色氨酸及其衍生物在炎癥性腸病中的研究進展

陳文軒， 張 哲， 周 川， 王素敏， 王 亮， 馮百歲

鄭州大學第二附屬醫院消化內科，河南 鄭州 450014

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是一組主要影響胃腸道的免疫相關性疾病，主要包括潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis，UC)和克羅恩病(Crohn′s disease，CD)，常伴腹痛、腹瀉、黏液膿血便等臨床癥狀，嚴重者會出現營養不良和腸穿孔。IBD在西方國家發病率較高，近年來，隨著環境的變化、飲食和生活方式的西方化以及由此導致的腸道微生物代謝紊亂等多種因素，IBD在我國的發病率逐年增加[1]。

IBD患者腸道菌群失調，致病菌增多，產生的腸毒素導致腸上皮通透性增加，破壞腸道屏障完整性；有益菌減少，其所產生的短鏈脂肪酸、色氨酸、膽汁酸等代謝產物的濃度降低，對腸黏膜的保護作用減弱。本團隊既往研究發現[2]，菌群代謝產物短鏈脂肪酸通過調節腸道免疫細胞、維持黏膜完整性、調控細胞因子、提供細胞能量等在維持IBD患者腸道穩態方面發揮著重要的作用。進一步研究發現，色氨酸及其多途徑衍生物，通過與芳基烴受體(Aryl hydrocarbon receptor，AhR)等受體結合，能夠加強機械屏障、穩定免疫屏障、維持化學屏障和恢復微生物屏障，在維持腸道屏障完整性方面發揮著重要的作用。本文就色氨酸及其衍生物在IBD中的研究進展作一綜述。

1 色氨酸及其受體簡介

色氨酸是哺乳動物的必需氨基酸，是大量微生物和宿主代謝物的生物合成前體。色氨酸含量較高的食物主要有家禽、牛奶、金槍魚、奶酪、面包、燕麥、李子、巧克力、花生等[3]。根據世界衛生組織指南推薦，成人色氨酸攝入量為4 mg·kg-1·d-1。中性氨基酸轉運體1(broad neutral amino acid transporter 1，B0 AT1)，又稱SLC6A19，主要在人和小鼠腸上皮細胞表達，色氨酸在胃腸道通過B0 AT1進入腸上皮細胞中[4]。有研究發現，色氨酸可通過色氨酸-犬尿氨酸(kynurenine, KYN)代謝途徑、色氨酸-吲哚代謝途徑以及色氨酸-5-羥色胺(5-hydroxytryptamine, 5-HT)代謝途徑，生成各種衍生物，發揮生物學效應[3]。

AhR是一種配體依賴性轉錄因子，可以感知多種腸道信號，維持腸道菌群和宿主之間的穩態，目前被認為是控制腸道炎癥的潛在靶點[5]。色氨酸作為AhR配體，與約50%的AhR結合，生成的AhR/ARNT復合物從細胞質轉位到細胞核，調節免疫細胞、上皮細胞、內皮細胞、基質細胞等多種細胞的基因表達。此外，色氨酸還可以通過作用于一般性調控阻遏蛋白激酶2(general control nonderepressible 2，GCN2)[6]、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)[7]和5-羥色胺受體(5-hydroxytryptamine receptor，5-HTR)[8]，在機體發揮著重要的作用。

據報道，色氨酸對DSS誘導的結腸炎具有保護作用[9]。另有研究發現，與健康受試者相比，IBD患者腸組織中AhR的表達降低，也間接說明色氨酸在維持腸道內環境穩態方面起著至關重要的作用[10]。

2 色氨酸代謝途徑及其代謝產物的作用

2.1 色氨酸-KYN途徑95%的色氨酸經過KYN代謝途徑發揮著重要的生理功能，該途徑主要發生在肝臟，其次是大腦和小腸。色氨酸2，3-雙加氧酶(tryptophan-2，3-dioxygenase，TDO)和吲哚胺2，3-雙加氧酶(indoleamine-2，3-dioxygenase，IDO)是代謝過程中的限速酶，其中TDO主要介導色氨酸的基礎代謝，而IDO更多的是在免疫環境中發揮作用[11]。色氨酸在TDO/IDO催化作用下產生多種代謝產物，如KYN、犬尿酸、黃尿酸、朱砂精酸、喹啉酸和吡啶甲酸[12]。KYN是色氨酸代謝途徑的第一個穩定產物，是代謝途徑的中心節點，有研究發現，KYN可以同時激活AhR的B和D等位基因，促進多種細胞因子的表達[13]。此外，KYN還可以通過影響GCN2和mTOR信號通路，對機體免疫應答具有多效性作用[14]。

2.2 色氨酸-吲哚途徑4%～6%的色氨酸在腸道菌群作用下生成吲哚及吲哚衍生物[15]。其中，85種以上細菌含有色氨酸酶(由TnaA編碼)可以直接產生吲哚乙酸、吲哚硫酸、吲哚-3-乙醛、吲哚丙烯酸、吲哚-3-醛和色胺；非吲哚產菌可通過細胞色素P450(cytochrome P450，CYP450)酶或羥基吲哚加氧酶將吲哚轉化為吲哚-3-丙酸和吲哚硫酸酯[16]。吲哚及其代謝產物作為一種特殊性的微生物信號分子，在AhR的激活中起著核心作用。有研究發現，在IBD患者中，吲哚和AhR的表達下調[17]。進一步研究發現，給予色氨酸及吲哚代謝產物后，小鼠腸黏膜中AhR生成增加，IL-10R表達明顯上調，小鼠結腸炎活動程度明顯減弱[18]。此外，吲哚還可以激活孕烷X受體(pregnane X receptor，PXR)和維甲酸相關孤兒受體γt(retinoid-related orphan nuclear receptors，RORγt)，在調節腸道穩態中發揮著重要作用。

2.3 色氨酸-5-HT途徑5-HT又稱血清素，是一種生物單胺。羥化酶(Trp hydroxylase，TPH)是色氨酸轉化為5-HT的關鍵酶，TPH1和TPH2將色氨酸轉化為中間的I-5-羥色氨酸(I-5-HTP)；I-氨基酸脫羧酶將I-5-HTP轉化為5-HT[19]。此外，乳球菌、乳桿菌等腸道菌群能夠通過表達色氨酸合成酶產生5-HT[20]，調節腸道菌群組成。胃腸道中表達的5-HTR被分為7個家族(5-HTR1～7)，在機體多種細胞中表達，發揮不同的生物學功能。其中，在IBD發病機制中，5-HTR3似乎加重了炎癥過程，而5-HTR1A和5-HTR4則可以減輕或延緩炎癥過程[21]。5-HT作為AhR的激活劑，通過激活AhR/Cyp1A1途徑調節腸道免疫應答[22]。

3 色氨酸在腸黏膜屏障中的保護作用

腸黏膜屏障主要由相關淋巴組織、單層上皮細胞、杯狀細胞、腸道微生物群以及多種細胞分泌的黏液層等構成，包括機械屏障、化學屏障、免疫屏障和微生物屏障[23]，在選擇性滲透營養物質的同時，將宿主與潛在的有害物質如腔毒素、抗原和微生物分隔開。在IBD患者腸黏膜中，環境因素、藥物、飲食、宿主微生物群以及遺傳因素，如編碼E-Cadherin的CDH1基因多態性等多種原因導致腸黏膜屏障的破壞，有害菌群易位，導致腸道穩態紊亂[24]。色氨酸通過以上3種代謝途徑，生成大量衍生物，在保護腸道屏障中發揮著重要的作用。

3.1 加強機械屏障功能單層上皮細胞是機械屏障的重要組成部分，維持上皮層的完整性對于抑制病原體進入腸道、維持營養物質交換等至關重要。緊密連接(tight junctions，TJs)、粘附連接、橋粒和縫隙連接的相互作用，保護上皮細胞間結構的完整性，維持上皮細胞屏障功能[25]。其中TJs蛋白是最重要的組成部分，Occludins和Claudins是核心的TJs蛋白，Zonula occluden-s(ZO-s)是框架形成蛋白。有研究發現，乳桿菌產生的色氨酸衍生物可以明顯增加Occludins和Claudins的mRNA表達[26]。IBD患者腸道TNF-α、IFN-γ等細胞因子生成增多，促進肌凝蛋白輕鏈激酶(myosin light chain kinase，MLCK)激活，導致肌凝蛋白輕鏈(myosin light chain，MLC)的磷酸化，誘導ZO-1的分解。色氨酸通過激活AhR，抑制MLCK/MLC通路，避免ZO-1的分解，保護腸黏膜屏障[27]。此外，色氨酸及其衍生物通過維持肌動蛋白(包括MyoIIA和ezrin)，抑制了肌動蛋白調節蛋白的激活，調控腸道上皮的通透性[28]；還可以通過激活AhR/Notch1信號通路，或者抑制TNF-α/NF-κB途徑，穩定機械屏障。

3.2 維持化學屏障杯狀細胞分泌的黏蛋白(Mucin，MUC)、腸道免疫細胞分泌的溶菌酶以及多種抑菌物質組成腸道黏液化學屏障。結直腸杯狀細胞持續分泌的MUC2，是黏液化學屏障的重要組成部分，通過阻止致病細菌與上皮細胞表面的直接接觸，保護上皮細胞屏障功能，并作為能量來源為腸道共生菌補充營養[29]。有研究發現，IBD患者腸黏膜中杯狀細胞和MUC表達減少，且活檢標本顯示UC患者的黏液層較薄，特別是在炎癥區域[30]。進一步研究發現，在雌性C57BL/6J小鼠中，吲哚類似物如吲哚丙酮酸通過激活PXR，減少TNF-α的生成，促進杯狀細胞成熟分化；還可以通過刺激IL-22生成增多，進一步修復受損的杯狀細胞[31]。與DSS誘導的小鼠相比，色氨酸及其代謝產物可以明顯促進MUC1和MUC2的mRNA表達，增加黏液分泌，保護腸黏膜屏障完整性。此外，吲哚及其衍生物激活AhR，通過IL-22/STAT3途徑刺激再生胰島衍生蛋白3β(regenerating protein，Reg3β)、Reg3γ等抗菌肽的產生[32]，抑制腸道致病菌的增殖，維持腸道化學屏障。

3.3 穩定免疫屏障腸相關淋巴組織(gut associated lymphoid tissue，GALT)和分泌型免疫球蛋白(secretory immunoglobulin A，sIgA)是構成腸道免疫屏障的重要組成部分。其中，腸道先天淋巴細胞(innate lymphoid cells，ILCs)作為機體重要的固有免疫細胞，其分泌的IL-22能誘導腸上皮細胞分泌抗菌肽及MUC，抵抗腸道病原菌。研究發現，喂養含有色氨酸的食物后，野生小鼠AhR的mRNA表達增加，激活上調kit和Notch信號通路，促進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，抑制巨噬細胞和中性粒細胞的局部浸潤，減少TNF-α、IL-6的生成，改善DSS誘導的結腸炎[34]。在IBD患者腸黏膜中，TH17/Treg細胞比例明顯失調，IL-10、TGF-β等抑炎因子分泌減少，IL-17A、IL-17F、IL-21等促炎因子大量產生，色氨酸通過激活AhR，調控轉錄因子Foxp3和RORγt，以及通過JAK-STAT途徑調節Treg和Th17之間的平衡[35]。IL-10抗炎作用已被廣泛研究，缺乏IL-10或IL-10R的小鼠更容易患自發性結腸炎，KYN可明顯促進IL-10的生成和IL-10R的表達[36]。sIgA是腸道中主要的免疫球蛋白，IBD患者常伴黏膜sIgA減少，且與疾病的嚴重程度相關，5-HT通過與5-HTR3A結合，促進B細胞成熟和增殖，刺激IgA的分泌增加。

3.4 恢復微生物屏障胃腸道中有約1014個細菌，在維持腸黏膜免疫平衡以及機體能量的攝取中發揮著重要的作用。有研究表明，在IBD患者中，有益菌(主要包括厚壁菌門和擬桿菌門)的細菌種類豐度降低，而致病菌(如變形菌門和腸桿菌科)的細菌種類相對增多，致病菌侵入黏膜，觸發腸黏膜免疫系統，引起結腸黏膜潰瘍和炎癥。黏附-侵襲性大腸桿菌在活動性CD患者的回腸活檢部位明顯增多[37]，吲哚可以通過群體感應信號傳感器來抑制大腸桿菌生物膜的形成，明顯抑制腎上腺素和去甲腎上腺素對大腸桿菌的趨化性、活力、粘附、毒力基因表達等的促進作用[38]，抑制大腸桿菌對上皮細胞的粘附。羅伊氏乳桿菌和約氏乳桿菌通過芳香氨基酸氨基轉移酶將色氨酸轉化為吲哚-3-醛，通過防止致病微生物(如白色念珠菌)的定植，維持腸道穩態，減輕腸道炎癥[39]。在DSS誘導的結腸炎小鼠中，厚壁菌門和變形菌門的相對豐度顯著升高，而擬桿菌門的相對豐度下降，給予色氨酸飲食后，可明顯恢復菌群比例[26]。

4 展望

目前IBD在我國發病率越來越高，隨著高通量測序等技術的逐步發展，腸道微生物及其代謝產物得到越來越多的關注，糞菌移植的治療作用也得到廣泛的研究。益生菌、益生元在臨床的應用使得IBD治療方案不再局限于糖皮質激素、氨基水楊酸制劑、免疫制劑、生物制劑等。色氨酸及其衍生物在維持腸黏膜屏障完整性中發揮著重要的作用，衍生物激活AhR通路為IBD的未來治療提供了前景，也為益生菌、益生元治療IBD提供新的方向。