色氨酸代谢与炎性肠病相关研究进展

崔灿，李盈，杨豪杰，金炜，吴炯，韩昌鹏，金磊，干丹，秦凯健，张曦月，王振宜

(上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院肛肠科，上海 200437)

炎性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)是一种慢性和复发性肠道炎性疾病[1-2]。研究表明，其发病原因与环境、遗传、微生物群和免疫反应相关[3]。迄今为止，IBD最广泛接受的发病机制假设为遗传易感宿主中的环境因素触发了针对肠道菌群的异常免疫反应。IBD患者肠道菌群的多样性发生改变，肠道中的微生物群落结构不协调，宿主与肠道菌群之间的共生关系发生变化[4-5]，同时与共生关系相关的免疫与代谢也会不同程度影响IBD的进展。因此，通过对维持肠道稳定状态诸多因素之间关系的深入研究，可能会发现针对肠道相关疾病的靶向治疗策略。

色氨酸作为一种肠道菌群与宿主间的沟通媒介，在一系列内源酶或微生物代谢作用下生成许多色氨酸代谢产物，其代谢产物不同程度调节各种生理和病理进程，包括生长调节、新陈代谢、情绪和免疫反应等。而色氨酸缺乏直接导致代谢产物的减少，这与肠道失衡密切相关，甚至诱发IBD。近年来，在肠道菌群控制下的色氨酸代谢过程与IBD的关系成为研究热点。现就色基酸代谢与IBD相关研究进展予以综述。

1 色氨酸代谢

色氨酸是人体八种必需氨基酸之一，是唯一含有吲哚结构的氨基酸，即双环化合物，主要来自外源性摄入的富含蛋白质的食物[6]。色氨酸主要在小肠中摄取，但到达结肠的部分可被肠道细菌分解代谢，产生各种吲哚衍生物。虽然细菌降解蛋白质的产物通常会对人体产生不利影响，但研究表明微生物分解色氨酸产生的代谢产物可能会对宿主产生积极影响[7]。

1.1犬尿氨酸代谢通路(kynurenine pathway，KP) KP约占色氨酸代谢过程的90%[8]，是色氨酸代谢过程中最重要的途径。色氨酸的犬尿氨酸代谢途径由吲哚胺2,3-双加氧酶(indoleamine 2,3-dioxygenase，IDO)1介导，并生成犬尿氨酸和下游产物，如喹啉酸、烟酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和犬尿酸等[9-10]。IDO1是犬尿氨酸代谢途径的限速酶。KP终产物涉及许多宿主生物过程的调节，这些过程涉及神经传递、炎症和免疫反应。此外，某些代谢产物也可能在肠道中发挥特定作用。如炎症、损伤和感染会上调肠上皮中色氨酸代谢酶IDO1的表达，IDO1调节芳烃受体(aryl hydrocarbon receptor，AhR)和Notch信号，以增加分泌细胞的分化并改变黏液相关的微生物，有助于恢复肠道稳态[11]。

1.2经肠道菌群的直接代谢途径 色氨酸可经肠道内细菌直接分解代谢，形成吲哚及其衍生物，如吲哚-3-乙酸、吲哚-3-丙酸等，它们均可作为AhR的配体，AhR是一种适应性免疫和肠屏障功能的关键调节因子[12]，不仅能促进局部白细胞介素(interleukin，IL)的产生，有助于肠上皮细胞的更新和肠黏膜屏障的完整性，还作用于许多种类的免疫细胞，如上皮内淋巴细胞、辅助性T细胞17、先天性淋巴细胞、巨噬细胞、树突状细胞和中性粒细胞。此外，共生菌或其代谢产物也可以激活AhR，可诱导下游细胞因子的表达，从而有助于肠道正常微生物的恢复和体内稳态。

吲哚化合物可以由源自肠道微生物群的各种酶作用下产生的色氨酸代谢产物生物合成[13]。大肠埃希菌中发现了色氨酸和吲哚的主动转运蛋白。色氨酸酶是由大肠埃希菌和乳酸杆菌编码，其能将色氨酸代谢为吲哚，而吲哚也是一种菌种间的信号分子，它能够控制细菌生理的各个方面，如抗生素耐药性、孢子形成和生物膜形成。在非吲哚产生菌中，吲哚及其衍生物具有明显的抑制群体感应和调节毒性因子的作用。同时，肠道微生物群还可分解产生各种色氨酸代谢产物，通过不同的途径和酶介导关键功能[14]。

1.35-羟色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)代谢途径 色氨酸在色氨酸羟化酶的作用下生成5-羟基色氨酸，5-羟基色氨酸进一步代谢生成5-HT。5-HT作为一种重要的神经递质，通过激活5-HT受体，进而对宿主生理发挥广泛的作用。5-HT作为一种肠道产生的重要分子可以将信号从肠道传递到外在或内在神经元，并影响肠蠕动、分泌、血管舒张和营养吸收[15]，其被认为在维持肠道稳态方面具有重要作用。同时，5-HT也是一种有效的免疫调节剂，可通过其受体及磺酰化过程影响各种免疫细胞。此外，5-HT在中枢神经系统也发挥重要作用。

95%的5-HT存在于外周组织中，而肠嗜铬细胞是外周组织中5-HT的主要来源。肠嗜铬细胞是肠道内分泌细胞中最具特色的细胞，分散在整个肠道黏膜中。色氨酸被分解形成5-HT，主要通过被色氨酸羟化酶羟基化，生成5-羟基色氨酸，新形成的5-羟基色氨酸被芳香族氨基酸脱羧酶脱羧，生成5-HT。5-HT通过单胺氧化酶代谢，生成5-羟基吲哚乙酸，最终通过尿液排出体外[16]。

2 色氨酸代谢与IBD肠道炎性改变

研究发现，环境因素、基因易感、肠道微生物等与IBD的发病密切相关，肠道菌群和微生物代谢产物对于维持肠道健康很重要[17]。虽然肠道微生物组成和代谢产物高度复杂，但肠道微生物群、微生物代谢产物与肠道免疫功能之间的相关性已被证实。肠道微生物可以通过多种代谢产物影响宿主免疫，其中包括色氨酸的代谢产物[18-19]。

2.1KP与IBD肠道炎症的相关性 KP的改变可能是IBD的发病机制之一。犬尿氨酸代谢途径积累的代谢产物通过激活AhR参与免疫系统的调节过程由IDO发起和控制。IDO通过负反馈调节维持体内稳态。在炎症或感染的情况下，IDO表达上调的直接结果为T细胞周围色氨酸的减少及犬尿氨酸表达的增加。犬尿氨酸是AhR的配体，可以激活AhR。而活化的AhR可促进调节性T细胞(regulatory T cell，Treg细胞)CD4+CD25+的增殖并抑制活化T细胞的免疫功能。在外周，色氨酸的过度缺乏增加了犬尿氨酸的产生，进而抑制了效应T细胞及自然杀伤细胞的增殖和功能[20]。此外，色氨酸缺乏也会抑制免疫系统识别和破坏某些类型的肿瘤。

动物实验发现IDO1基因敲除小鼠更易患结肠炎，表明IDO1是肠道炎症的负调节剂[21]。通过葡聚糖硫酸钠(dextran sulphate sodium，DSS)诱导溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)模型小鼠实验发现，树突状细胞衍生的IDO将色氨酸降解为犬尿氨酸，其促进免疫抑制Treg细胞向炎症T细胞的转化[22]。研究证明，“祛瘀生新方”可以通过抑制视黄酸相关孤儿受体γt表达及辅助性T细胞17分化，同时上调叉头框转录因子P3的表达及促进Treg细胞分化，调控辅助性T细胞17/Treg细胞平衡，降低UC模型小鼠的肠道炎症[23-24]。证明了Treg细胞轴在UC中诱导和维持黏膜愈合的重要性。在IDO1缺陷小鼠中，DSS诱导的结肠炎严重程度降低，而黏蛋白表达增加(是宿主防御入侵细菌的第一道防线)[25]。

有研究通过使用超高效液相色谱和气相色谱-质谱分析99例IBD患者的血清色氨酸代谢产物，并通过定量实时聚合酶链反应确定相关酶的表达，证明犬尿喹啉酸/色氨酸比值增加与内镜下肠道炎症密切相关，并能预测UC患者的预后[26]。这支持了犬尿氨酸途径在调节UC中黏膜炎症中的作用。

可见，KP是色氨酸完成其生理功能的基础，其不仅影响色氨酸的代谢和浓度，还与AhR对免疫系统的影响有关。虽然犬尿氨酸代谢途径与肠道炎症的发生存在相关性，但仍需进一步明确肠道炎症过程中KP的精确调节机制。

2.2AhR与IBD肠道炎症的相关性

2.2.1调节局部IL-22的产生 IL-22是一种相对较新的细胞因子，对于维持肠道稳态十分重要。在肠道中，IL-22的主要功能是支持和维持胃肠道上皮屏障的完整性，并增强机体对病原体入侵的防御机制。动物实验发现，AhR的缺乏促进了结肠炎的发展，部分原因为AhR的缺乏改变了IL-22的产生[6]。在肠道炎症情况下，IL-22可通过信号转导及转录激活因子3途径促进上皮细胞再生和增强黏膜屏障完整性，使IBD患者达到黏膜愈合的效果。此外，IL-22可以上调上皮抗菌蛋白，进一步杀死侵入性病原体，促进肠道共生微生物的平衡。因此，细胞再生、组织重塑以及肠道中共生细菌与宿主免疫系统之间的平衡被认为是IL-22的抗炎特性。

IL-22具有两面性，在临床试验中靛蓝可以通过AhR激活IL-22途径显示出对UC具有很强的治疗作用[27]。但IL-22途径的持续激活会增加与结肠炎相关的癌症风险，特别是在较长IBD病史的患者中。Card9是众多IBD易感基因之一，其编码一种衔接分子蛋白，该蛋白整合了模式识别受体及下游信号转导。研究发现，Card9参与了真菌的先天免疫反应(通过C型凝集素感应激活IL-22信号通路)，而IL-22在炎症性疾病中可以保护组织免受损伤[28]。

Card9基因缺陷小鼠的肠道微生物群通过受损的色氨酸代谢改变IL-22信号通路，引起AhR激活缺陷，导致小鼠对结肠炎的易感性[27]。此外，IL-22是微生物群产生AhR配体所必需。通过对IBD患者的粪便进行检测发现，与来自IBD患者的粪便样品相比，来自健康受试者的粪便样品更加可以诱导AhR活化[29]。粪菌移植通过促进IL-10和转化生长因子-β产生及AhR活化，减轻DSS诱导肠炎小鼠结肠黏膜损伤的严重程度，从而对结肠炎具有良好的治疗效果[7]。这些证据均表明吲哚衍生物是由微生物群分解色氨酸产生的代谢产物，并被确定为AhR的激活剂，可调节局部IL-22的产生。因此，对AhR配体产生过程中的任何修饰均会影响IL-22水平，进而影响微生物群与宿主细胞之间的脆弱平衡。

2.2.2诱导IBD小鼠模型肠道黏膜愈合 AhR在IBD患者的肠组织中表达下调，且AhR活化可通过诱导Treg细胞的产生，保护小鼠模型免于罹患结肠炎[27,30]。此外，吲哚-3-丙酸作为疾病缓解的生物标志物，学者发现活动性结肠炎患者循环血血清中的吲哚-3-丙酸选择性减少，而UC模型小鼠通过口服吲哚类化合物或吲哚-3-丙酸可改善小鼠的结肠炎症，表明吲哚化合物在黏膜愈合过程中起重要作用[19]。

尽管大多数内源性色氨酸代谢产物已被鉴定为AhR的配体，但不能忽视的是其生理功能可能是其前体或下游产物作用的结果。许多AhR配体有效地结合在一起，并作为整体的一部分发挥功能，以保持机体健康。但是，可能还有更多潜在的途径和配体有待发现[20]。考虑到已经鉴定出越来越多的内源性配体，因此不可能只有一种配体承担介导人体AhR生理功能的全部责任。色氨酸-AhR途径的生理活性是通过多种AhR选择性调节剂达到的终态。因此，对影响AhR信号通路因素的更全面了解对于阐明AhR信号通路的多种生理功能至关重要。

2.35-HT与IBD肠道炎症的相关性 5-HT与5-HT受体相互作用，从而影响肠道的多种功能，然后被血清素选择性再摄取转运蛋白清除[31]。5-HT影响肠道的主要功能，包括运动、分泌、血流和感觉。而作为外周组织中5-HT主要来源，肠嗜铬细胞是肠道中的一种特化细胞，其特化的微绒毛伸入肠腔，并含有酶和转运蛋白，能够通过周围细胞释放的中介物直接或间接对肠腔刺激做出反应。5-HT是参与肠道分泌、感觉和蠕动的关键信号分子。当肠道5-HT能信号转导元件被破坏时，这些功能均会受到影响，从而导致腹痛、腹泻和(或)便秘等[32]。另外，肠道菌群对肠道中的色氨酸和5-HT均有直接和间接的调节作用。

动物实验发现，缺乏色氨酸羟化酶和使用5-HT合成抑制剂可减轻化学诱导的结肠炎小鼠症状，表明5-HT加重了肠道炎症[33]。而肠道5-HT水平降低的色氨酸羟化酶1缺陷型小鼠对结肠炎的敏感性降低，其炎症细胞因子的产生减少[33]。此外，药理学上阻断外周5-HT合成可降低化学性和感染性肠道炎症的严重性。在DSS或三硝基苯磺酸诱导的结肠炎模型中，上皮5-HT4受体的激活具有抗炎、促进肠道炎症修复的作用[18]。且许多机制可能有助于5-HT4受体活化的保护作用，包括增强上皮增殖，加速切口愈合以及增加对氧化应激诱导的细胞凋亡的抵抗力[32]。

总之，肠道菌群参与了5-HT的产生，5-HT通过不同途径影响了肠道炎症的发展，但其作用机制仍不明确，同时临床观察中很难确定IBD相关的5-HT信号转导的改变是免疫应答的原因还是结果，仍需进一步研究。

3 小 结

肠道微生物产生的代谢产物是饮食诱导的宿主-微生物相互作用的关键介质[34]。血清素、犬尿氨酸和吲哚衍生物的3种主要色氨酸代谢途径均与微生物群直接或间接产生作用。不同程度激活免疫系统，增强肠上皮屏障，刺激胃肠动力，以及肠道激素的分泌，发挥抗炎、抗氧化或毒性作用。

研究表明，色氨酸代谢的变化与IBD发生的病因有关[19]。色氨酸不仅在IBD的病因学中起作用，肠道色氨酸分解代谢产物的消耗也可能影响IBD的严重程度。由于将色氨酸分解代谢产物与IBD患者病情相关联的实验多源自小鼠模型，因此需要更多的研究提供色氨酸分解代谢产物与人类健康之间的相互联系及分子生物学机制。以及需要进一步的临床试验判断色氨酸含量的改变并非因肠渗漏或营养不良所致。未来通过进一步的临床验证，肠道微生物色氨酸代谢有望作为IBD治疗的靶点。