腸道微生物代謝組學(xué)檢測在疾病診療中的研究進展

吳敏，張麗霞

全基因組關(guān)聯(lián)研究表明，許多基因?qū)θ祟惣膊〉陌l(fā)生存在一定的影響，包括代謝性疾病、炎癥和神經(jīng)退行性疾病等。除了遺傳因素，環(huán)境和人為因素在疾病發(fā)病機制中的作用也逐漸被揭示，腸道不僅是人體消化吸收的重要場所，同時也在維持正常免疫防御功能中發(fā)揮著極其重要的作用。人體腸道為微生物提供了良好的棲息環(huán)境，成人腸道內(nèi)的微生物數(shù)量高達1014，接近人體體細胞數(shù)量的10倍，其包含的基因數(shù)目約是人體自身的100倍，補充人體的代謝功能。微生態(tài)腸道微生物及其代謝產(chǎn)物不僅能調(diào)節(jié)腸道微環(huán)境，還可以通過物理交互或通過機體分泌的代謝物分子進入全身循環(huán)從而影響人類的正常生理和疾病。微生物群與機體平衡被破壞會引起多種疾病,常見的有炎癥性腸病、乳糜瀉、食物過敏、結(jié)腸癌等。因此，本文概括地總結(jié)了腸道微生物代謝組學(xué)檢測在疾病診療中的最新進展。

1 TMO(三甲胺-N-氧化物)

氧化三甲胺(TMAO)是腸道微生物重要代謝產(chǎn)物之一,由富含磷脂酰膽堿(PC)和左旋肉堿的營養(yǎng)素在腸道微生物三甲胺(TMA)裂解酶作用下分解為TMA,進入肝臟后經(jīng)黃素單氧酶(FMO)3氧化而成[2]。TMAO具有多種生物活性,與心血管疾病、糖尿病、腎臟病等密切相關(guān)[3-4]。TMAO通過誘導(dǎo)膽固醇的變化(降低膽固醇逆向運輸)，影響甾醇代謝。動物實驗表明2%膽堿飼料誘導(dǎo)嚙齒動物6周，通過口服補充谷甾酮(一種法尼類X受體)而降低TMAO水平，使動脈粥樣硬化疾病得到改善[5]。

口服膽堿結(jié)構(gòu)類似物3，3-二甲基-1-丁醇的劑量 (DMB)或碘甲基膽堿(IMC)，一種針對微生物TMA產(chǎn)生的天然抑制劑酶，可以降低血栓形成風(fēng)險；與此同時，利用腸道微生物群靶向抑制劑碘甲基膽堿可以阻斷MAO膽堿飲食誘導(dǎo)的升高，改善腎功能，減弱腎小管間質(zhì)纖維化進程[6]。表明微生物酶可以作為靶標(biāo)來研制新藥。

2 短鏈脂肪酸(SCFAs)

SCFAs是胃腸道中濃度最高的代謝物之一。膳食纖維能夠影響結(jié)腸微生物群，多糖發(fā)酵的產(chǎn)物，特別是SCFAs屬于有益生物活性分子[7]，可反作用于宿主。SCFAs對宿主的作用包括調(diào)節(jié)T細胞和巨噬細胞分化及促炎介質(zhì)的下調(diào)。這些作用有助維持腸道間的精細平衡。核梭桿菌生長過程中釋放的SCFAs可以通過游離脂肪酸受體2 (FFAR2)觸發(fā)人中性粒細胞的趨化，參與炎癥反應(yīng)[8]。而且游離脂肪酸可作為2型糖尿病的獨立危險因素，在預(yù)測2型糖尿病易感性方面有很大潛力[9]。

脂質(zhì)代謝與代謝性疾病密切相關(guān)，一些SCFAs，特別是丁酸鹽灌腸在潰瘍緩解期患者中的應(yīng)用較大，而對結(jié)腸炎或腸易激綜合征影響作用相對較小。動物實驗表明，對新生小鼠直接給予丁酸鹽或谷氨酰胺可減弱疾病表型，母體攝入丁酸鹽會影響新生小鼠的糞便微生物群和代謝物及實驗性膽道閉鎖的表型表達，谷氨酰胺可促進膽管上皮細胞的存活[10]。而丁酸作為組蛋白去乙?；敢种苿?、G蛋白耦聯(lián)受體激活劑能顯著改善阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥、自閉癥、亨廷頓病及精神分裂癥[11-12]。

3 長鏈脂肪酸(LCFAs)

LCFAs長期以來一直被用作機體膳食補充，或者作為亞麻籽，或含有亞油酸的紫蘇油和含有ω-3和ω-6脂肪酸(fatty acids,FA)，被認為是機體必不可少的，因它們不能由人體產(chǎn)生，主要通過飲食獲取，并最終經(jīng)代謝產(chǎn)生生物活性脂質(zhì)介體，可以降低血壓(花生四烯酸)或通過減弱炎性細胞因子來調(diào)節(jié)炎癥[13]。多種共軛亞油酸、氧基FA和羥基FA為微生物代謝物，由乳酸菌、糞腸球菌等腸道中共生菌產(chǎn)生。可以靶向作用于巨噬細胞中的過氧化物酶體增殖物激γ受體，增強上皮屏障完整性[14]。此外，共軛亞油酸可作為維生素和纖維輔助治療潰瘍性結(jié)腸炎[15]。

4 4-乙基苯硫酸鹽(4-EPS)

4-EPS是一種食物發(fā)酵產(chǎn)物，可能為尿毒癥毒素。小鼠有低濃度的4-EPS。動物實驗顯示，母體免疫激活4-EPS增加(Mia)自閉癥譜系障礙(ASD)小鼠模型，4-EPS水平升高與行為異常相關(guān)，脆弱芽孢桿菌治療可改善異常影響，表明ASD具有益生菌和后生菌作用[16]。

5 吲哚

肝性腦病(HE)是臨床上常見的以代謝紊亂為基礎(chǔ)的神經(jīng)精神異常綜合征,其臨床表現(xiàn)可從亞臨床改變,如輕微肝性腦病(minimal hepatic encephalopathy, MHE),進展到昏迷。研究[17]證實,腸道微生物(gut microbiota, GM)及有害毒副產(chǎn)物如氨、吲哚、羥吲哚和內(nèi)毒素參與HE的發(fā)病,尤其通過腸-肝-腦軸功能失調(diào)機制在HE的疾病進展發(fā)揮重要作用。

腸道微生物區(qū)系是生物活性代謝物的主要來源之一，色氨酸在色氨酸酶作用下生成吲哚，該過程離不開微生物基因組編碼程序[18]。色氨酸衍生物，如由產(chǎn)孢梭菌轉(zhuǎn)化的3-吲哚丙酸(IPA)和由乳酸桿菌編碼并由色氨酸酶識別的吲哚-3-醛，通過芳烴受體(AhR)介導(dǎo)參與疾病的發(fā)病。AhR由配體激活的古老的保守蛋白，在脊椎動物和無脊椎動物的不同組織中廣泛表達。AhR通路失調(diào)與許多發(fā)育缺陷和慢性疾病有關(guān)[19]，如吲哚-3-醛通過AhR介導(dǎo)淋巴細胞產(chǎn)生IL-22引發(fā)白念珠菌感染[20]。在自身免疫性腦脊髓炎多發(fā)性硬化動物模型中，吲哚代謝物通過調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥反應(yīng)，降低了星形膠質(zhì)細胞的致病活性。此外，吲哚-3-丙酸補充劑(一種5-HT前體)可用于治療共濟失調(diào)和多發(fā)性硬化癥[21-22]。

6 其他蛋白質(zhì)衍生代謝物

結(jié)腸菌群可分泌氨基酸、有機酸、核苷及多胺，且宿主-細菌共培養(yǎng)產(chǎn)生的代謝物與單獨培養(yǎng)的宿主細胞或單獨培養(yǎng)的細菌產(chǎn)生的代謝物不同[23]。?；撬崴皆黾涌捎绊懷装Y小體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，因此可用來調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)。腸道疾病研究[24]表明?；撬釣榻Y(jié)直腸癌和糖尿病患者的有利代謝物，可預(yù)防糖尿病血管并發(fā)癥，主要通過介導(dǎo)氧化應(yīng)激生酮還原碳水化合物途徑發(fā)揮作用[25]。

丙酸咪唑是一種新近發(fā)現(xiàn)的組氨酸衍生代謝物，在2型糖尿病的病理生理學(xué)中起著重要作用，通過激活p38γ、p62和mTORC1途徑對糖尿病患者造成傷害。因此，臨床研究[26]提出通過調(diào)整飲食(低蛋白質(zhì))方案來抑制咪唑丙酸鹽的產(chǎn)生。

7 多胺

多胺參與炎癥的反應(yīng)調(diào)節(jié)，通過氨基酸脫羧產(chǎn)生精胺，可降低結(jié)腸IL-18水平并抑制NLRP6炎癥小體產(chǎn)生，在炎癥性腸病患者和慢性DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠體內(nèi)水平增加[27]。與此同時，多胺釋放節(jié)律與人體生物鐘功能有關(guān)，因此控制腸道多胺水平可調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)[28]。

8 維甲酸

維甲酸由腸道梭狀芽孢桿菌產(chǎn)生，通過IgA調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答[29]。維甲酸及其受體的缺乏與結(jié)腸炎、結(jié)腸癌及IBD相關(guān)[30]。同時，全反式維甲酸(ATRA)作為一種治療免疫失調(diào)的潛在物質(zhì)被廣泛應(yīng)用，如血小板減少癥、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、肝硬化、癌癥及自身免疫性疾病[31-32]。

9 膽汁酸

腸道微生物通過調(diào)節(jié)自身群落比例和代謝產(chǎn)物的釋放影響宿主的葡萄糖代謝和胰島素抵抗[33]。初級膽汁酸(BA)由鵝去氧膽酸(CDCA)和膽酸(CA)通過肝細胞從膽固醇在肝臟中合成，CA轉(zhuǎn)化為二基脫氧膽酸(DCA)，CDCA生成單羥基石膽酸(LCA)。結(jié)腸細菌進一步代謝7a-氧代-lca為“三級”BA和熊去氧膽酸(UDCA)[34]。UDCA可提高胰島素敏感性，促進2型糖尿病患者糖代謝，進而減輕體質(zhì)量，對抗感染也起著關(guān)鍵作用。因UDCA可抑制患者糞便中艱難梭菌的生長，常被用作治療艱難梭菌相關(guān)性囊炎[35]。而DCA可阻礙前列腺素E2合成(一種抑制隱窩修復(fù)的物質(zhì))，具有促進傷口修復(fù)作用[36]。動物實驗表明，在小鼠肝癌模型中，通過繼發(fā)性BA給藥可減少自然殺傷T細胞積聚，降低CXCL16表達，從而逆轉(zhuǎn)抗腫瘤作用[37]。

10 黃酮類

黃酮類化合物是多酚類次生植物代謝物，具有廣泛的生物能力，包括抗氧化作用，對血管內(nèi)皮細胞保護作用和抗癌活性。黃酮類化合物是主要的膳食植物多酚，對健康有積極的作用[38]，如蘆丁和槲皮素可以抑制大腸桿菌和粘質(zhì)沙雷氏菌生長；木犀草素作為抗氧化劑抑制肥大細胞，參與炎癥反應(yīng)[39]。

由腸道產(chǎn)生或調(diào)節(jié)的代謝物微生物群雖功能多效，但高度依賴于上下游作用因子。如SCFAs作為能量燃料，通過修飾組蛋白殘基調(diào)節(jié)基因表達，或通過與受體結(jié)合和觸發(fā)起信號分子作用。下游信號級聯(lián)高度依賴于細胞類型、濃度、組織背景及受體表達模式。另外，疾病的產(chǎn)生也取決于特定代謝物對疾病的分子病因?qū)W，可用干預(yù)手段調(diào)整防代謝物水平，綜合給藥的途徑、頻率及個體間藥代動力學(xué)的差異，使得防代謝物有助于疾病病理生理學(xué)改變。腸道微生物代謝組學(xué)研究為疾病的治療提供了新的治療方向和治療靶點，需要進一步加深相關(guān)研究，以期使疾病的診療達到一個新的里程碑。