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吲哚及其衍生物:连接肠道炎症与神经健康的隐秘调节剂

谷禾健康

你敢相信吗?从粪便中提取出具有强烈粪臭味的物质,当用酒精稀释上千倍后,脱胎换骨变成了一种香味。这就是一种吲哚衍生物——3-甲基吲哚(又名粪臭素)

吲哚,是所有花香类原精的关键成分,这种物质在低剂量1-3%浓度时,具有放松的作用,协同苯基酯,能强效抗痉挛增添感官愉悦和魅力。然而,如果简单将吲哚等同于香水,未免太少看它的功效。

在谷禾特定肠道菌群检测报告中炎症部分或毒素部分有吲哚这个指标。

<来源:谷禾肠道菌群检测数据库>

<来源:谷禾肠道菌群检测数据库>

很多人可能对与菌群和健康相关的血清素,色氨酸,脂多糖,组胺等指标比较熟悉,但是对吲哚还是比较陌生,实际上吲哚肠道微生物群人类健康和生活关系密切,例如,吲哚衍生物可以影响胃肠道的蠕动,可能会影响便秘或腹泻等状况;吲哚及其衍生物已被证明可以加强肠道屏障功能,有助于防止病原体和有害物质进入血液。

事实上,由吲哚衍生而来的各种化学物质,对人体神经调节抗病原微生物,有极为积极的作用。在人体中存在着许多这样神奇的吲哚类物质。内源性吲哚及其衍生物是源自肠道微生物群的色氨酸代谢物,具有一系列生物活性

最近的研究表明,吲哚有助于维持人体肠道的生物屏障,主要通过激活AhR和PXR受体来发挥抗炎活性,从而影响免疫系统的功能,显著改善肠道健康(炎症性肠病、出血性结肠炎、癌症结直肠癌),并进一步促进人类健康(糖尿病、中枢系统炎症和血管调节)。

作为细胞间信号分子,吲哚还控制细菌生理学的各个方面,例如产吲哚细菌的孢子形成、质粒稳定性、耐药性、生物膜形成和毒力。相比之下,许多不产生吲哚的细菌、植物和动物产生多种加氧酶,可能会干扰吲哚信号传导

吲哚还是身体神经系统内分泌系统正常与否的风向标。所谓的体臭,其实就是人体内吲哚含量增高的表现。吲哚在细菌生理学生态平衡以及人体健康中发挥着重要作用。

然而,吲哚的毒性影响也不容忽视。过量的吲哚会对情绪和行为产生不利影响,硫酸吲哚酚是一种吲哚衍生物,具有肾毒性心血管毒性羟吲哚还可能降低神经元兴奋性

吲哚肠道微生物群之间的相互作用以及吲哚对人类健康的影响是一把双刃剑。本文主要讲述了内源性吲哚的生物合成、吲哚对肠道功能微生物群的影响,为吲哚与疾病的相关性提供了科学依据。

Tennoune N,et al., Microorganisms.2022

01
内源性吲哚的生物合成

吲哚(Indole)是一种有机化合物,是吡咯与苯并联的化合物,又称苯并吡咯。吲哚及其同系物和衍生物广泛存在于自然界,主要存在于天然花油,如茉莉花、苦橙花、水仙花、香罗兰等。

内源性吲哚及其衍生物是来源于肠道菌群的色氨酸代谢物,具有一系列生物活性。内源性吲哚类物质包括吲哚本身以及吲哚的代谢产物,如吲哚-3-甲酸、吲哚-3-丙酸、硫酸吲哚酚等。

吲哚相关化合物的结构

Lee JH, Lee J.FEMS Microbiol Rev.2010

肠道菌群产生吲哚类物质

细菌蛋白酶和肽酶从可用的膳食中释放氨基酸,包括色氨酸。而色氨酸是吲哚的主要前体。大部分色氨酸在小肠中被吸收,约4%~6%的色氨酸在结肠中被肠道菌群分解代谢为吲哚

色氨酸作为一种必需氨基酸,主要从富含蛋白质的食物中获取,是唯一含有吲哚的氨基酸

肠道中的色氨酸通过三个主要途径进行代谢:1) 犬尿氨酸途径(摄入的色氨酸的95%);2)细菌色氨酸代谢(4-6%);

3) 血清素途径 (1-2%)

✦ 肠道菌群主要通过色氨酸酶将色氨酸转化为吲哚

肠道细菌主要通过色氨酸酶(TnaA)的作用将色氨酸转化为吲哚;色氨酸酶TnaA可逆地将色氨酸降解为吲哚丙酮酸

值得注意的是,在哺乳动物中,吲哚完全来源于细菌代谢活动,因为宿主细胞不具有产生这种化合物的代谢能力。

色氨酸也可以通过肠道微生物群直接或间接转化为几种吲哚相关化合物,包括吲哚-3-丙酮酸、吲哚-3-乳酸、吲哚-3-丙酸、吲哚-3-乙酰胺、吲哚-3-丙烯酸、吲哚乙醛、吲哚-3-乙酸、3-甲基吲哚(粪臭素)等。

✦ 内源性吲哚产生的机制

大肠杆菌(E. coli)是研究最广泛的吲哚合成生物体,它可以使用多种机制(抑制转录衰减反馈抑制)来调节色氨酸代谢中的色氨酸操纵子(Trp operon)和tna操纵子的表达。

色氨酸缺乏的条件下, trp操纵子的表达升高,而由TnaC(24个氨基酸前导肽,以前称为TnaL)、TnaA(色氨酸酶)和TnaB(通透酶)组成的tna操纵子的表达受到抑制,因为转录终止因子(Rho)依赖性终止发生在tna操纵子中。

结果,当色氨酸水平较低时,TnaA和TnaB的表达以及吲哚的产生受到抑制。在富含色氨酸的条件下,转录终止因子依赖性转录终止被消除,因此吲哚产量增加

因此,细胞外色氨酸和其他氨基酸直接影响吲哚的产生

// 拓展:渗透酶通过转运也会影响吲哚水平

此外,三种渗透酶(Mtr、TnaB和AroP)在不同环境的色氨酸转运中发挥不同的作用,因此可以直接影响吲哚的水平

Mtr通透酶主要负责转运吲哚,而TnaB通透酶对于色氨酸的摄取至关重要。尽管色氨酸的生产成本高昂,但细胞仍然利用色氨酸途径大量生产和分泌吲哚

由色氨酸产生的吲哚可以通过细胞膜蛋白进行转运。例如,大肠杆菌霍乱弧菌在丰富的培养基中可以分泌高达0.6 mM的吲哚。

在大肠杆菌中,外排蛋白AcrEF部分负责吲哚的输出,因为AcrEF突变体的吲哚排泄低于其野生型菌株。Mtr通透酶主要负责输入吲哚,因为吲哚不被mtr突变体吸收。

然而,最近有人提出,吲哚由于其疏水性,可能可以直接扩散通过细胞膜。因此,有必要清楚地了解吲哚的进出口情况。

大肠杆菌中吲哚生物合成和吲哚信号传导

Lee JH, Lee J.FEMS Microbiol Rev.2010

人体粪便中吲哚的浓度较高,通常范围为0.25毫摩尔浓度~1.1毫摩尔浓度,但可能由于人群之间肠道微生物群组成的差异以及膳食蛋白质消耗水平不同而存在差异区别。

注:由于吲哚似乎是通过结肠上皮吸收的,结肠中吲哚的浓度可能高于粪便中记录的浓度,远端大肠的浓度高于近端部分的浓度。


产生吲哚的细菌

尽管大多数生物体都含有色氨酸代谢途径,但只有能编码tnaA的细菌才能合成吲哚。表达色氨酸酶(tnaA)的细菌,例如大肠杆菌(E. coli)、梭菌属(Clostridium spp.)、拟杆菌属(Bacteroides spp.)和普通变形杆菌(Proteus Vulgaris),可催化色氨酸直接转化为吲哚

✦ 梭状芽孢杆菌代谢产生吲哚-3-丙酸

已经证明吲哚-3-丙酸是由梭状芽孢杆菌(Clostridium sporogenes)产生的。粪臭素(3-甲基吲哚)是由梭菌属拟杆菌属产生的。

此外,产孢梭菌C. sporogene)可以将色氨酸转化为吲哚-3-丙酮酸(IPyA),并在吲哚-3-丙酮酸脱羧酶的催化下产生吲哚-3-乙醛(IAAld)。然后,IAAld 被厚壁菌门变形菌门、拟杆菌门和放线菌门的成员脱羧,产生吲哚乙酸 (IAA)。

✦ 一些病原菌也可以产生吲哚

色氨酸代谢很复杂,许多菌株参与吲哚衍生物的制造。总的来说,数据支持迄今为止有至少85种细菌已被证明可以产生吲哚

这些细菌包括许多病原菌,例如创伤弧菌流感嗜血杆菌、多杀巴氏杆菌(pasteurella multocida)、四种志贺氏菌菌株、植物克雷伯菌(Klebsiella planticola)和普通变形杆菌。值得注意的是,一些革兰氏阳性菌株,包括B.alvei粪肠球菌(E.faecalis)也产生吲哚

✦ 一些拥有tnaA基因的细菌却无法产生吲哚

有趣的是,一些细菌,如杀鲑气单胞菌(Aeromonas salmonicida)、宋氏志贺氏菌(Shigella sonnei)、克氏耶尔森氏菌(Yersinia kristensenii)和Seudovibrio spp.,已经失去了合成吲哚的能力,尽管这些菌株的染色体上有一个tnaA基因同源物

例如,与正常志贺氏菌菌株不同,一些在tna操纵子中具有点突变插入缺失的志贺氏菌不产生吲哚,这可能是由于某些适应性优势。虽然只是推测,但一些个体可能通过利用当地细菌群体的信号来避免产生吲哚的成本

其他可以产生吲哚的细菌:

Alkaliphilus metalliredigens

Bacillus alvei

Clostridium novyi

Clostridium limosum

Clostridium tetani

Corynebacterium acnes

Desulfitobacterium hafniense

Nocardioidessp.

Oribacterium sinus

Propionibacterium acnes

Enterococcus faecalis

Symbiobacterium thermophilum

Aeromonas hydrophila

Aeromonas liquefaciens

Aeromonas punctata

Bacteroides thetaiotaomicron

Bacteroides sp.

Brachyspira hyodysenteriae

Burkholderiasp.

Chromobacterium violaceum

Chryseobacterium gleum

Citrobactersp.

Citrobacter intermedius

Citrobacter koseri

Desulfovibrio vulgaris

Edwardsiella tarda

Enterobacter liquefaciens

Escherichia coli

Escherichia fergusonii

Flavobacteria bacterium

Flavobacteriumsp.

Fusobacterium nucleatum

Fusobacterium polymorphum

Haemophilus influenzae

Haemophilus somnus

Haloarcula marismortui

Halogeometricum borinquense

Hyphomonas neptunium

Klebsiella ornithinolytica

Klebsiella planticola

Micrococcus aerogenes

Morganella morganii

Paracolobactrum coliforme

Pasturella multocida

Pasturella pneumotropica

Photobacterium harveyi

Porphyromonas asaccharolytica

Porphyromonas endodontalis

Porphyromonas gingivalis

Prevotella intermedia

Proteus inconstans

Proteus vulgaris

Providencia alcalifaciens

Providencia rettgeri

Providencia rustigianii

Providencia stuartii

Rhizobium leguminosarumbv.trifolii

Saccharomonospora viridis

Shigella boydii

Shigella dysenteriae

Shigella flexneri

Sphaerophorus varius

Stigmatella aurantiaca

Treponema denticola

Vibrio alginolyticus

Vibrio cholerae

Vibrio fluvialis

Vibrio harveyi

Vibrio hollisae

Vibrio mediterranei

Vibrio nigripulchritudo

Vibrio orientalis

Vibrio parahaemolyticus

Vibrio splendidus

Vibrio tapetis

Vibrio tubiashii

Yersinia frederiksenii

Yersinia intermedia

影响吲哚类物质生成的因素

吲哚类物质的生成可能受到环境因素的严重影响,例如膳食成分、肠道微生物群、碳源、温度、pH值以及生理状态

★ 肠道微生物群和饮食对吲哚生成有重要影响

吲哚类物质是肠道微生物群产生的膳食色氨酸的代谢产物。因此,肠道微生物组成以及饮食模式的变化会影响其产生。

研究发现吲哚-3-丙酸(IPA)与肠道微生物群的α多样性正相关,肠道微生物组的组成可以解释大约20%的IPA循环水平的变化。

高纤维和富含多酚的饮食可以提高吲哚含量

多项研究发现,吲哚-3-丙酸的循环水平与纤维摄入量相关,这可能是通过肠道微生物群的变化来解释的。

此外,富含多酚的饮食会导致肾功能正常受试者的血清IPA显著增加,但肾功能受损的受试者不会显著增加。与此相一致的是,饲喂菊粉60天的猪的盲肠和结肠中微生物组组成的β多样性显著增加,同时IPA含量也显著增加

地中海饮食会导致吲哚-3-丙酸水平升高

不同的饮食结构也会改变吲哚的水平。例如,地中海饮食仅治疗4天后就导致吲哚-3-丙酸水平升高,而快餐(即薯条和汉堡)则引起相反的结果。

此外,正常饮食喂养的同窝小鼠的血浆IPA水平显著高于生酮饮食喂养的小鼠。一项针对117名超重成年人的研究发现,摄入炸肉会降低肠道微生物群落的丰富度,并导致IPA浓度下降

发酵食品可能会降低吲哚含量

通过对14名健康男性进行随机交叉研究设计,探讨了发酵乳制品对人类血清代谢组的影响。与牛奶组相比,酸奶摄入组餐后血中吲哚-3-丙酸吲哚乙酸浓度较低

同样,C反应蛋白水平轻度升高的健康超重男性在接受抗炎膳食混合物后,饮用500mL餐后奶昔(由300mL蛋奶冻、150mL奶油干酪和50mL鲜奶油组成)。受试者在后期表现出吲哚-3-丙酸血浆浓度降低

总之,我们推测不同的饮食结构改变肠道微生物的组成,从而导致吲哚类物质产生的个体差异。

• 细胞群体密度影响吲哚分泌

细胞外吲哚浓度取决于细胞群体密度,其中大肠杆菌霍乱弧菌在指数早期开始产生吲哚。浓度在固定相中达到最高水平(在富集培养基中高达0.6mM吲哚),并在固定相期间稳定维持

• 碳源影响吲哚产量

其次,有报道称葡萄糖抑制吲哚生物合成。TnaA的分解代谢抑制得到证实,因为tnaA基因的转录在碳限制期间受到抑制

此外,tnaAB操纵子被大肠杆菌中的分解代谢调节蛋白环AMP复合物激活。因此,当大肠杆菌数量较多且碳源减少时,会产生相对大量的吲哚

• 温度和pH影响吲哚生物合成

温度pH也是影响大肠杆菌吲哚生物合成的重要环境因素。温度从30°C转变到43°C会诱导大肠杆菌中tnaAB基因的表达,但大肠杆菌在44.5°C时失去吲哚生物合成的能力。

注:与37°C相比,吲哚信号传导在较低温度(30°C)下对大肠杆菌基因表达、生物膜形成和抗生素耐药性的控制作用更为显著

此外,低pH值会抑制大肠杆菌中吲哚的产生,而TnaA是pH9.0时最容易诱导的蛋白质之一。

• 生理状态影响吲哚生成

例如年龄性别以及个体的生理状态都可能影响内源性吲哚的产生。睡眠模式压力水平运动习惯等生活方式因素都可能对内源性吲哚的产生产生影响。

此外,特定的健康状况和疾病,如肠道炎症肝脏疾病等,可能会改变内源性吲哚的生成或代谢

• 药物的使用也会影响吲哚生成

一些药物可能影响吲哚类物质的生成。例如,一些抗生素非甾体抗炎药物被发现可以改变肠道微生物群的组成和功能,从而影响吲哚类物质的生成

此外,一些药物可能直接干扰色氨酸代谢途径,从而影响吲哚类物质的生成。

小结

因此,细胞群密度、碳源、温度pH等环境条件直接会影响吲哚的浓度;而饮食药物的使用以及生活方式可能通过影响肠道微生物群或其他器官间接影响吲哚的生成

02
吲哚类物质对肠道功能的影响

肠道屏障的功能与肠道健康密切相关,在健康中发挥着至关重要的作用。肠道屏障将宿主与肠腔中的微生物隔离,并限制微生物和分子从肠腔的运动。

一旦肠道屏障受损,肠道通透性增加,细菌及其产物(如内毒素)将跨膜并激活单核巨噬细胞系统,促进大量炎症因子的产生,如白细胞介素6和肿瘤坏死因子-α(TNF-α),导致慢性微炎症状态

吲哚对于控制肠道屏障功效至关重要,包括调节炎症和免疫反应、影响上皮通透性、粘液产生和紧密连接(TJ)形成。

影响肠道免疫

✦ 吲哚减轻非甾体抗炎药引起的肠道炎症

研究了使用吲哚作为非甾体抗炎药肠病的治疗方法。吲哚降低粪便钙卫蛋白浓度以及吲哚美辛诱导的脾和肠系膜淋巴结中中性粒细胞的浸润

吲哚与吲哚美辛联合使用减少非甾体抗炎诱导的粘膜转录组变化。粪便钙卫蛋白是肠道炎症的中性粒细胞特异性生物标志物。而中性粒细胞被认为是非甾体抗炎肠病发病的关键因素,可通过释放多种炎症介质引起炎症和组织损伤

这就说明吲哚能够减轻吲哚美辛引起的小鼠肠道炎症,对非甾体抗炎药肠病具有潜在的免疫调节作用

此外还发现吲哚减少促炎细胞因子IL-8的产生和趋化因子TNF-α激活的核因子κB(NF-κB)的表达,并诱导抗炎细胞因子IL-10的分泌。

研究表明,共生菌可以限制鼠伤寒沙门氏菌诱导的NF-κB激活,减轻小鼠炎症。因此,吲哚可能是益生菌减少肠道炎症的信号

✦ 细菌产生的吲哚衍生物增强免疫屏障

吲哚乙酸

卵形拟杆菌(Bacteroides ovatus)产生的吲哚乙酸(IAA)增加了CD103+ /CD11c+免疫群体的丰度,而 CD103+ /CD11c+免疫细胞对于维持肠道免疫稳态诱导耐受性免疫反应至关重要。

此外,吲哚乙酸与树突状细胞上的芳基氢受体结合并驱动IL-22的产生。在炎症性肠病个体中,IL-22 刺激上皮再生并减少炎症,并且在肠道炎症的调节中发挥关键作用。

注:除卵形拟杆菌外,其他拟杆菌产生的吲哚也可以激活免疫细胞上的AhR,从而产生IL-22

在脂多糖存在的情况下,肠上皮细胞中表达的Reg4通过增加乳酸菌及其代谢物吲哚乙酸的比例来维持免疫稳态,从而促进肠组织中IL-35 +B调节细胞的产生和积累。这些结果表明吲哚乙酸可以调节IL-35 的产生,并影响肠道免疫屏障

吲哚-3-乳酸

罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)产生吲哚-3-乳酸(ILA),ILA是Trp的吲哚衍生物,可激活CD4+ T细胞中的AhR并下调转录因子ThpoK,使CD4 + T细胞分化为具有免疫调节功能的CD4+ CD8αα +双阳性上皮内T淋巴细胞(DPIELs)。通过这些机制,吲哚-3-乳酸可以促进肠道屏障功能并减少炎症。

生活在母乳喂养婴儿胃肠道中的婴儿长双歧杆菌亚种也可产生吲哚-3-乳酸,从而显著减弱TNF-α和脂多糖诱导的肠上皮细胞中促炎细胞因子IL-8的增加。吲哚-3-乳酸还增加AhR靶基因CYP1A1和NRF2靶向基因谷胱甘肽还原酶2、超氧化物歧化酶2和NAD(P) H脱氢酶的 mRNA 表达,这可能是母乳喂养婴儿肠道炎症的重要调节剂

此外,另一项研究表明,婴儿双歧杆菌分泌的吲哚-3-乳酸对未成熟肠道具有抗炎作用。这些数据为生产吲哚-3-乳酸益生菌的生产和饮食建议提供了重要的见解。

吲哚-3-丙酸

吲哚-3-丙酸(IPA)下调肠上皮细胞介导的炎症细胞因子TNF-α,同时上调配体蛋白编码mRNA,从而调节肠道屏障功能缓解肠道炎症

吲哚-3-丙酸还通过激活AhR显著诱导肠上皮细胞上的IL-10受体配体结合亚基(IL-10R1)来调节肠道免疫稳态

IL-10R1是抗炎细胞因子IL-10的受体,IL-10通过IL-10R1发送抗炎信号抑制多种细胞(包括肠上皮细胞)过度释放促炎介质。这进一步说明了吲哚-3-丙酸对肠道免疫屏障的保护作用。

吲哚-3-醛

乳杆菌(Lactobacillus)产生的吲哚-3-醛(IAld)有助于AhR依赖性IL22转录,IL-22产生者抑制炎症保护粘膜表面的免疫生理学。吲哚-3-醛可以替代益生菌,在感染或化学损伤期间保护和维持粘膜完整性

吲哚-3-醛可用作菌群处理和肠道菌群失调期间的支持疗法。乳酸菌还通过IAld诱导的AhR刺激LPL分泌IL-22,从而激活pSTAT3通路并抑制IL-1β和TNF-α分泌,以保护粘膜免疫屏障.

吲哚对肠道免疫的影响

Ye X,et al.Front Immunol.2022

增加有益菌株,抑制病原菌

服用非甾体抗炎药时,肠道微生物组以革兰氏阴性菌为主,这种转变会导致肠道损伤。吲哚和吲哚美辛的共同给药可以维持甚至增加厚壁菌门的重要成员,特别是对肠道稳态至关重要的C. cluster XIVaC. cluster IV。似乎它可以防止拟杆菌的任何增加,这种变化可以减少肠粘膜损伤

吲哚可通过增殖MUC基因的表达来增加HCT-8细胞对去甲肾上腺素介导的肠出血性大肠杆菌(EHEC)沉降的抵抗力

吲哚-3-醛(IAld)激活AhR以产生IL-22,IL-22调节粘膜反应,使混合微生物群落存活并抑制白色念珠菌(Candida albicans)定植

调控肠道病原体毒力基因的表达

✦ 减轻克雷伯菌属的细胞毒性

吲哚调节多种肠道细菌的毒力因子。吲哚增强替利霉素向替利伐林的转化。两者均由克雷伯菌属(Klebsiella spp.)产生,不同之处在于替利伐林是一种细胞毒性降低的吲哚类似物,并且替利伐林与上调孕酮X受体(PXR)反应性解毒基因结合并抑制微管蛋白定向毒性。因此,吲哚以多种方式减轻克雷伯菌属的细胞毒性

✦ 调节霍乱弧菌和大肠杆菌的毒力基因表达

肠道益生菌代谢产生的吲哚在肠腔内浓度较高,减少了肠道大肠杆菌和啮齿类柠檬酸杆菌(Citrobacter rodentium)致病基因的表达。

吲哚还用作ToxR激动剂,调节肠道内霍乱弧菌(Vibrio cholerae)的毒力基因表达和生物膜产生。吲哚、吲哚甲酸和吲哚乙酸还可下调致病性大肠杆菌菌株毒力和志贺氏毒素的产生。

此外,吲哚和7-羟基吲哚显著改变铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的毒力基因表达,从而降低毒力因子并降低集群运动性

铜绿假单胞菌用7-羟基吲哚治疗后,胃肠道中有更好的清除率。因此,吲哚可能有助于作为针对肠出血性大肠杆菌等病原体的治疗剂。

增强肠道屏障功能

✦ 增强肠道机械屏障

吲哚通过诱导许多涉及内皮细胞的基因的表达,包括紧密连、粘附分子连接(AJ)、肌动蛋白细胞骨架和黏蛋白形成,在体外增强内皮细胞的屏障功能

将人肠上皮细胞系HCT-8暴露于吲哚以测量其基因表达的变化。结果显示,高剂量的吲哚增强了肠上皮细胞HCT-8中与黏蛋白产生粘膜屏障增强和上皮间抵抗相关的分子谱。因此,吲哚加强了机械屏障

✦ 增强肠道粘液屏障

吲哚-3-丙酸通过增加MUC2和MUC4以及杯状细胞分泌产物(TFF3和RELMβ)来增强粘液屏障功能

吲哚-3-丙酸还促进IL-10释放,IL-10的信号转导增强粘液屏障功能并维持上皮细胞的稳态。

细菌中的吲哚-3-丙烯酸(IA)可增强IL-10的产生和MUC基因的表达,而IL-10对于维持杯状细胞中MUC的产生至关重要。因此,吲哚-3-丙烯酸通过 IL-10间接影响粘液屏障

吲哚通过AhR或PXR调节肠道屏障

Ye X,et al.Front Immunol.2022

03
吲哚在微生物群落中的作用

研究发现吲哚在细菌中发挥多种生物学作用,包括孢子形成耐药性、毒力因子、质粒稳定性和生物膜形成等。

吲哚可以作为细菌间的信号分子

事实上,吲哚可以作为一种细菌信号,参与同一物种内以及不同物种之间的通讯。它在细菌生态系统中充当细胞间和细胞内信号

注:吲哚还诱导了S. aurantiaca的孢子形成。

通过遗传筛选,在大肠杆菌中研究了吲哚作为细胞外信号分子的可能。结果,四个基因(astD、cysK、gabT和tnaB)被证明在稳定期通过自身产生的细胞外信号的积累而被激活

在后续研究中,吲哚被证实是astD、gabT和tnaB激活所需的细胞外信号分子

吲哚作为细胞间信号分子存在哪些争议?

吲哚是否是细胞间信号分子一直存在争议。已经提出了对群体感应信号分子要求的许多标准,如下所示:

1.假定的信号必须在特定阶段产生,吲哚主要在固定相中产生。

2.假定的信号必须在细胞外积累并被特定受体识别。吲哚的化学性质是众所周知的,并且在大多数吲哚调节情况下,化学互补被证明,其中吲哚在稳定期积累并且是已知的细胞外信号。该受体由AcrEF输出并由Mtr输入。

3.假定的信号必须累积并产生一致的响应,吲哚已被证明可以控制孢子生物膜的形成

4.重要的是,假定的信号必须引起超出信号代谢或解毒所需的生理变化的反应。吲哚已被证明可以控制毒力、生物膜和质粒稳定性,这些与吲哚无关代谢。

因此,根据这些标准,吲哚有可能成为群体感应分子

由于上述四个标准仅适合规范的群体感应信号,例如AHL,Monds&O’Toole又添加了两个更普遍适用且具有实用价值的标准:

1.表型变化所需的生理相关信号浓度对细胞无毒。大肠杆菌和霍乱弧菌产生高达0.6mM的吲哚,对细胞无毒,并在该生理浓度下控制许多表型。

2.信号网络在社区层面是自适应的。尽管由于进化实验的困难而难以证明,但我们假设细胞间信号吲哚可能对微生物群落有益,尽管吲哚的生产对个体来说成本高昂。

例如,吲哚在产生吲哚的细菌大肠杆菌和霍乱弧菌中增加了质粒稳定性耐药性。相反,在不产生吲哚的细菌中,吲哚通过干扰群体感应系统,降低了真菌的细胞生长和铜绿假单胞菌的毒力。因此,我们推测产生吲哚的细菌可能利用吲哚来对抗其他细菌和真核生物

吲哚影响病原菌的毒力

吲哚tnaA基因影响病原菌的毒力。色氨酸酶活性与致病性大肠杆菌有关,因为色氨酸酶活性是LEE1启动子完全激活所必需的

吲哚会增加肠出血性大肠杆菌中毒力相关的EspA和EspB蛋白(LEE4基因产物)的分泌以及附着和消除病变的形成。

霍乱弧菌中,吲哚和tnaA基因可能通过诱导毒力相关的分泌蛋白来增加对盘基网柄菌(Dictyostelium discoideum)的抗性。

此外,在流感嗜血杆菌分离株中,大多数血清型 (94-100%)呈吲哚阳性,而无害分离株中只有70-75%呈吲哚阳性。结果表明,吲哚的产生是必要的,但不足以对该菌株产生毒力。

值得注意的是,吲哚通过抑制毒素的产生来减轻克雷伯菌属(Klebsiella spp)的细胞毒性,还通过降低细胞运动性和聚集性来减少李斯特菌(L. monocytogenes)的相关毒力

吲哚还通过改变基因表达减少铜绿假单胞菌(不产生吲哚的细菌)中毒力因子的产生。

吲哚降低毒力基因的表达

Kumar A,et al.mBio.2019

吲哚增加了大肠杆菌的耐药性

研究表明,吲哚通过在大肠杆菌中诱导输出基因(mdtEF和acrD)来增加耐药性,其中吲哚通过双组分信号转导系统(BaeSR和CpxAR)发挥作用。

这些双组分信号系统可以用作吲哚传感器。该结果证实了另一项研究,其中吲哚通过BaeSR和CpxAR诱导spy(球形体蛋白Y)基因的表达。

此外,有人认为GadX(AraC型转录因子)、Hfq(sRNA功能的全局调节因子)和RpoS(应激和固定相西格玛S)对吲哚诱导的mdtEF表达是必需的。因此,吲哚可能与多种调节因子相互作用。

吲哚对细菌的其他作用

增强大肠杆菌的质粒稳定性

吲哚增强大肠杆菌中的质粒稳定性。研究表明,来自大肠杆菌质粒ColE1的小非编码RNA与TnaA结合,有助于防止质粒丢失,而吲哚则延迟细胞分裂

大肠杆菌中的吲哚还通过抑制gadABCEX、hdeABD和ymgB等耐酸基因来降低耐酸性。大肠杆菌可能会在弱碱性肠道菌群中存在吲哚的情况下关闭耐酸性基因,因为在通过酸性胃存活后不再需要耐酸性蛋白。

降低了运动性

此外,吲哚是一种化学排斥剂,会降低运动性,可能是由于细胞分裂干扰,而肾上腺素和去甲肾上腺素是一种化学引诱剂,会增加大肠杆菌O157: H7的运动性。

此外,吲哚降低细胞对上皮细胞的粘附,而肾上腺素和去甲肾上腺素增加细胞粘附。由于细菌粘附和定植到上皮细胞对于感染很重要,因此假设这也会对细菌毒力产生不同的影响。

吲哚对其他微生物的影响如下所示:

Lee JH, Lee J.FEMS Microbiol Rev.2010

04
吲哚改善疾病

吲哚类物质被肠上皮细胞吸收并扩散到血液中,从而循环到全身并影响各个系统,例如肠道及相关疾病的调节。

谷禾在这里总结了它们对炎症性肠病出血性结肠炎、结直肠癌、糖尿病、中枢神经系统炎症和血管调节的影响。

Ye X,et al.Front Immunol.2022

缓解炎症性肠病

炎症性肠病是克罗恩病、溃疡性结肠炎等一组疾病的总称,是临床上重要的慢性胃肠道炎症性疾病。大量研究表明,吲哚缓解炎症性肠病症状有一定的作用。

✦ 吲哚类物质增加了抗炎细胞因子

炎症性肠病与粘液层有关,炎症性肠病患者的内部粘液层较薄,MUC2糖基化较低。结果表明,吲哚-3-丙烯酸甲酯(IA)处理小鼠结肠球体可显著增加AhR激活和MUC2基因表达。

即使在脂多糖刺激的共培养物存在下,IA仍能保持其对MUC2基因表达的影响并增加IL-10的产生。杯状细胞产生MUC依赖于IL-10。因此,细菌产生的 IA 有可能增加IL-10的产生和MUC基因的表达,这可能对炎症性肠病患者有利

改善出血性结肠炎

吲哚对于肠出血性大肠杆菌的发病机制至关重要。出血性结肠炎是一种出血性腹泻,可导致溶血性尿毒症综合征,由人类病原体大肠杆菌O157:H7引起。

✦ 吲哚减少了肠出血性大肠杆菌的定值

根据表面相关EHEC的DNA微阵列研究,吲哚降低了EHEC中与表面定植致病性有关的基因表达。

吲哚可以被加氧酶氧化,产生新的种间生物膜信号,从而以多种方式影响相同的表型(生物膜产生)。大肠杆菌K-12和肠道内其他共生菌产生的吲哚可能会限制大肠杆菌K-12生物膜的产生,并通过改变SdiA的表达来降低非致病性大肠杆菌的运动性,从而影响EHEC趋化性和粘附力。粘附测定证实,吲哚可在体外减少EHEC与上皮细胞的附着。

总之,吲哚通过改变肠出血性大肠杆菌毒性基因的表达、减少其运动性和生物膜形成以及减少粘附减轻肠出血性大肠杆菌感染并改善出血性结肠炎

抑制结直肠癌的发展

根据越来越多的数据,肠道吲哚,特别是色氨酸代谢物,似乎在结直肠癌中发挥着重要作用。吲哚刺激AhR,它可以直接作用于肠道干细胞,维持MUC合成并改善肠道屏障功能

然而,在炎症相关结直肠癌发生模型中,阻断吲哚-AhR信号通路会显著增加TNF-α、IL-1β和IL-6 mRNA水平。

此外,吲哚衍生物色胺会抑制吲哚胺2,3-双加氧酶(IDO1),该酶参与肿瘤免疫耐受。这些发现表明肠道菌群产生的吲哚可能会减缓结直肠癌的进展

与健康个体相比,结直肠癌患者的吲哚/色氨酸比率较低,犬尿氨酸(kyn)/色氨酸比率较高。在结直肠癌患者中,犬尿氨酸和IDO1的表达增加吲哚的产生减少

吲哚产生的下降削弱了对结肠癌的抑制作用。总体而言,有证据表明微生物色氨酸-吲哚代谢途径的改变在结直肠癌的发病机制中发挥着重要作用。

预防2型糖尿病

较高的吲哚-3-丙酸血清浓度可降低患2型糖尿病的可能性,并增强胰岛素分泌和敏感性

研究发现,与喂食对照饮食的大鼠相比,喂食吲哚-3-丙酸饮食的大鼠的空腹血糖水平显著降低。根据其他研究,吲哚可以调节小鼠结肠成纤维细胞释放胰高血糖素样肽-1(GLP-1)。

✦ 吲哚调节胰高血糖素样肽-1的释放

吲哚在短时间内增加GLP-1的释放,在较长时间内减少其分泌。这些作用结果的产生是因为吲哚可以影响L细胞的两个关键化学途径。

在某种程度上,吲哚可以抑制电压门控K+通道,增加L细胞诱导的动作电位持续时间,并导致Ca2+进入大量增加,从而快速促进GLP-1的分泌。吲哚抑制了NADH脱氢酶,随着时间的推移减缓ATP的生成并降低GLP-1的释放

Chimerel C,et al.Cell Rep.2014

肠道内的吲哚可能还会影响食欲,同时,吲哚-3-丙酸具有强大的抵抗氧化应激的能力,这表明这种代谢物可以保护β细胞免受代谢和氧化应激相关的损伤以及淀粉样蛋白积累。因此,肠道微生物群代谢产生的吲哚-3-丙酸对2型糖尿病具有保护作用

保护肺部免受细菌和真菌感染

体外实验发现,吲哚丙酸也是嗜肺军团菌(Legionella pneumophila)生长的强效抑制剂,且抑菌效果随着吲哚丙酸浓度和暴露时间的增加而增强。因此,吲哚丙酸可以抑制细菌引起的肺部炎症

HIV阳性患者通常更容易感染结核病,这是死亡率增加的重要因素,两种疾病的共同感染可能会因抗逆转录病毒药物抗结核药物之间的相互作用而使治疗复杂化。

值得注意的是,吲哚丙酸可能是此类治疗中潜在的药物成分。有研究发现,接受抗逆转录病毒治疗的HIV患者体内吲哚丙酸含量显著下降,这是区分HIV感染者与健康人的重要标志物

这种作用的机制尚不清楚,但部分原因是肠道屏障受损导致脂多糖和脂多糖结合蛋白易位,从而加剧全身炎症反应。此外,接受抗逆转录病毒治疗的HIV患者也容易出现非酒精性脂肪性肝病/非酒精性脂肪性肝炎,进一步说明了吲哚丙酸在各种疾病中的多种治疗潜力。

相比之下,吲哚丙酸是一种小分子代谢产物,具有良好的药代动力学特性,很容易被宿主吸收,充分发挥治疗作用。

未来,吲哚丙酸有望通过其作为抗结核病抗逆转录病毒药物的补充的潜力来改善某些疾病的现有治疗选择。

改善血管舒张作用

吲哚丙酸可以触发孕烷X受体(PXR),一种生物量激活的核受体,存在于包括血管内皮在内的各种组织中,以调节内皮功能

吲哚丙酸通过PXR调节主动脉肺动脉导管中激动剂诱导的内皮依赖性松弛。这种调节主要是由于内皮一氧化氮合酶产生的一氧化氮的改变,而内皮一氧化氮合酶受到吲哚丙酸介导的PXR激活的抑制。

然而,破坏肠道微生物群并降低吲哚丙酸丰度的抗生素治疗会通过改变内皮PXR途径来改变吲哚丙酸的血管舒张作用

而微生物代谢的吲哚丙酸补充可以提高全身吲哚丙酸水平刺激PXR表达,从而逆转抗生素治疗引起的主动脉和肺动脉中激动剂诱导的内皮依赖性血管舒张的增强。

注:吲哚与血管的相互作用可能会显著改变传统传染病或结肠手术相关的抗生素治疗,导致微生物群落紊乱。

05
吲哚的潜在副作用

尽管吲哚对于改善肠道甚至全身疾病至关重要,但它们中的一些仍然会产生负面影响,例如硫酸吲哚酚(IS)、吲哚基-β-d-葡萄糖苷和吲哚乙酸

硫酸吲哚酚是最重要的肾毒性代谢产物之一,其肾毒性已在临床研究中得到广泛证实。此外,一些吲哚类物质还会对胃肠系统神经系统心血管系统产生毒性。

过量的吲哚会对情绪和行为产生不利影响

越来越多的证据表明吲哚和吲哚化合物对大脑代谢、生理和宿主行为有影响。在拥有产生吲哚的大肠杆菌的大鼠中,吲哚的慢性过量产生已被证明会增强焦虑样行为和抑郁

另一项研究还发现,给予常规大鼠肠道内吲哚可以激活一个称为迷走神经背侧复合体的大脑核。通过比较与非吲哚产生大肠杆菌菌株或吲哚产生大肠菌菌株单体相关的小鼠,发现肠道微生物群的长期高吲哚产生增加了慢性压力对整体情绪行为不利影响的敏感性

✦ 可能影响儿童自闭症的发病率

在人类中,一项研究发现,患有自闭症谱系障碍的儿童在大便样本中吲哚水平较健康儿童低,而3-甲基吲哚水平升高。 这两种吲哚与患者中更常见的梭菌属细菌有关。

肠道微生物代谢活性产生的血浆吲哚升高与肝性脑病有关,这是由肝功能障碍引起的神经精神障碍,以及个体意识、行为和个性的变化。

此外,NutriNet-Santé观察性前瞻性研究的结果表明,尿液中吲哚和吲哚化合物浓度与反复发作的抑郁症状呈正相关。这种相关性提出了这样一个假设:肠道微生物过度产生这些化合物可能在人类情绪障碍的出现中起到作用。

硫酸吲哚酚会导致肠道损伤、影响肠道蠕动

硫酸吲哚酚由肠道菌群宿主共同代谢。肠道菌群用酶分解食物中的色氨酸生成吲哚,然后由门静脉携带至肝脏,在细胞色素P450酶和磺基转移酶的作用下转化为硫酸吲哚酚。

硫酸吲哚酚通过上调IRF1表达、抑制动力相关蛋白1表达并干扰线粒体自噬通量来诱导肠上皮细胞(IEC)损伤。硫酸吲哚酚通过以浓度依赖的方式增加活性氧的释放,在IEC-6细胞中引起氧化应激

硫酸吲哚酚还抑制NRF2激活,降低抗氧化防御细胞系统并抑制血红素加氧酶-1、NAD(P)H 脱氢酶和超氧化物歧化酶的表达。

在IEC-6细胞中,硫酸吲哚酚处理可显著增加TNF-α的释放、环氧合酶-2和诱导型一氧化氮合酶的产生以及硝基酪氨酸的合成,表明肠上皮细胞是硫酸吲哚酚诱导的肠道炎症的靶点。

与硫酸吲哚酚一起培养的结肠显示出收缩性降低,这表明该毒素可能对结肠平滑肌细胞产生有害影响并导致肠道蠕动受损

影响中枢神经系统功能

微生物群代谢物硫酸吲哚酚在中枢神经系统疾病的发生中也具有致病作用。众所周知,慢性肾病和心血管疾病常常是由硫酸吲哚酚引起的。此外,肾功能不全会导致尿毒症毒素在大脑中积聚,导致中枢神经系统功能异常

✦ 损伤神经元和神经干细胞

其次,硫酸吲哚酚可损伤神经元神经干细胞,损害神经营养因子和神经递质,诱发氧化应激和神经炎症。例如,通过作用于中枢神经系统胶质细胞,硫酸吲哚酚促进神经炎症并表现出促炎作用

小鼠表现出情绪障碍神经元退化的行为证据,如焦虑、抑郁认知功能障碍。这些相应的器质性病变伴随着这些行为变化。这也表明硫酸吲哚酚中枢神经系统疾病之间似乎存在病理联系。

吲哚对神经和神经精神疾病的影响

编辑​

Zhou Y,et al.Neuropharmacology.2023

硫酸吲哚酚对大脑产生有益或有害的影响取决于含量:

通过比较患有抑郁症的志愿者和健康参与者,鉴定出了22种尿液代谢物,并且两组受试者之间的丰度存在差异。患有严重抑郁症的个体尿液中硫酸吲哚酚浓度低于健康人。在志愿者中,血清硫酸吲哚酚浓度与精神焦虑和相关的基于功能磁共振成像的神经特征有关。

在实验性自身免疫性脑脊髓炎的小鼠模型中,每日腹腔注射硫酸吲哚酚(10mg/kg)可调节星形胶质细胞活性,并通过芳基烃受体对中枢神经系统发挥抗炎作用。相反,当大鼠口服较高剂量(100和200mg/kg)的硫酸吲哚酚时,观察到空间记忆受损以及运动和探索活动减少

另一项研究发现,单次腹腔注射更大剂量(800mg/kg)的硫酸吲哚酚会引起与神经元坏死相一致的大脑组织学变化。硫酸吲哚酚在15-60微摩尔范围内使用时,会诱导原代星形胶质细胞产生自由基氧,并导致海马神经元细胞死亡。在10微摩尔浓度下,硫酸吲哚酚通过氧化应激诱导人星形胶质细胞凋亡

肾功能不全时,硫酸吲哚酚是有害的

慢性肾病(CKD)患者中,硫酸吲哚酚与心血管健康和全因死亡率相关。硫酸吲哚酚是血液透析患者发生心血管疾病的重要因素。在血液透析中,发现游离形式硫酸吲哚酚水平与成纤维细胞生长因子23呈正相关,与C-C基序趋化因子15、补体成分C1q受体、串珠素(Perlecan)、博来霉素水解酶、分化簇166抗原和信号淋巴细胞活化分子家族成员5呈负相关

这些蛋白质在血管修复内皮生长中发挥着至关重要的作用。硫酸吲哚酚还可以通过增加血小板过度活跃、提高血浆促凝血水平和产生促凝血颗粒来导致血栓形成动脉粥样硬化。硫酸吲哚酚通过增加炎症、心脏纤维化、心肌细胞增殖来影响心脏组织

并且强有力的证据表明,硫酸吲哚酚在肾功能不全的情况下积累时是有害的。硫酸吲哚酚会损害近端肾小管细胞诱导炎症和纤维化发展。肾脏通过肾小管分泌实现硫酸吲哚酚的高清除率,而硫酸吲哚酚与血浆蛋白结合超过90%,受到蛋白结合的限制,并且血液透析患者的血浆水平相对较高,这也表明与肾脏疾病密切相关

羟吲哚可能降低神经元兴奋性

啮齿动物口服新霉素(一种广谱抗生素)会降低脑内羟吲哚含量,因此表明羟吲哚至少部分源自肠道微生物群代谢活动

有趣的是,最近在人类粪便样本中发现了羟吲哚,从而证实肠道微生物是这种代谢物的来源。在人类粪便中存在的细菌代谢物中,羟吲哚被发现是主要的芳基烃受体激活剂之一

大鼠海马切片的体外实验表明,羟吲哚可能与电压门控钠通道相互作用,增加产生动作电位的阈值,从而大大降低神经元的兴奋性

大胆推测

这些结果说明羟吲哚可能与已知的神经抑制化合物具有一些共同特征,从而能够降低神经元的兴奋性

06
吲哚相关治疗

吲哚及其衍生物可以影响肠道健康甚至是全身其他器官的健康,而过高或过低的水平都可能带来不利影响,导致一些疾病的发生

调节人体内吲哚水平的机制主要有3种:首先,它可以通过调节与吲哚产生相关的肠道微生物群的丰度来影响吲哚的水平。

先前的研究发现,特定的肠道微生物群成员在色氨酸转化为吲哚的过程中发挥着不可或缺的作用,例如产孢梭菌(Clostridium sporogenes),它已被证明可以通过氧化和还原途径产生吲哚乙酸吲哚-3-丙酸。在大肠杆菌中也发现了吲哚活性转运蛋白,在乳杆菌中也发现了色氨酸酶的表达,并有助于将色氨酸转化为吲哚

其次,饮食调整可以增加或减少色氨酸的摄入量,从而间接影响体内的吲哚水平。

最后,直接作用于AHR受体激动剂的药物可能会发挥与吲哚类似的作用。

补充益生菌

益生菌可以通过多种机制与体内微生物群相互作用,对宿主健康产生有益影响

临床试验表明,益生菌可以抵消肠道微生物失衡造成的负面影响,并可导致吲哚产生属及其衍生物的富集,如乳杆菌(Lactobacillus)。在另一项临床试验中,具有抗炎作用双歧杆菌属在益生菌治疗后的丰度也显著增加

益生菌还有可能成为神经和精神疾病的治疗辅助药物。在一项针对抑郁症和海马体功能变化的研究中,接受益生菌治疗的小鼠表现出肠道微生物生态失调的显著缓解,以及较低的肠道炎症介质如IL-1β、TNF-α和iNOS的表达水平。此外,情感行为也被检测到与肠道微生物群组成变化相关的显著改善

施用益生元、合生元

益生元是宿主细菌可以选择性利用并提供健康益处的底物。常见的益生元包括低分子量碳水化合物、多酚多不饱和脂肪酸

在实验室和临床试验中,益生元(包括菊粉低聚半乳糖)已被证明可以显著提高产生吲哚的益生菌(例如双歧杆菌和乳酸杆菌)的丰度。在对肠道微生物失衡进行一定纠正后,吲哚作为具有调节作用的配体,对炎症反应具有抑制作用

合生元是益生菌和益生元的混合物。在大鼠实验中,合生元治疗逆转了肠道微生物特定菌群丰度的变化

经过合生元(乳杆菌、双歧杆菌、链球菌和菊粉的组合)治疗的患有慢性肾病的大鼠中,肠道中产生吲哚的产气荚膜梭菌的丰度降低至正常水平。此外,合生元治疗可通过改变肠道微生物丰度来有效调节粪便中吲哚及其衍生物的水平

合生元治疗由于其对吲哚水平的间接影响,可能成为许多神经系统和神经精神疾病的辅助治疗。最近一项针对阿尔茨海默病患者的临床实验表明,在使用合生元后,神经炎症有所减轻

值得注意的是,合生元干预的改善效果优于单独的益生元或益生菌干预,这表明复合干预的组合更有可能成为临床治疗的实际应用。

粪菌移植

粪便微生物移植(FMT)在先前的几项研究中已被证明对缓解胃肠道微生物失调具有不可否认的作用。通过FMT将产生吲哚的益生菌(乳酸杆菌、双歧杆菌等)移植到患者的肠道中,可以改善肠道微生物群。据观察,肠道中产生吲哚的微生物群的丰度增加吲哚及其衍生物的水平受到间接影响。

吲哚是色氨酸代谢途径上的关键配体,可以调节和抑制神经和精神疾病的炎症。粪菌移植已被证明在各种疾病和临床治疗中对改善患者的肠道生态起着至关重要的作用,它可以通过吲哚在中枢神经系统疾病治疗中间接发挥作用,并被认为是一种潜在的辅助疗法

调节饮食

肠道微生物通过色氨酸调节吲哚水平。色氨酸是人体必需氨基酸之一,需要完全依赖饮食摄入

以下是一些富含色氨酸的常见食物:

蛋白质食物:肉类(牛肉、猪肉、鸡肉、火鸡)、鱼类(鳕鱼、鲑鱼、金枪鱼)、贝类(蛤蜊、扇贝)、蛋(鸡蛋、鸭蛋)、豆类(大豆、黑豆、红豆)、奶制品(牛奶、乳制品)等。

蔬菜和水果:菠菜、花椰菜、蘑菇、芝麻、松子、香蕉、菠萝、樱桃、草莓、蓝莓等。

谷物和豆类:燕麦、大麦、小麦、黑米、糙米等。

坚果和种子:核桃、杏仁、腰果、葵花子、南瓜子、亚麻籽等。

研究表明,0.4%膳食色氨酸可显著减少衰老小鼠的神经退行性病变神经炎症。在此过程中,补充色氨酸可以通过改变肠道微生物组成增加阿克曼氏菌等有益细菌的丰度来增强肠粘膜屏障功能。肠道菌群产生的吲哚类物质(如吲哚乙酸、吲哚-3-丙酸)显著升高,可以激活AHR,从而抑制神经炎症

通过血清靶向代谢组学分析16s rRNA测序对全身色氨酸代谢和肠道微生物组进行了分析,进一步证实了微生物群-肠-脑轴在调节色氨酸饮食产生吲哚的潜在作用。

虽然色氨酸饮食是一种可能的治疗策略,但过多的色氨酸摄入也被证明具有有害作用,应注意适量摄入

此外,据报道,间歇性禁食还可能通过调节肠道微生物组成来影响血浆吲哚,从而对神经和神经精神疾病的预后产生有益影响。饮食调节可能是改善吲哚含量的一种简单但有效的方法。

使用药物

最近的综合研究表明,吲哚通过作用于靶细胞来调节炎症反应和细胞生理。近年来,开发吲哚类作用靶点的药物一直是一个重要的研究热点。

吲哚及其衍生物充当AHR的配体,并通过AHR间接调节星形胶质细胞和小胶质细胞的炎症。因此,直接作用于AHR的激动剂也可以作为内源性AHR配体(如吲哚)的替代品,并参与色氨酸AHR介导的炎症抑制途径

体外合成的AHR配体2-(1′H-吲哚-3′-羰基)-噻唑-4-羧酸甲酯在一项临床研究中被证明具有抑制自身免疫性脑脊髓炎进展的能力。对AHR具有激动作用的药物有可能取代色氨酸代谢产物,并作为外源性AHR配体激活自限制途径和修复神经和神经精神疾病。

除了靶向AHR,影响吲哚作用途径中其他靶点的药物也可能具有治疗作用,这需要在未来进行更多的研究。

07
总结

由于吲哚肠道细菌常见的代谢产物,其重要的生物学作用不容忽视。吲哚与肠道菌群的稳态肠道健康直接相关,吲哚还可以间接影响其他系统和人体的整体健康

吲哚对人类健康具有有益影响,通过激活免疫细胞释放抗炎因子如IL-22来调节肠道屏障并帮助维持肠道稳态抑制包括肠出血性大肠杆菌在内的病原菌的定植,以及增加MUC表达以增强粘液屏障功能

此外,吲哚在调节肠道微生态方面也起着关键作用。它们抑制有害菌株,并以影响基因表达的方式改变肠道致病菌的毒力,这有助于缓解出血性结肠炎等疾病。同时,吲哚及其衍生物在激活AhR和PXR介导的抗炎途径中至关重要。例如吲哚-3-丙酸通过PXR介导肠细胞TNF-α的下调,并上调编码生长抑素的mRNA,以调节炎症中的肠道通透性和肠道屏障功能。这意味着吲哚及其衍生物有前景的治疗途径

尽管如此,吲哚也是一把双刃剑,少数衍生物也存在一定的缺点。例如,吲哚肝脏代谢产生的硫酸吲哚酚高浓度时具有肾毒性心血管毒性,可通过促进氧化应激、炎症等病理变化而导致多系统功能障碍

吲哚肠道稳态人类健康中发挥着至关重要的作用。许多肠道细菌被鉴定为将色氨酸代谢为吲哚。尽管如此,仍可能存在未鉴定的细菌,因此未来需要使用代谢组学宏基因组学来进一步表征未知的吲哚产生细菌及其相关代谢途径。

不同浓度的吲哚发挥着不同的生理功能。健康成年人的粪便吲哚浓度是已知的,而人类肠道和血液中许多吲哚衍生物的浓度仍然未知。缺乏在不同环境中测定吲哚及其衍生物浓度的定量方法,未来需要开发简单快速的测定方法。

未来仍需进一步研究吲哚与人类健康之间的关系。需要研究多种吲哚组合宿主生理学的影响,并将这些发现与临床环境相结合,以开发相关疾病的新疗法

主要参考文献

Zhou Y, Chen Y, He H, Peng M, Zeng M, Sun H. The role of the indoles in microbiota-gut-brain axis and potential therapeutic targets: A focus on human neurological and neuropsychiatric diseases. Neuropharmacology. 2023 Nov 15;239:109690.

Tennoune N, Andriamihaja M, Blachier F. Production of Indole and Indole-Related Compounds by the Intestinal Microbiota and Consequences for the Host: The Good, the Bad, and the Ugly. Microorganisms. 2022 Apr 28;10(5):930.

Ye X, Li H, Anjum K, Zhong X, Miao S, Zheng G, Liu W, Li L. Dual Role of Indoles Derived From Intestinal Microbiota on Human Health. Front Immunol. 2022 Jun 17;13:903526.

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Jiang H, Chen C, Gao J. Extensive Summary of the Important Roles of Indole Propionic Acid, a Gut Microbial Metabolite in Host Health and Disease. Nutrients. 2022 Dec 28;15(1):151.

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褪黑素的产生、功能、干预及其与肠道菌群的关系

谷禾健康

“唉,昨晚又没睡好!”

失眠已经严重影响着一部分人们的生活。失眠后会引起烦躁白天嗜睡精力不足、内分泌系统紊乱、认知功能受损、免疫力下降甚至易得心脑血管疾病

据中国睡眠研究会等机构统计,中国有超3亿人存在睡眠障碍。其中,19—25岁年轻人经常熬夜至零点以后;19—35岁青壮年是睡眠问题高发年龄段。 并且由于当代社会压力增加,失眠率还在不断攀升

影响睡眠质量的因素有很多:包括人体的生物钟,环境因素如光照、噪音、温度,还有心理状况,饮食状况及疾病状况。而近年来的研究发现体内有一种物质与睡眠紧密相关——它就是褪黑素

褪黑素于20世纪50年代首次被发现并表征,从那时起,广泛的研究揭示了它的生产、功能和潜在的治疗应用

褪黑素作为改善睡眠质量调节昼夜节律紊乱的补充剂已广受欢迎。除了在睡眠调节中的作用外,褪黑素还被发现具有抗氧化抗炎免疫调节神经保护特性。它影响生殖过程、心血管健康胃肠功能以及其他生理系统。

近年来,褪黑素肠道微生物群之间的关系已成为一个令人着迷的研究领域。研究表明褪黑素肠道微生物之间存在双向作用,强调了肠道微生物群对褪黑激素产生和代谢的潜在影响,以及褪黑激素对肠道微生物组成和功能的影响。

01
褪黑素的产生

褪黑素(N-乙酰基-5-甲氧基色胺)最早于1958年在牛松果体中发现并分离出来,因其能够美白青蛙皮肤,研究人员一开始认为作为一种“美白因子”,并将其命名为“褪黑素”。

后续的研究才证明了其在调节生物节律睡眠模式中的作用。

注:褪黑素是一种具有3-胺基和5-甲氧基的吲哚胺,因此具有两亲特性(同时具有亲水性和亲脂性)。

褪黑素的化学结构

Minich DM,et al.Nutrients.2022


褪黑素的合成

✦ 色氨酸是合成褪黑素的原料

松果体通常在黑暗环境中产生褪黑素,褪黑素生物合成从色氨酸开始,接着色氨酸转化为血清素(5-羟色胺)。5-羟色胺会经历两个酶促反应:首先,N-乙酰基转移酶进行N-乙酰化,产生N-乙酰-5-羟色胺。

然后,通过羟基吲哚-氧-甲基转移酶的作用,甲基从S-腺苷甲硫氨酸转移到N-乙酰血清素的5-羟基。N-乙酰基转移酶是褪黑素合成的限制步骤,它具有昼夜节律夜间活动是日间活动的50到100倍

褪黑素的生物合成途径

Miranda-Riestra A,et al.Molecules.2022

✦ 其他部位也可以产生褪黑素

值得注意的是,其他组织和器官也会产生褪黑激素,包括视网膜、胃肠道、皮肤和免疫细胞。其在胃肠道中的浓度比血清中的浓度高10至400倍

注:胃肠道中的褪黑素主要由肠嗜铬细胞、某些类型的免疫细胞和肠道共生细胞产生。肝脏几乎会降解所有褪黑素,这表明胃肠道褪黑素仅限于肠-肝轴,而不是循环到其他器官,并且它在局部发挥作用

在这些外周组织中,褪黑素的产生可能不会直接受光暗周期调节,但可能受到其他因素(例如饮食局部信号)的影响。

褪黑素在体内的合成

Miranda-Riestra A,et al.Molecules.2022


影响褪黑素产生的因素

平均而言,松果体每天产生0.1至0.9毫克褪黑素。但一些因素会影响褪黑素的分泌。

✦光照

光照对于调节褪黑素的产生起着至关重要的作用。视网膜中称为本质光敏视网膜神经节细胞(ipRGC)的特殊细胞可检测光并向下丘脑视交叉上核 (SCN)发送信号。

当暴露于光,特别是蓝光时,这些细胞会抑制褪黑素的产生。这是因为光照会抑制血清素N-乙酰转移酶和N-乙酰血清素O-甲基转移酶的活性,这些酶参与褪黑素合成。

Repova K,et al.Int J Mol Sci.2022

在没有光的情况下,例如在夜间,褪黑素合成的抑制被消除。SCN向松果体发出信号,以增加褪黑素的产生。因此,褪黑素水平上升,促进困倦并帮助调节睡眠-觉醒周期

✦生物钟

褪黑素的分泌与人体的生物钟密切相关。人体的生物钟是一种内在的生物节律,调节睡眠和其他生理过程。

褪黑素的分泌通常在晚上增加,帮助人们入睡。保持规律的作息时间和良好的睡眠习惯有助于维持正常的褪黑素分泌。

Minich DM,et al.Nutrients.2022

✦年龄

婴儿的褪黑素分泌和昼夜节律要到三个月左右才会发育。母乳喂养的婴儿可以从母乳中获得褪黑素。

从婴儿期到青春期,褪黑素的分泌水平随着年龄增长并达到稳定水平,然后从二十多岁开始随着年龄的增长而缓慢下降儿童通常比成人产生更多的褪黑素。这也是为什么年长者常常会有睡眠质量下降的问题。

Minich DM,et al.Nutrients.2022

✦色氨酸可用性

色氨酸(褪黑素合成的前体)的可用性也会影响褪黑激素的产生。色氨酸是通过饮食来源获得的,并且可能受到饮食新陈代谢等因素的影响。

充足的色氨酸对于合成血清素是必要的,血清素进一步转化为褪黑素。

✦药物和化学物质

某些药物和化学物质可能会影响褪黑素的分泌。例如,一些抗抑郁药物抗高血压药物咖啡因都可能抑制褪黑素的产生。

✦疾病和身体状况

一些疾病身体状况也会影响褪黑素的分泌。例如,睡眠障碍、抑郁症、焦虑症和肾脏疾病等都可能干扰褪黑素的正常分泌。

值得注意的是,褪黑素产生的调节是复杂的,涉及多种因素之间的相互作用。昼夜节律紊乱,例如轮班工作、时差反应或夜间暴露在人造光下,可能会影响褪黑素的产生并扰乱睡眠模式

总体而言,褪黑素的产生主要受到昼夜节律的调节,其中光照在抑制褪黑素合成中起着关键作用。黑暗色氨酸的可用性促进褪黑激素的产生,有助于调节睡眠-觉醒周期并促进健康的睡眠模式。

02
褪黑素的生理功能

褪黑素是一种多功能分子,在人体内具有多种生物学作用。在本节中,将介绍褪黑素对生理活动人体健康的相关影响。

Repova K,et al.Int J Mol Sci.2022

抗氧化、抗炎作用

许多研究已确定褪黑素是一种强大的自由基清除剂,甚至可能是迄今发现的最强的内源性自由基清除剂。体外和体内研究证明了褪黑素在抗氧化防御减少氧化应激抗炎过程中的作用。

• 褪黑素具有非常强的抗氧化作用

褪黑素是一种高效的抗氧化剂,因为一个褪黑素分子可以通过与其二级、三级甚至四级代谢物相关的级联机制清除多种活性氧和氮。

褪黑素的双重作用可以抑制促氧化酶(例如黄嘌呤氧化酶),同时还可以增强关键的抗氧化酶,例如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化氢酶,有助于人体的第一道免疫防御代谢解毒

• 褪黑素可以抑制促炎性细胞因子

此外,褪黑素可以阻断作用于环加氧酶(COX-2)的促炎过程,并抑制炎症介质如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-1β(IL-1β)和白细胞介素-6(IL-6)。

褪黑素还可以增强异常细胞的程序性细胞死亡(细胞凋亡),这在理论上使其成为一种理想的疾病治疗方法

调节昼夜节律,改善睡眠质量

人类的昼夜节律主要是由光照引起的,生活方式因素可能导致外在的昼夜节律障碍,如轮班工作或时差障碍,补充褪黑素可以通过提前或延迟调节昼夜节律。

褪黑素对具有睡眠和昼夜节律紊乱人群的影响已得到充分证实。在失眠患者中,外源性褪黑素对一些睡眠参数有显著影响,如入睡潜伏期总睡眠时间、早晨警觉性和睡眠质量

• 缩短了入睡潜伏期

一项针对失眠患者的荟萃分析包含5项原始研究,结果表明睡前2小时服用褪黑素2mg显著缩短入睡潜伏期

在其他一些目标群体中,也提供了褪黑素纠正昼夜节律方面的证据。一项针对睡眠觉醒时相延迟障碍(DSWPD)患者的荟萃分析得出的结论是,外源性褪黑激素可提前内源性褪黑激素的发作缩短入睡潜伏期

在有时差症状的受试者、轮班工人和非24小时睡眠-觉醒节律障碍中也观察到褪黑素对睡眠参数的改善作用

• 减少早醒时间,增加深度睡眠时间

最近的一项随机对照试验检查了97名中年失眠患者服用较高剂量的褪黑素(3毫克)4周对睡眠障碍的影响。研究显示褪黑素对睡眠参数有积极影响,例如减少早醒时间增加深度睡眠百分比

注:这些是睡眠的重要阶段,对于身体和大脑的恢复和健康至关重要。

缓解焦虑

褪黑素除了对肠道炎症有一定的缓解作用外,多项研究表明,服用褪黑素还能发挥抗焦虑作用

褪黑素的抗焦虑作用机制尚不完全清楚,可能与直接或间接作用有关。直接作用与大脑中褪黑素受体有关,间接作用与褪黑素调节各种神经体液系统(包括交感神经系统、糖皮质激素和神经递质)的能力有关,从而可能干扰应激反应和昼夜节律,并改变氧化和和炎症。

• 褪黑素用于预防术前和术后焦虑

在人类中,褪黑素已被测试为预防术前和术后焦虑的药物,作为麻醉药和止痛药辅助药物,以及用于预防术后谵妄

临床研究表明,在接受腹部子宫切除术、静脉局部麻醉期间的手部手术或其他选择性手术的患者中,作为术前用药给予褪黑素可以减少术前焦虑,并且与苯二氮卓类药物的抗焦虑治疗同样有效。

在接受小型择期手术的儿童中,褪黑素与咪达唑仑一样,可以减轻术前分离焦虑和与引入麻醉面罩相关的焦虑。

• 褪黑素可能比一些精神药物更安全

此外,一些临床研究观察到褪黑素在降低术后兴奋、苏醒性谵妄睡眠障碍发生率方面优于咪达唑仑。褪黑素还可以减轻结直肠手术和腹部子宫切除术患者的术后疼痛,同时减少吗啡用量

值得注意的是,褪黑素可以有效抵消精神药物引起的代谢副作用。褪黑素可降低抗精神病药物治疗引起的血压、体重增加或胆固醇水平。

褪黑素似乎是苯二氮卓类药物的一种安全替代品,可以缓解儿童和成人与外科手术相关的焦虑,同时被认为是一种安全且耐受性良好的药物。苯二氮卓类药物会损害麻醉后的精神运动和认知功能,但褪黑激素却不会。

此外,褪黑素在人体内还有一些非常重要的功能:

Markowska M,et al.Cells.2023

褪黑素对人体功能具有多种影响

Minich DM,et al.Nutrients.2022

神经保护和神经再生作用

褪黑素的浓度变化与睡眠-觉醒周期紊乱、情绪紊乱认知能力障碍、神经系统保护等有关。

• 对神经系统具有保护作用

由于其抗氧化特性,褪黑素可作为自由基的清除剂,在分子水平上调节多种反应,包括氧化应激炎症细胞凋亡

它会影响神经营养素神经递质的浓度。还有文献记载,褪黑素是钙蛋白酶的抑制剂,其活性在许多中枢神经系统疾病的发病机制中具有重要意义。

神经退行性疾病的发病机制与线粒体功能障碍有关。线粒体作为细胞能量来源,也是氧化损伤的目标。线粒体膜的敏感性会受到多种因素的损害,口服褪黑素可能会得到保护。线粒体膜选择性地吸收褪黑素,这是其他抗氧化剂不具备的功能。

初步研究还表明,它可能是淋巴液中的活性成分,有助于清除代谢废物,例如淀粉样蛋白的堆积。理论上,基于这一发现,从治疗角度来看,服用褪黑素可能是值得的,这样患有神经退行性疾病的老年人可以增加脑脊液类淋巴液的水平。然而,这个概念仍处于起步阶段。

免疫调节和加强监视

褪黑素另一个重要作用是其免疫调节加强免疫监视的能力。它刺激参与体液免疫和细胞免疫的不同细胞系的产生,例如巨噬细胞、自然杀伤细胞和CD4+细胞,并影响多种细胞因子的合成

• 褪黑素可以加强免疫调节和免疫监视

褪黑素的直接抗病毒抗菌作用已被记录。在严重感染期间,服用褪黑激素已被发现具有免疫调节和细胞保护功能,可以降低病毒和细菌炎症的死亡率。

• 褪黑素还曾用于新冠期间的辅助治疗

考虑褪黑素在氧化应激炎症过程以及免疫反应管理中的作用,对严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)引起的病毒感染患者进行了检查。

研究表明,使用褪黑素作为辅助治疗可能是有益的,在2019年新冠状病毒(COVID-19)期间也使用了褪黑激素。

预防胃肠道疾病

消化系统中的褪黑素除了具有抗氧化作用刺激免疫系统的能力外,还可以减少盐酸的分泌,增强上皮的再生,并增加微循环

• 褪黑素有助于预防胃肠道疾病

所有这些功能使褪黑素成为预防不同胃肠道疾病的治疗选择之一,例如结直肠癌溃疡性结肠炎、胃溃疡和肠易激综合症。

据记载,补充褪黑素可以使胃食管反流病完全缓解。它对影响食道和胃的急性和慢性刺激物具有保护作用

一些研究还证实,褪黑素在预防非酒精性脂肪性肝炎方面对肝细胞具有很强的支持作用。

改善血压、血糖

• 褪黑素可以降低胆固醇和改善血压

在30名患有代谢综合征的患者中,使用褪黑素(每天5毫克,睡前两小时)短短两个月后,低密度脂蛋白胆固醇血压就得到了改善,而这些患者三个月的生活方式没有改变。

此外,褪黑素已被证明可以降低夜间高血压改善收缩压和舒张压,降低颈内动脉搏动指数,减少血小板聚集,并降低血清儿茶酚胺水平。

香港中文大学研究人员最近进行的一项荟萃分析和系统评价得出结论,口服褪黑素补充剂可将睡眠收缩压降低3.57毫米汞柱。

其他研究表明,褪黑素可以改善心力衰竭患者的预后,并被认为是这些患者的预防和辅助治疗措施

• 褪黑素可能有助于血糖控制

关于褪黑素是否有助于血糖控制的疾病(例如非胰岛素依赖型2型糖尿病)存在一些讨论。最近一项针对男性糖尿病患者的相对小型安慰剂对照研究表明,服用10毫克褪黑素三个月后,胰岛素敏感性降低了12%

褪黑素对糖尿病人群口服葡萄糖耐量的影响差异可能与褪黑素受体1B基因(MTNR1B)中2型糖尿病相关G等位基因的多态性有关。

对生育的影响

• 褪黑素有助于提高生育能力

已经在动物和人类群体中进行了褪黑素给药对生育影响的研究。研究发现,褪黑素可以提高生育能力卵母细胞质量成熟度和胚胎数量。

此外,还提出了在怀孕期间的积极作用。神经发生的保护、对胎盘的支持性影响以及氧化应激的减少是提高生育率改善胚胎-胎儿发育的关键。

活性氧会在怀孕期间引起干扰,它们也是围产期并发症的罪魁祸首。褪黑素是自由基的清除剂,具有抗氧化和细胞保护能力,这可能对成功怀孕至关重要。

• 褪黑素影响新生儿的健康状况

褪黑素不仅在怀孕期间发挥着重要作用,而且在新生儿病理发生时也需要其支持。褪黑素是脱氧核糖核酸(DNA)甲基化和组蛋白改变过程中的监管者。这样可以避免基因表达的根本性变化。使胎儿受到保护,免受一些疾病的影响。

怀孕期间褪黑素浓度不足可能会在个体发育早期的遗传密码中留下内分泌紊乱,随后在儿童期发生。

对骨骼健康的影响

根据细胞和临床前数据,有人认为褪黑素作用于骨代谢的合成代谢和分解代谢方面。

• 褪黑素增加了绝经后妇女的骨密度

一些临床试验证明了褪黑素在重新平衡围绝经期妇女骨重塑中的作用和增加绝经后骨质减少妇女的骨密度。

具体研究

在这些研究中,使用了多达3毫克的补充褪黑素。根据名为褪黑素微量营养素骨质减少治疗研究的为期一年的临床试验的结果,褪黑素(5毫克)、柠檬酸盐(450毫克)、维生素D3(2000IU/50微克) 的组合与安慰剂相比,能够对绝经后骨质疏松女性的骨标志物(例如骨矿物质密度)产生有利影响

除了有益地改变骨标志物之外,干预措施还改善了情绪睡眠质量等生活质量指标。当然,不能因此推断褪黑素是造成这些影响。

研究人员认为褪黑素是与年龄相关骨骼肌疾病的关键化合物,因为它通过其抗氧化潜力参与线粒体功能。这方面的研究结果可能对恶病质或肌肉减少症患者有帮助。

除了上述的影响外,褪黑素与肠道微生物组之间的相互作用也很有趣。肠道中包含着大量的微生物,其与人体健康密切相关,褪黑素已被发现与肠道微生物存在复杂且多样的联系,并可能因此影响人体健康。让我们一起来了解下。

03
褪黑素与肠道微生物间的双向关系

褪黑素主要由两种细胞产生:松果体细胞肠嗜铬细胞。松果体细胞位于大脑内的松果体中。肠嗜铬细胞位于整个胃肠道的表面,在胃肠道的粘膜内层浓度很高。

与松果体细胞不同,肠嗜铬细胞不受光和暗的调节,但似乎受到食物摄入消化的影响。

注:肠嗜铬细胞是神经内分泌免疫细胞,对肠道稳态至关重要。

★ 肠道中的褪黑素浓度比血清中高很多

据估计,肠道内的肠嗜铬细胞所含的褪黑素含量是松果体细胞产生的褪黑激素的400倍。肠道褪黑素水平可能比血清中褪黑激素水平高10至100倍

肠嗜铬细胞中褪黑素的生物合成

Iesanu MI,et al.Antioxidants (Basel).2022

肠道中褪黑素的释放以旁分泌方式发挥作用,增加胃粘膜的活动和循环,并增强胃肠道运动。此外,褪黑素在肠道中具有抗兴奋特性。它可以刺激上皮细胞的再生,并且还被证明对胃肠道内壁具有保护性抗氧化作用

旁分泌——通过扩散而作用于邻近细胞的激素传递方式。

Iesanu MI,et al.Antioxidants (Basel).2022

值得注意的是,关于松果体产生的褪黑素和肠道来源的褪黑素如何相互关联,是否存在肠道-松果体轴串扰,以及不同的饮食模式甚至特定食物、禁食方案或进餐时间可能相互影响,仍然是推测性的。改变全身褪黑素水平饮食和肠道产生的褪黑素这一领域还需要通过更多的研究来回答。


肠道微生物→褪黑素

褪黑素肠道细菌之间似乎具有复杂的相互关系。如下所述,微生物可以调节胃肠道中褪黑素的合成;相反,褪黑素与肠道微生物群的组成和动态有关。它们共同形成一个复杂的系统,在多个层面上发挥作用,以维持宿主的体内平衡

• 肠道菌群影响褪黑素的前体进而影响其水平

肠道菌群可以通过调节其必需的前体色氨酸5-羟色胺影响褪黑素水平。色氨酸的可用性可以通过饮食改变或通过改变肠道微生物群组成来改变。

肠道中色氨酸代谢的三种途径都可以受到肠道细菌的调节。关于吲哚途径,微生物组特征决定了吲哚衍生物的类型。这些吲哚衍生物具有广泛的作用,从对肠粘膜免疫系统的有益结果到肾毒性。

此外,炎症刺激激活的Toll样受体和肠道细菌释放的病原体相关分子模式分子会刺激犬尿氨酸途径

肠腔中产生的短链脂肪酸刺激肠嗜铬细胞释放血清素增强褪黑素的产生。内源性孢子形成细菌产生的其他代谢物可以激活肠嗜铬细胞并促进结肠中5-羟色胺的生物合成。

此外,抗生素引起的生态失调会增强吲哚途径抑制犬尿氨酸途径,并降低动物模型中的结肠5-羟色胺。

• 病原菌感染后褪黑素的分泌减少

多种细菌对肠道合成褪黑素有影响。例如,胃粘膜幽门螺杆菌感染下调褪黑激素生成酶的表达,并减少胃肠道中褪黑素的产生。感染清除后,褪黑素产量恢复到正常水平。

• 益生菌可能刺激褪黑素的产生

益生菌,对各种与菌群失调相关的疾病有效。研究还表明益生菌在刺激褪黑素产生方面发挥有益作用。

短期施用益生菌鼠李糖乳杆菌可以增加斑马鱼中褪黑素受体基因的丰度,与光周期转变为持续黑暗的结果相似。因此,益生菌似乎有可能影响褪黑素的产生,从而缓解各种疾病状态

相反,生态失调和随后的肠道损伤可能会降低局部肠道和全身褪黑素水平


褪黑素→肠道微生物群

越来越多的证据表明,褪黑素可以调节肠道微生物的组成和丰度,尤其是在各种病理状态下。

如下所述,褪黑素通过其作为抗氧化剂免疫调节剂昼夜节律调节剂的特性间接影响肠道微生物群,研究发现其还可能直接影响肠道微生物群。

• 褪黑素影响肠道微生物的昼夜节律

在人类中,褪黑素分泌主要以昼夜节律方式在夜间发生,血浆中最高水平出现在凌晨2至4点左右。

褪黑素的节律性释放由下丘脑前部的视交叉上核调节,代表中枢昼夜节律发生器。视交叉上核神经元的轴突投射到邻近的下丘脑核、丘脑和脑干,并使昼夜节律的一些组成部分同步,例如睡眠/觉醒节律、进食时间表和垂体/肾上腺轴的活动。

胃肠道和微生物群表现出与昼夜节律相关的变化,体外研究表明,多种肠道细菌受光暗循环影响,并与参与生物节律的分子密切相关。昼夜节律失调会引起并加剧炎症性肠病的炎症。

褪黑素含量高时,产气肠杆菌增殖的更快

产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes)是人类肠道中普遍存在的细菌,具有昼夜节律,并对白天的褪黑素波动做出反应。

褪黑素存在时,产气肠杆菌以剂量依赖性方式增殖得更快。此外,当暴露于色氨酸、5-羟色胺或N-乙酰血清素时,没有观察到相同的效果,这突显了褪黑素的重要性和敏感性

产气肠杆菌主要生存于人类和动物的肠道,为人体内的正常菌群,在人体虚弱的特殊情况下才偶尔引起疾病

此外,大肠杆菌肺炎克雷伯菌对褪黑素的敏感性不同。另一项研究表明,高脂肪饮食会损害肠道细菌的日常波动,而褪黑素可以使这些波动正常化,这表明这种重新同步可能具有治疗意义 。

微生物代谢物(例如丁酸盐)的昼夜变化会影响宿主的生物钟。鉴于细菌代谢物的产生是周期性的,微生物功能与宿主的昼夜节律代谢之间存在隐含的联系。

• 通过氧化还原平衡影响肠道微生物组成

褪黑素的抗氧化活性存在于多种功能中,直接作用是中和自由基,间接作用是通过增加抗氧化酶的水平来发挥作用。

健康的肠道微生物群也具有相当大的抗氧化作用。共生细菌直接参与活性氧的代谢,因为产生乳酸的细菌(例如乳杆菌属)具有乳酸氧化酶、超氧化物歧化酶和丙酮酸氧化酶,这些酶可以去除活性氧减少氧化应激

在较高浓度下,活性氧具有潜在毒性并导致生物分子损伤,例如蛋白质、脂质和DNA的氧化,这可能导致多种细胞功能障碍,包括细胞死亡。

结肠健康很大程度上受到肠道抑制过量活性氧产生的能力的影响。值得注意的是,肠道微生物群的组成根据氧化还原平衡而变化。在暴露于氧化应激的小鼠中,肠道微生物群经历了拟杆菌门的增加和厚壁菌门、梭菌目、瘤胃球菌属(Ruminococcus)和颤螺菌属(Oscillospira)的减少

在衰老模型中,小鼠年龄越大,活性氧产生量越高梭菌目数量减少拟杆菌门丰度增加。当肠道损伤和生态失调时,胃肠道的抗氧化活性会受到抑制。例如,在炎症性肠病患者中,共生细菌多样性的减少和微生物群组成的变化与活性氧产生增加肠粘膜防御系统受损有关。在这些情况下,褪黑素可以发挥其抗氧化活性并重建氧化还原平衡,从而改善肠道微生物群组成

与其他器官类似,在肠道中,褪黑素不仅清除活性氧,还上调不同的抗氧化酶(GSH-Px、CAT、SOD)并下调促氧化酶。褪黑素可以通过与活性氧相互作用直接发挥其活性,或通过膜和核受体发挥其活性,膜和核受体作为其间接抗氧化作用的介质。

褪黑素激活该通路中的多个应激反应基因(例如AMPK、HIFa、Sirt),进而导致多种抗氧化酶的增加。

因此,通过所有这些褪黑素介导的途径减少肠道微生物群的氧化应激肠道微环境具有显著影响。


褪黑素在生态失调中的作用

越来越多的证据表明,褪黑素可以调节肠道特性常驻微生物,以应对压力(例如睡眠障碍)。

当评估褪黑素睡眠障碍肠道微生物组之间的相互作用时,在有明显肠道损伤的临床前研究中,血浆和肠道褪黑素水平会降低

总体而言,在睡眠障碍患者中补充褪黑素可以重建肠道微生物群平衡肠道屏障的完整性恢复了肠道微生物群的丰富性和多样性。

Wang X,et al.Microbiome.2023

• 增加了有益菌的丰度

在属水平上,补充褪黑素增加了阿克曼氏菌、乳杆菌、拟杆菌和粪杆菌(这些已知的有益细菌可以降低炎症),并减少了影响结肠炎的气单胞菌。

显著增加了阿克曼氏菌的丰度

褪黑素显著增加了阿克曼氏菌(Akkermansia muciniphila)的丰度,这种细菌以其在肠道中的有益作用而闻名(例如,增加粘蛋白产生,保持屏障完整性)。

提高了产丁酸盐细菌的丰度

此外,褪黑素通过增加拟杆菌属乳杆菌属、阿克曼氏菌属和粪杆菌属的丰度,提高丁酸盐的水平,丁酸盐是肠道微生物群的重要有益代谢物之一。

• 重建肠道屏障完整性

褪黑素还通过恢复因睡眠障碍受损的杯状细胞数量、粘液产生和肠上皮细胞增殖增加紧密连接蛋白(claudin-1、occludin、ZO-1)和含有半胱天冬酶募集结构域的蛋白9(CARD9)的表达来重建肠道屏障的完整性

• 降低促炎细胞因子,增加抗炎物质

睡眠障碍也会导致全身产生促炎症状态。褪黑素通过降低促炎细胞因子水平(IL-1β、IL-6、IL-17、TNF-α)同时增加抗炎标志物(IL-5、IL-10、IFN-α、IL-22)来抵消这种影响。

作为一种假定的机制,褪黑素还会下调睡眠剥夺小鼠的TLR4,从而降低长期炎症反应的可能性。

褪黑素在减轻粘膜损伤和生态失调方面发挥着至关重要的作用。这些发现表明,褪黑素可以作为益生元来治疗睡眠障碍相关的肠道损伤,并帮助保持肠道微生物群的平衡

需要注意的是,褪黑素抑制可能是导致肠道损伤和生态失调的罪魁祸首,而不是睡眠障碍本身造成的应激。

总之,外源性给予褪黑素可恢复由睡眠障碍引起的全身和肠道微生物群改变,这意味着褪黑素在根据健康状况调节微生物群落方面发挥着作用。

Iesanu MI,et al.Antioxidants (Basel).2022


褪黑素-肠道微生物轴对疾病的潜在影响

褪黑素肠道微生物群之间的相互作用对健康和疾病的各个方面都有潜在影响。大量临床和临床前研究证明了褪黑素结肠炎保护作用

• 结肠炎患者体内褪黑素水平下降

测量了疡性结肠炎患者和健康对照的降结肠和乙状结肠中褪黑素的浓度

与健康对照相比,疡性结肠炎患者的褪黑素水平急剧下降。值得注意的是,褪黑素浓度与组织学严重程度之间出现负相关。此外,溃疡性结肠炎患者中褪黑素生物合成途径中的关键酶AANAT和HIOMT的mRNA 水平显著低于健康对照。

这些数据表明疡性结肠炎患者的褪黑素水平下降,并且与疾病严重程度呈负相关,表明褪黑素可能参与疡性结肠炎的进展。

Zhao ZX,et al.Front Immunol.2022

(A)通过ELISA检测健康对照和溃疡性结肠炎患者中的褪黑素浓度;(B)结肠切片的代表性H&E染色(×20);(C)所有溃疡性结肠炎患者和健康对照的褪黑素浓度与组织学严重程度评分的相关性。

• 服用褪黑素可以减轻结肠炎

发现每日服用50毫克/公斤剂量的褪黑素治疗7天可显著改善恶唑酮诱发的小鼠结肠炎,体重减轻较少,结肠长度较长。

H&E染色显示,褪黑素治疗可预防肠道炎症,与对照组相比,褪黑素治疗导致CD11b+ Ly6G +中性粒细胞显著减少,并且炎症细胞因子的产生减少,例如TNF-α和Il-1β。

这些结果表明,褪黑素可以减轻恶唑酮诱发的结肠炎,炎症反应减少肠道完整性提高

• 服用褪黑素调节炎症性肠病的微生物组成

褪黑素改变微生物群组成的α和β多样性

Zhao ZX,et al.Front Immunol.2022

特定的变化与有益菌株的增加有害菌株的减少有关。例如,褪黑素增加瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)和粪球菌属(Coprococcus)的水平,这两种细菌都是短链脂肪酸产生菌

它还增加双歧杆菌的含量,双歧杆菌作为益生菌在炎症性肠病中产生了积极的结果,以及乳杆菌的含量,乳杆菌是该疾病的另一种有前途的辅助疗法。

减少了条件性致病菌

相反,褪黑素给药后,肠道菌群显示出变形菌门显着减少,该门在炎症性肠病发病机制中发挥着重要作用。

链球菌属(Streptococcus)可能代表另一种被褪黑素下调的微生物并与疾病活动相关。另一项研究报告了脱硫弧菌消化球菌科和毛螺菌科的减少。发现脱硫弧菌和溃疡性结肠炎之间存在明显关联。尽管消化球菌科在炎症性肠病中的研究较少,但在一些研究中与肠道炎症相关。

重要的是,所有这些细菌组成的变化都伴随着明显的临床症状增强——通过多种组织学方法和症状学评估进行量化。这可能表明至少在一定程度上通过微生物群调节影响褪黑素的效果。

褪黑素在属水平上调节一些微生物群

Zhao ZX,et al.Front Immunol.2022

• 褪黑素有利于肠道屏障完整性

总的来说,就肠道微生物群而言,褪黑素不仅具有改变细菌种类组成的能力,而且还能够减少肠道细菌移位。事实上,在结肠炎模型中,褪黑素诱导紧密连接蛋白和闭合蛋白的上调,这些蛋白是肠道屏障的关键组成部分。

细菌易位是一种有害过程,可导致内毒素血症,与炎症性肠病活动呈正相关。

褪黑素肠道微生物群的调节可能对于缓解结肠炎至关重要。

除此之外,褪黑素还可以逆转高脂肪饮食产生的大多数代谢形态肠道微生物组成变化

• 褪黑素恢复高脂饮食导致的微生物变化

首先,褪黑素成功恢复了因高脂饮食而减少的微生物群多样性,改变了肠道微生物结构,使其类似于正常饮食的小鼠。与对照组相比,褪黑素增加了细菌数量,但它阻止了高脂饮食引起的细菌突然过度生长。

有趣的是,与仅接受高脂饮食的小鼠相比,接受褪黑素的高脂饮食小鼠和对照组的不同类群每日振荡之间存在相似性,证明褪黑素也可以恢复细菌节律性

它还刺激疣微菌门,包括阿克曼氏菌——一种治疗代谢紊乱的有效益生菌。脱硫弧菌科(产生内毒素的细菌)、AlistipesAnaerotruncus中的表达下调,这些细菌与肥胖相关

• 褪黑素改善代谢紊乱,降低脂肪比例

在影响这些微生物组相关的同时,褪黑素显著改善了高脂饮食啮齿动物的代谢紊乱。褪黑素还降低总体重内脏脂肪比例,促进棕色脂肪组织的产生和产热作用。它还降低炎症、脂肪生成基因表达以及胆固醇甘油三酯水平

此外,它重建了时钟基因表达和血清甘油三酯的正常昼夜节律变化,而这些变化被高脂饮食破坏了。它还通过降低血糖增强胰岛素敏感性增强葡萄糖代谢。对于肝脏,它可以对抗脂肪变性并抑制 NF-κB信号,该通路与非酒精性脂肪肝病有关。

褪黑素缓解脂质代谢异常的一个特殊机制与抑制大肠杆菌有关。研究人员在时差小鼠模型中研究了与代谢综合征相关的变化,这些小鼠表现出体重增加回肠脂质摄取增加以及血管生成素样4(脂质代谢调节剂)的减少。同时,观察到大肠杆菌和脂多糖产量增加。褪黑素逆转了所有这些修饰,并且通过下调大肠杆菌和脂多糖的合成,抑制了LPS/TLR4/STAT3等通路,使脂质摄取减少

肠道微生物群肥胖代谢综合征的发展中起着关键作用。褪黑素恢复这种复杂结构正常组成和功能的能力证明了其作为药物治疗这些病症的合理性。

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注意

需要进一步的研究来充分了解褪黑素肠道微生物轴健康疾病的机制和影响。

然而,它强调了考虑肠道微生物群褪黑素相互作用维持肠道健康和整体健康方面的重要性。

04
补充外源性褪黑素的注意事项


褪黑素含量过低或过高的危害

褪黑素作为体内最重要的激素之一,过低或过高的含量都会对人体产生一些不利影响

▸ 褪黑素过低

失眠:褪黑素是调节睡眠的重要激素,过低的褪黑素水平会导致失眠和睡眠质量下降。

生物钟紊乱:褪黑素水平过低可能导致生物钟紊乱,影响日常作息和生理节律。

免疫功能下降:褪黑素具有免疫调节作用,过低的褪黑素水平会导致免疫功能下降,增加感染和疾病的风险。

心理健康问题:褪黑素与神经系统密切相关,低褪黑素含量可能与焦虑、抑郁等心理健康问题有关。

其他健康问题:一些研究表明,褪黑素含量过低可能与肥胖、糖尿病、心血管疾病相关。

▸ 褪黑素过高

通常情况下,人体不会出现褪黑素过高。一般都是在补充了外源性褪黑素的情况下导致体内褪黑素水平过高

一项研究对2130名患者进行了随机对照试验,发现过量服用褪黑素导致褪黑素水平过高引起的不良事件很少。其中最常报告的不良事件是日间嗜睡头痛、头晕和体温过低

除此之外,有一小部分研究发现过高的褪黑素水平可能对性欲性功能产生负面影响

由于褪黑素的代谢率较高,补充外源性褪黑素通常被认为是安全且耐受性良好的,大多数负面影响要么在几天内自然消退,要么在停药后立即消退。

褪黑素的分解代谢很快

循环中的褪黑素主要在肝脏和大脑中分解代谢。一般来说,褪黑素的半衰期(即分解一半所需的时间)约为30-50分钟。这意味着褪黑素在体内的浓度会在数小时内迅速降低。

在肝细胞中,褪黑素通过细胞色素P4501A2 (CYP1A2) 进行80%的羟基化;然后,在肾脏中,它被磺基结合(占总分解代谢的70%至80%)或与葡萄糖醛酸结合(占总分解代谢的5%)。

CYP1A2确保肝脏分解代谢。即使在肝脏水平,也存在脱乙酰化和脱甲基化途径。脱乙酰后,褪黑素转化为5-甲氧基色胺,氧化后转化为5-甲氧基吲哚乙酸。

褪黑素对人体如此重要,但经常会因一些外部环境生活作息疾病状态导致内源性褪黑素分泌不足,这个时候就需要一些外源性褪黑素来补充

补充外源性褪黑素也有一些注意事项,包括可用的剂量、最佳服用时间、禁忌症


膳食中天然的褪黑素

除了人体自身会分泌褪黑素外,许多食物中也存在一些天然褪黑素,尤其是植物性食品

✦ 许多植物性食品中含有褪黑素

自从20世纪90年代中期在植物中首次发现褪黑素(“植物褪黑素”)以来,各种食用植物草药中的褪黑含量不断被提及。

然而,其浓度范围广泛且不一致,取决于许多因素,例如品种生长条件、发芽、收获和加工(例如烘烤、干燥)等。

尽管褪黑素存在于大多数植物部位,但植物的生殖器官中的含量通常较高,尤其是种子,可能有助于确保植物的生存并抵御环境压力

值得注意的是,褪黑素在植物中的众多作用之一是刺激促进健康的植物营养素(如芥子油苷和多酚)产生。

褪黑素已被记录在下列植物性食品和饮料中:

Minich DM,et al.Nutrients.2022

✦ 动物食品中的色氨酸有助于转化成褪黑素

虽然有几个变量需要考虑,但一般来说,动物性食品中的褪黑激素含量相对植物性食品中较少。根据已发表的文献,牛奶和乳制品、鸡蛋、鱼和肉类(牛肉、羊肉、猪肉)含有一定水平的褪黑素。

相反,动物食品往往是比植物食品更好的膳食色氨酸来源,因此可能需要考虑将这些食物最终转化为大量的褪黑素


形式和剂量

如前所述,虽然一些天然食物含有褪黑素,但其含量较低,因此很难获得足够的治疗剂量褪黑素。必须强调的是,几乎所有褪黑素产品都涉及工业加工,因此可能导致一些潜在毒性

褪黑激素补充剂有多种形式,包括片剂、胶囊、舌下片和液体制剂

• 褪黑素可能产生副作用和依赖性

在临床应用中,据记录,过多的褪黑素或各种缓释剂型会产生副作用,例如第二天健忘症或“褪黑素宿醉”,发现睡了三到四个小时就睡不好,醒来后无法再入睡。长期高剂量服用褪黑素随着时间的推移,个人可能会产生依赖性

注:具有某些基因型的人,例如褪黑激素受体1B(MTNR1B)基因多态性,如果补充褪黑素,可能需要监测糖化血红蛋白

• 补充高剂量的褪黑素会导致体温过低

一项关键研究中,比较了多个剂量:生理剂量(0.3mg)、药理剂量(3mg)和0.1mg的低生理剂量。

研究发现补充0.3毫克/天褪黑素的数据最佳客观。生理剂量(0.3 毫克)可恢复睡眠效率,并将血浆褪黑素水平提高至成年早期的正常水平。药理剂量(3毫克)也能改善睡眠;然而,它会导致体温过低,并导致血浆褪黑素在白天一直保持升高状态

• 一般补充0.5-3毫克/天为宜

临床上补充褪黑素的剂量通常为每日0.5-3毫克;然而,发现剂量取决于产品类型,在某些情况下较低剂量也同样有效。

剂量参数可能会根据健康状况、睡眠问题类型或相关神经病理学等因素而有所不同,因此还需要根据每位患者提供适当的个性化的剂量。


服用时间

• 睡前一小时服用效果较好

从时间角度来看,许多与睡眠相关的研究都表明在睡前三十到六十分钟补充褪黑素效果较好;然而,一些研究表明,提前四个小时服用即可有效。

建议在黑暗环境较弱光刺激下服用褪黑激素,从而模拟基于明暗模式的生理动力学和昼夜节律


禁忌症

根据已发表的报告,口服褪黑素大多被认为是安全的,然而,在某些特定情况下可能需要进一步的临床监督。

• 一些药物会影响褪黑素的代谢

早期研究已发现,大部分褪黑素通过细胞色素CYP1A2代谢,小部分通过CYP1A1、CYP1B1和CYP2C19进行较少的代谢活动。

因此,影响这些酶途径的药物将影响褪黑素的代谢。褪黑素与一种或多种药物同时服用时应谨慎;否则,可能会导致不良副作用(如极度镇静)。

例如,最著名的相互作用之一是褪黑素与抗抑郁药物氟伏沙明的相互作用。该药物是一种已知的CYP1A2抑制剂,可通过减少褪黑素的降解来增强褪黑激素水平。同样,咖啡因也通过CYP1A2代谢,并可增加褪黑素水平

总之,虽然还不全面,但褪黑素可以与具有血液稀释降血糖、降血压、抗惊厥、镇静、抗抑郁或免疫抑制活性的药物、营养素或草药相互作用或受到影响

褪黑素的代谢和活性可能会受到许多饮食补充剂和药物的潜在影响,所有这些都说明了这样一个事实:每个人对褪黑素的个性化反应存在差异,具体取决于他们的饮食和医疗背景

由于缺乏安全性数据,不建议怀孕哺乳期的女性补充褪黑素。然而,有一些迹象表明褪黑素在这两个阶段可能都有好处。因此,让这些女性咨询了解患者个性化需求的健康专业人士是关键。同样,被诊断患有任何疾病的人应咨询其健康专业人员并接受医疗监督。

温馨提醒

调查发现,有的褪黑素产品月销已超过3万件,说明需要使用褪黑素来帮助改善睡眠的人已不在少数。需要注意的是,虽然补充外源性褪黑素可以在一定程度上改善睡眠质量、代谢健康或降低焦虑,但服用褪黑素存在的副作用使其不能成为长久的选择。

而且补充褪黑素主要是针对一些工作昼夜颠倒导致的内源性褪黑素分泌不足造成的睡眠障碍,对于其他原因造成的失眠可能效果一般。我们额外补充的这些褪黑素,并不能促进身体去分泌更多的褪黑素。如果停用褪黑素,可能睡眠情况还会回到原样,并不会解决本质问题

重点还是要从自身生活习惯出发,改善饮食,调节作息规律,增加体育锻炼并定期体检,及时了解自身健康状况。肠道菌群与很多影响睡眠的因素相关,例如压力、消化等,调节肠道菌群可以更全面地从根本上改善睡眠障碍

改善内源性褪黑素的措施

除此之外,调节内源褪黑素的措施有以下几种:

•控制光照暴露,睡前半小时不玩手机

光线会影响褪黑素的分泌,晚上避免暴露于强烈的蓝光,尤其是来自电子设备的蓝光。蓝光会抑制褪黑素的分泌,影响睡眠质量。

•维持规律的睡眠时间

建立健康的睡眠习惯,如果不是因为工作导致的昼夜颠倒,尽量每天保持规律的睡眠时间,避免熬夜睡眠不足

•营造舒适的睡眠环境

保持安静、黑暗和凉爽的睡眠环境,可以使用遮光窗帘、耳塞或眼罩等辅助工具,有助于提高睡眠质量。

•避免过度应激

减少压力和焦虑,通过放松技巧如深呼吸、冥想和瑜伽等来缓解压力,有助于促进褪黑素的分泌。

•适度运动

进行适度的有氧运动,如散步、跑步或游泳等,可以提高睡眠质量和褪黑素的分泌。

•饮食调整

摄入富含色氨酸的食物,如禽肉、鱼类、坚果和豆类,色氨酸是合成褪黑素的必需物质。此外,可以适量摄入富含维生素B6的食物,这些营养素有助于褪黑素的合成和释放。

05
褪黑素目前的临床应用和未来展望

褪黑素在临床上有多种应用,以下是一些常见的褪黑素临床应用


临床应用

•睡眠障碍

褪黑素补充剂通常用于治疗睡眠障碍,如失眠、睡眠时相延迟综合征和非24小时睡眠觉醒障碍。它可以帮助调节睡眠-觉醒周期并提高睡眠质量。治疗睡眠障碍的剂量通常为0.3毫克至10毫克,睡前30分钟至2小时服用。

•时差反应

褪黑素可用于缓解时差反应症状,时差反应是因跨越多个时区旅行而导致的睡眠-觉醒周期暂时中断的症状。

在睡前适当的时间服用褪黑激素,可以帮助调整人体的生物钟,有利于更快地适应新的时区。

•轮班工作睡眠障碍

夜班或轮班工作的人经常会遇到睡眠困难和昼夜节律紊乱。褪黑素补充剂可用于帮助调节睡眠模式改善白天的睡眠质量


潜在治疗疾病

•神经退行性疾病

褪黑素已被研究其对阿尔茨海默病帕金森病和亨廷顿舞蹈病等神经退行性疾病的潜在治疗作用。它具有抗氧化和抗炎的特性,可能有助于保护神经元并减轻神经退行性过程。然而,需要进一步研究以确定其功效和最佳剂量。

•情绪障碍

褪黑素补充剂在治疗重度抑郁症季节性情感障碍等情绪障碍方面显示出良好的前景。它可能有助于调节昼夜节律、改善睡眠并缓解抑郁症状

治疗情绪障碍的剂量可能会有所不同,咨询医疗保健专业人士很重要。

•癌症

褪黑素已被研究其潜在的抗癌特性。它具有抗氧化、抗炎和免疫调节作用,可能可以抑制肿瘤生长并增强癌症治疗的有效性。然而,需要更多的研究来确定其在癌症治疗中的功效和最佳用途。


未来展望

关于褪黑素肠道微生物群相互作用的新兴研究具有重要的临床意义,并为治疗干预带来了希望。

通过益生菌益生元粪菌移植调节肠道微生物群组成和功能可能与补充褪黑素在促进肠道健康和治疗炎症性肠病、肠易激综合征和代谢紊乱等疾病方面具有协同作用。

以下是有关褪黑素-肠道微生物轴未来前景的一些要点。

•时间生物学和个性化医疗

褪黑素肠道微生物群之间的相互作用为个性化医疗增加了时间生物学的维度。考虑褪黑素产生的昼夜节律以及肠道微生物群组成和功能的昼夜变化,有助于优化针对褪黑激素-肠道微生物群轴的干预措施的时间和剂量

•微生物代谢物和褪黑激素衍生物

肠道微生物群可以将褪黑素代谢成各种代谢物,其中一些可能具有不同的生物活性。探索这些褪黑激素代谢物的作用及其与肠道微生物群的相互作用可以发现新的治疗途径

•营养干预

饮食在塑造肠道微生物群组成和功能方面起着至关重要的作用。未来的研究可以调查特定饮食成分,例如色氨酸(褪黑激素的前体)和多酚对褪黑激素-肠道微生物群轴的影响。

了解影响褪黑素产生和肠道微生物群的饮食因素可以为肠道健康的营养干预提供信息。

​Iesanu MI,et al.Antioxidants (Basel).2022

•挑战和未来方向

尽管研究数量不断增加,但该领域仍存在一些挑战和未来方向。需要对肠道微生物群褪黑素测量的研究方法进行标准化,以确保研究之间的一致性和可比性。

需要进行长期临床试验来评估针对褪黑激素-肠道微生物轴的干预措施的安全性有效性最佳剂量

主要参考文献

Iesanu MI, Zahiu CDM, Dogaru IA, Chitimus DM, Pircalabioru GG, Voiculescu SE, Isac S, Galos F, Pavel B, O’Mahony SM, Zagrean AM. Melatonin-Microbiome Two-Sided Interaction in Dysbiosis-Associated Conditions. Antioxidants (Basel). 2022 Nov 14;11(11):2244.

Markowska M, Niemczyk S, Romejko K. Melatonin Treatment in Kidney Diseases. Cells. 2023 Mar 8;12(6):838.

Minich DM, Henning M, Darley C, Fahoum M, Schuler CB, Frame J. Is Melatonin the “Next Vitamin D”?: A Review of Emerging Science, Clinical Uses, Safety, and Dietary Supplements. Nutrients. 2022 Sep 22;14(19):3934.

Repova K, Baka T, Krajcirovicova K, Stanko P, Aziriova S, Reiter RJ, Simko F. Melatonin as a Potential Approach to Anxiety Treatment. Int J Mol Sci. 2022 Dec 19;23(24):16187.

Moon E, Kim K, Partonen T, Linnaranta O. Role of Melatonin in the Management of Sleep and Circadian Disorders in the Context of Psychiatric Illness. Curr Psychiatry Rep. 2022 Nov;24(11):623-634.

Zhao ZX, Yuan X, Cui YY, Liu J, Shen J, Jin BY, Feng BC, Zhai YJ, Zheng MQ, Kou GJ, Zhou RC, Li LX, Zuo XL, Li SY, Li YQ. Melatonin Mitigates Oxazolone-Induced Colitis in Microbiota-Dependent Manner. Front Immunol. 2022 Jan 18;12:783806.

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Miranda-Riestra A, Estrada-Reyes R, Torres-Sanchez ED, Carreño-García S, Ortiz GG, Benítez-King G. Melatonin: A Neurotrophic Factor? Molecules. 2022 Nov 10;27(22):7742.

Zhang B, Chen T, Cao M, Yuan C, Reiter RJ, Zhao Z, Zhao Y, Chen L, Fan W, Wang X, Zhou X, Li C. Gut Microbiota Dysbiosis Induced by Decreasing Endogenous Melatonin Mediates the Pathogenesis of Alzheimer’s Disease and Obesity. Front Immunol. 2022 May 10;13:900132. 

色氨酸代谢与肠内外健康稳态

谷禾健康

色氨酸(Tryptophan,简称 Try)是人体必需氨基酸,也是唯一含有吲哚结构的氨基酸,由食物尤其膳食蛋白质提供,是正常细胞稳态所必需的,是维持细胞生长和协调机体对环境和饮食线索的反应(其中色氨酸代谢物充当神经递质和信号分子)。

不同组织内的色氨酸代谢与许多生理功能有关:

  • 肝脏通过降解过量的色氨酸来调节色氨酸稳态。
  • 免疫细胞将色氨酸降解为犬尿氨酸在感染过程中免疫炎症和肿瘤反应的调节中起着至关重要作用。
  • 肠道色氨酸通过吲哚和芳烃受体(AhR)通路对于肠道屏障健康、肠道免疫功能和肠道感染抵抗力至关重要。

在哺乳动物中,色氨酸是代谢物的生化前体,显著影响哺乳动物的生理机能,包括胃肠道功能、免疫力、新陈代谢和神经系统。色氨酸及其代谢物水平的失衡与广泛的人类病理学相关,包括抑郁症、精神分裂症、自身免疫、神经退化和癌症。同时它也是自身免疫、癌症、神经退行性或肠道疾病的一个非常有吸引力的治疗靶点

本文将总结和讨论色氨酸色氨酸代谢的生理和病理学作用,肠道中色氨酸代谢物的产生和调控、肠道菌群衍生的色氨酸代谢物在全身健康稳态中的作用、以及基于色氨酸代谢药物开发的巨大机遇和挑战。

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01
色氨酸 简介

色氨酸是一种必需氨基酸,是体内许多重要分子的前体。

如果您读过我们很多文章,可能读到比较多是短链脂肪酸。短链脂肪酸(SCFA),尤其是丁酸盐,通常会在肠道菌群失调和慢性疾病的状态下耗尽。

但短链脂肪酸只是肠道代谢物的一大类之一。其他两类——色氨酸代谢物和胆汁酸,在维持肠道健康方面发挥着同样重要的作用。所以我们也将逐步关注和分享它们。

● 什么是色氨酸?

色氨酸是一种氨基酸——我们体内蛋白质的众多组成部分之一。

色氨酸是一种必需的芳香族氨基酸,由连接到吲哚基团 3 位的 β 碳组成。在 20 种常见的经典氨基酸中,色氨酸的分子量最大

虽然色氨酸是蛋白质和细胞中含量最少的氨基酸,但它是大量微生物的生物合成前体和宿主代谢物

大多数游离色氨酸通过犬尿氨酸 (Kyn) 途径 (KP) 血清素途径降解为具有生物活性的化合物。

色氨酸分解代谢途径

血清素途径产生血清素,可进一步转化为 N-乙酰血清素 (NAS) 和褪黑激素,后者对于昼夜节律调节和抗衰老至关重要。

肠道菌群对色氨酸的吸收很重要,限制和调节宿主细胞的使用。在此过程中生成吲哚衍生物扩大了色氨酸分解代谢在不同组织器官中中的通讯作用。

色氨酸是体内许多其他化合物的重要前体,包括:

  • 褪黑激素,一种调节睡眠-觉醒周期的激素;
  • 烟酸(维生素 B3),一种帮助身体将食物转化为可用能量的营养素;
  • 血清素,一种神经递质,在情绪调节和肠道蠕动中发挥作用;
  • NAD,辅酶,沿着 KP 的色氨酸代谢是 NAD 从头合成的来源。

● 色氨酸 / 起源与生产

色氨酸是人体无法产生必需氨基酸,必须通过饮食获取,主要来自动物或植物性蛋白质来源

起源:酪蛋白分离

色氨酸是在 1900 年代初期从酪蛋白(一种在牛奶中发现的蛋白质)中分离出来后被发现的。几年后确定了它的分子结构。

释放:进入血液循环

小肠中膳食蛋白质的消化导致色氨酸的释放,色氨酸可以通过肠上皮细胞吸收并进入血液。色氨酸在血液中循环,主要与白蛋白结合,而在血液循环中只有 10-20% 的色氨酸是游离态被吸收的色氨酸以其游离形式循环或与外周血流中的白蛋白结合。

据报道,健康献血者的总色氨酸平均血清水平为 73 ± 14.9 μmol/l 。

游离色氨酸的一个重要生理功能是对宿主蛋白质合成的贡献。

除了作为蛋白质合成的成分外,色氨酸还是生产多种重要生物活性物质的必需底物。例如,色氨酸是血清素合成(情绪相关)以及褪黑激素(睡眠相关)合成的底物

全身和细胞色氨酸水平食物摄入量、生物转化以及降解色氨酸的途径酶活性共同决定。

● 色氨酸的常见天然食物来源

乳制品、燕麦、香蕉、豆类、黑芝麻、李子干、金枪鱼、奶酪、面包、家禽、花生、黑巧克力、鱼肉、三文鱼、杏仁、南瓜和南瓜子等。

世界卫生组织将推荐的色氨酸摄入量设定为 4 毫克/千克/天,迄今为止,没有关于饮食中色氨酸过量的不良影响的报道。

注:含有色氨酸的食物对于制造激素血清素至关重要。但不应高估其影响。

一般来说,动物蛋白中的色氨酸含量往往高于植物蛋白。虽然色氨酸可以补充形式服用,但最好将其作为全食物中完整蛋白质的一部分。

● 为什么需要色氨酸?

色氨酸在体内的浓度是所有氨基酸最低的,然而,色氨酸摄入量低与抑郁、焦虑、情绪低落、睡眠质量差、视觉认知能力下降以及学习和记忆受损有关。它还可能改变肠道微生物组并削弱肠道免疫力

另一方面人们普遍认为色氨酸过量会导致困倦。比如在美国的感恩节食用大量火鸡,火鸡中的色氨酸含量很高,进食大餐会刺激胰岛素的产生,而胰岛素会清除血液中除色氨酸以外的所有氨基酸,会导致困倦。

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02
色氨酸 / 代谢

大量的数据表明色氨酸代谢的调节对环境条件很敏感,并且会影响生理和行为过程。

它因物种、细胞类型、诱导剂而异,并且可以通过组织之间的相互作用进行调节。

● 宿主色氨酸代谢

这里我们对色氨酸代谢先有个整体的认识:

色氨酸分解代谢主要两条通路:

  • 犬尿氨酸通路
  • 血清素通路

▸犬尿氨酸通路占整体色氨酸降解的约95%

色氨酸 (TRP) 通过犬尿氨酸 (KYN) 通路 (KP) 的分解代谢,该通路占整体色氨酸降解的约 95%,形成主要最终产物 NAD+。

注:犬尿氨酸通路是炎症和免疫反应的重要参与者。

首先,色氨酸被转化为N-甲酰基-L-犬尿氨酸

该反应由三种限速酶之一催化:

  • TDO(色氨酸 2,3-双加氧酶) -肝内
  • IDO1(吲哚胺 2,3-双加氧酶 1) -肝外
  • IDO2(吲哚胺 2,3-双加氧酶 2) -肝外

注:这三种酶都是血红蛋白,并使用分子 O2作为共底物,这也使它们能够利用活性氧 (ROS) 并调节细胞内的氧化还原平衡

IDO 和 TDO 酶不同的组织中表达,暴露于不同的刺激物时被诱导,表明它们在健康和疾病中具有不同的功能。

TDO 在基础条件下催化色氨酸分解,而在免疫调节中具有关键作用的 IDO-1 受到多种刺激物的诱导和调节,例如炎症信号 。

进一步的,N-甲酰基-犬尿氨酸形式酰胺酶将 N-甲酰基-L-犬尿氨酸水解为 L-犬尿氨酸

成为三种具有不同氧化应激和器官毒性特性的替代代谢物

  • 犬尿氨酸氨基转移酶 (KAT) 产生的犬尿酸 (KYNA);
  • 犬尿氨酸酶 (KYNU) 产生的邻氨基苯甲酸 (AA);
  • 犬尿氨酸 3-单加氧酶 (KMO) 生成 3-羟基犬尿氨酸 (3-HK)。

最终在3-羟基邻氨基苯甲酸3,4-双加氧酶(3-HAAO)的催化下,进一步分解为喹啉酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+).

肝外色氨酸犬尿氨酸通路不提供所有必需的酶;因此,其中间代谢物及其特性在这些病症的发病机制和调节中变得至关重要(下图)。

注:在生理条件下,肝外通路仅占整体色氨酸降解的 5-10%.

编辑​

B 族维生素作为辅因子起着至关重要作用

KP 对B族维生素浓度的变化很敏感。维生素 B6(5′-磷酸吡哆醛,PLP)的活性形式影响犬尿氨酸酶 (KYNU) 和犬尿氨酸氨基转移酶 (KAT)。

维生素B6缺乏后,会影响色氨酸代谢。

▸ 大约不到5%的色氨酸会转化为5-羟色胺

通过色氨酸羟化酶(TPH)催化生成5-羟色胺(5-HT),也就是血清素。

doi.org/10.3389/fendo.2019.00158

以上是色氨酸代谢的两种主要途径。感染压力肠道菌群的变化都可以将色氨酸代谢从 5-HT的产生分流到犬尿氨酸途径,因此如抑郁症之类的病理变化,与人类的营养因素、压力和免疫功能有关。


简化的人类色氨酸的主要代谢途径

doi: 10.3390/metabo10050208.

● 色氨酸微生物代谢

肠道微生物未吸收的 L-色氨酸 代谢成几个分子,如吲哚衍生物 [indole-3-aldehyde (IAld)、indole-3-acetic acid (IAA)、indole-3-propionic acid (IPA)、indole-3-acetaldehyde (IAAld)、吲哚-3-乳酸 (ILA) 和吲哚丙烯酸],还有色胺和粪臭素

最近表明,其中一些分子不仅由微生物群合成,而且还通过 L-氨基酸氧化酶 (IL-4I1) 的作用由肿瘤细胞合成,代谢 L -色氨酸 转化为吲哚-3-丙酮酸,随后转化为 IAA、IAld 和 ILA,从而以 AhR 依赖性方式逃避免疫系统、存活和肿瘤运动

AhR 信号免疫反应屏障位点的重要组成部分。它通过作用于上皮更新、屏障完整性和许多免疫细胞类型(如上皮内淋巴细胞、T 辅助 (Th)17 细胞、先天性淋巴样细胞、巨噬细胞树突状细胞和中。

肠道环境的细菌色氨酸代谢

由于不同的微生物拥有不同的催化酶需要两种以上细菌相互合作才能从色氨酸中产生一种代谢物。与动物内源性色氨酸代谢相对简单的背景不同,人类肠道环境在细菌色氨酸代谢方面相对复杂。

肠道菌群通过各种代谢途径产生多种色氨酸代谢产物,例如:

  • 梭状芽孢杆菌将色氨酸转化为色胺、吲哚乳酸(ILA)和吲哚丙酸(IPA);
  • 消化链球菌属(Peptostreptococcus spp.),包括P. russellii,P. anaerobius,P. stomatis可将色氨酸转化为吲哚丙烯酸(IA)和IPA;
  • 乳酸杆菌属(Lactobacilli. Lactobacillus spp.)通过芳香族氨基酸氨基转移酶(ArAT)和吲哚乳酸脱氢酶(ILDH)将色氨酸转化为吲哚醛(IAld)和ILA。

肠道中微生物群相关的色氨酸代谢

不同菌种可能存在相同代谢能力

比如:消化链球菌属的相同代谢功能可能是基于这些菌种拥有苯乳酸脱水酶基因簇,在下列菌群中也发现与它们产生IPA能力一致的同源基因簇

  • Clostridium cadaveris
  • Clostridium botulinum
  • Peptostreptococcus anaerobius

不同菌种之间也存在一定代谢能力差异

比如:几种拟杆菌属梭菌(Clostridium bartlettii)可以产生ILA和吲哚乙酸(IAA),而双歧杆菌属(Bifidobacterium spp.) 产生ILA 。

通过 5-HT、Kyn 和吲哚/AhR 途径的色氨酸代谢途径

doi.org/10.1016/j.chom.2018.05.003

吲哚也是一种种间信号分子,能够控制细菌生理学的各个方面,例如抗生素抗性、孢子形成和生物膜形成。

在不产生吲哚的细菌中,吲哚及其衍生物显着抑制群体感应并调节毒力因子。然而,这些复杂现象在肠道生态系统中的重要性尚未得到具体解决。

微生物代谢的作用在肠道 AhR 活性中占主导地位。事实上,无菌或失调小鼠的肠道内容物缺乏 AhR 激动剂。只有少数共生物种能够产生 AhR 配体,例如Peptostreptococcus russellii罗氏消化链球菌和乳杆菌属已被表征,许多可能仍有待发现。

● 肠道色氨酸代谢平衡

虽然大部分色氨酸被小肠吸收,但其中一些会继续进入大肠,在那里它可以被微生物和宿主细胞作用。从上一小节的阐述,我们可以看到色氨酸在肠道内的三个主要归宿:

1) 吲哚/AhR 通路

肠道细菌直接将色氨酸转化为吲哚和相关分子。就像钥匙一样,其中一些吲哚分子与整个肠道和其他器官细胞表面的芳烃受体 (AhR)结合。这会引发广泛的反应,促进肠道稳态。该途径的活性取决于饮食和微生物群的组成。

2) 犬尿氨酸(KP)通路

一些色氨酸被肠道上皮细胞和免疫细胞吸收,在那里它被 IDO1 酶转化为犬尿氨酸。犬尿氨酸可以进一步代谢为其他分子,例如具有神经毒性作用的喹啉酸。应激、炎症或感染会增加该通路的活性。

3) 血清素途径

色氨酸也被吸收到肠道肠内分泌细胞中,然后通过酶 TpH1转化为神经递质血清素。肠道中的血清素调节肠道运动、分泌和吸收,并在肠-脑信号传导中发挥作用。该通路的活性受禁食、饮食、肠道感染和某些微生物的影响。

当然,关键是平衡。在健康的肠道中,这三种途径是平衡的,从而产生最佳的肠道屏障功能、动力、免疫力和神经功能

宿主生理学中肠道菌群控制下的综合色氨酸代谢

doi.org/10.1016/j.chom.2018.05.003

慢性疾病中,上述三种途径的平衡似乎出现了偏差,导致肠道功能受损和系统性影响。

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03
疾病中的色氨酸代谢

色氨酸及其代谢物水平的失衡与广泛的人类病理学相关,包括肠道疾病、抑郁症、精神分裂症、自身免疫、神经退化、癌症、心血管疾病、过敏、代谢综合征、肥胖、衰老等。

本章节我们对这些疾病中的色氨酸代谢先做个大致了解,后面章节会对各类疾病一一展开阐述。

由于许多 KP 代谢物具有神经活性,因此通常由炎症损伤引起的 KP 酶功能障碍可引发或促进中枢神经系统 (CNS) 疾病

对于中枢神经系统疾病,人们越来越关注通过靶向特定 KP 酶来纠正 KP 代谢物变阻器的变化以实现净神经保护作用,以及色氨酸及其代谢物在调节肠道微生物组和大脑之间的相互作用中的作用。

肠道微生物组对膳食色氨酸吸收和代谢的影响也越来越受到关注,并且与中枢神经系统疾病以及肠易激综合征、胰腺炎和糖尿病具有潜在相关性。

降低维生素 B2 浓度会导致依赖于黄素腺嘌呤二核苷酸的犬尿氨酸 3-单加氧酶 (KMO) 的活性降低。B 族维生素,包括核黄素 (RBF) 和吡哆醇 ,在预防中风和中风后恢复中发挥作用。据报道,异常 KP 与神经系统疾病、癌症、心血管疾病和中风有关。

色氨酸分解代谢——涉及的关键器官

doi.org/10.1038/s41573-019-0016-5

a | 摄入膳食蛋白质后,肠上皮细胞将L-色氨酸转运穿过顶膜进入间质和肠系膜循环。或者,肠道微生物群合成色氨酸并将其代谢为吲哚并将其释放到体循环中。

b | 然后色氨进入肝脏,其中大部分被氧化为乙酰乙酰辅酶 A 并用于合成 NAD+。沿着犬尿氨酸 (Kyn) 途径 (KP) 代谢色氨酸 的肝外器官,包括肾脏、脾脏和免疫细胞,对 Kyn 和 KP 代谢物的循环水平贡献最大。

c | 在促炎性刺激后由骨髓细胞释放的 KP 代谢物抑制 T 细胞反应。

d | 色氨酸、Kyn 和 3-羟基犬尿氨酸 (3HK) 被转运穿过血脑屏障并被星形胶质细胞、小胶质细胞和神经元吸收。星形胶质细胞主要产生具有神经保护作用的犬尿酸 (KA),而小胶质细胞产生具有神经毒性的 KP 代谢物,例如喹啉酸 (QA)。

大约 5% 的色氨酸被代谢为血清素 (5-HT)、5-羟基吲哚乙酸 (5-HIAA)、褪黑激素 (MEL) 和色胺 (TA)。最近研究表明,5-HT除了在神经传递、血管收缩或血管舒张、止血控制和血小板功能中的作用外,还参与调节人体的能量平衡、食欲、肠道蠕动、免疫力、肝脏修复以及心血管和肺部生理学。

疾病中色氨酸代谢的扰动

doi.org/10.1016/j.chom.2018.05.003

使用免疫组织化学监测 KP 代谢物的抗体的最新发展使得能够确定组织中 KP 代谢物的积累

这些工具表明,犬尿氨酸通路在 IDO1 阳性癌症中积累,兴奋性毒性代谢物喹啉酸在脑肿瘤神经退行性疾病的神经元中积累,而黄嘌呤酸 (XA) 是谷氨酸能突触传递的调节剂,定位于躯体和健康大脑中神经元的树突。

色氨酸代谢物与一系列疾病的联系导致人们在治疗上调节 KP 方面付出了巨大努力,特别是通过抑制所涉及的关键酶,包括 IDO1、TDO 和 KMO。

在癌症中,IDO1 和 TDO 的异常激活导致抗肿瘤免疫抑制。近年来 IDO1 抑制剂在癌症免疫治疗中得到了深入研究。

临床试验中有多种化合物,通常与免疫检查点抑制剂等其他药物联合使用。人们普遍预计领先的 IDO1 抑制剂将接近监管批准,但最近的 III 期试验终止引发了对该方法可行性的质疑,并强调需要更深入地了解 KP

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04
神经系统疾病与色氨酸代谢

● 神经退行性疾病中的色氨酸代谢

色氨酸代谢与多种神经退行性疾病有关,包括亨廷顿病 (HD)、阿尔茨海默病(AD)、肌萎缩侧索硬化 (ALS) 和帕金森病 (PD)。

尽管病理生理触发因素各不相同,但所有这些疾病的共同点是容易聚集的蛋白质引起神经元退化,从而导致细胞应激和有害的先天免疫反应

基于人群的研究表明,就这些病理学特征而言,衰老神经退行性疾病之间存在相当大的重叠,个体间差异很大

虽然遗传和环境对色氨酸代谢的影响尚不完全清楚,但据信色氨酸代谢会导致衰老和神经退行性变,并且所涉及的机制即使不完全相同。这一观察得到了小鼠研究的支持,其中 TDO 的缺失已被证明会导致海马体和脑室下区的神经发生增强,可能抵消神经变性

尽管生物标志物研究表明色氨酸代谢在神经退行性疾病患者中的活性不同,目前尚不清楚这是原发性倾向的结果还是神经变性或附带的先天免疫激活的结果。流行病学研究表明,KP 的激活与痴呆症风险增加有关。

然而,很难与生理老化明确区分。KP 对感染性和炎症性损伤的敏感性明显损害了其作为神经变性标志物的稳健性。另一方面,炎症对 KP 的激活可能在多发性硬化症等疾病中的神经炎症和神经变性之间建立联系。

由色氨酸代谢介导的神经变性的潜在机制包括:

  • 通过色氨酸依赖性机制引起的蛋白毒性
  • 通过神经毒性色氨酸代谢物积累引起的兴奋性毒性
  • 通过 NAD +消耗引起的能量失衡

➤ 阿尔茨海默氏病

色氨酸代谢物、肠道微生物和相关的神经炎症变化对阿尔茨海默病的病理生理学有显着影响。

阿尔茨海默患者的肠道微生物分类有显着差异,厚壁菌门和放线菌门减少拟杆菌门增加。CSF 生物标志物升高与某些属的丰度相关,尤其是拟杆菌属和Blautia

一项研究中,发现阿尔茨海默患者的循环色氨酸显著减少尿氨酸/色氨酸比率升高,这反过来又与认知能力较差促炎细胞因子升高相关。

几项临床前研究表明,在阿尔茨海默动物模型中具有保护作用。色氨酸代谢产物以芳基烃受体依赖的方式调节小胶质细胞和星形胶质细胞的活化

此外,延缓阿尔茨海默进展的药物治疗的研究表明,肠道微生物和色氨酸代谢产物在阿尔茨海默的发展中可能发挥作用。

研究人员提供了犬尿氨酸代谢物在阿尔茨海默中的潜在毒性作用的间接证据,因为持续向小鼠腔内灌注犬尿氨酸会导致小鼠后代的学习和记忆缺陷

吲哚途径代谢产物也可能介导阿尔茨海默病的发病。吲哚途径代谢物IPA在体外可抑制淀粉样蛋白-β诱导的神经毒性,并已被开发为治疗阿尔茨海默的神经保护剂。

➤ 帕金森病

帕金森病是一种进行性神经退行性疾病,其中α-突触核蛋白的聚集导致黑质神经毒性,导致多巴胺能神经传递不足

大量数据表明肠道微生物组通过诱导炎性神经毒性参与帕金森发病机制。这些患者肠道拟杆菌属的丰度与运动症状严重程度和促炎性TNFαIFNγ水平相关。尤其是疣微菌门(Verrucomicrobia)与循环中较高水平IFNγ相关,说明了与IDO色氨酸代谢产物的可能相互作用。

最近的研究还表明,帕金森病患者的色氨酸代谢紊乱,是潜在的治疗目标。帕金森患者血浆中3-HK显著升高,3-HANA降低。在这些患者中,犬尿酸显著降低喹啉酸水平与疾病严重程度相关,表明色氨酸代谢产物在加重兴奋性毒性损伤中的潜在致病作用,尽管因果作用仍有待确定。

帕金森患者脑脊液和血浆中的犬尿氨酸/色氨酸比率升高,犬尿氨酸转氨酶活性降低。因此,犬尿酸合成类似物已成为治疗帕金森、亨廷顿病和阿尔茨海默病的神经保护药物。

➤ 其他神经退行性疾病

已知 NMDA 受体过度激活和随之而来的神经元兴奋性毒性在几种神经退行性疾病的发病机制中发挥作用。

——肌萎缩侧索硬化症

犬尿酸可能作为一种内源性神经保护剂发挥其拮抗 NMDA 受体过度激活的作用。临床数据表明了潜在的作用。晚期和延髓起病的肌萎缩侧索硬化症患者的 CSF 中 KA 水平显着升高

——亨廷顿病

在亨廷顿病患者中,产生自由基的 3-HK 在早发性疾病中高度升高,同时纹状体和皮质喹啉酸升高。然而,对于更晚期的疾病,这些浓度会降低

虽然亨廷顿病患者的 CSF 中犬尿酸水平升高,对亨廷顿病大脑的尸检分析显示,与对照组相比,犬尿酸浓度降低血清犬尿氨酸/色氨酸 比率升高。有趣的是,谷氨酰胺重复次数和疾病严重程度与循环色氨酸水平呈负相关

亨廷顿病大鼠模型表明 3-HK 增强了神经兴奋性毒性,而自由基清除剂抑制了这种作用。

犬尿酸的合成类似物在原位产生神经保护和抗癫痫作用。鉴于IPA的抗氧化作用,研究人员还提出使用这种吲哚衍生物对亨廷顿病患者进行神经保护。

➤ 多发性硬化症

多发性硬化症是一种慢性、进行性和复发性中枢神经系统炎性脱髓鞘疾病。许多证据表明,这主要是由B和T细胞驱动的过程。最近,许多靶向B细胞和T细胞活化的药物被证明在预防复发方面具有临床疗效。

多发性硬化患者肠道菌群变化

多发性硬化患者粪便样本的微生物组分析显示,与对照组相比,多发性硬化患者中的MethanobrevibacterAkkermansia增加Butyricimonas 减少

肠道微生物代谢产物参与多发性硬化发病

色氨酸代谢产物和I型IFN信号已显示在多发性硬化的实验性变态反应性脑脊髓炎(EAE)模型中激活星形胶质细胞AHR,从而抑制中枢神经系统炎症

评估这种疾病中的犬尿氨酸途径的研究取得了有趣的结果。复发患者犬尿酸水平升高,而尸检样本显示犬尿氨酸转氨酶活性降低

此外,喹啉酸可能诱导少突胶质细胞凋亡,导致脱髓鞘损伤。在其他EAE模型中,数据显示了有毒的犬尿氨酸代谢产物的集中聚集

在这些模型中,肠道微生物也会影响中枢免疫,因为继发于微生物变化的免疫过度激活会加剧炎症损伤

● 神经精神疾病中的色氨酸代谢

KP 的不平衡导致具有特定神经活性特性的代谢物过多,被认为是导致多种神经精神疾病的原因

 焦虑和抑郁

色氨酸代谢产物,尤其是血清素,与焦虑和抑郁的发病机制密切相关。

促进中枢5-羟色胺可用性的药物,特别是选择性5-羟色胺再摄取抑制剂(SSRIs)、MAO抑制剂(MAOIs)和三环类抗抑郁药(TCAs)已经彻底改变了这些疾病的治疗。

重度抑郁症、自杀倾向与喹啉酸水平升高相关

例如,重度抑郁症与 KP 的 3-羟基犬尿氨酸 (3HK) 分支下的新陈代谢增加有因果关系,导致大脑神经毒性喹啉酸水平高于神经保护性 KA。

同样,与 KA 和吡啶甲酸相比,喹啉酸水平升高也与自杀倾向相关。社会心理压力、感染或细胞因子治疗引起的免疫激活会导致抑郁症状。

系统性 IDO1 激活与抑郁症中 3HK 分支的激活有关

小鼠中的 IDO1 抑制或敲除可减轻抑郁样行为,细胞因子诱导的抑郁症易感性与 IDO1 基因的多态性有关。因此,系统性 IDO1 激活被认为与抑郁症中 3HK 分支的激活有关,但目前尚不清楚为什么 KA 和喹啉酸在对 IDO1 诱导的反应中没有同样上调。

随着对不同疾病过程中肠道微生物组组成的理解的增加,很明显,肠道微生物可能在这些疾病的起源和临床表型中发挥关键作用。

无菌小鼠表现出比常规饲养小鼠更焦虑的行为,这种行为在宿主断奶后不易随着微生物的重新繁殖而逆转,这表明肠道微生物组可能支持心理发育的关键时期

一些益生菌在动物模型和人类中显示出减少焦虑和抑郁的功效。

补充色氨酸减少焦虑?仍然存在争议

  • 补充色氨酸可以减少焦虑,可能是通过提供充足的底物转化为血清素。
  • 在无菌小鼠中发现过多的色氨酸与焦虑行为相关,这表明焦虑和抑郁的病理生理学比单纯由色氨酸缺乏导致的更为复杂。

瑞士乳杆菌R0052长双歧杆菌R0175等物种的益生菌分别降低了小鼠和人类的焦虑增强情绪幸福感和抑郁症状。

患有抑郁症患者粪便微生物移植的小鼠表现出更严重的焦虑,这与更高的循环犬尿氨酸和犬尿氨酸/色氨酸比率有关。

有趣的是,已知慢性应激增加循环色氨酸和皮质醇,由于糖皮质激素诱导的TDO表达增强,导致5-羟色胺代谢向犬尿氨酸及其代谢产物分流

小鼠应激诱导的结果表明,外源性丁酸盐调节应激诱导的抑郁行为,降低海马血清素,增加海马脑源性神经营养因子(BDNF)。

肠道微生物群被抗生素耗尽的小鼠表现出类似焦虑的行为,循环的犬尿氨酸升高。在喂食高脂肪饮食的肥胖大鼠中,花青素可以防止神经炎症,并且循环色氨酸降低犬尿酸增加

➤ 精神分裂症

色氨酸向血清素的转换可能在精神分裂症的发病机制中受损,因为某些TPH1多态性增加了对精神分裂症和自杀的易感性

精神分裂症患者 KA 的水平升高,与认知缺陷相关

精神分裂症和精神病似乎是由 NMDA 受体拮抗剂 KA 的形成增加引起的。在精神分裂症患者的死后大脑和脑脊髓液中测量到 KA 水平升高KA 水平升高与在精神分裂症中观察到的认知缺陷相关、而KA 形成减少与认知功能改善相关。

同样,特别是在发育中的大脑中的神经炎症与精神分裂症的认知缺陷特征有关。KMO中的单核苷酸多态性基因与精神分裂症和双相情感障碍相关,这表明 KP 3HK分支下的流量减少可能使 Kyn 转向 KA 形成,KA 的积累与这些疾病有关

脑脊液中低5-HIAA水平与自杀和攻击行为相关

由于精神分裂症患者皮质犬尿酸水平升高,犬尿氨酸代谢产物也可能起到致病作用。动物模型研究表明,色氨酸抑制攻击性行为,可能与增加中枢血清素的可用性有关。

小胶质细胞突触修剪过度激活

Sekar及其同事发表了一项具有里程碑意义的全基因组关联研究,该研究确定了与精神分裂症发病机制有关的基因位点,这涉及补体C4介导的小胶质细胞突触修剪过度激活。

肠道失调与免疫失调联系起来

鉴于肠道微生物组在介导中枢免疫中的既定作用,以及病例对照研究在精神分裂症患者中的优势,研究人员试图将肠道失调免疫失调联系起来,导致大脑发育关键时期突触修剪过度活跃。

流行病学研究也支持这样的假设,即全身感染诱导的母体免疫激活后代患精神分裂症的独立危险因素

最近的一项研究表明,产前免疫暴露导致额叶皮质C4活性上调。母体微生物组向后代的垂直转移也可能导致持续的免疫功能障碍,增加突触过度修剪的风险

需要进一步的机制研究来了解肠道微生物、色氨酸代谢产物和宿主免疫在精神分裂症和其他神经发育障碍发病机制中的相互作用。

➤ 自闭症

根据循环色氨酸的临床研究和排泄的犬尿氨酸代谢产物的检查,自闭症谱系障碍患者可能缺乏色氨酸

自闭症患者来源的淋巴母细胞的代谢组学分析显示,当色氨酸唯一可用的能量来源时,NADH生成减少,表明这些患者的喹啉酸降解途径可能受损

某些微生物物种可能参与了自闭症的发病机制

几项评估自闭症患者肠道微生物丰度差异的研究将自闭症症状与Prevotella、Coprococcus、Veillonellaceae丰度较低联系起来。

脆弱拟杆菌(一种胰蛋白酶合成细菌),可能会降低自闭症患者的色氨酸可用性。非色氨酸衍生的微生物代谢产物也可能起到因果作用,一项观察自闭症小鼠母体免疫激活(MIA)模型中肠道微生物代谢产物的研究显示,微生物代谢产物4-乙基苯基硫酸盐增加了46倍,如果小鼠被脆弱拟杆菌定殖,则其正常化。

色氨酸代谢在肠道菌群-脑轴中的潜在作用

doi: 10.1093/advances/nmz127

通过各种方式(例如,抗生素和益生菌)对肠道微生物群组成和代谢的调控有助于在 5-羟色胺合成和色氨酸降解途径之间改变中枢色氨酸代谢,从而影响大脑功能和行为。

●  中枢神经系统疾病中靶向 KP 酶

尽管临床试验的重点(部分仍然是)补充或剥夺色氨酸或其代谢物以治疗神经精神疾病,但目前神经退行性和神经精神疾病药物开发的临床前工作主要集中在通过改变神经活性 KP 代谢物的变阻器抑制参与 喹啉酸或 KA 形成的酶

从概念上讲,所有 KP 酶都代表潜在的治疗靶点,并且有几项研究调查了药理学抑制的影响。

例如,IDO1 抑制剂黄连碱已被证明可以减缓阿尔茨海默小鼠模型的认知障碍,尽管其对 IDO1 的特异性尚不清楚。

有趣的是,环氧合酶抑制通过抑制海马 TDO 表达,来防止类似阿尔茨海默模型中的行为下降。当使用 TDO 的药理学抑制剂时,观察到类似的神经保护作用。这些研究连同阿尔茨海默病和亨廷顿病患者中 KP 激活的证据, 表明抑制色氨酸降解中限速的第一个酶促步骤是一种潜在可行的治疗方法,可以抵消由淀粉样蛋白形成蛋白的积累引起的神经毒性

尽管 IDO1 和 TDO 的抑制剂阻止了 KP 代谢物的产生,但这不会直接影响 KA/喹啉酸 喹啉酸变阻器,但会阻止两者的产生。这种治疗方法是可行的,因为它可以防止色氨酸的消耗,这可以减少在临床前模型中观察到的蛋白质毒性。

KAT 在辅助因子 pyridoxal-5-phosphate (PLP) 的帮助下催化 Kyn 转化为 KA。KATII 是哺乳动物大脑中最普遍的 KAT,并且正在寻求作为精神分裂症和认知障碍疾病的药物靶点。由于最近显示 KATII 也能催化 3HK 105形成 XA ,因此之前归因于 KA 的基于抑制 KATII 的效应也可能涉及 XA。

▸ KATII 抑制剂

KATII 的可逆抑制剂已经开发出来,包括 Kyn 类似物 (S)-4-(ethylsulfonyl)benzoylalalanine ( S -ESBA) ,它被证明可以降低大鼠大脑中的 KA 水平

高效和选择性脑渗透不可逆抑制剂 PF-04859989 也报道了相同的抑制模式。然而,这些化合物都没有进入临床研究,这可能是由于它们与 KAT 同工酶和所有其他 PLP 依赖性酶所需的 PLP 辅因子发生不可逆相互作用而引起的毒性。

将 KATII 抑制剂推进临床试验的主要挑战包括由脑 KA 水平降低引起的潜在毒性、获得足够的效力和选择性以及 KATII 抑制剂效力的种间差异的发生。

▸ KMO 抑制剂

为了抑制 KP 的 喹啉酸分支和增加拮抗 KA 水平,KMO 抑制剂正在积极开发中。有关 KMO 晶体结构的信息有助于生成特异性更高的 KMO 抑制剂。众所周知的 KMO 抑制剂 Ro 61-8048已用于大量临床前研究,证明其作用范围从改善神经变性到减少大麻素滥用。

另一种广泛使用的工具化合物,UPF-648, 是一种不含氨基的 Kyn 类似物,在构象上受到环丙基环的限制。这种化合物,以及高效的恶唑烷酮 GSK180(在胰腺炎的背景下研究),是所谓的 I 型 KMO 抑制剂,它模仿 Kyn 并刺激有害的过氧化氢产生。

在一项基于结构的药物化学合作研究中,开发并评估了一种新的芳基嘧啶先导化合物 CHDI-340246,用于治疗 HD。然而,这种选择性 KMO 抑制剂的长期治疗并未显着改变 HD 小鼠模型的行为表型或自然进展,尽管它恢复了电生理学改变。

结构研究最近破译了 I 型和 II 型KMO抑制剂112、121之间的区别。II 型 KMO 抑制剂 GSK065 和 GSK366 显示出比 I 型 KMO 抑制剂更好的类药特性,因为它们具有皮摩尔亲和力、增加的停留时间和不产生过氧化物。

GSK065以GSK3335065(NCT03245619)的名称进入治疗胰腺炎的I期临床试验。有趣的是,KMO 抑制剂的外周给药足以影响 CNS KP 。然而,KMO 抑制剂是否需要穿透血脑屏障才能发挥作用,这仍然是一个有争议的问题。

最后,抑制初始限速 KP 酶 IDO1 和 TDO,它们分别在炎症条件或慢性社会心理压力下诱导,在神经退行性疾病和精神疾病中也可能值得探索。由于这些酶的抑制剂目前正在开发用于癌症治疗,因此可以使用多种化合物在临床环境中测试这些方法。

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05
传染性疾病与色氨酸代谢

● 感染中的色氨酸代谢

几条证据最近揭示了色氨酸代谢作为宿主-病原体相互作用塑造宿主微生物群中免疫反应的重要调节因子的关键作用

通过特定的色氨酸代谢酶,色氨酸代谢在细菌、病毒、真菌和寄生虫感染部位增加。通常以低基础水平表达,在抗原呈递细胞 (APC)中观察到 IDO1 增加,例如树突细胞 (DC) 和巨噬细胞,以响应多种微生物刺激,包括 Toll 样受体 (TLR) 配体(例如,脂多糖 (LPS) , CpG 寡核苷酸和聚肌胞苷酸 。

炎症刺激物诱导IDO1,IDO1 会耗尽色氨酸

此外,据报道,I 型和 II 型干扰素 、肿瘤坏死因子 (TNF)、前列腺素 和膜结合分子 等炎症刺激物可在特定APC类型中诱导IDO1。

在传染病中,IDO1 活性具有多效性,是一把双刃剑。实际上,IDO1 会耗尽色氨酸以饿死和重新编程营养缺陷型入侵者,同时有助于对在急性感染期间未清除的微生物产生 Kyn 依赖性免疫抑制状态或那些已经能够重新激活色氨酸生物合成的。

因此,已经表明色氨酸营养缺陷型病原体对 CD4 + T 细胞激活的巨噬细胞高度敏感。 在特定的环境条件下,色氨酸的微生物营养缺陷型可能会消失。

特定条件微生物重新获得合成必须氨基酸的能力

某些微生物可以在特定的胁迫条件下重新获得合成这种必需氨基酸的能力。此外,天然能够合成色氨酸的微生物群菌株可以在特定感染期间扩大,从而在色氨酸缺乏的条件下提供额外的这种必需氨基酸供应

最近的研究结果表明,结核分枝杆菌等特定病原体可以在压力条件下重新获得合成色氨酸的能力,从而抵消 IDO1 饥饿驱动的抗菌作用。

此外,衣原体在由局部色氨酸剥夺引起的应激条件下进入非复制的持久状态。同样,IDO1 依赖性持久性已被记录在其他细菌物种中,包括肺炎积瘤。

除了调节病原体负荷外,通过 IDO1 活性进行的色氨酸代谢对于抑制最终阻止病原体根除的免疫病理也至关重要。

在这方面,最近对肠道微生物群的研究发现:

色氨酸代谢与通过充当特定 AHR 配体的微生物或细菌毒力因子在粘膜屏障表达的 AHR 激活之间存在重要联系。

值得注意的是,AHR +由于产生色氨酸代谢物(即吲哚 3 醛)的乳酸杆菌的选择性扩增,即使在 IDO1 缺乏的情况下,也会诱导产生IL-22 的第 3 组先天淋巴样细胞 (ILC3s)能够激活 AHR,从而在真菌感染模型中诱导保护性耐受状态。

TDO 在感染过程中的潜在作用

用 LPS 攻击的小鼠肝脏中 TDO 表达增加,而 TDO 缺陷小鼠更容易受到内毒素攻击。因此,在对弓形虫和金黄色葡萄球菌感染进行的体外研究中,已经报道了 TDO 依赖性抗菌和免疫调节作用。此外,代谢组分析揭示了原发性登革热感染患者 TDO 激活的变化。

因此,在宿主细胞中的三种不同色氨酸分解代谢酶中,IDO1 的影响已在几种临床前感染模型中得到解决。具体而言,据报道,IDO1 在体内抑制某些细胞内寄生虫和细菌的复制,例如弓形虫、衣原体和杜氏利什曼原虫。另一方面,弱 IDO1 抑制剂 1-甲基- L – Trp (L-1-MT) 增强了沙眼衣原体抗生素清除的功效,尽管可能涉及额外的 IDO1 独立机制。

IDO1活性还可以在体外抑制特定病毒的复制

例如人巨细胞病毒 (CMV)、2 型单纯疱疹病毒和痘苗病毒。然而,体内情况可能有所不同,因为病毒感染可能会诱导 IDO1 和 KP 逃避宿主免疫反应

由于它们具有诱导 Treg细胞的能力 ,因此 IDO1 消耗色氨酸并产生 Kyn 是抑制抗菌 TH17 和 TH1 驱动的炎症的重要手段

因此,病原体可能会劫持 IDO1 的免疫抑制作用,并利用它们来促进自身的生命周期。在这方面,尿道致病性大肠杆菌(UPEC) 在泌尿道的上皮细胞中诱导 IDO1 ,并且色氨酸分解代谢的免疫反应减弱使得 UPEC 能够成功定植。

HIV-1 等病毒利用 IDO1 的免疫抑制活性建立 HIV 慢性感染

KP 活性的增加也与丙型肝炎病毒感染患者的进行性肝硬化有关。

同样,小鼠感染甲型流感/PR/8/34 (PR8) 会刺激肺部和肺引流纵隔淋巴结中 IDO1 活性的快速升高,导致发病率增加、恢复减慢和肺部效应 T 细胞反应降低,尽管在原发性甲型流感病毒感染期间,IDO1 诱导不会影响病毒清除。在其他情况下,例如在真菌感染中,IDO1 可用作建立共生或慢性感染的逃避机制。

● 在传染病中靶向 KP 酶

在选定的微生物物种中调节特定的色氨酸生物合成途径并靶向宿主细胞中的 IDO1-AHR-微生物群轴可能代表了抗生素开发或补充抗病毒疗法的新颖有吸引力的策略。有必要更全面地了解特定感染期间色氨酸分解代谢酶或下游酶的作用,以便了解旨在调节色氨酸分解代谢以根除病原体同时保持与微生物群平衡的疗法的效用。

基于以上总结的证据,可以假设特定的 IDO1 阻断剂可能会发现潜在的应用作为辅助疗法来提高抗病毒药物的疗效,但可能证明对真菌感染有害,其中色氨酸分解代谢主要通过 IDO1 作用于维持免疫稳态和保护性耐受

然而,这种作用可能构成使用 IDO1 抑制剂作为抗肿瘤药物的潜在缺点(下面讲)。实际上,在使用 IDO1 通路调节剂 1-甲基-D -Trp (D-1-MT)对转移性实体瘤患者进行的 I 期试验中,感染是最常见的不良事件

有趣的是,最近的一项研究表明,KYNU 的靶向抑制会影响铜绿假单胞菌基因表达和群体感应,这表明一种新的潜在抗毒策略。具体而言,与 Kyn 具有结构相似性的S-苯基-L-半胱氨酸亚砜可抑制对铜绿假单胞菌毒力至关重要的邻氨基苯甲酸盐的产生。

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06
自身免疫性疾病与色氨酸代谢

● 自身免疫中的色氨酸代谢

自身免疫是未能发展出对自身的中枢(胸腺)耐受性和外周耐受性维持不足的结果。免疫区室中的色氨酸代谢主要由 IDO1 启动,它代表主要促炎刺激的靶基因。

在这方面,IDO1 介导的色氨酸降解可被视为调节过度活跃的免疫反应的关键反馈机制,这是自身免疫性疾病的标志

IDO1 在发炎组织中转录激活抑制适应性免疫反应的作用已经从最初在胎盘中观察到的维持胎儿耐受性扩展到多种自身免疫性疾病

尽管 IDO1 缺陷不会导致与 Treg细胞重要检查点缺陷相关的整体自身免疫表型,但它与更微妙的炎症表型相关。这种关联可能部分是由于与其他双加氧酶共享的酶功能冗余。越来越多的证据表明,人类自身免疫性疾病是由免疫和/或基质细胞未能上调 IDO1 以响应炎症刺激驱动的。

然而,与自身免疫相关的上调 IDO 的结构性缺陷的潜在原因尚未阐明。连锁分析将IDO1和IDO2基因的多态性分别与克罗恩病的严重程度和风险相关联。需要进一步的研究来确定上调组织中色氨酸代谢的本构或诱导缺陷是否会导致组织特异性自身免疫。

许多针对多发性硬化症、类风湿性关节炎、狼疮和自身免疫性糖尿病的自身免疫性疾病小鼠模型的研究已经证明色氨酸代谢在调节疾病活动中的相关性。

综上所述,这些研究表明 IDO1 在组织驻留的骨髓细胞中表达,并限制自身抗原和炎症病理学的先天性和适应性免疫。

然而,自相矛盾的是,在自发性类风湿性关节炎的动物模型中,使用 D/L-1-MT 对 IDO1 的药理学抑制减轻了疾病的严重程度,这可能是自身反应性 B 细胞活化减少的结果。

这一发现说明了 IDO1 在自身免疫中的复杂免疫调节功能,这取决于细胞区室。例如,B 细胞中免疫抑制细胞因子 IL-10 的表达依赖于 IDO1,这表明 IDO1 不仅会触发免疫抑制机制,还会协调对炎症的复杂免疫调节反应。

重要的是,转录激活和蛋白质表达不一定转化为人类 B 细胞中描述的酶活性。 在这方面,需要更多的研究来阐明 IDO1 的非酶功能。

此外,需要谨慎看待使用 D-1-MT 得出关于 IDO1 功能的关键结论的研究,因为 D-1-MT 不会抑制 IDO1 并显示出相当大的脱靶效应,从而导致 p38 MAPK 通路的激活

对自身免疫性疾病模型的研究表明,与 IDO1 相比,IDO2 充当自身免疫的促进者,特别是由于体液免疫反应的调节。由于致病性自身抗体和抗体分泌细胞的减少,IDO2 缺陷小鼠表现出关节炎症减少。尽管与人类疾病的相关性仍不清楚, 这些研究突出了双加氧酶对色氨酸代谢的复杂和高度分隔的调节。

尽管 IDO1 介导的免疫调节的主要作用被认为是由组织炎症的局部微环境中的活动驱动的,但在患有自身免疫性疾病的患者中观察到色氨酸代谢的全身激活。在干燥综合征患者中,血清中色氨酸的降解增加,并与循环 Treg细胞频率增加有关。

相比之下,在多发性硬化症中,血清中的 IDO1 活性与健康对照相比没有显着差异,但抗炎治疗降低了 IDO1 活性。由于全身性 IDO1 活性会受到大量非特异性和难以控制的刺激的影响,包括感染、压力和营养,尝试通过循环色氨酸代谢物监测组织特异性自身免疫将具有挑战性。然而,对血清中 KP 代谢组的更详细分析不仅揭示了 KP 在多发性硬化症患者中的激活,而且还将 KP 活性的程度与疾病严重程度相关联。因此,KP 活性可以作为能够指导多发性硬化症治疗的预测性生物标志物

● 靶向自身免疫性疾病中的色氨酸代谢

在治疗上针对色氨酸代谢的努力主要集中在开发具有 Kyn 样特性的药物上。

曲尼司特

曲尼司特是一种具有 AHR 激动特性的 AA 衍生物,能够在多发性硬化症和类风湿性关节炎的临床前模型中诱导免疫耐受和改善疾病活动。然而,一项针对类风湿性关节炎患者的 II 期临床试验(NCT00882024)因肝毒性而终止。

拉喹莫德

拉喹莫德是一种喹啉甲酰胺,在开发治疗多发性硬化症时显示出与 KA 的结构相似性,它以 AHR 依赖性方式抑制多发性硬化症临床前模型中的自身反应性 T 细胞免疫和疾病活动

在针对复发和进行性多发性硬化症患者的一系列 II/III 期临床试验中,拉喹莫德未达到预先指定的主要终点,包括减少复发率和残疾进展,因此被终止 (NCT01707992)。

AHR 配体改善自身免疫神经炎症

AHR 的特定内源性配体足够稳定,可以在临床前疾病模型中进行肠胃外给药。2-(1’H-indole-3′-carbonyl)-thiazole-4-carboxylic acid methyl ester (ITE) 通过以 AHR 依赖性方式诱导致耐受性 DC,在实验性自身免疫性脑脊髓炎 (EAE) 模型中诱导 Treg细胞并改善自身免疫性神经炎症

AHR 激活配体也可以与自身抗原偶联,从而导致 APC 的特异性靶向,然后耐受性抑制自身反应性 T 细胞反应,从而抑制系统性自身免疫

从概念上讲,色氨酸代谢也可以通过全身给药色氨酸来增强,色氨酸在口服灌胃后会迅速代谢成 Kyn。尽管这种方法导致 TH17 免疫力的不同抑制,但这并不转化为实验性自身免疫性神经炎症的改善。

阻断IDO1降解,维持外周耐受性

认识到蛋白酶体降解是调节自身免疫中色氨酸代谢的免疫抑制活性的重要机制后,另一种治疗途径是阻断IDO1降解,从而维持外周耐受性

硼替佐米是一种批准用于治疗多发性骨髓瘤的蛋白酶体抑制剂,可防止 IDO1 降解并以 IDO1 依赖性方式在临床前动物模型中改善自身免疫性糖尿病。

基于 IDO1 感受态细胞的疗法

尽管间充质干细胞的过继转移已被证明可以独立于IDO抑制自身免疫性神经炎症的临床疾病活动,但 IDO1 已被证明在其他自身免疫性体内疾病模型中与间充质干细胞的免疫抑制特性密切相关。

增强或诱导宿主 IDO 表达的另一种方法是通过局部基因治疗。例如,腺病毒将 IDO1 递送至移植器官可诱导免疫耐受并防止大鼠发生移植排斥反应。

IDO2 直到最近才成为潜在的治疗靶点

迄今为止,还没有对 IDO2 具有足够特异性的小分子。在自身免疫性关节炎的临床前模型中,一种通过内化靶向 IDO2 的抗体通过抑制自身反应性 T 细胞和 B 细胞减轻了疾病。

新开发的 IDO2 特异性测定系统和基于计算结构的研究可能有助于开发对 IDO1 没有交叉反应的 IDO2 抑制剂。

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07
炎症性肠病与色氨酸代谢

● 肠 病

最近研究强调了肠道色氨酸代谢的改变与肠道微生物的潜在联系。发现 IBD 患者微生物群产生的 AhR 配体减少,这是受遗传因素的影响。与健康受试者相比, 肠道组织中 AhR 的表达降低

IBD还与宿主和肠道细菌色氨酸代谢物的改变有关。IBD 患者的犬尿氨酸和 KA 血浆水平升高,血浆色氨酸浓度降低

几种特定的肠道细菌色氨酸代谢物也参与 IBD 的病理生理学

在患有 IBD 的狗中,被认为在肠道中具有抗炎功能的细菌色氨酸代谢物(吲哚乙酸盐吲哚丙酸盐显着减少。在 IBD 患者中,粪便中 IAA(肠道抗炎功能)水平降低,表明细菌色氨酸代谢减少可能是 IBD 的病因。

此外,在 IBD 患者中,可利用 α-L-岩藻糖苷酶从肠粘蛋白中切割末端岩藻糖残基的细菌数量显着减少,这与来自色氨酸的吲哚丙烯酸吲哚-3-丙酸产量减少有关。

IBD 患者的 IDO1 活性更高

据报道,IBD 患者外周血和结肠细胞中的 IDO1 活性增加。在 IBD 中,增加的促炎细胞因子,包括 IFN-γ、IL-1 和 IL-6,已被建议诱导色氨酸分解代谢途径以降低血浆色氨酸水平,并增加色氨酸分解代谢物水平。

此外,UC 患者血清中的 IPA 降低。在肠道局部观察到 IDO1 过度激活和免疫系统过渡激活。与非活动性 IBD 患者相比,活动性 IBD 患者的 IDO1 活性更高,并且色氨酸和 C 反应蛋白血清水平呈负相关,这一假设得到了支持,C 反应蛋白是一种常用的生物标志物,对炎症反应增加。

IBD 中 5-HT 通路激活的状态存在争议。限速酶TpH1的表达增加在克罗恩病中已报道。

小鼠研究表明AhR 缺乏会增加实验性结肠炎的严重程度

这种结肠炎是由 T 细胞转移或通过施用葡聚糖硫酸钠 (DSS) 以化学方式驱动的。在这些模型中,AhR 缺陷部分通过改变白细胞介素 (IL)-22 的产生来驱动结肠炎,白细胞介素 (IL)-22 是一种对肠道稳态具有众所周知影响的细胞因子。

缺乏 caspase 募集域 9 (Card9)(一种 IBD 易感基因)的小鼠的肠道菌群失调无法将色氨酸催化成 AhR 配体,导致 IL-22 释放减少并最终导致Card9的易感性更高-/-小鼠对 DSS 诱导的结肠炎 。

人类中也发现了一些功能相关性,因为 AhR 的药理学激活减少了促炎细胞因子干扰素 (IFN) γ 的产生,并增加了 IBD 患者固有层单核细胞中 IL-22 的产生。

此外,正如在患有 UC 的人类中观察到的那样,IPA 和吲哚在 DSS 诱导的结肠炎小鼠血清中减,另外的证据表明口服 IPA 在该模型系统中具有保护特性。

KP 的改变也可能在机制上参与 IBD 发病机制

IDO1 -/-小鼠更易患结肠炎,表明 IDO1 是肠道炎症的负调节剂。与 IDO1 缺乏相关的病理损伤部分是由于促炎细胞因子的激活和结肠中 CD4+ Foxp3+ 调节性 T 细胞数量的减少。然而,所涉及的确切机制和代谢产物仍然未知。

众所周知,Kyn 是一种 AhR 激动剂,但在肝癌细胞系中引发报告基因 AhR 活性所需的浓度让人怀疑它在生理条件下作为 AhR 激活剂的相关性,可能涉及导致抗炎代谢物(如 Kna)缺乏的下游代谢途径的改变,但这仍有待证明。在 IBD 的背景下,来自失调微生物群的异常信号可能是 KP 的驱动因素

5-HT 加重肠道炎症

化学诱导的结肠炎的严重程度在TpH1 −/−小鼠和用 5-HT 合成抑制剂对氯苯丙氨酸处理的小鼠中减弱,表明 5-HT 加重肠道炎症。此外,删除 SERT 会导致 5-HT 可用性增加,从而导致实验性结肠炎恶化。

这些促炎作用可能部分是由DC上 5-HT 7受体的激活驱动的。然而,新的线索表明 5-HT 还通过作用于 5-HT 4 发挥抗炎作用对肠上皮细胞屏障功能产生积极影响。

总之,这些数据表明在 IBD 中观察到的色氨酸代谢改变可能在疾病发病机制中发挥积极作用。就这些微生物产生 AhR 激动剂的能力受损而言,微生物群的参与是显而易见的,但也可能解释了在生理条件下微生物群的直接影响下发生的 IDO 和 TpH1 的局部激活加剧。

● 肠易激综合症

IBS 的病因在很大程度上是未知的,但可能与色氨酸代谢受损有关。IBS 患者血清中 Kyn 升高,外周 IDO1 活性与 IBS 严重程度呈正相关

IBS 与通过 KP 增加的色氨酸代谢有关

犬尿氨酸:色氨酸比率 IBS 症状严重程度呈正相关,IFN-γ 激活和随后的色氨酸 IDO1 氧化可能是 IBS 的致病机制

此外,血清素能系统的功能障碍与 IBS 的病理生理学有关。与急性色氨酸耗竭治疗相比,IBS 患者通过急性色氨酸增加治疗进行的 5-羟色胺能调节导致更严重的胃肠道症状。

肠道运动的改变是 IBS 的关键特征之一,与 5-HT 代谢障碍有关

与健康对照组相比,IBS 患者的直肠活检组织中发现 TpH1 和 SERT 表达水平降低。

此外,5-HT 结肠内容物在便秘型和腹泻型 IBS 中分别减少和增加。5-HT 的多效性与其受体的多样性有关,这些受体能够触发特定器官的特定功能。

在胃肠道中表达最多的5-HT 3和 5-HT 4亚型将 5-HT 与内脏伤害感受和运动障碍联系起来。5-HT 的作用已经被开发为治疗靶点,使用 5-HT 3受体拮抗剂和 5-HT 4受体激动剂分别显示出对腹泻和便秘为主的 IBS 的一些疗效。

然而,受肠道微生物群调节的中枢血清素作用紊乱也可能参与 IBS 发病机制。肠道菌群对 5-HT 产生和肠道运动的影响已在小鼠身上得到证实,并表明 IBS 发病机制部分与微生物群对 5-HT 产生的功能失调控制有关。

● 与年龄有关的胃肠功能障碍

高龄增加了个体对胃肠道功能障碍的易感性,这归因于与年龄相关的神经元丢失

5-HT4 激动剂刺激发育中的肠道中的神经突生长和网络形成,也已被证明可以防止神经元凋亡和炎症诱导的轴突变性和自噬

此外,5-HT4 受体激动作用可促进成人肠道神经发生。相应地,其他方面健康的高龄个体表现出循环色氨酸减少,可能会限制血清素的可用性。

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08
衰老和代谢综合征与色氨酸代谢

●  衰 老

衰老与肠道微生物群的变化有关,这通常与胃肠道的生理变化有关,同时免疫系统功能下降可能导致感染、营养不良和其他功能缺陷的风险增加。

老年人菌群特征

老年人的肠道微生物群通常以细菌多样性降低、优势菌种改变、有益微生物减少和兼性厌氧菌增加为特征,所有这些都表明与衰老相关的微生物变化具有潜在的不利影响。微生物群组成的变化与老年人的免疫衰老和炎症有关。

色氨酸代谢受衰老影响

色氨酸在诱导免疫耐受和维持肠道菌群方面起着至关重要的作用。

对老年人和年轻人肠道核心微生物组直系同源基因的分析表明,丰度增加的年龄相关基因参与了色氨酸代谢途径 (ko00380),这与在百岁老人血清中发现的与年龄相关的色氨酸浓度降低一致。研究表明,肠道微生物群对色氨酸消耗的潜在增加可能会影响宿主对色氨酸的生物利用度。

最近的一项研究报告了血清色氨酸水平降低与免疫激活增加之间的关系。还推测微生物群依赖性色氨酸减少会增强百岁老人的炎症

食物传感信号通路调节寿命,与色氨酸关联

几种食物传感信号通路,包括胰岛素/胰岛素样生长因子 (IIS) 通路和哺乳动物雷帕霉素靶标 (mTOR) 通路,已被证明可以调节模式生物的寿命,并且已经提出了类似的关联对于KP途径。

在人类中,表示该通路活性的 Kyn:色氨酸 比率随着年龄的增长而增加。这种增加与 65 岁以上人群的虚弱有关,并预示着 90 多岁人群的死亡率

KP 的活性与衰老之间存在因果关系

此外,对成人个体外周血中年龄相关基因表达变化的荟萃分析将 KYNU 酶(犬尿氨酸酶,色氨酸降解途径关键酶)鉴定为表达差异最大的基因之一。在对秀丽隐杆线虫的后续研究中,通过 RNA 干扰 (RNAi) 敲低 KYNU 比敲低任何其他差异表达基因所达到的寿命更长,这表明 KYNU 对衰老有重要贡献。

连同独立发现,线虫和黑腹果蝇中 TDO 活性的遗传减少, 导致 Trp:Kyn 比率显着增加,延长寿命,这些研究表明 KP 的活性与衰老之间存在因果关系。

Kyn/Trp 分流在炎症中的后果

色氨酸代谢向肝外 Kyn 产生的炎症相关分流,可能影响衰老过程中一系列器官中色氨酸代谢物的功能。

编辑​

doi.org/10.3389/fimmu.2019.02565

与年龄相关的组织稳态下降会导致生理上的低度慢性炎症表型,称为炎症。我们假设色氨酸向Kyn途径代谢,以控制与年龄相关的炎症。色氨酸和Kyn代谢产物的相应紊乱可能与年龄相关疾病和寿命缩短有关。

色氨酸参与调节寿命机制

KP 调节衰老的机制尚不清楚。已经针对不同的无脊椎动物和脊椎动物模型描述了氨基酸(包括色氨酸)在调节寿命方面的作用。在大多数情况下,色氨酸可用性的降低或细胞摄取的阻断可延长寿命。然而,这种机制与 TDO 抑制(增加色氨酸)延长寿命的发现相悖,除非这与细胞摄取减少有关。

此外,用 Kyn 喂养果蝇会缩短寿命,这表明该通路下游的代谢物水平也可能参与寿命的调节。TDO 耗尽对秀丽隐杆线虫延长寿命的影响取决于 FOXO 转录因子 DAF-16,它是寿命调节通路的介质,例如驱动细胞防御通路表达的 IIS 通路,表明它具有保护细胞免受细胞侵害的作用伤害。

有趣的是,防止与年龄相关的蛋白质毒性(这也是由秀丽隐杆线虫中的 TDO 耗尽引起的)不依赖于 DAF-16,并且独立于 KP 63中的下游酶。这一观察结果表明,延长寿命的效果要么是这种保护的结果,要么是由一种独立的机制引起的

由于 NAD +正在成为一种潜在的延长寿命分子,KP 的改变可能通过 NAD +产生延长寿命的效果。然而,无脊椎动物的寿命更长是 KP 活性降低的结果,而通过外部供应其他 NAD +前体来延长寿命则表明 KP 活性的增加也是有益的。

需要更多的研究来理解这些看似矛盾的发现。由于 IDO1 或 TDO 的敲除小鼠是可行的,这些模型对于进一步研究 KP 中的寿命调节机制和潜在治疗靶点可能很有价值。KP 调节的寿命延长效应可能源于一般健康益处,而不是疾病特异性效应。

● 代谢综合征和肥胖

在患有代谢综合征的人类患者中,据报道 IDO1 过度激活会导致血清 Kyn 水平升高以及 Kyn/Trp 比率与肥胖、代谢综合征、BMI 和血液甘油三酯之间的相关性。

肥胖患者IDO1 的局部激活

IDO1和 KP 下游酶(如犬尿氨酸酶 (KYNU)、犬尿氨酸氨基转移酶 (KAT) 和犬尿氨酸 3-单加氧酶 (KMO))的基因表达增加已在肥胖患者的脂肪组织中观察到,表明 IDO1 的局部激活

然而,循环 5-HT 水平在代谢综合征中降低,并且与 BMI 和体脂呈负相关

色氨酸转化产物吲哚衍生物起作用

微生物群通过色氨酸转化产生的几种吲哚衍生物可能在代谢综合征的发病机制中起作用。

吲哚本身已被证明可以刺激内分泌 L 细胞产生胰高血糖素样肽-1 (GLP-1),这是一种刺激胰腺 β 细胞分泌胰岛素的肠降血糖素。这种机制涉及快速抑制刺激 GLP-1 分泌的电压门控 K通道,但受 ATP 合成抑制的长期影响控制,减少 GLP-1 分泌

硫酸吲哚酚促炎和氧化作用,与心血管和肾病等相关

吲哚也在肝脏中被吸收并代谢为硫酸吲哚酚。在肾衰竭期间,这种代谢物会积累,其促炎和氧化作用与动脉粥样硬化、动脉硬化、充血性心力衰竭和其他心血管并发症的发病机制有关,这些并发症在慢性肾衰竭患者中尤为突出。

硫酸吲哚酚在肾功能正常的受试者中的作用仍有待确定。KP 也与动脉粥样硬化有关。在小鼠模型中,IDO1 缺乏症通过 IL-10 产生失调减少了动脉粥样硬化病变的发展,这是一种通过施用 Kna 逆转的表型。在人类中,高 Kna 水平与不稳定的斑块表型相关

低度慢性炎症可能有助于 IDO1 激活

KP 的过度激活也可能参与低度炎症情况下胰岛素抵抗的发生,例如肥胖、抑郁、丙型肝炎病毒感染和心血管疾病。人体和实验数据表明,黄嘌呤酸和 KP 的其他产物对胰岛素的产生和释放以及对靶组织的影响具有有害影响

大脑中产生的血清素会引起饱腹感,但在微生物群的直接影响下产生的肠道来源的 5-HT 不会穿过血脑屏障。然而,色氨酸和直接 5-HT 前体 5-HTP 确实可以穿过血脑屏障,从而间接调节中枢 5-HT 的产生和功能。

外周 5-HT 独立于任何中枢效应影响宿主代谢

肠道来源的 5-HT 能够诱导食欲减退和饱腹感,其水平在禁食期间增加并刺激脂肪组织中的脂肪分解和肝细胞中的糖异生,有利于血糖控制。随后,通过一种涉及产热棕色脂肪组织消耗更多能量的机制,给予高脂肪饮食的 TpH1 基因或化学消融小鼠可免于肥胖、胰岛素抵抗和非酒精性脂肪肝疾病 (NAFLD)。

然而,这些结果可能不适用于棕色脂肪组织含量低且随年龄增长而减少的成年人。此外,人类肥胖与外周 5-HT 减少有关,表明其在发病机制中的复杂作用。

已经使用小鼠模型研究了 AhR 在代谢综合征中的作用,但尚未得出明确的结论。这可能与 AhR 的多重作用有关,AhR 在参与代谢综合征发病机制的各种细胞类型(肠细胞、肝细胞和免疫细胞)中表达。

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09
癌症与色氨酸代谢

●  癌症中的色氨酸代谢

多项证据表明色氨酸代谢在癌症中具有重要作用,通过抑制抗肿瘤免疫反应增加癌细胞的恶性特性来促进肿瘤进展。

首先,色氨酸降解酶在多种癌症中表达

IDO1 在大约 58% 的人类肿瘤中表达,其表达与多种癌症的不良临床结果相关,包括黑色素瘤、妇科癌症、结肠癌和血液系统恶性肿瘤。

IDO1 表达要么作为一种反调节机制被诱导,以响应从肿瘤浸润性免疫细胞释放的细胞因子,要么它的表达通过肿瘤固有的致癌信号传导维持。

TDO 催化与 IDO1 相同的反应,在神经胶质瘤、黑色素瘤、卵巢癌、肝癌、乳腺癌、非小细胞肺癌、肾细胞癌和膀胱癌中表达,并已被证明可促进肿瘤进展

其次,各类癌症患者中全身色氨酸水平降低

已在成人 T 细胞白血病、结直肠癌 、妇科癌症、恶性黑色素瘤、肺癌和恶性神经胶质瘤患者中测量到全身色氨酸水平降低。在患有这些癌症的患者的血液中很少观察到 KP 代谢物浓度升高,这可能表明肿瘤微环境中 Kyn 和下游代谢物的局部变化受到更多限制。

第三,色氨酸降解在调节 Treg细胞和癌症中的免疫细胞浸润中发挥作用

FOXP3 + T reg细胞与宫颈癌引流淋巴结中表达 IDO1 的 DC 直接接触,IDO1 表达与转移性胰腺导管腺癌患者CD4 + CD25 + FOXP3 + T reg细胞增加有关,急性髓性白血病 (AML) 33和非霍奇金淋巴瘤。

此外,IDO1 表达与 CD3 + T 细胞、CD8的低肿瘤浸润相关+ T 细胞和 CD3 +和 CD8 + T 细胞以及 CD57 +自然杀伤细胞分别存在于结直肠癌、卵巢癌和子宫内膜癌患者中。

最近的一项研究表明,肿瘤再生细胞将 Kyn 转移到 CD8 + T 细胞,这反过来又以 AHR 依赖性方式上调程序性细胞死亡蛋白 1 (PD-1)。总而言之,这些观察结果为色氨酸代谢在肿瘤细胞免疫逃逸中的作用提供了机制解释。

第四,色氨酸代谢物可以有效促进癌细胞的运动和转移

例如,体外研究表明,TDO 在胶质母细胞瘤或乳腺癌细胞中的表达可促进肿瘤细胞迁移和侵袭。类似地,IDO1 的过表达增强了肺癌细胞的运动性,而敲除则降低了运动性。

这种促迁移表型也反映在临床前模型中由色氨酸降解引起的转移形成促进。药理学 TDO 抑制减少了肺癌小鼠模型肺部肿瘤结节的数量。

植入小鼠体内的人肺癌细胞中的 IDO1 过表达增加了大脑、肝脏和骨骼中的转移形成,而 IDO1 缺乏减少了转移负担并提高了乳腺癌衍生肺转移小鼠模型的存活率。

此外,TDO-AHR 信号轴促进了对贴壁依赖性细胞从周围细胞外基质分离时发生的程序性细胞死亡的抵抗,这是转移的关键步骤。最后,肿瘤内 IDO1 表达已被证明与结直肠癌肝转移、肝细胞癌远处转移和子宫内膜癌淋巴结转移的频率相关

第五,NAD+ 在癌症生物学中通过色氨酸 de novo 途径产生的作用

在小鼠中,色氨酸代谢受损导致肝脏中从头合成 NAD+ 受到抑制,从而通过 DNA 损伤促进肝肿瘤发生

在人类神经胶质瘤中,从色氨酸重新产生的 NAD+ 赋予对放化疗诱导的氧化应激的抗性。有趣的是,胶质瘤细胞和小胶质细胞合作产生 NAD+。

此外,在人类癌细胞中,IDO1 与通过产生 NAD +改善 DNA 修复和介导对治疗的抗性有关,例如 PARP 抑制剂奥拉帕尼、γ-辐射和化疗剂顺铂。因此,抑制色氨安代谢也可能通过从头形成 NAD +来防止治疗耐药性;然而,根据 NAD +合成所必需的 KP 酶的表达,这种效应可能是组织特异性或细胞特异性的,因此需要进一步研究。

●  靶向癌症中的 IDO1 和 TDO

基于 IDO1 和 TDO 的肿瘤促进功能,已经研究了这些酶的小分子抑制剂用于癌症治疗。临床阶段 IDO1 抑制剂 epacadostat (INCB024360)、navoximod (NLG-919/GDC919)等化学结构已被公开。未公开结构的化合物KHK2455、LY3381916和MK-7162也作为IDO1抑制剂进入临床评估。

TDO 抑制剂(最初被开发为抗抑郁药以提高全身色氨酸水平,从而提高大脑血清素浓度)也正在探索用于癌症治疗,但尚未进入临床试验阶段。

此外,indoximod 正在临床试验中进行研究,但与 L-1-MT 237不同,它们不是 IDO1抑制剂及其作用机制,尽管它似乎与 IDO1 表达有关,但仍存在争议。

然而,IDO1 抑制的最大治疗潜力预计是它与其他疗法的联合使用,这一直是大多数 II 期和 III 期研究的重点。

● 与免疫检查点抑制剂联合

IDO1 抑制剂的临床评估最先进的是它们与针对免疫系统检查点的单克隆抗体的组合,例如细胞毒性 T 淋巴细胞相关蛋白 4 (CTLA4)、PD-1 或其配体 (PD-L1),其中一些已被批准用于近年来治疗多种癌症的基础上部分患者出现前所未有的反应。

然而,由于相当大比例的患者无法从检查点抑制剂中获益,因此人们非常有兴趣确定缺乏治疗反应和治疗耐药性的分子基础,因为这些知识可能表明潜在的联合疗法可以改善反应。

有趣的是,在使用 PD-1 受体阻断剂 pembrolizumab 治疗期间,肉瘤患者的 Kyn:Trp 血浆比率增加,表明 IDO1 可能由免疫检查点封锁诱导。最有可能的是,这种 IDO1 的诱导,预计会抵消免疫检查点抑制的免疫刺激作用,是通过活化的 T 细胞产生的 IFNγ 介导的。

一项临床前研究表明,抑制 IDO1 会略微增强抗 CTLA4、抗 PD-1–PD-L1 和抗 GITR(糖皮质激素诱导的 TNFR 相关蛋白)疗法的疗效

这些发现虽然不大,但引发了对 IDO1 抑制剂与免疫检查点抑制剂联合治疗的广泛临床研究。在 epacadostat 与 pembrolizumab 联合治疗的 I/II 期单臂试验获得令人鼓舞的数据后,在无法切除或转移性黑色素瘤患者中进行了 III 期试验。

尽管 ECHO-301 试验的阴性结果明显代表了 IDO1 抑制剂在癌症免疫治疗中的开发受挫,但它也激励人们利用临床试验来更多地了解 IDO1 抑制剂在癌症中的作用机制,以开发更复杂的生物标志物用于患者选择和治疗监测,并利用该途径中的新靶点,例如 AhR。

●  与免疫检查点抑制剂联合

目前已经计划在验证试验中继续研究 IDO1 抑制剂在联合免疫疗法中的潜力,包括不同于与 PD-1 和 PD-L1 拮抗剂组合的策略。

几项测试 IDO1 抑制剂 epacadostat 与抗肿瘤疫苗联合应用的临床试验正在进行中,可能会显示阻断 IDO1 是否会提高抗肿瘤疫苗接种的功效。这背后的基本原理是干扰素信号对 IDO1 的上调涉及多种免疫相关途径。例如,TLR 的激活通过干扰素诱导 IDO1 表达。

抑制抗肿瘤免疫反应的其他几种途径也与驱动色氨酸降解酶的肿瘤表达有关,包括 AhR 信号、TGFβ 信号和信号转导和转录激活因子 3 (STAT3)。

因此可以设想两种情况:

• 如果这些途径的抑制剂非常有效并且同时完全消除了色氨酸降解酶的表达,那么它们可能会使 IDO1 或 TDO 抑制剂在这种情况下变得可有可无。

• 相反,如果这些药物不能完全减轻 IDO1 和/或 TDO 的表达,它们可能与色氨酸代谢抑制剂协同作用。相比之下,其他治疗方法可能会诱导 IDO1 作为一种不良影响,这表明这些疗法与 IDO1 抑制剂的组合可能是有益的

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10
肠内外健康与色氨酸代谢

前面概述了色氨酸及其在肠道中的三种命运。在这里主要谈论吲哚/AhR 通路,将深入探讨 AhR 信号的好处、为什么大多数人都缺乏这种途径、增加肠道中 AhR 活性的潜在策略,以及 AhR 可能被过度刺激的一些例外情况。

● 什么是AhR?

芳烃受体 (AhR)是一种转录因子——一种调节基因表达的蛋白质。结合并激活受体的分子称为激动剂

AhR 的激动剂(即激活剂)主要分为三类分子

  • 环境污染物

AhR 最初因其在对二恶英和其他芳基碳氢化合物等环境毒素作出反应中的作用而被发现。这些污染物是 AhR 的非常强的激活剂。它们的结合增加了有助于促进其解毒的酶的表达。

  • 肠道细菌色氨酸代谢物

肠道细菌,包括各种梭菌属、拟杆菌属、真杆菌属、乳杆菌属和双歧杆菌属,可以直接将色氨酸转化为称为吲哚的化合物,其中许多结合并激活 AhR

  • 膳食化合物

近年来,膳食化合物也被证明可以激活 AhR。Indole-3-carbinol (I3C) 是一种源自十字花科蔬菜分解的化合物,可以结合并激活 AhR

虽然环境污染物对 AhR 的慢性激活可能对健康产生负面影响,但肠道代谢物和膳食化合物对 AhR 的瞬时激活具有许多积极的下游影响

● 肠道 AhR 激活的诸多好处

规律的、短暂的 AhR 信号在肠道和整体健康中起着许多重要作用。

1) 维持肠道屏障功能

AhR 刺激肠道中的先天免疫细胞产生细胞因子 IL-22,这是一种促进粘液产生和抗菌肽分泌的信号分子。在称为隐窝的肠道屏障口袋中,AhR 还支持干细胞增殖,这对于正常的肠道更新和修复至关重要。

2) 调节肠道菌群的组成

缺乏 AhR 刺激会导致促炎性肠杆菌科的扩张和产丁酸梭菌的减少,这是肠道菌群失调的常见特征。

3) 维持肠道免疫细胞群并减少炎症

AhR 支持肠道上皮细胞内足够数量的淋巴细胞。它还在将调节性 T 细胞引导至肠道并支持其抑制炎症的能力方面发挥关键作用。

4) 调节肠神经系统和肠蠕动

AhR 已被证明在调节蠕动方面发挥作用,蠕动是沿着胃肠道移动食物的肌肉收缩。AhR 也可能与损伤后肠神经的再生有关。

5) 防止念珠菌和其他肠道感染

AhR 激活通过支持 IL-22 信号传导在维持对酵母白色念珠菌和细菌病原体的定植抗性方面发挥重要作用。

6) 支持肺部的免疫防御

肠道 AhR 在防止其他粘膜表面(如肺)感染方面也起着重要作用。2019 年的一项研究发现,抗生素治疗后提高肠道中的 AhR 活性可显着减少肺部致病菌数量。

7) 促进健康的皮肤屏障功能

肠道 AhR 对于维持皮肤屏障的完整性至关重要。2016 年的一项研究发现,从饮食中去除 AhR 配体会损害皮肤屏障功能,而重新添加 AhR 激活剂吲哚-3-甲醇可挽救屏障缺陷,即使在老年小鼠中也是如此。

8) 激活解毒途径

AhR 在许多物质的解毒中发挥作用,包括多环芳烃、霉菌毒素、重金属和雌激素,激活整个身体的 解毒途径。

9) 保护肝肾功能

来自肠道色氨酸代谢的 AhR 信号也被证明可以预防非酒精性脂肪肝、酒精性肝损伤和肾纤维化。

10) 支持神经系统健康

星形胶质细胞中通过 AhR 发出的膳食色氨酸代谢物信号已被证明可以限制中枢神经系统的炎症。肠道 AhR 活性还促进成人神经发生,即新神经元的形成。

AhR 信号减少:许多慢性病的一个特征

在多种慢性疾病中观察到肠道 AhR 活性降低,包括炎症性肠病、肠易激综合征、结直肠癌、肥胖、代谢综合征、高血压、动脉粥样硬化、抑郁症、炎症性皮肤病、乳糜泻和多发性硬化症等疾病。

● 是什么导致 AhR 信号减少?

影响因素很多,包括:

  • 肠道生态失调

改变的肠道微生物群组成通常无法产生已知可激活 AhR 的化合物,包括色氨酸衍生的吲哚和短链脂肪酸丁酸盐。

  • 低蛋白质或低质量的饮食

色氨酸(细菌吲哚形成的底物)的摄入量减少和/或植物性食物中 AhR 激动剂的摄入量减少都会减少 AhR 激动剂的总量。人造甜味剂的消费也被证明会减少 AhR 信号。

  • 压力、炎症或感染

压力、炎症和某些类型的感染可以将色氨酸代谢从 AhR 转移到其他途径(后面我们会持续分享)。

解决这些根本原因始终是恢复 AhR 活动的第一步。

● 增加 AhR 活性的其他策略

以下是已知会暂时增加 AhR 活性的其他干预措施的总结。但是需要注意 AhR 激动剂具有物种特异性和组织特异性作用。它们的效果还取决于浓度,在存在多种化合物的情况下,它们甚至可能相互竞争——因此虽然这里列出了很多可能性,但“厨房水槽”方法并不一定是理想的。

希望在接下来的几年里,我们将看到更多的人体临床试验,以阐明这些疗法中的哪些可能对以 AhR 缺陷为特征的疾病状态最有帮助。以下信息不能视为医疗建议。

▸Indole-3-carbinol (I3C)

这种化合物由球芽甘蓝、卷心菜、西兰花、花椰菜和芥菜等十字花科蔬菜中的葡糖甘蓝素分解产生,是一种有效的 AhR 激活剂

在动物模型中,I3C 已被证明可以诱导调节性 T 细胞的形成、抑制 Th17、保护粘液层、增加丁酸盐的产生、上调 PPAR-γ 并防止结肠炎。还对其潜在的抗癌抗氧化作用进行了研究。虽然 I3C 或其衍生物二吲哚基甲烷 (DIM) 以补充剂形式提供,但较高剂量可能存在风险且人体研究有限,因此最好以整个食物形式食用 I3C。

注意:为了最大限度地提高膳食 I3C 的生物利用度,食用酸菜等生发酵形式的十字花科蔬菜,或在烹饪后加入芥末籽粉(含有黑芥子酶)。

▸丁酸盐

一种短链脂肪酸,是人肠上皮细胞中 AhR 的直接激活剂。在健康的肠道中,丁酸盐是由膳食纤维的发酵产生的,在较小程度上是蛋白质的发酵。它也以补充形式提供。一定情况下对结肠需要更有针对性。

▸尿石素 A

这种化合物由石榴、覆盆子和黑莓中的鞣花单宁分解产生,已被证明可以通过 AhR 增强肠道屏障功能。然而,估计只有 30-40% 的人拥有可以进行这种转化的细菌。尿石素 A也可以作为补充剂服用,并且作为食品成分已获得 FDA 公认的安全状态。

▸阳光照射

2019 年的一项研究发现,在小鼠身上,仅 15 分钟的 UV-B 照射就会诱导 AhR 靶基因在血液和外周组织(包括肠道)中的表达。

▸婴儿双歧杆菌Bifidobacterium infantis

该菌株在人乳低聚糖上生长后产生吲哚-3-乳酸,一种 AhR 的激活剂。它已在婴儿中得到充分研究,可用作婴儿益生菌。该菌株尚未在成人中进行研究。该配方确实含有大量的乳糖和残留量的大豆。

▸鼠李糖乳杆菌

某些乳杆菌菌株已被证明在色氨酸丰富时自然产生 AhR 激动剂。发现唯一已知可增加 AhR 活性且可商购的菌株是鼠李糖乳杆菌GG

但是注意,不建议在使用抗生素期间或之后立即使用基于乳酸杆菌的益生菌,也不建议患有组胺不耐受/肥大细胞活化综合症的人服用。

Akkermansia muciniphila

至少在一项动物研究中,这种细菌或其外膜上的一种蛋白质增加了循环中的吲哚化合物并上调了 AhR 靶基因。

▸美沙拉嗪 (5-氨基水杨酸,5-ASA)

该药物是炎症性肠病 (IBD) 的一线治疗药物。这种药物上调 PPARgamma 和促细胞凋亡和抗增殖作用的能力。有趣的是,美沙拉嗪似乎也能激活 AhR。

▸咖啡

咖啡提取物,尤其是过滤较少的咖啡,如土耳其咖啡,已被证明可诱导肠上皮细胞中的 AhR 表达,并在啮齿动物模型中预防结肠炎。

▸萝卜硫素

虽然这种化合物的作用通常归因于 Nrf2 通路,但 AhR 似乎介导了它的许多保护作用。在喂食西方饮食的小鼠中,萝卜硫素增加了肠道中吲哚乙酸的产生,从而上调了 AhR 活性

▸多酚

槲皮素、白藜芦醇和姜黄素都可以通过抑制控制 AhR 激动剂分解的 CYP1A1 酶来间接激活 AhR。其中,槲皮素在增强 AhR 信号传导方面最有效。

▸血清素

这种神经递质及其副产物 (5-HIAA) 也可以通过部分抑制 AhR 配体的清除来间接激活 AhR。这种效果取决于功能正常的血清素运输。

关于反馈调节而不是长期过度刺激 AhR 的重要性的说明:

这里不能忽略AhR 过度刺激的问题。虽然大多数慢性炎症性疾病都以 AhR 缺陷为特征,但在少数情况下,AhR 可能会过度激活,从而产生负面后果。这通常是由于污染物或霉菌暴露、严重病毒感染、或慢性肾病等引起的显着环境毒性。

这些条件的特点是持续的 AhR 激活,其对基因表达的影响与短暂的 AhR 激活截然不同。相反,由于某些解毒酶的上调,结合 AhR 的天然化合物在结合 AhR 时会被有效代谢。这种负反馈回路确保 AhR 信号是短暂的。

拥有足够的维生素,尤其B12 叶酸可以防止慢性 AhR 过度刺激。尽管如此,在某些极端毒性或感染的情况下,短暂的 AhR 刺激是不提倡的。

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靶向肠道菌群:平衡色氨酸代谢的潜在方法

●  益 生 菌

益生菌,如属于乳杆菌属双歧杆菌属的细菌,对色氨酸代谢产生有益影响。

益生菌促进血清素合成

一方面,益生菌,如乳杆菌和双歧杆菌中的物种,可以直接将色氨酸转化为血清素

另一方面,一些益生菌乳杆菌菌株,如干酪乳杆菌327,可以通过增加TPH1表达间接促进结肠血清素合成。

益生菌与犬尿氨酸途径的调节密切相关

与血清5-羟色胺水平升高一致,大鼠口服约氏乳杆菌(Lactobacillus johnsonii) 无细胞上清液,也会导致血清中的犬尿氨酸水平降低,同时肠道IDO活性降低。口服约氏乳杆菌8周后,观察到人血清犬尿氨酸水平下降色氨酸含量增加的明显趋势。

此前的一项研究还表明,大鼠服用益生菌婴儿双歧杆菌( Bifidobacteria infantis)会导致色氨酸水平升高,血液循环中的犬尿氨酸与色氨酸比率降低

这些研究表明,一些属于乳杆菌和双歧杆菌的益生菌物种可能通过抑制犬尿氨酸途径改变宿主色氨酸代谢。

益生菌将色氨酸降解为吲哚化合物

此外,据报道,一些属于乳杆菌的细菌能够将色氨酸降解为吲哚化合物,如IAld、ILA和IAA。

向结肠炎易感小鼠口服3种色氨酸代谢乳杆菌菌株可促进微生物色氨酸新陈代谢芳基烃受体(Ah)依赖性信号传导,从而影响外周色氨酸的有效性。

尽管操纵肠道微生物群影响色氨酸代谢途径的机制尚未完全了解,但以肠道微生物群为靶点可能是调节色氨酸新陈代谢的一种有前途的方法。

●  抗 生 素

口服抗生素能够重塑肠道微生物群的组成和代谢。口服广谱抗生素会导致肠道微生物群耗竭,降低结肠血清素水平,进而延缓小鼠结肠运动。

正如结肠中关键合酶TPH1的下调所证明的,这项研究指出了共生微生物群在调节肠道血清素合成中的可能作用。

据报道,抗生素的微生物操纵会影响犬尿氨酸途,因为抗生素诱导的微生物群耗竭会导致小鼠和猪的循环色氨酸可用性增加,并降低沿犬尿氨素途径的代谢。

此外,一些研究表明,抗生素诱导的肠道微生物改变也有利于猪体内的微生物色氨酸降解途径。随着循环色氨酸水平的增加,口服抗生素降低了空肠中色氨酸的可用性,并降低了猪大肠中的微生物色氨酸脱羧活性

此外,口服抗生素会增加猪大肠中吲哚和吲哚化合物的含量。

有趣的是,最近的一项研究表明,回肠末端输注专门针对大肠微生物群的广谱抗生素会导致血液循环中的色氨酸水平降低,并增强微生物色氨酸降解,从而增加大肠中的吲哚水平。与之前的研究结果相反,该研究的发现表明,肠道微生物群在响应抗生素操作而调节色氨酸代谢方面发挥了独特的作用。

●  饮 食

饮食被认为是影响微生物色氨酸代谢的重要因素

高脂肪饮食:抑制微生物从色氨酸向吲哚代谢物的转化,从而影响免疫调节

例如,最近的一项研究表明,高脂肪饮食耗尽小鼠盲肠中的微生物代谢产物IAA和色胺,这表明在高脂肪饮食下,微生物色氨酸降解途径可以减弱

高脂肪饮食增加AlistipesBacteroides的丰度,同时减少了 Faecalibacterium。高脂肪饮食增加致病菌属Alistipes,同时减少了有益菌 Parabacteroides distasonis ,导致小鼠肠道屏障功能受损

高脂饮食显著增加小鼠肠道的IDO活性,促进色氨酸分解代谢为犬尿氨酸。

在暴露于高脂饮食的情况下,肠道微环境受到影响,随后抑制微生物从色氨酸向吲哚代谢物的转化,特别是吲哚-3-丙酸、吲哚-3-乳酸和吲哚乙酸盐。这些代谢物被认为是 AhR 激动剂,在免疫调节中起着关键作用。

配方奶:影响新生猪色氨酸代谢

母乳不仅是早期营养的唯一来源,而且有助于宿主肠道微生物群的成熟。有趣的是,之前的一项研究发现,配方奶引起的肠道微生物群的改变使新生猪结肠中的色氨酸代谢从血清素转变为色胺。

碳水化合物:影响色氨酸代谢速率

微生物色氨酸代谢的速率可能会受到管腔内营养物质(如碳水化合物可用性变化的影响。

正如先前的体外研究所证明的,从仔猪粪便中分离出的一株利用色氨酸的细菌使用色氨酸进行细菌蛋白质合成,以可消化碳水化合物(葡萄糖)为底物,而不可消化碳水化合物(低聚果糖)是吲哚产生的底物。

此外,通过添加不可消化的碳水化合物,如低聚果糖和抗性淀粉增加碳水化合物的可用性,促进碳水化合物代谢,从而增加短链脂肪酸的产量,同时减少色氨酸降解和仔猪大肠中的吲哚化合物。

事实证明,通过盲肠淀粉输注增加大肠碳水化合物的可用性可以抑制微生物色氨酸降解,从而导致大肠和血清中色氨酸水平的增加

这些研究表明,增加碳水化合物的可用性抑制了肠道中的微生物色氨酸降解,这将进一步影响循环色氨酸库。

相比之下,增加碳水化合物的可用性促进了肠道血清素的合成,这与增加胃肠道传输有关,正如先前在口服多糖的小鼠中进行的一项研究所报告的那样。微生物短链脂肪酸的产生增强可以参与这一过程,因为它们已经被证明可以刺激结肠EC中的血清素释放。

腔内色氨酸可用性是影响微生物色氨酸代谢的另一个直接因素

IDO激活或饮食限制导致的宿主色氨酸耗竭可减少微生物增殖,尤其是乳酸杆菌中的细菌,据报道,其中一些细菌是利用色氨酸的细菌。通过饮食喂养选择性地恢复色氨酸水平导致乳杆菌的扩张,这进一步导致微生物色氨酸代谢的增强,IAld增加

鉴于色氨酸也会被宿主直接吸收,肠道微生物群管腔色氨酸可用性宿主色氨酸代谢之间的复杂串扰需要进一步研究。

富含麦麸的饮食在调节色氨酸代谢物的合成和生物转化中的作用

富含麦麸的饮食有效地抑制了色氨酸向犬尿氨酸途径代谢物的转化,同时增加了褪黑激素和微生物分解代谢物,即吲哚-3-丙酸、吲哚-3-乙醛和 5-羟基-吲哚-3-乙酸。

麦麸增加促进健康的细菌(例如,AkkermansiaLactobacillus),它们与色氨酸衍生的吲哚类代谢物显著相关

富含麦麸的饮食可有效调节与免疫功能相关的微生物转化和色氨酸合成(即增加 AhR 和 IL-22 的结肠表达),同时改善葡萄糖和脂质稳态,以及增加肠道健康促进菌的丰度。

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结 语

色氨酸代谢调节炎症、肠道稳态和大脑功能等。色氨酸可用性和代谢的微生物调节对许多肠脑轴疾病具有重要意义,包括伴有精神疾病的胃肠道疾病,如IBS 、IBD,其他具有胃肠道功能障碍的中枢神经系统疾病,如自闭症等。

由于宿主色氨酸代谢直接或间接受肠道菌群调节,许多因素会影响肠道微生物群的组成和代谢,包括饮食、抗生素、益生菌等可以调节肠道微生物群,调节色氨酸的可用性,因此靶向肠道菌群干是治疗肠脑轴疾病的有前途的方法。

色氨酸代谢可以作为与年龄相关的病理和寿命的调节剂。犬尿氨酸通路及其代谢产物可能成为预测衰老相关疾病的潜在风险标记物

色氨酸主要经犬尿氨酸代谢,既促进肿瘤细胞固有的恶性特性,又限制肿瘤免疫,因此它是癌症免疫治疗的重要药物开发靶点。肿瘤中色氨酸代谢的改变常伴随色氨酸相关酶基因表达的异常,基于此,IDO抑制剂、TDO抑制剂及联合治疗被应用于大量的临床试验中。

随着这方面研究的不断深入,我们会持续关注和更新色氨酸代谢和全身健康稳态以及药物进展等。

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为什么会餐后疲劳?

谷禾健康

热门综艺《向往的生活》第四季中,嘉宾岳云鹏的“吃了就困”,“吃了睡,睡了吃”…意外抢镜。

他说自己,吃完饭就犯困 ↓↓↓

对于 “饭后就困” 这件事,网友们表示太真实,自己也一样 ↓↓↓

生活中,我们会发现很多人吃完就会感到疲倦,想睡觉,那么,

为什么吃完饭会想睡觉?

所有人都是这样的吗?

有没有可能通过一些方法改善?

……

饭后感到疲倦的程度可能会因人而异,因为它可能取决于许多因素,包括年龄、健康状况、食物的数量和类型、一天中就餐时间等等。

本文将归纳整理“餐后疲劳”的一些原因,从而帮助预防改善餐后疲劳。

Part 1 餐后疲劳原因

关于人们饭后感到困倦的原因,科学家们有许多假设。

根据一项实验假设,困倦的原因之一与下丘脑有关。这个假设主要在动物身上进行了测试。

科学家认为几个下丘脑区域,例如视交叉上核 (SCN)、外侧下丘脑 (LH) 和下丘脑腹内侧核 (VMH),与睡眠、清醒和食物摄入的调节有关。

睡眠和进食之间有很强的双向互动。

我们知道,身体需要能量来运作和生存。人体从食物中获取能量,食物通过消化过程分解并转化为燃料或葡萄糖,然后大量营养素为身体提供能量。这个消化代谢过程触发体内的各种反应。

以下列举的每一种原因都可能与餐后疲倦有关,虽然每个原因都是不同的,但餐后疲劳可以由这些因素的任意组合引发。

01  糖和精制碳水化合物

单糖和精制碳水化合物会迅速分解成葡萄糖,这可能会引发更突然和明显的疲劳。

研究表明,高血糖抑制控制清醒的食欲素。食欲素在下丘脑中最为活跃。

这里要提到orexin/hypocretin(食欲素/下丘脑分泌素)。

食欲素是一种调节清醒和食欲的神经递质。大脑在下丘脑中包含大约 10,000 到 20,000 个神经元,但这些神经元的轴突延伸到整个大脑和脊髓,那里也有食欲素的受体

它有什么作用?

科学表明,大脑食欲素神经元刺激清醒、警觉、进食、寻求奖励和健康的葡萄糖平衡。食欲素被认为是迄今为止最重要的唤醒刺激剂

因此,将白面包等精制碳水化合物换成高纤维(低升糖指数)碳水化合物对整体健康更好。

02 炎症和食物敏感性

研究人员认为,有些人饭后感到疲倦的另一个可能原因与炎症有关。TNF和IL-1b等炎性细胞因子似乎会抑制促进清醒的食欲素

研究速递 | Science揭示肠道微生物群和代谢产物在电离辐射中的保护作用

谷禾健康

电离辐射可以引起造血系统,肠道系统以及心脑血管神经系统的多器官损伤。

放射治疗在临床上被广泛用于治疗多种肿瘤。但是由于放射射线不仅可以杀死癌细胞,还会对周围的正常细胞和组织造成损伤,因此放疗经常会引起各种副作用,比如疲劳,恶心,呕吐和腹泻等等。

肠道是辐射的主要目标,也是肠道菌群的最大生态位。虽然有小部分描述性研究表明,肠道微生物群与辐射损伤之间存在潜在的相关性,但这种关系的具体基础仍然不清楚。

近日,来自美国北卡罗拉纳大学教堂山分校的 Jenny P.Y. Ting 团队在 Science在线发表研究论文,题为“Multi-omics analyses of radiation survivors identify radioprotective microbes and metabolites”。

发现在致死剂量的全身性辐射模型中,肠道微生物群,特别是LachnospiraceaeEnterococcaceae可以保护小鼠抵抗辐射引起的造血系统和肠道系统的损伤,从而在致死剂量的辐射后存活下来。并且这些有益的微生物在放疗副作用轻微的白血病病人的粪便中含量显著提高。

通过靶向性以及非靶向性代谢组学研究,该研究发现SCFAs和色氨酸代谢物能降低肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-6、干扰素-γ等促炎细胞因子的生成,这些细胞因子都是辐射损伤的重要介质。

这些发现提出了肠道微生物群和代谢产物在辐射激发后疾病易感性调节中起关键作用的可能性


研究人员发现,一小部分小鼠可以在高剂量的辐射下存活并正常生活。这些“精英幸存者”拥有一个独特的肠道微生物组,该微生物组是在辐射后形成的。

然后将这部分小鼠称为“精英存活小鼠”,并且收集了他们的粪便进行16srRNA的测序。与同年龄的对照小鼠相比,“精英存活小鼠”的肠道菌群有很明显的不同。

随后,研究人员通过多种不同的菌群干扰实验来直接验证肠道菌群是否可以影响机体对于辐射的反应。在“dirty cage sharing”(脏笼)实验中,作者将“精英存活小鼠”和同年龄常规饲养的的对照小鼠使用过的脏笼子收集起来,用来饲养SPF小鼠和接受者小鼠。

每一周他们都会将接受者小鼠转移到相对应的新鲜脏笼中。经过8周的 “dirty cage” 实验,对接受者小鼠进行致死剂量的辐射。

接受了 “精英存活小鼠” 脏笼子饲养后的接受者小鼠对致死剂量辐射具有了明显的抵抗效果,30天内生存率达到了70%。相反,接收对照组脏笼子饲养的接受者小鼠,30天存活率仅为20%左右。

另外,作者分别利用SPF小鼠和无菌小鼠进行了粪菌移植实验。

接下来他们直接收集了“精英存活小鼠”和对照小鼠的粪便,并将粪便处理物通过灌胃的方法转移到受体小鼠中。接收“精英存活小鼠”粪便移植的SPF小鼠和GF小鼠都表现出明显的抗辐射效果。

利用这一发现,结合粪便植入和‘dirty cage sharing’实验,证明来自精英幸存者的微生物群在无菌的和常规饲养的接受者中均提供了重要的放射防护,其特点是提高了存活率并改善了临床评分

他们找出了8种在“精英存活小鼠”受体组显著升高的细菌以及5种显著下降的细菌。那么作者推测,这些在“精英存活小鼠”受体组显著升高的细菌就可能是使机体对辐射有抵抗效果的“有益菌”,相反在“精英存活小鼠”受体组显著下降的细菌则可能是“有害菌”。

那么,这些肠道菌群对辐射的影响在人体内是否也成立呢?

作者联合杜克大学以及纪念斯隆-凯特琳癌症中心的实验室,一起进行了一个小型临床研究。

他们收集了一些白血病病人的粪便并进行了16srRNA测序。由于腹泻是放疗之后常见的副作用,他们根据病人腹泻的持续时间,将病人样本分为轻度腹泻和重度腹泻两组。

肠道菌群分析

通过肠道菌群的分析发现,在轻度腹泻病人中,Lachnospiraceae,Enterococcaceae以及Lactobacillaceae这三种在小鼠中可能的“有益菌”数量明显高于重度腹泻的病人。Lachnospiraceae的数量与病人腹泻时间存在显著地负相关性。因此,作者推断在人体中,这些可能的“有益菌”也可以帮助病人降低放疗引起的副作用。

随后,作者挑选了三种可能的“有益菌”,三种可能的“有害菌”以及一种最著名的益生菌 Lactobacillus rhamnosus, 进行了单一菌株的体内实验。

组织学分析

作者发现,Lachnospiraceae对小鼠的保护作用极明显。并且,通过组织学分析,Lachnospiraceae极大地降低了辐射对于造血系统和肠道系统造成的损伤。骨髓和脾脏的组织结构和细胞死亡得到了极大地保护。大肠和小肠的损伤以及肠道渗透性也明显降低。

短链脂肪酸分析

由于Jenny Ting课题组和其他课题组已经报道过,Lachnospiraceae可以产生大量的短链脂肪酸,并且短链脂肪酸是调节机体免疫反应和炎症反应的重要物质,因此,作者检测了三种短链脂肪酸对辐射的影响。

他们发现,在接受了propionate丙酸处理后,小鼠可以有效地抵抗致死剂量辐射带来的造血系统和肠道系统的损伤,生存率也得到了极大的提高。

细胞分析

作者同时检测了骨髓中造血干细胞和祖细胞的比例,发现propionate处理小鼠要远高于对照小鼠。另外,辐射所导致的DNA损伤与活性氧的释放,在propionate处理后也明显降低。

非靶向性代谢组学分析

最后,作者通过非靶向性代谢组学研究发现了一系列的代谢产物在“精英存活小鼠”的粪便中含量显著提高。其中,升高最为明显的是色氨酸代谢通路的成员。作者选取了indole-3-carboxaldehyde (I3A)和kynurenic acid(KYNA)进行了体内验证。两个色氨酸途径代谢产物1H-吲哚-3-甲醛(I3A)和强尿酸(KYNA)在体内提供了长期放射防护。

   结 论   

该研究的发现强调肠道菌群作为宿主抵抗辐射的主要调节剂的关键作用,能够保护造血和胃肠系统。 

“精英存活小鼠” 的肠道菌群组成和普通小鼠不同,他们的肠道中含有大量的Lachnospiraceae等“有益菌”。这些“有益菌”通过产生大量的短链脂肪酸和色氨酸代谢通路的代谢产物来促进造血发生以及肠道损伤修复,从而帮组机体抵抗辐射引起的损伤和死亡。

毛螺菌科和肠球菌科,以及以丙酸和色氨酸途径菌群为代表的下游代谢产物,对辐射防护起着重要作用。

这项研究揭示了微生物代谢物轴在产生广泛的抗辐射保护中所起的关键作用,并为治疗辐射暴露的不良副作用提供了有希望的治疗靶标。

Tips

该文做了很多生理,化学,生物代谢和病理等大小20多项实验,包括小鼠实验,辐射处理实验,“dirty-cage sharing”实验,FMT实验,细菌菌种管理实验,SCFA和色氨酸代谢处理实验,病理组织学,肿瘤接种和放射治疗实验,免疫染色和免疫印迹解折,肠通透性检测,骨髓干细胞,肠上皮细胞和肠上皮内淋巴细胞分离,ROS检测,流式细胞仪分析,粪便16S rRNA基因测序分析,气相色谱-质谱检测,非靶向代谢组实验。一篇高水平论文的研究思路和严谨的实验论证过程,值得我们借鉴和学习。

参考文献:

Guo Hao,Chou Wei-Chun,Lai Yunjia et al. Multi-omics analyses of radiation survivors identify radioprotective microbes and metabolites.[J] .Science, 2020, 370

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