩侧索硬化”在万方、维普及中国知网数据库进行中文文献检索，均不限定文献发表时间，综合相关文献对ALS与肠道菌群之间相关性的研究进展作一综述，供临床参考。

一、ALS概述

ALS是一种致死性的神经系统退行性疾病，主要累及运动系统，损害上下运动神经元^{［5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12］}。ALS主要的临床表现包括进行性肢体无力、肌肉萎缩及锥体束征，言语不清及吞咽困难，呼吸费力等，绝大部分患者因呼吸衰竭或营养不良去世^{［4, 5, 6，12, 13, 14］}。ALS的患病率和发病率各国不一，2016年中国内地ALS的患病率2.91/（10万人·年），发病率为1.65/（10万人·年） ^［15］。ALS的病因尚不完全明确，目前认为其发病是基因、衰老与环境相互作用的结果^{［5，7，9, 10，12, 13，16］}。与ALS发病可能相关的环境因素众多，如重金属暴露，毒物接触（杀虫剂、除草剂等），电磁场暴露，感染，社会发展落后，烟酒嗜好，高强度运动，特殊职业，营养状态差及体重指数低，既往病史如外伤、糖尿病、脑血管疾病、恶性肿瘤、自身免疫疾病史等^{［5，8, 9，12, 13，16, 17］}。该病预后不良，患者中位生存期通常为3~5年，但具有明显临床异质性^{［1，4，9, 10，18］}。中国ALS患者中位生存期约为71个月^［19］。ALS尚无有效治疗方法，且具有高致残性、高病死率的特点，给患者及其家庭和社会带来了沉重的负担。研究ALS的病因、诱因及相关危险因素，对于疾病预防、治疗及改善预后具有重要意义。

二、肠道菌群与人类疾病

人体的肠道菌群由大约3.9×10¹³个非致病性共生微生物所构成，其数量相当于人体内的细胞总数^{［11, 12，17，20, 21］}。肠道菌群与人类宿主间的关系非常复杂，其作为筛选人类面对的最大环境暴露（即食物）的“过滤器”，在物质代谢、食物消化和营养素吸收等方面发挥了重要的作用^{［12，22, 23］}。有关研究已证实肠道菌群及其代谢产物与肠道炎症、结直肠癌、肠易激综合征、心血管疾病、肥胖、糖尿病等疾病的发病存在重要联系^{［4，10, 11，13，22，24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35］}。在神经系统方面，肠道菌群可通过“肠道-菌群-脑”轴影响脑功能：肠道菌群产生的化学物质可影响肠道神经元，进而影响中枢神经系统；肠道菌群代谢吸收后的食物成分可影响脑的发育和功能；肠道菌群可通过调节紧密连接蛋白的表达以维持血脑屏障的完整性；肠道菌群可调节中枢神经系统内的神经传导和免疫细胞活性^{［4，11，13，20, 21, 22，24, 25, 26, 27，30，32，35］}。肠道菌群的多样性和稳定性在维持老年人群的健康方面具有重要作用，多样且健康的肠道菌群可以防止神经系统退行性疾病的发生^［11］。近年来，肠道菌群与帕金森病（Parkinson′s disease）、阿尔茨海默病（Alzheimer′s disease，AD）等疾病之间的相关性得到越来越多的关注^{［4，11, 12, 13，21，27，32，36］}。ALS与AD、帕金森病同属于神经系统退行性疾病，在发病机制、病理等方面存在相似之处，因此，肠道菌群在ALS发生发展中的作用值得深入探讨与研究^［37］。

三、肠道菌群与ALS的关系

肠道菌群与ALS的关系一直是ALS研究中的热点问题。ALS患者普遍存在胃排空延迟、肠道转运时间延长、便秘、肛门括约肌功能障碍等肠道功能异常表现，这些情况均可能与肠道菌群紊乱密切相关。多项研究已通过多种不同形式探讨了ALS患者或模型小鼠肠道菌群的变化，并讨论了这些变化与疾病的关联^{［4，11，13，21，30］}。

目前研究者普遍认为，肠道菌群的改变可能导致ALS的发生和进展。ALS模型小鼠体内存在肠道菌群的改变，而肠道菌群的改变又会影响疾病的发展^{［10，17］}。既往研究发现，携带相同突变的C9orf72 模型小鼠在不同环境中生存具有较为明显的差异，推测环境因素在小鼠的发病和病情进展中发挥重要作用^［38］。遵循这一思路，Burberry等^［38］研究发现，生活在含有较少可能引发炎症细菌环境中的C9orf72突变ALS模型小鼠的病死率较低，且系统性炎症和自身免疫反应均较轻；应用广谱抗生素治疗或移植有益环境中的菌群均能够减轻ALS模型小鼠的菌群负荷，进而延缓疾病。Wu等^［24］、Figueroa-Romero等^［17］均发现，与正常小鼠相比，SOD1^G93A突变的ALS模型小鼠在发病前即出现肠道内菌群结构的改变，且粪便菌群也发生了改变。对SOD1^G93A突变的ALS模型鼠在发病前给予广谱抗生素干扰其肠道菌群后，小鼠的运动系统异常、疾病进展速度、脑萎缩及神经系统退行性改变程度均明显重于对照组^［10］。研究发现，SOD1^G93A突变小鼠结肠内Akkermansiamuciniphila菌和Bacteroides caccae菌数量减少，而对经过抗生素治疗的SOD1^G93A突变小鼠补充Akkermansiamuciniphila菌可减轻ALS症状，提示ALS模型小鼠肠道内此细菌的减少可能是疾病加重的原因之一^{［10，17］}。在人体研究中，Sun等^［39］通过巢式病例对照研究证实，应用抗生素是导致易患人群发生ALS的诱因之一，反复应用风险更高，间接证明由于应用抗生素所引起的肠道菌群改变是导致ALS发病的危险因素之一。Chen等^［40］发现，ALS患者及其配偶血浆中N-氧化三甲胺及其前体物质的浓度均与健康对照均存在显著差异，提示ALS的发病可能是肠道菌群改变与基因易患性相互作用的结果。

虽然多项研究对于ALS模型小鼠的菌群改变所得结论较为一致，但是在对ALS患者粪便进行菌群分析时，不同研究所得结论却存在明显差异。大部分研究发现ALS患者存在着菌群失调的表现，如粪便中厚壁菌与拟杆菌比例失调、益生菌比例降低、有害菌比例升高，血浆和脑脊液中肠道菌群代谢产物浓度改变等^{［10, 11，13, 14，21，33，41, 42］}。然而，2018年Wright等^［12］的研究则提出了不同意见，在25例ALS患者与32名年龄性别匹配对照者的粪便菌群分析中，并未发现病例组与对照组的菌群构成存在差异^［43］。由于上述研究纳入的患者数量均较少，因此结论的代表性受到影响，开展更大规模的病例对照研究将可能获得更具有说服力的结果。

四、肠道菌群失调导致ALS发生与发展的机制

McCombe等^［13］、Pellegrini等^［21］均指出，肠道菌群失调导致ALS发生与发展的机制可能包括破坏肠道屏障、产生毒素、诱发炎性反应、导致代谢紊乱等。

首先，肠道菌群失调可导致肠道通透性改变，造成有害物质进入循环系统，进而影响中枢神经系统。人类肠道是隔绝环境与人类组织的重要屏障，而正常的肠道菌群能够维持肠道的完整性和免疫力，当肠道菌群失调时，来源于肠道细菌细胞壁的脂多糖（lipopolysaccharide）可作用于肠上皮屏障，导致肠道上皮紧密连接的通透性增加^{［13，23，30，44］}。部分研究证实肠道菌群失调所导致的肠道通透性改变是ALS发病最早期的事件^［21］。Wu等^［24］发现在SOD1^G93A突变的ALS模型鼠中，肠道菌群失调可导致肠道上皮细胞紧密连接出现异常，肠道通透性增加，进而可能造成毒素及神经递质穿过肠壁影响肠道神经元^{［13，21，24］}。

其次，肠道菌群失调可诱发人体内的炎性反应，而神经炎症是ALS发病中的重要因素。肠道菌群对于人体免疫系统的调节和维持至关重要，其既可影响肠道的淋巴组织，亦可影响全身免疫系统；肠道菌群及其产物能够激活肠道和循环中的免疫细胞，并通过脑淋巴网络迁移进入中枢神经系统影响脑功能；肠道菌群改变所导致的免疫反应可影响血脑屏障的通透性、神经元的功能及存活；小胶质细胞的成熟和功能依赖于肠道菌群所产生的长链脂肪酸信号^{［4，13，20, 21，30，45, 46］}。目前多项研究结果证实，神经炎症影响ALS的发病和进展的机制包括产生活性氧类物质和前炎性细胞因子、激活免疫系统、造成炎性细胞浸润等，免疫调节通路异常是ALS患者脑和脊髓组织中的特征性改变^{［4，12, 13］}。ALS模型小鼠中存在潘氏细胞数量异常，且其肠道组织和血中的前炎性因子IL-17水平升高^［24］。炎性改变可出现在ALS发病的最早期，甚至可见于未发病的ALS相关致病基因携带者中，提示炎症参与了疾病的发生和发展，而不是神经退行性改变所造成的结果^［4］。Figueroa-Romero等^［17］证实，肠道菌群改变与ALS SOD1^G93A模型鼠脊髓炎症存在相关性，提示肠道菌群失调可能诱发肠道内免疫反应，进而诱发神经炎症，导致ALS的发生与发展。

再次，食物成分经肠道菌群代谢后的产物或肠道菌群自身产物均可能影响ALS的发病和进展。既往研究结果显示ALS发病可能与多种化学物质相关，而其中很多物质来自于肠道菌群的代谢过程^{［5，8, 9，13，16］}。早在2005年就有科学家做出假设，认为肠道中的梭菌属细菌（clostridial species）可能是导致ALS发病的病因，其产生的神经毒素可损害上、下运动神经元，使易患人群发病^［47］。肠道菌群可通过一系列反应将食物中的成分转化为β-N-甲氨基-L-丙氨酸（BMAA），而既往研究已证实BMAA是ALS的相关致病因素之一^{［13，44］}。氨基酸经肠道菌群代谢可生成一系列具有生物活性的分子，如吲哚丙酸、色氨、吲哚等，这些物质可在血浆中富集并生成硫酸吲哚酚，进而在胶质细胞中诱发氧化应激反应和炎症，造成神经损伤。此外，肠道菌群代谢所产生的三甲胺（trimethylamine）、多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons）等均可能与ALS的发病相关^［13］。研究者为SOD1^G93A突变的ALS模型鼠补充Akkermansiamuciniphila菌后，脑脊液和血清中的烟酰胺水平上升，且补充Akkermansiamuciniphila菌后ALS小鼠的行为和运动能力均优于对照组，提示该菌产生的烟酰胺可能延缓疾病进展^［10］。Zhang等^［48］为SOD1^G93A突变的ALS模型鼠补充肠道菌群的代谢产物丁酸盐后，小鼠的肠道完整性得到提高，且生存期延长^{［12，44，48］}。肠道细菌所产生的代谢产物可刺激肠嗜铬细胞分泌多种神经肽和神经递质，这些物质可通过循环系统到达脑部，并直接影响中枢神经系统功能。肠道上皮细胞也会选择性地将肠道细菌产物吸收入血，进而到达中枢神经系统^［21］。上述研究结果均表明，多种肠道菌群代谢或合成的物质参与了ALS的发病或病情进展，提示肠道菌群与ALS之间的密切联系。

五、总结与展望

综上所述，越来越多的研究结果证实，肠道菌群可通过与肠道黏膜屏障、免疫系统和“肠道-菌群-脑”轴之间的相互作用，参与ALS疾病的发生与发展。基于肠道菌群的治疗方案可能为ALS的治疗提供新的思路。

参考文献略