Preserving mitochondrial function for alleviating ALS progression

保护线粒体功能以缓解 ALS 进展

基本信息

  • 批准号:
    10155596
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 59.15万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-06-15 至 2024-03-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neuromuscular disease without cure. Most ALS are sporadic cases without identified genetic causes. However, the spinal cord and muscle autopsy/biopsy samples from both sporadic and familial ALS patients all show remarkable defects in morphology and biochemical properties of mitochondria. This indicates abnormal mitochondria as a common player in neuromuscular degeneration despite the etiology. Our research using the ALS mouse models (G93A), over the last 12 years, establishes a concept that mitochondrial dysfunction in skeletal muscle is part of the pathogenesis of ALS. Muscle appears to be a primary target of ALS mutation, in addition to being victim of neuronal withdrawal, because mitochondrial defects in muscle feedback to neuromuscular junction (NMJ) remodeling in ALS. Thus, restoration of mitochondrial function is a logical approach to alleviate the systemic symptom of ALS through fixing a common pathology. We made a novel discocery that ALS progression includes a leaky gut with an imbalanced microbiome (dysbiosis) in G93A mice. This gut defects occurs before the onset of ALS neuromuscular symptoms, suggesting that gut defects may play a role in ALS progression. We reported that the colon of G93A mice contained less butyrate-producing bacteria, and the dietary butyrate supplementation alleviated gut defects in G93A mice, improving their neuromuscular performance and extending their life span. Thus, our study brought a new concept that restoring gut homeostasis may provide an alternative means for improving neuromuscular function to treat ALS. Since the original submission, our collaboration with the Brotto Lab made several exciting new discoveries. We identified altered Lipidomics Profiles of ROS-related Bioactive Lipids (BLs) in muscle that were restored by one-month butyrate diet supplementation in G93A mice. Further, butyrate treatment directly enhanced muscle contractility. Our preliminary data also show that butyrate treatment improved mitochondrial function and its susceptibility to oxidative-stress induced damage in G93A muscle fibers. Our data suggest that butyrate could be an important mediator regulating the neuromuscular-gut integrative physiology. We hypothesize that integrative signaling between the neuromuscular system and gut contributes to the progressive loss of mitochondrial function in ALS, and restoration of butyrate- related microbiome has benefits in preserving mitochondrial function for treatment of ALS. The proposed study will address two fundamental questions: How do gut defects contribute to mitochondrial dysfunction of neuromuscular system in ALS (Aim 1)? Can neuromuscular-gut signaling be leveraged to improve mitochondrial function to slow ALS progression and/or improve the life quality of ALS patients (Aim 2)? While altered intestinal homeostasis and microbiome is linked to the human pathology of ALS, we anticipate that our study will bring novel concepts to the ALS research field. Knowledge gained from this study can have potential translational implications for developing new therapeutic strategies for combating ALS.
项目概要 肌萎缩侧索硬化症(ALS)是一种致命的神经肌肉疾病,无法治愈。大多数 ALS 是散发性的 未确定遗传原因的病例。然而,脊髓和肌肉尸检/活检样本来自 散发性和家族性 ALS 患者均表现出明显的形态和生化特性缺陷 线粒体。这表明异常线粒体是神经肌肉变性的常见参与者 尽管有病因。我们在过去 12 年中使用 ALS 小鼠模型 (G93A) 进行的研究建立了 骨骼肌线粒体功能障碍是 ALS 发病机制的一部分。肌肉出现 除了成为神经元退缩的受害者之外,还成为 ALS 突变的主要目标,因为 ALS 中神经肌肉接头 (NMJ) 重塑的肌肉反馈中的线粒体缺陷。因此, 恢复线粒体功能是缓解 ALS 全身症状的合理方法 修复常见的病理学。我们做出了一项新颖的发现,即 ALS 进展包括肠漏 G93A 小鼠的微生物组失衡(生态失调)。这种肠道缺陷发生在 ALS 发病之前 神经肌肉症状,表明肠道缺陷可能在 ALS 进展中发挥作用。我们报道称 G93A小鼠的结肠中产生丁酸盐的细菌较少,并且饮食中补充丁酸盐 减轻了 G93A 小鼠的肠道缺陷,改善了它们的神经肌肉性能并延长了它们的寿命。 因此,我们的研究提出了一个新概念,即恢复肠道稳态可能提供另一种方法 改善神经肌肉功能以治疗 ALS。自最初提交以来,我们与 Brotto 的合作 实验室取得了一些令人兴奋的新发现。我们发现 ROS 相关生物活性的脂质组学谱发生了改变 G93A 小鼠通过补充一个月的丁酸盐饮食可恢复肌肉中的脂质 (BL)。更远, 丁酸盐治疗直接增强肌肉收缩力。我们的初步数据还表明丁酸盐 治疗改善了 G93A 线粒体功能及其对氧化应激诱导损伤的易感性 肌肉纤维。我们的数据表明丁酸盐可能是调节神经肌肉肠道的重要介质 综合生理学。我们假设神经肌肉系统和神经肌肉系统之间的整合信号传导 肠道导致 ALS 中线粒体功能的逐渐丧失,以及丁酸的恢复 相关微生物组有利于保留线粒体功能以治疗 ALS。这 拟议的研究将解决两个基本问题:肠道缺陷如何导致线粒体 ALS 中神经肌肉系统功能障碍(目标 1)?可以利用神经肌肉-肠道信号传导来 改善线粒体功能以减缓 ALS 进展和/或改善 ALS 患者的生活质量(目标 2)?虽然肠道稳态和微生物组的改变与 ALS 的人类病理学有关,但我们 预计我们的研究将为 ALS 研究领域带来新的概念。从这项研究中获得的知识 对于开发抗 ALS 的新治疗策略具有潜在的转化意义。

项目成果

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