肌萎缩侧索硬化（ALS）是一种渐进性运动神经元病，其特征是脑和脊髓运动神经元变性。大部分研究表明，ALS患者肠道微生物发生显著改变，但尚存争议。转基因ALS小鼠补充肠道微生物代谢产物如丁酸盐，能部分逆转小鼠ALS症状。本文综述了肠道微生态在ALS中的研究进展。
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肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）是以进行性加重的骨骼肌无力、萎缩、肌束颤动、延髓麻痹和锥体束征为主要临床表现的渐进性运动神经元病，其特征是脑和脊髓运动神经元变性[1]。ALS年发病率约为1.7/10万，估计每10万人口约5例，约90%病例是散发性ALS（sporadic ALS，sALS），10%为家族性（familial ALS，fALS）[1,2]。sALS的病因及发病机制尚不明，氧化应激、兴奋性氨基酸毒性、线粒体功能障碍、炎症和凋亡等被认为是导致神经元损伤的致病因素[1]。近年研究表明，肠道微生物可通过多种途径作用于中枢神经系统，影响神经系统的正常发育，并且参与众多神经系统疾病发病过程。肠道菌群紊乱可引起肠和血脑屏障通透性增加，可能是引起系统性或者脑内神经炎症的主要原因，并在ALS疾病中发挥一定作用[3]。本文针对肠道微生物与ALS疾病的研究进展进行综述，为进一步明确肠道微生物在ALS疾病发生、发展作用及其潜在的治疗价值提供依据。
目前研究发现，超过30种基因的单基因突变与仅约10%的ALS疾病相关[13]。通过系统综述和荟萃分析等发现，ALS相关的危险因素还包括：职业（如军人、足球运动员）、头部创伤、重金属暴露、接触有机化学品、吸烟、β-N-甲氨基-L-丙氨酸（BMAA）等[14,15]。
此外，流行病学调查显示，在马里亚纳群岛，尤其是关岛，ALS和ALS/帕金森病-痴呆复合体样病频发[16]。研究发现，当地进食苏铁植物根部寄居的蓝细菌（又名蓝藻）产生的神经毒素BMAA经过食物链毒性传递效应，增加ALS疾病的发病率[17]。此外，新英格兰北部，生活在富含蓝细菌的水源附近会增加患ALS的风险。经过补充L-丝氨酸治疗，患者ALSFRS-R（修订的ALS功能评分量表）显示剂量相关的进展率明显下降，体外研究表明L-丝氨酸可抑制BMAA神经毒性[18,19]。因此，环境微生物蓝细菌的代谢产物BMAA在ALS病理生理学中可能起重要作用。
Toepfer等[13]对无明显胃肠道症状的ALS患者采用胃肠功能无创评估技术显示胃排空及结肠转运时间明显延迟，提示这些患者已经发生胃肠运动功能障碍。Herdewyn等[20]对TDP-43/A315T ALS转基因小鼠研究发现，结肠的推进复合运动频率显著降低；进一步研究发现TDP-43/A315T小鼠肌间神经丛一氧化氮合酶神经元退化从而导致结肠动力障碍。Esmaeili等[21]研究TDP-43/A315T转基因小鼠的死亡原因，发现转基因小鼠早期就出现严重的胃肠道并发症，并在ALS疾病进展中持续出现，最终因胃肠道症状加重导致死亡。然而，ALS疾病相关的胃肠道功能障碍与肠道微生物关联尚不清楚。一些研究表明，肠道微生物群的变化和肠神经免疫系统的改变可能导致胃肠道功能障碍，以及神经疾病的发生、发展[22]。
Nguyen等[23]研究革兰阴性细菌细胞壁组分脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）在ALS模型中的作用。研究发现LPS重复腹腔注射刺激超氧化物歧化酶1（SOD1/G37R）突变的转基因小鼠，在6月龄症状前转基因小鼠中，LPS慢性刺激加剧了疾病进展和运动轴突变性。LPS处理的转基因小鼠脊髓腹侧和大脑传出纤维束的先天免疫Toll样受体2和促炎细胞因子受体具有有限的上调作用，这与疾病的严重程度密切相关。另有研究表明[24]，排除了活动性感染的sALS患者的血浆中LPS浓度明显升高，与血液的单核细胞/巨噬细胞活化程度显著相关。并且血浆LPS水平在中度损伤的sALS患者中显著升高，表明与sALS疾病的严重程度相关。因此，推测肠相关微生物的易位导致血浆LPS水平升高，进而与先天免疫因素协同影响ALS病理进程。
Wu等[25]研究hSOD1/G93A转基因ALS小鼠模型肠道菌群特征，结果发现小鼠粪便菌群中大量产丁酸的微生物（如溶纤维丁酸弧菌）显著减少，厚壁菌、消化链球菌、大肠杆菌也明显减少。并且，这些肠道微生物的改变在转基因小鼠（2月龄）出现ALS症状前就已经发生。通过16S rRNA测序分析发现，转基因小鼠的细菌相对丰度、群落结构与野生型小鼠明显不同。转基因小鼠的肠道紧密连接结构受损，肠道通透性增加，紧密连接蛋白ZO-1和黏附蛋白E-cadherin表达减少，肠道及血清IL-17的表达增加。
Zhang等[26]采用SOD1/G93A转基因ALS小鼠在2月龄接受2%丁酸饮用水持续2.5月。结果发现转基因小鼠的肠道通透性高，肠道内的潘氏细胞数量和功能降低，大肠埃希菌等丁酸盐生成菌含量减少。采用丁酸治疗后的转基因小鼠肠道屏障功能增强，并恢复到野生型小鼠水平，体质量减轻延迟50 d，死亡时间延迟38 d。丁酸是B.fibrosolvens菌的代谢产物，在SOD1/G93A小鼠中明显下降。B.fibrosolvens菌水平在SOD1/G93A转基因小鼠接受丁酸治疗组较对照组明显升高，并且与野生型小鼠没有差异。这一研究结果表明，肠道微生物产生的短链脂肪酸可以影响ALS疾病进程，而且丁酸有可能成为ALS疾病治疗的潜在药物。
肠道细菌的主要发酵产物丁酸，还在脑胶质细胞的炎症反应及增强血脑屏障完整性中起重要作用[27]。Huuskonen等[28]观察到丁酸钠对原代脑胶质细胞中LPS诱导的反应具有强烈的抗炎性。Braniste等[29]发现无菌成年小鼠血脑屏障通透性的增加与肠道微生态的缺乏有关，用产生丁酸盐的酪丁酸梭菌菌株（CBut）、丁酸盐分别对单克隆无菌小鼠进行处理，小鼠的伊文思蓝灌注表现出血脑屏障通透性降低，达到与无病原体成年小鼠相当的水平。无菌小鼠口服丁酸钠，增加额叶皮质和海马中紧密连接蛋白的表达，增加血脑屏障的完整性。因此，肠道菌群可能通过其代谢产物丁酸，通过肠-脑轴系统，增强血脑屏障的完整性，可能对ALS有治疗作用。
Fang等[30]对6例具有沟通能力，没有其他神经疾病或者既往精神疾病，并且用力肺活量大于70%，无夜间通气不足的ALS患者与5名健康对照组的肠道微生物特征进行研究，发现ALS患者肠道微生物β多样性较健康对照组有明显差异。ALS患者粪便中产丁酸菌的成员，如Oscillibacter，Anaerostipes和Lachnospira菌属明显下降；而有害菌属Dorea属明显增加。ALS患者产丁酸盐的微生物（Anaerostipes和Lachnospiraceae）明显减少可能与ALS疾病发生相关。
Mazzini等[31]招募50例ALS患者和50名健康志愿者，并匹配年龄，性别，血统后，给予特定的乳酸杆菌菌株治疗，并分析两组间的粪便微生物差异。定量PCR法分析结果表明，ALS患者的DNA浓度较低，大肠杆菌和肠杆菌属丰度较高，而梭菌和酵母菌丰度较低。采用变性梯度凝胶电泳分析总真细菌和酵母菌种群，结果发现ALS患者与健康志愿者间的细菌谱存在明显的聚类差异。
然而，目前ALS与肠道微生物的关系仍有争议。Brenner等[32]采用16S rRNA基因测序分析比较了25例ALS患者与32名年龄和性别匹配的健康人的粪便微生物差异。纳入的ALS患者没有吞咽困难，胃造口术，无创通气或低体质指数。结果发现两组间的粪便细菌数量，多样性，相对丰度以及PICRUSt预测的宏基因组没有显著差异。仅在微生物物种（操作分类单位）的总数和uncultured Ruminococcaceae的丰度方面观察到ALS患者和健康对照之间的显著差异。
目前，肠道微生物通过微生物-肠-脑轴可以直接调控中枢神经系统。肠道微生物的紊乱，肠道菌群的代谢产物可能通过多种途径影响或者加重ALS疾病。将来，通过深入肠道微生物与神经系统疾病如ALS疾病的相关性到因果关系的筛查、验证，可能为我们进一步认识神经系统疾病的发病机制并寻找新的治疗手段打下基础。
所有作者均声明不存在利益冲突
