導讀
在過(guò)去的二十年中，人們已經(jīng)確定了腸道菌群在建立和維持健康以及疾病發(fā)病機理中的關(guān)鍵作用。腸道菌群與宿主相互作用的主要方式之一是通過(guò)代謝產(chǎn)物，這些小分子代謝產(chǎn)物是作為微生物代謝的中間產(chǎn)物或終產(chǎn)物所產(chǎn)生的。這些代謝物是源自于細菌對飲食的代謝，宿主分子的修飾，如膽汁酸，或直接來(lái)自于細菌。來(lái)自微生物代謝產(chǎn)物的這些信號會(huì )影響免疫成熟，免疫穩態(tài)，宿主能量代謝和黏膜完整性的維持。在許多關(guān)于IBD的研究中已經(jīng)描述了微生物菌群的組成和功能的改變。在IBD患者的代謝產(chǎn)物譜中也描述了改變。
此外，特定種類(lèi)的代謝物，特別是膽汁酸，短鏈脂肪酸和色氨酸代謝物，顯示與IBD的發(fā)病機理有關(guān)。這篇綜述旨在確定在IBD中改變的微生物產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物的關(guān)鍵類(lèi)別如膽汁酸，短鏈脂肪酸以及色氨酸與IBD相關(guān)的病理生理基礎，并確定未來(lái)精確治療調節的靶向目標。
論文ID
原名：Gut microbiota-derived metabolites as key actors in inflammatory bowel disease
譯名：腸道微生物產(chǎn)生的代謝物是炎癥性腸病的關(guān)鍵因素
期刊：Nature Reviews | Gastroenterology & Hepatology
IF：23.57
發(fā)表時(shí)間：2020.02.19
通信作者：Harry Sokol
通信作者單位：巴黎索邦大學(xué)
主要內容
在IBD中，已有結果表明了糞便，尿液和血清代謝組上的廣泛變化，既提供了對IBD患者進(jìn)行分類(lèi)的手段，又提供了對于推定機制的見(jiàn)解和新關(guān)聯(lián)的發(fā)現。此外，由于幾種代謝物與腸道炎癥和IBD的關(guān)聯(lián)，因此成為了研究重點(diǎn)。其中最突出的是膽汁酸衍生物，短鏈脂肪酸（SCFA）和色氨酸代謝產(chǎn)物。值得注意的是，這些物質(zhì)可以通過(guò)各種方式影響宿主，已開(kāi)發(fā)的混合飲食的炎癥模型，遺傳危險性和菌群等模型闡明了宿主，營(yíng)養不良微生物群和代謝物環(huán)境改變之間的聯(lián)系。然而，這種關(guān)聯(lián)性分析需要大規模的隊列研究，高通量的多組學(xué)平臺，先進(jìn)的統計分析和經(jīng)過(guò)嚴格控制的實(shí)驗室模型系統。
圖1：微生物代謝組學(xué)發(fā)現項目的工作流程示意圖 招募IBD患者進(jìn)行縱向抽樣，并與對照組進(jìn)行對照。代謝組學(xué)可以從宿主樣本(血清和尿液)和糞便樣本中產(chǎn)生。對糞便樣品進(jìn)行平行微生物組測序。包括水溶素，飲食，活動(dòng)和人體測量學(xué)等的臨床資料也被收集。利用計算方法確定與疾病相關(guān)的代謝物和微生物。結合無(wú)菌和其他方法將特定的代謝物和微生物在體外和體內進(jìn)行測試。
本綜述主要內容：
（1）描述了腸道代謝組，討論了分析腸道代謝組的技術(shù)（及其局限性），并描述了代謝組學(xué)與其他數據的整合。
（2）然后回顧了IBD的非靶向研究，然后是靶向代謝組學(xué)，重點(diǎn)是SCFAs，膽汁酸和色氨酸代謝。
（3）最后，我們討論了未來(lái)的方向，包括小分子發(fā)現的新方法，腸道微生物-代謝軸的潛力診斷和治療方法。
1 腸道代謝組的特征
與基于DNA和基于RNA的測序相反，代謝組學(xué)提供了微生物組當前分子的一個(gè)簡(jiǎn)單概況，包括所有其他環(huán)境和宿主小分子樣本的概況?，F在已經(jīng)發(fā)表了一些使用光譜組學(xué)方法的研究論文，用盡所有手段識別了IBD微生物組中的變化。
代謝組學(xué)是對生物樣本或組織中的小分子（<1,500Da）的研究，并且有一系列高通量分析技術(shù)和平臺可供使用。這些平臺通?；谫|(zhì)譜或核磁共振。質(zhì)譜方法通常與較早的分離技術(shù)結合使用，例如氣相色譜法或液相色譜法的變體-高效液相色譜法和超高效液相色譜法?？梢砸苑前邢蛐缘姆绞綉么祟?lèi)技術(shù)，稱(chēng)為非靶向性的代謝組學(xué)，結合了最大范圍的光譜，并且通常由于非靶向性方法的無(wú)偏見(jiàn)結果便可以識別先前未知的關(guān)聯(lián)。相比之下，這些技術(shù)也可以針對已知區域進(jìn)行研究，以研究特定類(lèi)別的代謝產(chǎn)物，這被稱(chēng)為靶向代謝組學(xué)。有關(guān)不同技術(shù)和方法的優(yōu)缺點(diǎn)的細節論述文章已被發(fā)表。
2017年，描述了一種結合有靶向性和非靶向性糞便代謝組學(xué)的技術(shù)。結合這兩種技術(shù)可以使之互補：一種是通過(guò)使用非目標數據驗證目標數據，其次是通過(guò)將大量未知的非目標數據輸出置于目標頻譜的環(huán)境中。盡管非靶向性的代謝組學(xué)代表了微生物組挖掘項目的巨大希望之路，但必須考慮一些重要的事項。
（1）首先，樣品前處理和提取方法中沒(méi)有通用方法-特定方法支持特定的代謝產(chǎn)物家族。因此，可能需要組合多種方法，例如在PRISM隊列中，其中針對不同的代謝物類(lèi)別就使用了四種方法。因此，有效的提取方法從一個(gè)樣品基質(zhì)到另一個(gè)樣品基質(zhì)，從一個(gè)分子到另一個(gè)分子都是不同的，很難在沒(méi)有內部標準系統的情況下獲得精確的定量分析。
（2）其次，將質(zhì)譜實(shí)驗中的光譜數據轉換為化學(xué)注釋的化合物的過(guò)程極具挑戰性，存在許多潛在的陷阱。證據存在的不同程度，從嚴格的根據內部標準（幾乎沒(méi)有）鑒定化合物，以進(jìn)行數據庫注釋?zhuān)S多化合物仍被歸類(lèi)為未知物（通常稱(chēng)為“暗物質(zhì)”）。這樣的化學(xué)注釋需要人工專(zhuān)業(yè)知識和計算算法，并且化學(xué)信息學(xué)是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域。
（3）第三，光譜參考數據庫（例如Metlin和人類(lèi)代謝組學(xué)數據庫）僅包含一小部分化合物；據估計，在給定的微生物組研究中，> 90％的光譜特征可能是未知的。但是，在一項最近的IBD研究中，從人類(lèi)代謝組數據庫中推定出了43％的代謝物特征。此外，注釋未知化合物是一項具有挑戰性的過(guò)程。最后，許多中等或低濃度的化合物，或在腸道近端產(chǎn)生的化合物，可能不能在糞便代謝組學(xué)中被很好地展示。結合不完全注釋中固有的偏差，此方面也可能會(huì )呈現出偏向性結果，偏向于有利于易于檢測的已知代謝物。因此，將非靶向代謝組學(xué)與其他組學(xué)技術(shù)結合的探索開(kāi)發(fā)項目必須認識到獨特的要求，不僅在樣品采集中，而且相應地，在系統生物學(xué)級別進(jìn)行的標準化，注釋和數據集成方面的工作，都需據此精心設計研究。
相比之下，盡管這些集中性研究都需要預先設定假設，盡管靶向代謝組學(xué)存在有限的頻譜，但它在提取，已知內標和更精確的絕對定量方面仍然具有優(yōu)勢。
2 IBD的非靶向代謝組學(xué)
在人IBD中，已經(jīng)報道了許多非靶向性的糞便代謝組學(xué)研究，盡管這些研究是混雜的（在成人和兒童人群中進(jìn)行，包括不同的IBD亞型，并使用不同的代謝組學(xué)方法），但他們確定了IBD糞便代謝組中的幾個(gè)共同主調。首先，作為一種分類(lèi)工具，代謝組學(xué)傾向于提供一種出色的能力來(lái)區分健康狀況和IBD。但是，代謝組學(xué)無(wú)法成功地區分克羅恩病和潰瘍性結腸炎，特別是在對接受了腸切除手術(shù)或抗TNF抗體治療的患者根本考慮不到。盡管有這樣的一項研究結果表明潰瘍性結腸炎（n = 68）和結腸克羅恩?。╪ = 13）患者的糞便樣本中14種代謝產(chǎn)物的水平在統計學(xué)上有顯著(zhù)性差異，而一項較早的研究證明了采用多變量方法來(lái)區分克羅恩病患者（n = 10）和潰瘍性結腸炎患者（n = 10）的糞便樣本之間的差異。另外，已經(jīng)報告了在新診斷為IBD的小兒患者（克羅恩?。╪ = 10）和潰瘍性結腸炎（n = 8））的有希望的結果。此外，盡管像采樣時(shí)樣本的的炎癥活性和疾病的解剖位置之類(lèi)的因素可能與代謝組有關(guān)，但仍未觀(guān)察到一致的區別。
就代謝物組而言，膽汁酸代謝的失調，氨基酸水平，鞘脂，多胺的變化和中鏈脂肪酸水平的降低，SCFAs與糞便樣本中的描述相一致。與健康方面的觀(guān)察保持一致，還描述了代謝組變異與微生物組變異之間的相關(guān)性。
該領(lǐng)域規模最大，最詳盡的研究之一已于今年早些時(shí)候發(fā)表。該研究檢測了美國155名Prism IBD患者，并在來(lái)自European LifeLines DEEP和NLIBD的65名個(gè)體中驗證了他們的發(fā)現。通過(guò)液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用和深度宏基因組測序相結合，作者發(fā)現，IBD患者之間，尤其是克羅恩病患者和非IBD對照患者之間，許多代謝產(chǎn)物差異很大。就帶注釋的類(lèi)別而言，觀(guān)察到IBD患者的初級膽汁酸，α-氨基酸和鞘脂水平增加，并且描述了幾種代謝物組的降低，包括膽固醇，苯基苯并二惡烷，吲哚，四吡咯和長(cháng)鏈脂肪酸。推測許多代謝物與微生物起源有關(guān)，但并未注明。
作者推測與炎癥相關(guān)的代謝組變異可能特別解釋了在潰瘍性結腸炎患者代謝組中觀(guān)察到的變化，其中大約一半的患者代謝組與非IBD對照相似，另一半與克羅恩病患者相似。他們通過(guò)將代謝組變異與糞便鈣網(wǎng)蛋白（腸道保護標志物）聯(lián)系起來(lái)證實(shí)了這一假設。作者也能夠確定IBD中差異豐富的細菌與代謝物之間的潛在因果關(guān)系或機理關(guān)系，首先是通過(guò)消除與疾病狀態(tài)純粹相關(guān)的變異，然后將這些細菌與代謝物的殘留變異相關(guān)聯(lián)，找到有趣的相關(guān)性，例如，特定的omega-3脂肪酸與IBD相關(guān)物種呈正相關(guān)，與對照物種呈負相關(guān)。這項研究中的大多數關(guān)聯(lián)都在隊列驗證中得到證實(shí)，具有高度重復的方向性（如果沒(méi)有統計學(xué)意義的話(huà)），并且高分類(lèi)的精確性。
還針對其他人類(lèi)生物學(xué)樣品，包括尿液，血清和/或血漿和腸活檢樣品，進(jìn)行了非靶向代謝組學(xué)研究。描述了與非IBD對照相比，IBD患者尿液中微生物-微生物共代謝物水平降低（由于腸道微生物代謝降低），三羧酸循環(huán)中間體和氨基酸代謝的改變。一般來(lái)說(shuō)，盡管對于克羅恩病患者和潰瘍性結腸炎患者的代謝組之間的差異尚不清楚，但可以將健康個(gè)體中的IBD患者進(jìn)行分層。使用液相色譜-質(zhì)譜法觀(guān)察到脂肪酸的分解代謝增加，氨基酸代謝物的變化（主要是減少），尤其是色氨酸的血清素和吲哚衍生物，以及苯丙氨酸和組氨酸代謝物麥角硫氨酸的水平降低和異型生物質(zhì)代謝的某些變化使用光譜分析法分析對比了正常人與克羅恩病患者的血清樣品。
2019年5月，綜合性人類(lèi)微生物組計劃（iHMP）的IBD部門(mén)的結果得以公布，該結果加固了上述許多發(fā)現。這些發(fā)現包括第二膽汁酸，維生素B3和B5和SCFAs的損失，以及?；鈮A和多不飽和脂肪酸的擴張。然而，這些發(fā)現主要與樣品的不良生物亞群有關(guān)。這種不良生物亞群被定義為不在健康人群的百分之九十之內，進(jìn)入這種狀態(tài)的“劇增”與炎癥活動(dòng)之間的相關(guān)性很弱。結果強調了縱向模式上應用的多模式功能評估在傳達比單獨分類(lèi)學(xué)分類(lèi)法更深刻的理解方面的重要性。這些和將來(lái)的工作力度提供了可以回答臨床相關(guān)問(wèn)題的機制，例如確定治療效果和疾病進(jìn)程的生物標志物。
3 IBD中的靶向性代謝組學(xué)
SCFAs
SCFAs作為一個(gè)主要的有益代謝產(chǎn)物的例子（圖2），來(lái)源于微生物可接近的碳水化合物。
圖2：SCFAs和他們對宿主的作用 a 短鏈脂肪酸(SCFAs)介導宿主代謝的多種作用，包括增加飽腹感和增加白色脂肪組織(WAT)的褐變(acetate)。丙酸鹽是腸糖異生的前體，丙酸和丁酸增加肽YY (PYY)和胰高血糖素樣肽1 (GLP1)分泌。b | SCFAs介導的對粘膜免疫的不同效果,包括支持B細胞發(fā)育, 分化和調節性T (Treg)細胞的擴增,可通過(guò)組蛋白脫乙酰酶(HDAC)抑制, 通過(guò)炎性小體激活和IL-18的產(chǎn)生維護粘膜完整性,促進(jìn)Treg cells分化。GPR, G蛋白偶聯(lián)受體作用于結腸樹(shù)突狀細胞和巨噬細胞。
乙酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽都是SCFAs，均是微生物發(fā)酵的產(chǎn)物。其他氣體包括甲烷和硫化氫氣體以及其他居中或少豐富度的分子。它們的比例隨飲食而變化：乙酸鹽（由多個(gè)細菌群產(chǎn)生）約占50-70％，丙酸鹽（由Bacteroidetes以及Firmicutes的一些菌類(lèi)產(chǎn)生））占10–20％，而丁酸鹽（由少量Clostridia產(chǎn)生）占大部分。在一項人類(lèi)飲食干預研究中，從基本的正常飲食習慣轉向以動(dòng)物為基礎的飲食會(huì )引起蛋白質(zhì)發(fā)酵的快速變化，并導致?tīng)I養不良，這導致了耐膽汁和引起結腸炎的擬桿菌Bilophila wadsworthia以及粘液溶解桿菌Ruminococcus gnavus的水平增加，一種存在與人IBD密切相關(guān)的微生物。
SCFAs可擴散至腸道調節性T細胞池，對癌細胞發(fā)揮抗增殖作用，在結腸炎動(dòng)物模型和結腸炎誘發(fā)的大腸癌中具有保護作用，調節腸道巨噬細胞，調節食欲，影響脂肪堆積，調節腸道運動(dòng)并通過(guò)L細胞分泌YY肽和胰高血糖素樣肽1（GLP1）影響能量代謝。丁酸也是結腸上皮細胞的主要能源，它抑制上皮干細胞，并與其他SCFAs通過(guò)炎性體活化產(chǎn)生IL-18促進(jìn)上皮穩態(tài)。此外，越來(lái)越多的證據表明，新生兒的免疫系統成熟的機會(huì )之窗是通過(guò)與腸道菌群接觸而調節的，其部分是由具有丁酸產(chǎn)生能力的梭菌群介導的，除了抗原機制外，該菌群可以誘導SCFAs介導的調節性T細胞的擴增。還顯示出SCFA可以促進(jìn)腸道足夠的B細胞應答，低纖維飲食的小鼠對病原體的敏感性越來(lái)越高，而斷奶時(shí)微生物群的擴展以及相關(guān)的SCFAs的產(chǎn)生是粘膜免疫成熟中的另一個(gè)關(guān)鍵時(shí)間性事件。這些反應主要通過(guò)SCFAs與游離脂肪酸受體例如G蛋白偶聯(lián)受體43（GPR43；也稱(chēng)為FFAR2）和GPR109A的結合以及通過(guò)組蛋白脫乙?；傅囊种贫l(fā)生。
有趣的是，IBD中通常觀(guān)察到的營(yíng)養不良還與產(chǎn)生丁酸鹽的細菌種類(lèi)的喪失有關(guān)，例如Faecalibacterium prausnitzii和Roseburia hominis，這與人IBD代謝組學(xué)研究中報告的糞便SCFA水平降低的總體趨勢一致。結腸部分手術(shù)功能失調導致的轉移性結腸炎可用SCFAs灌腸劑治療。在潰瘍性結腸炎中，通過(guò)灌腸施用丁酸鹽可能有一些益處，而生產(chǎn)丁酸鹽的膳食纖維添加劑可能有助于緩解的維持或在維持緩解方面不遜于5-氨基水楊酸酯。
SCFAs和IBD
在確定IBD患者中產(chǎn)生丁酸鹽的物種消失之前，潰瘍性結腸炎患者結腸黏膜中觀(guān)察到丁酸鹽氧化受損，并且在基因表達水平上丁酸鹽轉運和氧化的受損明顯。研究表明，不同程度的IBD患者的糞便SCFAs水平的降低，這與特異丁酰-CoA：乙酸-CoA-轉移酶基因（人類(lèi)微生物組的主要機制）的定量PCR結果一致。丁酸酯合成）。相比之下，在活動(dòng)期潰瘍性結腸炎和克羅恩氏病中，作為中介分子的乳酸濃度升高。其他研究報道IBD中SCFAs水平的降低在統計學(xué)上無(wú)統計學(xué)意義；然而，考慮到糞便中僅約有5％的SCFAs殘留，運輸、吸收和利用的改變可能會(huì )使與健康個(gè)體的直接比較相混淆。同樣重要的是要認識到，與產(chǎn)生丁酸鹽的細菌的抗炎性聯(lián)系可能是由其他機制引起的，例如在F.prausnitzii中觀(guān)察到抗炎蛋白的產(chǎn)生。
在小鼠模型中，低膳食纖維水平和葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘發(fā)的結腸炎的敏感性之間的聯(lián)系已被證實(shí)，膳食來(lái)源的SCFAs，SCFA受體GPR43和GPR109A以及NOD的下游活化起關(guān)鍵性作用-，LRR-和pyrin domain- containing 3（NLRP3）炎性小體– IL-18軸。小鼠中脂肪酸受體GPR43的缺失也會(huì )導致在DSS模型中結腸炎的難治性。這些觀(guān)察也已直接延伸至腸道菌群的組成部分。已經(jīng)顯示，NLRP1A受體在小鼠中的過(guò)度激活會(huì )導致產(chǎn)丁酸的Clostridiales缺失，并導致IL-18和IFNγ的產(chǎn)生增加。這些發(fā)現通過(guò)co-housing 實(shí)驗，抗生素治療和糞便丁酸鹽濃度的測定得到了加強。最后，作者確定了潰瘍性結腸炎患者結腸遠端發(fā)炎區域中NLRP1的基因表達增加，并觀(guān)察到與NLRP1，IL18和IFNG表達呈負相關(guān)的主要是是Clostridiales，因此將從人類(lèi)個(gè)體的客觀(guān)結果記錄下來(lái)。
膽汁酸
膽汁酸是小分子，通過(guò)肝臟的多酶過(guò)程由膽固醇合成（圖3）。
圖3：在疾病和穩態(tài)中的膽汁酸代謝 a正常的膽汁酸代謝。膽汁酸形成膠束，幫助脂質(zhì)消化和吸收(步驟1)。膽鹽水解酶(BSH)活性清除膽汁酸(步驟2)。未結合的膽汁酸被動(dòng)地再吸收，而結合的膽汁酸在回腸遠端主動(dòng)地再吸收，導致成纖維細胞生長(cháng)因子19 (FGF19)的產(chǎn)生，在肝臟中抑制膽汁酸的合成(步驟3)。到達結腸的膽汁酸被細菌轉化為次生膽汁酸(步驟4)。膽汁酸成分可以改變原發(fā)性硬化性膽管炎(PSC)(步驟1)。失調會(huì )導致失去BSH活動(dòng)(步驟2)。腸切除或回腸炎癥會(huì )導致膽汁酸的吸收損失和增加結腸初級膽汁酸(步驟3)。轉換次次膽汁酸和脫硫的損失導致了初級和次級膽汁酸在結腸的不平衡(步驟4),ASBT頂端膽汁酸鈉轉運體;FXR, farnesoid X受體;PXR，孕烷X受體;TGR5,跨膜G蛋白偶聯(lián)受體5;VDR,維生素D受體。
膽酸（CA）和鵝去氧膽酸（CDCA）可與?；撬峄蚋拾彼峁曹?。這些初級膽汁酸表現出兩親性，使它們有助于小腸中脂質(zhì)的消化和吸收。其中的百分之九十五在到達遠端回腸時(shí)被重新吸收（從而進(jìn)入腸肝循環(huán)），被重吸收再利用。其余的則受膽汁酸與法呢素X受體（FXR）結合釋放的成纖維細胞生長(cháng)因子19控制。
除調節自身的合成外，膽汁酸還通過(guò)與包括FXR，跨膜G蛋白偶聯(lián)受體5（TGR5），孕烷X受體，維生素D受體和組成型雄烷的受體結合，發(fā)揮許多代謝和免疫作用。 TGR5改善胰島素敏感性（通過(guò)GLP1），改善肌肉和褐色脂肪組織中的能量消耗（通過(guò)2型iodothyronine deiodinase激活）和膽囊放松。 TGR5還通過(guò)NF-κB抑制以及外周血單核細胞IL-1，IL-6和TNF的釋放來(lái)降低Kupffer細胞（肝定居巨噬細胞）對脂多糖的反應。 FXR的激活對宿主代謝具有多種影響，例如減少脂肪生成，減少肝糖異生，促進(jìn)肝臟再生和產(chǎn)生抗菌肽（稍后討論）。
膽汁酸和微生物群相互之間具有雙向作用。在許多古細菌和細菌中，膽汁鹽水解酶將初級膽汁酸中的氨基酸殘基去除是很常見(jiàn)的。給小鼠定殖膽汁鹽表達的Escherichia coli呈現出代謝層面、晝夜節律和上皮完整性的影響（值得注意的是，抗菌肽RegIIIγ的表達增加）。此外，來(lái)自于MetaHit和人類(lèi)微生物組計劃的宏基因組樣本分析鑒定出IBD中與Firmicutes相關(guān)的bsh基因簇的豐度降低。膽汁酸也可以在結腸中從初級膽汁酸轉化為次級膽汁酸，該功能被限制在更小的clostridial種類(lèi)范圍內，并由7α/β-脫羥基酶介導。這一過(guò)程導致CA轉化為脫氧膽酸（DCA）、CDCA轉化為石膽酸（LCA）以及其他衍生物。
相反，膽汁酸對腸道菌群組成和密度有很大影響。小腸FXR的激活抑制細菌的過(guò)度生長(cháng)和移位1。膽汁酸可能具有直接的抗菌作用，例如CA和DCA對Bifidobacterium breve和Lactobacillus salivarius的直接作用，以及包括刺激宿主產(chǎn)生抗菌肽（如cathelicidin，血管生成素I和誘導型一氧化氮合酶）的間接的作用。 CA還改變了大鼠腸道微生物組的組成，增加了Clostridia和Erysipelotrichi亞類(lèi)，相應地在Bacteroidetes和Actinobacteria門(mén)類(lèi)上表現為缺失狀態(tài)。第二膽汁酸還促進(jìn)了Clostridioides difficile（以前稱(chēng)為Clostridium difficile）感染（CDI）中的定植抗性，這通過(guò)C. sporogenes 在 C. difficile上的抑制作用所證明，其中DCA可充當關(guān)鍵介體。
IBD中微生物的膽汁酸轉化
由于膽汁酸吸收不良以及這種相互作用的固有雙向性使得膽汁酸代謝失調在IBD中的影響是復雜的。在其開(kāi)創(chuàng )性的研究中，Devkota等人發(fā)現，富含牛奶脂質(zhì)的飲食與低脂飲食相比，增加了?；撬峤Y合膽汁酸的比例，導致這種還原性亞硫酸鹽細菌--B. wadsworthia的大量繁殖，可依賴(lài)于?；撬嶂械牧蛏L(cháng)，產(chǎn)生一種潛在的毒性物質(zhì)代謝產(chǎn)物--硫化氫。這些變化與Il10-/-小鼠結腸炎的發(fā)展有關(guān)，表明西方飲食在遺傳易感宿主中的宿主代謝物改變，營(yíng)養不良和炎癥之間存在關(guān)聯(lián)。
此外，通過(guò)合成激動(dòng)劑對FXR的直接刺激在化學(xué)誘導的結腸炎中具有抗炎效果，起到保護作用，而FXR-/-小鼠對化學(xué)損傷的敏感性更高。伴有FXR激動(dòng)刺激的IBD患者，離體固有層單核細胞中促炎細胞因子IL-17，IFNγ和TNF的分泌也表現為統計學(xué)意義上的減少，而從克羅恩病患者發(fā)炎組織的腸道活檢樣品中發(fā)現FXR的表達降低。 2019年，研究人員通過(guò)闡述膽汁酸在小鼠結腸RORγ 調節性T細胞發(fā)育中的至關(guān)重要性，證明了膽汁酸的抗炎作用。值得注意的是，微生物膽汁酸代謝基因的喪失導致體內這種細胞亞型的減少，而多樣化的膽汁酸池通過(guò)膽汁酸-維生素D受體軸維持RORγ 調節性T細胞，在DSS誘導的結腸炎中發(fā)揮保護作用。
在人類(lèi)IBD中，已反復描述了糞便膽汁酸譜的變化，為了與潛在的混雜因素作相區分，Duboc等人重點(diǎn)研究了單獨的結腸的IBD患者，觀(guān)察到糞便中結合的初級膽汁酸增加，血清和血漿中次級膽汁酸的減少，這與一些非靶向性研究的結果相一致。另外，與健康對照組相比，活躍的IBD患者的糞便樣品中存在較高水平的3-OH- sulfated bile acids，膽汁酸的去結合，轉化和脫硫廣泛受損。在體外，DCA和LCA以劑量依賴(lài)性方式抑制人小腸上皮細胞系Caco-2的IL-1β誘導的IL-8分泌，對LCA的影響隨硫酸鹽的作用而消失，暗示了在IBD中具有直接的促炎效果的脫硫能力的喪失。值得注意的是，次級膽汁酸與TGR5的親和力高于初級膽汁酸，而次級膽汁酸對FXR的親和力介于CDCA（最高親和力）和CA（最低親和力）之間。然而，盡管有這些推定的抗炎效果，LCA的結腸上皮細胞硫酸化仍能使該化合物解毒，但在人類(lèi)研究和動(dòng)物模型中，次級膽汁酸性膽汁酸與大腸癌相關(guān)；在肥胖小鼠中也與肝細胞癌相關(guān)，從而突出了未來(lái)人群研究和模型系統在鑒定微生物轉化的膽汁酸在IBD中的重要性。
色氨酸
色氨酸是人類(lèi)必須通過(guò)飲食獲得的必需的芳香族氨基酸。家禽，魚(yú)類(lèi)，燕麥和牛奶和奶酪等乳制品是飲食中色氨酸的常見(jiàn)來(lái)源。色氨酸是合成許多重要生物活性分子（如5-羥色胺，褪黑激素，煙酰胺和維生素B3）的前體，此外還有許多其他重要的生理中間體。胃腸道是色氨酸代謝的中心位置。
膳食色氨酸可以遵循以下三種主要途徑之一，其中兩種主要是宿主途徑（犬尿氨酸和5-羥色胺途徑），另一種是微生物途徑（吲哚途徑）（圖4）。
圖4 IBD中色胺酸代謝失調 a在健康方面，飲食色氨酸的主要途徑是kynurenine (Kyn)途徑，色氨酸也被用來(lái)產(chǎn)生血清素和相關(guān)的代謝物。色氨酸可被共生菌群代謝產(chǎn)生吲哚類(lèi)、芳基烴受體(AhR)和孕烷X受體(PXR)激動(dòng)劑，在IBD中對粘膜免疫和體內平衡有多種作用。b IBD患者代謝異常導致微生物對色氨酸的激活缺失，從而導致kynurenine通路的代謝增加。5-HIAA,5-羥基吲哚乙酸;AMP,抗菌肽;GLP1，胰高血糖素樣肽1;IA，吲哚丙烯酸;IAld indole-3-aldehyde;IDO1，吲哚胺2,3-雙加氧酶1;IEL,上皮內淋巴細胞;吲哚-3-丙酸;Kyna犬尿酸;MUC2,粘蛋白2;PA，吡啶甲酸;QA，喹諾酸;TDO,色氨酸2 3-dioxygenase;TPH1，色氨酸羥化酶1;XA，黃尿酸。
飲食中的大多數色氨酸是通過(guò)犬尿氨酸途徑代謝，其限速酶包括粘膜和免疫細胞中的吲哚胺2,3-雙加氧酶1和肝臟中的色氨酸2,3-雙加氧酶。第二個(gè)主要宿主途徑是5-羥色胺途徑，它由腸嗜鉻細胞中的限速酶色氨酸羥化酶1控制，人體的大多數5-羥色胺都在那里產(chǎn)生。最后，色氨酸可以被腸道菌群代謝成一系列吲哚代謝產(chǎn)物（這是我們的重點(diǎn)），其中一些可以充當芳烴受體（AhR）配體，該受體與IBD發(fā)病機理有關(guān)（如后來(lái)所討論）。重要的是，除了色氨酸的直接代謝外，微生物群和微生物代謝產(chǎn)物還對兩個(gè)宿主色氨酸途徑都發(fā)揮重要的調節作用。
就腸道微生物組產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物而言，吲哚刺激GLP1的釋放，而吲哚衍生物（包括吲哚乙酸，吲哚-3-乙醛，吲哚-3-醛，吲哚丙烯酸（IA）和IPA）可以作為AhR的激動(dòng)劑，一個(gè)重要的轉錄因子，負責許多發(fā)育和組織依賴(lài)的T細胞免疫，并在腸道中通過(guò)IL-22和先天淋巴樣細胞發(fā)揮主要的保護和抗炎作用。在近端小腸中，通過(guò)上皮內淋巴細胞維持微生物負荷，組成和免疫耐受取決于飲食衍生的AhR激動(dòng)劑。相比之下，微生物衍生的AhR激動(dòng)劑主要作用于遠端小腸和結腸。已知一些細菌，包括Peptostreptococcus russellii和Lactobacillus的一些類(lèi)，會(huì )產(chǎn)生AhR激動(dòng)劑，而IPA的產(chǎn)生已在C. sporogenes中得到了很好的驗證16。 IPA的產(chǎn)生取決于fldAIBC苯乳酸基因簇，它通過(guò)與孕烷X受體結合，有助于維持屏障功能并抑制粘膜TNF的產(chǎn)生。
色氨酸代謝
從535名IBD的患者中已發(fā)現色氨酸代謝增加，以及疾病活動(dòng)（臨床和生化）與色氨酸水平之間呈現負相關(guān)性。分析表明，通過(guò)犬尿氨酸途徑的新陳代謝增加，這一發(fā)現與以前的結果一致。還已經(jīng)描述了克羅恩病患者發(fā)炎的黏膜樣本中AhR的表達降低，飲食中色氨酸的缺乏與小鼠模型中的結腸炎的惡化相關(guān)。
Lamas等人用一種caspase recruitment domain- containing protein 9（Card9）敲除的小鼠模型與DSS誘發(fā)的結腸炎模型相結合，證明吲哚衍生物吲哚乙酸的水平降低，并且Card9-/-小鼠的微生物群容量的降低來(lái)激活AhR。有趣的是，IL-22似乎是這一過(guò)程中的關(guān)鍵介體，因為來(lái)自Il22 – / –小鼠的微生物群無(wú)法激活AhR，并且通過(guò)使用IL-22可以緩解Card9 –/–小鼠對結腸炎的敏感性。此外，AhR激動(dòng)劑可降低IBD患者固有核細胞中IFNγ的水平并提高IL-22的水平，同時(shí)降低小鼠結腸炎中這兩者化學(xué)物（2,4,6-三硝基苯磺酸和DSS）和T細胞轉移模型嚴重性的發(fā)生，但阻斷IL-22的活性導致了這種效果的喪失。乳酸桿菌的AhR激活菌株也表現出可降低DSS誘導的結腸炎的嚴重性。
2018年，描述了微生物衍生的吲哚作為AhR的配體通過(guò)IL-10信號傳導發(fā)揮作用，口服IPA可以保護小鼠免受DSS誘導的結腸炎。此外，作者證實(shí)了潰瘍性結腸炎患者的血清樣品中IPA水平降低。
此外，一項關(guān)于黏液利用細菌的作用測定了共生的P. russellii可通過(guò)將色氨酸代謝為IA（AhR激動(dòng)劑），來(lái)改善杯狀細胞分化并減少炎癥信號來(lái)降低結腸炎的易感性。P. russellii中IA的產(chǎn)生與C. sporogenes中IPA的產(chǎn)生途徑相同，并且在P. russellii中還鑒定了fldAIBC苯基乳酸基因簇。這一新穎的發(fā)現將細菌與具有粘蛋白和色氨酸的代謝能力相聯(lián)系來(lái)改善上皮完整性，使作者通過(guò)對IBD和非IBD個(gè)體進(jìn)行的宏基因組學(xué)研究，確定了潰瘍性結腸炎中苯乳酸基因簇的減少。
其他相關(guān)代謝物
IBD中新興的研究領(lǐng)域是琥珀酸酯代謝。琥珀酸是由宿主細胞和微生物群產(chǎn)生的三羧酸循環(huán)中間體。在宿主中，琥珀酸對促炎信號起著(zhù)重要作用，并且可通過(guò)IL-1β作為巨噬細胞對脂多糖反應的關(guān)鍵性介質(zhì)?？肆_恩氏病患者的血清中琥珀酸水平升高，克羅恩病腸組織中琥珀酸受體（SUCNR1）的表達增加，Sucnr1–/–小鼠可免受纖維化和2,4,6-三硝基苯磺酸-誘發(fā)性結腸炎。但是，與健康對照組相比，IBD患者尿中琥珀酸水平也有所降低。與非IBD對照相比，潰瘍性結腸炎和克羅恩病患者的糞便琥珀酸水平也增加了，而在減肥巔峰期DSS誘導的結腸炎的糞便琥珀酸水平也增加了。從微生物群的角度來(lái)看，潰瘍性結腸炎和克羅恩氏病中，能夠利用琥珀酸的Phascolarctobacterium不如健康人豐富。目前正在努力確定這種重要代謝產(chǎn)物的作用以及相關(guān)腸道菌群的作用。
與SCFA相似，IBD中的中鏈脂肪酸含量也降低了，已表明它們可能通過(guò)過(guò)氧化物酶體增殖激活受體γ的活化而具有某些抗炎活性，類(lèi)似于共軛亞油酸。用中鏈甘油三酸酯代替n-6脂肪酸還可以降低Il10–/–小鼠自發(fā)性結腸炎的發(fā)生率。 TNFΔARE/ wt（刪除TNF 3'-非翻譯區富含AU的元件）小鼠發(fā)展為Crohn’s- like回腸炎，脂肪酸氧化增加，鞘磷脂和炎性介質(zhì)如花生四烯酸和血栓烷B2均增加。盡管脂質(zhì)代謝物在廣泛的生物學(xué)過(guò)程中是重要的信號分子，，并受到飲食和宿主炎癥的強烈影響，但腸微生物對IBD中脂質(zhì)代謝的影響仍不清楚。
未來(lái)方向
1 小分子發(fā)現
這篇綜述著(zhù)重于小分子發(fā)現的直接途徑，無(wú)論是采用非靶向性的篩選方法還是靶向性的分子類(lèi)別方法，目前正在開(kāi)發(fā)許多根本不同的小分子發(fā)現方法。這些方法使用功能性宏基因組學(xué)（例如，在細菌如E. coli中表達宏基因組DNA的文庫），宿主報告基因檢測（報告已知的或orphan受體的激活），合成生物學(xué)和生物信息學(xué)，并以智能方式將這些技術(shù)結合起來(lái)，事實(shí)證明這種方法非常強大，著(zhù)重于在人群中廣泛存在（或差異存在）的感興趣的生物活性分子或基因簇的分析。
功能性宏基因組學(xué)使研究人員能夠使用宿主報告基因測定法來(lái)鑒定生物活性分子，然后進(jìn)行分子鑒定，靶向基因組挖掘和同源基因家族鑒定。此類(lèi)方法已確定了重要的G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）配體N-?；０?，這些配體由微生物編碼，并且是對胃腸道和代謝生理有重要影響的受體（如內源性大麻素）激動(dòng)劑GPR119?；蛘?，以生物信息學(xué)挖掘為出發(fā)點(diǎn)以鑒定元基因組中生物學(xué)上的保守基因簇。Guo等人通過(guò)計算和合成生物學(xué)途徑發(fā)現了微生物群衍生的蛋白酶抑制劑。
在另一種“化學(xué)向前”方法中，來(lái)自11位IBD患者中的144個(gè)人類(lèi)腸道菌群被培養用于通過(guò)高通量GPCR報告平臺鑒定功能相關(guān)的代謝產(chǎn)物。除了通過(guò)人類(lèi)腸道菌群的成分鑒定廣泛激活GPCRs（例如胺能受體）的外，作者還鑒定了Enterobacteriaceae species Morganella morganii將芳香族氨基酸1-苯基丙氨酸轉化為苯乙胺，這是一種潛在的毒性物質(zhì)代謝物，也確定了M. morganii產(chǎn)生的和Lactobacillus reuteri產(chǎn)生的組胺與結腸轉運時(shí)間之間的明確體內關(guān)系。通過(guò)挖掘宏基因組數據，將這些發(fā)現與人類(lèi)微生物組計劃數據集結合使用，以確定在克羅恩病患者中組氨酸脫羧酶基因的增加。此類(lèi)方法利用各種來(lái)源的信息和技術(shù)挖掘微生物群中的新型化合物，為鑒定與IBD相關(guān)的生物活性分子的新潮提供廣闊的前景。
2 臨床診斷應用
目前，與IBD相關(guān)的微生物代謝組學(xué)正處于發(fā)展階段。然而，隨著(zhù)2019年iHMP的發(fā)表，現在有一個(gè)尋找新的生物標志物更有價(jià)值的資源。除了傳統的風(fēng)險因素外，代謝組學(xué)研究中的腸道生物標志物已經(jīng)為心血管疾病的研究提供了有價(jià)值的見(jiàn)解。值得注意的是，IBD患者的家庭成員顯示出與IBD特征相似的代謝譜改變，這可能有助于在出現臨床癥狀之前識別高?；颊?。此外，在診斷時(shí)、治療改善前或手術(shù)前對微生物組和代謝物標記物的高分辨率時(shí)間圖譜可能為預測疾病進(jìn)程提供新的生物標志物。
3 治療選擇
下一代益生菌 疾病因果關(guān)系中失調的存在已經(jīng)激發(fā)了處理宿主進(jìn)程和微生物的聯(lián)合研究的治療方法的實(shí)現 (圖5)。
圖5：IBD中因果關(guān)系循環(huán) 循環(huán)因果關(guān)系的示意圖，包含潛在的治療斷點(diǎn)。這些包括傳統的(免疫調節的)、微生物靶向的(益生菌、糞便菌群移植(FMT)和噬菌體)、飲食和直接代謝物處理。DCA，脫氧膽酸;IAA,吲哚乙酸;IEL,上皮內淋巴細胞;IPA,吲哚-3-丙酸;LCA，石膽酸;MUC2,粘蛋白2;SCFA,短鏈脂肪酸;Treg細胞，調節性T細胞。
目前由Bifidobacterium spp., Lactobacillus spp.和yeasts主導的益生菌，所有的這些生物都是很容易培養的,耐氧的,可以工業(yè)化生產(chǎn)的。相比之下，潛在的下一代益生菌(NGPs)在成人腸道中含有重要的共生體，代謝產(chǎn)物是參與的關(guān)鍵屬性之一。候選的NGPs是利用我們對腸道微生物群及其在特定條件下的作用的擴展知識所確定的，通常是挑剔的，或極度氧敏的，因此在分離、培養、表征和配方方面展示出了一個(gè)重大挑戰。根據FDA, NGPs和其他類(lèi)似產(chǎn)品可能會(huì )在活體生物治療產(chǎn)品(LBPs)的監管規則下進(jìn)行評估，該規則需要根據FDAA來(lái)要求正在研究的新藥程序。因此，NGPs將需要嚴格的分類(lèi)識別、嚴格的來(lái)源控制、臨床前證據、毒力因子和抗生素耐藥性基因排除，以及分階段的臨床試驗，而且與傳統益生菌許可的膳食補充劑相比，這將是不那么清晰的途徑。
在IBD的發(fā)展中一個(gè)主要的抗炎細菌的候選者--F. prausnitzii(傳統上被認為是其屬中唯一的物種，盡管一項研究表明它會(huì )分裂成兩個(gè)物種)。A2-165型菌株已具有豐富的實(shí)驗證據基礎，多種抗炎機制已被提出，并且其他類(lèi)似的菌株也正在積極進(jìn)行臨床前評估。在pouchitis中,盡管益生菌的混合吸收,VSL# 3,隨機對照試驗顯示了pouchitis發(fā)病率降低的有效力, 日本的一項小型研究(n = 17)也表明了一些潛在益處丁酸-生產(chǎn)菌Clostridium butyricumMIYAIRI,雖然樣本量小并且事實(shí)上與安慰劑組比較而不是益生菌限制了這些結果的解釋能力。
在相關(guān)工作中，一項研究顯示了靶向微生物組代謝物療法的潛力，其形式是Clostridium scindens對CDI的定殖抗性，這是廣泛使用抗生素的結果，在停止靶向抗生素治療后，CDI會(huì )頻繁復發(fā)。C. difficile孢子萌發(fā)受體與初級膽汁酸CA衍生物結合，并被次級膽汁酸DCA抑制?？诜﨏. scindens的老鼠可以通過(guò)將CA 7α-脫氫作用將CA轉化為DCA來(lái)改善CDI的抗性。
糞菌移植有趣的是，在CDI中膽汁酸的分布也發(fā)生了顯著(zhù)改變(主要是初級膽汁酸而不是次級膽汁酸)，并在糞便微生物群移植(FMT)成功后得以恢復。FMT是一種非常有效的治療方法，僅用于CDI復發(fā)病例。在炎癥性腸病中，雖然不是普遍的，但早期已有一些FMT在誘導潰瘍性結腸炎緩解中的應用前景。2018年，一項針對兒童潰瘍性結腸炎患者的FMT研究表明，在應答者中，微生物和代謝組學(xué)特征在FMT后都發(fā)生了變化，在坐標圖中向供體方移動(dòng)。值得注意的是，在FMT之后乙酸水平降低而丁酸水平相應增加。
微生物的協(xié)作除了NGPs之外，由FMT和識別免疫調節細菌組合的研究明確的的有益微生物的代表--脂多糖。IIb期臨床試驗招募了201名潰瘍性結腸炎患者，目前正在使用SER-287 (Seres Therapeutics)進(jìn)行試驗，這是一種來(lái)自厚壁菌門(mén)孢子的膠囊，無(wú)論是否使用萬(wàn)古霉素預處理(NCT03759041)。這項試驗是基于一個(gè)有希望的結果，從階段Ib試驗緩解潰瘍性結腸炎。另一種聯(lián)合療法是VE202 (Vedanta Biosciences與Janssen Biotech聯(lián)合)，它合理地選擇了已知產(chǎn)生丁酸鹽活性的調節T細胞誘導菌，該療法將進(jìn)入第一階段試驗。一個(gè)合理選擇的協(xié)作，FIN-524，Finch Therapeutics和Takeda ticals169正在開(kāi)發(fā)中，而另一個(gè)產(chǎn)品(MET-2) 的第一階段(NCT03832400)實(shí)驗目前正在加拿大招募。
代謝物脂多糖的吸引力在于它能將高濃度的代謝物帶入腸道，這對口服代謝物或其前體具有藥理學(xué)上的挑戰性。在色氨酸代謝物方面，目前正在進(jìn)行安慰劑對照的交叉試驗，以確定口服5-羥色氨酸對IBD患者的疲勞影響(NCT03574948)。在一項對健康志愿者進(jìn)行的驗證研究中，通過(guò)微膠囊將煙酸傳遞到腸道菌群中已被證明可增加腸道Bacteroidetes的水平并改善胰島素抵抗標記物。這一發(fā)現是有趣的，因為煙酸在潰瘍性結腸炎的治療中顯示出一些臨床應用前景。
結論
一項技術(shù)、觀(guān)察數據和實(shí)驗的融合闡明了微生物代謝物對IBD發(fā)病機制的貢獻。在這篇綜述中，我們總結了非靶向代謝組學(xué)和微生物組分析，表明了一個(gè)相對一致的模式改變的代謝物概況，并強調了與特定的分子類(lèi)別的聯(lián)系，其中膽汁酸，SCFAs和色氨酸代謝物我們隨后進(jìn)行了詳細的討論。這類(lèi)研究強調了糞便代謝組中存在的大量未知因素，并鼓勵建立大量的IBD患者和對照組的圖譜，建立微生物代謝產(chǎn)物發(fā)現和評估的流水線(xiàn)。于2019年發(fā)表的iHMP--第一個(gè)縱向多組數據集—IBD的多種數據集，標志著(zhù)這是一個(gè)真正的跨學(xué)科領(lǐng)域。然而，許多基本問(wèn)題仍有待回答。其中最重要的是基于微生物組的指標是否能對相關(guān)的臨床問(wèn)題提供獨立的預測價(jià)值，以及基于微生物組的療法是否能最終幫助治療IBD患者。關(guān)于今后的方向，我們已經(jīng)確定了一些有希望實(shí)現這些目標的領(lǐng)域。值得注意的挑戰將包括整合飲食和靶向微生物群控制，甚至是微生物群重組，以實(shí)現這些雄心勃勃的治療目標。腸道菌群產(chǎn)生的代謝物是腸道菌群對宿主進(jìn)行教育、交流和刺激的關(guān)鍵機制，并有望成為這一過(guò)程的中心。
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