色氨酸代謝與炎性腸病相關研究進展

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

(上海中醫藥大學附屬岳陽中西醫結合醫院肛腸科，上海 200437)

炎性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是一種慢性和復發性腸道炎性疾病[1-2]。研究表明，其發病原因與環境、遺傳、微生物群和免疫反應相關[3]。迄今為止，IBD最廣泛接受的發病機制假設為遺傳易感宿主中的環境因素觸發了針對腸道菌群的異常免疫反應。IBD患者腸道菌群的多樣性發生改變，腸道中的微生物群落結構不協調，宿主與腸道菌群之間的共生關系發生變化[4-5]，同時與共生關系相關的免疫與代謝也會不同程度影響IBD的進展。因此，通過對維持腸道穩定狀態諸多因素之間關系的深入研究，可能會發現針對腸道相關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，在一系列內源酶或微生物代謝作用下生成許多色氨酸代謝產物，其代謝產物不同程度調節各種生理和病理進程，包括生長調節、新陳代謝、情緒和免疫反應等。而色氨酸缺乏直接導致代謝產物的減少，這與腸道失衡密切相關，甚至誘發IBD。近年來，在腸道菌群控制下的色氨酸代謝過程與IBD的關系成為研究熱點。現就色基酸代謝與IBD相關研究進展予以綜述。

1 色氨酸代謝

色氨酸是人體八種必需氨基酸之一，是唯一含有吲哚結構的氨基酸，即雙環化合物，主要來自外源性攝入的富含蛋白質的食物[6]。色氨酸主要在小腸中攝取，但到達結腸的部分可被腸道細菌分解代謝，產生各種吲哚衍生物。雖然細菌降解蛋白質的產物通常會對人體產生不利影響，但研究表明微生物分解色氨酸產生的代謝產物可能會對宿主產生積極影響[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，并生成犬尿氨酸和下游產物，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終產物涉及許多宿主生物過程的調節，這些過程涉及神經傳遞、炎癥和免疫反應。此外，某些代謝產物也可能在腸道中發揮特定作用。如炎癥、損傷和感染會上調腸上皮中色氨酸代謝酶IDO1的表達，IDO1調節芳烴受體(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的微生物，有助于恢復腸道穩態[11]。

1.2經腸道菌群的直接代謝途徑 色氨酸可經腸道內細菌直接分解代謝，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是一種適應性免疫和腸屏障功能的關鍵調節因子[12]，不僅能促進局部白細胞介素(interleukin，IL)的產生，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，共生菌或其代謝產物也可以激活AhR，可誘導下游細胞因子的表達，從而有助于腸道正常微生物的恢復和體內穩態。

吲哚化合物可以由源自腸道微生物群的各種酶作用下產生的色氨酸代謝產物生物合成[13]。大腸埃希菌中發現了色氨酸和吲哚的主動轉運蛋白。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。在非吲哚產生菌中，吲哚及其衍生物具有明顯的抑制群體感應和調節毒性因子的作用。同時，腸道微生物群還可分解產生各種色氨酸代謝產物，通過不同的途徑和酶介導關鍵功能[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遞質，通過激活5-HT受體，進而對宿主生理發揮廣泛的作用。5-HT作為一種腸道產生的重要分子可以將信號從腸道傳遞到外在或內在神經元，并影響腸蠕動、分泌、血管舒張和營養吸收[15]，其被認為在維持腸道穩態方面具有重要作用。同時，5-HT也是一種有效的免疫調節劑，可通過其受體及磺酰化過程影響各種免疫細胞。此外，5-HT在中樞神經系統也發揮重要作用。

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

研究發現，環境因素、基因易感、腸道微生物等與IBD的發病密切相關，腸道菌群和微生物代謝產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物高度復雜，但腸道微生物群、微生物代謝產物與腸道免疫功能之間的相關性已被證實。腸道微生物可以通過多種代謝產物影響宿主免疫，其中包括色氨酸的代謝產物[18-19]。

2.1KP與IBD腸道炎癥的相關性 KP的改變可能是IBD的發病機制之一。犬尿氨酸代謝途徑積累的代謝產物通過激活AhR參與免疫系統的調節過程由IDO發起和控制。IDO通過負反饋調節維持體內穩態。在炎癥或感染的情況下，IDO表達上調的直接結果為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AhR。而活化的AhR可促進調節性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生，進而抑制了效應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識別和破壞某些類型的腫瘤。

動物實驗發現IDO1基因敲除小鼠更易患結腸炎，表明IDO1是腸道炎癥的負調節劑[21]。通過葡聚糖硫酸鈉(dextran sulphate sodium，DSS)誘導潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis，UC)模型小鼠實驗發現，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細胞的轉化[22]。研究證明，“祛瘀生新方”可以通過抑制視黃酸相關孤兒受體γt表達及輔助性T細胞17分化，同時上調叉頭框轉錄因子P3的表達及促進Treg細胞分化，調控輔助性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中誘導和維持黏膜愈合的重要性。在IDO1缺陷小鼠中，DSS誘導的結腸炎嚴重程度降低，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-質譜分析99例IBD患者的血清色氨酸代謝產物，并通過定量實時聚合酶鏈反應確定相關酶的表達，證明犬尿喹啉酸/色氨酸比值增加與內鏡下腸道炎癥密切相關，并能預測UC患者的預后[26]。這支持了犬尿氨酸途徑在調節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，其不僅影響色氨酸的代謝和濃度，還與AhR對免疫系統的影響有關。雖然犬尿氨酸代謝途徑與腸道炎癥的發生存在相關性，但仍需進一步明確腸道炎癥過程中KP的精確調節機制。

2.2AhR與IBD腸道炎癥的相關性

2.2.1調節局部IL-22的產生 IL-22是一種相對較新的細胞因子，對于維持腸道穩態十分重要。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。動物實驗發現，AhR的缺乏促進了結腸炎的發展，部分原因為AhR的缺乏改變了IL-22的產生[6]。在腸道炎癥情況下，IL-22可通過信號轉導及轉錄激活因子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IL-22途徑顯示出對UC具有很強的治療作用[27]。但IL-22途徑的持續激活會增加與結腸炎相關的癌癥風險，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導。研究發現，Card9參與了真菌的先天免疫反應(通過C型凝集素感應激活IL-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，導致小鼠對結腸炎的易感性[27]。此外，IL-22是微生物群產生AhR配體所必需。通過對IBD患者的糞便進行檢測發現，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AhR活化[29]。糞菌移植通過促進IL-10和轉化生長因子-β產生及AhR活化，減輕DSS誘導腸炎小鼠結腸黏膜損傷的嚴重程度，從而對結腸炎具有良好的治療效果[7]。這些證據均表明吲哚衍生物是由微生物群分解色氨酸產生的代謝產物，并被確定為AhR的激活劑，可調節局部IL-22的產生。因此，對AhR配體產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，且AhR活化可通過誘導Treg細胞的產生，保護小鼠模型免于罹患結腸炎[27,30]。此外，吲哚-3-丙酸作為疾病緩解的生物標志物，學者發現活動性結腸炎患者循環血血清中的吲哚-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]。

盡管大多數內源性色氨酸代謝產物已被鑒定為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物作用的結果。許多AhR配體有效地結合在一起，并作為整體的一部分發揮功能，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現[20]。考慮到已經鑒定出越來越多的內源性配體，因此不可能只有一種配體承擔介導人體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選擇性調節劑達到的終態。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重要。

2.35-HT與IBD腸道炎癥的相關性 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。5-HT是參與腸道分泌、感覺和蠕動的關鍵信號分子。當腸道5-HT能信號轉導元件被破壞時，這些功能均會受到影響，從而導致腹痛、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節作用。

動物實驗發現，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的結腸炎小鼠癥狀，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缺陷型小鼠對結腸炎的敏感性降低，其炎癥細胞因子的產生減少[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的結腸炎模型中，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激誘導的細胞凋亡的抵抗力[32]。

總之，腸道菌群參與了5-HT的產生，5-HT通過不同途徑影響了腸道炎癥的發展，但其作用機制仍不明確，同時臨床觀察中很難確定IBD相關的5-HT信號轉導的改變是免疫應答的原因還是結果，仍需進一步研究。

3 小 結

腸道微生物產生的代謝產物是飲食誘導的宿主-微生物相互作用的關鍵介質[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生作用。不同程度激活免疫系統，增強腸上皮屏障，刺激胃腸動力，以及腸道激素的分泌，發揮抗炎、抗氧化或毒性作用。

研究表明，色氨酸代謝的變化與IBD發生的病因有關[19]。色氨酸不僅在IBD的病因學中起作用，腸道色氨酸分解代謝產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物與IBD患者病情相關聯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物與人類健康之間的相互聯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。