色氨酸及其衍生物在炎癥性腸病中的研究進(jìn)展

陳文軒， 張 哲， 周 川， 王素敏， 王 亮， 馮百歲

鄭州大學(xué)第二附屬醫(yī)院消化內(nèi)科，河南 鄭州 450014

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是一組主要影響胃腸道的免疫相關(guān)性疾病，主要包括潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis，UC)和克羅恩病(Crohn′s disease，CD)，常伴腹痛、腹瀉、黏液膿血便等臨床癥狀，嚴(yán)重者會出現(xiàn)營養(yǎng)不良和腸穿孔。IBD在西方國家發(fā)病率較高，近年來，隨著環(huán)境的變化、飲食和生活方式的西方化以及由此導(dǎo)致的腸道微生物代謝紊亂等多種因素，IBD在我國的發(fā)病率逐年增加[1]。

IBD患者腸道菌群失調(diào)，致病菌增多，產(chǎn)生的腸毒素導(dǎo)致腸上皮通透性增加，破壞腸道屏障完整性；有益菌減少，其所產(chǎn)生的短鏈脂肪酸、色氨酸、膽汁酸等代謝產(chǎn)物的濃度降低，對腸黏膜的保護(hù)作用減弱。本團(tuán)隊(duì)既往研究發(fā)現(xiàn)[2]，菌群代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸通過調(diào)節(jié)腸道免疫細(xì)胞、維持黏膜完整性、調(diào)控細(xì)胞因子、提供細(xì)胞能量等在維持IBD患者腸道穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要的作用。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，色氨酸及其多途徑衍生物，通過與芳基烴受體(Aryl hydrocarbon receptor，AhR)等受體結(jié)合，能夠加強(qiáng)機(jī)械屏障、穩(wěn)定免疫屏障、維持化學(xué)屏障和恢復(fù)微生物屏障，在維持腸道屏障完整性方面發(fā)揮著重要的作用。本文就色氨酸及其衍生物在IBD中的研究進(jìn)展作一綜述。

1 色氨酸及其受體簡介

色氨酸是哺乳動物的必需氨基酸，是大量微生物和宿主代謝物的生物合成前體。色氨酸含量較高的食物主要有家禽、牛奶、金槍魚、奶酪、面包、燕麥、李子、巧克力、花生等[3]。根據(jù)世界衛(wèi)生組織指南推薦，成人色氨酸攝入量為4 mg·kg-1·d-1。中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體1(broad neutral amino acid transporter 1，B0 AT1)，又稱SLC6A19，主要在人和小鼠腸上皮細(xì)胞表達(dá)，色氨酸在胃腸道通過B0 AT1進(jìn)入腸上皮細(xì)胞中[4]。有研究發(fā)現(xiàn)，色氨酸可通過色氨酸-犬尿氨酸(kynurenine, KYN)代謝途徑、色氨酸-吲哚代謝途徑以及色氨酸-5-羥色胺(5-hydroxytryptamine, 5-HT)代謝途徑，生成各種衍生物，發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)[3]。

AhR是一種配體依賴性轉(zhuǎn)錄因子，可以感知多種腸道信號，維持腸道菌群和宿主之間的穩(wěn)態(tài)，目前被認(rèn)為是控制腸道炎癥的潛在靶點(diǎn)[5]。色氨酸作為AhR配體，與約50%的AhR結(jié)合，生成的AhR/ARNT復(fù)合物從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)位到細(xì)胞核，調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞、上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞等多種細(xì)胞的基因表達(dá)。此外，色氨酸還可以通過作用于一般性調(diào)控阻遏蛋白激酶2(general control nonderepressible 2，GCN2)[6]、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)[7]和5-羥色胺受體(5-hydroxytryptamine receptor，5-HTR)[8]，在機(jī)體發(fā)揮著重要的作用。

據(jù)報道，色氨酸對DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎具有保護(hù)作用[9]。另有研究發(fā)現(xiàn)，與健康受試者相比，IBD患者腸組織中AhR的表達(dá)降低，也間接說明色氨酸在維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)方面起著至關(guān)重要的作用[10]。

2 色氨酸代謝途徑及其代謝產(chǎn)物的作用

2.1 色氨酸-KYN途徑95%的色氨酸經(jīng)過KYN代謝途徑發(fā)揮著重要的生理功能，該途徑主要發(fā)生在肝臟，其次是大腦和小腸。色氨酸2，3-雙加氧酶(tryptophan-2，3-dioxygenase，TDO)和吲哚胺2，3-雙加氧酶(indoleamine-2，3-dioxygenase，IDO)是代謝過程中的限速酶，其中TDO主要介導(dǎo)色氨酸的基礎(chǔ)代謝，而IDO更多的是在免疫環(huán)境中發(fā)揮作用[11]。色氨酸在TDO/IDO催化作用下產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物，如KYN、犬尿酸、黃尿酸、朱砂精酸、喹啉酸和吡啶甲酸[12]。KYN是色氨酸代謝途徑的第一個穩(wěn)定產(chǎn)物，是代謝途徑的中心節(jié)點(diǎn)，有研究發(fā)現(xiàn)，KYN可以同時激活A(yù)hR的B和D等位基因，促進(jìn)多種細(xì)胞因子的表達(dá)[13]。此外，KYN還可以通過影響GCN2和mTOR信號通路，對機(jī)體免疫應(yīng)答具有多效性作用[14]。

2.2 色氨酸-吲哚途徑4%～6%的色氨酸在腸道菌群作用下生成吲哚及吲哚衍生物[15]。其中，85種以上細(xì)菌含有色氨酸酶(由TnaA編碼)可以直接產(chǎn)生吲哚乙酸、吲哚硫酸、吲哚-3-乙醛、吲哚丙烯酸、吲哚-3-醛和色胺；非吲哚產(chǎn)菌可通過細(xì)胞色素P450(cytochrome P450，CYP450)酶或羥基吲哚加氧酶將吲哚轉(zhuǎn)化為吲哚-3-丙酸和吲哚硫酸酯[16]。吲哚及其代謝產(chǎn)物作為一種特殊性的微生物信號分子，在AhR的激活中起著核心作用。有研究發(fā)現(xiàn)，在IBD患者中，吲哚和AhR的表達(dá)下調(diào)[17]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，給予色氨酸及吲哚代謝產(chǎn)物后，小鼠腸黏膜中AhR生成增加，IL-10R表達(dá)明顯上調(diào)，小鼠結(jié)腸炎活動程度明顯減弱[18]。此外，吲哚還可以激活孕烷X受體(pregnane X receptor，PXR)和維甲酸相關(guān)孤兒受體γt(retinoid-related orphan nuclear receptors，RORγt)，在調(diào)節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要作用。

2.3 色氨酸-5-HT途徑5-HT又稱血清素，是一種生物單胺。羥化酶(Trp hydroxylase，TPH)是色氨酸轉(zhuǎn)化為5-HT的關(guān)鍵酶，TPH1和TPH2將色氨酸轉(zhuǎn)化為中間的I-5-羥色氨酸(I-5-HTP)；I-氨基酸脫羧酶將I-5-HTP轉(zhuǎn)化為5-HT[19]。此外，乳球菌、乳桿菌等腸道菌群能夠通過表達(dá)色氨酸合成酶產(chǎn)生5-HT[20]，調(diào)節(jié)腸道菌群組成。胃腸道中表達(dá)的5-HTR被分為7個家族(5-HTR1～7)，在機(jī)體多種細(xì)胞中表達(dá)，發(fā)揮不同的生物學(xué)功能。其中，在IBD發(fā)病機(jī)制中，5-HTR3似乎加重了炎癥過程，而5-HTR1A和5-HTR4則可以減輕或延緩炎癥過程[21]。5-HT作為AhR的激活劑，通過激活A(yù)hR/Cyp1A1途徑調(diào)節(jié)腸道免疫應(yīng)答[22]。

3 色氨酸在腸黏膜屏障中的保護(hù)作用

腸黏膜屏障主要由相關(guān)淋巴組織、單層上皮細(xì)胞、杯狀細(xì)胞、腸道微生物群以及多種細(xì)胞分泌的黏液層等構(gòu)成，包括機(jī)械屏障、化學(xué)屏障、免疫屏障和微生物屏障[23]，在選擇性滲透營養(yǎng)物質(zhì)的同時，將宿主與潛在的有害物質(zhì)如腔毒素、抗原和微生物分隔開。在IBD患者腸黏膜中，環(huán)境因素、藥物、飲食、宿主微生物群以及遺傳因素，如編碼E-Cadherin的CDH1基因多態(tài)性等多種原因?qū)е履c黏膜屏障的破壞，有害菌群易位，導(dǎo)致腸道穩(wěn)態(tài)紊亂[24]。色氨酸通過以上3種代謝途徑，生成大量衍生物，在保護(hù)腸道屏障中發(fā)揮著重要的作用。

3.1 加強(qiáng)機(jī)械屏障功能單層上皮細(xì)胞是機(jī)械屏障的重要組成部分，維持上皮層的完整性對于抑制病原體進(jìn)入腸道、維持營養(yǎng)物質(zhì)交換等至關(guān)重要。緊密連接(tight junctions，TJs)、粘附連接、橋粒和縫隙連接的相互作用，保護(hù)上皮細(xì)胞間結(jié)構(gòu)的完整性，維持上皮細(xì)胞屏障功能[25]。其中TJs蛋白是最重要的組成部分，Occludins和Claudins是核心的TJs蛋白，Zonula occluden-s(ZO-s)是框架形成蛋白。有研究發(fā)現(xiàn)，乳桿菌產(chǎn)生的色氨酸衍生物可以明顯增加Occludins和Claudins的mRNA表達(dá)[26]。IBD患者腸道TNF-α、IFN-γ等細(xì)胞因子生成增多，促進(jìn)肌凝蛋白輕鏈激酶(myosin light chain kinase，MLCK)激活，導(dǎo)致肌凝蛋白輕鏈(myosin light chain，MLC)的磷酸化，誘導(dǎo)ZO-1的分解。色氨酸通過激活A(yù)hR，抑制MLCK/MLC通路，避免ZO-1的分解，保護(hù)腸黏膜屏障[27]。此外，色氨酸及其衍生物通過維持肌動蛋白(包括MyoIIA和ezrin)，抑制了肌動蛋白調(diào)節(jié)蛋白的激活，調(diào)控腸道上皮的通透性[28]；還可以通過激活A(yù)hR/Notch1信號通路，或者抑制TNF-α/NF-κB途徑，穩(wěn)定機(jī)械屏障。

3.2 維持化學(xué)屏障杯狀細(xì)胞分泌的黏蛋白(Mucin，MUC)、腸道免疫細(xì)胞分泌的溶菌酶以及多種抑菌物質(zhì)組成腸道黏液化學(xué)屏障。結(jié)直腸杯狀細(xì)胞持續(xù)分泌的MUC2，是黏液化學(xué)屏障的重要組成部分，通過阻止致病細(xì)菌與上皮細(xì)胞表面的直接接觸，保護(hù)上皮細(xì)胞屏障功能，并作為能量來源為腸道共生菌補(bǔ)充營養(yǎng)[29]。有研究發(fā)現(xiàn)，IBD患者腸黏膜中杯狀細(xì)胞和MUC表達(dá)減少，且活檢標(biāo)本顯示UC患者的黏液層較薄，特別是在炎癥區(qū)域[30]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在雌性C57BL/6J小鼠中，吲哚類似物如吲哚丙酮酸通過激活PXR，減少TNF-α的生成，促進(jìn)杯狀細(xì)胞成熟分化；還可以通過刺激IL-22生成增多，進(jìn)一步修復(fù)受損的杯狀細(xì)胞[31]。與DSS誘導(dǎo)的小鼠相比，色氨酸及其代謝產(chǎn)物可以明顯促進(jìn)MUC1和MUC2的mRNA表達(dá)，增加黏液分泌，保護(hù)腸黏膜屏障完整性。此外，吲哚及其衍生物激活A(yù)hR，通過IL-22/STAT3途徑刺激再生胰島衍生蛋白3β(regenerating protein，Reg3β)、Reg3γ等抗菌肽的產(chǎn)生[32]，抑制腸道致病菌的增殖，維持腸道化學(xué)屏障。

3.3 穩(wěn)定免疫屏障腸相關(guān)淋巴組織(gut associated lymphoid tissue，GALT)和分泌型免疫球蛋白(secretory immunoglobulin A，sIgA)是構(gòu)成腸道免疫屏障的重要組成部分。其中，腸道先天淋巴細(xì)胞(innate lymphoid cells，ILCs)作為機(jī)體重要的固有免疫細(xì)胞，其分泌的IL-22能誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞分泌抗菌肽及MUC，抵抗腸道病原菌。研究發(fā)現(xiàn)，喂養(yǎng)含有色氨酸的食物后，野生小鼠AhR的mRNA表達(dá)增加，激活上調(diào)kit和Notch信號通路，促進(jìn)ILCs增殖，增加IL-22含量[33]。此外，KYN作用于AhR，刺激TSG-6的生成增多，抑制巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的局部浸潤，減少TNF-α、IL-6的生成，改善DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎[34]。在IBD患者腸黏膜中，TH17/Treg細(xì)胞比例明顯失調(diào)，IL-10、TGF-β等抑炎因子分泌減少，IL-17A、IL-17F、IL-21等促炎因子大量產(chǎn)生，色氨酸通過激活A(yù)hR，調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子Foxp3和RORγt，以及通過JAK-STAT途徑調(diào)節(jié)Treg和Th17之間的平衡[35]。IL-10抗炎作用已被廣泛研究，缺乏IL-10或IL-10R的小鼠更容易患自發(fā)性結(jié)腸炎，KYN可明顯促進(jìn)IL-10的生成和IL-10R的表達(dá)[36]。sIgA是腸道中主要的免疫球蛋白，IBD患者常伴黏膜sIgA減少，且與疾病的嚴(yán)重程度相關(guān)，5-HT通過與5-HTR3A結(jié)合，促進(jìn)B細(xì)胞成熟和增殖，刺激IgA的分泌增加。

3.4 恢復(fù)微生物屏障胃腸道中有約1014個細(xì)菌，在維持腸黏膜免疫平衡以及機(jī)體能量的攝取中發(fā)揮著重要的作用。有研究表明，在IBD患者中，有益菌(主要包括厚壁菌門和擬桿菌門)的細(xì)菌種類豐度降低，而致病菌(如變形菌門和腸桿菌科)的細(xì)菌種類相對增多，致病菌侵入黏膜，觸發(fā)腸黏膜免疫系統(tǒng)，引起結(jié)腸黏膜潰瘍和炎癥。黏附-侵襲性大腸桿菌在活動性CD患者的回腸活檢部位明顯增多[37]，吲哚可以通過群體感應(yīng)信號傳感器來抑制大腸桿菌生物膜的形成，明顯抑制腎上腺素和去甲腎上腺素對大腸桿菌的趨化性、活力、粘附、毒力基因表達(dá)等的促進(jìn)作用[38]，抑制大腸桿菌對上皮細(xì)胞的粘附。羅伊氏乳桿菌和約氏乳桿菌通過芳香氨基酸氨基轉(zhuǎn)移酶將色氨酸轉(zhuǎn)化為吲哚-3-醛，通過防止致病微生物(如白色念珠菌)的定植，維持腸道穩(wěn)態(tài)，減輕腸道炎癥[39]。在DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠中，厚壁菌門和變形菌門的相對豐度顯著升高，而擬桿菌門的相對豐度下降，給予色氨酸飲食后，可明顯恢復(fù)菌群比例[26]。

4 展望

目前IBD在我國發(fā)病率越來越高，隨著高通量測序等技術(shù)的逐步發(fā)展，腸道微生物及其代謝產(chǎn)物得到越來越多的關(guān)注，糞菌移植的治療作用也得到廣泛的研究。益生菌、益生元在臨床的應(yīng)用使得IBD治療方案不再局限于糖皮質(zhì)激素、氨基水楊酸制劑、免疫制劑、生物制劑等。色氨酸及其衍生物在維持腸黏膜屏障完整性中發(fā)揮著重要的作用，衍生物激活A(yù)hR通路為IBD的未來治療提供了前景，也為益生菌、益生元治療IBD提供新的方向。