基于腸道菌群參與的炎癥性腸病色氨酸代謝的 研究進展

穆燕菊 羅 娟 繆應雷

色氨酸是一種人體必需氨基酸，占總氨基酸的1%，在多種疾病的發(fā)病過程中起著重要作用。色氨酸主要通過3 條途徑被分解代謝，且大部分代謝產物具有生物活性。有研究發(fā)現色氨酸及其代謝產物可參與神經精神系統(tǒng)疾病、心血管疾病及炎癥性腸?。↖BD）等疾病的病理過程，并且在不同疾病中發(fā)揮不同的生物學效應[1]。IBD 是遺傳易感宿主在環(huán)境、免疫、腸道菌群、感染等因素相互作用下發(fā)生的慢性非特異性腸道炎性疾病，包括潰瘍性結腸炎（UC）和克羅恩?。–D）。有研究發(fā)現IBD 患者存在明顯的色氨酸代謝改變，且腸道菌群可能通過參與色氨酸代謝途徑來影響IBD[2]。機體的腸道菌群與色氨酸代謝之間的相互作用對于維持腸道功能、腦腸軸調節(jié)和免疫穩(wěn)態(tài)至關重要。本文就腸道菌群與色氨酸代謝之間的相互調控作用、IBD 患者的色氨酸代謝改變、色氨酸代謝對IBD 的作用機制及其潛在應用價值等的研究進展作一綜述。

1 色氨酸與腸道菌群

1.1 腸道菌群對色氨酸代謝的調節(jié)作用

1.1.1 吲哚途徑 腸道菌群可將體內4%～6%的色氨酸轉化為吲哚、色胺及其他吲哚衍生物，其中一些代謝產物可作為芳香烴受體（AhR）和孕烷X受體（PXR）的配體，進一步調節(jié)腸黏膜免疫、腸道屏障及腸內穩(wěn)態(tài)等[3]。Lee 等[4]的研究發(fā)現梭狀芽孢桿菌、羅伊氏乳桿菌等腸道菌群可將色氨酸轉化為色胺和吲哚丙酮酸，吲哚丙酮酸可脫羧形成吲哚乙醛，可進一步轉化為吲哚乙酸、吲哚乙醇、吲哚乳酸等吲哚衍生物。Hu? 等[5]的研究顯示，吲哚丙酮酸可被存在于擬桿菌屬、大腸桿菌和梭菌屬中的色氨酸酶催化產生吲哚。此外，色氨酸還可被腸道梭狀芽孢桿菌和瘤胃球菌脫羧為色胺，被乳桿菌屬代謝為吲哚-3-甲醛，被雙歧桿菌屬代謝為吲哚-3-乳酸[6-7]。腸道菌群被視為人體“第二基因組”，色氨酸代謝可能通過一種細菌獨立完成或多種細菌共同協(xié)作完成，目前能產生色氨酸催化酶的細菌及相關催化酶仍然未知。

1.1.2 犬尿氨酸途徑 人體內約95%的色氨酸被吲哚胺-2，3-雙加氧酶1（IDO1）和IDO2、色氨酸2，3-雙加氧酶（TDO）等轉化為犬尿喹啉酸、吡啶甲酸、煙酸等產物[6,8]，從而影響人體的免疫和健康。腸道菌群對色氨酸的犬尿氨酸代謝途徑具有一定的調節(jié)作用：（1）直接產生色氨酸的犬尿氨酸代謝途徑所需的酶 一些銅綠假單胞菌可產生TDO 等酶[3]，對色氨酸進行分解代謝，從而調節(jié)犬尿氨酸途徑；（2）調節(jié)IDO 的活性 丁酸鹽是由部分腸道菌群代謝產生的短鏈脂肪酸，可通過腸上皮細胞負向調節(jié)IDO 的表達[9]。Valladares等[10]的研究報道，約氏乳桿菌可能通過產生過氧化氫（H2O2）抑制IDO 的活性，從而降低大鼠犬尿氨酸水平。

1.1.3 5-羥色胺途徑 有1%～2%的色氨酸在色氨酸羥化酶和脫羧酶催化作用下生成5-羥色胺（5-HT）[1]。5-HT 作為重要的神經遞質，參與調節(jié)腸道的蠕動、分泌、血管舒張和營養(yǎng)吸收等，對調節(jié)腸道神經系統(tǒng)和胃腸道功能起著重要作用，人體內90%以上的5-HT 由腸嗜鉻細胞在腸道內合成。腸道菌群調節(jié)5-HT 合成的機制尚未完全明確，在無菌小鼠結腸中可觀察到5-HT 合成減少及血液中5-HT 水平降低[1]。Cryan 等[11]報道產氣莢膜梭菌可通過色氨酸羥化酶調節(jié)宿主結腸內5-HT 的合成。此外，腸道菌群的某些代謝產物，如發(fā)酵膳食纖維產生的短鏈脂肪酸及轉化膽汁酸產生的脫氧膽酸、丁酸鹽、膽酸鹽等也能調節(jié)5-HT 的合成[3,12-13]。腸道菌群除了通過作用于嗜鉻細胞及相關酶影響5-HT 的合成外，乳桿菌屬等少部分細菌的生物膜中存在生物胺轉運，可直接代謝產生5-HT[12]。

1.2 色氨酸代謝對腸道菌群的影響

色氨酸及其代謝產物與腸道菌群平衡密切相關。吲哚作為色氨酸吲哚代謝途徑較豐富的代謝產物，常被視為一種細胞間信號分子，在保護機體防御腸道病原體的同時，還可調節(jié)細菌的耐藥性、孢子形成、毒力及生物膜形成等，并且其在一種細菌或不同種細菌中均可表現出矛盾的作用，在腸道菌群和機體病理、生理過程中扮演著重要的角色，例如：可在促進銅綠假單胞菌的生物膜形成的同時降低其毒力；既可上調鼠傷寒沙門菌的多種耐藥基因表達，也可下調其運動和侵襲性基因的表達；可通過下調毒力基因表達減弱金黃色葡萄球菌的毒力；可抑制白色念珠菌的絲化及生物膜形成等[14]。 此外，Kang 等[15]的研究發(fā)現，梭狀芽孢桿菌等可通過分泌色氨酸衍生的抗生素，從而抑制艱難梭菌生長，并且次級膽汁酸脫氧膽酸和石膽酸鹽可增強該作用。目前色氨酸及其代謝產物調節(jié)腸道菌群的機制尚未完全清楚，有待進一步探討。

2 腸道菌群與IBD

許多研究已證明腸道菌群改變參與了IBD 的發(fā)病機制。動物實驗研究提出“無菌無炎性反應學說”，即無菌環(huán)境可預防遺傳易感小鼠發(fā)生結腸炎，而將幼稚CD4＋T 細胞從健康小鼠轉移到缺乏T 細胞和B 細胞的小鼠中可誘發(fā)結腸炎，并且小鼠結腸炎易感程度的差異與其腸道菌群組成有關[16]。臨床研究結果顯示：（1）IBD 患者存在明顯的腸道菌群失調，主要表現為腸道菌群豐度降低，腸道優(yōu)勢菌群穩(wěn)定性降低，保護性菌群減少，致病菌群增多，并且在不同的疾病分型、病變部位、疾病活動度及病程進展中存在差異[17]；（2）IBD 好發(fā)于回腸末端及結直腸等腸道菌群豐度相對較高的部位，且在腸道菌群豐度較高部位的疾病活動較明顯[16,18]；（3）抗生素對CD 有一定的療效，如甲硝唑和環(huán)丙沙星可用于治療CD 合并肛周膿腫患者；（4）益生菌、糞菌移植對IBD 也有一定的療效；（5）IBD 的部分生物標志物與腸道菌群有關，腸道菌群失調導致色氨酸的生物活性分子改變影響IBD 的信號轉導。綜上所述，腸道菌群與IBD 存在密切聯系，腸道菌群失調與IBD 可能形成惡性循環(huán)。

3 色氨酸與IBD

3.1 IBD 患者的色氨酸代謝變化

目前IBD 患者存在腸道菌群失調已被證實，研究發(fā)現色氨酸代謝改變與腸道菌群失調存在聯系[3,5,19]，色氨酸缺乏可能會促進IBD 的進展并加重疾病活動度[2,20]。研究顯示，IBD 患者存在色氨酸代謝異常，包括色氨酸及其代謝產物水平的變化，以及相關催化酶活性的改變，主要表現為IDO 過表達，血清色氨酸水平降低，血清色氨酸代謝產物水平升高等[21]。IBD 患者的血清色氨酸水平明顯降低，尤其是CD 患者[3]。Nikolaus 等[2]的研究納入了535 例IBD 患者，研究結果顯示活動期IBD 患者的色氨酸分解代謝增加，色氨酸代謝產物（尤其是喹啉酸）水平升高，導致IBD 患者的血清色氨酸水平明顯低于健康者，并且CD 患者的血清色氨酸水平下降幅度較UC 患者更大，IBD 患者的血清色氨酸水平與疾病活動度、C 反應蛋白及IL-22 水平呈負相關。Sofia 等[22]的研究發(fā)現，活動期IBD 患者的IDO1 表達水平升高，并且犬尿酸水平和犬尿酸/色氨酸比值升高，這表明在活動期IBD 中色氨酸經犬尿氨酸代謝途徑分解增加。此外，腸道中色氨酸水平降低可能與IBD 的嚴重程度呈正相關。Lamas 等[23]的研究發(fā)現，IBD 患者的糞便中AhR 激動劑吲哚乙酸水平顯著降低。Gupta 等[24]對25 例CD 患者（包含活動期和緩解期CD）和11名健康者血清中色氨酸、犬尿氨酸、犬尿氨酸/色氨酸比值的變化進行分析，結果顯示與健康者相比，活動期CD 患者的血清色氨酸水平降低、犬尿氨酸/色氨酸比值升高，但緩解期CD 患者的犬尿氨酸/色氨酸比值降低；該研究還發(fā)現犬尿氨酸/色氨酸比值與CD 患者的疾病活動指數、紅細胞沉降率和C 反應蛋白水平呈正相關。IBD 患者的色氨酸代謝變化可能存在性別差異，女性IBD 患者的血清色氨酸水平低于男性IBD 患者[2]。值得注意的是，IBD 患者和結腸炎動物模型腸道中5-HT 水平均發(fā)生了顯著變化，表明5-HT 在腸道炎性反應的發(fā)生和發(fā)展中可能發(fā)揮著重要作用[21]。

實驗研究顯示，色氨酸攝入不足是動物模型的結腸炎易感因素之一[20,25]。Agus 等[6]報道IBD患者的腸道AhR 配體減少,而葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘導的結腸炎小鼠模型實驗顯示AhR 缺乏與結腸炎的嚴重程度有一定關系。Hashimoto 等[20]的研究發(fā)現，敲除血管緊張素轉換酶2（ACE2）基因導致色氨酸攝取障礙的小鼠較未敲除基因的小鼠更容易被DSS誘發(fā)結腸炎，且前者表現為結腸炎較嚴重、體質量較輕及腸道中抗菌肽水平較低。在小鼠和仔豬模型研究顯示，添加色氨酸飲食可減輕DSS誘導的結腸炎癥狀[25]。Geng 等[26]的研究對早期結腸炎仔豬模型采用糞菌移植干預，結果顯示腸道菌群來源的色氨酸分解代謝產物吲哚-3-乙酸的水平顯著升高。

3.2 色氨酸代謝對IBD 的作用機制

3.2.1 AhR 信號通路 IBD 患者的腸道菌群變化可能通過色氨酸改變AhR 水平或調節(jié)宿主IDO 活性調控疾病進展。AhR 是一種配體激活的轉錄因子，其廣泛存在于免疫細胞和腸上皮細胞中，參與調節(jié)腸黏膜免疫和機體內穩(wěn)態(tài)。AhR 信號通路可通過參與T 細胞分化、促進單核細胞黏附、上調促炎基因表達、誘導內皮細胞黏附分子表達等多種機制觸發(fā)炎性反應[8]。Obata 等[27]的研究發(fā)現，腸道菌群可誘導AhR 表達，并且可使其對腸道菌群衍生的AhR 配體發(fā)生反應，進一步促進腸道蠕動。吲哚-3-甲醛、吲哚-3-乙酸、吲哚-3-丙酸、吲哚丙烯酸等色氨酸代謝產物可作為AhR 的配體[3]。羅伊氏乳桿菌代謝色氨酸產生的吲哚-3-乳酸可通過激活AhR 將CD4＋T 細胞轉變?yōu)镃D4＋CD8＋T 細胞，進一步抑制腸道炎性反應[28]。CARD9 是IBD 的一個風險等位基因，缺失該基因的小鼠表現為色氨酸代謝減少，不能將色氨酸催化為AhR配體，導致IL-22 釋放減少，使小鼠較易被DSS 誘發(fā)結 腸炎[23]。3.2.2 PXR 信號通路 IBD 患者的腸道菌群失調可導致AhR 和PXR 的配體生成減少[1]。Illés 等[29]的研究發(fā)現，色氨酸的代謝產物吲哚和吲哚-3-乙酰胺是人類PXR 的配體及激動劑，可在腸癌細胞中誘導PXR 依賴性基因表達。吲哚-3-丙酸可通過PXR 信號通路降低腸道通透性及抑制炎性反 應[28]。值得注意的是，許多色氨酸代謝產物是AhR 和PXR 的雙重激動劑，故兩條信號通路之間可能存在相互干擾。

3.2.3 氧化應激 目前已有研究證實色氨酸的犬尿氨酸途徑產生的代謝產物具有抗氧化作用[8]。色氨酸本身也可能發(fā)揮了抗脂質和蛋白質過氧化的保護作用。

3.2.4 調節(jié)腸道免疫細胞及細胞因子 Wang 等[30]報道補充色氨酸可通過抑制免疫細胞的增殖、調節(jié)抗炎細胞因子與促炎細胞因子的平衡、調節(jié)DSS 誘導的小鼠結腸炎中的信號轉導與轉錄激活因子3（STAT3）和p65 信號轉導等途徑改善腸道免疫反應。Kim 等[25]報道色氨酸可降低干擾素-γ（IFN-γ）、TNF-α、IL-6 和IL-17 等促炎因子的表達水平，升高細胞凋亡啟動子天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶-8（Caspase-8）和BAX 的表達水平，從而減輕腸道炎性反應，改善組織病理學及降低腸道通透性，促進腸道損傷修復。吲哚-3-乙酸和色胺酸可抑制巨噬細胞分泌TNF-α、IL-1β 和單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1）等促炎因子，而羅伊氏乳桿菌產生的吲哚-3-乙醛可升高IL-22 的表達水平[28]。Ding 等[21]的研究發(fā)現，Treg 細胞可通過細胞間接觸和釋放細胞因子參與維持IBD 患者腸道穩(wěn)態(tài)及減輕組織損傷，色氨酸可通過腸道菌群分解和犬尿氨酸代謝途徑誘導Treg 細胞分化，而IBD 患者在病理過程中表現出色氨酸代謝紊亂。

3.3 色氨酸在IBD 中的潛在應用價值

色氨酸對IBD 可能具有潛在應用價值：（1）作為炎性反應標志物 有研究發(fā)現，在CD 患者中，犬尿氨酸/色氨酸比值與CD 的疾病活動指數、紅細胞沉降率和C 反應蛋白水平呈正相關，這些指標可能與腸黏膜的免疫活動密切相關，有望成為評估IBD 疾病活動度的炎性反應指標[24]。IDO1 在活動期UC 患者的結腸黏膜中表達升高，并且其與內鏡下組織炎性反應嚴重程度相關，即在活動期UC患者中，犬尿氨酸途徑的色氨酸代謝增加，并且犬尿酸可能是UC 的潛在非侵入性生物標志物[22]。 （2）研發(fā)新型治療藥物 動物研究表明，可能可以通過補充色氨酸及其代謝產物拓展IBD 的治療方法[20,25]。經飲食補充色氨酸可以通過調節(jié)腸道5-HT水平及相關受體表達來減輕DSS 誘導的腸道炎性反應[30]。此外，也許還可以研發(fā)調節(jié)影響色氨酸代謝的腸道菌群的IBD 治療藥物。（3）益生菌 補充某些益生菌有益于緩解IBD 患者的炎性反應，例如補充乳桿菌（可將色氨酸降解為AhR 激動劑）可減輕小鼠結腸炎，益生菌可以作為腸病患者的支持療法[22]。（4）糞菌移植 也許其可作為IBD的新的治療方案[31]，目前已成為研究熱點。仔豬模型研究發(fā)現，經糞菌移植干預后，基于代謝組學分析表明，糞菌移植可調節(jié)吲哚生物堿的合成、細胞色素P450 和腸道穩(wěn)態(tài)相關的腸道菌群代謝功能，并且伴隨著IL-22 的表達上調和AhR 的活化增強，表明糞菌移植在恢復腸道屏障方面具有潛在作用[26]。

4 結語

色氨酸代謝與多種疾病相關，尤其是其與腦腸軸及腸道菌群的關系已成為目前的研究熱點。多種色氨酸的腸道菌群代謝產物已被證實為IBD的重要影響因素，可影響IBD 的發(fā)生和發(fā)展，但目前的研究存在一定的局限性：（1）目前的研究數據主要來源于小鼠等基礎實驗，缺乏多中心大樣本臨床隨機試驗數據；（2）盡管目前已明確了部分可代謝色氨酸并參與IBD 病理、生理過程的細菌，但由于腸道菌群復雜多樣，其中參與色氨酸代謝的許多細菌及主要貢獻菌仍然未知；（3）目前研究主要集中于探討色氨酸作為生物標志物的潛力，以及其參與調節(jié)免疫和炎性反應的機制，而其在IBD 發(fā)病中的具體作用機制仍未明確。針對色氨酸代謝途徑進行的研究將有助于多種疾病的診治，采用基于腸道菌群參與的色氨酸代謝的干預措施可能會成為未來IBD 診治的一種新策略。