穆燕菊 羅 娟 繆應(yīng)雷

色氨酸是一種人體必需氨基酸，占總氨基酸的1%，在多種疾病的發(fā)病過(guò)程中起著重要作用。色氨酸主要通過(guò)3 條途徑被分解代謝，且大部分代謝產(chǎn)物具有生物活性。有研究發(fā)現(xiàn)色氨酸及其代謝產(chǎn)物可參與神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病、心血管疾病及炎癥性腸病（IBD）等疾病的病理過(guò)程，并且在不同疾病中發(fā)揮不同的生物學(xué)效應(yīng)[1]。IBD 是遺傳易感宿主在環(huán)境、免疫、腸道菌群、感染等因素相互作用下發(fā)生的慢性非特異性腸道炎性疾病，包括潰瘍性結(jié)腸炎（UC）和克羅恩?。–D）。有研究發(fā)現(xiàn)IBD 患者存在明顯的色氨酸代謝改變，且腸道菌群可能通過(guò)參與色氨酸代謝途徑來(lái)影響IBD[2]。機(jī)體的腸道菌群與色氨酸代謝之間的相互作用對(duì)于維持腸道功能、腦腸軸調(diào)節(jié)和免疫穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。本文就腸道菌群與色氨酸代謝之間的相互調(diào)控作用、IBD 患者的色氨酸代謝改變、色氨酸代謝對(duì)IBD 的作用機(jī)制及其潛在應(yīng)用價(jià)值等的研究進(jìn)展作一綜述。

1 色氨酸與腸道菌群

1.1 腸道菌群對(duì)色氨酸代謝的調(diào)節(jié)作用

1.1.1 吲哚途徑 腸道菌群可將體內(nèi)4%～6%的色氨酸轉(zhuǎn)化為吲哚、色胺及其他吲哚衍生物，其中一些代謝產(chǎn)物可作為芳香烴受體（AhR）和孕烷X受體（PXR）的配體，進(jìn)一步調(diào)節(jié)腸黏膜免疫、腸道屏障及腸內(nèi)穩(wěn)態(tài)等[3]。Lee 等[4]的研究發(fā)現(xiàn)梭狀芽孢桿菌、羅伊氏乳桿菌等腸道菌群可將色氨酸轉(zhuǎn)化為色胺和吲哚丙酮酸，吲哚丙酮酸可脫羧形成吲哚乙醛，可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為吲哚乙酸、吲哚乙醇、吲哚乳酸等吲哚衍生物。Hu? 等[5]的研究顯示，吲哚丙酮酸可被存在于擬桿菌屬、大腸桿菌和梭菌屬中的色氨酸酶催化產(chǎn)生吲哚。此外，色氨酸還可被腸道梭狀芽孢桿菌和瘤胃球菌脫羧為色胺，被乳桿菌屬代謝為吲哚-3-甲醛，被雙歧桿菌屬代謝為吲哚-3-乳酸[6-7]。腸道菌群被視為人體“第二基因組”，色氨酸代謝可能通過(guò)一種細(xì)菌獨(dú)立完成或多種細(xì)菌共同協(xié)作完成，目前能產(chǎn)生色氨酸催化酶的細(xì)菌及相關(guān)催化酶仍然未知。

1.1.2 犬尿氨酸途徑 人體內(nèi)約95%的色氨酸被吲哚胺-2，3-雙加氧酶1（IDO1）和IDO2、色氨酸2，3-雙加氧酶（TDO）等轉(zhuǎn)化為犬尿喹啉酸、吡啶甲酸、煙酸等產(chǎn)物[6,8]，從而影響人體的免疫和健康。腸道菌群對(duì)色氨酸的犬尿氨酸代謝途徑具有一定的調(diào)節(jié)作用：（1）直接產(chǎn)生色氨酸的犬尿氨酸代謝途徑所需的酶 一些銅綠假單胞菌可產(chǎn)生TDO 等酶[3]，對(duì)色氨酸進(jìn)行分解代謝，從而調(diào)節(jié)犬尿氨酸途徑；（2）調(diào)節(jié)IDO 的活性 丁酸鹽是由部分腸道菌群代謝產(chǎn)生的短鏈脂肪酸，可通過(guò)腸上皮細(xì)胞負(fù)向調(diào)節(jié)IDO 的表達(dá)[9]。Valladares等[10]的研究報(bào)道，約氏乳桿菌可能通過(guò)產(chǎn)生過(guò)氧化氫（H2O2）抑制IDO 的活性，從而降低大鼠犬尿氨酸水平。

1.1.3 5-羥色胺途徑 有1%～2%的色氨酸在色氨酸羥化酶和脫羧酶催化作用下生成5-羥色胺（5-HT）[1]。5-HT 作為重要的神經(jīng)遞質(zhì)，參與調(diào)節(jié)腸道的蠕動(dòng)、分泌、血管舒張和營(yíng)養(yǎng)吸收等，對(duì)調(diào)節(jié)腸道神經(jīng)系統(tǒng)和胃腸道功能起著重要作用，人體內(nèi)90%以上的5-HT 由腸嗜鉻細(xì)胞在腸道內(nèi)合成。腸道菌群調(diào)節(jié)5-HT 合成的機(jī)制尚未完全明確，在無(wú)菌小鼠結(jié)腸中可觀察到5-HT 合成減少及血液中5-HT 水平降低[1]。Cryan 等[11]報(bào)道產(chǎn)氣莢膜梭菌可通過(guò)色氨酸羥化酶調(diào)節(jié)宿主結(jié)腸內(nèi)5-HT 的合成。此外，腸道菌群的某些代謝產(chǎn)物，如發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生的短鏈脂肪酸及轉(zhuǎn)化膽汁酸產(chǎn)生的脫氧膽酸、丁酸鹽、膽酸鹽等也能調(diào)節(jié)5-HT 的合成[3,12-13]。腸道菌群除了通過(guò)作用于嗜鉻細(xì)胞及相關(guān)酶影響5-HT 的合成外，乳桿菌屬等少部分細(xì)菌的生物膜中存在生物胺轉(zhuǎn)運(yùn)，可直接代謝產(chǎn)生5-HT[12]。

1.2 色氨酸代謝對(duì)腸道菌群的影響

色氨酸及其代謝產(chǎn)物與腸道菌群平衡密切相關(guān)。吲哚作為色氨酸吲哚代謝途徑較豐富的代謝產(chǎn)物，常被視為一種細(xì)胞間信號(hào)分子，在保護(hù)機(jī)體防御腸道病原體的同時(shí)，還可調(diào)節(jié)細(xì)菌的耐藥性、孢子形成、毒力及生物膜形成等，并且其在一種細(xì)菌或不同種細(xì)菌中均可表現(xiàn)出矛盾的作用，在腸道菌群和機(jī)體病理、生理過(guò)程中扮演著重要的角色，例如：可在促進(jìn)銅綠假單胞菌的生物膜形成的同時(shí)降低其毒力；既可上調(diào)鼠傷寒沙門(mén)菌的多種耐藥基因表達(dá)，也可下調(diào)其運(yùn)動(dòng)和侵襲性基因的表達(dá)；可通過(guò)下調(diào)毒力基因表達(dá)減弱金黃色葡萄球菌的毒力；可抑制白色念珠菌的絲化及生物膜形成等[14]。 此外，Kang 等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，梭狀芽孢桿菌等可通過(guò)分泌色氨酸衍生的抗生素，從而抑制艱難梭菌生長(zhǎng)，并且次級(jí)膽汁酸脫氧膽酸和石膽酸鹽可增強(qiáng)該作用。目前色氨酸及其代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)腸道菌群的機(jī)制尚未完全清楚，有待進(jìn)一步探討。

2 腸道菌群與IBD

許多研究已證明腸道菌群改變參與了IBD 的發(fā)病機(jī)制。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究提出“無(wú)菌無(wú)炎性反應(yīng)學(xué)說(shuō)”，即無(wú)菌環(huán)境可預(yù)防遺傳易感小鼠發(fā)生結(jié)腸炎，而將幼稚CD4＋T 細(xì)胞從健康小鼠轉(zhuǎn)移到缺乏T 細(xì)胞和B 細(xì)胞的小鼠中可誘發(fā)結(jié)腸炎，并且小鼠結(jié)腸炎易感程度的差異與其腸道菌群組成有關(guān)[16]。臨床研究結(jié)果顯示：（1）IBD 患者存在明顯的腸道菌群失調(diào)，主要表現(xiàn)為腸道菌群豐度降低，腸道優(yōu)勢(shì)菌群穩(wěn)定性降低，保護(hù)性菌群減少，致病菌群增多，并且在不同的疾病分型、病變部位、疾病活動(dòng)度及病程進(jìn)展中存在差異[17]；（2）IBD 好發(fā)于回腸末端及結(jié)直腸等腸道菌群豐度相對(duì)較高的部位，且在腸道菌群豐度較高部位的疾病活動(dòng)較明顯[16,18]；（3）抗生素對(duì)CD 有一定的療效，如甲硝唑和環(huán)丙沙星可用于治療CD 合并肛周膿腫患者；（4）益生菌、糞菌移植對(duì)IBD 也有一定的療效；（5）IBD 的部分生物標(biāo)志物與腸道菌群有關(guān)，腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致色氨酸的生物活性分子改變影響IBD 的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。綜上所述，腸道菌群與IBD 存在密切聯(lián)系，腸道菌群失調(diào)與IBD 可能形成惡性循環(huán)。

3 色氨酸與IBD

3.1 IBD 患者的色氨酸代謝變化

目前IBD 患者存在腸道菌群失調(diào)已被證實(shí)，研究發(fā)現(xiàn)色氨酸代謝改變與腸道菌群失調(diào)存在聯(lián)系[3,5,19]，色氨酸缺乏可能會(huì)促進(jìn)IBD 的進(jìn)展并加重疾病活動(dòng)度[2,20]。研究顯示，IBD 患者存在色氨酸代謝異常，包括色氨酸及其代謝產(chǎn)物水平的變化，以及相關(guān)催化酶活性的改變，主要表現(xiàn)為IDO 過(guò)表達(dá)，血清色氨酸水平降低，血清色氨酸代謝產(chǎn)物水平升高等[21]。IBD 患者的血清色氨酸水平明顯降低，尤其是CD 患者[3]。Nikolaus 等[2]的研究納入了535 例IBD 患者，研究結(jié)果顯示活動(dòng)期IBD 患者的色氨酸分解代謝增加，色氨酸代謝產(chǎn)物（尤其是喹啉酸）水平升高，導(dǎo)致IBD 患者的血清色氨酸水平明顯低于健康者，并且CD 患者的血清色氨酸水平下降幅度較UC 患者更大，IBD 患者的血清色氨酸水平與疾病活動(dòng)度、C 反應(yīng)蛋白及IL-22 水平呈負(fù)相關(guān)。Sofia 等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，活動(dòng)期IBD 患者的IDO1 表達(dá)水平升高，并且犬尿酸水平和犬尿酸/色氨酸比值升高，這表明在活動(dòng)期IBD 中色氨酸經(jīng)犬尿氨酸代謝途徑分解增加。此外，腸道中色氨酸水平降低可能與IBD 的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。Lamas 等[23]的研究發(fā)現(xiàn)，IBD 患者的糞便中AhR 激動(dòng)劑吲哚乙酸水平顯著降低。Gupta 等[24]對(duì)25 例CD 患者（包含活動(dòng)期和緩解期CD）和11名健康者血清中色氨酸、犬尿氨酸、犬尿氨酸/色氨酸比值的變化進(jìn)行分析，結(jié)果顯示與健康者相比，活動(dòng)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，但緩解期CD 患者的犬尿氨酸/色氨酸比值降低；該研究還發(fā)現(xiàn)犬尿氨酸/色氨酸比值與CD 患者的疾病活動(dòng)指數(shù)、紅細(xì)胞沉降率和C 反應(yīng)蛋白水平呈正相關(guān)。IBD 患者的色氨酸代謝變化可能存在性別差異，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 患者和結(jié)腸炎動(dòng)物模型腸道中5-HT 水平均發(fā)生了顯著變化，表明5-HT 在腸道炎性反應(yīng)的發(fā)生和發(fā)展中可能發(fā)揮著重要作用[21]。

實(shí)驗(yàn)研究顯示，色氨酸攝入不足是動(dòng)物模型的結(jié)腸炎易感因素之一[20,25]。Agus 等[6]報(bào)道IBD患者的腸道AhR 配體減少,而葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠模型實(shí)驗(yàn)顯示AhR 缺乏與結(jié)腸炎的嚴(yán)重程度有一定關(guān)系。Hashimoto 等[20]的研究發(fā)現(xiàn)，敲除血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2（ACE2）基因?qū)е律彼釘z取障礙的小鼠較未敲除基因的小鼠更容易被DSS誘發(fā)結(jié)腸炎，且前者表現(xiàn)為結(jié)腸炎較嚴(yán)重、體質(zhì)量較輕及腸道中抗菌肽水平較低。在小鼠和仔豬模型研究顯示，添加色氨酸飲食可減輕DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎癥狀[25]。Geng 等[26]的研究對(duì)早期結(jié)腸炎仔豬模型采用糞菌移植干預(yù)，結(jié)果顯示腸道菌群來(lái)源的色氨酸分解代謝產(chǎn)物吲哚-3-乙酸的水平顯著升高。

3.2 色氨酸代謝對(duì)IBD 的作用機(jī)制

3.2.1 AhR 信號(hào)通路 IBD 患者的腸道菌群變化可能通過(guò)色氨酸改變AhR 水平或調(diào)節(jié)宿主IDO 活性調(diào)控疾病進(jìn)展。AhR 是一種配體激活的轉(zhuǎn)錄因子，其廣泛存在于免疫細(xì)胞和腸上皮細(xì)胞中，參與調(diào)節(jié)腸黏膜免疫和機(jī)體內(nèi)穩(wěn)態(tài)。AhR 信號(hào)通路可通過(guò)參與T 細(xì)胞分化、促進(jìn)單核細(xì)胞黏附、上調(diào)促炎基因表達(dá)、誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子表達(dá)等多種機(jī)制觸發(fā)炎性反應(yīng)[8]。Obata 等[27]的研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群可誘導(dǎo)AhR 表達(dá)，并且可使其對(duì)腸道菌群衍生的AhR 配體發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步促進(jìn)腸道蠕動(dòng)。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謝產(chǎn)物可作為AhR 的配體[3]。羅伊氏乳桿菌代謝色氨酸產(chǎn)生的吲哚-3-乳酸可通過(guò)激活A(yù)hR 將CD4＋T 細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)镃D4＋CD8＋T 細(xì)胞，進(jìn)一步抑制腸道炎性反應(yīng)[28]。CARD9 是IBD 的一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等位基因，缺失該基因的小鼠表現(xiàn)為色氨酸代謝減少，不能將色氨酸催化為AhR配體，導(dǎo)致IL-22 釋放減少，使小鼠較易被DSS 誘發(fā)結(jié) 腸炎[23]。3.2.2 PXR 信號(hào)通路 IBD 患者的腸道菌群失調(diào)可導(dǎo)致AhR 和PXR 的配體生成減少[1]。Illés 等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，色氨酸的代謝產(chǎn)物吲哚和吲哚-3-乙酰胺是人類PXR 的配體及激動(dòng)劑，可在腸癌細(xì)胞中誘導(dǎo)PXR 依賴性基因表達(dá)。吲哚-3-丙酸可通過(guò)PXR 信號(hào)通路降低腸道通透性及抑制炎性反 應(yīng)[28]。值得注意的是，許多色氨酸代謝產(chǎn)物是AhR 和PXR 的雙重激動(dòng)劑，故兩條信號(hào)通路之間可能存在相互干擾。

3.2.3 氧化應(yīng)激 目前已有研究證實(shí)色氨酸的犬尿氨酸途徑產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物具有抗氧化作用[8]。色氨酸本身也可能發(fā)揮了抗脂質(zhì)和蛋白質(zhì)過(guò)氧化的保護(hù)作用。

3.2.4 調(diào)節(jié)腸道免疫細(xì)胞及細(xì)胞因子 Wang 等[30]報(bào)道補(bǔ)充色氨酸可通過(guò)抑制免疫細(xì)胞的增殖、調(diào)節(jié)抗炎細(xì)胞因子與促炎細(xì)胞因子的平衡、調(diào)節(jié)DSS 誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3（STAT3）和p65 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等途徑改善腸道免疫反應(yīng)。Kim 等[25]報(bào)道色氨酸可降低干擾素-γ（IFN-γ）、TNF-α、IL-6 和IL-17 等促炎因子的表達(dá)水平，升高細(xì)胞凋亡啟動(dòng)子天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶-8（Caspase-8）和BAX 的表達(dá)水平，從而減輕腸道炎性反應(yīng)，改善組織病理學(xué)及降低腸道通透性，促進(jìn)腸道損傷修復(fù)。吲哚-3-乙酸和色胺酸可抑制巨噬細(xì)胞分泌TNF-α、IL-1β 和單核細(xì)胞趨化蛋白-1（MCP-1）等促炎因子，而羅伊氏乳桿菌產(chǎn)生的吲哚-3-乙醛可升高IL-22 的表達(dá)水平[28]。Ding 等[21]的研究發(fā)現(xiàn)，Treg 細(xì)胞可通過(guò)細(xì)胞間接觸和釋放細(xì)胞因子參與維持IBD 患者腸道穩(wěn)態(tài)及減輕組織損傷，色氨酸可通過(guò)腸道菌群分解和犬尿氨酸代謝途徑誘導(dǎo)Treg 細(xì)胞分化，而IBD 患者在病理過(guò)程中表現(xiàn)出色氨酸代謝紊亂。

3.3 色氨酸在IBD 中的潛在應(yīng)用價(jià)值

色氨酸對(duì)IBD 可能具有潛在應(yīng)用價(jià)值：（1）作為炎性反應(yīng)標(biāo)志物 有研究發(fā)現(xiàn)，在CD 患者中，犬尿氨酸/色氨酸比值與CD 的疾病活動(dòng)指數(shù)、紅細(xì)胞沉降率和C 反應(yīng)蛋白水平呈正相關(guān)，這些指標(biāo)可能與腸黏膜的免疫活動(dòng)密切相關(guān)，有望成為評(píng)估IBD 疾病活動(dòng)度的炎性反應(yīng)指標(biāo)[24]。IDO1 在活動(dòng)期UC 患者的結(jié)腸黏膜中表達(dá)升高，并且其與內(nèi)鏡下組織炎性反應(yīng)嚴(yán)重程度相關(guān)，即在活動(dòng)期UC患者中，犬尿氨酸途徑的色氨酸代謝增加，并且犬尿酸可能是UC 的潛在非侵入性生物標(biāo)志物[22]。 （2）研發(fā)新型治療藥物 動(dòng)物研究表明，可能可以通過(guò)補(bǔ)充色氨酸及其代謝產(chǎn)物拓展IBD 的治療方法[20,25]。經(jīng)飲食補(bǔ)充色氨酸可以通過(guò)調(diào)節(jié)腸道5-HT水平及相關(guān)受體表達(dá)來(lái)減輕DSS 誘導(dǎo)的腸道炎性反應(yīng)[30]。此外，也許還可以研發(fā)調(diào)節(jié)影響色氨酸代謝的腸道菌群的IBD 治療藥物。（3）益生菌 補(bǔ)充某些益生菌有益于緩解IBD 患者的炎性反應(yīng)，例如補(bǔ)充乳桿菌（可將色氨酸降解為AhR 激動(dòng)劑）可減輕小鼠結(jié)腸炎，益生菌可以作為腸病患者的支持療法[22]。（4）糞菌移植 也許其可作為IBD的新的治療方案[31]，目前已成為研究熱點(diǎn)。仔豬模型研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)糞菌移植干預(yù)后，基于代謝組學(xué)分析表明，糞菌移植可調(diào)節(jié)吲哚生物堿的合成、細(xì)胞色素P450 和腸道穩(wěn)態(tài)相關(guān)的腸道菌群代謝功能，并且伴隨著IL-22 的表達(dá)上調(diào)和AhR 的活化增強(qiáng)，表明糞菌移植在恢復(fù)腸道屏障方面具有潛在作用[26]。

4 結(jié)語(yǔ)

色氨酸代謝與多種疾病相關(guān)，尤其是其與腦腸軸及腸道菌群的關(guān)系已成為目前的研究熱點(diǎn)。多種色氨酸的腸道菌群代謝產(chǎn)物已被證實(shí)為IBD的重要影響因素，可影響IBD 的發(fā)生和發(fā)展，但目前的研究存在一定的局限性：（1）目前的研究數(shù)據(jù)主要來(lái)源于小鼠等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，缺乏多中心大樣本臨床隨機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；（2）盡管目前已明確了部分可代謝色氨酸并參與IBD 病理、生理過(guò)程的細(xì)菌，但由于腸道菌群復(fù)雜多樣，其中參與色氨酸代謝的許多細(xì)菌及主要貢獻(xiàn)菌仍然未知；（3）目前研究主要集中于探討色氨酸作為生物標(biāo)志物的潛力，以及其參與調(diào)節(jié)免疫和炎性反應(yīng)的機(jī)制，而其在IBD 發(fā)病中的具體作用機(jī)制仍未明確。針對(duì)色氨酸代謝途徑進(jìn)行的研究將有助于多種疾病的診治，采用基于腸道菌群參與的色氨酸代謝的干預(yù)措施可能會(huì)成為未來(lái)IBD 診治的一種新策略。