《Gut Microbes》：Microbiome and metabolites impact enteric and central nervous systems in ALS
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肌萎缩侧索硬化症（ALS）已被关联至胃肠道症状和肠道菌群的改变。肠神经系统（ENS）协调肠道功能并处于宿主-微生物界面。管腔变化如何传递至运动神经元所在的中枢神经系统（CNS）的机制尚未完全明确。在这篇叙述性综述中，研究人员首先展示了来自ALS患者队列和临床前
肌萎缩侧索硬化症（ALS）已被关联至胃肠道症状和肠道菌群的改变。肠神经系统（ENS）协调肠道功能并处于宿主-微生物界面。管腔变化如何传递至运动神经元所在的中枢神经系统（CNS）的机制尚未完全明确。在这篇叙述性综述中，研究人员首先展示了来自ALS患者队列和临床前模型的证据，以及感染、菌群失调和相关神经退行性疾病的机制研究，以讨论微生物群及其代谢物在ALS中如何影响ENS和CNS。接着，研究人员提出了一种通过肠道-微生物组-脑轴解释ALS发病机制的可行机制。研究人员进一步总结了研究微生物群对人类ALS影响的临床试验。最后，研究人员讨论了ALS中微生物群-ENS-CNS相互作用研究的未来方向。更好地理解ALS中微生物群、微生物代谢物、神经活性代谢物以及炎症通过ENS/CNS的动态相互作用，将为ALS的预防和治疗提供创新见解。
**Introduction**
ALS是一种进行性运动神经元疾病，以上下运动神经元退化为特征，最终因呼吸肌麻痹而致命。尽管遗传突变在家族性ALS中被发现，但散发性ALS更常见，提示环境或生活方式因素驱动风险。肠道微生物群被认为是此类环境因素之一。ALS患者存在多种胃肠道功能障碍，如胰腺外分泌功能异常、胃排空延迟、结肠传输时间减慢和便秘。菌群失调和胃肠功能异常共同指向肠神经系统（ENS）这一共享界面。ENS是肠道运动和消化功能的主要局部控制器，并处于微生物及其代谢物所在的肠腔环境中。肠道-微生物组-脑轴描述了肠道及其驻留微生物群与大脑之间通过免疫、代谢、内分泌和神经系统的通讯。本综述旨在讨论肠道微生物群及其代谢物如何影响ENS，以及ENS相关变化如何传递至中枢神经系统（CNS），并总结通过肠道-脑-微生物轴影响ALS发病机制的现有证据和临床试验。
**Methods**
本叙述性综述综合了关于肠道微生物群及其代谢物、ENS和CNS在ALS背景下的文献。文献检索主要通过PubMed进行，辅以Google Scholar和参考文献列表。检索词包括“肌萎缩侧索硬化症”、“ALS”、“微生物组”、“微生物群”、“菌群失调”、“肠神经系统”、“中枢神经系统”、“肠道-脑轴”、“微生物组-肠道-脑轴”、“微生物代谢物”、“肠道屏障”和“神经退行性疾病”。临床试验信息通过ClinicalTrials.gov和ALS临床试验资源收集。
**ALS pathogenesis**
ALS的核心病理是上下运动神经元的退变。细胞层面涉及谷氨酸介导的兴奋性毒性、线粒体功能障碍、氧化应激、蛋白聚集和神经炎症等多因素机制。ALS相关基因如SOD1、TDP-43、C9orf72和FUS与自由基清除障碍、蛋白错误折叠与聚集、RNA代谢紊乱以及轴突和细胞骨架运输缺陷有关。神经炎症以小胶质细胞和星形胶质细胞激活、T细胞浸润、补体系统因子升高及血脑屏障（BBB）受损为特征。这些过程共同导致运动神经元功能障碍和死亡。由于ALS是多因素的，基因-环境相互作用可能发挥作用，影响炎症、屏障完整性或神经信号的外周因素可能是疾病风险或进展的潜在贡献者。
**Microbiome and ENS in health**
ENS沿胃肠道分布，可独立于CNS运行消化功能，主要功能包括控制肠道运动、分泌胃激素、促进营养吸收、调节肠道血流和液体运动。肠神经元是ENS中协调肠道生理的主要效应器，约有20种类型，来自肌间丛和粘膜下丛。肠胶质细胞（EGCs）支持ENS，能与神经元、消化相关细胞和免疫细胞相互作用。肠内分泌细胞（EECs）负责营养感知，通过分泌激素如促胰液素、胆囊收缩素和胃抑制肽来响应管腔内容物。EECs能感知微生物及其代谢物，例如通过游离脂肪酸受体感知细菌衍生的短链脂肪酸（SCFAs）。ENS通过Toll样受体（TLRs）直接检测微生物产物，TLR2还能以微生物群依赖性方式促进结肠神经发生。微生物发酵产物如SCFAs可激活EECs上的游离脂肪酸受体（FFAR1/FFAR2/FFAR3），促进胰高血糖素样肽-1（GLP-1）等激素分泌。在转录水平，肠神经元对不同微生物状态和免疫挑战有响应。SCFAs通过作用于EECs的G蛋白偶联受体被宿主感知，不同SCFAs对ENS的激活强度不同。SCFAs还能促进神经发生（通过5-HT4受体）、通过免疫细胞间接调节ENS，例如通过IL-10介导的通路防止脊髓损伤后ENS萎缩。其他代谢物如β-羟基丁酸可防止巨噬细胞焦亡以维持肠道运动，色氨酸代谢物如吲哚-3-乙醇可通过多巴胺受体D2（DRD2）信号保护上皮防御。肠道微生物群还可直接合成神经递质（如血清素）和神经递质样分子，并响应宿主儿茶酚胺。微生物群组成变化可影响胶质细胞数量。无菌小鼠显示胶质细胞与神经元比例降低，抗生素处理导致肠神经元和EGCs标记物减少。ENS并非仅被动响应微生物，而是管腔环境的关键决定因素：EEC缺失导致脂质吸收下降和微生物群落改变；选择性激活胆碱能神经元可重塑肠道微生物组，与Akkermansia muciniphila富集相关。
**ALS microbiome and ENS**
人类ALS队列中观察到微生物组改变，如厚壁菌门减少和厚壁菌门/拟杆菌门（F/B）比值降低，但结果不一致。与配偶对照相比，ALS患者直肠拭子显示α多样性更高，但某些物种如Prevotella减少，且丁酸代谢途径酶减少。不同ALS亚型（脊髓起病 vs 延髓起病）显示不同的菌群失调模式：脊髓起病ALS与粪便F/B比值升高相关，延髓起病ALS与口腔F/B比值降低相关。脊髓起病ALS中高F/B比值与更严重的疾病严重程度（ALSFRS-R评分低）相关。早期ALS患者中，脊髓起病ALS有更高Fusobacteria和Tenericutes，粪便SCFA浓度无显著差异，但脊髓ALS有较低丙酸趋势。菌群失调也可能改变宿主代谢特征：ALS患者粪便中丁酸产生菌减少，代谢通路如丁酸代谢、氨基酸代谢、核苷酸代谢和碳水化合物代谢发生改变。血清细胞因子如IL-8、IL-15、MCP-1和VEGF-A在ALS中显著降低，而粪便IL-2升高。血浆代谢组学显示，与更差ALSFRS-R评分相关的酰基肉碱和脂肪酸增加。多长度链游离脂肪酸（FFA）谱可区分ALS患者与健康对照。然而，并非所有研究都发现差异，且人类研究受观察性横断面设计限制。
动物模型方面，SOD1
G93A、C9orf72和TDP43 A315T小鼠均显示微生物组改变。SOD1小鼠在2月龄即出现丁酸产生菌减少，菌群失调伴随疾病进展。不同品系SOD1小鼠（129Sv_G93A和C57Ola_G93A）均与同窝对照有差异，但疾病过程中微生物组稳定。抗生素处理可加重SOD1小鼠运动症状，但也可能减轻C9orf72小鼠炎症表型。SOD1小鼠在2月龄出现肠上皮紧密连接蛋白ZO-1和粘附连接蛋白E-cadherin减少，肠道通透性增加。TDP43小鼠结肠中ZO-1和Claudin-5下调，肠道通透性升高。SOD1小鼠小肠和腰髓中发现SOD1蛋白和胶质纤维酸性蛋白（GFAP）增加，伴随平滑肌和肠胶质标记减少，肠道运动减慢。SOD1
G93A在肌间神经节积累，导致caspase 3增加、神经元凋亡和胶质细胞扩张，以及促炎免疫标记物TNF-α和IL-1β升高。
**Potential mechanisms in the ENS and propagation to CNS in ALS**
局部肠道变化可能通过以下途径影响ALS结局：微生物和代谢物重塑肠神经元和胶质；屏障功能障碍连接管腔事件与免疫激活和全身暴露；神经-免疫通路传递微生物信号。这些局部变化通过神经、代谢物、免疫和屏障机制影响CNS。
ENS remodeling by infection/dysbiosis：鼠伤寒沙门氏菌感染导致肌间丛神经元丢失和长期运动减少。抗生素诱导的菌群失调导致CART+神经元减少，通过NLRP6和caspase-11通路介导，可在抗生素停用后恢复。Vicentini等人发现抗生素诱导的菌群失调导致肠道结构改变和HuC/D+神经元丢失，运动减慢。这些研究表明菌群失调可能导致ENS重塑和早期胃肠功能障碍。
ENS and the intestinal epithelial barrier：EGCs通过促进上皮干细胞增殖和损伤修复支持肠道屏障。在炎症条件下，EGCs转变为反应性胶质增生状态（GFAP和S100β升高），如系统性LPS给药或帕金森病（PD）中。反应性胶质增生可破坏屏障完整性，如海湾战争疾病诱导的菌群失调中，激活的EGCs伴随occludin减少和Claudin-2增加。肠神经元释放的5-HT与上皮增殖相关，共培养实验显示肠神经元可增加ZO-1表达和跨上皮电阻。慢性酒精使用导致VIPergic神经元丢失，减少宿主介导的上皮岩藻糖基化，促进致病菌过度生长。小鼠模型中，肠神经元丢失可能损害屏障完整性，促进菌群失调或全身炎症暴露。
Neuro-immune pathways：孟德尔随机化研究提示特定菌群与ALS风险因果相关，部分通过CD33+HLA-DR髓源性抑制细胞（MDSCs）介导。肠神经元与肌肉巨噬细胞（MMs）通过BMP2和CSF1相互作用，影响肠道运动和免疫功能。肠神经元通过分泌IL-6抑制Treg分化，受菌群调节。EGCs可表达MHC II受体，在感染中通过IFNγ信号招募免疫细胞，并通过CXCL10介导组织修复。这些研究表明ENS-免疫相互作用失调可能驱动ALS中的全身炎症。
Gut to CNS propagation：神经信号通过迷走神经和ENS-CNS耦合传递管腔变化。迷走神经传入纤维通过EECs间接感知管腔内容物。ENS与CNS共享结构相似性，如胶质标记、血清素信号和非开窗的神经血管屏障。在PD中，α-突触核蛋白包涵体可从ENS沿迷走神经扩散至脑干。微生物代谢物如GABA、L-多巴、多巴胺等可通过体液途径影响CNS。SCFAs可激活交感神经系统或调节血清素释放。免疫途径方面，肠道菌群可影响小胶质细胞发育和功能，如抗生素诱导的菌群失调增加小胶质细胞亚群和神经炎症。在SOD1小鼠中，抗生素处理加速疾病进展并改变小胶质细胞转录谱，而在C9orf72小鼠中则延迟进展，提示遗传背景特异性。
**Applications: gut microbiome-targeted therapies in ALS**
Community replacement (FMT)：一项随机双盲安慰剂对照试验中，FMT未改变ALSFRS-R评分，但减轻焦虑、抑郁和便秘，并增加Bifidobacterium。两例晚期ALS病例报告显示FMT后呼吸机脱机、肌力改善和ALSFRS-R升高。洗涤微生物群移植（WMT）在一例ALS患者中改善肌力和运动能力。C9orf72敲除小鼠中，FMT可减少全身炎症。
Community modulation (probiotics, prebiotics, synbiotics)：多菌株乳酸益生菌（6个月）未显著改变ALS患者微生物组或临床指标。在SOD1小鼠中，LBE益生菌混合物增加Claudin-1、减少TNF-α阳性细胞、保存肠神经结构、降低GFAP和caspase-3，并改善运动功能和生存期。VSL#3益生菌在TDP43小鼠中增加丁酸产生菌、减少促炎菌和血清LPS，改善运动功能和胃肠传输时间，并降低TDP43聚集和GFAP。半乳寡聚糖（GOS）预益生菌在SOD1小鼠中延迟发病、延长生存，增加血清叶酸和维生素B12，降低同型半胱氨酸。人类地中海饮食干预可改变血浆SCFA水平，与ALSFRS-R评分相关。
Community outputs (bacterial metabolites)：丁酸盐处理SOD1小鼠增加丁酸产生菌、减少体重下降、延长生存，并减少肠道和脊髓中SOD1聚集和GFAP标记。Riluzole与丁酸钠联合治疗表现协同效应。Akkermansia muciniphila处理SOD1小鼠增加脊髓中NAM，减少脑萎缩、脊髓细胞丢失并延长生存。多项代谢组学研究显示ALS相关代谢物变化，包括神经活性代谢物、胆汁酸、肉碱和谷氨酸等。跨疾病研究（ALS、AD、PD）发现共享代谢物DHPS降低。
**ALS focused microbiome and biomarker clinical trials**
通过检索ClinicalTrials.gov和国家ALS登记处，识别出20项微生物组相关或生物标志物相关的ALS临床试验。多个试验评估抗生素（如米诺环素、头孢曲松）的抗炎或神经保护作用，但未包含微生物组分析。生物标志物试验中仅一项包含微生物组分析。当前缺乏旨在评估微生物组衍生标志物作为诊断生物标志物的前瞻性试验。
**Limits and future directions**
ALS病因复杂，肠道菌群失调可能通过肠源性信号调节神经通路。孟德尔随机化研究发现特定菌群与ALS相关，但与炎症细胞因子无直接关联，提示其他免疫通路介导。需要研究微生物组如何影响ALS药物（如Riluzole）的吸收和代谢，以及这些药物如何反过来影响微生物组。未来研究应聚焦于微生物组-ENS-CNS界面机制、微生物与免疫通讯及神经炎症，以及药物-微生物组相互作用。
