综述 | Science：结肠上皮细胞代谢对肠道菌群结构的改变
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结肠菌群结构的失衡与否是诱发人体多种疾病的第一步，而如何维持这种肠内稳态的作用机制并不清楚。最新研究结果表明，结肠上皮细胞的代谢功能作为一个控制开关，能够对菌群的原始稳态和动态变化起到调控作用。内稳态期间，结肠上皮细胞代谢朝着氧化磷酸化方向进行，并致使上皮细胞耗氧量升高。低氧态上皮细胞环境随之而来，并通过专性厌氧菌作用，主导并维持菌群结构，使纤维转化为有益于人体吸收的发酵产物。结肠上皮细胞代谢环境的改变能够增加上皮细胞的氧化作用，进而促使兼性厌氧菌的扩增，这是结肠生态失调的一个特征性标记。肠内致病菌通过对结肠上皮细胞代谢进行破坏，从而避开了肠道菌群带来的生态位保护作用。采用反向策略，通过代谢重整来还原并重建低氧态结肠上皮细胞环境，可以重新平衡结肠微生物群结构，这种新型策略为治疗多种人体疾病带来了新的希望。
论文ID
原名：Colonocyte metabolism shapes the gut microbiota
译名：结肠上皮细胞代谢对肠道菌群结构的改变
期刊：Science
IF：41.058
发表时间：2018.11.30
通信作者：Andreas J. Bäumler
通信作者单位：University of California
综述内容
人体免疫系统有一项主要工作就是抵御有害微生物如细菌、病毒、寄生虫或者真菌的入侵，通过识别这些入侵异物，并将其排除体外来保护人体健康。菌群研究作为一个新兴领域，带给了我们对于自身免疫系统功能的新认识，即免疫系统很可能与菌群结构（如定植于我们皮肤和黏膜表层的菌群）的动态平衡相互作用和关联着。虽然，不少研究结果表明免疫功能能够控制病原微生物，但对于宿主细胞类型与我们自身菌群结构平衡之间的作用机理还知之甚少。了解我们的免疫系统如何维持体内生态平衡对于理解结肠功能尤为重要，因为结肠部位是人体最大的微生物群栖息地。高通量测序带来的最新研究结果发现，菌群结构的紊乱与众多的慢性疾病密切相关，包括了结直肠癌、肥胖、糖尿病、关节炎、哮喘、心血管疾病及神经失调等。然而，究竟结肠的平衡态菌群结构是怎样形成和作用的仍不清楚，有待进一步探究。这主要是因为该区域菌群具有高度多样性，个体水平之间具有差异且菌群结构会随着饮食习惯的不同而改变。反过来说，什么是平衡态结肠菌群结构的特征并不清楚，这对于更进一步认识特定免疫功能或者维持结肠内稳态细胞类型需求的认知形成了阻碍。
内稳态：焦点型新理论
从生态学角度来探究菌群和宿主之间的共同进化，可以看到与免疫功能相关的线索对于平衡体内菌群结构起到十分重要的作用，这表明免疫系统可以通过改变菌群结构使其趋向于有利于维持内稳态的方向变化。将该理论应用于结肠菌群，可以彰显菌群结构变化带来的有利影响，即能够促进营养物质的消化吸收，而这些营养物质通常难以被宿主自身的酶加工利用。特别是饮食中复杂的碳水化合物（如纤维），能够被结肠菌群分解并转化为利于宿主吸收的多种营养类发酵产物，从而促进免疫系统的完善以及强化生态位点的保护作用，进而对抗肠道致病菌。结肠内的多样性菌群对于人体是有利的，主要是因为多样化的菌群可以大大增加复杂碳水化合物的分解程度，并将其转化为利于人体吸收的发酵物质。梭状芽胞杆菌属（厚壁菌门）和拟杆菌属（拟杆菌门）中的众多成员是成人结肠中专性厌氧菌群的主要代表，能够编码多种酶来水解不同的复杂碳水化合物，从而为人体提供大量营养。相反，兼性厌氧菌，诸如变形菌门中的一些成员，并不能完全消解纤维，在氧气存在的条件下，甚至可能通过代谢发酵产物将其转化为二氧化碳从而干扰人体正常营养吸收。因此，从生态学角度来看宿主对于菌群的控制，可以预测我们的免疫系统通过改变结肠菌群结构，促使其多样性以及专性厌氧菌主导地位的形成，来维持内稳态，进而确保这样结构的菌群能够将纤维转化为利于吸收的营养发酵产物。
关于宿主通过改变结肠菌群结构从而使其趋向于有利于人体的机理研究不少，这表明结肠上皮细胞（colonocytes）在该作用过程中扮演了一个中心角色，这是令人惊奇的，因为免疫功能一般只与造血系的细胞密切关联。结肠上皮细胞在肠腺的结肠干细胞作用下，不断更新，这些肠腺也被称作李氏腺。结肠干细胞的不对称分裂产生了短暂增殖细胞，这是组织再生过程中的一种早期的中间型细胞，分裂次数有限，并最终分化为不同类型的上皮细胞，包括了结肠上皮细胞，肠内分泌细胞以及杯状细胞。位于肠腺的分裂细胞，通过无氧酵解，将葡萄糖转化为乳酸，获取能量，这一过程被称作Warburg代谢。上皮细胞的分化需要PPAR-γ（过氧化物酶体增殖物活化受体-γ）的作用，这是一种核酸受体，由啮齿动物和人体的结肠上皮细胞分化后的细胞合成。PPAR-γ能够激活脂肪酸的代谢，促使长链和短链脂肪酸的线粒体β-氧化，通过氧化磷酸化消耗氧气。这种成熟的结肠上皮细胞能量代谢，其特征为耗氧量高，局部氧分压力小于7.6 mmHg（<1% 氧气），即低氧态上皮细胞环境。因为氧气可以通过生物细胞膜自由扩散，而低氧态上皮细胞则限制了黏膜表层产生的氧气量，从而有利于维持肠腔内的厌氧状态（Fig. 1A）。反过来说，厌氧状态确保了结肠的微生态环境由专性厌氧菌主导，同时，纤维素等物质在它们的作用下转化为有利于为人体吸收的发酵产物。通过这种代谢机制，结肠上皮细胞将菌群结构改变为有利于宿主健康的方向，从而维持了肠道的内稳态。
图1 上皮细胞代谢对结肠菌群结构的改变。（A）肠道内稳态期间，专性厌氧菌将纤维素转化为多种发酵产物，如丁酸盐，以维持C2-正负代谢位的分化型结肠上皮细胞。C2-正负代谢结肠上皮细胞代谢以高耗氧量为特征，维持低氧态上皮细胞环境（氧气<1%）以抑制氧气向着肠腔内扩散。底端颜色尺标代表氧气含量（3%~10%）。（B）抗生素治疗后对菌群的破坏并引起相关发酵产物的流失，导致末端分化型结肠上皮细胞代谢定位转向C1-正负代谢，其特征为乳酸大量释放，低耗氧量以及iNOS（一种能够产生一氧化氮的酶）合成水平升高。肠腔内的一氧化氮在氧气的作用下转化为硝酸盐，氧气来源于C1-正负代谢上皮细胞，并作为电子受体驱动着兼性厌氧菌的扩增。（C）上皮细胞损伤激活修复应答，该过程包括了R-spondin 2的释放以刺激未分化短暂增殖细胞的分化。未分化短暂增殖细胞的过度分化导致了结肠腺窝增生和上皮细胞氧化作用的增强。结肠腺窝增生期间，粘膜表面释放的硝酸盐和氧气促进了兼性厌氧菌的扩增。PM，腺周肌成纤维细胞；SC，干细胞；TA，未分化短暂增殖细胞；C2，末端分化型C2-正负调控结肠上皮细胞；C1，末端分化型C1-正负调控结肠上皮细胞；GC，杯状细胞。
结肠上皮细胞代谢驱动肠道失调
以上所述表明，结肠上皮细胞很可能有助于免疫功能作用于菌群，并使其结构向有利方向改变，从而维持内稳态。因此，菌群结构的不平衡可以通过结肠上皮细胞免疫功能的变化得以探测。结肠生态失调通常与兼性厌氧菌的扩增密切相关，这一现象主要出现在接受抗生素治疗的患者体内，以及西方高脂饮食或者肠炎患者，结直肠癌，肠道易激综合征或坏死性小肠结肠炎患者中。因为只有兼性厌氧菌可以消耗氧气，因此，普遍认为菌群从专性厌氧到兼性厌氧的转变很可能与厌氧紊乱破坏密切相关，这个概念也被称作“氧气假说”。我们现在知道，结肠中的兼性厌氧菌数量在肠道生态失调的情况下会大量增殖，这与低氧态上皮细胞的破坏，进而导致结肠上皮细胞氧气产量的增加有关。因此，结肠菌群结构从专性厌氧到兼性厌氧细菌的转变，可能与多种人体慢性疾病密切相关，结合结肠上皮细胞功能紊乱的问题，推测这些疾病的发作原理可能也是相同的。
对于肠道内稳态的破坏原因和机制，早期的理论普遍认为是抗生素治疗所带来的作用结果。这一理论认为，抗生素减少了能够产生多种发酵物（如短链脂肪酸丁酸、丙酸和乙酸等）的微生物的数量，从而改变了上皮细胞的新陈代谢。动物试验结果显示，结肠是吸收短链脂肪酸的主要部位，在这里它们与G蛋白耦合受体相结合，来维持小鼠粘膜中的调节性T细胞池，从而抑制肠道炎症。丁酸盐激活了人体上皮细胞中的PPAR-γ信号，从而改变结肠上皮细胞的新陈代谢，使其转向为脂肪酸的线粒体β-氧化，这对于低氧态上皮细胞环境的维持十分重要。因此，抗生素诱导下的短链脂肪酸损耗，对于上皮细胞PPAR-γ信号起到了沉默作用，同时降低了小鼠模型中调节性T细胞的数量。结果，抗生素治疗增加了结肠粘膜的炎症。伴随着炎症的升高表明末端已分化表面上皮细胞的代谢向着无氧酵解转变，这是一种以低耗氧量，高葡萄糖消耗以及高乳酸释放为特征的代谢模式。这种代谢重编导致了低氧态上皮细胞的损耗。反过来说，上皮细胞氧化作用增强并提高了黏膜表面氧气的产量，进而通过有氧呼吸增加了兼性厌氧微生物的数量（Fig .1B）。
结肠上皮细胞的代谢极化
健康人群肠道中，丁酸盐激活PPAR-γ标志着分化的结肠上皮细胞末端氧气消耗量的增加，通过极化作用，其胞内代谢转向为脂肪酸线粒体内β-氧化。然而，促炎性细胞因子信号可以通过将代谢重新定向为无糖酵解来改变结肠上皮细胞的表型，进而降低耗氧量，并最终诱发菌群由专性厌氧主导结构转变为兼性厌氧。这两种对立的结肠上皮细胞表型十分相似于巨噬细胞的选择性激活（M2）和典型激活（M1）这两种极化态，而这一过程需要可逆的代谢重编。虽然M1—M2二分状态是一种极为简化的模式，但体内的巨噬细胞能够有规律的模拟M1或者M2的极化态，从而也确保了这种命名法是有用的。在M2极化态过程中，白细胞介素（IL）-4和IL-13诱导STAT6发出信号，激活PPAR-γ，并驱动巨噬细胞的能量代谢转向脂肪酸的线粒体β-氧化和氧化磷酸化（Fig. 2A）。相反，当出现促炎性细胞因子信号，如伽马干扰素（IFN-γ）或者脂多糖（LPS），M1巨噬细胞出现，通过极化作用，其代谢转向为无氧酵解，进而增加了葡萄糖消耗和乳酸的释放（Fig. 2B）。巨噬细胞M1的一个代谢标志是L-精氨酸和氧气转化为一氧化氮和L-瓜氨酸，这一过程在诱导型一氧化氮合酶（iNOS）作用下进行。与此相似，结肠上皮细胞的代谢极化转向了无氧酵解，并伴随着iNOS合成水平的提高以及一氧化氮产量的增加。肠腔中，一氧化氮能够被转化为硝酸盐，并能被许多兼性厌氧菌利用，作为厌氧呼吸过程中的电子受体。相反，结肠上皮细胞衍生的硝酸盐诱导了兼性厌氧菌变形菌门的扩增，如抗生素处理后的小鼠结肠处的大肠杆菌。同时，这些发现表明在肠道内稳态或者失调期间所出现的不同代谢状态十分相似于巨噬细胞M2和M1的代谢重编过程。
为了更好的概念化宿主是如何改变结肠菌群结构的，扩大非造血宿主细胞代谢特征的概念似乎是较为可靠的解释，这些细胞与机体免疫功能密切相关。类推到巨噬细胞的极化作用，微生物群衍生的标记物，如短链脂肪酸，诱导了结肠上皮细胞中原始稳态（C2）的激活以维持厌氧状态（Fig. 2C），随之确保了专性厌氧微生物主导整体菌群结构，进而完成循环并保证了纤维素被微生物转化为可利用发酵产物（Fig. 1A）。相反的，当结肠上皮细胞原始稳态C2被破坏，生态失调随即发生。例如，末端已分化的结肠上皮细胞，当其代谢重编转向炎症相关联（C1）的激活态（Fig. 2D）时，宿主衍生的呼吸电子受体的有效性得到提高，进而加剧了引起紊乱的兼性厌氧肠杆菌数量激增。因此，健康人体肠道菌群结构的维持与结肠内分化型上皮细胞的原始稳态C2-正负代谢密切相关。
图2. M1/M2模式扩展至结肠上皮细胞。（A和B）细胞因子信号能够极化巨噬细胞的新陈代谢及功能，此过程可逆。（A）IL-4和IL-13刺激加速了极化，通过诱发STAT6发出信号诱导线粒体β-氧化的PPAR-γ的活化，选择性的激活了M2巨噬细胞，并伴随对Nos2基因的抑制。（B）促炎性细胞因子信号，如IFN-γ，刺激极化并转向为典型激活态巨噬细胞M1，宿主细胞代谢方式转化为无氧酵解。（C）纤维素在菌群的作用下转化为多种发酵产物，如丁酸，通过诱导线粒体β-氧化的PPAR-γ的活化，刺激了代谢极化转向激活态的C2结肠上皮细胞，进而降低了上皮细胞氧化作用。（D）促炎性细胞因子信号，通过宿主细胞代谢转化为无氧酵解方式，进而刺激代谢极化转向为C1结肠上皮细胞，增加了上皮细胞氧化作用，这一过程导致上皮细胞表面氧气的释放。无氧酵解过程中产生的乳酸释放到肠腔中，而iNOS产生的一氧化氮则转化为NO3–。
溃疡性结肠炎中的上皮细胞代谢
上皮细胞过度修复期间，原始稳态C2-正负代谢结肠上皮细胞表面也会丢失，这一现象出现在溃疡性结肠炎过程中，该肠炎疾病能够诱发结肠病变。为了修复上皮细胞损伤，腺周肌成纤维细胞分泌分裂素R-spondin 2，该分裂素能够触发结肠干细胞以及未分化的短暂增殖细胞进行分化。过度的上皮细胞修复驱使分化的短暂增殖细胞数量上升，进而诱发腺窝的延伸。从组织病理学变化来看，这种症状被认为是结肠腺窝增生，这是溃疡性结肠炎的一种常见特征。这种畸形增生导致了末端分化型上皮细胞，如杯状细胞，数量减少；同时，伴随着对溃疡病人黏液层的稀释，使其变薄。因为PPAR-γ首先在末端分化型上皮细胞处合成，因此，未分化型短暂增殖细胞的积累，在结肠腺窝增生期间，预期会降低上皮细胞PPAR-γ的合成量，进而减少结肠上皮细胞中脂肪酸的线粒体β-氧化。与预测相一致，溃疡性结肠炎病人的结肠上皮细胞在降低上皮细胞PPAR-γ合成量的同时，丁酸被线粒体β-氧化成二氧化碳的能力也随之降低。低水平的上皮细胞PPAR-γ合成源于短暂增殖细胞数量的上升，并最终导致了“肠漏症”的出现；在一个结肠炎小鼠模型实验中，发现上皮细胞PPAR-γ信号的削弱增加了结肠渗透性，这可能是因为上皮细胞中的紧密连接分子被PPAR-γ上调（Fig. 2C）。短暂增殖细胞的代谢特征是低耗氧量，因此，这些细胞的积累增加了上皮细胞的氧化作用。结肠炎的另一种副产物是硝酸盐，主要是通过宿主酶iNOS的作用合成。溃疡性结肠炎小鼠模型中发现，肠腔中增加的可利用型氧气和硝酸盐促进了兼性厌氧肠杆菌科，如大肠杆菌的扩增（Fig. 1C）。因此，溃疡性结肠炎病发过程中，厌氧态的失调很可能是整个肠道微生态紊乱的征兆之一，动物模型中已经证实了这一点，即C2-正负代谢上皮细胞在结肠腺窝增生过程中的数量不断下降。
溃疡性结肠炎对于抗生素治疗的应答表明菌群生态失调加重了肠道炎症反应，并使其进一步恶化，虽然这种现象的深层机理并未阐明。肠道菌群在广谱抗生素的作用下，正常结构被破坏，引起生态失调，这表明如果能够对肠道菌群进行合理地调控，只作用于目标或者是潜在致病菌，那么这样的可控菌群便能够起到有利于宿主健康的作用。与此观点相一致的是，通过预测，对肠道菌群进行定向编译，选择性的抑制兼性厌氧肠杆菌的扩增，能够缓解肠道炎症，这一点在小鼠实验中已经证实。以选择性抑制微生物呼吸途径的钼辅因子为基础，是因为其在炎症发作过程中是可控的，因此给出了概念验证，即在复杂的菌群结构中，对于特殊酶活力进行合理的化学调控能够有望成为一种新型干预手段。
宿主可以采用C2-正负结肠上皮细胞代谢来维持内稳态，因此通过阻止上皮细胞控制的代谢来达到治疗效果，能够成为重新平衡肠道菌群的一种新手段。特别是，PPAR-γ调控短暂增殖细胞分化为结肠上皮细胞这一过程，有望成为恢复C2-型上皮细胞表面，进而遏制生态失衡并减轻炎症。与此相似，PPAR-γ激动剂处理后，通过抑制短暂增殖细胞的过度分化，降低了腺窝增生。此外，采用PPAR-γ激动剂5-氨基水杨酸对上皮细胞表面进行局部处理也是推崇的一线疗法，其可以有效地缓解溃疡性结肠炎，同时降低结肠菌群中变形菌门的丰度。以上这些数据有力的支撑了假说，即通过恢复结肠表面C2的原始稳态来重新平衡肠道菌群，这可能是重建内稳态的一种可行性治疗方法。
致病菌通过调控结肠上皮细胞代谢进行生长
一些胞内致病菌能够改变巨噬细胞的极化作用，从而从宿主细胞中得到营养物质来支持自身生长和在宿主组织中的长期定植。以布氏杆菌为例，该病菌可以在小鼠肝脏和脾脏中，定植于M2-极化后的巨噬细胞。PPAR-γ诱导激活脂肪酸的β-氧化，从而使能够支撑致病菌生长的葡萄糖可用性大幅度提高（Fig. 2A）。与巨噬细胞极化相似，最近的研究表明致病菌也能够操纵结肠上皮细胞的代谢，抢夺其他微生物的营养资源用以自身生长。
图3. 肠道致病菌通过操纵结肠上皮细胞代谢来攻克生态位点保护作用。（A）肠道沙门氏菌利用其毒力因子引发嗜中性粒细胞的上皮迁移，消耗梭杆菌，降低短链脂肪酸（如丁酸）在肠腔内的浓度。随后上皮细胞代谢重编增加了氧气和乳酸在肠腔内的生物利用率。炎症反应产生了额外的电子受体，包括S4O62–和NO3–。这些宿主衍生物质促进了兼性厌氧致病菌的扩增。（B）鼠类柠檬酸杆菌（柠檬酸杆菌属）毒力因子引起上皮细胞损伤，并导致细胞修复应答，进而导致结肠腺窝增生。随后，上皮细胞氧化作用增强，并通过有氧呼吸促进了鼠类柠檬酸杆菌的扩增。APC，抗原呈递细胞；PMN，中性粒细胞；其它缩写名词同图1.
C2-正负代谢结肠表面的一个重要功能是限制宿主衍生呼吸电子受体的可利用性，促使生态位点的保护作用，进而抑制兼性厌氧类肠道致病菌的繁殖与扩增。沙门氏菌（肠杆菌科）作为肠道致病菌中的一类，能够利用自身毒力因子引发严重的急性肠炎，从而攻克生态位点的保护作用。在肠道炎症期间，中性粒细胞进入肠腔清除梭菌属，这一过程能够产生降低短链脂肪酸浓度的效果，并诱使末端分化型结肠上皮细胞的代谢转变为与炎症相关的C1激活态，同时增加了上皮细胞的氧化作用。在沙门氏菌诱发结肠炎的过程中，吞噬细胞的暴发性呼吸作用迁入肠腔，产生额外的电子受体用于无氧呼吸，包括硝酸盐和连四硫酸盐（Fig. 3A）。肠道沙门氏菌采用组合下的兼性厌氧呼吸方式，在发炎的肠腔内肆意扩增。而呼吸作用赋予了肠道沙门氏菌优于其它专性厌氧菌的生长能力，因为这一方式能够使致病菌消耗菌群衍生的多种发酵物，如琥珀酸、丁酸、乙醇胺以及1,2-丙二醇。有趣的是，C1-正负代谢上皮细胞表面具有释放大量乳酸的特性，同时也为沙门氏菌提供了宿主衍生的碳源以支持其呼吸生长（Fig. 3A）。因此，肠道沙门氏菌利用其毒力因子作用于上皮细胞表面，使其转向为C1激活态，这一过程为致病菌提供了宿主衍生的电子受体（如氧气）和碳源（如乳酸），进而使致病菌对于其它肠腔专性厌氧菌的生长产生了完全的压制。
鼠类柠檬酸杆菌（肠杆菌科）是小鼠肠道中的一种致病菌，能够通过毒力因子机制起到破坏作用，这与人体中的粘附-消除型致病菌作用相似，如致病性大肠杆菌（EPEC）或者出血性大肠杆菌（EHEC）。鼠类柠檬酸杆菌利用其毒力因子附着于结肠表面，使其能够与其它肠道微生物竞争，同时造成上皮细胞损伤，并引发上皮细胞的过度修复，进而导致结肠腺窝增生和黏膜表面未分化短暂增殖细胞的累积（Fig. 1C）。C2-正负代谢上皮细胞的减少导致了黏膜表面氧气产量的增加，通过有氧呼吸促进了鼠类柠檬酸杆菌的生长（Fig. 3B）。以菌群衍生的多种发酵物如甲酸盐类为营养基础，鼠类柠檬酸杆菌在呼吸作用下大量扩增，这就使致病菌有实力与其它肠道微生物竞争。
这些结果表明，肠道沙门氏菌和鼠类柠檬酸杆菌通过它们的毒力因子，破坏了原始稳态的C2-正负代谢结肠表面，虽然其作用机制各不相同。然而，每种致病菌均通过改变结肠上皮细胞代谢来从宿主细胞获得必要的生长物质，进而扩增自身并抑制其它微生物生长。因此，从肠道致病菌对结肠上皮细胞代谢破坏，克服肠道菌群提供的生态位保护作用角度去入手，是一种新兴的治疗策略。
未来方向
结肠上皮细胞在塑造肠道菌群结构中起到了重要作用，其代谢方式的变化是诱发大肠生态失调与否的重要因素。本文对相关研究结果进行了综述，认为结肠上皮细胞功能的代谢极化是肠道菌群变化的控制开关，在菌群平衡和紊乱过程中起到调节作用。强有力的证据表明C2-正负代谢结肠上皮细胞的减少导致了抗生素处理后的小鼠，或者是化学诱导的结肠炎小鼠及感染了肠道致病菌的小鼠，其肠道生态失调。在感染了慢性猴免疫缺陷病毒恒河猴的结肠中，PPAR-γ的合成量下降，这说明结肠上皮细胞代谢的改变很可能促进了变形菌门类的扩增。然而，需要进一步研究是否结肠癌或肠道易激综合征患者，以及高脂饮食的人群体内，菌群结构出现了从专性厌氧到兼性厌氧菌的变化，且是由C2-正负代谢结肠上皮细胞的减少所导致。人体免疫系统通过维持C2-正负代谢上皮细胞表面来平衡结肠菌群结构，这种利用宿主控制机制治疗的手段，可以通过作用于目标微生物来重建失调菌群，为治疗多种结肠疾病，并重建平衡态结肠菌群提供了治疗新思路。
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