基于肠道菌群参与的炎症性肠病色氨酸代谢的 研究进展

穆燕菊 罗 娟 缪应雷

色氨酸是一种人体必需氨基酸，占总氨基酸的1%，在多种疾病的发病过程中起着重要作用。色氨酸主要通过3 条途径被分解代谢，且大部分代谢产物具有生物活性。有研究发现色氨酸及其代谢产物可参与神经精神系统疾病、心血管疾病及炎症性肠病（IBD）等疾病的病理过程，并且在不同疾病中发挥不同的生物学效应[1]。IBD 是遗传易感宿主在环境、免疫、肠道菌群、感染等因素相互作用下发生的慢性非特异性肠道炎性疾病，包括溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD）。有研究发现IBD 患者存在明显的色氨酸代谢改变，且肠道菌群可能通过参与色氨酸代谢途径来影响IBD[2]。机体的肠道菌群与色氨酸代谢之间的相互作用对于维持肠道功能、脑肠轴调节和免疫稳态至关重要。本文就肠道菌群与色氨酸代谢之间的相互调控作用、IBD 患者的色氨酸代谢改变、色氨酸代谢对IBD 的作用机制及其潜在应用价值等的研究进展作一综述。

1 色氨酸与肠道菌群

1.1 肠道菌群对色氨酸代谢的调节作用

1.1.1 吲哚途径 肠道菌群可将体内4%～6%的色氨酸转化为吲哚、色胺及其他吲哚衍生物，其中一些代谢产物可作为芳香烃受体（AhR）和孕烷X受体（PXR）的配体，进一步调节肠黏膜免疫、肠道屏障及肠内稳态等[3]。Lee 等[4]的研究发现梭状芽孢杆菌、罗伊氏乳杆菌等肠道菌群可将色氨酸转化为色胺和吲哚丙酮酸，吲哚丙酮酸可脱羧形成吲哚乙醛，可进一步转化为吲哚乙酸、吲哚乙醇、吲哚乳酸等吲哚衍生物。Huć 等[5]的研究显示，吲哚丙酮酸可被存在于拟杆菌属、大肠杆菌和梭菌属中的色氨酸酶催化产生吲哚。此外，色氨酸还可被肠道梭状芽孢杆菌和瘤胃球菌脱羧为色胺，被乳杆菌属代谢为吲哚-3-甲醛，被双歧杆菌属代谢为吲哚-3-乳酸[6-7]。肠道菌群被视为人体“第二基因组”，色氨酸代谢可能通过一种细菌独立完成或多种细菌共同协作完成，目前能产生色氨酸催化酶的细菌及相关催化酶仍然未知。

1.1.2 犬尿氨酸途径 人体内约95%的色氨酸被吲哚胺-2，3-双加氧酶1（IDO1）和IDO2、色氨酸2，3-双加氧酶（TDO）等转化为犬尿喹啉酸、吡啶甲酸、烟酸等产物[6,8]，从而影响人体的免疫和健康。肠道菌群对色氨酸的犬尿氨酸代谢途径具有一定的调节作用：（1）直接产生色氨酸的犬尿氨酸代谢途径所需的酶 一些铜绿假单胞菌可产生TDO 等酶[3]，对色氨酸进行分解代谢，从而调节犬尿氨酸途径；（2）调节IDO 的活性 丁酸盐是由部分肠道菌群代谢产生的短链脂肪酸，可通过肠上皮细胞负向调节IDO 的表达[9]。Valladares等[10]的研究报道，约氏乳杆菌可能通过产生过氧化氢（H2O2）抑制IDO 的活性，从而降低大鼠犬尿氨酸水平。

1.1.3 5-羟色胺途径 有1%～2%的色氨酸在色氨酸羟化酶和脱羧酶催化作用下生成5-羟色胺（5-HT）[1]。5-HT 作为重要的神经递质，参与调节肠道的蠕动、分泌、血管舒张和营养吸收等，对调节肠道神经系统和胃肠道功能起着重要作用，人体内90%以上的5-HT 由肠嗜铬细胞在肠道内合成。肠道菌群调节5-HT 合成的机制尚未完全明确，在无菌小鼠结肠中可观察到5-HT 合成减少及血液中5-HT 水平降低[1]。Cryan 等[11]报道产气荚膜梭菌可通过色氨酸羟化酶调节宿主结肠内5-HT 的合成。此外，肠道菌群的某些代谢产物，如发酵膳食纤维产生的短链脂肪酸及转化胆汁酸产生的脱氧胆酸、丁酸盐、胆酸盐等也能调节5-HT 的合成[3,12-13]。肠道菌群除了通过作用于嗜铬细胞及相关酶影响5-HT 的合成外，乳杆菌属等少部分细菌的生物膜中存在生物胺转运，可直接代谢产生5-HT[12]。

1.2 色氨酸代谢对肠道菌群的影响

色氨酸及其代谢产物与肠道菌群平衡密切相关。吲哚作为色氨酸吲哚代谢途径较丰富的代谢产物，常被视为一种细胞间信号分子，在保护机体防御肠道病原体的同时，还可调节细菌的耐药性、孢子形成、毒力及生物膜形成等，并且其在一种细菌或不同种细菌中均可表现出矛盾的作用，在肠道菌群和机体病理、生理过程中扮演着重要的角色，例如：可在促进铜绿假单胞菌的生物膜形成的同时降低其毒力；既可上调鼠伤寒沙门菌的多种耐药基因表达，也可下调其运动和侵袭性基因的表达；可通过下调毒力基因表达减弱金黄色葡萄球菌的毒力；可抑制白色念珠菌的丝化及生物膜形成等[14]。 此外，Kang 等[15]的研究发现，梭状芽孢杆菌等可通过分泌色氨酸衍生的抗生素，从而抑制艰难梭菌生长，并且次级胆汁酸脱氧胆酸和石胆酸盐可增强该作用。目前色氨酸及其代谢产物调节肠道菌群的机制尚未完全清楚，有待进一步探讨。

2 肠道菌群与IBD

许多研究已证明肠道菌群改变参与了IBD 的发病机制。动物实验研究提出“无菌无炎性反应学说”，即无菌环境可预防遗传易感小鼠发生结肠炎，而将幼稚CD4＋T 细胞从健康小鼠转移到缺乏T 细胞和B 细胞的小鼠中可诱发结肠炎，并且小鼠结肠炎易感程度的差异与其肠道菌群组成有关[16]。临床研究结果显示：（1）IBD 患者存在明显的肠道菌群失调，主要表现为肠道菌群丰度降低，肠道优势菌群稳定性降低，保护性菌群减少，致病菌群增多，并且在不同的疾病分型、病变部位、疾病活动度及病程进展中存在差异[17]；（2）IBD 好发于回肠末端及结直肠等肠道菌群丰度相对较高的部位，且在肠道菌群丰度较高部位的疾病活动较明显[16,18]；（3）抗生素对CD 有一定的疗效，如甲硝唑和环丙沙星可用于治疗CD 合并肛周脓肿患者；（4）益生菌、粪菌移植对IBD 也有一定的疗效；（5）IBD 的部分生物标志物与肠道菌群有关，肠道菌群失调导致色氨酸的生物活性分子改变影响IBD 的信号转导。综上所述，肠道菌群与IBD 存在密切联系，肠道菌群失调与IBD 可能形成恶性循环。

3 色氨酸与IBD

3.1 IBD 患者的色氨酸代谢变化

目前IBD 患者存在肠道菌群失调已被证实，研究发现色氨酸代谢改变与肠道菌群失调存在联系[3,5,19]，色氨酸缺乏可能会促进IBD 的进展并加重疾病活动度[2,20]。研究显示，IBD 患者存在色氨酸代谢异常，包括色氨酸及其代谢产物水平的变化，以及相关催化酶活性的改变，主要表现为IDO 过表达，血清色氨酸水平降低，血清色氨酸代谢产物水平升高等[21]。IBD 患者的血清色氨酸水平明显降低，尤其是CD 患者[3]。Nikolaus 等[2]的研究纳入了535 例IBD 患者，研究结果显示活动期IBD 患者的色氨酸分解代谢增加，色氨酸代谢产物（尤其是喹啉酸）水平升高，导致IBD 患者的血清色氨酸水平明显低于健康者，并且CD 患者的血清色氨酸水平下降幅度较UC 患者更大，IBD 患者的血清色氨酸水平与疾病活动度、C 反应蛋白及IL-22 水平呈负相关。Sofia 等[22]的研究发现，活动期IBD 患者的IDO1 表达水平升高，并且犬尿酸水平和犬尿酸/色氨酸比值升高，这表明在活动期IBD 中色氨酸经犬尿氨酸代谢途径分解增加。此外，肠道中色氨酸水平降低可能与IBD 的严重程度呈正相关。Lamas 等[23]的研究发现，IBD 患者的粪便中AhR 激动剂吲哚乙酸水平显著降低。Gupta 等[24]对25 例CD 患者（包含活动期和缓解期CD）和11名健康者血清中色氨酸、犬尿氨酸、犬尿氨酸/色氨酸比值的变化进行分析，结果显示与健康者相比，活动期CD 患者的血清色氨酸水平降低、犬尿氨酸/色氨酸比值升高，但缓解期CD 患者的犬尿氨酸/色氨酸比值降低；该研究还发现犬尿氨酸/色氨酸比值与CD 患者的疾病活动指数、红细胞沉降率和C 反应蛋白水平呈正相关。IBD 患者的色氨酸代谢变化可能存在性别差异，女性IBD 患者的血清色氨酸水平低于男性IBD 患者[2]。值得注意的是，IBD 患者和结肠炎动物模型肠道中5-HT 水平均发生了显著变化，表明5-HT 在肠道炎性反应的发生和发展中可能发挥着重要作用[21]。

实验研究显示，色氨酸摄入不足是动物模型的结肠炎易感因素之一[20,25]。Agus 等[6]报道IBD患者的肠道AhR 配体减少,而葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎小鼠模型实验显示AhR 缺乏与结肠炎的严重程度有一定关系。Hashimoto 等[20]的研究发现，敲除血管紧张素转换酶2（ACE2）基因导致色氨酸摄取障碍的小鼠较未敲除基因的小鼠更容易被DSS诱发结肠炎，且前者表现为结肠炎较严重、体质量较轻及肠道中抗菌肽水平较低。在小鼠和仔猪模型研究显示，添加色氨酸饮食可减轻DSS诱导的结肠炎症状[25]。Geng 等[26]的研究对早期结肠炎仔猪模型采用粪菌移植干预，结果显示肠道菌群来源的色氨酸分解代谢产物吲哚-3-乙酸的水平显著升高。

3.2 色氨酸代谢对IBD 的作用机制

3.2.1 AhR 信号通路 IBD 患者的肠道菌群变化可能通过色氨酸改变AhR 水平或调节宿主IDO 活性调控疾病进展。AhR 是一种配体激活的转录因子，其广泛存在于免疫细胞和肠上皮细胞中，参与调节肠黏膜免疫和机体内稳态。AhR 信号通路可通过参与T 细胞分化、促进单核细胞黏附、上调促炎基因表达、诱导内皮细胞黏附分子表达等多种机制触发炎性反应[8]。Obata 等[27]的研究发现，肠道菌群可诱导AhR 表达，并且可使其对肠道菌群衍生的AhR 配体发生反应，进一步促进肠道蠕动。吲哚-3-甲醛、吲哚-3-乙酸、吲哚-3-丙酸、吲哚丙烯酸等色氨酸代谢产物可作为AhR 的配体[3]。罗伊氏乳杆菌代谢色氨酸产生的吲哚-3-乳酸可通过激活AhR 将CD4＋T 细胞转变为CD4＋CD8＋T 细胞，进一步抑制肠道炎性反应[28]。CARD9 是IBD 的一个风险等位基因，缺失该基因的小鼠表现为色氨酸代谢减少，不能将色氨酸催化为AhR配体，导致IL-22 释放减少，使小鼠较易被DSS 诱发结 肠炎[23]。3.2.2 PXR 信号通路 IBD 患者的肠道菌群失调可导致AhR 和PXR 的配体生成减少[1]。Illés 等[29]的研究发现，色氨酸的代谢产物吲哚和吲哚-3-乙酰胺是人类PXR 的配体及激动剂，可在肠癌细胞中诱导PXR 依赖性基因表达。吲哚-3-丙酸可通过PXR 信号通路降低肠道通透性及抑制炎性反 应[28]。值得注意的是，许多色氨酸代谢产物是AhR 和PXR 的双重激动剂，故两条信号通路之间可能存在相互干扰。

3.2.3 氧化应激 目前已有研究证实色氨酸的犬尿氨酸途径产生的代谢产物具有抗氧化作用[8]。色氨酸本身也可能发挥了抗脂质和蛋白质过氧化的保护作用。

3.2.4 调节肠道免疫细胞及细胞因子 Wang 等[30]报道补充色氨酸可通过抑制免疫细胞的增殖、调节抗炎细胞因子与促炎细胞因子的平衡、调节DSS 诱导的小鼠结肠炎中的信号转导与转录激活因子3（STAT3）和p65 信号转导等途径改善肠道免疫反应。Kim 等[25]报道色氨酸可降低干扰素-γ（IFN-γ）、TNF-α、IL-6 和IL-17 等促炎因子的表达水平，升高细胞凋亡启动子天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶-8（Caspase-8）和BAX 的表达水平，从而减轻肠道炎性反应，改善组织病理学及降低肠道通透性，促进肠道损伤修复。吲哚-3-乙酸和色胺酸可抑制巨噬细胞分泌TNF-α、IL-1β 和单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）等促炎因子，而罗伊氏乳杆菌产生的吲哚-3-乙醛可升高IL-22 的表达水平[28]。Ding 等[21]的研究发现，Treg 细胞可通过细胞间接触和释放细胞因子参与维持IBD 患者肠道稳态及减轻组织损伤，色氨酸可通过肠道菌群分解和犬尿氨酸代谢途径诱导Treg 细胞分化，而IBD 患者在病理过程中表现出色氨酸代谢紊乱。

3.3 色氨酸在IBD 中的潜在应用价值

色氨酸对IBD 可能具有潜在应用价值：（1）作为炎性反应标志物 有研究发现，在CD 患者中，犬尿氨酸/色氨酸比值与CD 的疾病活动指数、红细胞沉降率和C 反应蛋白水平呈正相关，这些指标可能与肠黏膜的免疫活动密切相关，有望成为评估IBD 疾病活动度的炎性反应指标[24]。IDO1 在活动期UC 患者的结肠黏膜中表达升高，并且其与内镜下组织炎性反应严重程度相关，即在活动期UC患者中，犬尿氨酸途径的色氨酸代谢增加，并且犬尿酸可能是UC 的潜在非侵入性生物标志物[22]。 （2）研发新型治疗药物 动物研究表明，可能可以通过补充色氨酸及其代谢产物拓展IBD 的治疗方法[20,25]。经饮食补充色氨酸可以通过调节肠道5-HT水平及相关受体表达来减轻DSS 诱导的肠道炎性反应[30]。此外，也许还可以研发调节影响色氨酸代谢的肠道菌群的IBD 治疗药物。（3）益生菌 补充某些益生菌有益于缓解IBD 患者的炎性反应，例如补充乳杆菌（可将色氨酸降解为AhR 激动剂）可减轻小鼠结肠炎，益生菌可以作为肠病患者的支持疗法[22]。（4）粪菌移植 也许其可作为IBD的新的治疗方案[31]，目前已成为研究热点。仔猪模型研究发现，经粪菌移植干预后，基于代谢组学分析表明，粪菌移植可调节吲哚生物碱的合成、细胞色素P450 和肠道稳态相关的肠道菌群代谢功能，并且伴随着IL-22 的表达上调和AhR 的活化增强，表明粪菌移植在恢复肠道屏障方面具有潜在作用[26]。

4 结语

色氨酸代谢与多种疾病相关，尤其是其与脑肠轴及肠道菌群的关系已成为目前的研究热点。多种色氨酸的肠道菌群代谢产物已被证实为IBD的重要影响因素，可影响IBD 的发生和发展，但目前的研究存在一定的局限性：（1）目前的研究数据主要来源于小鼠等基础实验，缺乏多中心大样本临床随机试验数据；（2）尽管目前已明确了部分可代谢色氨酸并参与IBD 病理、生理过程的细菌，但由于肠道菌群复杂多样，其中参与色氨酸代谢的许多细菌及主要贡献菌仍然未知；（3）目前研究主要集中于探讨色氨酸作为生物标志物的潜力，以及其参与调节免疫和炎性反应的机制，而其在IBD 发病中的具体作用机制仍未明确。针对色氨酸代谢途径进行的研究将有助于多种疾病的诊治，采用基于肠道菌群参与的色氨酸代谢的干预措施可能会成为未来IBD 诊治的一种新策略。