溃疡性结肠炎内源性代谢物和肠道菌群变化研究进展

李 云，戴 岳，夏玉凤

（中国药科大学中药学院，江苏南京 210009）

溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）是一种直结肠慢性、非特异性的炎症性疾病，其临床症状有表层黏膜炎症、直肠出血和腹泻腹痛等［1］，反复发作可发展为结肠癌，被世界卫生组织列为难治病之一。UC多发于欧美国家，但近年来，由于饮食结构和生活环境等的改变，在我国发病率也明显增高，但发病机制尚未明确［1-2］。

代谢物是生理过程的综合产物，代谢表型可反映机体的生命状态。代谢组学技术通过定性定量分析内源性物质的实时变化来体现机体对生理刺激或基因修饰的应答。和其他组学相比，其检测的物质种类相对较少，却能放大基因和蛋白质水平上的微小差异；同时有效减少不表达基因和无活性蛋白质的干扰，准确性更高。因此，近20年来代谢组学发展迅速。

人体是宿主和微生物共同组成的超级生物体［3］，肠道菌群参与人体的吸收、代谢、免疫、防御并维持肠道稳定［4］。但长期以来，由于种类和数量众多，相互关系错综复杂并缺少高效便捷的分析方法，肠道菌群对于维持人体平衡的重要作用一直被低估。肠道菌群除了通过自身形成黏膜屏障、多信号通路调节来维持肠道稳态，宿主与肠道菌群的共代谢产物也是一种主要调节方式［5］。肠道菌群参与宿主代谢，产生大量小分子物质和激素，代谢物进入到宿主体内参与机体循环并影响宿主稳态，如肠道菌群产生的鞭毛蛋白和脂多糖通过核因子白细胞介素3（nuclear factor interleukin-3）和生物钟调节人体脂肪代谢［6］，因此肠道菌群既是代谢参与者又是调节者。代谢物的变化也可预示着肠道菌群的异常，如尿液中有机酸含量上升提示肠道中艰难梭菌（Clostridium difficile）、普拉氏梭杆菌（Faecali⁃bacterium prausnitzii）、双歧杆菌属（Bifidobacteriumspp.）、罕见小球菌属（Subdoligranulumspp.）和乳杆菌属（Lactobacillusspp.）菌群过度生长［7-8］。

代谢组学技术和微生物研究技术的发展为深入研究宿主代谢和肠道菌群变化提供了强有力的工具。本文以UC为出发点，重点综述宿主代谢物水平和肠道菌群的变化及其共变化。

1 内源性代谢物的变化

目前，UC的研究多从单一因素入手，忽视了各种因素交互影响的共同作用结果，缺乏整体性。代谢组学系统性、全面性的研究特点弥补了这一缺陷，在UC生物标志物筛选、发病机制探究以及药物疗效评价方面有独特优势。

1.1 氨基酸

氨基酸及其代谢物约占机体组成20%，对于维持机体稳态具有重要意义。UC患者的粪、尿、血浆、血清和结肠组织中均存在氨基酸代谢异常［9］。Marchesi等［10］使用核磁共振第一次绘制了UC患者粪便代谢谱，与正常对照相比，赖氨酸和谷氨酸含量升高；Bjerrum等［11］发现，UC患者粪便中亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸和赖氨酸上升；超高效液相色谱-串联质谱（ultra performonce liquid chromatographytandem mass，UPLC-MS）检测发现，6～17岁UC患者的粪便中精氨酸、甘氨酸、色氨酸、丙氨酸、瓜氨酸、丝氨酸、尿氨酸和丙氨酸含量均上升［12］。靶向代谢组学中发现，UC患者的血浆氨基酸谱发生了改变，使用氨基酸指数技术的多变量指数（multivariate index using“AminoIndexTMtechnology”，MIAI）可有效区分UC患者与正常对照者，受试者工作特征曲线（receiver operating characteristic curve，ROC）达到89%，表明MIAI的诊断价值较高；其中组氨酸和色氨酸显著下降，且二者含量越低，病情越严重［13］；核磁共振分析血清发现缬氨酸、谷氨酸和甘氨酸降低，苯丙氨酸升高［14-15］。

粪便与肠道充分接触，粪便中内源性代谢物能直观地反映肠道信息。UC患者粪便中氨基酸含量总体上升，普遍认为肠道黏膜受损导致氨基酸的吸收减少是主要原因；也有学者提出，机体通过分解蛋白质来修复受损的黏膜，引起氨基酸积聚［16］，蛋白质代谢产物苯乙烯在UC患者体内显著上升且与UC严重程度密切相关也证实了这一点［16］。

血浆和血清携带机体各部分代谢的综合信息，也是代谢组学研究常用的检测样本。与粪便样品相反，UC患者血浆和血清中氨基酸含量大都下降，如组氨酸、色氨酸、缬氨酸、谷氨酸和甘氨酸。色氨酸具有免疫调节作用，吲哚胺2，3-双加氧酶（indoleamine 2，3-dioxygenase，IDO）是色氨酸沿犬尿氨酸途径代谢分解的限速酶，蛋白质组学和基因组学研究发现，炎症状态下IDO增加，从而导致色氨酸消耗增加［17］。近来有研究认为，甘氨酸具有抗炎和免疫调节作用，其机制可能与门控氯离子通道有关［18］。由此可知，具有抗炎作用的色氨酸和甘氨酸含量的下降可能是UC患者产生炎症的原因之一。

1.2 能量代谢相关物质

炎症是一个高耗能过程，机体需要充足的能量来维持生理功能的正常行使［19］。因此，UC状态下能量需求显著增加。尿液中三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA）中间体柠檬酸下降［20］；血清中乳酸和葡萄糖下降，丙酮酸上升［14］；活动期患者血清中丙酮、乙酰乙酸和β-羟丁酸含量显著高于缓解期患者［21］。大量参与能量代谢的物质发生了改变，充分表明UC状态下能量代谢异常。

有氧氧化是糖氧化的主要方式，为机体提供大部分的能量，包括糖酵解途径和TCA。丙酮酸是糖酵解途径的产物，在无氧条件下生成乳酸，有氧条件下转变为乙酰辅酶A参与TCA，同时丙酮酸也是联系糖、蛋白质和脂质3大代谢物的重要枢纽。在UC状态下，丙酮酸含量上升，而上游葡萄糖、下游乳酸、TCA中间体柠檬酸均下降，表明机体糖代谢增加除产生更多能量之外，还动员氨基酸与脂质转变为丙酮酸为机体供能。丙酮、乙酰乙酸和β-羟丁酸统称为酮体，在长期饥饿和糖供给不足时会代替葡萄糖参与供能。

1.3 脂质

脂肪酸在UC患者粪便中具有明显的变化，包括短链脂肪酸（short chain fatty acids，SCFA，如乙酸、丙酸和丁酸）［10-11］和中链脂肪酸（戊酸、己酸、庚酸、辛酸和壬酸）的显著下降［16］。脂肪酸通过β-氧化参与供能，丁酸氧化可为结肠细胞提供60%能量，再次提示UC状态下能量代谢异常。SCFA通过肿瘤坏死因子α、NF-κB通路以及活化G蛋白偶联受体41（G protein receptor 41，GPR41）和GPR43以发挥抗炎作用，炎症引起的SCFA下降会使得炎症持续［11］。中链脂肪酸可激活过氧化物酶体增殖物激活受体以发挥抗炎作用［16］。

甲胺、三甲胺和氧化三甲胺是胆碱在胃肠道菌群作用下的产物，其减少表明胆碱代谢受到扰动［10］。胆碱是组成细胞膜的重要成分，是维持细胞膜完整的关键，UC患者粪便中胆碱上升［12］，胆碱代谢产物甘油磷酰胆碱下降［14］，表明UC患者肠道细胞膜完整性改变，炎症可能导致肠黏膜受损。低密度脂蛋白（low density lipoprotein，LDL）和极低密度脂蛋白（very low densit lipoprotein，VLDL）是肝脂肪代谢的产物，二者在血清中含量下降是炎症增加磷脂酶A2活性、促进LDL和VLDL中磷脂质水解、同时促炎因子抑制水解甘油三酯的脂肪酶表达而引起的［18］。

2 肠道菌群的变化

以16S rRNA为基础的分子生物学方法的发展打开了研究肠道微生物的新大门，肠道菌群在健康与疾病中的作用也成为研究热点。研究表明，肠道菌群及其代谢物可激活肠黏膜免疫系统，导致UC遗传易感人群肠黏膜免疫功能紊乱，引起UC［22］。肠道菌群失调是UC的显著特征，二者的因果与先后关系一直是难以解开的科学问题。

2.1 肠道菌群多样性降低

UC状态下肠道菌群失调的典型表现是肠道菌多样性降低。荧光PCR分析发现，UC患者粪便总细菌菌落减少［23］；应用肠杆菌基因间重复序列（enterobacterial repetitive intergenic consensus-PCR，ERIC-PCR）建立肠道菌DNA指纹图谱发现，UC患者肠道菌群多样性和丰富度显著降低［24］；变性梯度凝胶电泳（denaturing gradient gel electrophoresis，DGGE）分析发现，UC患者粪便肠道菌多样性显著降低［25］；在宏基因组研究中，患者粪便样本细菌种群多样性指数降低，提示UC状态下肠道菌群的丰富度不足；主坐标分析（principal coordinate analysis，PCoA）可见，UC患者样本聚集，且与正常人样本明显分开，可见患者肠道菌群的组成结构相似，差异较小，且与正常人明显不同［26］。

健康的肠道菌群始终处于平衡状态，物种多样性是衡量肠道健康的重要指标。物种多样对外来微生物有更强大的耐受力，同时功能相似的物种可及时补偿另一物种的异常所导致的功能变化。UC状态下肠道菌群的多样性和丰富度明显降低，充分说明UC状态下肠道抵御环境变化的能力减弱［27］。

肠道炎症也是导致肠道菌群多样性降低的原因之一。研究表明，慢性炎症通过增加血流量、释放活性氧类等来提高肠道内氧浓度［28］，而肠道内微生物主要为厌氧菌，因此厌氧菌生长会受到抑制。

2.2 厚壁菌门细菌减少

厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）细菌占人体肠道菌群的90%，大量研究表明，UC状态下厚壁菌门细菌显著下降。DGGE分析发现，UC患者粪便中普拉氏梭杆菌和直肠真杆菌（Eubacterium rectale）显著减少［26］；焦磷酸测序针对十二指肠进行菌群分析发现，厚壁菌门细菌显著减少，包括乳酸菌属和芽孢杆菌属（Bacillus）［29］；基于16S rRNA分析结肠袋黏膜组织显示，普拉氏梭杆菌显著减少［30］；Shah等［31］针对黏膜研究发现，罗斯伯里菌属（Roseburia）细菌减少。

厚壁菌门细菌具有抗炎作用［5］。普拉氏梭杆菌属于梭菌属，梭菌属细菌对于维持免疫功能具有平衡作用。普拉氏梭杆菌被认为是抗炎微生物，其数量与UC严重程度呈负相关。体外研究发现，其具有抗炎作用，在体内可通过参与代谢物SCFA调节炎症［32］。罗斯伯里菌属细菌参与T细胞调节，诱导T调节细胞分化。罗斯伯里菌属细菌的鞭毛蛋白是有效的免疫调节蛋白，可直接参与免疫反应，同时能分泌黏液层附着到肠上皮细胞表面作为肠道屏障［33］。

2.3 拟杆菌门细菌减少

UC状态下拟杆菌门细菌显著减少。体外培养［34］和高通量测序［35］发现，患者粪便中拟杆菌门细菌减少；焦磷酸测序针对UC患者的十二指肠进行菌群分析，发现拟杆菌门细菌减少［30］；DGGE发现，UC患者粪便中脆弱拟杆菌（Bacteroides fragillis）减少［36］。宏基因组研究显示，UC患者肠道菌群的读段（reads）明显减少，变化最为显著的菌属为拟杆菌属（Bacteroides）和普氏菌属（Prevotella）［37］。

拟杆菌门细菌在肠道内有数量优势，其含量下降预示着UC肠道内菌群异常。脆弱拟杆菌可减少多糖A促进的T调节细胞分化来调节Th1/Th2平衡［34］，其在UC状态下呈现下降趋势表明其免疫调节作用减弱。

2.4 变形菌门细菌增加，放线菌门细菌减少

UC患者肠道内变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）细菌也发生了改变。体外培养UC患者粪便发现，双歧杆菌属（Bifidobac⁃terium）细菌减少［34］；荧光PCR分析发现，双歧杆菌属细菌显著减少，肠球菌属细菌和大肠埃希菌增加［24］；焦磷酸测序针对UC患者的十二指肠进行菌群分析发现，放线菌门细菌显著减少［30］。宏基因组研究分析发现，患者粪便内的双歧杆菌属细菌，尤其是双歧杆菌的下降与UC密切相关［27］；患者肠道脱硫弧菌科（Desulfovibrionaceae）细菌增多［37］。基于16S rRNA分析结肠袋黏膜组织结果显示，UC患者肠道变形菌门细菌显著增加［31］。

双歧杆菌属细菌属于放线菌门，是常见的益生菌，也具有免疫调节作用，可增强先天防御能力［27］，被用于益生菌疗法治疗UC，可有效减轻UC症状并对肠道菌群失调有纠偏作用［38］。大多数变形菌门细菌是有害菌，大肠杆菌（E.coli）是其中常见的致病菌，在UC状态下增加。黏附侵袭性大肠杆菌被认为是UC的参与者，具有强大的侵袭和附着能力，黏附在肠上皮细胞，可以改变肠的通透能力及肠菌组成，同时也是一类促炎细菌，通过调节促炎因子基因表达而引起炎症［5］。

综上可知，UC患者肠道菌群失调，表现为肠道菌群多样性降低，抗炎菌群生长受到抑制，而促炎菌群生长旺盛。因此，益生菌、益生元和粪便菌群移植（fecal microbiota transplantation，FMT）成为治疗UC的有效方法。E.coliNissle 1917和VSL#3是研究比较多的治疗UC的益生菌，可以通过调节肠道菌群结构发挥肠道屏障保护和免疫作用，调节异常微生物群落结构，缓解活动期UC并使之维持在缓解期［39］。益生元作为营养物质促进肠内有益菌的生长［39］。FMT通过移植正常人的功能菌群到UC患者胃肠道内，改变患者肠道菌群组成，重构患者肠道稳态来发挥治疗作用［40］。

3 代谢物和肠道菌群的共变化

UC代谢组学中的大量差异代谢物与肠道菌群密切相关，梭菌属细菌和拟杆菌门细菌参与对甲酚的合成［20］；梭菌属细菌与马尿酸水平呈现正相关［41］；肠道菌群参与胆碱-三甲胺-甲胺的代谢过程，也参与了一些氨基酸的代谢和蛋白质的发酵。有学者综合分析UC患者的血清代谢物和粪便肠菌组成，发现患者的血清中有18个代谢物是宿主和肠道菌群共同参与代谢的，苯乙酸、羟基苯乙酸、3-吲哚乙酸、琥珀酸、延胡索酸和苯丙酸的含量变化可反映体内参与苯丙氨酸和酪氨酸代谢的梭菌属和拟杆菌属细菌的活性变化［42］。因此，有观点认为，粪便代谢谱是评价肠道菌群代谢活性的有效方法［43］。

3.1 短链脂肪酸

SCFA是UC状态下代谢组学与肠道菌群相关性研究较多的内源性物质。SCFA是不易消化的碳水化合物在普拉氏梭杆菌、罗斯伯里菌属、真杆菌属（Eubacterium）和双歧杆菌纲（Bifidobacteria）细菌作用下的产物［44］，主要包括乙酸、丙酸、丁酸和异丁酸。粪便中SCFA的含量可以反映机体肠道菌群的状态。Kumari等［45］报道，UC活动期患者粪便中丁酸、异丁酸和乙酸显著下降，球形梭菌（Cl.coccoides）、柔嫩梭菌（Cl.leptum）、普拉氏梭杆菌和肠道罗斯伯里菌（R.intestinalis）含量下降；相关性分析发现，产丁酸菌普拉氏梭杆菌和肠道罗斯伯里菌与丁酸、异丁酸和乙酸呈正相关，而在缓解期异常肠道菌趋于正常。因此该研究认为，肠道菌群紊乱导致SCFA含量下降与UC的发病相关。丁酸是结肠上皮细胞的能量来源，乙酸参与脂肪生成和糖异生，二者异常代谢表明炎症致使肠道内能量代谢紊乱。乙酸和丁酸通过活化GPR41、GPR43和抑制组蛋白去乙酰化酶发挥抗炎作用［46］。调节SCFA肠内产量成为治疗UC的新靶点，以此研发的药物备受青睐。

3.2 色氨酸

肠道菌群参与的色氨酸代谢也是调节免疫系统的重要信号通路。已有研究证实，缺少肠道菌的情况下色氨酸代谢减弱，表现为色氨酸含量升高而活性代谢物减少。肠源色氨酸代谢物可以调节免疫细胞中维持免疫平衡的关键因子的芳烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AhR）活性，AhR可以有效的平衡T调节细胞和Th17。吲哚是色氨酸在肠杆菌科表达的色氨酸酶作用下的产物［47］，可保护肠菌膜的完整性，减少病原菌的黏附并促进抗炎因子白细胞介素10的生成，同时减少炎症因子的生成［48］。吲哚-3-丙酸是吲哚在肠道菌群作用下的产物，它的产生需要生孢梭菌（Cl.sporogenes）参与［49］，吲哚-3-丙酸可以通过孕烷X受体抑制炎症信号，提高肠道屏障完整性［48］。

肠道菌群与代谢产物的研究还处于起步阶段，多局限于菌群数量和代谢物相关性的初步探索，但多数代谢产物与肠道菌群并不是简单的一一对应关系，一种肠道菌可在多种代谢物的生成中发挥作用，一个代谢产物的产生也需要多种菌的参与，因此肠道菌群与内源性代谢物的相关性研究应注重功能的研究。肠道菌群研究方兴未艾，新技术层出不穷，肠道菌群与代谢产物的相关性研究也将蓬勃发展，从多角度填充这一领域的空白。

4 结语

UC的发病机制错综复杂，现有的治疗手段均达不到理想的治疗效果。本研究总结了UC患者体内主要代谢物和肠道菌群的异常，为发病机制的研究提供一个新的切入点。也提示在探讨疾病发病机制中要着重关注机体的整体平衡对于健康的作用，注重机体内源性代谢产物与特定肠道菌群的功能及药理活性；在药效评价与药物开发中不可忽视药物对代谢与肠道菌群的调节作用。

代谢组学、分子生物学和宏基因组学等的迅速发展，改变了对疾病的传统认识，使大众逐渐意识到代谢这一生理过程对于人类健康的重要作用，而肠道菌群作为代谢的参与者和调节者，又是人类基因组中的可调节因素，对机体通过代谢维持体内平衡的意义更是不容小觑。理清肠道菌结构、功能与代谢的错综复杂的关系是未来肠道菌与疾病研究的一个主要方向，这将有助于阐明肠道菌群在维持机体稳态中发挥的重要作用，为全面深入了解UC这类多因素参与的疾病指明新的方向，探索新的治疗靶点，可促进个性化医疗的早日实现。

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