王麗群龐日朝胡曉敏葉佳美張安仁

(1.成都中醫(yī)藥大學養(yǎng)生康復學院,成都 610075； 2.西部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院康復醫(yī)學科,成都 610083；3.同濟大學附屬上海市第四人民醫(yī)院康復醫(yī)學科,上海 200434)

腸道是一個復雜的微生態(tài)系統(tǒng),擁有一個密集而多樣的微生物群落,稱為腸道菌群,該菌群與宿主共同進化以建立相互關系。 腸道菌群被認為是一種虛擬內分泌器官,產(chǎn)生的分子能夠與宿主生理相互作用并觸發(fā)局部和全身反應,宿主-微生物群的生物串擾是疾病發(fā)病機理的主要因素[1-2]。 研究表明,大量的代謝物能夠驅動宿主與其微生物組之間的串擾。 色氨酸(tryptophan,TRP)是一種必需氨基酸,必須從飲食中獲取。 飲食中缺乏TRP 會損害腸道免疫力并改變腸道微生物群落[3],TRP 代謝對腸道菌群起著重要的調節(jié)作用,因此TRP 作為宿主微生物串擾中的關鍵必需氨基酸,受到越來越多的關注。 同時,腸道菌群也會對TRP 的代謝產(chǎn)生重要影響,表明腸道菌群與TRP 代謝之間的相互作用影響宿主的全身穩(wěn)態(tài)。 本文主要闡述了腸道菌群的分類和功能,腸道菌群對TRP 代謝影響及相關疾病的研究,為疾病發(fā)病機制和治療等臨床研究提供新的視角。

1 腸道菌群的分類和功能

腸道菌群是個龐大復雜的群體,種類達500 種,細菌總數(shù)達100 萬億。 腸道菌群主要是由厭氧兼性厭氧菌和需氧菌組成,其中厭氧菌占99%以上[4]。在人體腸道微生物群落中,目前已發(fā)現(xiàn)的細菌有9個門, 包 括 厚 壁 菌 門(Firmicutes)、 擬 桿 菌 門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、梭桿菌門(Fusobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、藍細菌(Cyanobacteria)、螺旋體門(Spirochaeates)和VadinBE97 菌門,其中最主要的是厚壁菌門和擬桿菌門。 腸道是細菌最佳的營養(yǎng)環(huán)境,正常情況下,腸道菌群、宿主與外部環(huán)境建立起一個動態(tài)平衡,腸道菌群的種類和數(shù)量是相對穩(wěn)定的,但會受到年齡、性別、藥物、飲食等多種因素的影響而發(fā)生改變,引起腸道菌群失調。 腸道微生物群在免疫發(fā)育和活動、代謝和營養(yǎng)穩(wěn)態(tài)、大腦功能和行為等多個方面對宿主具有重要意義[5]。其中對胃腸道代謝物的合成、消化、發(fā)酵和次級代謝的調節(jié)是腸道微生物群的基本功能之一。 大量與腸道微生物相關的胃腸道代謝物具有生物活性并影響宿主細胞的分化、遷移、增殖和凋亡過程,從而對宿主產(chǎn)生多種生理或病理作用,表明代謝物能夠驅動宿主與其微生物組之間的串擾[6]。 目前研究主要涉及宿主-微生物群相互作用的代謝物有:一,短鏈脂肪酸,由纖維發(fā)酵產(chǎn)生的細菌產(chǎn)生；二,膽汁酸,在影響宿主之前被腸道微生物轉化；三,色氨酸代謝。 其中色氨酸代謝是本文闡述的重點,色氨酸代謝產(chǎn)物胃腸道和外周中都發(fā)揮著重要作用,而腸道菌群影響著色氨酸代謝。

2 色氨酸的代謝途徑

TRP 除了在體內被用于合成蛋白質之外,在胃腸道中主要遵循三種代謝途徑:犬尿氨酸途徑、5-羥色胺途徑和微生物代謝途徑。

2.1 犬尿氨酸途徑

機體內約有95%的TRP 通過犬尿氨酸途徑被代謝為犬尿氨酸(kynurenine,KYN)[7]。 KYN 的產(chǎn)生依賴于肝細胞中的色氨酸2, 3-雙加氧酶(tryptophan 2,3-dioxygenase,TDO)和存在于其他細胞中的引哚胺2,3-雙加氧酶(indoleamine 2,3-dioxygenase,IDO)[8]。 TDO 可以由糖皮質激素或TRP 本身誘導,而IDO 受某些炎癥因子刺激的影響,如腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor-alpha,TNF-α)、干擾素g(interferon-g,IFN-g)、干擾素γ(interferon gamma,IFN-γ),其中IFN-γ 是最有效的誘導劑[9]。 KYN 一旦產(chǎn)生,便會通過兩種不同的途徑進一步代謝:犬尿酸途徑和喹啉酸途徑。 KYN 在犬尿酸途徑中被犬尿氨酸氨基轉移酶催化轉氨生成犬尿酸并隨尿排出。 在喹啉酸途徑中,KYN 首先被犬尿氨酸羥化酶羥化生成3-羥基犬尿氨酸,進而被3-羥基鄰氨基苯甲酸3,4-雙氧化酶催化形成喹啉酸或吡啶甲酸等代謝物[10]。 喹啉酸被認為是一種興奮性N-甲基D-天冬氨酸(N-Methyl-D-aspartic acid,NMDA)受體激動劑,具有神經(jīng)毒性,而犬尿酸則是一種神經(jīng)保護性NMDA 拮抗劑和a7 煙堿膽堿能激動劑[11]。

2.2 5-羥色胺途徑

5-羥色胺(serotonin,5-HT)又名血清素,因此TRP 代謝的5-羥色胺途徑又被稱為血清素途徑。大約1%～2%的TRP 在色氨酸羥化酶(tryptophan hydroxylase,TPH)的作用下被羥化生成5-羥色氨酸(5-Hydroxytryptophan,5-HTP)[12],TPH 主要以兩種亞型存在:色氨酸羥化酶1(tryptophan hydroxylase 1,TPH1)和色氨酸羥化酶2(tryptophan hydroxylase 2,TPH2),TPH1 主要存在于腸道腸嗜鉻細胞、脾臟、松果體和胸腺中,TPH2 完全存在于神經(jīng)元細胞中[13]。 5-HTP 進而在芳香羧酸脫羧酶的作用下脫羧后形成5-HT,5-HT 通過單胺氧化酶和醛脫氫酶轉化為最終產(chǎn)物5-羥吲哚乙酸(5-hydroxyindolacetic acid,5-HIAA),可在尿液中迅速排出[14]。 5-HT 主要由胃腸道中的腸嗜鉻細胞產(chǎn)生,是一種重要的胃腸道信號分子,它將信號從腸道傳遞到內在或外在的神經(jīng)元,并影響腸道蠕動和運動、分泌、血管擴張和營養(yǎng)物質的吸收[15]。

2.3 微生物代謝途徑

雖然大多數(shù)TRP 都在小腸中被消化吸收,但是部分TRP 仍可以到達結腸,并被結腸中的多種共生菌群降解。 吲哚是TRP 的主要細菌分解產(chǎn)物,在色氨酸酶的分解下形成。 色氨酸酶在大腸桿菌、梭狀芽孢桿菌、霍亂弧菌、變形桿菌、志賀氏菌和糞腸球菌等多種腸道微生物中均有表達[16]。 吲哚吸收后被氧化成吲哚基,與硫酸鹽偶聯(lián)形成吲哚酚硫酸鹽,并以尿的形式排出體外[17]。 腸道微生物通過其他各 種 途 徑 將 TRP 轉 化 色 胺、 吲 哚-3-丙 酸( indolepropionic-3- acid, IPA )、 吲 哚 乳 酸(indolelactic acid,ILA)、吲哚-3-乙酸(indoleacetic-3- acid,IAA)、吲哚-3-醛(indole-3-aldehyde,IAld)、吲哚丙烯酸(indoleacrylic acid,IA)和糞臭素等。

3 腸道菌群對色氨酸代謝及其相關疾病的影響

3.1 犬尿氨酸途徑

越來越多的研究報告了腸道菌群對色氨酸犬尿氨酸代謝途徑及其相關疾病的影響。 在沒有腸道菌群或菌群失調的情況下,血漿中TRP 的濃度會增加,犬尿氨酸途徑代謝減少,從而導致犬尿氨酸/色氨酸含量(KYN/TRP)比值降低,但在菌群移植后會使血漿中的TRP 和犬尿氨酸途徑的代謝正?；?從而對各種疾病產(chǎn)生重要影響。

研究發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者的腸道菌群會發(fā)生改變,血漿中TRP 濃度降低,這與IDO 活性增強有關,神經(jīng)毒性喹啉酸增加和神經(jīng)保護性犬尿酸減少,KYN/TRP 比值的增加,而益生菌可重塑抑郁癥患者的腸道菌群并影響犬尿氨酸代謝途徑。 Desbonnet 等[18]使用嬰兒雙歧桿菌治療抑郁癥大鼠14 d 后,顯著增加了血漿TRP 濃度和犬尿酸/犬尿氨酸比值,降低了KYN/TRP 比值和IDO 活性,同時還導致額葉皮層中5-HIAA 濃度的降低,表明雙歧桿菌使犬尿氨酸途徑中IDO 活性降低,血漿TRP 的可用性增加,在該途徑下游進一步產(chǎn)生神經(jīng)保護性犬尿酸的趨勢增加。 最近,Rudzki 等[19]將60 名重度抑郁癥患者隨機分配到一項干預8 周的安慰劑對照試驗中,30 名患者接受益生菌植物乳桿菌229v(LP299v)治療,另外30 名患者接受安慰劑治療,結果顯示益生菌LP299v 降低了重度抑郁癥患者血漿中的KYN 濃度和增加了3-羥基犬尿氨酸/犬尿氨酸比值,并且益生菌LP299v 改善了患者的認知能力。 Kazemi等[20]對抑郁癥患者進行益生菌(瑞士乳桿菌和長雙歧桿菌)和安慰劑干預8 周后也得到類似結果,與安慰劑組相比,益生菌組的KYN/TRP 比值顯著降低,并且抑郁癥狀得到緩解。

神經(jīng)退行性疾病中犬尿氨酸代謝途徑的激活導致犬尿氨酸失衡,進而產(chǎn)生神經(jīng)毒性代謝產(chǎn)物,神經(jīng)毒性和神經(jīng)變性的升高,而腸道菌群會影響犬尿氨酸代謝途徑。 多發(fā)性硬化癥(MS)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自身免疫性疾病,與脫髓鞘和神經(jīng)元丟失有關,犬尿氨酸途徑產(chǎn)生神經(jīng)保護性和神經(jīng)毒性代謝產(chǎn)物(如喹啉酸)可影響MS。 在MS 研究進展中,犬尿氨酸途徑的激活很可能是由于促炎細胞因子(如TNF-α 和IFN-g)從而促進IDO-1 表達。 在MS 的實驗性變態(tài)反應性腦脊髓炎(EAE)模型中,觀察到大鼠血清中喹啉酸和KYN/TRP 比值的水平顯著升高,并且這些水平與疾病嚴重程度的增加相關[21]。阿爾茨海默氏病(AD)也與犬尿氨酸途徑有關,特別是與喹啉酸相關的炎癥因子導致IDO-1 和TDO的表達增加,進而導致犬尿氨酸代謝途徑激活和喹啉酸的積累[22]。 研究發(fā)現(xiàn),腸道微生物群可以影響神經(jīng)細胞小膠質細胞以調節(jié)喹啉酸產(chǎn)生[23],喹啉酸是興奮毒性NMDA 受體激動劑,而NMDA 受體的表達也受腸道微生物群的調節(jié),表明腸道微生物群可能潛在地影響犬尿氨酸代謝途徑并影響相關神經(jīng)退行性疾病。

3.2 腸道菌群對5-HT 途徑的影響

腸道菌群對5-HT 的TRP 代謝也具有重要影響。 很多細菌菌株都能在體外從TRP 中產(chǎn)生5-HT,這些菌株包括大腸桿菌、植物乳桿菌(FI8595)、嗜熱鏈球菌、摩根桿菌、肺炎克雷伯氏菌和哈夫尼亞菌等[24-25]。 5-HT 主要在腸道中合成,腸道微生物群是腸道5-HT 產(chǎn)生的主要參與者,這已在GF 小鼠中得到證實,與常規(guī)SPF 小鼠相比,GF 小鼠的結腸和血清中的5-HT 含量顯著降低,并且在整個遠端結腸和近端結腸中均可觀察到,而在小腸中則沒有,這表明微生物群在調節(jié)結腸5-HT 中具有特殊作用[26]。 同時,5-HT 參與情緒、行為和認知功能的調節(jié)。

腸易激綜合征(irritable bowel syndrome,IBS)是一種慢性反復發(fā)作的腸道疾病,5-HT 在調節(jié)腸胃蠕動、分泌和感覺中起著關鍵作用,有證據(jù)表明,IBS與腸道5-羥色胺能神經(jīng)元信號不足有關[27]。Jalanka-Tuovinen 等[28]研究表明IBS 患者的腸道菌群多樣性發(fā)生了改變,并顯示出健康對照者和IBS患者之間以及IBS 患者亞組之間的微生物群組成差異。 盡管IBS 的病因學尚不清楚,但至少在某些亞組患者中,懷疑致病菌腸道菌群在IBS 發(fā)病機理中的作用。 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,5-HT 參與情緒、行為和認知功能和精神疾病。 使用急性色氨酸耗竭技術研究5-HT 對情緒的影響,其中降低飲食中色氨酸的水平會導致腦部5-HT 水平的降低,從而可以分析5-HT 依賴性行為[29]。 同時,腸道菌群影響焦慮和抑郁相關的行為。 Bravo 等[30]研究發(fā)現(xiàn),與對照喂養(yǎng)的小鼠相比,鼠李糖乳桿菌的慢性治療誘導了皮質海馬和杏仁核中GABA 受體的改變,同時還降低了應激誘導的皮質酮水平以及與焦慮和抑郁相關的行為。 腸道菌群對焦慮和抑郁相關行為的影響越來越明顯,對TRP 和5-HT 代謝影響的也越來越重要,提示腸道菌群可能通過調節(jié)TRP 和5-HT 對焦慮和抑郁產(chǎn)生影響。

3.3 微生物代謝途徑

腸道菌群能夠直接代謝色氨酸并改變其宿主中色氨酸的可用性。 腸道菌群可以將TRP 直接代謝為色胺、糞臭素、IPA、IAA、IAd 和ILA 等代謝產(chǎn)物,這些細菌色氨酸分解代謝物是芳香烴受體(AHR)的配體,AHR 與AHR 配體結合可以刺激下游靶基因的表達,促使腸道菌群中的有益菌勝過致病菌,從而調節(jié)宿主腸內和全身穩(wěn)態(tài),進而對MS 和炎性腸病等疾病產(chǎn)生影響。

Rothhammer 等[31]在MS 患者的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)病變中檢測到了星形膠質細胞對I 型干擾素(type I interferons,IFN-I)的轉錄反應,AHR 激動劑的循環(huán)水平降低。 他們發(fā)現(xiàn)通過補充色氨酸代謝產(chǎn)物吲哚、硫酸吲哚酚、IPA 和IAld,可減輕經(jīng)抗生素治療的EAE 模型小鼠的CNS炎癥。 進一步研究發(fā)現(xiàn)星形膠質細胞中的IFN-I 信號傳導通過配體激活的轉錄因子AHR 和細胞因子信號傳導抑制因子減少炎癥和EAE 評分。 這些發(fā)現(xiàn)表明,CNS 中產(chǎn)生的IFN-I 與來自色氨酸的腸道菌群代謝產(chǎn)物結合,可以激活星形膠質細胞中的AHR 信號傳導并抑制CNS 炎癥。 Lamas 等[32]在患有炎性腸病的小鼠的微生物群中也觀察到AHR 配體數(shù)量降低,尤其是在缺乏炎性腸病易感基因CARD9 的小鼠中。CARD9 通過增加炎癥因子IL-22的產(chǎn)生來促進結腸炎的恢復,而Card9-/-小鼠更易患結腸炎。Card9-/-小鼠中的微生物群發(fā)生了改變,并且微生物群從Card9-/-小鼠轉移至野生型小鼠,Card9-/-小鼠無法將色氨酸代謝為可充當AHR配體的代謝物。 用能夠代謝色氨酸的乳桿菌菌株或用AHR 激動劑治療小鼠后,腸道炎癥減弱。

4 腸道菌群調節(jié)色氨酸代謝的潛在作用機制

4.1 腸道菌群通過影響IDO 調節(jié)犬尿氨酸途徑

雖然腸道菌群對色氨酸犬尿氨酸代謝途徑機制尚不清楚,但腸微生物群主要是通過多種途徑調節(jié)犬尿氨酸代謝中IDO 的表達和活性。 腸道菌群可以影響犬尿氨酸途徑中酶的活性。 相比于具有正常腸道菌群的小鼠,無菌(germ-free,GF)小鼠腸道的IDO 表達不足[33]。 Harrington 等[34]對IFN-γ基因敲除小鼠和GF 小鼠的實驗表明,IFN-γ 基因上調依賴于正常的共生菌群,由于IFN-γ 是IDO 最有效的誘導劑,因此在小鼠腸道菌群的定植后IDO 表達的增加。 Clarke 等[35]發(fā)現(xiàn)GF 小鼠的血漿中KYN/TRP 比值降低,但是將斷奶(3 周齡)后的GF小鼠從GF 設施中移出,然后在飼養(yǎng)常規(guī)小鼠的籠子中生長至8 ～9 周齡,以達到定植正常菌群的目的,結果發(fā)現(xiàn)菌群定植小鼠的KYN/TRP 比值可恢復至正常水平。 其他學者報道了小鼠菌群定植后的第4 天和第30 天血漿[36]KYN 濃度和KYN/TRP比值都有相似程度的增加。 然而,并非所有細菌均能促進IDO 活性的活性。 有研究團隊對自發(fā)性自身免疫性糖尿病( BioBreeding diabetes-prone,BBDP)大鼠喂養(yǎng)約翰遜氏乳桿菌后發(fā)現(xiàn),約翰遜氏乳桿菌抑制了IDO 的活性,同時BBDP 大鼠的血清KYN 濃度降低,該研究團隊認為約翰遜氏乳桿菌讓回腸中過氧化氫(H2O2)濃度升高可能是抑制IDO活性的原因[37]。 這與Gao 等人[38]的報告一致,約翰遜氏菌定植后IDO 活性降低的主要機制是回腸腔內H2O2的產(chǎn)生增多,H2O2充當信號分子,并通過影響宿主-菌群共生相互作用來抑制IDO 的活性。另一項研究[39]發(fā)現(xiàn)H2O2可以通過激活過氧化物酶以誘導蛋白質氧化并抑制IDO 活性。 Moloney 等[40]通過比較常規(guī)小鼠、GF 小鼠和菌群移植小鼠海馬體中的miRNA,顯示微生物群調節(jié)與犬尿氨酸途徑代謝相關的miRNA 的表達,并證明腸道菌群調節(jié)海馬體中犬尿氨酸途徑基因的表達。 REGA3 是胃腸道內的一種抗菌蛋白,它能夠影響腸道菌群的組成,從而增加乳酸桿菌的數(shù)量。 最近,有研究報道[41],由REGA3 增加的乳酸桿菌可能通過產(chǎn)生鳥氨酸上調腸道上皮細胞中的IDO1 以產(chǎn)生KYN。

4.2 腸道菌群通過影響TPH 調節(jié)5-HT 途徑

研究報告了腸道微生物群調節(jié)5-HT 的潛在機制,腸道菌群可能通過TPH 影響5-羥色胺途徑。 研究發(fā)現(xiàn),相比于無特定病原體(specific pathogen free,SPF)小鼠,GF 小鼠的腸道腸嗜鉻細胞在形態(tài)上更大,提示腸道微生物可能會影響腸嗜鉻細胞的發(fā)育和功能[42],而腸嗜鉻細胞主要表達TPH1,因此腸道菌群可能通過調節(jié)腸嗜鉻細胞中TPH1 的表達來響應細菌起源的各種生化物質,從而影響5-HT的合成。 Sj?gren 等[43]發(fā)現(xiàn),盡管結腸和血清中5-HT 水平不足,但GF 小鼠糞便和血清中的TRP(TPH1 的底物)水平顯著增加,這表明宿主TPH1表達的中斷導致了TRP 的積累。 Yano 等[26]進一步研究發(fā)現(xiàn),口服TPH1 的產(chǎn)物5-羥色氨酸(5-HTP)可充分緩解GF 小鼠結腸和血清5-HT 表達的不足,而補充TPH1 的底物TRP 則無恢復5-HT 的表達,表明微生物群通過提高結腸腸嗜鉻細胞中TPH1 的表達來促進5-HT 的合成。 為進一步研究腸道菌群影響5-HT 產(chǎn)生的機制,研究者將GF 小鼠結腸中脫氧膽酸的腔內濃度提高到SPF 小鼠的水平,發(fā)現(xiàn)可以增加結腸和血清中的5-HT,因此他們認為腸道微生物通過將肝臟分泌的膽酸轉化為脫氧膽酸進而促進5-HT 的產(chǎn)生。 此外,有研究報道[44],TPH1 缺陷型(TPH1-/-)小鼠腸道中的5-HT 含量顯著降低。Kwon 等人[45]觀察到同窩TPH1-/-和TPH1+/-小鼠之間的腸道微生物組成有顯著差異,他們利用離體共生的體外系統(tǒng)評估發(fā)現(xiàn),5-HT 在體外以濃度依賴性和物種特異性的方式直接調節(jié)共生細菌的生長。另一項研究[46]通過實時熒光定量PCR 和蛋白質免疫印跡比較GF 小鼠、常規(guī)飼養(yǎng)小鼠和定植了人類腸道菌群(HM) 小鼠的近端結腸節(jié)段中TPH1 mRNA 和蛋白的表達,發(fā)現(xiàn)HM 小鼠的TPH1 mRNA和蛋白表達均明顯高于GF 小鼠,同時GF 小鼠結腸中5-HT 的含量顯著低于HM 小鼠。 為了確定TPH1 mRNA 和蛋白的表達是否對人類腸道腸道菌群具有特異性,還評估了常規(guī)飼養(yǎng)小鼠TPH1 mRNA 和蛋白的表達,發(fā)現(xiàn)其TPH1 mRNA 表達的增加與HM 小鼠類似。 這些研究結果表明,微生物群的缺乏與結腸TPH1 表達的降低有關,人體和小鼠腸道微生物群都可以影響5-HT 的生物合成途徑。 該研究還在體外人腸嗜鉻細胞模型中發(fā)現(xiàn),由遠端腸道微生物產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(丁酸和乙酸)能顯著提高TPH1 mRNA 表達,提示腸道微生物通過短鏈脂肪酸影響腸嗜鉻細胞和TPH1,進而促進結腸中5-HT 的產(chǎn)生。

腸道菌群還可能通過5-羥色胺轉運蛋白(serotonin transporter,SERT)影響TRP 代謝產(chǎn)生5-HT。 SERT 可以促進5-HT 被細胞內的單胺氧化酶降解,并維持在體內的正常水平,而在SERT-/-小鼠的血漿中缺乏5-HT[47]。 最近,Singhal 等[48]評估了SERT+/+和SERT-/-小鼠的糞便和盲腸微生物的組成,發(fā)現(xiàn)與SERT+/+小鼠相比,SERT-/-小鼠的微生物組群落結構發(fā)生了顯著變化。SERT+/+小鼠具有更多的腸道微生物共存菌群網(wǎng)絡,而SERT-/-小鼠的微生物組則由不連續(xù)的子網(wǎng)絡組成,這表明SERT-/-小鼠的腸道細菌之間的相互作用喪失,SERT 缺乏改變了細菌群落結構。 Golubeva 等[49]評估了孤獨癥譜系障礙的BTBR小鼠模型和C57BL/6小鼠的結腸和回腸組織中5-HT 的可用性,相比于C57BL/6 小鼠,BTBR小鼠結腸和回腸組織中的5-HT 水平降低了50%,且BTBR 小鼠的TPH1 表達下調和SERT 基因表達上調。 由于TPH 的活性決定了TRP 產(chǎn)生的5-HT 的量,而SERT基因控制著5-HT 的攝取和分解,因此研究結果表明5-HT 合成的減少和分解的增加,導致BTBR小鼠結腸和回腸中5-HT 的生物利用度降低。 同時,他們發(fā)現(xiàn)5-HT 在結腸和回腸組織中濃度和可用性與梭狀芽孢桿菌屬的相對豐度密切相關,而且芽孢桿菌屬與TPH1和SERT基因表達水平之間也存在很強的相關性,這證實了梭狀芽胞桿菌細菌在TRP 產(chǎn)生5-HT 中的重要性。

此外,Hata 等[50]發(fā)現(xiàn),在GF 小鼠的盲腸和結腸腔內的5-HT 水平顯著低于SPF 小鼠,而且在SPF小鼠中,大多數(shù)5-HT 是非結合的游離形式,而在GF小鼠中,大約有50%的5-HT 以葡萄糖醛酸結合形式存在,說明腸道菌群對葡萄糖醛酸結合的5-HT的去共軛過程可能有助于促進腸腔內游離5-HT 的產(chǎn)生。 另外有研究報道[51],腸道菌群可以通過調節(jié)肌間神經(jīng)叢中的神經(jīng)元釋放5-HT 和激活5-HT4受體。

4.3 腸道菌群直接代謝TRP 并改變其宿主中TRP 的可用性

研究表明,腸道菌群能夠直接代謝TRP 并改變其宿主中TRP 的可用性。 腸道菌群可以將TRP 直接代謝為色胺、糞臭素、IPA、IAA、IAd 和ILA 等代謝產(chǎn)物。 研究發(fā)現(xiàn),萎縮芽孢桿菌C89 中非核糖體肽合成酶基因簇之后最下游的芳族L-氨基酸脫羧酶與TRP 脫羧形成色胺有關[52]。 同時,嗜線蟲致病桿菌也能代謝TRP 產(chǎn)生色胺[53]。 值得注意的是,Williams 等[54]研究發(fā)現(xiàn)生孢梭菌能夠通過特定的色氨酸脫羧酶將TRP 脫羧成色胺。 Wikoff 等[55]研究發(fā)現(xiàn)生孢梭菌在培養(yǎng)物中可以產(chǎn)生IPA,于是用生孢梭菌ATCC15579 菌株對GF 小鼠進行定植,并在定植后每隔一段時間采集血樣。 結果發(fā)現(xiàn)在引入微生物后不久的樣品中未檢測到IPA,在定植后第5 天首次在血清中觀察到IPA,在第10 天達到與正常養(yǎng)殖小鼠相當?shù)乃?這表明將體內能夠產(chǎn)生IPA 的生孢梭菌定植于胃腸道可以將IPA 引入宿主的血液中。 有學者進一步研究發(fā)現(xiàn)[56],通過基因工程阻斷生孢梭菌降解TRP 的功能后,小鼠血液中的IPA 水平降低。 羅伊氏乳桿菌可以將TRP 轉化為IAA[57]。 Wilck 等[58]通過16SrDNA 基因測序分析了來自正常鹽飲食和高鹽飲食喂養(yǎng)的小鼠的糞便,發(fā)現(xiàn)高鹽飲食會改變小鼠的糞便微生物組并消耗乳酸桿菌,同時顯著降低糞便中IAA 和ILA 的含量,而IAld 的含量沒有發(fā)生變化。 他們進一步分離小鼠糞便發(fā)現(xiàn)上述乳酸桿菌為鼠李糖乳桿菌,并且在用鼠李糖乳桿菌分離物單克隆的小鼠糞便中檢測到ILA、IAA 和IAld,而在GF 小鼠糞便中則沒有,表明鼠李糖乳桿菌具有產(chǎn)生ILA,IAA 和IAld 的能力。 最初研究表明,腸道微生物(乳桿菌屬、普雷沃菌屬,梭菌屬,放線菌屬和巨球藻屬等)能通過最接近糞臭素的前體IAA 的脫羧作用進行合成糞臭素[59]。 隨著研究的進一步深入,發(fā)現(xiàn)腸道微生物能夠直接代謝TRP 合成糞臭素。 Whitehead 等[60]在培養(yǎng)德雷克氏梭菌和糞味梭菌的常規(guī)培養(yǎng)基中補充TRP,到48 h 觀察到糞臭素和IAA 的產(chǎn)生,表明這兩種細菌均可降解色氨酸形成IAA 和糞臭素。

5 總結

腸道微生物群對TRP 的犬尿氨酸、5-HT 和微生物代謝途徑具有重要影響。 越來越多的研究表明的TRP 代謝許多疾病有關,例如炎癥性腸病、腸易激綜合征、神經(jīng)退行性疾病和精神障礙(焦慮、抑郁、孤獨癥等)[61-62]。 色氨酸代謝物是疾病病理的,因此可進一步開發(fā)相關藥物,如使用抑制劑來阻止某些途徑中的酶,降低神經(jīng)毒性代謝物水平,同時提高神經(jīng)保護性代謝產(chǎn)物,進而達到治療相關疾病的作用。 同時,腸道菌群在這些疾病中也具有重要作用,表明腸道微生物的作用可能部分地由TRP 代謝介導。 TRP 代謝物直接或間接地被腸道菌群控制,表明可以通過多種研究方法來幫助確定腸道菌群對各種疾病的影響,包括使用缺乏菌群的無菌動物、益生菌補充劑、抗生素管理和糞便移植研究。通過益生菌影響腸道菌群的組成來調節(jié)TRP 代謝可能是一種潛在和有效的治療方法。 因此,本文通過系統(tǒng)闡述腸道菌群對TRP 代謝途徑及其相關疾病的影響,可以對疾病發(fā)病機制和治療等臨床提供新的視角。 然而,由于腸道微生物群-宿主之間相互作用的復雜性以及疾病和模型的復雜性,而且目前大多數(shù)研究都是基礎研究,因此對腸道菌群通過TRP 代謝影響宿主健康的研究仍需進一步深入。