色氨酸代謝與炎性腸病相關(guān)研究進(jìn)展

崔燦，李盈，楊豪杰，金煒，吳炯，韓昌鵬，金磊，干丹，秦凱健，張曦月，王振宜

(上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院肛腸科，上海 200437)

炎性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是一種慢性和復(fù)發(fā)性腸道炎性疾病[1-2]。研究表明，其發(fā)病原因與環(huán)境、遺傳、微生物群和免疫反應(yīng)相關(guān)[3]。迄今為止，IBD最廣泛接受的發(fā)病機(jī)制假設(shè)為遺傳易感宿主中的環(huán)境因素觸發(fā)了針對(duì)腸道菌群的異常免疫反應(yīng)。IBD患者腸道菌群的多樣性發(fā)生改變，腸道中的微生物群落結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)，宿主與腸道菌群之間的共生關(guān)系發(fā)生變化[4-5]，同時(shí)與共生關(guān)系相關(guān)的免疫與代謝也會(huì)不同程度影響IBD的進(jìn)展。因此，通過對(duì)維持腸道穩(wěn)定狀態(tài)諸多因素之間關(guān)系的深入研究，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)針對(duì)腸道相關(guān)疾病的靶向治療策略。

色氨酸作為一種腸道菌群與宿主間的溝通媒介，在一系列內(nèi)源酶或微生物代謝作用下生成許多色氨酸代謝產(chǎn)物，其代謝產(chǎn)物不同程度調(diào)節(jié)各種生理和病理進(jìn)程，包括生長(zhǎng)調(diào)節(jié)、新陳代謝、情緒和免疫反應(yīng)等。而色氨酸缺乏直接導(dǎo)致代謝產(chǎn)物的減少，這與腸道失衡密切相關(guān)，甚至誘發(fā)IBD。近年來，在腸道菌群控制下的色氨酸代謝過程與IBD的關(guān)系成為研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)就色基酸代謝與IBD相關(guān)研究進(jìn)展予以綜述。

1 色氨酸代謝

色氨酸是人體八種必需氨基酸之一，是唯一含有吲哚結(jié)構(gòu)的氨基酸，即雙環(huán)化合物，主要來自外源性攝入的富含蛋白質(zhì)的食物[6]。色氨酸主要在小腸中攝取，但到達(dá)結(jié)腸的部分可被腸道細(xì)菌分解代謝，產(chǎn)生各種吲哚衍生物。雖然細(xì)菌降解蛋白質(zhì)的產(chǎn)物通常會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不利影響，但研究表明微生物分解色氨酸產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物可能會(huì)對(duì)宿主產(chǎn)生積極影響[7]。

1.1犬尿氨酸代謝通路(kynurenine pathway，KP) KP約占色氨酸代謝過程的90%[8]，是色氨酸代謝過程中最重要的途徑。色氨酸的犬尿氨酸代謝途徑由吲哚胺2,3-雙加氧酶(indoleamine 2,3-dioxygenase，IDO)1介導(dǎo)，并生成犬尿氨酸和下游產(chǎn)物，如喹啉酸、煙酸、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸和犬尿酸等[9-10]。IDO1是犬尿氨酸代謝途徑的限速酶。KP終產(chǎn)物涉及許多宿主生物過程的調(diào)節(jié)，這些過程涉及神經(jīng)傳遞、炎癥和免疫反應(yīng)。此外，某些代謝產(chǎn)物也可能在腸道中發(fā)揮特定作用。如炎癥、損傷和感染會(huì)上調(diào)腸上皮中色氨酸代謝酶IDO1的表達(dá)，IDO1調(diào)節(jié)芳烴受體(aryl hydrocarbon receptor，AhR)和Notch信號(hào)，以增加分泌細(xì)胞的分化并改變黏液相關(guān)的微生物，有助于恢復(fù)腸道穩(wěn)態(tài)[11]。

1.2經(jīng)腸道菌群的直接代謝途徑 色氨酸可經(jīng)腸道內(nèi)細(xì)菌直接分解代謝，形成吲哚及其衍生物，如吲哚-3-乙酸、吲哚-3-丙酸等，它們均可作為AhR的配體，AhR是一種適應(yīng)性免疫和腸屏障功能的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[12]，不僅能促進(jìn)局部白細(xì)胞介素(interleukin，IL)的產(chǎn)生，有助于腸上皮細(xì)胞的更新和腸黏膜屏障的完整性，還作用于許多種類的免疫細(xì)胞，如上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞、輔助性T細(xì)胞17、先天性淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞和中性粒細(xì)胞。此外，共生菌或其代謝產(chǎn)物也可以激活A(yù)hR，可誘導(dǎo)下游細(xì)胞因子的表達(dá)，從而有助于腸道正常微生物的恢復(fù)和體內(nèi)穩(wěn)態(tài)。

吲哚化合物可以由源自腸道微生物群的各種酶作用下產(chǎn)生的色氨酸代謝產(chǎn)物生物合成[13]。大腸埃希菌中發(fā)現(xiàn)了色氨酸和吲哚的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。色氨酸酶是由大腸埃希菌和乳酸桿菌編碼，其能將色氨酸代謝為吲哚，而吲哚也是一種菌種間的信號(hào)分子，它能夠控制細(xì)菌生理的各個(gè)方面，如抗生素耐藥性、孢子形成和生物膜形成。在非吲哚產(chǎn)生菌中，吲哚及其衍生物具有明顯的抑制群體感應(yīng)和調(diào)節(jié)毒性因子的作用。同時(shí)，腸道微生物群還可分解產(chǎn)生各種色氨酸代謝產(chǎn)物，通過不同的途徑和酶介導(dǎo)關(guān)鍵功能[14]。

1.35-羥色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)代謝途徑 色氨酸在色氨酸羥化酶的作用下生成5-羥基色氨酸，5-羥基色氨酸進(jìn)一步代謝生成5-HT。5-HT作為一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，通過激活5-HT受體，進(jìn)而對(duì)宿主生理發(fā)揮廣泛的作用。5-HT作為一種腸道產(chǎn)生的重要分子可以將信號(hào)從腸道傳遞到外在或內(nèi)在神經(jīng)元，并影響腸蠕動(dòng)、分泌、血管舒張和營(yíng)養(yǎng)吸收[15]，其被認(rèn)為在維持腸道穩(wěn)態(tài)方面具有重要作用。同時(shí)，5-HT也是一種有效的免疫調(diào)節(jié)劑，可通過其受體及磺?；^程影響各種免疫細(xì)胞。此外，5-HT在中樞神經(jīng)系統(tǒng)也發(fā)揮重要作用。

95%的5-HT存在于外周組織中，而腸嗜鉻細(xì)胞是外周組織中5-HT的主要來源。腸嗜鉻細(xì)胞是腸道內(nèi)分泌細(xì)胞中最具特色的細(xì)胞，分散在整個(gè)腸道黏膜中。色氨酸被分解形成5-HT，主要通過被色氨酸羥化酶羥基化，生成5-羥基色氨酸，新形成的5-羥基色氨酸被芳香族氨基酸脫羧酶脫羧，生成5-HT。5-HT通過單胺氧化酶代謝，生成5-羥基吲哚乙酸，最終通過尿液排出體外[16]。

2 色氨酸代謝與IBD腸道炎性改變

研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因素、基因易感、腸道微生物等與IBD的發(fā)病密切相關(guān)，腸道菌群和微生物代謝產(chǎn)物對(duì)于維持腸道健康很重要[17]。雖然腸道微生物組成和代謝產(chǎn)物高度復(fù)雜，但腸道微生物群、微生物代謝產(chǎn)物與腸道免疫功能之間的相關(guān)性已被證實(shí)。腸道微生物可以通過多種代謝產(chǎn)物影響宿主免疫，其中包括色氨酸的代謝產(chǎn)物[18-19]。

2.1KP與IBD腸道炎癥的相關(guān)性 KP的改變可能是IBD的發(fā)病機(jī)制之一。犬尿氨酸代謝途徑積累的代謝產(chǎn)物通過激活A(yù)hR參與免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程由IDO發(fā)起和控制。IDO通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)。在炎癥或感染的情況下，IDO表達(dá)上調(diào)的直接結(jié)果為T細(xì)胞周圍色氨酸的減少及犬尿氨酸表達(dá)的增加。犬尿氨酸是AhR的配體，可以激活A(yù)hR。而活化的AhR可促進(jìn)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cell，Treg細(xì)胞)CD4+CD25+的增殖并抑制活化T細(xì)胞的免疫功能。在外周，色氨酸的過度缺乏增加了犬尿氨酸的產(chǎn)生，進(jìn)而抑制了效應(yīng)T細(xì)胞及自然殺傷細(xì)胞的增殖和功能[20]。此外，色氨酸缺乏也會(huì)抑制免疫系統(tǒng)識(shí)別和破壞某些類型的腫瘤。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)IDO1基因敲除小鼠更易患結(jié)腸炎，表明IDO1是腸道炎癥的負(fù)調(diào)節(jié)劑[21]。通過葡聚糖硫酸鈉(dextran sulphate sodium，DSS)誘導(dǎo)潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis，UC)模型小鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樹突狀細(xì)胞衍生的IDO將色氨酸降解為犬尿氨酸，其促進(jìn)免疫抑制Treg細(xì)胞向炎癥T細(xì)胞的轉(zhuǎn)化[22]。研究證明，“祛瘀生新方”可以通過抑制視黃酸相關(guān)孤兒受體γt表達(dá)及輔助性T細(xì)胞17分化，同時(shí)上調(diào)叉頭框轉(zhuǎn)錄因子P3的表達(dá)及促進(jìn)Treg細(xì)胞分化，調(diào)控輔助性T細(xì)胞17/Treg細(xì)胞平衡，降低UC模型小鼠的腸道炎癥[23-24]。證明了Treg細(xì)胞軸在UC中誘導(dǎo)和維持黏膜愈合的重要性。在IDO1缺陷小鼠中，DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎嚴(yán)重程度降低，而黏蛋白表達(dá)增加(是宿主防御入侵細(xì)菌的第一道防線)[25]。

有研究通過使用超高效液相色譜和氣相色譜-質(zhì)譜分析99例IBD患者的血清色氨酸代謝產(chǎn)物，并通過定量實(shí)時(shí)聚合酶鏈反應(yīng)確定相關(guān)酶的表達(dá)，證明犬尿喹啉酸/色氨酸比值增加與內(nèi)鏡下腸道炎癥密切相關(guān)，并能預(yù)測(cè)UC患者的預(yù)后[26]。這支持了犬尿氨酸途徑在調(diào)節(jié)UC中黏膜炎癥中的作用。

可見，KP是色氨酸完成其生理功能的基礎(chǔ)，其不僅影響色氨酸的代謝和濃度，還與AhR對(duì)免疫系統(tǒng)的影響有關(guān)。雖然犬尿氨酸代謝途徑與腸道炎癥的發(fā)生存在相關(guān)性，但仍需進(jìn)一步明確腸道炎癥過程中KP的精確調(diào)節(jié)機(jī)制。

2.2AhR與IBD腸道炎癥的相關(guān)性

2.2.1調(diào)節(jié)局部IL-22的產(chǎn)生 IL-22是一種相對(duì)較新的細(xì)胞因子，對(duì)于維持腸道穩(wěn)態(tài)十分重要。在腸道中，IL-22的主要功能是支持和維持胃腸道上皮屏障的完整性，并增強(qiáng)機(jī)體對(duì)病原體入侵的防御機(jī)制。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，AhR的缺乏促進(jìn)了結(jié)腸炎的發(fā)展，部分原因?yàn)锳hR的缺乏改變了IL-22的產(chǎn)生[6]。在腸道炎癥情況下，IL-22可通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3途徑促進(jìn)上皮細(xì)胞再生和增強(qiáng)黏膜屏障完整性，使IBD患者達(dá)到黏膜愈合的效果。此外，IL-22可以上調(diào)上皮抗菌蛋白，進(jìn)一步殺死侵入性病原體，促進(jìn)腸道共生微生物的平衡。因此，細(xì)胞再生、組織重塑以及腸道中共生細(xì)菌與宿主免疫系統(tǒng)之間的平衡被認(rèn)為是IL-22的抗炎特性。

IL-22具有兩面性，在臨床試驗(yàn)中靛藍(lán)可以通過AhR激活I(lǐng)L-22途徑顯示出對(duì)UC具有很強(qiáng)的治療作用[27]。但I(xiàn)L-22途徑的持續(xù)激活會(huì)增加與結(jié)腸炎相關(guān)的癌癥風(fēng)險(xiǎn)，特別是在較長(zhǎng)IBD病史的患者中。Card9是眾多IBD易感基因之一，其編碼一種銜接分子蛋白，該蛋白整合了模式識(shí)別受體及下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn)，Card9參與了真菌的先天免疫反應(yīng)(通過C型凝集素感應(yīng)激活I(lǐng)L-22信號(hào)通路)，而IL-22在炎癥性疾病中可以保護(hù)組織免受損傷[28]。

Card9基因缺陷小鼠的腸道微生物群通過受損的色氨酸代謝改變IL-22信號(hào)通路，引起AhR激活缺陷，導(dǎo)致小鼠對(duì)結(jié)腸炎的易感性[27]。此外，IL-22是微生物群產(chǎn)生AhR配體所必需。通過對(duì)IBD患者的糞便進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，與來自IBD患者的糞便樣品相比，來自健康受試者的糞便樣品更加可以誘導(dǎo)AhR活化[29]。糞菌移植通過促進(jìn)IL-10和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β產(chǎn)生及AhR活化，減輕DSS誘導(dǎo)腸炎小鼠結(jié)腸黏膜損傷的嚴(yán)重程度，從而對(duì)結(jié)腸炎具有良好的治療效果[7]。這些證據(jù)均表明吲哚衍生物是由微生物群分解色氨酸產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，并被確定為AhR的激活劑，可調(diào)節(jié)局部IL-22的產(chǎn)生。因此，對(duì)AhR配體產(chǎn)生過程中的任何修飾均會(huì)影響IL-22水平，進(jìn)而影響微生物群與宿主細(xì)胞之間的脆弱平衡。

2.2.2誘導(dǎo)IBD小鼠模型腸道黏膜愈合 AhR在IBD患者的腸組織中表達(dá)下調(diào)，且AhR活化可通過誘導(dǎo)Treg細(xì)胞的產(chǎn)生，保護(hù)小鼠模型免于罹患結(jié)腸炎[27,30]。此外，吲哚-3-丙酸作為疾病緩解的生物標(biāo)志物，學(xué)者發(fā)現(xiàn)活動(dòng)性結(jié)腸炎患者循環(huán)血血清中的吲哚-3-丙酸選擇性減少，而UC模型小鼠通過口服吲哚類化合物或吲哚-3-丙酸可改善小鼠的結(jié)腸炎癥，表明吲哚化合物在黏膜愈合過程中起重要作用[19]。

盡管大多數(shù)內(nèi)源性色氨酸代謝產(chǎn)物已被鑒定為AhR的配體，但不能忽視的是其生理功能可能是其前體或下游產(chǎn)物作用的結(jié)果。許多AhR配體有效地結(jié)合在一起，并作為整體的一部分發(fā)揮功能，以保持機(jī)體健康。但是，可能還有更多潛在的途徑和配體有待發(fā)現(xiàn)[20]?？紤]到已經(jīng)鑒定出越來越多的內(nèi)源性配體，因此不可能只有一種配體承擔(dān)介導(dǎo)人體AhR生理功能的全部責(zé)任。色氨酸-AhR途徑的生理活性是通過多種AhR選擇性調(diào)節(jié)劑達(dá)到的終態(tài)。因此，對(duì)影響AhR信號(hào)通路因素的更全面了解對(duì)于闡明AhR信號(hào)通路的多種生理功能至關(guān)重要。

2.35-HT與IBD腸道炎癥的相關(guān)性 5-HT與5-HT受體相互作用，從而影響腸道的多種功能，然后被血清素選擇性再攝取轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白清除[31]。5-HT影響腸道的主要功能，包括運(yùn)動(dòng)、分泌、血流和感覺。而作為外周組織中5-HT主要來源，腸嗜鉻細(xì)胞是腸道中的一種特化細(xì)胞，其特化的微絨毛伸入腸腔，并含有酶和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，能夠通過周圍細(xì)胞釋放的中介物直接或間接對(duì)腸腔刺激做出反應(yīng)。5-HT是參與腸道分泌、感覺和蠕動(dòng)的關(guān)鍵信號(hào)分子。當(dāng)腸道5-HT能信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)元件被破壞時(shí)，這些功能均會(huì)受到影響，從而導(dǎo)致腹痛、腹瀉和(或)便秘等[32]。另外，腸道菌群對(duì)腸道中的色氨酸和5-HT均有直接和間接的調(diào)節(jié)作用。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，缺乏色氨酸羥化酶和使用5-HT合成抑制劑可減輕化學(xué)誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠癥狀，表明5-HT加重了腸道炎癥[33]。而腸道5-HT水平降低的色氨酸羥化酶1缺陷型小鼠對(duì)結(jié)腸炎的敏感性降低，其炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生減少[33]。此外，藥理學(xué)上阻斷外周5-HT合成可降低化學(xué)性和感染性腸道炎癥的嚴(yán)重性。在DSS或三硝基苯磺酸誘導(dǎo)的結(jié)腸炎模型中，上皮5-HT4受體的激活具有抗炎、促進(jìn)腸道炎癥修復(fù)的作用[18]。且許多機(jī)制可能有助于5-HT4受體活化的保護(hù)作用，包括增強(qiáng)上皮增殖，加速切口愈合以及增加對(duì)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡的抵抗力[32]。

總之，腸道菌群參與了5-HT的產(chǎn)生，5-HT通過不同途徑影響了腸道炎癥的發(fā)展，但其作用機(jī)制仍不明確，同時(shí)臨床觀察中很難確定IBD相關(guān)的5-HT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的改變是免疫應(yīng)答的原因還是結(jié)果，仍需進(jìn)一步研究。

3 小 結(jié)

腸道微生物產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物是飲食誘導(dǎo)的宿主-微生物相互作用的關(guān)鍵介質(zhì)[34]。血清素、犬尿氨酸和吲哚衍生物的3種主要色氨酸代謝途徑均與微生物群直接或間接產(chǎn)生作用。不同程度激活免疫系統(tǒng)，增強(qiáng)腸上皮屏障，刺激胃腸動(dòng)力，以及腸道激素的分泌，發(fā)揮抗炎、抗氧化或毒性作用。

研究表明，色氨酸代謝的變化與IBD發(fā)生的病因有關(guān)[19]。色氨酸不僅在IBD的病因?qū)W中起作用，腸道色氨酸分解代謝產(chǎn)物的消耗也可能影響IBD的嚴(yán)重程度。由于將色氨酸分解代謝產(chǎn)物與IBD患者病情相關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)多源自小鼠模型，因此需要更多的研究提供色氨酸分解代謝產(chǎn)物與人類健康之間的相互聯(lián)系及分子生物學(xué)機(jī)制。以及需要進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)判斷色氨酸含量的改變并非因腸滲漏或營(yíng)養(yǎng)不良所致。未來通過進(jìn)一步的臨床驗(yàn)證，腸道微生物色氨酸代謝有望作為IBD治療的靶點(diǎn)。