《Gut Microbes》：Microbiome-driven alterations in tryptophan metabolism contribute to behavioral comorbidities in the Muc2 knockout mouse model of chronic colitis
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全球范围内，炎症性肠病（IBD)的发病率预计到2030年将达到人口的0.5%，同时神经行为共病（包括焦虑、抑郁和认知功能障碍）的认識日益增加。这些共病的潜在机制尚不清楚，但可能涉及多种相互作用的途径，包括微生物群失调、炎症和神经代谢物产生失衡。本研究旨在探讨神
全球范围内，炎症性肠病（IBD)的发病率预计到2030年将达到人口的0.5%，同时神经行为共病（包括焦虑、抑郁和认知功能障碍）的认識日益增加。这些共病的潜在机制尚不清楚，但可能涉及多种相互作用的途径，包括微生物群失调、炎症和神经代谢物产生失衡。本研究旨在探讨神经代谢物的微生物群相关改变是否与慢性结肠炎模型中的行为变化相关。研究人员评估了特定病原体自由(SPF)和无菌(GF)黏蛋白2基因敲除小鼠(Muc2?/?)以及黏蛋白2表达小鼠(Muc2+/+)的焦虑、抑郁样行为模式和记忆功能障碍的行为模式。测定了结肠、血清和脑中的色氨酸及其代谢物浓度。通过紧密连接蛋白闭合蛋白-5(claudin-5)表达、胶质纤维酸性蛋白(GFAP)和离子化钙结合衔接分子1(IBA-1)蛋白表达评估血脑屏障完整性和神经免疫激活。微生物组组成与色氨酸利用途径的关系进行了表征。为评估因果关系，研究使用了早期生命营养补充来解决潜在的代谢物耗竭问题。雌性Muc2?/?小鼠表现出焦虑样行为减少，而雄性小鼠则表现出记忆功能障碍。这些变化与胃肠道内色氨酸、犬尿氨酸和血清素的减少同时发生。GF Muc2?/?小鼠显示肠道代谢物水平正常化，但没有伴随脑代谢物变化。值得注意的是，GF Muc2?/?小鼠的行为表型消失，揭示了微生物群在这些共病中的关键作用。Muc2?/?小鼠表现出claudin-5降低，提示血脑屏障完整性受损。微生物组分析显示，菌群向吲哚产生和NAD+补救途径转变，同时Anaerotruncus、Enterocloster和Intestinimonas的丰度降低。尽管早期生命营养补充部分恢复了结肠色氨酸，但未能完全挽救行为结果。综上所述，这些发现表明慢性结肠炎与微生物群介导的宿主色氨酸代谢紊乱相关，这与神经行为功能障碍相关。靶向微生物群驱动的代谢改变可能代表了一种治疗策略，可用于解决IBD的肠道和神经行为表现。
炎症性肠病(IBD)是一种慢性炎性疾病，其发病率在全球范围内持续上升，预计到2030年将影响全球人口的0.5%。近年来，IBD患者伴随的神经精神共病日益受到关注，包括焦虑、抑郁和认知功能障碍等，流行病学数据显示高达47.5%的IBD患者合并神经系统疾病。值得注意的是，这些精神共病与更严重的IBD症状相关，进而需要更积极的治疗干预。然而，肠道炎症如何导致神经行为异常的机制尚不完全清楚，这构成了该领域的核心科学问题。研究人员推测，肠道、大脑和微生物群之间的双向通讯系统——即肠-脑-微生物轴的紊乱可能是关键机制，涉及微生物群失调、慢性炎症和营养物质利用失衡等多个方面。其中，色氨酸及其神经代谢物犬尿氨酸和血清素作为重要的肠-脑轴信号分子，在调节免疫反应、肠道运动功能以及与中枢神经系统通讯方面发挥多样化作用，其在慢性结肠炎中的代谢调控尤为关键。
为深入探究长期进行性炎症状态对肠-脑轴、色氨酸代谢和行为的影响，研究人员选择Muc2基因敲除(Muc2
?/?)小鼠作为研究模型。该模型能自发产生与人类溃疡性结肠炎病理特征一致的慢性结肠炎和微生物群失调，此前虽已有部分行为共病的表征，但相关色氨酸代谢物尚未得到系统研究。基于此，研究人员假设微生物群失调将与慢性结肠炎模型中的行为改变及神经代谢物浓度变化相关，并开展了系列实验验证。
本研究使用了四种小鼠模型：SPF条件下的Muc2
?/?小鼠、SPF条件下的Muc2
+/+小鼠、GF条件下的Muc2
?/?小鼠以及GF条件下的Muc2
+/+小鼠，各组均按性别分组。样本队列来源于英属哥伦比亚大学奥卡纳根校区动物设施，Muc2
?/?小鼠最初来自温哥华胃肠道疾病研究项目(B. Vallance实验室)，回交至C57Bl/6背景；Muc2
+/+小鼠购自Charles River公司。GF小鼠来自卡尔加里大学国际微生物组中心。行为学评估包括旷场实验、明暗箱实验、悬尾实验和新奇物体识别测试；代谢物检测采用气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术测定结肠、血清和脑组织中的色氨酸及其代谢物；神经免疫评估通过蛋白质印迹法检测脑组织中claudin-5、GFAP和IBA-1蛋白表达，以及多重细胞因子检测；微生物组分析基于此前发表的16S rRNA扩增子测序数据集，使用TrpNet数据库进行假设驱动的色氨酸代谢网络分析，并通过MetaCyc数据库预测代谢功能和途径丰度；此外还进行了早期生命营养补充干预实验，从5周龄开始每周经口灌喂营养混合物(Luria肉汤,LB)直至8周龄。
研究结果部分，研究人员首先报告了"结肠炎相关的Muc2
?/?肠道微生物群加剧结肠损伤并升高吲哚胺2,3-双加氧酶"。通过组织病理学评估发现，无论微生物群状态如何，Muc2
?/?小鼠的隐窝增生均显著升高，但炎性细胞浸润在GF Muc2
?/?小鼠中明显降低，证实微生物群在驱动炎症中的关键作用。基因表达分析显示，Tnf基因和结肠炎症严重程度关键标志物Retnlb的表达升高具有微生物群依赖性，而色氨酸向犬尿氨酸转化的限速酶——吲哚胺2,3-双加氧酶1(Ido1)的表达在Muc2
?/?小鼠中显著增加，且同样依赖于微生物群的存在。
在"Muc2
?/?结肠炎与血脑屏障失调和神经炎症相关"部分，研究人员检测了SPF Muc2
?/?小鼠脑组织中的细胞因子水平，发现IFN-γ和IL-1β显著升高，而IL-6降低。更为重要的是，紧密连接蛋白claudin-5表达显著下降，提示血脑屏障完整性受损；虽然IBA-1和GFAP未达统计学显著变化，但IBA-1显示统计趋势，表明存在胶质细胞激活的迹象。
"Muc2
?/?小鼠改变的风险行为和记忆功能障碍依赖于微生物群"部分揭示了显著的行为表型改变。SPF Muc2
?/?小鼠在明暗箱实验中表现出焦虑样行为减少，在旷场实验中呈现进入中央区域时间增加的趋势；这些变化存在性别差异，雌性小鼠表现为探索行为增加，而雄性小鼠则出现记忆功能障碍。具体而言，雄性Muc2
?/?小鼠在新奇物体识别测试的短期记忆中花费于新奇物体的时间显著减少，长期记忆呈现显著的组织紊乱。然而，悬尾实验中的抑郁样行为未显示显著差异。
"缺乏结肠炎相关微生物群可缓解相关行为功能障碍"部分，研究人员发现GF Muc2
?/?小鼠的所有焦虑样行为模式均恢复正常，与Muc2
+/+小鼠相当；抑郁样行为的静止时间在各基因型间亦相似。这一关键发现确证了微生物群在驱动结肠炎行为共病中的核心作用，表明上述行为表型完全依赖于微生物群的存在。
"结肠炎相关微生物群和并发炎症导致色氨酸耗竭"部分，研究人员系统检测了色氨酸代谢网络。Muc2
?/?小鼠结肠和血清中色氨酸显著耗竭，且这种耗竭具有微生物群依赖性；犬尿氨酸同样显著降低，与色氨酸变化模式一致。值得注意的是，尽管存在慢性炎症，犬尿氨酸水平却降低而非升高，这与TrpNet预测显示的微生物群将色氨酸转向吲哚产生和NAD
+补救途径相一致。血清素在结肠中虽呈降低趋势，但仅在SPF与GF Muc2
?/?小鼠间显示显著差异；血清中血清素在Muc2
?/?小鼠中显著降低。此外，结肠和血清中I3C水平在具有微生物群的小鼠中不同，IPA在Muc2
+/+小鼠中升高。
"脑内色氨酸及其代谢物的调控受脑需求和微生物反馈调节"部分，研究人员发现GF Muc2
+/+小鼠脑内色氨酸和犬尿氨酸显著升高，但GF Muc2
?/?小鼠未显示此现象，提示肠道上皮屏障改变和微生物群缺失可能影响脑通过血脑屏障调节色氨酸摄取和代谢的能力。脑内犬尿氨酸与色氨酸比值在GF小鼠中升高。与外周组织不同，脑内血清素未显示与色氨酸和犬尿氨酸相似的趋势，GF Muc2
?/?小鼠脑内血清素显著降低，表明脑内血清素调节部分依赖于微生物群，但基因型也发挥独立作用。
"结肠炎相关微生物群预示吲哚产生和NAD
+补救途径"部分，微生物组分析显示，尽管总体色氨酸相关细菌分类群和预测功能潜力在Muc2
+/?与Muc2
?/?间无差异，但选择性TrpNet重叠属存在显著差异：Anaerotruncus、Enterocloster和Intestinimonas在Muc2
?/?中减少，而NAD
+补救途径I显著增加。按性别分层后，雌性Muc2
?/?小鼠中Anaerotruncus和Intestinimonas减少、Parasutterella增加；雄性中Mucispirillum增加、Prevotella减少。
"早期生命营养丰富的膳食补充导致部分表型正常化"部分，研究人员发现补充虽恢复了结肠组织中色氨酸、犬尿氨酸和血清素水平，并降低了Retnlb表达、减轻了炎症严重程度，但对旷场实验中的运动参数产生意外影响，补充组小鼠速度降低、移动距离减少。焦虑样行为中，补充组在明暗箱中的光照时间趋向正常化，但短期记忆功能出现损害，长期记忆功能障碍未获恢复。这表明早期生命营养干预仅能产生部分改善效果。
讨论部分，研究人员系统整合了研究发现并提出了工作模型：Muc2屏障的缺失促进微生物群驱动的炎症，进而改变宿主色氨酸代谢。慢性炎症导致色氨酸及其代谢物在外周组织耗竭，同时伴有Ido1基因表达增加；微生物群功能分析显示吲哚产生和NAD
+补救代谢途径增强，特定细菌分类群如Anaerotruncus、Enterocloster和Intestinimonas的减少表明慢性炎症重塑了微生物群落结构，改变了神经代谢物的可利用性。尽管外周组织色氨酸代谢物显著耗竭，脑内色氨酸和犬尿氨酸浓度保持相对稳定，提示中枢神经系统可能通过血脑屏障转运机制或局部代谢途径维持自身调节；但脑内血清素浓度降低，可能影响情绪调节和认知过程，进而贡献于观察到的行为表型。行为分析揭示了显著的性别差异：雌性小鼠焦虑样行为减少、探索活动增加，而雄性小鼠表现记忆缺陷，这些变化在GF动物中消失，进一步支持微生物群依赖信号在调节肠-脑轴中的作用。早期生命补充实验虽增加结肠色氨酸和下游代谢物浓度、降低Retnlb表达，但未能完全正常化行为表型或脑代谢物水平，提示色氨酸耗竭虽贡献于代谢紊乱，但持续性炎症和微生物群重构等额外因素同样重要。研究局限性包括缺乏直接微生物群操纵实验以确立因果关系、未评估其他微生物群衍生代谢物、单一时间点行为评估限制了对时序关系的确定、GF行为评估样本量较小，以及性别差异机制有待阐明。
研究结论指出，慢性结肠炎破坏肠道黏液屏障，导致微生物群失调和炎症信号改变色氨酸代谢及肠-脑通讯；这些变化与微生物群依赖的行为改变相关。该工作强调了微生物群介导的代谢途径在塑造慢性炎性疾病宿主生理学中的重要性，并提示靶向微生物群-代谢物相互作用的治疗策略可能为应对IBD相关行为共病提供新机遇。
