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Science Bulletin | 青藤碱依赖肠道菌群调节色氨酸代谢和激活芳香烃受体改善类风湿关节炎

麦特绘谱

2023.11.23

类风湿关节炎（RA）是一种慢性炎症性自身免疫性疾病，其特征是伴有骨和软骨侵蚀的多关节炎症，最终导致关节畸形甚至功能障碍。青藤碱（SIN）是来源于植物青风藤根的一种具有生物活性的异喹啉类生物碱，是临床上常用于治疗RA的药物。SIN很难被体循环吸收，但它可以调节肠道菌群组成，并改善慢性炎症相关疾病。然而，与SIN的抗RA相关的关键肠道微生物物种和关键微生物信号代谢物尚不清楚。

2023年6月28日，中国药科大学天然药物国家重点实验室的刘鄂湖/李萍/李菁教团队在Science Bulletin （IF18.9）期刊上发表题为“Sinomenine ameliorates rheumatoid arthritis by modulating tryptophan metabolism and activating aryl hydrocarbon receptor via gut microbiota regulation”的研究型文章，通过16S rRNA基因测序、抗生素治疗和粪菌移植来评估SIN的微生物群依赖性抗RA作用，并通过代谢组学、转录组学和靶向菌群代谢物等，探索SIN调节肠道微生物群及其代谢物以改善RA的具体机制。

药物干预疾病表型：SIN降低大鼠胶原诱导型关节炎（CIA）的严重程度

以CIA大鼠为实验材料，分别给药不同浓度SIN、Methotrexate以及PBS，并检测CIA相关症状（包括大鼠的体重、脚掌水肿量、关节炎评分、H&E染色、组织学评分、血浆中类风湿因子和CCP-Ab 水平、免疫器官(脾脏和胸腺)指数以及血浆中促炎因子（IL-6、TNF-a、IL-4、IFNG）水平），结果发现SIN以剂量依赖的方式有效降低CIA大鼠的关节损伤和炎症。

图1. SIN减轻CIA大鼠关节炎的严重程度

药物干预肠道菌群：SIN逆转CIA大鼠肠道菌群失调

通过大鼠粪便样本16S rRNA测序发现， SIN不仅降低肠道群落α多样性，还逆转了CIA大鼠异常的肠道菌群组成，并且SIN显著富集的Lactobacillus属（乳杆菌属）与CIA相关指标如爪子体积、TNF-a、RF和CCP-Ab的严重程度呈负相关，表明乳酸杆菌属的富集可能参与SIN对CIA的保护作用。

图2. SIN改善CIA大鼠肠道菌群失调

粪菌移植和抗生素干预确定肠菌的作用：SIN以肠道微生物依赖的方式减弱CIA

通过将SIN处理的CIA大鼠的肠道微生物群通过每日灌胃移植到受体CIA大鼠中，发现受体CIA大鼠可以明显减轻CIA相关症状。此外，抗生素治疗显著降低了SIN对CIA大鼠的保护作用。

图3. 通过FMT转移SIN对CIA大鼠的有益作用

药物干预代谢组变化：SIN显著增加CIA大鼠的色氨酸代谢物

通过对大鼠血清和粪便样本进行非靶向代谢组分析，发现SIN可以逆转CIA大鼠部分代谢物丰度改变，其中10种代谢物被鉴定为色氨酸代谢物，并且色氨酸代谢物与CIA相关指标具有很强的相关性。进一步通过靶向代谢组学分析，发现SIN显著提高了色氨酸以及5种色氨酸代谢物(IA、IAA、IPA、IAM和KYN)的丰度。

图4. SIN显著增加CIA大鼠的色氨酸代谢物

代谢物干预疾病表型：菌群色氨酸代谢物改善CIA大鼠关节炎症状

抗生素治疗会减少血清和粪便样本中的色氨酸代谢物（如IA, IAA和IPA），而在接受SIN处理CIA供体大鼠的肠道菌群后，受体CIA大鼠体内的色氨酸代谢物会显著增加，并且通过给CIA大鼠口服色氨酸代谢产物Try-M（IA、IAA、IPA），也可以减轻CIA相关症状。

图5. 微生物色氨酸代谢物对大鼠具有抗CIA作用

信号通路与疾病表型：SIN激活芳香烃受体（AhR）减弱大鼠CIA

通过RNA-Seq和qPCR检测，发现SIN显著降低滑膜和结肠中IL-17和RORγt 的mRNA水平，增加了AhR、CYP1A1、Foxp3和IL-10的mRNA水平。通过流式细胞术发现Try-M和SIN可以通过激活AhR逆转滑膜液和结肠中Th17和Treg细胞的失衡。使用Western Blot技术，发现SIN和Try-M可以通过激活AhR来调节NF-кB和MAPK的磷酸化，从而减弱CIA症状。

图6. SIN激活AhR通路减弱大鼠CIA

通过敲低或抑制明确AhR通路的作用：SIN激活AhR通路以减弱MH7A细胞中的RA

通过表面等离子体共振（SPR）分析、分子对接，发现色氨酸代谢物与AhR存在良好的结合亲和力及潜在的相互作用，通过AhR的敲低或AhR抑制剂(CH223191)干预发现SIN和Try-M对MH7A细胞的Th17/Treg失衡和炎症反应的逆转作用减弱，表明SIN和Try-M以AhR依赖的方式调节NF-kB和MAPK的磷酸化。

图7. SIN激活AhR通路以减弱MH7A细胞中的RA

单菌移植对代谢物及表型的作用：SIN介导的副干酪乳杆菌和干酪乳杆菌的富集通过调节色氨酸代谢来减弱CIA

通过粪便DNA样本qPCR定量，发现SIN显著富集副干酪乳杆菌或干酪乳杆菌丰度，给CIA大鼠灌胃这两株菌，发现其可显著减轻CIA症状，并调节AhR和Th17/Treg相关基因，增加色氨酸及其代谢物丰度。综上，SIN可显著富集副干酪乳杆菌和干酪乳杆菌两种有益菌，并通过调节色氨酸代谢和激活AhR来减轻CIA大鼠的RA。

图8. SIN富集副干酪乳杆菌和干酪乳杆菌，通过调节色氨酸代谢物来减弱CIA

小结

SIN可改善肠道微生物失衡和肠道屏障功能障碍，并显著富集肠道菌群色氨酸代谢物(IA、IAA和IPA)，给CIA大鼠补充色氨酸代谢物可以通过激活AhR来减少RA相关的炎症表型。此外，SIN通过富集两种有益的乳酸菌（副干酪乳杆菌和干酪乳杆菌）来缓解关节炎症状。

参考文献

Sinomenine ameliorates rheumatoid arthritis by modulating tryptophan metabolism and activating aryl hydrocarbon receptor via gut microbiota regulation. Sci Bull. 2023.

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