Nature Reviews 重磅详解，肠菌代谢物在炎症性肠病中关键作用

点击蓝字 关注我们

      近20年的研究中，肠道微生物在建立和维持健康以及疾病发病机理中的关键作用逐渐被人们熟知。肠道微生物主要通过产生某些小分子代谢产物和宿主进行相互作用，对免疫成熟，免疫稳态，宿主能量代谢和黏膜完整性等方面有重要影响。

      肠道微生物的代谢产物在炎症性肠病（IBD）的发生发展中起到关键作用，尤其是胆汁酸，短链脂肪酸和色氨酸代谢物。本文重点介绍了这些代谢产物在IBD中的变化，及其对IBD发病的病理生理基础。同时展望了肠道菌群的代谢产物在未来IBD小分子药物筛选、临床诊断、治疗方案等方面的应用。

介绍

文章信息

标题：Gut microbiota-derived metabolites as key actors in inflammatory bowel disease

肠道微生物的代谢产物在炎症性肠病中起到关键作用

期刊：Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology

影响因子：23.57

发表时间：2020.02.19

研究背景

    炎症性肠病（IBD）包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，是临床上重要的慢性胃肠道炎症性疾病，除了肠道微生物的组成和功能发生改变外，还改变了肠道微生物群介导的信号通路。许多非靶向研究结果表明，IBD患者的肠道代谢组发生紊乱，并且与已知的肠道菌群失调是一致的。

    在2018年一项786人的队列研究^【1】中发现，个体间粪便代谢组大约三分之二的变化可以通过其粪便微生物组的变化来解释。IBD患者的粪便、尿液和血清代谢组研究结果中，贡献最突出的是胆汁酸衍生物、短链脂肪酸和色氨酸代谢物，这不仅为IBD的分类提供依据，还进一步用于机制探究。然而，发现和挖掘需要大规模的队列、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（如图1）。Fig.1丨Schematic workflow for microbiome–metabolomics discovery projects.
图1丨微生物组学-代谢组学项目工作流程示意图

综述论文

 一、 肠道代谢组的特征

    代谢组学研究描述了微生物及其宿主和环境中的小分子物质（<1,500 Da）的情况，主要方法包括非靶向代谢组研究和靶向代谢组研究。其中，非靶向性的方法可以无偏见的获取样本中代谢物，而靶向研究更关注特定类别的代谢物。

    非靶向代谢组的研究为微生物组数据的挖掘提供了巨大的贡献，但也有一些局限性：（1）因为不同代谢物的性质不同，所以样品前处理和提取的方法并不通用，而且不能做到准确的定量分析；（2）质谱结果的注释过程也具有挑战性，尚有许多代谢物被归类为未知物，注释的工作还需要更多的专业知识和计算算法；（3）可参考的数据库（如Metlin和HMDB）只包含一小部分肠道微生物的代谢物。    并且，粪便样本往往不能很好的体现肠道近端产生的代谢物，以及某些中低浓度的代谢物，非靶向的研究结果更有利于浓度高且数据库中已知的代谢物。所以，非靶向代谢组和其他组学技术结合时，需要尽可能解决上述局限性，在样品采集、标准化、注释和数据集成等方面进行精心的设计。

    相比之下，尽管靶向代谢组学只关注特定物质，但它在样品提取、已知内标和更精确的绝对定量方面仍然具有优势。

二、 IBD非靶向代谢组学

在IBD的非靶向代谢组学研究中，粪便样本的分析结果可以很好的区分IBD患者和健康人群，但无法分辨克罗恩病和溃疡性结肠炎，特别是对于肠切除术后或抗肿瘤坏死因子抗体治疗的患者。

在今年发表的一项研究^【2】中，通过液相色谱-质谱联用（LC-MS）和深度宏基因组测序，作者发现IBD患者之间，尤其是克罗恩病患者和非IBD对照患者之间，有许多代谢产物的差异很大。该研究纳入了美国155名Prism IBD患者作为发现队列，并用欧洲LifeLines DEEP和NLIBD的65名个体作为验证队列，是这一领域最大、最详细的研究之一。作者观察到IBD患者的初级胆汁酸、α-氨基酸和鞘脂水平增加，胆固醇，苯基苯并二恶烷，吲哚，四吡咯和长链脂肪酸等物质减少。同时，他们也确定了IBD中明显差异的细菌与代谢物之间的潜在因果关系或机理关系，例如，特定的omega-3脂肪酸与IBD相关物种呈正相关，与对照物种呈负相关。

其他生物样品的非靶向代谢组，如尿液，血清/血浆和肠活检样品等，研究结果同样有许多报导。IBD患者的尿液中，哺乳动物-微生物共代谢产物水平降低，三羧酸循环中间体和氨基酸代谢发生改变。克罗恩病患者的血清样品与对照组相比，脂肪酸的分解代谢增加，氨基酸代谢物的变化（主要是减少），尤其是色氨酸的血清素和吲哚衍生物，以及苯丙氨酸和组氨酸代谢物水平降低。

三、 IBD靶向代谢组学

1、短链脂肪酸（SCFAs）短链脂肪酸（SCFAs）是一类有益的代谢产物（如图2），如乙酸，丙酸，丁酸等，都是微生物发酵的产物, 它们的比例随饮食发生变化。SCFAs有调节免疫功能的作用，例例生盐盐如，可以诱导SCFAs介导的调节性T细胞的扩增，促进肠道的B细胞应答等，越来越多的证据表明，肠道菌群调节新生儿免疫系统成熟的过程。SCFAs还可以调节食欲，影响脂肪堆积，调节肠道运动，并通过L细胞分泌YY肽和胰高血糖素样肽1（GLP1）影响能量代谢。IBD通常伴随着营养不良，这与产生丁酸盐的细菌种类缺失有关，例如Faecalibacterium prausnitzii和Roseburia hominis，这与IBD代谢组学研究中的粪便SCFAs水平降低的总体趋势一致。

研究表明，不同程度的IBD患者的粪便种SCFAs的水平均有降低。溃疡性结肠炎患者结肠黏膜中观察到丁酸盐氧化受损，并且在基因表达水平上丁酸盐转运和氧化的受损明显。相比之下，在活动期溃疡性结肠炎和克罗恩氏病中，作为中介分子的乳酸浓度升高。

Fig.2丨SCFAs and their effects on the host.

图2丨短链脂肪酸（SCFAs）对宿主的影响

2、胆汁酸

胆汁酸是在肝脏中由胆固醇合成的小分子（如图3）。胆酸（CA）和鹅去氧胆酸（CDCA）与牛磺酸或甘氨酸结合，帮助小肠中脂质的消化和吸收，其中95%会在远端回肠通过肠肝循环被重吸收。除了调节自身的合成外，胆汁酸还与FXR， TGR5，PXR，VDR和TGR5结合，发挥代谢和免疫作用。胆汁酸代谢失调在IBD中是复杂的，Duboc等人^【3】，观察到独立的结肠IBD患者的粪便中结合的初级胆汁酸增加，血清和粪便中次级胆汁酸的减少，这与一些非靶向性研究的结果一致。另外，与健康对照组相比，活动期IBD患者的粪便样品中存在较高水平的3-OH-硫酸化胆汁酸，同时，胆汁酸的解结合、转化和脱硫方面也存在广泛的损害，而脱硫能力的丧失有直接的促炎效果。在人类和动物模型的研究中，次级胆汁酸与结直肠癌、肝细胞癌（肥胖小鼠）相关，这突出了人群研究和模型系统在IBD的研究中确认胆汁酸微生物转化的重要性。Fig.3丨Bile acid metabolism in homeostasis and disease.图3丨胆汁酸代谢与疾病

3、色氨酸及其代谢物

色氨酸是一种必需氨基酸，也是许多重要生物活性分子的前体（如5-羟色胺，褪黑激素，烟酰胺和维生素B₃等）。色氨酸代谢主要发生在胃肠道部位，膳食色氨酸通过宿主的犬尿氨酸途径和5-羟色胺途径，以及微生物的吲哚途径（如图4）进行代谢。除了色氨酸的直接代谢外，微生物本身和微生物代谢产物还对两条宿主色氨酸代谢途径发挥着重要的调节作用。色氨酸可以通过肠道微生物群转化为一系列吲哚代谢产物，其中一些与IBD的发病机制有关。就肠道微生物的代谢产物而言，吲哚刺激GLP1的释放，而吲哚衍生物（包括吲哚乙酸，吲哚-3-乙醛，吲哚-3-醛，吲哚丙烯酸和吲哚-3-丙酸）可以作为AhR（一个重要的转录因子）的激动剂，影响T细胞免疫，并在肠道中发挥保护和抗炎作用。在一项包含535名IBD患者的队列研究中^【4】，表明IBD患者色氨酸代谢增加，临床和生化结果与色氨酸水平呈负相关，分析结果显示主要通过犬尿氨酸途径增加了色氨酸的代谢。另外，其他研究结果还描述了克罗恩病患者发炎的黏膜样本中AhR的表达降低^【5】，饮食中色氨酸的缺乏与小鼠模型中的结肠炎的恶化相关^【6】。

Fig.4丨Tryptophan metabolism is dysregulated in IBD.

图4丨IBD患者色氨酸代谢失调

四、 未来方向

本文总结了不论是非靶向性研究还是靶向性研究结果中，与IBD相关的小分子代谢物。通过结合多种研究方法，如功能性宏基因组学、宿主报告基因检测、合成生物学和生物信息学等，进一步挖掘和整合微生物信息，可为寻找新的IBD相关生物活性分子提供广阔前景。另外，IBD患者和他们的家庭成员有相似的代谢谱改变，这将有助于判断临床症状出现之前的高危人群。同样，在诊断时、治疗前或手术前对微生物组和代谢物标记物进行高分辨率的时间图谱，可能为预测疾病进程提供新的生物标记物。微生物的失调与疾病之间存在因果循环的关系 (如图5)，所以促使着人们寻找新的综合治疗方法，如新一代益生菌、粪菌移植、微生物群以及代谢物等。

Fig.5丨The cycle of circular causality in IBD.

图5丨IBD的循环因果关系

结论

    在本篇综述中，我们总结了IBD的非靶向代谢组学和靶向代谢组学研究，得到了相对一致的代谢物改变模式，并对特定的分类（短链脂肪酸、胆汁酸和色氨酸代谢物）展开了详细的讨论。

    2019年发表的iHMP是IBD中第一个纵向多组学数据集，是一个真正的跨学科领域。但仍有许多基本问题没有回答。其中最重要的是基于微生物组的指标是否能对相关的临床问题提供独立的预测价值，以及基于微生物组的疗法是否能最终帮助治疗IBD患者。    我们也提出了今后的研究方向，肠道菌群产生的代谢物是肠道菌群和宿主互相作用的关键机制，并有望成为这一过程的核心。

帕诺米克代谢组肠道菌群检测服务

1、微生物组——16S/宏基因组；

2、全局精准非靶向代谢组；

3、靶向代谢组——短链脂肪酸（7种）；

4、靶向代谢组——胆汁酸（40种）；

5、靶向代谢组——有机酸（26种）；

6、靶向代谢组——TMAO及相关代谢物。

‍关注诺米代谢，后台回复检测项目，可咨询代谢组学技术工程师。

参考文献

【1】Zierer, J. et al. The fecal metabolome as a functional readout of the gut microbiome. Nat. Genet. 50, 790–795 (2018).

【2】Franzosa, E. A. et al. Gut microbiome structure and metabolic activity in inflammatory bowel disease. Nat. Microbiol. 4, 293–305 (2019).

【3】Duboc, H. et al. Connecting dysbiosis, bile-acid dysmetabolism and gut inflammation in inflammatory bowel diseases. Gut 62, 531–539 (2013).

【4】Nikolaus, S. et al. Increased tryptophan metabolism is associated with activity of inflammatory bowel diseases. Gastroenterology 153, 1504–1516.e2 (2017).

【5】Monteleone, I. et al. Aryl hydrocarbon receptorinduced signals up-regulate IL-22 production and inhibit inflammation in the gastrointestinal tract. Gastroenterology 141, 237–248, 248.e1 (2011).

【6】Hashimoto, T. et al. ACE2 links amino acid malnutrition to microbial ecology and intestinal inflammation. Nature 487, 477 (2012).

往期精彩：

---

---

诺米代谢服务列表

---

苏州帕诺米克生物医药科技有限公司

诺米代谢

帕诺米克代谢组学平台

公众号：Bionovogene

服务热线：0512-62959105