肠道微生物及其代谢产物在维持肠道健康方面发挥重要的作用。饲粮中的营养物质对肠道微生物组成、结构、定植及肠道黏膜免疫平衡可产生很大影响。作为一种必需氨基酸，色氨酸及其微生物代谢产物在调节肠道微生物组成及维持肠道免疫平衡方面扮演着关键角色。本文主要阐述了色氨酸、肠道微生物及肠道免疫的相互作用及其分子机制。
1 肠道微生物和肠道免疫的相互作用肠道免疫系统的发育与肠道微生态相辅相成，共同维持肠道稳态和宿主健康。肠道微生物在肠道免疫系统的形成、发育及成熟过程中发挥重要的作用，如果改变肠道微生物组成将会引起免疫系统功能紊乱，并增加肠道炎症疾病发生的风险[1]。反过来，肠道免疫系统同样影响肠道微生物组成、结构及其在肠道中的定植，并维持宿主与微生物的共生关系[2]。Ganal等[3]使用过滤性的病毒感染正常或无菌的2组小鼠，相比正常小鼠来说，无菌小鼠的免疫应答大幅降低并患上严重的疾病，但随后给无菌小鼠接种正常小鼠的肠道微生物后，其免疫应答得到恢复。Vatanen等[4]研究发现，拟杆菌属的脂多糖是固有免疫的有效激活剂，幼年时期接触微生物有助于免疫系统的训练和成熟，不易患上自身免疫疾病。
2 色氨酸及其微生物代谢产物 2.1 色氨酸色氨酸作为动物体内不能合成但具有多项生理功能的必需氨基酸，在许多食物中普遍存在。近年来，大量研究阐明了饲粮色氨酸在维持肠道微生物区系及肠道黏膜免疫之间的平衡发挥着重要的作用。Hashimoto等[5]研究发现饲粮中缺乏色氨酸会损害小鼠的肠道免疫功能，导致小鼠更容易患肠道炎症疾病。然而，给小鼠或仔猪饲喂富含色氨酸的饲粮可有效降低炎症反应及葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的肠道炎症疾病的发生[6-7]。研究发现，体外添加色氨酸可促进小鼠肠道乳杆菌的迅速增殖并影响肠道免疫平衡[8-9]。然而，膳食色氨酸对宿主肠道免疫系统及肠道菌群组成发挥的调节作用并不是色氨酸自身起作用，而是与色氨酸内源性代谢产物及色氨酸微生物代谢产物密不可分。其中，色氨酸微生物代谢产物的生理生化功能近年来受到国内外的广泛关注。
2.2 色氨酸微生物代谢产物肠道微生物可直接利用色氨酸，据报道，肠道菌群可直接代谢4%~6%的色氨酸为吲哚及吲哚酸衍生物[10]。这些色氨酸的微生物代谢产物在调节肠道免疫耐受方面发挥的重要作用不容忽视。然而，由于胃肠道共生菌种类繁多、构造复杂，不同的微生物具有相同或不同的代谢酶，因此不同的微生物代谢色氨酸产生相同或不同的代谢物，或者多种共生菌共同作用生成一种代谢物，或者某些肠道共生菌不能代谢色氨酸的情况都可存在。肠道微生物组成的复杂性给具体分析色氨酸微生物代谢产物与微生物之间的关系工作带来不少挑战。此外，何种潜在共生菌可代谢色氨酸产生对肠道免疫平衡有益的产物的工作还需进一步开展。
2.2.1 吲哚吲哚是肠道微生物代谢色氨酸产生的最主要代谢产物。普通变形杆菌、副大肠杆菌、无色杆菌及拟杆菌等表达色氨酸酶的共生菌都可代谢色氨酸产生吲哚[11]。作为一种特殊性的微生物信号分子，吲哚在正常的动物肠道中保持较高的浓度并维持肠道健康[12]，且其还具有明显的抗炎作用。Whitfield-Cargile等[13]发现，添加适量吲哚可有效缓解由固有免疫应答引起的炎症反应，且可丰富肠道菌群组成；同时，体外肠细胞培养试验发现，添加一定浓度的吲哚可上调肠道上皮细胞紧密连接蛋白、黏液蛋白以及抗炎因子白细胞介素-10(IL-10)的表达，而下调促炎症因子白细胞介素-8(IL-8)的表达，还会降低大肠杆菌对肠上皮细胞的黏附力。动物试验进一步验证了吲哚还具有抵制外源病原菌的入侵，改善肠道炎症的作用[14]。
2.2.2 吲哚酸衍生物小部分的色氨酸还可被肠道中的微生物代谢成吲哚酸衍生物，包括吲哚-3-乙酸、吲哚-3-乙醛、吲哚乳酸及吲哚丙烯酸等[11]。其中，肠道中的梭状芽胞杆菌、拟杆菌以及罗伊氏乳杆菌代谢色氨酸生成色胺和吲哚丙酮酸，这些产物进一步转化成吲哚-3-乙酸、吲哚-3-丙酸及吲哚乳酸[15]。吲哚酸衍生物在维护肠道免疫耐受方面发挥作用早有报道。Venkatesh等[16]研究发现，梭状芽胞杆菌代谢色氨酸生成的吲哚-3-丙酸增加了IL-10的表达水平，而降低了肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的表达水平，从而使小鼠免受DSS引诱的结肠炎困扰。此外，Lamas等[17]报道，吲哚-3-丙酸在炎症性肠病(IBD)患者粪便中的浓度下降，并证明缺乏色氨酸代谢产物会加重IBD患者的病情。
3 色氨酸微生物代谢产物调节肠道免疫功能的机制肠道微生物代谢色氨酸生成的吲哚及其衍生物渗入到肠道上皮细胞中，在宿主循环系统中沉积并被免疫细胞识别，进而激活AhR信号通路，促进AhR依赖性的由肠道固有淋巴细胞分泌的白细胞介素-22(IL-22)转录；分泌的IL-22活化信号传导及转录激活因子3(STAT3)信号通路并诱导肠道上皮细胞分泌再生胰岛衍生蛋白3(Reg3)凝集素、抗菌肽以及防御素，从而降低肠黏膜的炎症反应，维持肠道免疫平衡及肠道屏障功能的完整性[18-20]。AhR和IL-22在色氨酸微生物代谢产物发挥调节肠道免疫平衡、抑制炎症反应和维护肠道屏障功能过程中发挥关键作用。
3.1 AhR信号AhR是一种广泛表达于免疫细胞和肠上皮细胞，依赖配体激活的转录因子。在肠道淋巴结发育、免疫细胞的活化和增殖，肠道屏障功能及肠道免疫平衡的维护方面，AhR发挥了重要的作用[21-23]。AhR让肠道上皮的固有淋巴细胞更加“忠于职守”，随时待命；如果缺乏AhR，将会加剧肠道上皮细胞对病原体的易感性，改变肠道菌群结构，加重结肠炎模型小鼠的病情。在DSS诱导肠道损伤模型中发现，缺乏AhR的小鼠表达了更高水平的TNF-α和IL-6，并表现出严重的病症及较高的死亡率[24-25]。此外，被敲除AhR的小鼠更容易感染肠道炎症疾病，表明AhR在维护肠道免疫及肠道屏障功能方面发挥着重要作用[26]。AhR拥有大量内外源性配体，其中包括微生物代谢色氨酸生成的吲哚及吲哚酸衍生物。当配体与AhR结合后，AhR与AhR核转录因子(Arnt)结合成为异质二聚体，并向细胞核内转移，进而激活免疫调节相关的基因，达到维持肠道黏膜免疫平衡的作用。Zelante等[8]发现罗伊氏乳杆菌代谢色氨酸生成的吲哚-3-乙醛上调了小鼠肠道AhR表达水平并激活AhR信号，并且结肠中IL-22的表达水平得到上调，缓解了由真菌白色念珠菌引起的炎症反应，保护了肠道上皮屏障。研究表明，AhR对肠道免疫功能发挥有效改善作用依赖于IL-22的生成。Monteleone等[27]报道，给小鼠注射AhR激动剂下调了小鼠肠道炎症因子的表达，而上调了IL-22的表达，并缓解了小鼠肠炎反应；然而，给小鼠注射AhR拮抗物则促使肠道促炎症因子表达上调，IL-22表达下调，并发展成严重的肠炎病。
3.2 IL-22信号IL-22可由存在于动物肠道黏膜上皮细胞之间的多种固有淋巴细胞表达，其中包括自然杀伤(NK)细胞和3型天然淋巴细胞(ILC3)[28-30]。IL-22在肠道内主要起着促进黏液蛋白、防御素、抗菌肽和凝集素的合成与分泌并保持肠道完整性的作用，因此，IL-22在促进细胞增殖、抑制细菌繁殖、抑制炎症反应、修复受损的肠道上皮细胞以及维护肠道屏障功能等方面发挥重要作用[31-32]。对基因敲除小鼠模型的研究证实，IL-22的缺失严重抑制感染流感病毒小鼠呼吸道上皮细胞的修复，导致支气管和器官黏膜上皮细胞严重受损，并且小鼠在感染后的第10天持续减重且无法恢复至正常体重；若及时给感染流感病毒小鼠接种IL-22+ NK细胞，小鼠气管和支气管黏膜上皮细胞Ki-67(细胞增殖分化的标志性分子)表达水平在试验第4天开始大量增加，并于试验第15天损伤黏膜得到良好的修复；而未接种IL-22+ NK细胞的感染流感病毒小鼠的黏膜损伤则日趋严重[33]。色氨酸微生物代谢产物促进肠道内IL-22的生成与AhR信号密不可分。给小鼠饲喂色氨酸，增加了小鼠肠道中罗伊氏乳杆菌的丰度及代谢产物吲哚-3-乙醛的浓度，并上调了肠道中IL-22的表达水平，且AhR-IL-22信号发挥抵制DSS诱导的结肠炎的作用[34-35]。相反，缺乏AhR的小鼠导致IL-22的浓度下降，进而阻碍肠道上皮细胞合成抗菌肽，加剧肠道炎症疾病的症状[36]。
3.3 影响色氨酸微生物代谢产物发挥肠道免疫调节作用的其他因素宿主的某些基因可直接或间接影响肠道微生物的组成及色氨酸微生物代谢产物的生成，进而影响其发挥调节肠道免疫平衡的功能。例如，作为对抗微生物的敏感基因胱天蛋白酶富集域家族成员9(CARD9)，其促进IL-22生成和结肠炎恢复，缺失CARD9后菌群代谢色氨酸受阻，结肠炎加重。Lamas等[17]发现，缺失CARD9基因的小鼠不具有代谢色氨酸产生吲哚衍生物的能力。Zelante等[8]报道，缺乏CARD9基因的小鼠，其具有代谢色氨酸能力的菌群(如罗伊氏乳杆菌)数量显著降低，感染肠道炎症疾病的风险增加。此外，Dodd等[37]研究表明，FLDC基因在芽孢杆菌合成吲哚丙酸的过程中发挥了十分重要的作用，缺乏FLDC基因的小鼠肠道菌群无法合成吲哚丙酸，其肠道免疫耐受平衡被打破，引发肠道渗漏现象。
此外，在维持肠道健康、促进机体免疫系统的发育与成熟等方面发挥重要作用的益生菌也会影响色氨酸微生物代谢产物发挥调节肠道免疫平衡的作用。体外添加罗伊氏乳杆菌可增加小鼠肠道中吲哚-3-丙酸的浓度[38]，其中原因：一是添加的罗伊氏乳杆菌进行肠道定植，其具有直接代谢饲粮中色氨酸生成吲哚丙酸的能力；二是外源性补充的乳杆菌影响肠道菌群的组成，提高可代谢色氨酸的菌群丰度，进一步提高代谢色氨酸产生吲哚及吲哚酸衍生物的浓度。
4 小结色氨酸微生物代谢产物对肠道黏膜免疫产生深刻影响。同时，肠道微生物组成影响色氨酸的利用及代谢，进而直接或间接影响宿主的肠道免疫应答和肠道健康。饲喂富含色氨酸的饲粮或补充外源性乳杆菌，对改善肠道有益菌群的组成及丰度、维持肠黏膜免疫平衡、减少肠道感染、提高肠道屏障的完整性以及降低肠炎病的发生具有十分重要的作用。后续研究应重点关注具备代谢色氨酸能力的菌株的开发，以及色氨酸微生物代谢产物调节肠道免疫平衡的作用浓度及分子机制。
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