Nature Reviews重磅︱一文读懂肠道菌群代谢物在IBD中的作用
炎症性肠病（IBD），包括克罗恩氏病（CD）和溃疡性结肠炎（UC），是一种胃肠道的慢性炎症性疾病，对个体生活的各个方面都有潜在影响。IBD相关研究已证实粪便、尿液、血清代谢组出现变化，既提供了对IBD患者进行分类的方法，又提供了对特定机制的见解，并发现新的关联。几种代谢物类群与肠道炎症和IBD之间的关联已成为研究重点，其中最突出的是胆汁酸、短链脂肪酸（SCFA）和色氨酸代谢物，它们通过各种机制影响宿主。已建立的饮食、遗传、菌群的炎症模型，阐明了宿主、不良菌群和代谢物之间的联系。然而，发现和探究这种关联需要大规模的队列研究，高通量的多组学平台，先进的统计分析和精心控制的实验室模型系统（图1）。法国索邦大学Harry Sokol 等回顾了IBD代谢组学研究，概述了菌群代谢组变化特征，以及代谢组学与其他数据的整合等内容，相关见解发表于《Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology》
IBD代谢组学研究
IBD临床研究中，已报道许多基于非靶向的粪便代谢组学研究。尽管研究中采用不同IBD亚型和使用不同代谢组学方法，但它们确定了IBD粪便代谢组的几个共性：作为一种分类工具，代谢组学技术具备更好的区分健康和IBD的巨大潜力；在代谢物方面，粪便样品中均表现出胆汁酸代谢失调，氨基酸、鞘脂、多胺水平的变化以及中链脂肪酸和SCFAs水平的降低；揭示代谢组变化与菌群差异之间的相关性。
2019年发表了该领域规模最大且最详尽的研究，155例美国IBD患者（CD 68例，UC 53例 ，非IBD对照34例）作为发现队列，并在65名验证队列（CD 20例，UC 23例，非IBD对照22例）中验证这些发现。使用LC-MS的非靶向代谢组学技术和宏基因组测序技术，发现代谢物在IBD患者（尤其是CD和非IBD对照之间）存在显著差异。在代谢物类别方面，IBD患者初级胆汁酸类、α-氨基酸类和鞘脂类水平升高，而胆固醇类、苯基苯并二恶烷类、吲哚类、四吡咯类和长链脂肪酸水平降低，推测代谢物与菌群变化有关。作者还能够确定IBD中差异显著的菌群与代谢物之间存在潜在的因果或机理关系，首先通过排除与疾病状态相关的变化，然后将这些菌群与代谢物的变化进行相关性分析，明确有趣的关联，例如特定的omega-3脂肪酸与IBD相关物种呈正相关，与对照组物种呈负相关。这项研究中的大多数关联都在验证队列中得到证实，具有高度的重复性和分类准确性。
在血清、血浆、尿液和肠组织活检等临床生物样本中也都进行了非靶向代谢组学研究，与非IBD对照相比，IBD患者尿中马尿酸水平降低（由于肠道菌群代谢降低），三羧酸循环中间体和氨基酸代谢发生了改变。与对照相比，CD患者血清中脂肪酸分解代谢增加、氨基酸代谢物（尤其是色氨酸衍生物5-羟色胺和吲哚衍生物）减少、苯丙氨酸和组氨酸代谢物麦角硫氨酸水平降低。总的来说，尽管尚不清楚CD和UC之间的代谢差异，但可以将IBD患者与健康人群进行区分。2019年5月，整合人类微生物组项目（iHMP）发表的IBD结果，验证了上述许多发现，包括次级胆汁酸、维生素B3/B5及SCFA的降低,酰基肉碱和多不饱和脂肪酸的升高。
IBD与代谢物
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短链脂肪酸代谢与IBD
SCFA是有益代谢物（图2），来源于菌群可消化的碳水化合物。SCFA主要有乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，是菌群发酵的产物。它们的比例随饮食而变化：乙酸盐（由多个细菌群产生）约占50-70％，丙酸盐（由拟杆菌和厚壁菌门产生）占10–20％，而丁酸（由少量梭状芽胞杆菌产生）占剩余的大部分。SCFAs可扩增肠道调节性T细胞，对癌细胞发挥抗增殖作用，在IBD动物模型中具有保护作用，可以调节肠道巨噬细胞、调节食欲、影响脂肪积累、调节肠道蠕动、通过肠内分泌L细胞分泌PYY和胰高血糖素样肽1（GLP1）引起肠蠕动和影响能量代谢。此外，丁酸盐也是结肠上皮细胞的主要能源，它抑制上皮干细胞，并与其他SCFA通过活化炎症小体产生IL-18促进上皮内稳态。SCFA还可以促进肠道B细胞应答。这些过程主要通过SCFA与游离脂肪酸受体（例如G蛋白偶联受体43（GPR43；也称为FFAR2）和GPR109A）结合并通过组蛋白脱乙酰基酶的抑制而发生。而且，在IBD中观察到的营养不良与产生丁酸的细菌（例如Faecalibacterium prausnitzii和Roseburia hominis）降低有关，这与临床IBD代谢组学研究结果中粪便SCFA水平降低的趋势一致。在UC疾病中，通过灌肠给予丁酸盐会有改善疾病状态。
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胆汁酸代谢与IBD
胆汁酸是由肝脏以胆固醇为原料经过多种酶氧化生成的小分子（图3），产生的胆酸（CA）和鹅去氧胆酸（CDCA）可以与牛磺酸或甘氨酸结合。这些初级胆汁酸表现出双亲性，使它们有助于小肠中脂质的消化和吸收。它们中的95%在回肠远端被重吸收（从而进入肝肠循环），其余的则受胆汁酸与FXR受体结合释放的FGF19（成纤维细胞生长因子19）控制。除调节自身的合成外，胆汁酸除调节自身合成外，还通过与FXR，G蛋白偶联受体5（TGR5），孕烷X受体（PXR），维生素D受体（VDR）和组成型雄甾烷受体(CAR)结合，发挥代谢和免疫作用。TGR5可改善胰岛素敏感性（通过GLP1），肌肉和棕色脂肪组织中的能量消耗（通过2型碘甲状腺素脱碘酶的激活）和胆囊松弛。TGR5还可通过抑制核因子NF-κB和促进人外周血单核细胞释放IL-1，IL-6和TNF来降低Kupffer细胞（肝脏巨噬细胞一种）对脂多糖的反应。FXR的激活对宿主代谢也有多种影响，包括减少脂肪生成、减少肝脏糖异生、促进肝脏再生和产生抗菌肽。
激动剂刺激FXR具有抗炎作用，在化学诱导的结肠炎中具有保护作用。2019年，研究人员证明胆汁酸在小鼠结肠RORγ+调节性T细胞发育中发挥重要作用，证实胆汁酸的抗炎作用。临床中结肠型IBD患者粪便中结合型胆汁酸增加，血清和粪便中的次级胆汁酸减少。此外，与健康组相比，IBD患者的粪便样品中3-羟基-硫酸化胆汁酸升高，胆汁酸的去结合，转化和脱硫水平显著降低。
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色氨酸代谢与IBD
色氨酸是合成许多重要生物活性分子（如5-羟色胺，褪黑激素，烟酰胺和维生素B3）的前体。胃肠道是色氨酸代谢的主要场所。膳食色氨酸遵循以下三种主要途径，其中两种是宿主途径（犬尿氨酸和5-羟色胺途径），另一种是菌群途径（吲哚途径）（图4）。饮食中的大多数色氨酸在犬尿氨酸途径中代谢，其限速酶包括粘膜和免疫细胞中的吲哚胺2,3-双加氧酶和肝脏中的色氨酸2,3-双加氧酶。第二种主要的宿主途径是5-羟色胺途径，该途径受肠嗜铬细胞中限速酶色氨酸羟化酶的控制，而且人体的大多数5-羟色胺的产生都发生在肠嗜铬细胞。最后，色氨酸可以被肠道菌群代谢成一系列吲哚衍生物（包括吲哚乙酸，吲哚-3-乙醛，吲哚-3-醛，吲哚丙烯酸（IA）和吲哚-3-丙酸（IPA）），其中一些可以充当芳烃受体（AhR）配体，该受体与IBD发病机理有关。
535例IBD患者中，色氨酸代谢增加，疾病活跃性（临床和生化指标）与色氨酸水平呈负相关，且犬尿酸途径代谢增加。在CD患者的发炎的黏膜样本中，AhR表达降低，饮食中色氨酸缺乏与小鼠模型中结肠炎恶化程度相关。采用caspase结构域的蛋白（Card9）敲除小鼠模型与DSS诱导的结肠炎，发现吲哚乙酸的水平降低，Card9 敲除小鼠的菌群激活AhR的能力降低。IL-22可能是这一过程的关键介质，因为来自Il22 敲除小鼠的菌群无法激活AhR，并且使用IL-22可以缓解Card9 敲除小鼠对结肠炎的敏感性。
其他IBD相关代谢物
目前IBD中新的探究领域主要是琥珀酸代谢。宿主中，琥珀酸起着重要的促炎信号作用，并且已证明琥珀酸是巨噬细胞通过IL-1β对脂多糖反应的关键介质。CD患者的血清中琥珀酸水平升高，CD患者肠组织中琥珀酸受体（SUCNR1）的表达增加。
与SCFA相似，IBD中的中链脂肪酸含量也降低，据报道，它们可能通过活化PPARs（过氧化物酶体增殖物激活受体γ）而具有一定的抗炎活性，类似于共轭亚油酸，而肠道菌群对IBD中脂质代谢的影响尚不清楚。
IBD临床诊疗
目前，关于IBD的菌群代谢组学尚处于早期探索阶段。IBD患者的家庭成员可以表现出与IBD相似的代谢特征变化，这有助于在临床症状发作之前识别高危患者。此外，某些菌群和代谢物的的高分辨率时间图谱在早期诊断阶段就已经发生改变，这可能为预测疾病进程提供新的诊断标志物。肠道菌群紊乱与疾病之间存在循环因果关系，这一认识促使人们寻找能够同时治疗宿主和菌群的综合治疗方法（如下一代益生菌、粪便菌群移植、菌群联合、补充代谢物）（图5）。
小结
本综述总结了代谢组学和菌群相关工作，强调了IBD与特定分子类别（如胆汁酸，SCFAs和色氨酸）之间的关联。但也突出了粪便代谢物的多种不确定性，倡导研究者们建立包括IBD和对照患者的临床大队列用于菌群代谢物发现和验证。2019年iHMP发布的相关成果是IBD领域第一个纵向的多组学数据集，仍有很多基本问题待揭晓，如基于菌群的指标是否能为相关的临床问题提供独立的预测价值，基于菌群的疗法是否最终可以帮助IBD患者治疗。当然面临一些挑战如饮食和靶向微生物群结合，如何利用重组微生物群实现这治疗目标。而肠道菌群衍生的代谢物是肠道菌群与宿主进行交流和相互作用的关键机制，有望成为这一过程的中心阶段。
参考文献
Lavelle A et al., Gut microbiota-derived metabolites as key actors in inflammatory bowel disease. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2020 doi: 10.1038/s41575-019-0258-z.