Microbiome and intestinal barrier in ALS therapy

本申请的目的是研究肠道微生物稳态在 ALS 中的重要作用， 同时研究一种可能通过恢复宿主-微生物关系来治疗 ALS 的新方法 并与 FDA 批准的药物结合使用。肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种致命的神经肌肉疾病 其特征是运动神经元进行性死亡和肌肉萎缩。大多数患者在5年内死亡 疾病发作后。目前，利鲁唑和拉迪卡瓦治疗只能延长少数患者的寿命 几个月。因此，迫切需要开发新的 ALS 治疗方法并改善生活 ALS 患者的质量。新的证据表明微生物组和肠道稳态 在阿尔茨海默病和帕金森病等神经系统疾病中发挥着重要作用。然而， 人们对 ALS 患者的肠道微生物群知之甚少。我们的实验室是第一个发现这个链接的实验室 ALS 小鼠模型 G93A 中肠道稳态与疾病进展之间的关系。我们的研究在 人类 ALS 进一步揭示了生态失调和肠道炎症。 ALS小鼠肠道受损 结构和肠道通透性增加（肠漏）。值得注意的是，通过恢复肠道稳态 用细菌产物丁酸盐喂养 ALS 模型小鼠可显着延迟疾病的发作， 延长 ALS 小鼠的寿命。我们假设针对肠道微生物组并与 FDA 结合 批准药物改善肠道屏障功能并恢复微生物组，从而减缓疾病 ALS 的进展。这些研究旨在严格检验假设并解决两个主要问题 目标。目标 1 是确定导致 ALS 中生态失调和屏障功能障碍的机制。 我们将定义异常上皮连接结构和生态失调的机制（例如丁酸丢失） ALS 小鼠中产生细菌）。我们将研究丁酸盐和丁酸盐产生细菌的作用，使用 新型分子工具、类肠培养物和转基因动物模型（SOD1G93 小鼠和新型肠道特异性 SOD1G93 模型的过度表达）。我们将确定细菌产品益处的机制 丁酸盐对肠道通透性和神经保护的影响。目标 2 是进行原理验证研究 恢复肠道微生物组和肠道屏障，以保护 ALS 患者的神经肌肉功能。 ALS 小鼠 ALS 的不同阶段将使用有益细菌（促进丁酸盐产生的益生菌）或 与 FDA 药物（Riluzole 或 Radicava）联合使用。 ALS 小鼠将接受粪便微生物移植（FMT） 使用健康野生型小鼠作为供体。肠道的生理和分子生物学评估 完整性、微生物组和神经肌肉性能将用于评估治疗效果。 组织病理学和生化评估将用于确定肠道细胞水平的变化 ALS 不同阶段的神经肌肉功能。我们将优化修复肠道的功效 使用不同的 ALS 小鼠模型，微生物组与 FDA 药物相结合可减缓 ALS 进展 （SOD1G93A 和 TDP43）。退伍军人被诊断患有 ALS 的可能性是普通人群的两倍。 退伍军人，无论服役部门、服役时代或是否服役 在和平或战争时期，与未参军服役相比，死于 ALS 的风险更大。 我们的研究意义重大，因为 ALS 对 VA 人群造成的健康负担以及该药物的新作用 微生物组对健康和疾病中神经肌肉功能的影响，特别是在退伍军人护理中。这方面的创新 项目在于：(a) ALS 的治疗潜力，(b) 发现早期变化的概念框架 ALS 发病前的生态失调和肠道屏障效应，以及 (c) 最先进的实验模型 这使我们能够了解益生菌和/或细菌有益作用背后的新机制 改善运动神经元功能的产品。它对于开发新的技术具有重大的转化意义 对抗这种毁灭性疾病和改善退伍军人健康的治疗策略。

The goal of this application is to investigate the important role of intestinal microbial homeostasis in ALS, meanwhile investigating a novel approach that can potentially treat ALS by restoring host-microbe relationships and combining with FDA approved drugs. Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neuromuscular disease characterized by progressive death of motor neurons and muscle atrophy. Most patients die within 5 years after the disease onset. Currently, treatment with Riluzole and Radicava only extends patient life span for a few months. Therefore, there are significant needs to develop novel treatments for ALS and improving the life quality of ALS patients. Emerging evidence has demonstrated that microbiome and intestinal homeostasis plays essential roles in neurological diseases, such as Alzheimer's disease and Parkinson's disease. However, little is known about the intestinal microbiome in patients with ALS. Our lab is the first to discover the link between intestinal homeostasis and the disease progression in an ALS mouse model G93A. Our study in human ALS further reveals the dysbiosis and intestinal inflammation. ALS mice had damaged intestinal structure and increased intestinal permeability (leaky gut). Remarkably, restoring the intestinal homeostasis by feeding the ALS model mice with a bacterial product butyrate significantly delayed the disease onset and prolonged the life span of ALS mice. We hypothesize that targeting gut microbiome and combining with FDA approved drugs to improve the intestinal barrier function and restore microbiome, thus slowing disease progression of ALS. The studies are designed to rigorously examine the hypotheses and address two main objectives. Aim 1 is to determine the mechanisms that contribute to dysbiosis and barrier dysfunction in ALS. We will define the mechanism for abnormal epithelial junction structure and dysbiosis (e.g. loss of butyrate- producing bacteria) in ALS mice. We will investigate roles of butyrate and butyrate-producing bacteria, using novel molecular tools, enteroid cultures, and transgenic animal models (SOD1G93 mice and a novel gut-specific overexpression of SOD1G93 model). We will determine mechanisms underlying the benefits of bacterial product butyrate on intestinal permeability and neuroprotection. Aim 2 is to conduct proof-of-principle studies with restoring gut microbiome and intestinal barrier for preserving neuromuscular function in ALS. ALS mice at different stages of ALS will be treated with beneficial bacteria (probiotics that promote butyrate production) or combining with FDA drugs (Riluzole or Radicava). ALS mice will have fecal microbiota transplantation (FMT) using health wild-type mice as donors. Physiological and molecular biological assessments of intestinal integrity, microbiome, and neuromuscular performance will be used to evaluate the therapeutic effects. Histopathology and biochemical evaluations will be used to determine changes at the cellular level of intestinal and neuromuscular function at different stages of ALS. We will optimize the efficacy of restoring intestinal microbiome combining with FDA drugs in slowing ALS progression using different ALS mouse models (SOD1G93A and TDP43). Veterans are twice as likely to be diagnosed with ALS as the general population. Military veterans, regardless of the branch of service, the era in which they served, or whether they served during a time of peace or war, are at a greater risk of dying from ALS than if they had not served in the military. Our study is significant because of the health burden of ALS in VA population and the novel role of the microbiome on neuromuscular function in health and disease, especially in Veterans' care. Innovation of this project lies in its: (a) therapeutic potential for ALS, (b) conceptual frame-work to discover early changes and dysbiosis and the gut barrier effects before onset of ALS, and (c) state-of–the-art experimental models that allow us to understand novel mechanisms underlying the beneficial effect of probiotics and/or bacterial products that improve the motor neuron function. It has significant translational implications for developing new therapeutic strategies for combating this devastating disease and improving the health of veterans.