色氨酸及其衍生物在炎症性肠病中的研究进展

陈文轩， 张 哲， 周 川， 王素敏， 王 亮， 冯百岁

郑州大学第二附属医院消化内科，河南 郑州 450014

炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)是一组主要影响胃肠道的免疫相关性疾病，主要包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)和克罗恩病(Crohn′s disease，CD)，常伴腹痛、腹泻、黏液脓血便等临床症状，严重者会出现营养不良和肠穿孔。IBD在西方国家发病率较高，近年来，随着环境的变化、饮食和生活方式的西方化以及由此导致的肠道微生物代谢紊乱等多种因素，IBD在我国的发病率逐年增加[1]。

IBD患者肠道菌群失调，致病菌增多，产生的肠毒素导致肠上皮通透性增加，破坏肠道屏障完整性；有益菌减少，其所产生的短链脂肪酸、色氨酸、胆汁酸等代谢产物的浓度降低，对肠黏膜的保护作用减弱。本团队既往研究发现[2]，菌群代谢产物短链脂肪酸通过调节肠道免疫细胞、维持黏膜完整性、调控细胞因子、提供细胞能量等在维持IBD患者肠道稳态方面发挥着重要的作用。进一步研究发现，色氨酸及其多途径衍生物，通过与芳基烃受体(Aryl hydrocarbon receptor，AhR)等受体结合，能够加强机械屏障、稳定免疫屏障、维持化学屏障和恢复微生物屏障，在维持肠道屏障完整性方面发挥着重要的作用。本文就色氨酸及其衍生物在IBD中的研究进展作一综述。

1 色氨酸及其受体简介

色氨酸是哺乳动物的必需氨基酸，是大量微生物和宿主代谢物的生物合成前体。色氨酸含量较高的食物主要有家禽、牛奶、金枪鱼、奶酪、面包、燕麦、李子、巧克力、花生等[3]。根据世界卫生组织指南推荐，成人色氨酸摄入量为4 mg·kg-1·d-1。中性氨基酸转运体1(broad neutral amino acid transporter 1，B0 AT1)，又称SLC6A19，主要在人和小鼠肠上皮细胞表达，色氨酸在胃肠道通过B0 AT1进入肠上皮细胞中[4]。有研究发现，色氨酸可通过色氨酸-犬尿氨酸(kynurenine, KYN)代谢途径、色氨酸-吲哚代谢途径以及色氨酸-5-羟色胺(5-hydroxytryptamine, 5-HT)代谢途径，生成各种衍生物，发挥生物学效应[3]。

AhR是一种配体依赖性转录因子，可以感知多种肠道信号，维持肠道菌群和宿主之间的稳态，目前被认为是控制肠道炎症的潜在靶点[5]。色氨酸作为AhR配体，与约50%的AhR结合，生成的AhR/ARNT复合物从细胞质转位到细胞核，调节免疫细胞、上皮细胞、内皮细胞、基质细胞等多种细胞的基因表达。此外，色氨酸还可以通过作用于一般性调控阻遏蛋白激酶2(general control nonderepressible 2，GCN2)[6]、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)[7]和5-羟色胺受体(5-hydroxytryptamine receptor，5-HTR)[8]，在机体发挥着重要的作用。

据报道，色氨酸对DSS诱导的结肠炎具有保护作用[9]。另有研究发现，与健康受试者相比，IBD患者肠组织中AhR的表达降低，也间接说明色氨酸在维持肠道内环境稳态方面起着至关重要的作用[10]。

2 色氨酸代谢途径及其代谢产物的作用

2.1 色氨酸-KYN途径95%的色氨酸经过KYN代谢途径发挥着重要的生理功能，该途径主要发生在肝脏，其次是大脑和小肠。色氨酸2，3-双加氧酶(tryptophan-2，3-dioxygenase，TDO)和吲哚胺2，3-双加氧酶(indoleamine-2，3-dioxygenase，IDO)是代谢过程中的限速酶，其中TDO主要介导色氨酸的基础代谢，而IDO更多的是在免疫环境中发挥作用[11]。色氨酸在TDO/IDO催化作用下产生多种代谢产物，如KYN、犬尿酸、黄尿酸、朱砂精酸、喹啉酸和吡啶甲酸[12]。KYN是色氨酸代谢途径的第一个稳定产物，是代谢途径的中心节点，有研究发现，KYN可以同时激活AhR的B和D等位基因，促进多种细胞因子的表达[13]。此外，KYN还可以通过影响GCN2和mTOR信号通路，对机体免疫应答具有多效性作用[14]。

2.2 色氨酸-吲哚途径4%～6%的色氨酸在肠道菌群作用下生成吲哚及吲哚衍生物[15]。其中，85种以上细菌含有色氨酸酶(由TnaA编码)可以直接产生吲哚乙酸、吲哚硫酸、吲哚-3-乙醛、吲哚丙烯酸、吲哚-3-醛和色胺；非吲哚产菌可通过细胞色素P450(cytochrome P450，CYP450)酶或羟基吲哚加氧酶将吲哚转化为吲哚-3-丙酸和吲哚硫酸酯[16]。吲哚及其代谢产物作为一种特殊性的微生物信号分子，在AhR的激活中起着核心作用。有研究发现，在IBD患者中，吲哚和AhR的表达下调[17]。进一步研究发现，给予色氨酸及吲哚代谢产物后，小鼠肠黏膜中AhR生成增加，IL-10R表达明显上调，小鼠结肠炎活动程度明显减弱[18]。此外，吲哚还可以激活孕烷X受体(pregnane X receptor，PXR)和维甲酸相关孤儿受体γt(retinoid-related orphan nuclear receptors，RORγt)，在调节肠道稳态中发挥着重要作用。

2.3 色氨酸-5-HT途径5-HT又称血清素，是一种生物单胺。羟化酶(Trp hydroxylase，TPH)是色氨酸转化为5-HT的关键酶，TPH1和TPH2将色氨酸转化为中间的I-5-羟色氨酸(I-5-HTP)；I-氨基酸脱羧酶将I-5-HTP转化为5-HT[19]。此外，乳球菌、乳杆菌等肠道菌群能够通过表达色氨酸合成酶产生5-HT[20]，调节肠道菌群组成。胃肠道中表达的5-HTR被分为7个家族(5-HTR1～7)，在机体多种细胞中表达，发挥不同的生物学功能。其中，在IBD发病机制中，5-HTR3似乎加重了炎症过程，而5-HTR1A和5-HTR4则可以减轻或延缓炎症过程[21]。5-HT作为AhR的激活剂，通过激活AhR/Cyp1A1途径调节肠道免疫应答[22]。

3 色氨酸在肠黏膜屏障中的保护作用

肠黏膜屏障主要由相关淋巴组织、单层上皮细胞、杯状细胞、肠道微生物群以及多种细胞分泌的黏液层等构成，包括机械屏障、化学屏障、免疫屏障和微生物屏障[23]，在选择性渗透营养物质的同时，将宿主与潜在的有害物质如腔毒素、抗原和微生物分隔开。在IBD患者肠黏膜中，环境因素、药物、饮食、宿主微生物群以及遗传因素，如编码E-Cadherin的CDH1基因多态性等多种原因导致肠黏膜屏障的破坏，有害菌群易位，导致肠道稳态紊乱[24]。色氨酸通过以上3种代谢途径，生成大量衍生物，在保护肠道屏障中发挥着重要的作用。

3.1 加强机械屏障功能单层上皮细胞是机械屏障的重要组成部分，维持上皮层的完整性对于抑制病原体进入肠道、维持营养物质交换等至关重要。紧密连接(tight junctions，TJs)、粘附连接、桥粒和缝隙连接的相互作用，保护上皮细胞间结构的完整性，维持上皮细胞屏障功能[25]。其中TJs蛋白是最重要的组成部分，Occludins和Claudins是核心的TJs蛋白，Zonula occluden-s(ZO-s)是框架形成蛋白。有研究发现，乳杆菌产生的色氨酸衍生物可以明显增加Occludins和Claudins的mRNA表达[26]。IBD患者肠道TNF-α、IFN-γ等细胞因子生成增多，促进肌凝蛋白轻链激酶(myosin light chain kinase，MLCK)激活，导致肌凝蛋白轻链(myosin light chain，MLC)的磷酸化，诱导ZO-1的分解。色氨酸通过激活AhR，抑制MLCK/MLC通路，避免ZO-1的分解，保护肠黏膜屏障[27]。此外，色氨酸及其衍生物通过维持肌动蛋白(包括MyoIIA和ezrin)，抑制了肌动蛋白调节蛋白的激活，调控肠道上皮的通透性[28]；还可以通过激活AhR/Notch1信号通路，或者抑制TNF-α/NF-κB途径，稳定机械屏障。

3.2 维持化学屏障杯状细胞分泌的黏蛋白(Mucin，MUC)、肠道免疫细胞分泌的溶菌酶以及多种抑菌物质组成肠道黏液化学屏障。结直肠杯状细胞持续分泌的MUC2，是黏液化学屏障的重要组成部分，通过阻止致病细菌与上皮细胞表面的直接接触，保护上皮细胞屏障功能，并作为能量来源为肠道共生菌补充营养[29]。有研究发现，IBD患者肠黏膜中杯状细胞和MUC表达减少，且活检标本显示UC患者的黏液层较薄，特别是在炎症区域[30]。进一步研究发现，在雌性C57BL/6J小鼠中，吲哚类似物如吲哚丙酮酸通过激活PXR，减少TNF-α的生成，促进杯状细胞成熟分化；还可以通过刺激IL-22生成增多，进一步修复受损的杯状细胞[31]。与DSS诱导的小鼠相比，色氨酸及其代谢产物可以明显促进MUC1和MUC2的mRNA表达，增加黏液分泌，保护肠黏膜屏障完整性。此外，吲哚及其衍生物激活AhR，通过IL-22/STAT3途径刺激再生胰岛衍生蛋白3β(regenerating protein，Reg3β)、Reg3γ等抗菌肽的产生[32]，抑制肠道致病菌的增殖，维持肠道化学屏障。

3.3 稳定免疫屏障肠相关淋巴组织(gut associated lymphoid tissue，GALT)和分泌型免疫球蛋白(secretory immunoglobulin A，sIgA)是构成肠道免疫屏障的重要组成部分。其中，肠道先天淋巴细胞(innate lymphoid cells，ILCs)作为机体重要的固有免疫细胞，其分泌的IL-22能诱导肠上皮细胞分泌抗菌肽及MUC，抵抗肠道病原菌。研究发现，喂养含有色氨酸的食物后，野生小鼠AhR的mRNA表达增加，激活上调kit和Notch信号通路，促进ILCs增殖，增加IL-22含量[33]。此外，KYN作用于AhR，刺激TSG-6的生成增多，抑制巨噬细胞和中性粒细胞的局部浸润，减少TNF-α、IL-6的生成，改善DSS诱导的结肠炎[34]。在IBD患者肠黏膜中，TH17/Treg细胞比例明显失调，IL-10、TGF-β等抑炎因子分泌减少，IL-17A、IL-17F、IL-21等促炎因子大量产生，色氨酸通过激活AhR，调控转录因子Foxp3和RORγt，以及通过JAK-STAT途径调节Treg和Th17之间的平衡[35]。IL-10抗炎作用已被广泛研究，缺乏IL-10或IL-10R的小鼠更容易患自发性结肠炎，KYN可明显促进IL-10的生成和IL-10R的表达[36]。sIgA是肠道中主要的免疫球蛋白，IBD患者常伴黏膜sIgA减少，且与疾病的严重程度相关，5-HT通过与5-HTR3A结合，促进B细胞成熟和增殖，刺激IgA的分泌增加。

3.4 恢复微生物屏障胃肠道中有约1014个细菌，在维持肠黏膜免疫平衡以及机体能量的摄取中发挥着重要的作用。有研究表明，在IBD患者中，有益菌(主要包括厚壁菌门和拟杆菌门)的细菌种类丰度降低，而致病菌(如变形菌门和肠杆菌科)的细菌种类相对增多，致病菌侵入黏膜，触发肠黏膜免疫系统，引起结肠黏膜溃疡和炎症。黏附-侵袭性大肠杆菌在活动性CD患者的回肠活检部位明显增多[37]，吲哚可以通过群体感应信号传感器来抑制大肠杆菌生物膜的形成，明显抑制肾上腺素和去甲肾上腺素对大肠杆菌的趋化性、活力、粘附、毒力基因表达等的促进作用[38]，抑制大肠杆菌对上皮细胞的粘附。罗伊氏乳杆菌和约氏乳杆菌通过芳香氨基酸氨基转移酶将色氨酸转化为吲哚-3-醛，通过防止致病微生物(如白色念珠菌)的定植，维持肠道稳态，减轻肠道炎症[39]。在DSS诱导的结肠炎小鼠中，厚壁菌门和变形菌门的相对丰度显著升高，而拟杆菌门的相对丰度下降，给予色氨酸饮食后，可明显恢复菌群比例[26]。

4 展望

目前IBD在我国发病率越来越高，随着高通量测序等技术的逐步发展，肠道微生物及其代谢产物得到越来越多的关注，粪菌移植的治疗作用也得到广泛的研究。益生菌、益生元在临床的应用使得IBD治疗方案不再局限于糖皮质激素、氨基水杨酸制剂、免疫制剂、生物制剂等。色氨酸及其衍生物在维持肠黏膜屏障完整性中发挥着重要的作用，衍生物激活AhR通路为IBD的未来治疗提供了前景，也为益生菌、益生元治疗IBD提供新的方向。