肠道菌源尸胺通过浓度依赖性免疫代谢重编程调控巨噬细胞功能影响结肠炎症的新机制

《Cell Host & Microbe》：Immunometabolic reprogramming of macrophages by gut microbiota-derived cadaverine controls colon inflammation

本研究针对炎症性肠病（IBD）中免疫代谢失调的机制，探索了肠道微生物代谢物尸胺（cadaverine）对巨噬细胞能量代谢的重编程作用。研究人员发现，尸胺通过差异激活Nrf2通路，在低浓度时促进线粒体呼吸（OXPHOS）和抗炎M2型极化，高浓度时则通过组胺H4受体诱发糖酵解和促炎反应。动物实验及IBD患者队列分析进一步证实，肠道Enterobacteriaceae调控的尸胺水平与疾病复发风险相关。该研究揭示了微生物-代谢-免疫轴在IBD中的新机制，为靶向代谢干预提供了新策略。

　　

在人体复杂的肠道生态系统中，数以万亿计的微生物与宿主细胞进行着不间断的对话，它们产生的微小分子深刻地影响着我们的健康与疾病。炎症性肠病（IBD），包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，正是一种与肠道菌群失调密切相关的慢性炎症性疾病。在IBD患者体内，肠道免疫系统，尤其是巨噬细胞，表现出持续且异常的活化状态。近年来的研究发现，这种异常的免疫反应与细胞能量代谢的深刻改变相伴相随——肠道巨噬细胞似乎更倾向于使用效率相对较低的糖酵解来获取能量，而不是高效的线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）。这种代谢“开关”的扳动，与促炎症信号的持续释放直接相关。然而，一个关键的科学问题悬而未决：究竟是肠道中的哪些“信使”在幕后操纵着免疫细胞的能量工厂，从而影响炎症的进程？

在众多肠道微生物产生的代谢物中，多胺类物质因其广泛的生物学功能而备受关注。尸胺（cadaverine）是一种由赖氨酸脱羧产生的多胺，其名称源于其最初在动物尸体腐烂过程中被发现的来源，但它也是许多肠道细菌（尤其是Enterobacteriaceae科细菌）的常规代谢产物。既往研究表明，尸胺在人体内的水平与多种病理状态相关，但其在肠道炎症，特别是对免疫细胞代谢的直接调控作用及具体机制，仍是一片未知的领域。肠道内的尸胺浓度波动范围很大，它究竟是无害的旁观者，还是积极参与免疫调控的“双面间谍”？为了回答这个问题，由Rodrigo de Oliveira Formiga、Harry Sokol等领导的研究团队展开了深入探索。

为了揭示尸胺对免疫细胞代谢的影响，研究人员运用了多种前沿技术。他们首先通过ATP检测和单细胞能量代谢分析（SCENITH）等技术，在人类外周血单核细胞（PBMC）和单核细胞系中筛选并验证了尸胺的代谢调节活性。利用 Seahorse 细胞能量代谢分析系统，他们精确测定了细胞的耗氧率（OCR）和细胞外酸化率（ECAR），以评估线粒体呼吸和糖酵解水平。通过蛋白质组学、转录组学（RNA-seq）和靶向代谢组学，研究人员深入挖掘了尸胺作用的分子通路。在动物模型方面，研究采用了葡聚糖硫酸钠（DSS）和2,4-二硝基苯磺酸（DNBS）诱导的小鼠结肠炎模型，并结合抗生素处理或特定饮食（如赖氨酸缺乏饮食）来操控肠道菌群和尸胺水平。对小鼠结肠组织中的免疫细胞进行了流式细胞术分析和SCENITH代谢表征。此外，研究还整合了来自IBD患者队列的粪便宏基因组学和代谢组学数据，以验证动物实验发现的临床相关性。

尸胺重编程人类单核细胞的能量代谢导向葡萄糖利用和线粒体依赖

研究人员发现，尸胺能够显著提升单核细胞内的ATP水平。这种能量提升效应可被糖酵解抑制剂2-脱氧-D-葡萄糖（2-DG）和线粒体ATP合酶抑制剂寡霉素A（oligoA）所阻断，提示尸胺同时影响了糖酵解和线粒体呼吸两条通路。SCENITH流式细胞术分析进一步揭示，尸胺主要增强了HLA-DR⁺的单核细胞/树突状细胞的葡萄糖利用，以支持线粒体通路。在LPS（脂多糖）的炎症刺激下，尸胺依然能维持甚至增强这些细胞的线粒体依赖性，同时抑制了LPS诱导的过度糖酵解。这表明尸胺能够引导单核细胞的能量代谢向更高效、更倾向于抗炎状态的线粒体呼吸方向倾斜。

尸胺通过L-赖氨酸载体转运以支持通过调节线粒体膜电位和超微结构导向OXPHOS的代谢流

机制上，RNA-seq分析表明，尸胺处理显著富集了氧化磷酸化相关基因通路。尸胺虽然和LPS一样，能促进葡萄糖转运蛋白GLUT-1向细胞膜转移并增加葡萄糖摄取，但它并未导致乳酸的大量堆积，而是增强了丙酮酸脱氢酶（PDH）的活性，将丙酮酸导向线粒体转化为乙酰辅酶A，进入三羧酸循环（TCA cycle）。Seahorse分析证实，尸胺显著增强了人和小鼠巨噬细胞的基线呼吸和最大呼吸能力。重要的是，这种增强作用依赖于葡萄糖/丙酮酸的氧化，因为线粒体丙酮酸载体（MPC）抑制剂UK5099能将其阻断。尸胺还提升了线粒体膜电位（ΔΨm），逆转了LPS引起的线粒体质量下降和膜电位损伤，并改善了线粒体嵴的超微结构。有趣的是，即使在OPA1或TOMM70缺陷导致线粒体嵴结构或功能异常的细胞中，尸胺依然能提升呼吸功能，但其对分离的线粒体无直接作用，提示其效应需要细胞内完整信号通路的参与。进一步的机制探索表明，尸胺的摄取依赖于L-赖氨酸转运载体，而非G蛋白偶联受体（如组胺H4受体）或内吞作用。

尸胺的免疫调节作用与单核细胞和巨噬细胞中的线粒体呼吸相关

尸胺诱导的代谢重编程与其免疫调节功能紧密相连。在LPS刺激下，尸胺处理显著增加了单核细胞抗炎因子IL-10的产生，并降低了促炎因子TNF-α的分泌。这种效应严格依赖于线粒体呼吸，因为寡霉素A能完全取消尸胺的积极作用。在小鼠骨髓来源的巨噬细胞（BMDM）中，尸胺同样促进了抗炎细胞因子（如IL-10）的释放，并抑制了促炎因子（如TNF-α, IL-1β）的产生。更重要的是，在巨噬细胞极化模型中，尸胺抑制了LPS/IFN-γ诱导的M1型（促炎）极化标志物（CD80, CCR7, IL-1β）的表达，而促进了IL-4诱导的M2型（抗炎）极化标志物（CD206, IL-10）的表达。这些效应同样可被寡霉素A逆转，明确了线粒体呼吸在尸胺介导的免疫调节中的核心地位。

尸胺促进OXPHOS和免疫调节的机制在基础状态和炎症状态下不同并汇聚于Nrf2激活

为了阐明不同情境下尸胺的作用机制，研究人员进行了深入的信号通路探索。蛋白质组学分析发现，在炎症（LPS）背景下，尸胺显著增强了aconitate decarboxylase 1（ACOD1，也称为Irg1）蛋白的表达及其产物衣康酸（itaconate）的合成。衣康酸是巨噬细胞免疫代谢的一个关键调节分子。通过基因敲除或药理学抑制ACOD1，可以特异性阻断尸胺在LPS存在下对OXPHOS的增强作用，但在基础状态下无效。另一方面，在无炎症的基础状态下，尸胺上调了硫氧还蛋白域包含蛋白（如TXNDC12）和线粒体硫氧还蛋白（TXN2）的水平。抑制硫氧还蛋白系统（使用PX-12）则选择性阻断了基础状态下尸胺的代谢和免疫调节效应。然而，无论在基础还是炎症状态下，抑制转录因子Nrf2（使用ML385）都能取消尸胺的作用。尸胺处理确实能诱导Nrf2入核激活，并上调其下游靶基因（如Nqo1, Gclc, Gpx1等）的表达。这表明，尸胺在基础状态下通过硫氧还蛋白系统，在炎症状态下通过ACOD1/衣康酸通路，殊途同归地激活了Nrf2这一核心抗氧化/抗炎/代谢调节枢纽。

口服尸胺在小鼠胃肠道被部分吸收并在肠道菌群扰动下支持结肠巨噬细胞的能量代谢

动物实验表明，口服尸胺可被部分吸收进入血液循环，但其在血浆中的浓度远低于在肠道内的局部浓度。当使用广谱抗生素耗竭小鼠肠道菌群后，结肠固有层中的CD64⁺巨噬细胞表现出能量匮乏状态，线粒体功能受损。补充尸胺则能有效逆转这些代谢异常，恢复蛋白质合成/ATP比率，增强线粒体依赖性，改善线粒体质量和功能，降低线粒体活性氧（MitoROS）水平。这说明外源性尸胺能够在体内，特别是在菌群失调导致的代谢缺陷环境下，支持肠道巨噬细胞的能量代谢。

尸胺对结肠炎症的影响受肠道Enterobacteriaceae调控

在DSS诱导的结肠炎模型中，一个出乎意料的现象出现了：直接补充尸胺不仅没有缓解，反而加重了结肠炎的严重程度，表现为体重下降加剧、疾病活动指数（DAI）升高、结肠缩短和组织损伤加重。流式分析显示，此时结肠巨噬细胞更倾向于促炎的M1表型，代谢转向糖酵解。原因何在？对小鼠和IBD患者粪便的分析揭示了关键线索：肠道炎症本身（如DSS处理或IBD患者疾病活动期）会导致Enterobacteriaceae（如大肠杆菌Escherichia、克雷伯菌Klebsiella）的扩增，而这些细菌富含赖氨酸脱羧酶基因（ldcC/CadA），是肠道尸胺的主要生产者。炎症叠加外源性补充，导致肠道内尸胺水平过度升高。临床数据证实，IBD患者粪便中尸胺水平在疾病活动期显著升高，且缓解期患者若尸胺水平高，其复发风险也更高。体外实验验证，当尸胺浓度超过1 mM时，其在炎症环境下会转而促进巨噬细胞的糖酵解和促炎因子TNF-α的产生，这一效应由组胺H4受体（H4R）介导。这就解释了尸胺作用的“双刃剑”特性：浓度决定其功能导向。

在经colistin预处理的小鼠中尸胺对DSS诱导的结肠炎具有保护作用

为了验证“浓度依赖性”假说，研究人员使用窄谱抗生素colistin在诱导结肠炎前特异性削减肠道Enterobacteriaceae数量，从而降低内源性尸胺水平。在此背景下，再补充外源性尸胺，使其恢复到“适宜”范围，则表现出显著的结肠炎保护作用：减轻了体重下降和组织损伤，促进了结肠巨噬细胞向M2抗炎表型极化，并改善了它们的线粒体代谢功能。采用赖氨酸缺乏饮食以限制尸胺前体，也得到了类似的结果。此外，在体抑制Nrf2通路，则废除了尸胺的保护作用，证实了Nrf2在尸胺体内效应中的关键地位。

本研究的重要发现在于，它首次系统地揭示了肠道菌群来源的尸胺是一种浓度和情境依赖性的巨噬细胞免疫代谢重编程关键调节因子。在适宜浓度下，尸胺通过激活Nrf2通路，支持线粒体呼吸，促进巨噬细胞的抗炎/修复功能；而在病理性的高浓度下（通常由肠道菌群失调，特别是Enterobacteriaceae过度增殖所致），它则通过H4受体触发糖酵解驱动的促炎反应。这一发现不仅深化了我们对微生物-宿主代谢互作在IBD发病中作用的理解，更重要的是，它提出了一个全新的治疗思路：通过精细调控特定微生物代谢物的水平（例如，靶向Enterobacteriaceae或调节饮食前体），而非简单地广泛抑制或补充，来重塑免疫细胞的代谢状态，从而实现对炎症的精准干预。该研究为开发基于免疫代谢重编程的IBD治疗新策略奠定了坚实的理论基础，并指明了潜在的微生物和代谢靶点。