肠道菌群代谢产物N-氧化三甲胺与肌萎缩侧索硬化的发病及病情进展相关性研究

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease, which is aggressive and has a poor prognosis. There is no effective cure for ALS now. Further studies of the etiology and the prognostic factors are important to get a better survival, to improve life quality and to relieve the burden of patients' family and the whole society. Increasing studies have found that the gut microbiome is associated with human health, and gut microbiome and its metabolites may play a crucial role in the development and progression of ALS, which may provide a new idea for understanding the etiology and developing new therapies for ALS. Trimethylamine N-oxide (TMAO) is an important metabolite of the gut microbiome and is confirmed to be related with neurodegenerative diseases. This study is consisted of two parts to explore the role of TMAO in ALS: firstly, the level of TMAO in the serum was compared between ALS patients and healthy controls, and the relationship between TMAO and the progression and prognosis of ALS is analyzed; secondly, the gut microbiome of ALS SOD1 G93A mice is changed by the treatment of antibiotics, and the effect of this change on serum TMAO level, clinical features and neuropathological changes of the ALS mice is analyzed. This study is helpful to understand the etiology of ALS and then to provide a new choice for ALS treatment.

肌萎缩侧索硬化（ALS）是一种致死性神经系统退行性疾病，病情进展迅速，无有效治疗方法。深入研究ALS的发病机制和预后相关因素对延长患者生命、改善生存质量、减轻家庭及社会负担具有至关重要的作用。随着关于肠道菌群与人类健康间关系的研究日益深入，推测肠道菌群及其代谢产物可能参与了ALS的发生与进展，为揭示ALS的真正病因及制定治疗方案提供了新的思路。N-氧化三甲胺（TMAO）是肠道菌群代谢的重要产物，研究证实TMAO与神经系统退行性疾病密切相关。本研究通过两方面证明肠道菌群及其代谢产物TMAO在ALS发生发展中的作用：比较患者与健康对照血浆TMAO水平，并分析TMAO与患者病情进展速度及预后的相关性；通过抗生素治疗改变ALS SOD1-G93A突变模型小鼠肠道菌群，分析菌群改变对TMAO水平、临床特征及病理等方面的影响。本项研究有助于深入理解ALS发病机制，从而为ALS的治疗提供新的途径。

背景：肌萎缩侧索硬化（ALS）是一种致死性神经系统退行性疾病，无有效治疗方法。既往研究推测肠道菌群及其代谢产物可能参与了ALS的发生与进展。N-氧化三甲胺（TMAO）是肠道菌群代谢的重要产物，与神经系统退行性疾病密切相关。.方法：本研究通过人体研究和动物模型研究两方面探索肠道菌群及其代谢产物TMAO在ALS发生发展中的作用：1）人体研究部分，通过比较患者、配偶及匹配健康对照血浆中TMAO及其前体物质水平，探索三者间肠道菌群及TMAO相关代谢通路的差异；通过分析ALS患者血浆中TMAO及其前体物质水平与患者临床特征间的相关性，探索TMAO与病情进展速度及预后的关系。2）动物模型研究部分，通过抗生素治疗改变SOD1 G93A突变模型小鼠和野生型小鼠体内肠道菌群，比较小鼠发病时间、发病后存活时间及150天龄时脑及脊髓病理改变等，分析菌群改变对小鼠体内TMAO水平、临床特征、脑和脊髓病理等方面的影响。.结果：ALS患者及其配偶比较发现ALS组血浆肉碱水平显著高于配偶组（p<0.0005），其他代谢产物水平无显著性差异；ALS患者及匹配健康对照比较示ALS组血浆肉碱（p=0.023）、甜菜碱（p<0.0005）水平升高，而胆碱（p=0.002）、TMAO（p=0.001）及丁酰甜菜碱（p<0.0005）水平下降；ALS患者及其配偶与健康对照相比，TMAO（p<0.0005）、甜菜碱（p=0.002）、丁酰甜菜碱（p<0.0005）水平均存在差异；ALS患者血浆中所有代谢产物浓度均与下运动神经元损害程度呈正相关。给予抗生素治疗组SOD1 G93A突变小鼠发病时间明显早于未治疗组（p=0.045）；抗生素治疗后，SOD1 G93A突变型及野生型小鼠体内TMAO水平均明显低于未治疗组；抗生素治疗组及未治疗组SOD1 G93A突变小鼠发病时间与治疗后小鼠血浆中丁酰甜菜碱（p=0.014）浓度存在相关性，与其他代谢产物浓度无显著相关性。.结论：上述人体研究及动物模型研究结果共同证实，ALS的发病是基因与环境共同作用的结果，不良环境可能导致携带易感基因的个体发病提前。TMAO作为肠道菌群的重要代谢产物，可作为体现肠道菌群改变的重要指标，然而，TMAO这一产物本身与ALS发生及发展的相关性有待进一步研究。