导读
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，这些小分子代谢产物是作为微生物代谢的中间产物或终产物所产生的。这些代谢物是源自于细菌对饮食的代谢，宿主分子的修饰，如胆汁酸，或直接来自于细菌。来自微生物代谢产物的这些信号会影响免疫成熟，免疫稳态，宿主能量代谢和黏膜完整性的维持。在许多关于IBD的研究中已经描述了微生物菌群的组成和功能的改变。在IBD患者的代谢产物谱中也描述了改变。
此外，特定种类的代谢物，特别是胆汁酸，短链脂肪酸和色氨酸代谢物，显示与IBD的发病机理有关。这篇综述旨在确定在IBD中改变的微生物产生的代谢产物的关键类别如胆汁酸，短链脂肪酸以及色氨酸与IBD相关的病理生理基础，并确定未来精确治疗调节的靶向目标。
论文ID
原名：Gut microbiota-derived metabolites as key actors in inflammatory bowel disease
译名：肠道微生物产生的代谢物是炎症性肠病的关键因素
期刊：Nature Reviews | Gastroenterology & Hepatology
IF：23.57
发表时间：.02.19
通信作者：Harry Sokol
通信作者单位：巴黎索邦大学
主要内容
在IBD中，已有结果表明了粪便，尿液和血清代谢组上的广泛变化，既提供了对IBD患者进行分类的手段，又提供了对于推定机制的见解和新关联的发现。此外，由于几种代谢物与肠道炎症和IBD的关联，因此成为了研究重点。其中最突出的是胆汁酸衍生物，短链脂肪酸（SCFA）和色氨酸代谢产物。值得注意的是，这些物质可以通过各种方式影响宿主，已开发的混合饮食的炎症模型，遗传危险性和菌群等模型阐明了宿主，营养不良微生物群和代谢物环境改变之间的联系。然而，这种关联性分析需要大规模的队列研究，高通量的多组学平台，先进的统计分析和经过严格控制的实验室模型系统。
图1：微生物代谢组学发现项目的工作流程示意图 招募IBD患者进行纵向抽样，并与对照组进行对照。代谢组学可以从宿主样本(血清和尿液)和粪便样本中产生。对粪便样品进行平行微生物组测序。包括水溶素，饮食，活动和人体测量学等的临床资料也被收集。利用计算方法确定与疾病相关的代谢物和微生物。结合无菌和其他方法将特定的代谢物和微生物在体外和体内进行测试。
本综述主要内容：
（1）描述了肠道代谢组，讨论了分析肠道代谢组的技术（及其局限性），并描述了代谢组学与其他数据的整合。
（2）然后回顾了IBD的非靶向研究，然后是靶向代谢组学，重点是SCFAs，胆汁酸和色氨酸代谢。
（3）最后，我们讨论了未来的方向，包括小分子发现的新方法，肠道微生物-代谢轴的潜力诊断和治疗方法。
1 肠道代谢组的特征
与基于DNA和基于RNA的测序相反，代谢组学提供了微生物组当前分子的一个简单概况，包括所有其他环境和宿主小分子样本的概况。现在已经发表了一些使用光谱组学方法的研究论文，用尽所有手段识别了IBD微生物组中的变化。
代谢组学是对生物样本或组织中的小分子（<1,500Da）的研究，并且有一系列高通量分析技术和平台可供使用。这些平台通常基于质谱或核磁共振。质谱方法通常与较早的分离技术结合使用，例如气相色谱法或液相色谱法的变体-高效液相色谱法和超高效液相色谱法。可以以非靶向性的方式应用此类技术，称为非靶向性的代谢组学，结合了最大范围的光谱，并且通常由于非靶向性方法的无偏见结果便可以识别先前未知的关联。相比之下，这些技术也可以针对已知区域进行研究，以研究特定类别的代谢产物，这被称为靶向代谢组学。有关不同技术和方法的优缺点的细节论述文章已被发表。
，描述了一种结合有靶向性和非靶向性粪便代谢组学的技术。结合这两种技术可以使之互补：一种是通过使用非目标数据验证目标数据，其次是通过将大量未知的非目标数据输出置于目标频谱的环境中。尽管非靶向性的代谢组学代表了微生物组挖掘项目的巨大希望之路，但必须考虑一些重要的事项。
（1）首先，样品前处理和提取方法中没有通用方法-特定方法支持特定的代谢产物家族。因此，可能需要组合多种方法，例如在PRISM队列中，其中针对不同的代谢物类别就使用了四种方法。因此，有效的提取方法从一个样品基质到另一个样品基质，从一个分子到另一个分子都是不同的，很难在没有内部标准系统的情况下获得精确的定量分析。
（2）其次，将质谱实验中的光谱数据转换为化学注释的化合物的过程极具挑战性，存在许多潜在的陷阱。证据存在的不同程度，从严格的根据内部标准（几乎没有）鉴定化合物，以进行数据库注释，许多化合物仍被归类为未知物（通常称为“暗物质”）。这样的化学注释需要人工专业知识和计算算法，并且化学信息学是一个快速发展的领域。
（3）第三，光谱参考数据库（例如Metlin和人类代谢组学数据库）仅包含一小部分化合物；据估计，在给定的微生物组研究中，> 90％的光谱特征可能是未知的。但是，在一项最近的IBD研究中，从人类代谢组数据库中推定出了43％的代谢物特征。此外，注释未知化合物是一项具有挑战性的过程。最后，许多中等或低浓度的化合物，或在肠道近端产生的化合物，可能不能在粪便代谢组学中被很好地展示。结合不完全注释中固有的偏差，此方面也可能会呈现出偏向性结果，偏向于有利于易于检测的已知代谢物。因此，将非靶向代谢组学与其他组学技术结合的探索开发项目必须认识到独特的要求，不仅在样品采集中，而且相应地，在系统生物学级别进行的标准化，注释和数据集成方面的工作，都需据此精心设计研究。
相比之下，尽管这些集中性研究都需要预先设定假设，尽管靶向代谢组学存在有限的频谱，但它在提取，已知内标和更精确的绝对定量方面仍然具有优势。
2 IBD的非靶向代谢组学
在人IBD中，已经报道了许多非靶向性的粪便代谢组学研究，尽管这些研究是混杂的（在成人和儿童人群中进行，包括不同的IBD亚型，并使用不同的代谢组学方法），但他们确定了IBD粪便代谢组中的几个共同主调。首先，作为一种分类工具，代谢组学倾向于提供一种出色的能力来区分健康状况和IBD。但是，代谢组学无法成功地区分克罗恩病和溃疡性结肠炎，特别是在对接受了肠切除手术或抗TNF抗体治疗的患者根本考虑不到。尽管有这样的一项研究结果表明溃疡性结肠炎（n = 68）和结肠克罗恩病（n = 13）患者的粪便样本中14种代谢产物的水平在统计学上有显着性差异，而一项较早的研究证明了采用多变量方法来区分克罗恩病患者（n = 10）和溃疡性结肠炎患者（n = 10）的粪便样本之间的差异。另外，已经报告了在新诊断为IBD的小儿患者（克罗恩病（n = 10）和溃疡性结肠炎（n = 8））的有希望的结果。此外，尽管像采样时样本的的炎症活性和疾病的解剖位置之类的因素可能与代谢组有关，但仍未观察到一致的区别。
就代谢物组而言，胆汁酸代谢的失调，氨基酸水平，鞘脂，多胺的变化和中链脂肪酸水平的降低，SCFAs与粪便样本中的描述相一致。与健康方面的观察保持一致，还描述了代谢组变异与微生物组变异之间的相关性。
该领域规模最大，最详尽的研究之一已于今年早些时候发表。该研究检测了美国155名Prism IBD患者，并在来自European LifeLines DEEP和NLIBD的65名个体中验证了他们的发现。通过液相色谱-质谱联用和深度宏基因组测序相结合，作者发现，IBD患者之间，尤其是克罗恩病患者和非IBD对照患者之间，许多代谢产物差异很大。就带注释的类别而言，观察到IBD患者的初级胆汁酸，α-氨基酸和鞘脂水平增加，并且描述了几种代谢物组的降低，包括胆固醇，苯基苯并二恶烷，吲哚，四吡咯和长链脂肪酸。推测许多代谢物与微生物起源有关，但并未注明。
作者推测与炎症相关的代谢组变异可能特别解释了在溃疡性结肠炎患者代谢组中观察到的变化，其中大约一半的患者代谢组与非IBD对照相似，另一半与克罗恩病患者相似。他们通过将代谢组变异与粪便钙网蛋白（肠道保护标志物）联系起来证实了这一假设。作者也能够确定IBD中差异丰富的细菌与代谢物之间的潜在因果关系或机理关系，首先是通过消除与疾病状态纯粹相关的变异，然后将这些细菌与代谢物的残留变异相关联，找到有趣的相关性，例如，特定的omega-3脂肪酸与IBD相关物种呈正相关，与对照物种呈负相关。这项研究中的大多数关联都在队列验证中得到证实，具有高度重复的方向性（如果没有统计学意义的话），并且高分类的精确性。
还针对其他人类生物学样品，包括尿液，血清和/或血浆和肠活检样品，进行了非靶向代谢组学研究。描述了与非IBD对照相比，IBD患者尿液中微生物-微生物共代谢物水平降低（由于肠道微生物代谢降低），三羧酸循环中间体和氨基酸代谢的改变。一般来说，尽管对于克罗恩病患者和溃疡性结肠炎患者的代谢组之间的差异尚不清楚，但可以将健康个体中的IBD患者进行分层。使用液相色谱-质谱法观察到脂肪酸的分解代谢增加，氨基酸代谢物的变化（主要是减少），尤其是色氨酸的血清素和吲哚衍生物，以及苯丙氨酸和组氨酸代谢物麦角硫氨酸的水平降低和异型生物质代谢的某些变化使用光谱分析法分析对比了正常人与克罗恩病患者的血清样品。
5月，综合性人类微生物组计划（iHMP）的IBD部门的结果得以公布，该结果加固了上述许多发现。这些发现包括第二胆汁酸，维生素B3和B5和SCFAs的损失，以及酰基肉碱和多不饱和脂肪酸的扩张。然而，这些发现主要与样品的不良生物亚群有关。这种不良生物亚群被定义为不在健康人群的百分之九十之内，进入这种状态的“剧增”与炎症活动之间的相关性很弱。结果强调了纵向模式上应用的多模式功能评估在传达比单独分类学分类法更深刻的理解方面的重要性。这些和将来的工作力度提供了可以回答临床相关问题的机制，例如确定治疗效果和疾病进程的生物标志物。
3 IBD中的靶向性代谢组学
SCFAs
SCFAs作为一个主要的有益代谢产物的例子（图2），来源于微生物可接近的碳水化合物。
图2：SCFAs和他们对宿主的作用 a 短链脂肪酸(SCFAs)介导宿主代谢的多种作用，包括增加饱腹感和增加白色脂肪组织(WAT)的褐变(acetate)。丙酸盐是肠糖异生的前体，丙酸和丁酸增加肽YY (PYY)和胰高血糖素样肽1 (GLP1)分泌。b | SCFAs介导的对粘膜免疫的不同效果,包括支持B细胞发育, 分化和调节性T (Treg)细胞的扩增,可通过组蛋白脱乙酰酶(HDAC)抑制, 通过炎性小体激活和IL-18的产生维护粘膜完整性,促进Treg cells分化。GPR, G蛋白偶联受体作用于结肠树突状细胞和巨噬细胞。
乙酸盐，丙酸盐和丁酸盐都是SCFAs，均是微生物发酵的产物。其他气体包括甲烷和硫化氢气体以及其他居中或少丰富度的分子。它们的比例随饮食而变化：乙酸盐（由多个细菌群产生）约占50-70％，丙酸盐（由Bacteroidetes以及Firmicutes的一些菌类产生））占10–20％，而丁酸盐（由少量Clostridia产生）占大部分。在一项人类饮食干预研究中，从基本的正常饮食习惯转向以动物为基础的饮食会引起蛋白质发酵的快速变化，并导致营养不良，这导致了耐胆汁和引起结肠炎的拟杆菌Bilophila wadsworthia以及粘液溶解杆菌Ruminococcus gnavus的水平增加，一种存在与人IBD密切相关的微生物。
SCFAs可扩散至肠道调节性T细胞池，对癌细胞发挥抗增殖作用，在结肠炎动物模型和结肠炎诱发的大肠癌中具有保护作用，调节肠道巨噬细胞，调节食欲，影响脂肪堆积，调节肠道运动并通过L细胞分泌YY肽和胰高血糖素样肽1（GLP1）影响能量代谢。丁酸也是结肠上皮细胞的主要能源，它抑制上皮干细胞，并与其他SCFAs通过炎性体活化产生IL-18促进上皮稳态。此外，越来越多的证据表明，新生儿的免疫系统成熟的机会之窗是通过与肠道菌群接触而调节的，其部分是由具有丁酸产生能力的梭菌群介导的，除了抗原机制外，该菌群可以诱导SCFAs介导的调节性T细胞的扩增。还显示出SCFA可以促进肠道足够的B细胞应答，低纤维饮食的小鼠对病原体的敏感性越来越高，而断奶时微生物群的扩展以及相关的SCFAs的产生是粘膜免疫成熟中的另一个关键时间性事件。这些反应主要通过SCFAs与游离脂肪酸受体例如G蛋白偶联受体43（GPR43；也称为FFAR2）和GPR109A的结合以及通过组蛋白脱乙酰基酶的抑制而发生。
有趣的是，IBD中通常观察到的营养不良还与产生丁酸盐的细菌种类的丧失有关，例如Faecalibacterium prausnitzii和Roseburia hominis，这与人IBD代谢组学研究中报告的粪便SCFA水平降低的总体趋势一致。结肠部分手术功能失调导致的转移性结肠炎可用SCFAs灌肠剂治疗。在溃疡性结肠炎中，通过灌肠施用丁酸盐可能有一些益处，而生产丁酸盐的膳食纤维添加剂可能有助于缓解的维持或在维持缓解方面不逊于5-氨基水杨酸酯。
SCFAs和IBD
在确定IBD患者中产生丁酸盐的物种消失之前，溃疡性结肠炎患者结肠黏膜中观察到丁酸盐氧化受损，并且在基因表达水平上丁酸盐转运和氧化的受损明显。研究表明，不同程度的IBD患者的粪便SCFAs水平的降低，这与特异丁酰-CoA：乙酸-CoA-转移酶基因（人类微生物组的主要机制）的定量PCR结果一致。丁酸酯合成）。相比之下，在活动期溃疡性结肠炎和克罗恩氏病中，作为中介分子的乳酸浓度升高。其他研究报道IBD中SCFAs水平的降低在统计学上无统计学意义；然而，考虑到粪便中仅约有5％的SCFAs残留，运输、吸收和利用的改变可能会使与健康个体的直接比较相混淆。同样重要的是要认识到，与产生丁酸盐的细菌的抗炎性联系可能是由其他机制引起的，例如在F.prausnitzii中观察到抗炎蛋白的产生。
在小鼠模型中，低膳食纤维水平和葡聚糖硫酸钠（DSS）诱发的结肠炎的敏感性之间的联系已被证实，膳食来源的SCFAs，SCFA受体GPR43和GPR109A以及NOD的下游活化起关键性作用-，LRR-和pyrin domain- containing 3（NLRP3）炎性小体– IL-18轴。小鼠中脂肪酸受体GPR43的缺失也会导致在DSS模型中结肠炎的难治性。这些观察也已直接延伸至肠道菌群的组成部分。已经显示，NLRP1A受体在小鼠中的过度激活会导致产丁酸的Clostridiales缺失，并导致IL-18和IFNγ的产生增加。这些发现通过co-housing 实验，抗生素治疗和粪便丁酸盐浓度的测定得到了加强。最后，作者确定了溃疡性结肠炎患者结肠远端发炎区域中NLRP1的基因表达增加，并观察到与NLRP1，IL18和IFNG表达呈负相关的主要是是Clostridiales，因此将从人类个体的客观结果记录下来。
胆汁酸
胆汁酸是小分子，通过肝脏的多酶过程由胆固醇合成（图3）。
图3：在疾病和稳态中的胆汁酸代谢 a正常的胆汁酸代谢。胆汁酸形成胶束，帮助脂质消化和吸收(步骤1)。胆盐水解酶(BSH)活性清除胆汁酸(步骤2)。未结合的胆汁酸被动地再吸收，而结合的胆汁酸在回肠远端主动地再吸收，导致成纤维细胞生长因子19 (FGF19)的产生，在肝脏中抑制胆汁酸的合成(步骤3)。到达结肠的胆汁酸被细菌转化为次生胆汁酸(步骤4)。胆汁酸成分可以改变原发性硬化性胆管炎(PSC)(步骤1)。失调会导致失去BSH活动(步骤2)。肠切除或回肠炎症会导致胆汁酸的吸收损失和增加结肠初级胆汁酸(步骤3)。转换次次胆汁酸和脱硫的损失导致了初级和次级胆汁酸在结肠的不平衡(步骤4),ASBT顶端胆汁酸钠转运体;FXR, farnesoid X受体;PXR，孕烷X受体;TGR5,跨膜G蛋白偶联受体5;VDR,维生素D受体。
胆酸（CA）和鹅去氧胆酸（CDCA）可与牛磺酸或甘氨酸共轭。这些初级胆汁酸表现出两亲性，使它们有助于小肠中脂质的消化和吸收。其中的百分之九十五在到达远端回肠时被重新吸收（从而进入肠肝循环），被重吸收再利用。其余的则受胆汁酸与法呢素X受体（FXR）结合释放的成纤维细胞生长因子19控制。
除调节自身的合成外，胆汁酸还通过与包括FXR，跨膜G蛋白偶联受体5（TGR5），孕烷X受体，维生素D受体和组成型雄烷的受体结合，发挥许多代谢和免疫作用。 TGR5改善胰岛素敏感性（通过GLP1），改善肌肉和褐色脂肪组织中的能量消耗（通过2型iodothyronine deiodinase激活）和胆囊放松。 TGR5还通过NF-κB抑制以及外周血单核细胞IL-1，IL-6和TNF的释放来降低Kupffer细胞（肝定居巨噬细胞）对脂多糖的反应。 FXR的激活对宿主代谢具有多种影响，例如减少脂肪生成，减少肝糖异生，促进肝脏再生和产生抗菌肽（稍后讨论）。
胆汁酸和微生物群相互之间具有双向作用。在许多古细菌和细菌中，胆汁盐水解酶将初级胆汁酸中的氨基酸残基去除是很常见的。给小鼠定殖胆汁盐表达的Escherichia coli呈现出代谢层面、昼夜节律和上皮完整性的影响（值得注意的是，抗菌肽RegIIIγ的表达增加）。此外，来自于MetaHit和人类微生物组计划的宏基因组样本分析鉴定出IBD中与Firmicutes相关的bsh基因簇的丰度降低。胆汁酸也可以在结肠中从初级胆汁酸转化为次级胆汁酸，该功能被限制在更小的clostridial种类范围内，并由7α/β-脱羟基酶介导。这一过程导致CA转化为脱氧胆酸（DCA）、CDCA转化为石胆酸（LCA）以及其他衍生物。
相反，胆汁酸对肠道菌群组成和密度有很大影响。小肠FXR的激活抑制细菌的过度生长和移位1。胆汁酸可能具有直接的抗菌作用，例如CA和DCA对Bifidobacterium breve和Lactobacillus salivarius的直接作用，以及包括刺激宿主产生抗菌肽（如cathelicidin，血管生成素I和诱导型一氧化氮合酶）的间接的作用。 CA还改变了大鼠肠道微生物组的组成，增加了Clostridia和Erysipelotrichi亚类，相应地在Bacteroidetes和Actinobacteria门类上表现为缺失状态。第二胆汁酸还促进了Clostridioides difficile（以前称为Clostridium difficile）感染（CDI）中的定植抗性，这通过C. sporogenes 在 C. difficile上的抑制作用所证明，其中DCA可充当关键介体。
IBD中微生物的胆汁酸转化
由于胆汁酸吸收不良以及这种相互作用的固有双向性使得胆汁酸代谢失调在IBD中的影响是复杂的。在其开创性的研究中，Devkota等人发现，富含牛奶脂质的饮食与低脂饮食相比，增加了牛磺酸结合胆汁酸的比例，导致这种还原性亚硫酸盐细菌--B. wadsworthia的大量繁殖，可依赖于牛磺酸中的硫生长，产生一种潜在的毒性物质代谢产物--硫化氢。这些变化与Il10-/-小鼠结肠炎的发展有关，表明西方饮食在遗传易感宿主中的宿主代谢物改变，营养不良和炎症之间存在关联。
此外，通过合成激动剂对FXR的直接刺激在化学诱导的结肠炎中具有抗炎效果，起到保护作用，而FXR-/-小鼠对化学损伤的敏感性更高。伴有FXR激动刺激的IBD患者，离体固有层单核细胞中促炎细胞因子IL-17，IFNγ和TNF的分泌也表现为统计学意义上的减少，而从克罗恩病患者发炎组织的肠道活检样品中发现FXR的表达降低。 ，研究人员通过阐述胆汁酸在小鼠结肠RORγ 调节性T细胞发育中的至关重要性，证明了胆汁酸的抗炎作用。值得注意的是，微生物胆汁酸代谢基因的丧失导致体内这种细胞亚型的减少，而多样化的胆汁酸池通过胆汁酸-维生素D受体轴维持RORγ 调节性T细胞，在DSS诱导的结肠炎中发挥保护作用。
在人类IBD中，已反复描述了粪便胆汁酸谱的变化，为了与潜在的混杂因素作相区分，Duboc等人重点研究了单独的结肠的IBD患者，观察到粪便中结合的初级胆汁酸增加，血清和血浆中次级胆汁酸的减少，这与一些非靶向性研究的结果相一致。另外，与健康对照组相比，活跃的IBD患者的粪便样品中存在较高水平的3-OH- sulfated bile acids，胆汁酸的去结合，转化和脱硫广泛受损。在体外，DCA和LCA以剂量依赖性方式抑制人小肠上皮细胞系Caco-2的IL-1β诱导的IL-8分泌，对LCA的影响随硫酸盐的作用而消失，暗示了在IBD中具有直接的促炎效果的脱硫能力的丧失。值得注意的是，次级胆汁酸与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，尽管有这些推定的抗炎效果，LCA的结肠上皮细胞硫酸化仍能使该化合物解毒，但在人类研究和动物模型中，次级胆汁酸性胆汁酸与大肠癌相关；在肥胖小鼠中也与肝细胞癌相关，从而突出了未来人群研究和模型系统在鉴定微生物转化的胆汁酸在IBD中的重要性。
色氨酸
色氨酸是人类必须通过饮食获得的必需的芳香族氨基酸。家禽，鱼类，燕麦和牛奶和奶酪等乳制品是饮食中色氨酸的常见来源。色氨酸是合成许多重要生物活性分子（如5-羟色胺，褪黑激素，烟酰胺和维生素B3）的前体，此外还有许多其他重要的生理中间体。胃肠道是色氨酸代谢的中心位置。
膳食色氨酸可以遵循以下三种主要途径之一，其中两种主要是宿主途径（犬尿氨酸和5-羟色胺途径），另一种是微生物途径（吲哚途径）（图4）。
图4 IBD中色胺酸代谢失调 a在健康方面，饮食色氨酸的主要途径是kynurenine (Kyn)途径，色氨酸也被用来产生血清素和相关的代谢物。色氨酸可被共生菌群代谢产生吲哚类、芳基烃受体(AhR)和孕烷X受体(PXR)激动剂，在IBD中对粘膜免疫和体内平衡有多种作用。b IBD患者代谢异常导致微生物对色氨酸的激活缺失，从而导致kynurenine通路的代谢增加。5-HIAA,5-羟基吲哚乙酸;AMP,抗菌肽;GLP1，胰高血糖素样肽1;IA，吲哚丙烯酸;IAld indole-3-aldehyde;IDO1，吲哚胺2,3-双加氧酶1;IEL,上皮内淋巴细胞;吲哚-3-丙酸;Kyna犬尿酸;MUC2,粘蛋白2;PA，吡啶甲酸;QA，喹诺酸;TDO,色氨酸2 3-dioxygenase;TPH1，色氨酸羟化酶1;XA，黄尿酸。
饮食中的大多数色氨酸是通过犬尿氨酸途径代谢，其限速酶包括粘膜和免疫细胞中的吲哚胺2,3-双加氧酶1和肝脏中的色氨酸2,3-双加氧酶。第二个主要宿主途径是5-羟色胺途径，它由肠嗜铬细胞中的限速酶色氨酸羟化酶1控制，人体的大多数5-羟色胺都在那里产生。最后，色氨酸可以被肠道菌群代谢成一系列吲哚代谢产物（这是我们的重点），其中一些可以充当芳烃受体（AhR）配体，该受体与IBD发病机理有关（如后来所讨论）。重要的是，除了色氨酸的直接代谢外，微生物群和微生物代谢产物还对两个宿主色氨酸途径都发挥重要的调节作用。
就肠道微生物组产生的代谢产物而言，吲哚刺激GLP1的释放，而吲哚衍生物（包括吲哚乙酸，吲哚-3-乙醛，吲哚-3-醛，吲哚丙烯酸（IA）和IPA）可以作为AhR的激动剂，一个重要的转录因子，负责许多发育和组织依赖的T细胞免疫，并在肠道中通过IL-22和先天淋巴样细胞发挥主要的保护和抗炎作用。在近端小肠中，通过上皮内淋巴细胞维持微生物负荷，组成和免疫耐受取决于饮食衍生的AhR激动剂。相比之下，微生物衍生的AhR激动剂主要作用于远端小肠和结肠。已知一些细菌，包括Peptostreptococcus russellii和Lactobacillus的一些类，会产生AhR激动剂，而IPA的产生已在C. sporogenes中得到了很好的验证16。 IPA的产生取决于fldAIBC苯乳酸基因簇，它通过与孕烷X受体结合，有助于维持屏障功能并抑制粘膜TNF的产生。
色氨酸代谢
从535名IBD的患者中已发现色氨酸代谢增加，以及疾病活动（临床和生化）与色氨酸水平之间呈现负相关性。分析表明，通过犬尿氨酸途径的新陈代谢增加，这一发现与以前的结果一致。还已经描述了克罗恩病患者发炎的黏膜样本中AhR的表达降低，饮食中色氨酸的缺乏与小鼠模型中的结肠炎的恶化相关。
Lamas等人用一种caspase recruitment domain- containing protein 9（Card9）敲除的小鼠模型与DSS诱发的结肠炎模型相结合，证明吲哚衍生物吲哚乙酸的水平降低，并且Card9-/-小鼠的微生物群容量的降低来激活AhR。有趣的是，IL-22似乎是这一过程中的关键介体，因为来自Il22 – / –小鼠的微生物群无法激活AhR，并且通过使用IL-22可以缓解Card9 –/–小鼠对结肠炎的敏感性。此外，AhR激动剂可降低IBD患者固有核细胞中IFNγ的水平并提高IL-22的水平，同时降低小鼠结肠炎中这两者化学物（2,4,6-三硝基苯磺酸和DSS）和T细胞转移模型严重性的发生，但阻断IL-22的活性导致了这种效果的丧失。乳酸杆菌的AhR激活菌株也表现出可降低DSS诱导的结肠炎的严重性。
，描述了微生物衍生的吲哚作为AhR的配体通过IL-10信号传导发挥作用，口服IPA可以保护小鼠免受DSS诱导的结肠炎。此外，作者证实了溃疡性结肠炎患者的血清样品中IPA水平降低。
此外，一项关于黏液利用细菌的作用测定了共生的P. russellii可通过将色氨酸代谢为IA（AhR激动剂），来改善杯状细胞分化并减少炎症信号来降低结肠炎的易感性。P. russellii中IA的产生与C. sporogenes中IPA的产生途径相同，并且在P. russellii中还鉴定了fldAIBC苯基乳酸基因簇。这一新颖的发现将细菌与具有粘蛋白和色氨酸的代谢能力相联系来改善上皮完整性，使作者通过对IBD和非IBD个体进行的宏基因组学研究，确定了溃疡性结肠炎中苯乳酸基因簇的减少。
其他相关代谢物
IBD中新兴的研究领域是琥珀酸酯代谢。琥珀酸是由宿主细胞和微生物群产生的三羧酸循环中间体。在宿主中，琥珀酸对促炎信号起着重要作用，并且可通过IL-1β作为巨噬细胞对脂多糖反应的关键性介质。克罗恩氏病患者的血清中琥珀酸水平升高，克罗恩病肠组织中琥珀酸受体（SUCNR1）的表达增加，Sucnr1–/–小鼠可免受纤维化和2,4,6-三硝基苯磺酸-诱发性结肠炎。但是，与健康对照组相比，IBD患者尿中琥珀酸水平也有所降低。与非IBD对照相比，溃疡性结肠炎和克罗恩病患者的粪便琥珀酸水平也增加了，而在减肥巅峰期DSS诱导的结肠炎的粪便琥珀酸水平也增加了。从微生物群的角度来看，溃疡性结肠炎和克罗恩氏病中，能够利用琥珀酸的Phascolarctobacterium不如健康人丰富。目前正在努力确定这种重要代谢产物的作用以及相关肠道菌群的作用。
与SCFA相似，IBD中的中链脂肪酸含量也降低了，已表明它们可能通过过氧化物酶体增殖激活受体γ的活化而具有某些抗炎活性，类似于共轭亚油酸。用中链甘油三酸酯代替n-6脂肪酸还可以降低Il10–/–小鼠自发性结肠炎的发生率。 TNFΔARE/ wt（删除TNF 3"-非翻译区富含AU的元件）小鼠发展为Crohn’s- like回肠炎，脂肪酸氧化增加，鞘磷脂和炎性介质如花生四烯酸和血栓烷B2均增加。尽管脂质代谢物在广泛的生物学过程中是重要的信号分子，，并受到饮食和宿主炎症的强烈影响，但肠微生物对IBD中脂质代谢的影响仍不清楚。
未来方向
1 小分子发现
这篇综述着重于小分子发现的直接途径，无论是采用非靶向性的筛选方法还是靶向性的分子类别方法，目前正在开发许多根本不同的小分子发现方法。这些方法使用功能性宏基因组学（例如，在细菌如E. coli中表达宏基因组DNA的文库），宿主报告基因检测（报告已知的或orphan受体的激活），合成生物学和生物信息学，并以智能方式将这些技术结合起来，事实证明这种方法非常强大，着重于在人群中广泛存在（或差异存在）的感兴趣的生物活性分子或基因簇的分析。
功能性宏基因组学使研究人员能够使用宿主报告基因测定法来鉴定生物活性分子，然后进行分子鉴定，靶向基因组挖掘和同源基因家族鉴定。此类方法已确定了重要的G蛋白偶联受体（GPCR）配体N-酰基酰胺，这些配体由微生物编码，并且是对胃肠道和代谢生理有重要影响的受体（如内源性大麻素）激动剂GPR119。或者，以生物信息学挖掘为出发点以鉴定元基因组中生物学上的保守基因簇。Guo等人通过计算和合成生物学途径发现了微生物群衍生的蛋白酶抑制剂。
在另一种“化学向前”方法中，来自11位IBD患者中的144个人类肠道菌群被培养用于通过高通量GPCR报告平台鉴定功能相关的代谢产物。除了通过人类肠道菌群的成分鉴定广泛激活GPCRs（例如胺能受体）的外，作者还鉴定了Enterobacteriaceae species Morganella morganii将芳香族氨基酸1-苯基丙氨酸转化为苯乙胺，这是一种潜在的毒性物质代谢物，也确定了M. morganii产生的和Lactobacillus reuteri产生的组胺与结肠转运时间之间的明确体内关系。通过挖掘宏基因组数据，将这些发现与人类微生物组计划数据集结合使用，以确定在克罗恩病患者中组氨酸脱羧酶基因的增加。此类方法利用各种来源的信息和技术挖掘微生物群中的新型化合物，为鉴定与IBD相关的生物活性分子的新潮提供广阔的前景。
2 临床诊断应用
目前，与IBD相关的微生物代谢组学正处于发展阶段。然而，随着iHMP的发表，现在有一个寻找新的生物标志物更有价值的资源。除了传统的风险因素外，代谢组学研究中的肠道生物标志物已经为心血管疾病的研究提供了有价值的见解。值得注意的是，IBD患者的家庭成员显示出与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、治疗改善前或手术前对微生物组和代谢物标记物的高分辨率时间图谱可能为预测疾病进程提供新的生物标志物。
3 治疗选择
下一代益生菌 疾病因果关系中失调的存在已经激发了处理宿主进程和微生物的联合研究的治疗方法的实现 (图5)。
图5：IBD中因果关系循环 循环因果关系的示意图，包含潜在的治疗断点。这些包括传统的(免疫调节的)、微生物靶向的(益生菌、粪便菌群移植(FMT)和噬菌体)、饮食和直接代谢物处理。DCA，脱氧胆酸;IAA,吲哚乙酸;IEL,上皮内淋巴细胞;IPA,吲哚-3-丙酸;LCA，石胆酸;MUC2,粘蛋白2;SCFA,短链脂肪酸;Treg细胞，调节性T细胞。
目前由Bifidobacterium spp., Lactobacillus spp.和yeasts主导的益生菌，所有的这些生物都是很容易培养的,耐氧的,可以工业化生产的。相比之下，潜在的下一代益生菌(NGPs)在成人肠道中含有重要的共生体，代谢产物是参与的关键属性之一。候选的NGPs是利用我们对肠道微生物群及其在特定条件下的作用的扩展知识所确定的，通常是挑剔的，或极度氧敏的，因此在分离、培养、表征和配方方面展示出了一个重大挑战。根据FDA, NGPs和其他类似产品可能会在活体生物治疗产品(LBPs)的监管规则下进行评估，该规则需要根据FDAA来要求正在研究的新药程序。因此，NGPs将需要严格的分类识别、严格的来源控制、临床前证据、毒力因子和抗生素耐药性基因排除，以及分阶段的临床试验，而且与传统益生菌许可的膳食补充剂相比，这将是不那么清晰的途径。
在IBD的发展中一个主要的抗炎细菌的候选者--F. prausnitzii(传统上被认为是其属中唯一的物种，尽管一项研究表明它会分裂成两个物种)。A2-165型菌株已具有丰富的实验证据基础，多种抗炎机制已被提出，并且其他类似的菌株也正在积极进行临床前评估。在pouchitis中,尽管益生菌的混合吸收,VSL# 3,随机对照试验显示了pouchitis发病率降低的有效力, 日本的一项小型研究(n = 17)也表明了一些潜在益处丁酸-生产菌Clostridium butyricumMIYAIRI,虽然样本量小并且事实上与安慰剂组比较而不是益生菌限制了这些结果的解释能力。
在相关工作中，一项研究显示了靶向微生物组代谢物疗法的潜力，其形式是Clostridium scindens对CDI的定殖抗性，这是广泛使用抗生素的结果，在停止靶向抗生素治疗后，CDI会频繁复发。C. difficile孢子萌发受体与初级胆汁酸CA衍生物结合，并被次级胆汁酸DCA抑制。口服C. scindens的老鼠可以通过将CA 7α-脱氢作用将CA转化为DCA来改善CDI的抗性。
粪菌移植有趣的是，在CDI中胆汁酸的分布也发生了显着改变(主要是初级胆汁酸而不是次级胆汁酸)，并在粪便微生物群移植(FMT)成功后得以恢复。FMT是一种非常有效的治疗方法，仅用于CDI复发病例。在炎症性肠病中，虽然不是普遍的，但早期已有一些FMT在诱导溃疡性结肠炎缓解中的应用前景。，一项针对儿童溃疡性结肠炎患者的FMT研究表明，在应答者中，微生物和代谢组学特征在FMT后都发生了变化，在坐标图中向供体方移动。值得注意的是，在FMT之后乙酸水平降低而丁酸水平相应增加。
微生物的协作除了NGPs之外，由FMT和识别免疫调节细菌组合的研究明确的的有益微生物的代表--脂多糖。IIb期临床试验招募了201名溃疡性结肠炎患者，目前正在使用SER-287 (Seres Therapeutics)进行试验，这是一种来自厚壁菌门孢子的胶囊，无论是否使用万古霉素预处理(NCT03759041)。这项试验是基于一个有希望的结果，从阶段Ib试验缓解溃疡性结肠炎。另一种联合疗法是VE202 (Vedanta Biosciences与Janssen Biotech联合)，它合理地选择了已知产生丁酸盐活性的调节T细胞诱导菌，该疗法将进入第一阶段试验。一个合理选择的协作，FIN-524，Finch Therapeutics和Takeda ticals169正在开发中，而另一个产品(MET-2) 的第一阶段(NCT03832400)实验目前正在加拿大招募。
代谢物脂多糖的吸引力在于它能将高浓度的代谢物带入肠道，这对口服代谢物或其前体具有药理学上的挑战性。在色氨酸代谢物方面，目前正在进行安慰剂对照的交叉试验，以确定口服5-羟色氨酸对IBD患者的疲劳影响(NCT03574948)。在一项对健康志愿者进行的验证研究中，通过微胶囊将烟酸传递到肠道菌群中已被证明可增加肠道Bacteroidetes的水平并改善胰岛素抵抗标记物。这一发现是有趣的，因为烟酸在溃疡性结肠炎的治疗中显示出一些临床应用前景。
结论
一项技术、观察数据和实验的融合阐明了微生物代谢物对IBD发病机制的贡献。在这篇综述中，我们总结了非靶向代谢组学和微生物组分析，表明了一个相对一致的模式改变的代谢物概况，并强调了与特定的分子类别的联系，其中胆汁酸，SCFAs和色氨酸代谢物我们随后进行了详细的讨论。这类研究强调了粪便代谢组中存在的大量未知因素，并鼓励建立大量的IBD患者和对照组的图谱，建立微生物代谢产物发现和评估的流水线。于发表的iHMP--第一个纵向多组数据集—IBD的多种数据集，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对相关的临床问题提供独立的预测价值，以及基于微生物组的疗法是否能最终帮助治疗IBD患者。关于今后的方向，我们已经确定了一些有希望实现这些目标的领域。值得注意的挑战将包括整合饮食和靶向微生物群控制，甚至是微生物群重组，以实现这些雄心勃勃的治疗目标。肠道菌群产生的代谢物是肠道菌群对宿主进行教育、交流和刺激的关键机制，并有望成为这一过程的中心。
