模拟微重力环境下Caco-2细胞色氨酸代谢通路紊乱及其对5-羟色胺合成的调控机制研究

为探究空间微重力环境对肠道功能的潜在影响，意大利研究团队通过随机定位仪(RPM)模拟微重力条件，结合LC-MS/MS靶向代谢组学技术，系统研究了Caco-2细胞在DSS/LPS刺激及粪便共培养条件下色氨酸(Trp)代谢通路变化。发现微重力可显著上调5-羟色胺(5-HT)和喹啉酸(quinolinic acid)水平，揭示空间环境可能通过调控Trp代谢影响肠-脑轴功能，为长期航天任务中的胃肠健康管理提供新见解。

　　

在人类探索太空的征程中，微重力环境对生理系统的复杂影响始终是重大科学挑战。肠道作为人体最大的内分泌器官，其分泌的5-羟色胺(serotonin, 5-HT)不仅调控胃肠运动，更通过肠-脑轴(gut-brain axis)影响情绪与认知。然而，太空任务中宇航员常出现胃肠功能紊乱，其背后机制尚未阐明。更引人深思的是，色氨酸(tryptophan, Trp)作为5-HT的前体物质，其代谢还涉及免疫调节和神经毒性物质生成，这条精密调控的通路如何在微重力环境下失衡，成为关乎长期航天健康的关键科学问题。

来自撒丁岛大学的研究团队在《Life Sciences in Space Research》发表的研究，首次系统揭示了模拟微重力(simulated microgravity, SMC)通过随机定位仪(Random Positioning Machine, RPM)对肠道上皮细胞Trp代谢网络的扰动机制。研究采用人源结肠腺癌细胞系Caco-2——该细胞在分化后可形成类似小肠上皮的极性结构，通过靶向代谢组学技术定量分析了5-HT、犬尿氨酸(kynurenine)、喹啉酸等关键代谢物水平。实验设计涵盖基础微重力效应、炎症刺激(脂多糖LPS和葡聚糖硫酸钠DSS)以及健康人粪便微生物共培养等多维度模型，为空间胃肠病理研究提供了全新范式。

关键技术包括：1）RPM 2.0模拟器实现10^-3
G微重力环境；2）超高效液相色谱-三重四极杆质谱(UHPLC-MS/MS)定量Trp代谢物；3）Caco-2细胞与5名健康供体粪便滤液共培养系统；4）基于Folch法的极性代谢物提取流程。

【Caco-2细胞在SMC下的代谢重编程】
RPM处理24小时后，5-HT水平暴增20倍，喹啉酸升高5倍，但犬尿氨酸、犬尿酸(kynurenic acid)等中间产物无显著变化。这表明微重力可能特异性激活色氨酸羟化酶(TPH)途径，同时促进喹啉酸生成。有趣的是，这与血小板在太空环境中5-HT摄取增强的早期发现形成呼应，暗示微重力可能普遍增强5-HT系统活性。

【DSS炎症模型的协同效应】
当加入肠炎诱导剂DSS后，微重力组喹啉酸和吡啶甲酸(picolinic acid)分别增加3倍和2倍，但5-HT未进一步升高。值得注意的是，正常重力下DSS使犬尿氨酸激增20倍，而微重力组无此现象，揭示重力环境会改变IDO1(吲哚胺2,3-双加氧酶1)对炎症的响应模式。

【LPS触发的代谢转向】
内毒素LPS处理导致5-HT检测限以下表达，微重力组喹啉酸仍保持4倍增幅。这可能是LPS通过蛋白激酶C(PKC)抑制5-HT转运体(SERT)，同时将Trp代谢导向犬尿氨酸通路的结果，凸显不同炎症刺激下的代谢分流差异。

【微生物共培养的调节作用】
粪便共培养实验中，微重力使5-HT和Trp水平显著提升，而喹啉酸降低。推测肠道菌群可能通过短链脂肪酸等代谢物促进TPH活性，同时抑制IDO1，形成对抗微重力应激的代偿机制。这种微生物-宿主互作的动态平衡，对维持太空环境下的肠屏障功能至关重要。

该研究首次绘制出微重力条件下肠道细胞Trp代谢的全景图谱，揭示5-HT系统的异常激活可能是空间胃肠功能障碍的重要机制。更深远的意义在于，喹啉酸作为神经毒性物质的前体，其水平升高可能解释宇航员中观察到的神经炎症现象。研究创新性地将微生物组因素纳入分析框架，为开发靶向Trp通路的航天营养干预策略奠定理论基础。未来需在啮齿动物回转仪模型和真实太空实验中验证这些发现，并探索IDO1抑制剂等药物在航天医学中的应用潜力。