肠道微生物代谢物在宿主氧化还原界面的作用：机制证据及其对精准动物营养的意义

《Antioxidants》：Gut Microbial Metabolites at the Host Redox Interface: Mechanistic Evidence and Implications for Precision Animal Nutrition

　　

肠道微生物代谢物可通过影响宿主氧化还原调控发挥作用，但其与精准动物营养的相关性取决于将微生物来源、组织暴露以及必要的宿主机制联系起来的证据。本叙述性综述评估了短链脂肪酸（short-chain fatty acids）、经微生物修饰的胆汁酸（bile acids）、色氨酸衍生物（tryptophan derivatives）以及硫代谢物（sulfur metabolites）在细胞、啮齿动物和家畜研究中的相关证据。研究人员将机制区分为直接化学作用、代谢介导作用、受体介导作用或关联性作用，并将受体依赖性（receptor dependence）与氧化还原依赖性（redox dependence）分别进行评估。丁酸盐（butyrate）提供了一个强有力的代谢范例，涉及上皮氧化、氧消耗、缺氧诱导因子（hypoxia-inducible factor, HIF）以及屏障功能。特定的胆汁酸代谢物通过线粒体活性氧（mitochondrial reactive oxygen species, mROS）影响免疫分化，而吲哚衍生物（indole derivatives）的必要氧化还原节点尚不十分明确。硫化物（sulfide）可支持线粒体电子传递或抑制呼吸，具体取决于暴露水平和清除能力。机制性证据在实验模型中最为充分；家畜研究通常缺乏来源归因、组织测量或靶向扰动。可发酵碳水化合物的选择、平衡的蛋白质减量、明确的胆汁酸或微生物制剂展示了候选的营养应用方向，而非经过验证的氧化还原方案。转化应用需要物种特异性的暴露测量、因果检验、加工稳定性以及对健康、饲料效率和经济效益的独立评估。本框架优先考虑可检验的氧化还原机制，同时限制那些缺乏动物水平结果支持的论断。

从经典氧化还原密码到微生物群-宿主氧化还原信息框架

本节首先阐述了经典氧化还原密码（Redox Code）的四大基本原则，即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）系统协调分解与合成代谢、受动力学约束的蛋白硫醇开关连接代谢状态与细胞组织、氧化还原感知具有区室特异性和时间动态性。这些网络共同实现机体对环境变化的适应，因此单一比值无法充分代表组织匀浆中的复杂状态。研究人员提出“微生物群-宿主氧化还原信息框架”这一术语，用于描述由微生物合成、经微生物转化膳食或宿主底物生成、或通过宿主-微生物共代谢形成的代谢物如何与宿主已有的氧化还原系统相互作用，其目的在于产生可比且可证伪的研究问题，而非将所有微生物代谢物重新标记为氧化还原信号。严格生物学意义上的“信息”意味着宿主能够区分可重复的时间、空间或组合输入模式，只有当包含这些特征的模型比单独浓度模型更准确地预测独立观察数据时才有价值，否则应使用“代谢物暴露”或“微生物-宿主氧化还原界面”等更恰当的表述。本文区分了四种证据类别：直接化学证据证明代谢物在生理浓度下修饰特定氧化还原靶点；代谢介导证据将代谢物利用与线粒体电子流、NAD(H)或NADP(H)通量、谷胱甘肽和硫氧还蛋白周转联系起来；受体介导证据确立受体依赖性，而氧化还原介导则需要额外测试下游氧化还原变化是否表型所必需；关联性证据包括微生物组成、粪便代谢物、抗氧化酶或基因表达的同步变化，但无法建立来源-节点-表型的因果关系。令人信服的机制研究通常将来自确定的化学、代谢或受体机制的证据与针对所提出的因果步骤的干预相结合。“微生物衍生代谢物”应区分由微生物从头合成的代谢物、宿主底物的微生物产物、膳食前体产物、宿主-微生物共代谢物以及来源未明的微生物相关代谢物。短链脂肪酸主要源于微生物碳水化合物发酵，次级胆汁酸是微生物转化宿主合成初级胆汁酸的结果，吲哚硫酸酯则体现了共代谢过程。粪便或肠道浓度整合了产生、吸收、转化、利用和排泄过程，无法确定来源或靶组织暴露。稳定同位素示踪、无菌或定植菌群模型、菌株特异性功能缺失、微生物酶扰动以及门静脉血或靶组织的测量可提供互补证据。

微生物代谢物-氧化还原信息模式的证据

本节按分子特性、来源、产量通量、时序、解剖位置和伴随代谢物评估了各类微生物代谢物。丁酸盐提供了从微生物代谢经电子流到屏障功能的最完整联系。无菌小鼠结肠上皮细胞表现出还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）/烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）比值降低、氧化磷酸化受损和三磷酸腺苷（ATP）生成不足，这些均可通过作为能量底物的丁酸盐恢复。丁酸盐氧化还可增加上皮耗氧量并稳定缺氧诱导因子（HIF），而HIF消融会削弱由此产生的屏障保护。丁酸盐还可通过过氧化物酶体增殖物激活受体γ维持上皮β-氧化，限制氧气和硝酸盐泄漏至肠腔，抑制兼性厌氧肠杆菌。然而，丁酸盐也可通过游离脂肪酸受体2和3以及G蛋白偶联受体109A发挥作用，组蛋白去乙酰化酶抑制也对其结肠调节性T细胞效应有贡献。这些受体依赖、代谢和表观遗传机制不可互换。大多数关于丁酸盐、耗氧量和HIF通路的证据来自哺乳动物结肠模型，其在家畜中的相关性尚未完全解决。初级胆汁酸由宿主合成后经肠道微生物通过去共轭、7α-脱羟基和差向异构化进行修饰，生成具有不同受体亲和力和生物活性的分子。在小鼠中，3-氧代石胆酸直接结合维甲酸受体相关孤儿受体γt并抑制辅助性T细胞17分化，而异别石胆酸增加线粒体活性氧并促进叉头框蛋白P3表达从而促进调节性T细胞分化。肠道共生菌中胆汁酸代谢通路的遗传破坏减少了结肠视黄酸受体相关孤儿受体γ阳性调节性T细胞，而恢复肠道胆汁酸池可增加该群体并减轻实验性结肠炎。生产动物研究表明强烈的背景依赖性。肠道微生物将色氨酸转化为化学多样性的代谢物，包括吲哚、吲哚-3-乙酸、吲哚-3-乳酸、吲哚-3-丙酸和吲哚-3-醛。尽管名称相似，这些分子在微生物来源、受体亲和力、组织暴露和生物活性方面存在差异。乳杆菌来源的吲哚-3-醛激活芳烃受体并促进白细胞介素-22产生。吲哚-3-丙酸与吲哚一起激活孕烷X受体，抑制Toll样受体4信号传导，增加连接蛋白表达。分子来源的证据至关重要。硫化氢说明了为何生物方向取决于产生速率、暴露模式和组织清除能力。其信号效应可涉及蛋白质半胱氨酸残基的过硫化，硫化物也可进入线粒体氧化。当产生量在组织氧化能力范围内时，硫化物醌氧化还原酶将硫化物衍生的电子转移至辅酶Q池和呼吸链；当产生量超过清除能力时，硫化物积累并抑制细胞色素c氧化酶。暴露持续时间、线粒体氧化能力和代谢环境因此改变对给定浓度的反应。饮食中含硫氨基酸的限制增加了内源性硫化氢的产生和对肝脏缺血再灌注损伤的抵抗力。由于硫化物来源于宿主转硫途径而非微生物代谢，这些发现不能证明肠道微生物硫化物普遍有益。肠道腔、黏液层、上皮、门脉循环和外周组织是不同的暴露区室。短链脂肪酸经历快速的上皮吸收和利用，胆汁酸进入主动转运和肠肝循环，微生物吲哚被肝脏转化，硫化氢通过上皮线粒体氧化处理。粪便浓度因此是残留池而非有效靶组织剂量。暴露也随饲喂模式、年龄、断奶、热应激、感染和采样时间而变化。几种代谢物对核因子E2相关因子2（NRF2）或核因子κB（NF-κB）信号的汇聚并不建立协同作用。在家禽中，后肠发酵主要发生在盲肠，食糜回流、胆汁酸组成和尿酸氮循环与哺乳动物过程不同。猪在胃肠解剖学上更接近人类，但断奶同时改变膳食底物、微生物群落和黏膜免疫，造成实质性生物学混杂。反刍动物的差异更为根本，因为大部分发酵发生在瘤胃。生产动物研究通常推断从日粮经微生物群或管腔代谢物到屏障或抗氧化标志物再到生产性能的序列，但常缺失靶组织暴露和所提议机制节点的必要性。