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【小分子,大能量】Nature Reviews | 综述3类肠道菌代谢产物在炎症性肠病中的作用

在过去的二十年中,人们已经确定了肠道菌群在建立和维持健康以及疾病发病机理中的关键作用。肠道菌群与宿主相互作用的主要方式之一是通过代谢产物,这些代谢产物是微生物代谢的中间产物或终产物产生的小分子。

 

2020年2月由位列软科世界大学学术排名前列的法国索邦大学Aonghus Lavelle和 Harry Sokol两位研究者在Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology上发表了题为 “Gut microbiota-derived metabolites as key actors in inflammatory bowel disease”的综述文章。详细介绍了IBD患者的肠道代谢组变化,重点描述了短链脂肪酸、胆汁酸及色氨酸代谢的失调及其在IBD发病机制中的作用,并讨论了菌群代谢组在未来的IBD诊断及小分子药物筛选中的潜在作用,以及通过益生菌、粪菌移植等方式调控菌群代谢组来治疗IBD的可能。

 

 

标题:肠道菌群衍生的代谢产物在炎症性肠病中起关键性作用

期刊:Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology

影响因子:23.57

发表时间:2020年2月19号

运用生物技术:代谢组学

 

研究背景

 

炎性肠病又称炎症性肠病(IBD),为累及回肠、直肠、结肠的一种特发性肠道炎症性疾病。近年来工业化国家的发病率在逐渐上升,因此,针对IBD开发新的治疗方法很有必要。依据疾病治病模型的中心作用提出肠道微生物群为开发新的治疗方法提供了一个新的方向。微生物代谢产物对宿主生理产生重要而多样的影响,可在多种生物组织中检测到,包括粪便、尿液、血清、肝脏和脑脊液

 

2018年对786名个体的队列研究中发现,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。在IBD粪便、尿液和血清代谢组研究中,发现最突出的是胆汁酸衍生物、短链脂肪酸(SCFAs)和色氨酸代谢物的新关联。然而,发现和挖掘这种联系需要大规模的队列、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)。

 

 

图1 | 微生物-代谢组学项目工作流程示意图

 

在这篇综述中,作者描述了肠道代谢组的特征,讨论分析了未来的发展方向,包括小分子发现的新方法,肠道微生物-代谢组学的诊断潜力和治疗策略。其中几大看点如下:

 

▶1.IBD患者的肠道代谢组紊乱,表现为短链脂肪酸、胆汁酸及色氨酸等代谢的失调;

 

▶2.短链脂肪酸通过促进B细胞发育、Treg的分化与扩增、激活炎性小体及IL-18产生等方式调节粘膜免疫,IBD患者的肠道短链脂肪酸水平降低;

 

▶3.胆汁酸通过激活FXR等受体起到免疫调节作用,IBD患者的胆盐水解酶活性可能下降,导致初级与次级胆汁酸的平衡被破坏;

 

▶4.菌群代谢色氨酸产生的吲哚可通过激活多环芳烃受体等方式调节粘膜免疫,增强IBD患者的犬尿氨酸代谢途径;

 

综述内容

 

1.肠道代谢组的特征

 

2017年的一篇文献描述了靶向代谢组学和非靶向代谢组学粪便代谢组学结合的技术。尽管非靶向代谢组学技术是一个非常重要的途径,但也存在许多难点及挑战:

 

(1)在样本预处理和提取方面没有通用的方法;

(2)将质谱实验的光谱数据转换成化学注释化合物的过程极具挑战性,许多化合物仍然被归类为未知物质(通常被称为“暗物质”),对这些物质进行注释既需要人工的专业知识,也需要计算算法;

(3)可参考的光谱数据库(如Metlin和HMDB)只包含一小部分肠道微生物代谢物。据估计,在给定的微生物研究中,90%以上的光谱特征可能是未知的;

 

因此,将非靶向代谢组学与其他组学技术整合分析需仔细设计研究,特别是在样本采集、标准化、注释和数据集成方面。相比之下,靶向代谢组学在提取、标准化和更精确的绝对定量方面具有优势。

 

2.IBD患者的非靶向代谢组学研究

 

在人类IBD研究中,已经报道了许多非靶向粪便代谢组学研究(如表1所示)。作为一种分类工具,代谢组学能很好地区分健康者和IBD患者。然而,代谢组学在区分克罗恩病和溃疡性结肠炎(IBD)方面的成功率较低,特别是在排除接受过肠切除手术或抗肿瘤坏死因子抗体治疗的患者之后。

 

表1 | IBD患者粪便代谢组的非靶向研究

 

 

今年发表的一项研究将美国Prism IBD队列中的155名成员作为发现队列进行了研究,并对来自欧洲深海生命线和NLIBD队列中的65名个体进行了验证。利用液相色谱-质谱联用技术(LC-MS)结合基因组测序,作者发现IBD患者之间,特别是克罗恩病患者和非IBD对照组之间,存在许多差异代谢物,如IBD患者的原发性胆汁酸、α-氨基酸和鞘脂水平相对对照组升高。许多代谢物被认为与微生物起源有关,但这些代谢物在之前的研究中没有被注释。

 

3.IBD的靶向代谢组学研究

 

短链脂肪酸SCFAs与IBD的相关性研究

 

通过图3可知,SCFAs是对人体有益的一类代谢物,它们来源于微生物群碳水化合物。乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐是微生物发酵的产物,它们的比例随饮食的不同而变化。醋酸盐(由多个菌群产生)占50-70%,丙酸盐占10-20%,丁酸盐(由少数梭状芽孢杆菌产生)占余下的大多数。

 

在一项人类饮食干预研究中,从基本的正常饮食习惯转向动物性饮食会导致蛋白质发酵的迅速变化并导致生物失调,表现为耐胆汁和大肠杆菌和粘溶性细菌(一种与IBD关联性很强的微生物)的水平增加。

 

有趣的是,在IBD中观察到典型的失调还与产生丁酸盐的细菌种类的减少有关,如粪大肠杆菌和人红丝菌,这与人类IBD代谢组学研究中报告的粪便SCFAs水平降低的总趋势相一致。分流术性结肠炎,是结肠部分切除手术的结果,可以用SCFAs灌肠治疗。在溃疡性结肠炎中,通过灌肠给药丁酸盐可能有一些益处,并且丁酸盐生产的膳食纤维添加剂可能有助于维持缓解或在维持缓解方面不逊于5-氨基水杨酸盐。

 

 

图3 | 短链脂肪酸对宿主的影响

 

a. 短链脂肪酸(SCFAs)介导了宿主代谢的多种效应。

b. SCFAs介导对粘膜免疫的多种作用。

 

胆汁酸与IBD相关性研究

 

胆汁酸是由肝脏在多酶过程中由胆固醇合成的小分子(图4)。胆酸(CA)和鹅去氧胆酸(CDCA)与牛磺酸或甘氨酸结合,使它们有助于脂肪在小肠的消化和吸收。其中95%在到达回肠远端(从而进入肠肝循环)时被重新吸收,其余部分的循环和替换由胆汁酸与法尼类X受体(FXR)结合释放的成纤维细胞生长因子控制。

 

 

图4 | 胆汁酸代谢在体内平衡和疾病中的作用

 

a. 正常胆汁酸代谢。

b. IBD患者胆汁酸代谢异常。 

 

与健康对照组相比,活动性IBD患者的粪便样品中含有更高水平的3-OH-硫酸化胆汁酸。在体外,DCA和LCA以剂量依赖的方式抑制IL-1β诱导的人肠上皮细胞株Caco-2细胞分泌IL-8,硫酸化作用使LCA失去了这种作用,这意味着IBD脱硫能力的丧失具有直接的促炎作用。

 

值得注意的是,次级胆汁酸对TGR5的亲和力高于初级胆汁酸,而次级胆汁酸对FXR的亲和力介于CDCA(最高亲和力)和CA(最低亲和力)之间。然而,尽管有这些假定的抗炎作用,LCA的结肠细胞硫酸化可以解毒这种化合物,并且在人类研究和动物模型中,次级胆汁酸也与结直肠癌和肥胖小鼠的肝细胞癌有关,强调未来种群研究和模型系统在IBD研究中确定微生物转化胆汁酸方面的重要性。

 

色氨酸代谢与IBD相关性研究

 

色氨酸是一种必需的芳香氨基酸,胃肠道是色氨酸代谢的中心部位。膳食色氨酸可以遵循三种主要途径之一,其中两种是宿主途径(酪蛋白和5-羟色胺途径)和一种是微生物途径(吲哚途径)(图5)。

 

 

图5 | IBD患者色氨酸代谢失调

 

在535例IBD患者的队列中发现,色氨酸代谢增加,疾病活动(临床和生化)与色氨酸水平呈负相关。分析表明,通过kynurenine途径代谢增加,这一发现与先前的结果一致。

 

与IBD相关的其他代谢物

 

IBD患者的琥珀酸代谢是一个新兴的研究领域。琥珀酸是一种三羧酸循环中间体,由宿主细胞和微生物群A140141产生。在宿主体内,琥珀酸盐作为一种重要的促炎信号,通过IL-1β被证明是巨噬细胞对脂多糖反应的关键介质。

 

与SCFAs类似,IBD中的中链脂肪酸水平也降低,有人认为它们可能通过激活过氧化物酶体增殖物激活的受体γ(类似于共轭亚油酸)而具有一定的抗炎活性。用中链甘油三酯取代n-6脂肪酸也降低了Il10-/-mice145自发性结肠炎的发病率。肿瘤坏死因子ΔARE/wt小鼠会发生克罗恩样回肠炎,脂肪酸氧化增加,肠样本中鞘磷脂和炎性介质如花生四烯酸和血栓素B2增加。虽然脂类代谢产物是重要的信号分子,在生物学过程中发挥作用,并受到饮食和宿主炎症的影响,但肠道微生物对IBD脂类代谢的影响尚不清楚。

 

4.未来方向

 

小分子发现

 

这篇综述主要描述了非靶向代谢组学和针对感兴趣的分子进行靶向代谢组学分析的方法在IBD相关肠道菌群代谢物方面的应用,但是一些完全不同的小分子发现方法也正在开发中。这些方法使用功能性的超基因组学(例如,在大肠杆菌等细菌中表达超基因组DNA文库)、宿主报告分析、合成生物学和生物信息学,并且以智能的方式将这些技术结合起来证明是非常强大的,强调广泛存在于人群中的生物活性分子或基因簇。

 

这些方法,利用从不同来源获得的信息和技术来挖掘新化合物的微生物群,为识别与IBD相关的新一波生物活性分子提供了巨大的希望。

 

应用于临床诊断

 

目前,与IBD相关的微生物代谢组学尚处于发现阶段。然而,随着2019年iHMP的出版,来自代谢组学研究的肠源性生物标记物已经为心血管疾病提供了有价值的见解。值得注意的是,IBD患者的家庭成员可以显示与IBD特征相似的代谢谱改变,这可能有助于在出现临床症状之前识别高危患者。此外,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定位,可能为预测疾病进程提供新的生物标记物。

 

治疗策略

 

认识到生物圈失调与疾病之间存在着循环的因果关系,促使人们寻找同时处理宿主过程和微生物群的综合治疗方法(图6)。

 

 

图6 | IBD的循环因果关系

 

结论

 

在这篇综述中,作者总结了非靶向代谢组学和微生物组学分析,这些分析表明代谢产物谱的改变模式相对一致,并强调了与特定分子类别的关联,其中详细探讨了胆汁酸、SCFAs和色氨酸3中代谢物。这些研究突出了粪便代谢组中的大量未知因素,并鼓励建立IBD患者和对照组的大型跨国队列,以及微生物-代谢物发现和评估途径。

 

2019年出版的iHMP是IBD中第一个纵向、多组分数据集,标志着这是一个真正的跨学科领域。然而,许多基本问题仍有待回答。其中最重要的是,基于微生物组的指标是否能够为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治疗是否能够最终帮助IBD患者的治疗。

 

关于未来的方向,作者已经确定了一些有望实现这些目标的领域。值得注意的挑战将包括整合膳食和目标微生物群操作,甚至微生物群重组,以实现这些治疗目标。肠道菌群衍生的代谢物是肠道菌群与宿主进行教育、交流和刺激的关键机制,有望成为这一过程的中心阶段。

 

文末看点

 

鹿明生物肠道菌群代谢相关产品包:

1、胆汁酸精准靶向检测;

2、短链脂肪酸精准靶向检测;

3、TMAO相关代谢产物精准靶向检测;

4、色氨酸途径相关代谢产物精准靶向检测;

 

 

部分文献参考

Cummings, J. H. & Macfarlane, G. T. Role of intestinal bacteria in nutrient metabolism. JPEN J. Parenter. Enter. Nutr. 21, 357–365 (1997).

Buffie, C. G. et al. Precision microbiome reconstitution restores bile acid mediated resistance to Clostridium difficile. Nature 517, 205–208 (2015).

Wilson, I. D. & Nicholson, J. K. Gut microbiome interactions with drug metabolism, efficacy, and toxicity. Transl. Res. 179, 204–222 (2017).

Atarashi, K. et al. Treg induction by a rationally selected mixture of Clostridia strains from the human microbiota. Nature 500, 232–236 (2013). This is a key study demonstrating the importance of SCFA-producing gut microorganisms in the development of regulatory T cells.

Turnbaugh, P. J. et al. An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature 444, 1027–1031 (2006).

 

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