综述：炎症性肠病中的肠道微生物群-色氨酸代谢-免疫轴：机制与治疗前景

《Human Vaccines & Immunotherapeutics》：The gut microbiota-tryptophan metabolism-immune axis in inflammatory bowel disease: Mechanisms and therapeutic prospects

　　

肠道微生物群-色氨酸(TRP)代谢-免疫轴是炎症性肠病(IBD)的核心发病机制之一。生理状态下，肠道微生物将膳食TRP转化为生物活性代谢物，通过芳香烃受体(AHR)调节肠道免疫平衡和屏障功能。在IBD中，该轴进入菌群失调、代谢紊乱和免疫失衡的恶性循环——其特征为有益菌减少、5-羟色胺(5-HT)过度产生以及犬尿氨酸途径过度激活——从而驱动T细胞失调、异常巨噬细胞极化和屏障完整性受损。治疗策略正从单一靶点向综合方法转变，结合益生菌、工程菌、AHR激动剂、吲哚胺2,3-双加氧酶1(IDO1)抑制剂、免疫调节剂和活性氧(ROS)响应性纳米药物。通过实现多节点协同重塑，本综述为协调微生物调节、代谢干预和免疫靶向的系统性策略提供了理论基础，从而为IBD的有效治疗提供新途径。

引言
炎症性肠病(IBD)是一种慢性、复发性、非特异性肠道炎症性疾病，主要包括溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)。其发病机制涉及免疫、微环境和肠道微生物群等多因素复杂相互作用。当前临床治疗主要依赖分级药物策略，包括5-氨基水杨酸、皮质类固醇、免疫抑制剂、生物制剂及小分子药物等，但存在原发或继发无应答以及长期用药安全性问题。近年研究揭示，“肠道微生物群-色氨酸(TRP)代谢-肠道免疫”轴在维持肠道生理状态中具有核心作用，TRP代谢产生的吲哚类和犬尿氨酸(KYN)衍生物等信号分子不仅直接增强肠道上皮屏障，还精密调控先天性和适应性免疫。然而，IBD病理状态下该轴严重紊乱，形成菌群失调、代谢失衡和免疫失调相互强化的恶性循环。目前治疗主要针对免疫反应下游成分，未能有效干预上游驱动因素。因此，亟需从微生物群-TRP代谢-免疫轴整合视角重新解读IBD病理机制，并开发多靶点协同疗法。

肠道微生物群-TRP代谢-免疫轴的正常生理机制
肠道微生物群与TRP代谢
肠道微生物群与TRP代谢存在紧密而复杂的相互作用。乳杆菌属、双歧杆菌属和拟杆菌属等特定肠道菌群通过自身TRP酶将TRP代谢为吲哚、吲哚丙酸(IPA)、吲哚-3-乙酸(IAA)等吲哚代谢物，通过激活AHR通路或维护肠道黏膜完整性来维持肠道免疫稳态。拟杆菌属还能诱导宿主肠道上皮细胞和免疫细胞产生吲哚胺2,3-双加氧酶1(IDO1)和色氨酸2,3-双加氧酶(TDO)，催化TRP进入KYN代谢途径。约1%-2%的TRP经色氨酸羟化酶和脱羧酶催化转化为5-羟色胺(5-HT)，参与调节肠道运动、分泌、血管舒张和营养吸收。另一方面，TRP代谢物对肠道微生物群的组成和功能也具有反馈调节作用，如吲哚类代谢物抑制铜绿假单胞菌等病原菌生长，5-HT通过调节肠蠕动速度影响共生菌定植与稳定性。此外，产短链脂肪酸(SCFA)的菌群通过发酵膳食纤维产生SCFAs，激活G蛋白偶联受体(GPCRs)并抑制组蛋白去乙酰化酶，促进Treg分化、抑制促炎细胞因子产生，增强中性粒细胞和树突状细胞(DCs)活性。

TRP代谢物与免疫调节
IBD患者TRP代谢发生显著改变，肠道微生物群可能通过参与TRP代谢途径影响IBD。TRP主要通过三条途径代谢：KYN途径、吲哚途径和5-HT途径。KYN途径中，干扰素-γ(IFN-γ)刺激肠道上皮细胞、巨噬细胞和DCs经IDO1将TRP转化为KYN，KYN激活AHR信号通路，抑制Th17增殖及促炎因子释放，同时激活FOXP3转录促进Treg分化，释放IL-10和TGF-β增强抗炎功能。KYN在犬尿氨酸3-单加氧酶(KMO)催化下进一步代谢为喹啉酸(QUIN)，作用于N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDARs)调节肠道神经免疫。吲哚途径代谢物IPA和IAA是AHR的天然配体，激活DCs和T细胞上的AHR可促进CD4⁺ T细胞向Treg分化并抑制Th17分化，从而维持Treg/Th17平衡；AHR在巨噬细胞中可调节其向M2表型极化，抑制促炎因子分泌并增强吞噬清除能力。AHR激活还诱导肠道上皮细胞表达紧密连接蛋白occludin和zona occludens-1，促进抗菌肽分泌，维护上皮屏障完整性。5-HT主要由肠嗜铬细胞(ECs)和肠道神经元释放，通过激活巨噬细胞上的5-HT受体4(5-HTR4)抑制促炎因子释放，并通过cAMP-PKA-CREB信号通路诱导DCs和Treg分泌IL-10，发挥抗炎作用。但5-HT受体家族包括多种亚型，各亚型在配体亲和力、信号转导和免疫调节效应上存在显著差异。

微生物群和TRP代谢的免疫反馈调节
生理条件下，肠道免疫系统通过多种主动机制对肠道微生物群组成和TRP代谢进行反馈调节，维持内部稳态。黏膜免疫系统利用浆细胞分泌的分泌型免疫球蛋白A(SIgA)与特异性微生物抗原高亲和力结合，选择性抑制条件致病菌在肠道上皮的黏附定植，同时促进有益共生菌在黏液层中的存活和空间占据。肠道Tregs持续分泌IL-10和TGF-β，创造低炎症张力和高免疫耐受的稳定内环境，有利于乳杆菌和拟杆菌等有益菌生长，这些菌又持续代谢TRP产生IPA和IAA等有益代谢物，间接反馈调节肠道微生物群组成。免疫系统还通过分子机制直接调控TRP代谢：DCs和巨噬细胞组成性表达IDO1，催化TRP氧化裂解生成N-甲酰犬尿氨酸并迅速转化为KYN；KYN作为内源性配体结合胞质AHR，诱导其构象改变并转入核内，与AHR核转位因子(ARNT)形成异二聚体，识别并结合IDO1基因启动子中的异生物反应元件(XRE)，增强其转录活性和蛋白表达，形成正反馈循环。同时，AHR激活诱导一系列细胞色素P450酶表达，加速KYN、3-羟基犬尿氨酸(3-HK)、QUIN和吲哚类代谢物的转化清除，从而精确控制TRP代谢方向，为维持肠道免疫稳态提供分子基础。

IBD患者肠道微生物群-TRP代谢-免疫轴的失调
菌群失调
有益共生菌减少
IBD患者中常见双歧杆菌、乳杆菌以及产SCFAs的梭菌属、罗斯氏菌属等有益共生菌丰度降低。这种减少并非简单的微生物群落比例变化，而是直接破坏了肠道免疫防御和稳态。这些有益菌作为肠道中关键的“代谢工程师”，发酵膳食纤维产生SCFAs，通过激活G蛋白偶联受体41(GPR41)和抑制组蛋白去乙酰化酶途径促进CD4⁺ T细胞和固有淋巴细胞产生白细胞介素-22(IL-22)，从而保护肠道免受炎症损伤。同时，这些有益菌是代谢TRP产生AHR配体所需酶的重要来源，其减少必然导致肠道中AHR配体和SCFAs表达水平降低，AHR抗炎信号通路无法有效激活，破坏肠道免疫耐受，削弱上皮屏障修复能力，加重肠道炎症损伤。

潜在致病菌扩增
IBD患者菌群失调通常表现为肠杆菌科、粪肠球菌和艰难梭菌等机会致病菌的广泛增殖。致病性大肠埃希菌过度生长通过分泌毒素破坏肠上皮细胞间紧密连接，增加肠道通透性，其脂多糖(LPS)通过Toll样受体4信号通路持续激活黏膜固有免疫，大量释放TNF-α和IL-6等促炎因子。粪肠球菌在微生态失衡时可直接激活Th1/Th17型炎症反应。艰难梭菌定植与先前扩增的肠杆菌科协同作用，其分泌的毒素A和B直接导致细胞结构破坏和肠黏膜上皮广泛损伤。这些致病菌的扩增竞争性消耗营养和空间，导致能够将膳食TRP转化为IPA和IAA的有益菌急剧减少，削弱AHR通路激活，抑制IL-22产生、紧密连接维持和Treg分化等关键抗炎修复功能，持续巩固和加剧菌群失调和TRP代谢功能障碍。

TRP代谢紊乱
KYN途径过度激活
IBD患者中浸润免疫细胞释放大量IFN-γ和TNF-α，形成强效炎症微环境，持续诱导肠道上皮细胞和免疫细胞中IDO1过度激活。适度IDO1表达通过KYN-AHR负反馈环限制过度炎症反应，维持免疫稳态；但在IBD中，IDO1激活超过AHR介导的负反馈调节能力，功能从免疫调节转变为病理性扩增。异常IDO1激活不仅耗竭局部肠道TRP，还不可逆地将TRP代谢转向KYN途径，导致患者血清和粪便中KYN水平升高，TRP水平相应降低，KYN/TRP比值显著增加。KYN本身通过AHR发挥抗炎作用，但其下游代谢产物QUIN和3-HK具有显著神经毒性和促氧化效应。TNF-α和IFN-γ激活犬尿氨酸-3-单加氧酶，导致积累的KYN进一步代谢为神经毒性物质QUIN，QUIN作为NMDA受体强效激动剂，引起肠神经元Ca²⁺超载、线粒体损伤、氧化应激和肠黏膜上皮细胞凋亡，破坏肠道黏膜屏障。QUIN进入血液后还可能穿过血脑屏障影响中枢神经系统，可能是IBD常伴焦虑抑郁症状的机制之一。IDO1-KYN轴在IBD中具有双刃剑作用，治疗目标不是完全抑制IDO1，而是精确调节其活性恢复至稳态设定点。

吲哚代谢物不足
IBD病理状态下，乳杆菌、拟杆菌和产IPA的梭菌簇等关键有益共生菌丰度显著降低，直接导致微生物TRP水解酶等关键代谢酶表达和活性下降，损害膳食TRP向吲哚代谢物的转化，肠道和血清中IPA和IAA等有益代谢物水平明显降低。IPA和IAA水平降低限制AHR通路激活，主要下调肠上皮细胞紧密连接蛋白occludin、claudin和黏蛋白表达，削弱肠道物理和化学屏障。同时，AHR信号不足损害免疫细胞分化，阻碍Treg诱导，破坏Treg/Th17平衡，导致无法有效抑制炎症损伤，疾病持续存在。

5-HT信号功能障碍
IBD患者中，肠道ECs受炎症因子和肠道菌群代谢物刺激，TRP摄取和代谢增加，导致ECs过度增殖和Tph1上调，肠道5-HT水平显著升高。过量5-HT激活巨噬细胞表面5-HT受体3(5-HTR3)，导致IL-1β、TNF-α和IL-6等促炎因子大量释放，同时抑制DCs和Tregs分泌抗炎细胞因子IL-10，破坏免疫稳态，加剧炎症反应。菌群失调导致有害菌增殖，抑制5-HT转运体(SERT)，造成细胞外5-HT积累，进而过度激活肠神经元和ECs上的5-HT3R，触发Ca²⁺内流、平滑肌兴奋性增加和肠蠕动加速，导致腹泻和腹痛。近年发现5-HTR7也参与肠道免疫调节，调节浆细胞样DCs功能，影响肠道IgA⁺ B细胞分化，拮抗5-HTR7可减轻结肠炎症严重程度。5-HT不同受体亚型间可能存在功能协同或拮抗，净效应取决于特定微环境中各受体亚型的相对表达水平和激活状态。

免疫细胞亚群功能障碍
T细胞亚群失衡
IBD的核心免疫病理特征在于肠道黏膜Th细胞亚群平衡破坏，主要表现为Th1、Th2和Th17细胞过度激活以及Tregs功能受损。CD中以产生IFN-γ的Th1细胞反应为主，UC则呈现更偏向Th2样反应模式，两者均伴有Th17细胞分泌的IL-17显著增加，导致持续炎症和组织损伤。Tregs数量或功能相对不足，无法及时遏制持续炎症损伤。研究表明，植物甾醇豆甾醇通过激活丁酸-过氧化物酶体增殖物激活受体γ轴促进Treg分化并抑制Th17增殖，低聚果糖补充可调节TRP代谢使免疫反应向抗炎Treg偏移，均有效缓解肠道炎症症状，证实Th17/Treg失衡是导致肠道持续炎症和组织损伤的根本免疫失调。

巨噬细胞极化与功能障碍
巨噬细胞是存在于肠道固有层的先天免疫细胞，具有高度可塑性，可根据微环境信号极化为促炎M1表型或抗炎修复M2表型。但经典M1/M2极化框架主要基于体外细胞培养模型建立，IBD体内微环境中巨噬细胞表型极化更为复杂。肠道巨噬细胞表现出超越M1/M2分类的多样性和动态特征，可在同一微环境中同时表达M1和M2谱系标志物，或呈现介于两种极化状态之间的过渡激活表型。IBD炎症环境中，在IFN-γ、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子和LPS的持续刺激下，浸润单核细胞和常驻巨噬细胞发生M1极化，产生大量TNF-α、IL-6和IL-1β等促炎介质，并高表达诱导型一氧化氮合酶，直接损伤肠黏膜并建立持续性慢性炎症状态。Hippo通路效应分子Yes相关蛋白(YAP)激活通过破坏M1/M2极化平衡和肠道菌群稳定来加剧IBD。菌群失调破坏TRP代谢，降低IPA和IAA等免疫调节化合物水平，损害LPS结合蛋白表达，影响巨噬细胞正常功能。此外，巨噬细胞表面CXC趋化因子受体3表达动态改变影响其与上皮细胞的通讯，加剧肠黏膜屏障损伤。巨噬细胞功能异质性还涵盖吞噬清除能力、抗原呈递效率、与Tregs和ILC3s等免疫细胞的相互调节，以及结直肠不同解剖区域的内在表型差异。

肠道黏膜屏障功能受损
TRP代谢紊乱常表现为KYN途径过表达，其中QUIN和3-HK等神经毒性代谢物破坏肠上皮细胞紧密连接蛋白的表达和分布，增加肠道黏膜屏障通透性。这为肠道细菌、毒素和抗原物质进入黏膜下层创造通路，触发并维持持续性炎症反应，加剧肠上皮细胞损伤。3-HK在线粒体中积累，诱导线粒体功能障碍和大量ROS产生，干扰三羧酸循环和磷酸戊糖途径，损害能量供应和抗氧化合成，同时激活c-Jun N端激酶/JNK和p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)等应激信号通路，启动线粒体依赖性凋亡途径，诱导肠上皮细胞死亡，加剧屏障功能损害。此外，5-HT与巨噬细胞、DCs和肠上皮细胞上的5-HTR3结合，释放IL-6和TNF-α，趋化中性粒细胞持续浸润，导致IBD患者肠道黏膜屏障逐渐恶化。

B细胞与SIgA反应失衡
B细胞功能障碍及其介导的体液免疫失衡，尤其是SIgA异常分泌，是加剧肠道炎症和阻碍黏膜修复的关键因素。生理条件下，SIgA调节肠道微生物群组成并防止病原体入侵，维持黏膜稳态。IBD患者中这一保护功能受损。UC的特征性病理表现为浆细胞偏倚的异常体液免疫反应，其产生的大量SIgA与疾病活动密切相关。异常B细胞激活不仅表现为抗体分泌，还通过表达CD86等共刺激分子过度激活CD4⁺ T细胞，促进促炎细胞因子产生。在肠黏膜愈合关键期，异常B细胞扩增侵入肠固有层结构空间，破坏基质细胞与上皮细胞之间的再生，阻碍黏膜屏障正常修复。因此，IBD环境中的B细胞已从免疫稳态维持者转变为炎症驱动者。

DCs介导异常T细胞反应
DCs是连接先天性和适应性免疫的桥梁，其功能异常是T细胞反应失调的根本原因之一。IBD患者循环中DCs的迁移和定位能力受损，临床生物制剂如戈利木单抗和乌司奴单抗可部分恢复DCs迁移功能。IBD患者肠黏膜中表达免疫调节受体CD200R1的DCs数量显著减少，CD200R1通常传递抑制信号，其下调表明DCs免疫抑制功能失活，直接导致Th17细胞异常增加和Tregs减少，破坏肠道免疫耐受。IBD中的DCs对T细胞功能的调节也受损，除经典抗原呈递外，DCs可通过表达IDO1调节局部TRP代谢，从而影响T细胞活性和分化，但在持续炎症环境中该功能受损，无法有效诱导免疫耐受。

基于肠道微生物群-TRP代谢-免疫轴的IBD治疗
调节肠道微生物群
益生菌-重塑微生物组和代谢稳态
益生菌通过多维协同干预治疗IBD，包括恢复肠道微生物稳态、调节宿主TRP代谢和调控下游免疫反应。核心机制在于重新平衡紊乱的肠道微生态并调控下游免疫应答。临床前研究表明，特定益生菌如粪杆菌属通过产生乙酸促进肠道SIgA反应和恢复有益菌群，有效缓解结肠炎。合成生物学设计的可编程益生菌可在口服递送后持续分泌治疗分子如单克隆TNF-α抗体，中和炎症因子以精确调节炎症环境并重塑微生物群落结构。脆弱拟杆菌通过其荚膜多糖A激活免疫细胞，促进抗炎因子IL-10分泌和Treg分化。鼠李糖乳杆菌通过增强紧密连接蛋白表达和黏液分泌加强物理屏障。布拉氏酵母菌通过竞争营养和受体位点抑制病原菌定植。临床研究方面，多菌株益生菌制剂可降低UC患者疾病严重程度，但整体证据存在争议，不同研究间方法学异质性显著。益生菌作为IBD药物的辅助治疗可恢复“微生物群-TRP代谢-免疫”轴，疗效优于单独用药，但尚未被批准作为一线治疗，应视为辅助治疗而非替代。

工程菌-靶向调控和程序化治疗
基于传统益生菌的深入研究，IBD微生物组治疗策略正朝向更精准的干预发展，从广谱益生菌转向具有明确功效的工程菌。工程菌作为“活体生物制药”，可在肠道内局部递送治疗分子，精确干预多个靶点。临床前研究已成功改造乳杆菌菌株持续产生棕榈酰乙醇酰胺(PEA)，显著减少促炎细胞因子水平、减轻肠道炎症、保护黏膜屏障完整性。更先进策略是直接改造益生菌以重塑紊乱的代谢通路，如表达α-氨基己二酸转氨酶的可编程益生菌可靶向调节TRP代谢途径，增加IAA产生，激活AHR信号通路并恢复Treg/Th17平衡。消除特定病原菌的策略涉及工程化大肠杆菌分泌细菌素或竞争性消耗营养，特异性抑制肠杆菌科病原菌或艰难梭菌。多靶点协同系统可整合分泌抗菌肽、降解TNF-α和产生屏障保护代谢物如IPA等功能于单一工程菌中，实现抗菌、抗炎、屏障修复和免疫调节的协同效应。但这些进展均限于临床前研究阶段，肠道定植效率、长期安全性和大规模生产可行性是阻碍临床转化的主要挑战。

靶向TRP代谢
AHR激动剂-促进抗炎作用和屏障修复
补充外源性AHR激动剂激活该信号通路已成为IBD的有效干预方式，通过肠内抗炎、保护黏膜屏障和免疫调节发挥多重作用。临床前研究表明，饮食来源的天然AHR配体吲哚-3-甲醇在DSS诱导的慢性结肠炎小鼠模型中抑制促炎细胞因子产生，显著缓解结肠炎症状。TRP微生物代谢物如吲哚-3-丙酸作为高亲和力配体直接激活该通路，促进肠道上皮屏障完整性和调节免疫细胞功能。吲哚-3-乙酸有效参与调节Treg分化以抑制过度炎症。研究进一步揭示AHR通过抑制MAPKAPK2/p-MK2/TTP信号通路发挥抗炎作用。AHR激活还维持和增强肠道黏膜屏障完整性，如锌氨基酸螯合物与AHR协同加强小肠黏膜上皮物理和化学屏障功能。但现有证据仅限于临床前研究，AHR信号传导的细胞类型特异性、配体选择性和长期激活安全性等问题使其临床转化面临挑战，目前尚无AHR激动剂获批用于IBD临床治疗。

IDO1抑制剂-平衡TRP代谢
调节IDO1这一TRP代谢关键酶以调控“微生物群-TRP代谢-免疫”轴已成为重要研究方向。临床前研究发现，天然药用化合物如白头翁皂苷可通过抑制肠道炎症介导的IDO1过表达来重新平衡TRP代谢，减少KYN途径的代谢分流，不仅缓解肠道局部炎症，还改善IBD诱导的抑郁样行为。肠道炎症条件下IDO1过表达加速TRP经KYN途径代谢，导致免疫调节性TRP耗竭，同时代谢产物积累可能通过KYN-AHR轴在特定条件下发挥抗炎作用，但长期系统性过度激活最终破坏免疫稳态。研究表明，KYN-AHR信号通路通过抑制STAT1-CXCL9/CXCL10轴延迟T细胞免疫应答，可能抑制肠道保护性免疫并促进功能衰竭。因此抑制IDO1成为恢复IBD免疫稳态的可行策略。但IDO1在肠道炎症中的作用仍存在争议，药理学阻断IDO1在克罗恩病样模型中加重结肠炎，而基因消融IDO1在DSS结肠炎模型中产生截然不同的表型，说明IDO1抑制的疗效可能因IBD亚型和炎症阶段不同而有显著差异。

调节免疫与炎症
促炎细胞因子抑制剂
TNF-α是驱动IBD炎症损伤持续存在的关键细胞因子，其过表达激活NF-κB和MAPK等下游促炎信号通路，诱导肠上皮细胞凋亡、破坏紧密连接蛋白结构、促进炎性介质释放，建立慢性炎症微环境。抗TNF-α单克隆抗体如英夫利西单抗和阿达木单抗已获批用于治疗中重度UC和CD，通过高亲和力结合可溶性和跨膜TNF-α，中和其与TNFR1/TNFR2受体的相互作用，阻断下游信号通路。这些抗体还可通过Fc段与巨噬细胞和自然杀伤细胞上的Fcγ受体结合，触发抗体依赖性细胞毒性，并激活补体系统形成膜攻击复合物，清除过表达TNF-α的免疫细胞。它们不仅快速缓解临床症状，还恢复上皮屏障功能，调节黏膜免疫细胞平衡，促进黏膜愈合和组织修复。此外，靶向IL-12/IL-23共享p40亚基的乌司奴单抗和特异性结合IL-23 p19亚基的戈沙珠单抗可有效阻断IL-12/IL-23-IFN-γ/IL-17信号轴，减少Th17细胞介导的炎症反应，已获批准用于CD治疗。靶向IL-6和IL-1β等炎性介质的拮抗剂仍处于早期临床或临床前探索阶段。

间充质干细胞
间充质干细胞(MSCs)因其强效免疫调节和组织修复能力在IBD治疗中备受关注。临床前研究显示，MSCs通过直接细胞接触和分泌可溶性因子如IDO、TGF-β和前列腺素E2(PGE2)调节免疫反应。IDO催化TRP经KYN途径代谢，产生KYN等代谢物作为AHR配体，进一步诱导Treg分化并抑制Th17激活。MSCs可抑制Th1和Th17细胞分化及其相关细胞因子如IFN-γ和IL-17的释放，减轻黏膜炎症。在巨噬细胞调节方面，MSCs通过分泌IL-10、TGF-β和外泌体促进巨噬细胞从促炎M1型向抗炎M2型极化，M2型巨噬细胞高表达精氨酸酶-1和甘露糖受体，释放IL-10等抗炎因子，抑制中性粒细胞浸润并促进组织修复