靶向代谢组学在胃肠道疾病研究中的应用

前言

胃肠道疾病受遗传、免疫和环境等多种因素影响，其中不良的饮食和生活习惯是其发病的主要原因。胃肠道疾病由于持续时间较长、反复发作和久治不愈等特点，因此在治疗上面存在一定难度。大部分的胃肠道疾病属于环境暴露性疾病，生物体通过饮食摄入外源性物质，经转化和吸收后会影响内源性物质的代谢。代谢组学能够直接反应饮食和环境对生物体所产生的影响，通过代谢组学可以揭示生命代谢活动的本质，从疾病产生的具体结果为导向，由果导因研究疾病机理，从而为疾病机理及治疗的研究开拓新思路。

诸多的研究表明：胃肠道疾病患者多表现出不同程度的肠道微生物种类和丰度的变化。肠道微生物的失衡会使肠道的通透性增强，从而释放细菌产物诱发炎症的产生，引起宿主代谢紊乱，这一过程主要是由肠道微生物代谢物（如：胆汁酸（BA）、短链脂肪酸（SCFA）、氨基酸、脂肪酸等）所介导。

接下来小编就以4篇文献案例来和大家一起分享肠道微生物代谢物对于宿主胃肠道疾病的影响，以及通过代谢组学的方法如何为胃肠道疾病的研究提供新思路。

案例

案例-1：炎症性肠病（IBD）患者的生态失调与胆汁酸（BA）代谢障碍和肠道炎症有关

IBD包括溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD），主要表现是回肠、直肠和结肠的一种慢性和复发性炎症。目前病因和发病机制未完全明确，普遍认为是由环境、遗传、感染和免疫等多种因素相互作用所致。研究文献中多次报道IBD患者体内微生物生态失调，但其对BA代谢的影响及与肠道炎症的关系尚未明确。BA由肝脏产生，经肠道微生物修饰后参与体内重要的肝肠循环，一方面可以促进脂质吸收和胆固醇的代谢，另一方面具有抗菌特性并参与肠粘膜的防御过程。因此BA的正常代谢对维持肠道环境健康起重要作用。

来自法国巴黎2014年的一篇关于IBD生态失调与BA代谢的报道称：IBD患者生态失调会引起BA代谢障碍，且BA代谢障碍会加重肠道炎症。通过对IBD患者血清和粪便样本中微生物及BA的分析，与健康人群相比，发现IBD患者微生物种类总数减少，体内存在严重的微生物失调，次级BA的比例下降，共轭BA比例升高。结果证明IBD患者体内微生物酶活性降低，肠道微生物不能有效的将初级BA转化为次级BA，从而引起BA谱的代谢障碍。在小鼠肠上皮细胞模型的研究中发现，次级BA可显著降低促炎因子白细胞介素（IL-8）的分泌，从而发挥抗炎作用。总之，这些结果表明IBD患者肠道微生物的紊乱影响BA的代谢，BA的代谢障碍会增加肠上皮细胞的炎症反应。因此，通过对IBD患者体内BA的研究，发现BA代谢障碍与肠道炎症密切相关，故调整或恢复BA的代谢水平将为IBD等胃肠道疾病的治疗和预防提供新见解。

案例-2：非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）中的支链氨基酸（BCAA）代谢特征

NAFLD是以肝细胞内脂肪过度沉积为主要特征的一种慢性肝病。NAFLD被认为是肝脏代谢综合征，首先以肝脏中脂质的简单积累引发脂肪变性；其次脂质的过量积累使肝细胞氧化应激增加，引发炎症的产生，导致非酒精性脂肪性肝炎（NASH）。NASH是脂肪变性到肝硬化发展之间的重要一步，在NAFLD病程I期和II期，氨基酸转运蛋白的表达发生改变会增加肝脏毒性，引发炎症并进一步恶化。因此与氨基酸和BCAAs相关的转运蛋白表达的变化在维持肝脏健康方面具有重要作用。

来自美国亚利桑那大学药理和毒理系2014年一篇关于NAFLD与BCAA的研究称：通过收集NAFLD不同阶段患者的肝组织样本，从基因、代谢和蛋白三个层面进行分析，解释了NAFLD不同阶段患者中氨基酸及相关转运蛋白的变化，为疾病的治疗提供依据。研究结果如下：首先从基因层面，发现NAFLD患者体内BCAA合成基因显著下调，BCAA如亮氨酸可通过驱动mTOR信号途径，发挥抗炎的作用。其次在代谢层面，通过对氨基酸的分析，发现BCAAs在NAFLD不同阶段的肝组织样本中发生显著变化，NAFLD患者体内氨基酸代谢平衡被打破，因此恢复氨基酸代谢水平在肝病和炎症的预防中具有重要作用。最后在蛋白层面，发现NAFLD样本中BCAA转运蛋白的表达水平显著增加，患者体内BCAA的转运、代谢和分布不仅受BCAA转运蛋白的影响，而且也受疾病程度的影响。总之，NAFLD患者体内氨基酸的代谢水平及其相关的转运受体蛋白，可作为药物的作用靶点，为疾病的治疗及药物的开发找到新的切入点。

案例-3：溃疡性结肠炎（UC）患者的生态失调 - 产生丁酸盐的微生物减少

常见的炎症性肠病（IBD）包含UC和克罗恩病（CD），肠道微生物群落多样性在慢性肠道炎症中起重要作用。累积的数据表明，通过全基因组和免疫芯片研究已确定了160多种与宿主相关的微生物，在CD患者中发现特定微生物种类的改变引起的生态失调，但这种现象在UC的研究中尚未发现。由于肠道微生物产生的SCFA具有免疫调节和抗炎特性，对UC患者肠道微生物的种类及其与代谢物关系进行分析，对疾病病因的研究具有重要意义。

来自比利时消化道疾病研究中心2014年关于短链脂肪酸与UC的报道称：UC患者的生态失调与产生丁酸盐的微生物减少有关。通过采集UC患者的粪便进行微生物群落的分析，发现随着疾病程度的增加，F. prausnitzii呈现逐渐降低的趋势，F. prausnitzii具有强烈的抗炎作用，因此这个微生物的缺乏可能引起或加剧肠道炎症。对短链脂肪酸的定性定量分析，发现UC患者丁酸盐显著降低，由于丁酸盐具有免疫调节和抗炎作用，因此丁酸盐的减少，会促进肠道炎症的产生。同时对丁酸盐发挥抗炎作用的机制进行研究，发现丁酸盐可以通过抑制HDACs调节肠巨噬细胞的免疫应答，下调促炎因子（如NO、IL-6和IL-12），发挥其抗炎的作用。通过对短链脂肪酸和微生物的相关性分析，发现F. prausnitzii 与丁酸盐浓度具有显著相关性，在UC患者中F. prausnitzii 减少，丁酸盐含量降低，二者的相互作用相互影响，使得肠道炎症持续产生。因此，在肠病的研究中，以SCFA作为突破口，针对SCFA的变化进行药物干预或针对微生物群进行靶向免疫激活疗法等，探索胃肠道疾病治疗的新方法。

案例-4：肠道微生物群依赖性代谢物影响肝脏的炎症反应

非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）是常见的慢性肝病，按照病理程度，可分为简单的脂肪变性、肝内炎症、肝纤维化、肝硬化等。其发病率与肥胖和代谢综合征密切相关。目前关于NAFLD的发病机制尚不清楚，普遍认为导致NAFLD发病的原因主要有两个：其一是脂质在肝脏中积聚激活免疫细胞并产生促炎细胞因子；其二是肠道微生物群的生态失调。研究表明，芳香烃受体（AhR）是一种配体激活性转录蛋白，参与脂质和脂肪酸的代谢过程。AhR表达异常会诱发脂质的异常代谢，此过程可能与微生物生态失调有关。

来自美国医学研究中心发表在国际顶级期刊cell上的关于脂肪酸和NAFLD的报道称：肠道微生物代谢产物I3A（吲哚-3-乙酸甲酯）可以调节肝细胞和巨噬细胞的炎症反应，影响NAFLD的发展进程。首先通过小鼠实验，发现肠道微生物代谢物I3A和TA（色胺），同时在高脂饮食的小鼠体内发现I3A和TA的显著减少，由于I3A和TA与脂肪的合成和运输有关，因此高脂饮食的小鼠体内脂质运输受阻，脂质在肝脏中大量累积，引发肝脏炎症的产生。其次对游离脂肪酸和胆汁酸的靶向代谢组学分析，结果发现HFD小鼠肝脏中存在大量的游离脂肪酸，脂肪在肝脏中积累，胆汁酸代谢异常，最终导致肝脏疾病。最后通过模拟NAFLD的炎症状态下的巨噬细胞，用I3A和TA干扰处理后，发现巨噬细胞显著下调与炎症相关的蛋白的表达，因此证明I3A可通过作用于巨噬细胞，显著减弱促炎细胞因子的表达和释放。总之，I3A可减弱促炎细胞因子的释放，以此为切入点，可为NAFLD的发病机制、NAFLD的预防和治疗提供新思路。