Gut | 菌群色氨酸代谢激活芳烃受体并改善酒精性肝损伤
严重酒精性肝炎（sAH）是酒精性肝病（ALD）的晚期形式，几乎没有治疗余地。最近研究表明，小鼠和临床中特定的肠道菌群与酒精性肝病的易感性或耐药性有关，这为sAH治疗提供了新的方向。通过粪菌移植、单菌移植、益生元/纤维素等方式可以改善酒精性肝病中肝损伤情况。然而，该过程涉及的分子机制尚不清楚。巴黎萨克莱大学Cassard团队采用移植酒精性肝病患者肠道菌群诱导小鼠模型，并使用益生元纤维果胶来调节肠道菌群，同时，基于代谢组学分析了肠道菌群色氨酸代谢产物，初步揭示了肠道菌群可以改善酒精引起肝损伤的机制，相关成果发表于《Gut》。
改变肠道菌群可以改善酒精引起的肝损伤及肠屏障功能
前期研究发现移植sAH患者肠道菌群的小鼠（FMT）酒精性肝损伤加重，本研究采用粪菌移植同时酒精诱导（Alc）和果胶干预(Pectin)。研究结果发现，小鼠经果胶干预后肠道菌群（intestinal microbiota，IM）发生改变（图1B），其中拟杆菌属丰度增加（图1C）。此外，小鼠在酒精摄入的第一周出现肝脏损伤，如肝脏TG积累，ALT和几种炎症标志物水平升高；随后，经果胶干预后，模型小鼠ALT（图1D）、肝TG（图1E）、脂肪变性（图1F）和肝脏炎症标志物，包括CC趋化因子配体（CCL2和CCL3）、肿瘤坏死因子和IL1β（图 1G）的水平均降低。
肠屏障破坏与ALD中肝损伤严重程度有关。酒精诱导的肠壁屏障破坏导致抗菌肽再生胰岛衍生蛋白（REG3β和REG3γ）及粘液产生水平降低。这些功能的恢复是改善酒精引起的肝损伤所必需的。果胶处理后IM改变通过改善肠屏障功能从而改善肝损伤，其中，reg3β和REG3γ信使核糖核酸（mRNA）在结肠和回肠中表达水平增加，杯状细胞比例增加。这些结果表明，尽管持续大量饮酒，改变肠道菌群仍可改善肠道屏障功能并逆转酒精引起的肝损伤。
IM改变可以改变其功能和粪便代谢水平
将菌群结果进行功能富集分析，筛选到146个通路和115个模块。果胶干预小鼠中碳水化合物、脂质和氨基酸代谢相关菌群基因显著富集，而对照小鼠氨基酸、能量代谢和辅因子和维生素代谢相关菌群基因显著富集（图2A）。
随后通过代谢组学分析粪便代谢组的改变。主成分分析和热图表明，改变IM会引起特定的粪便代谢谱发生改变（图2B，C）。通路富集分析中，果胶干预小鼠中富集到52条通路（图2D）。这些通路涉及氨基酸代谢（赖氨酸，酪氨酸，色氨酸，缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸和β-丙氨酸）、碳水化合物代谢（淀粉和蔗糖，戊糖和葡萄糖的相互转化以及抗坏血酸）、脂质和维生素代谢（生物素和抗坏血酸）。粪便代谢通路中的许多变化都属于菌群基因所预测的显著变化通路（图2A，D）。在果胶影响的氨基酸中，我们发现，色氨酸和吲哚水平显著降低（图2E）。另外，在果胶处理的小鼠中，拟杆菌类群数量增加，该类群可将色氨酸代谢成吲哚衍生物。与对照小鼠相比，酒精喂养的常规小鼠和FMT小鼠体内吲哚-3-丙烯酸水平降低，而酒精喂养的FMT小鼠中总AhR激动剂（3-吲哚硫酸，5-甲氧基-3-吲哚乙酸，吲哚-3-乙酸，吲哚-3-丙烯酸，吲哚-3-醛，吲哚-3-乳酸，吲哚-3-丙酸的总和）降低，而果胶干预后，这些代谢物及总AhR激动剂水平出现恢复（图2F）。
AhR通路的激活可以改善酒精引起的肝损伤
基于上述研究发现，对结肠中AhR激活的靶基因CYP1A1和AhR阻遏物（AHRR）表达进行检测，结果发现在果胶干预后，CYP1A1和AHRR（图3A）以及受AhR激活调控的IL22和IL17（图3B）表达水平升高。然后，用AhR激动剂6-甲酰基吲哚并（3,2-b）咔唑（Ficz）处理小鼠，结果发现，用Ficz处理Alc小鼠可增加其肝脏中AhR靶基因Cyp1a1和硬脂酰辅酶A去饱和酶（Scd1）表达（图3C），并减轻酒精引起的肝损伤（图3D，E）。Ficz处理还增加了结肠和回肠中的抗菌肽水平（图3），但仅回肠中Reg3γ的表达具有统计学意义，类似果胶干预效果。
接下来，使用AhR敲除（AhR KO）小鼠进一步验证AhR信号传导是否介导了果胶的作用。酒精喂养的AhR KO小鼠中，果胶干预虽然可以恢复ALT水平，但不能缓解脂肪变性（图4A，B），也不能恢复结肠中CYP1A1和AHRR mRNA的水平（图4C），且结肠中IL22，REG3β和REG3γ mRNA水平也未见恢复（图4D）。这些数据表明果胶的有益作用至少部分由AhR通路介导。
sAH患者色氨酸代谢受损
最后，探讨了色氨酸代谢受损与疾病之间的相关性，对严重酒精性肝炎（sAH）或非酒精性肝炎（noAH）的酒精患者粪便和血清样本进行分析。酒精患者粪便中色氨酸、犬尿氨酸或AhR激动剂水平无差异，且与肝损伤严重程度无关。血清中犬尿氨酸水平也无显著差异（图5A）。但是，sAH患者血清色氨酸和AhR激动剂水平低于noAH患者（图5A）。另外，血清Trp与AST、胆红素、凝血酶原时间、MELD评分之间呈负相关。（图5B）。这表明酒精性肝炎患者色氨酸代谢受损，AhR的调节可能成为新的治疗靶点。
小结
本研究通过移植酒精性肝病患者粪便以及酒精喂养构建酒精性肝炎小鼠模型，并研究果胶对肝脏病变的影响，结果发现，果胶处理改变了小鼠的肠道菌群和代谢组，导致特定的粪便特征改变从而改善酒精引起的肝损伤。其中，果胶处理增加菌群来源的色氨酸代谢产物，激活芳烃受体通路，进而改善小鼠肝损伤。与益生元干预相似，AhR激动剂Ficz可缓解肝脏病变，而在酒精喂养的AhR基因敲除小鼠中，果胶的保护作用消失。而且，严重酒精性肝炎患者的色氨酸衍生物水平出现降低。由此表明，通过补充益生元、AhR配体产生菌或AhR配体来调节AhR通路，有望成为新的ALD治疗方法。
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参考文献
1.Microbiota tryptophan metabolism induces aryl hydrocarbon receptor activation and improves alcohol-induced liver injury. Gut. 2020. https://doi.org/10.1136/gutjnl-2020-321565
2.Gut Microbiota Regulation of Tryptophan Metabolism in Health and Disease. Cell Host Microbe. 2018. https://doi.org/10.1016/j.chom.2018.05.003
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