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)病機制假設(shè)為遺傳易感宿主中的環(huán)境因素觸發(fā)了針對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]，同時與共生關(guān)系相關(guān)的免疫與代謝也會不同程度影響IBD的進展。因此，通過對維持腸道穩(wěn)定狀態(tài)諸多因素之間關(guān)系的深入研究，可能會發(fā)現(xiàn)針對腸道相關(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)各種生理和病理進程，包括生長調(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?，F(xiàn)就色基酸代謝與IBD相關(guān)研究進展予以綜述。

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，但到達結(jié)腸的部分可被腸道細菌分解代謝，產(chǎn)生各種吲哚衍生物。雖然細菌降解蛋白質(zhì)的產(chǎn)物通常會對人體產(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)物可能會對宿主產(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、損傷和感染會上調(diào)腸上皮中色氨酸代謝酶IDO1的表達，IDO1調(diào)節(jié)芳烴受體(aryl hydrocarbon receptor，AhR)和Notch信號，以增加分泌細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]，不僅能促進局部白細胞介素(interleukin，IL)的產(chǎn)生，有助于腸上皮細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胞，如上皮內(nèi)淋巴細胞、輔助性T細胞17、先天性淋巴細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞和中性粒細胞。此外，共生菌或其代謝產(chǎn)物也可以激活A(yù)hR，可誘導(dǎo)下游細胞因子的表達，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轉(zhuǎn)運蛋白。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分子，它能夠控制細菌生理的各個方面，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，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，進而對宿主生理發(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從腸道傳遞到外在或內(nèi)在神經(jīng)元，并影響腸蠕動、分泌、血管舒張和營養(yǎng)吸收[15]，其被認為在維持腸道穩(wěn)態(tài)方面具有重要作用。同時，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，而腸嗜鉻細胞是外周組織中5-HT的主要來源。腸嗜鉻細胞是腸道內(nèi)分泌細胞中最具特色的細胞，分散在整個腸道黏膜中。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。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表達上調(diào)的直接結(jié)果為T細胞周圍色氨酸的減少及犬尿氨酸表達的增加。犬尿氨酸是AhR的配體，可以激活A(yù)hR。而活化的AhR可促進調(diào)節(jié)性T細胞(regulatory T cell，Treg細胞)CD4+CD25+的增殖并抑制活化T細胞的免疫功能。在外周，色氨酸的過度缺乏增加了犬尿氨酸的產(chǎn)生，進而抑制了效應(yīng)T細胞及自然殺傷細胞的增殖和功能[20]。此外，色氨酸缺乏也會抑制免疫系統(tǒng)識別和破壞某些類型的腫瘤。

動物實驗發(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)模型小鼠實驗發(fā)現(xiàn)，樹突狀細胞衍生的IDO將色氨酸降解為犬尿氨酸，其促進免疫抑制Treg細胞向炎癥T細胞的轉(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表達及輔助性T細胞17分化，同時上調(diào)叉頭框轉(zhuǎn)錄因子P3的表達及促進Treg細胞分化，調(diào)控輔助性T細胞17/Treg細胞平衡，降低UC模型小鼠的腸道炎癥[23-24]。證明了Treg細胞軸在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)腸炎嚴重程度降低，而黏蛋白表達增加(是宿主防御入侵細菌的第一道防線)[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，并通過定量實時聚合酶鏈反應(yīng)確定相關(guān)酶的表達，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，但仍需進一步明確腸道炎癥過程中KP的精確調(diào)節(jié)機制。

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是一種相對較新的細胞因子，對于維持腸道穩(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，并增強機體對病原體入侵的防御機制。動物實驗發(fā)現(xiàn)，AhR的缺乏促進了結(jié)腸炎的發(fā)展，部分原因為AhR的缺乏改變了IL-22的產(chǎn)生[6]。在腸道炎癥情況下，IL-22可通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3途徑促進上皮細胞再生和增強黏膜屏障完整性，使IBD患者達到黏膜愈合的效果。此外，IL-22可以上調(diào)上皮抗菌蛋白，進一步殺死侵入性病原體，促進腸道共生微生物的平衡。因此，細胞再生、組織重塑以及腸道中共生細菌與宿主免疫系統(tǒng)之間的平衡被認為是IL-22的抗炎特性。

IL-22具有兩面性，在臨床試驗中靛藍可以通過AhR激活I(lǐng)L-22途徑顯示出對UC具有很強的治療作用[27]。但IL-22途徑的持續(xù)激活會增加與結(jié)腸炎相關(guān)的癌癥風險，特別是在較長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別受體及下游信號轉(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信號通路)，而IL-22在炎癥性疾病中可以保護組織免受損傷[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信號通路，引起AhR激活缺陷，導(dǎo)致小鼠對結(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IBD患者的糞便進行檢測發(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IL-10和轉(zhuǎn)化生長因子-β產(chǎn)生及AhR活化，減輕DSS誘導(dǎo)腸炎小鼠結(jié)腸黏膜損傷的嚴重程度，從而對結(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AhR配體產(chǎn)生過程中的任何修飾均會影響IL-22水平，進而影響微生物群與宿主細胞之間的脆弱平衡。

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下調(diào)，且AhR活化可通過誘導(dǎo)Treg細胞的產(chǎn)生，保護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志物，學者發(fā)現(xiàn)活動性結(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]。考慮到已經(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介導(dǎo)人體AhR生理功能的全部責任。色氨酸-AhR途徑的生理活性是通過多種AhR選擇性調(diào)節(jié)劑達到的終態(tài)。因此，對影響AhR信號通路因素的更全面了解對于闡明AhR信號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)運蛋白清除[31]。5-HT影響腸道的主要功能，包括運動、分泌、血流和感覺。而作為外周組織中5-HT主要來源，腸嗜鉻細胞是腸道中的一種特化細胞，其特化的微絨毛伸入腸腔，并含有酶和轉(zhuǎn)運蛋白，能夠通過周圍細胞釋放的中介物直接或間接對腸腔刺激做出反應(yīng)。5-HT是參與腸道分泌、感覺和蠕動的關(guān)鍵信號分子。當腸道5-HT能信號轉(zhuǎn)導(dǎo)元件被破壞時，這些功能均會受到影響，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。

動物實驗發(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缺陷型小鼠對結(jié)腸炎的敏感性降低，其炎癥細胞因子的產(chǎn)生減少[33]。此外，藥理學上阻斷外周5-HT合成可降低化學性和感染性腸道炎癥的嚴重性。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、促進腸道炎癥修復(fù)的作用[18]。且許多機制可能有助于5-HT4受體活化的保護作用，包括增強上皮增殖，加速切口愈合以及增加對氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細胞凋亡的抵抗力[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，但其作用機制仍不明確，同時臨床觀察中很難確定IBD相關(guān)的5-HT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的改變是免疫應(yīng)答的原因還是結(jié)果，仍需進一步研究。

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)，增強腸上皮屏障，刺激胃腸動力，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)的實驗多源自小鼠模型，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)系及分子生物學機制。以及需要進一步的臨床試驗判斷色氨酸含量的改變并非因腸滲漏或營養(yǎng)不良所致。未來通過進一步的臨床驗證，腸道微生物色氨酸代謝有望作為IBD治療的靶點。