脓毒症精准医疗新靶点
——肠道菌群调节色氨酸代谢
脓毒症是由感染引起的宿主应答失调伴威胁生命的多器官功能障碍，是影响人类总体健康水平的重大公共卫生问题[1]。"失控的炎症免疫"是脓毒症的重要病理生理过程[2，3]。流行病学调查显示，全球每年有近5 000万脓毒症病例，其中约1 100万患者死亡，随之而来的是数百亿美元的医疗花费[4]。尽管抗感染、免疫调节和器官功能支持技术已取得长足进步[5]，但由于"高异质性"的存在，脓毒症的早期、精准、靶向诊治面临挑战[6，7]，寻找兼具"免疫调节"和"器官对话"功能的脓毒症精准医疗靶点迫在眉睫。
色氨酸（tryptophan，TRP）主要源自食物，是人体必需氨基酸之一[8]。在体内，一方面，食物蛋白经小肠消化成TRP后由肠上皮吸收入血，与白蛋白结合运载并参与组织蛋白合成[9]；另一方面，TRP及其活性代谢产物在脑、肝、肠、免疫等多器官系统发挥作用，参与机体神经炎症、免疫稳态、营养代谢的调节[10]。近年来，学界对TRP及其代谢产物在疾病和健康中作用的认识，已从单一的营养底物逐渐演化成复杂疾病的共性生物学机制[11，12]。肠道菌群研究的兴起，进一步使微生物调节TRP代谢成为各器官系统交互的靶点之一，TRP代谢逐渐成为各"器官-肠"轴研究的枢纽和复杂疾病的菌群干预靶向[10，13，14，15]。由此，我们提出，TRP及其活性代谢产物既是宿主免疫代谢调节的重要实施者，也是多个器官系统"对话"的枢纽，更是菌群宿主相互作用的重要靶点；菌群调节TRP是兼具"免疫调节"和"器官对话"潜能的脓毒症精准医疗靶点。现就TRP代谢、肠道菌群TRP代谢调节和脓毒症TRP代谢特征等进行综述，为临床进一步以TRP代谢为靶点开展脓毒症精准医疗提供线索。
1 TRP 3条代谢途径及功能
TRP分子式为C11H12N2O2，相对分子质量为204.22，天然状态以左旋形式（L型）存在，是一种"代谢活性氨基酸"。机体内约10%的游离TRP具有代谢活性，通过3种途径生成活性产物5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）、犬尿氨酸（kynurenine，KYN）、烟酸、吲哚等[10，16]。这3种途径分别为：①主要发生于肝脏、脑和肠道等的KYN通路（约占95%）；②发生于脑和肠道的5-HT合成途径（约占2%~3%）；③肠道菌群直接代谢生成芳香烃受体途径（约占1%~2%），见图1。其中前2种途径在机体主要表现为促炎效应，菌群途径则以抗炎效应为主[10]。目前，已有大量以干预TRP代谢关键酶和产物为目的进行疾病干预的临床试验正在运行中。
1.1 TRP-KYN代谢途径：
吲哚胺2，3 -双加氧酶（indoleamine 2, 3-dioxygenases，IDO1、IDO2）和色氨酸2，3-双加氧酶（tryptophan 2, 3-dioxygenase，TDO）是介导TRP-KYN代谢的关键酶，以肠道高表达的IDO1途径最为突出。炎症状态下IDO1活性增强，TRP在IDO1作用下生成中间产物KYN，KYN进一步在犬尿氨酸3-单加氧酶（kynurenine 3-monooxygenase，KMO）和犬尿氨酸氨基转移酶（kynurenine aminotransferase，KAT）的作用下分别代谢生成犬尿喹啉酸（kynurenic acid，KYNA）和喹啉酸（quinolinic acid，QA），二者主要参与炎症免疫反应和氧化应激损伤[17]。有研究显示，QA通过增加一氧化氮合酶活性促进一氧化氮合成和自由基损伤导致线粒体功能障碍及DNA链断裂[18]，也可以产生活性氧（reactive oxygen species，ROS）引起脂质过氧化[19，20]，加剧炎症失衡。
另外，KYN代谢在免疫耐受、炎症调节中也同样发挥重要作用。当机体处于炎症、感染和肿瘤等状态时，IDO1表达或活性的增加会加速TRP的代谢[21]，TRP大幅度消耗将抑制G1期T细胞增殖、效应T细胞活化，转而促进初始T细胞向调节性T细胞（regulatory T cell，Treg）转化[22]。IDO1与Treg细胞之间相互协同，IDO1可诱导Treg细胞的产生，Treg细胞反向促进IDO1表达。因此，高表达IDO1通过诱导机体免疫耐受促进肿瘤恶化是肿瘤进展的重要机制，IDO1抑制剂是肿瘤免疫治疗的手段之一。另外，部分研究表明，KYNA不仅是一种炎症介质，其在某些特定条件下（如10 μg/L脂多糖刺激）也可通过调节鼠肠上皮细胞和免疫细胞中的G蛋白耦联受体35，实现消化道黏膜免疫调节和胃肠保护[10，17，23]。QA-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinudeotide，NAD+）途径也可作为能量补救途径发挥一定代偿作用[10]。此外，机体仍有少部分TRP代谢通过广泛分布于肝脏、骨髓、免疫系统、肌肉、胃肠道、肾脏、膀胱和大脑中的TDO介导，生成KYN、KYNA和QA[11]。在肠道中，部分肠道菌可编码真核生物KYN途径关键酶（kynurenine 3-monooxygenase/kynureninase，KMO/KYNU）的同工酶，进而调节宿主TRP-KYN代谢[10]。
1.2 TRP-5-HT合成途径：
色氨酸羟化酶1（tryptophan hydroxylase 1，TPH1）和色氨酸羟化酶2（tryptophan hydroxylase 2，TPH2）是介导TRP代谢合成5-HT的两个关键酶，二者具有组织偏好性。TPH1主要表达于肠嗜铬细胞（enterochromaffin cell，EC）；而TPH2主要表达于中枢系统，少量表达于肠神经系统（enteric nervous system，ENS）。肠道90%的5-HT由上皮EC细胞经TPH1合成，只有约10%的5-HT由ENS神经细胞经TPH2合成[23，24]。EC胞源性5-HT是胃肠道重要的炎症介质，TPH1缺失可减轻肠道炎症损伤[25]。而分布于ENS的TPH2源5-HT具有宿主保护作用，Gross等[26]发现，敲除TPH2对小鼠肠道健康不利，主要表现为上皮绒毛高度、隐窝深度和隐窝增殖指数显著降低；另外，外周ENS源性5-HT可以促进兴奋性突触后电位（excitatory postsynaptic potential，EPSP）产生，并有助于维持肠神经的存活和发育[27]。肠道菌群及其代谢产物也是合成肠道5-HT的重要参与者。部分肠道菌（如链球菌属、肠球菌属、棒状杆菌属、产孢子细菌和梭状芽孢杆菌等）可通过丁酸酯和丙酸酯等代谢产物促进EC细胞中TPH1的表达以合成5-HT[28，29，30，31]。此外，当KYN关键酶IDO1活性增强时，TRP-5-HT代谢途径的中间产物5-羟色氨酸（5-hydroxytryptophane，5-HTP）可在IDO1催化下生成5-羟基犬尿氨酸（5-hydroxykynurenine，5-HKYN），与宿主TRP-KYN代谢途径发生交互。
1.3 TRP菌群代谢途径：
色氨酸酶（tryptophanase，TNA）是菌群代谢TRP生成吲哚及其衍生物的关键酶，主要在大肠杆菌和乳酸杆菌中表达[32，33，34]。与KYN和5-HT合成途径不同，肠道菌群TRP代谢对机体多呈保护作用。例如，罗氏消化链球菌和乳酸杆菌代谢TRP生成的吲哚-3-醛（indole-3-aldehyde，IAId）、吲哚-3-丙酸（indole-3-propionic acid，IPA）和吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA），不仅具有保护肠黏膜屏障和增强宿主免疫功能的能力[35，36]，还可通过与芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AhR）结合激活机体黏膜免疫应答、增强肠上皮屏障功能、刺激胃肠蠕动和肠道激素分泌，进而发挥抗炎、抗氧化和调节微生态的作用[37]。2018年，Lamas等[38]发现，与野生对照小鼠相比，无菌小鼠体内缺乏AhR配体，提示正常菌群是保障AhR活性的关键。另外，肠道菌群结构也受KYN代谢物和肠内5-HT浓度的影响。据报道，机体肠上皮细胞的KYN途径代谢产物3-HKYN可影响肠道菌群结构[10，17]；敲除5-羟色胺转运体（serotonin transporter，SERT）的小鼠乳杆菌属、链球菌属和肠球菌属等相对丰度显著升高[39]，这种菌群组成的变化将进一步诱发菌群TRP代谢的改变。由此可见，体内3条TRP代谢途径相互影响，菌群的参与对机体TRP内环境稳态具有重要调节作用。
2 肠道菌群TRP代谢调节
肠道菌群是近年来的研究热点，其可通过代谢产物链接"病原与宿主"、宿主各器官之间和宿主"神经、免疫、代谢及内分泌"系统之间的相互作用，调节机体病理生理功能。肠道菌群TRP代谢及相关产物是"神经、免疫、代谢及内分泌"相互作用的重要代表之一，其既可直接代谢到达结肠组织的过量游离TRP，也可通过影响宿主KYN和5-HT途径的关键酶合成参与调节宿主TRP代谢，使机体TRP代谢平衡趋于稳态。
2.1 肠道菌群对宿主TRP代谢的调节
2.1.1 肠道菌群对机体KYN代谢途径的影响：
健康的肠道菌群和正常的宿主KYN代谢互为支撑，KYN途径关键酶IDO1的生成依赖于肠道菌群。有研究显示，菌群代谢产物丁酸盐等短链脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）参与调节肠上皮细胞（intestinal epithelioid cell，IEC）中IDO1表达调控，其机制与丁酸盐下调STAT1水平和抑制组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）活性有关[40]。肠黏膜天然免疫的成熟同样依赖于完整的肠道菌群和宿主IDO1表达[41]。有研究显示，无菌动物肠道Toll样受体（Toll-like receptor，TLR）表达下降，TLR活化依赖于γ-干扰素（interferon-γ，IFN-γ）或IDO1诱导[21，42，43]。另外，健康的肠道菌群TRP代谢对AhR信号通路调节具有重要作用。尽管KYN代谢产物具有一定的AhR配体活性，肠道菌群TRP代谢产物仍是AhR配体的主要来源[44]。AhR作为接收外源性刺激的感受器，通过与AhR配体结合调节宿主免疫促进肠道微环境稳态[45]。
2.1.2 肠道菌群对机体5-HT代谢途径的影响：
IEC合成5-HT依赖于健康的肠道菌群。研究表明，肠道5-HT的合成受到菌群的调控（约50%），其机制可能与菌群代谢产物SCFA促进肠上皮TPH1活性有关，特别是梭菌科和尿素菌科为主的孢子形成菌[28，46，47，48]。无菌小鼠肠道中TPH1表达降低、5-HT摄取转运体基因SLC6A4转录增加，外周5-HT水平降低，而产芽孢菌重建菌群后TPH1、5-HT水平发生修复[49]。同样，正常5-HT水平对维持肠道菌群稳态具有重要意义。研究显示，SERT敲低5-HT下降可引起乳杆菌属、链球菌属和肠球菌属丰度增加，而双歧杆菌种类和黏液嗜酸杆菌丰度降低的菌群失调[39]。另外，肠道菌群对中枢5-HT水平也具有调控作用。Clarke等[50]和Diaz Heijtz等[51]在实验中发现，无菌小鼠大脑纹状体中5-HT、去甲肾上腺素、多巴胺转运率增加，小鼠出现焦虑行为且脑5-HT水平下降，菌群重建将逆转小鼠情绪和5-HT变化。
2.2 肠道菌群参与TRP代谢在炎症相关疾病中的变化：
如前所述，肠道菌群不仅可通过菌群代谢作用生成AhR配体，同时可通过其代谢产物或单链RNA（single-stranded RNA，ssRNA）影响宿主TRP代谢酶的表达，参与疾病进展（尤其是炎症相关疾病）[10]。尽管目前已明确微生物群参与应激条件下的TRP代谢，但由于共生细菌中催化酶的复杂性，菌群参与的TRP代谢调节对宿主整体TRP平衡的影响具有不确定性。在炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）研究中（主要包括溃疡性结肠炎和克罗恩病），KYN途径增强，菌群代谢途径受到抑制，5-HT合成途径在克罗恩病中增强，而在溃疡性结肠炎中受到抑制[52]。在肠易激综合征（irritable bowel syndrome，IBS）研究中，KYN途径增强，便秘型IBS因TPH1和SERT表达下降致5-HT合成途径减弱[53]，菌群代谢途径不变；腹泻型IBS 5-HT合成途径增强而菌群代谢途径减弱。同样，宿主KYN途径的活化在孤独症、代谢综合征中也得到初步证实[54，55]，菌群代谢途径和5-HT合成途径的变化仍不明确。可见，菌群参与TRP代谢调节是炎症相关疾病中的重要自我调节机制，具有一定可变性，这也与脓毒症相关免疫活性密切相关。
3 脓毒症TRP代谢变化
3.1 脓毒症的宿主TRP代谢研究现况：
截至目前，已有较多研究关注到TRP代谢（尤其是宿主TRP代谢变化）与脓毒症进展的密切关系。例如，Chen等[56]研究63例脓毒症患者的非靶向代谢发现，TRP代谢通路变化在脓毒症发生中发挥重要作用；Lerch团队[57]通过评估KYNA/TRP比值发现，当该比值升高（即IDO1活性增强）时脓毒症患者"炎症风暴"增强；Zeden等[58]的研究则证实，脓毒症病情加重伴随QA/TRP比值升高，提示脓毒症伴随大量能量消耗、补救途径激活；Tanaka等[59]发现，血浆中5-HT通路的下游产物5-羟吲哚乙酸（5-hydroxyindole acetic acid，5-HIAA）水平与疾病严重程度指数相关，5-HIAA水平越高，患者病情越严重。上述研究均提示，宿主TRP代谢与脓毒症的严重程度、炎症状态和能量消耗密切相关。
3.2 菌群调节TRP代谢参与脓毒症进展的线索：
与宿主TRP代谢相比，菌群调节脓毒症TRP代谢相关研究较少，目前仅有2篇直接相关的研究。2019年，Gong等[60]发现，脓毒症制模（盲肠结扎穿孔）7 d后存活的耐受小鼠，其炎症抑制和器官功能保护作用与肠道菌群中检出的高水平5-HT受体抑制剂格拉司琼有关，将富含格拉司琼的耐受小鼠粪菌移植到经抗菌药物处理的小鼠，结果进一步证实，抑制5-HT通路可抑制脓毒症。Fang等[61]发现，对脓毒症小鼠外源性补充肠道菌群TRP产物IPA，可显著抑制炎症反应并提高小鼠存活率。另外，本课题组前期的报道也提供了一定线索，我们发现脓毒症患者存在与重症腹腔高压模型相似的5-HT代谢变化，5-HIAA/5-HT是重要的脓毒症潜在标志物，嗜酸乳酸杆菌和复合氨基酸均能预防腹腔压力升高引起的TRP代谢异常相关肠损伤[62]。上述研究表明，调节菌群TRP代谢在脓毒症炎症抑制、器官保护和预测、预防等方面具有一定潜力。
4 总结及展望
脓毒症传统治疗方法包括早期复苏、清除感染病灶、抗菌药物应用和器官支持等，但基于全周期共性生物学特征的精准医疗进展缓慢。TRP代谢变化，尤其是菌群调节TRP代谢，为我们提供了全新的角度，其可作为脓毒症预防、诊断、严重程度预测及干预等各个层面的研究靶点。未来，相关工作可以围绕菌群TRP代谢稳态的上下游开展，如：①外源性给予益生菌、益生元等调节菌群结构间接影响TRP代谢；②直接补充TRP、调节TRP宿主和菌群途径的酶活性，使TRP代谢趋于稳态；③干预3条代谢通路下游靶点，直接切断TRP失衡对器官功能的影响等。此外，菌群调节5-HIAA、QA/TRP比值、KYNA/TRP比值在脓毒症早期识别、预后预测中的作用也有待确证。
引用: 何鑫磊, 崔潇, 冷玉鑫. 脓毒症精准医疗新靶点 ——肠道菌群调节色氨酸代谢 [J] . 中华危重病急救医学, 2023, 35(7) : 764-768.
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