构建个性化模型揭示乳糜泻小肠上皮细胞代谢奥秘，22 种 FDA 批准药物或成新希望

为探究 CeD 中 sIECs 的代谢异常，作者[第一作者单位] 研究人员构建个性化 GEMs 开展研究。结果发现 28 种代谢任务异常，还找到 22 种潜在治疗药物。这为 CeD 治疗提供新思路，推荐科研读者阅读。

　　

在人体的肠道中，有一层小小的细胞，它们虽然个头不大，却肩负着重大使命，这就是小肠上皮细胞（sIECs）。这些细胞就像肠道的 “忠诚卫士”，不仅负责消化吸收营养物质，还努力维持着肠道屏障的完整性，精心调节着免疫反应。可有一种疾病却总是来捣乱，它就是乳糜泻（CeD）。

乳糜泻是一种自身免疫性疾病，罪魁祸首就是我们日常饮食中的麸质（一种存在于小麦、黑麦、大麦等谷物中的复合蛋白）。当患有乳糜泻的人吃了含有麸质的食物后，身体就会产生异常的免疫反应，这会严重损害小肠上皮细胞。目前，全球大约有 1.4% 的人深受乳糜泻的困扰，而且女性的患病率略高一些。虽然严格遵循无麸质饮食可以控制病情，但目前还没有其他有效的治疗方法或药物。

更麻烦的是，慢性炎症和组织损伤会打乱小肠上皮细胞原本精密的代谢过程。这些代谢过程就像一部复杂机器上的各个零件，相互协作，共同维持着细胞的正常功能。可现在，这部 “机器” 出故障了，营养吸收、肠道屏障功能、免疫细胞相互作用等都受到了影响。然而，科学家们对究竟是哪些具体的代谢过程出了问题，还知之甚少。为了弄清楚这些问题，更好地找到治疗乳糜泻的方法，来自 作者[第一作者单位] 的研究人员进行了深入研究，并在《BMC Medicine》期刊上发表了题为 “Personalized genome-scale metabolic models of small intestinal epithelial cells provide insights into celiac disease pathogenesis” 的论文。

研究人员通过构建个性化的、性别特异性的小肠上皮细胞代谢基因组规模模型（GEMs），发现了乳糜泻患者小肠上皮细胞代谢的新奥秘。他们还找到了 22 种美国食品药品监督管理局（FDA）批准的药物，这些药物有望通过靶向修复受损的代谢功能，为乳糜泻的治疗带来新希望。这一研究成果为开发针对乳糜泻的治疗方法奠定了重要基础，就像在黑暗中为研究人员点亮了一盏明灯。

为了完成这项研究，研究人员运用了多种关键技术方法。他们先以现有的文献整理的小肠上皮细胞代谢 GEMs 为基础模型，结合从乳糜泻患者和健康对照者的十二指肠活检中收集的基因表达数据，构建了个性化的 GEMs。接着，利用计算机模拟不同的饮食条件，包括美国平均饮食和无麸质饮食，来研究小肠上皮细胞的代谢能力。此外，还运用了影子价格分析、主成分分析等方法深入探究代谢变化，并且通过构建多队列验证数据集对研究结果进行验证。

下面，让我们一起来看看研究人员都有哪些重要发现。

个性化 sIECs GEMs 的重建

研究人员利用之前发表的小肠上皮细胞 GEMs 作为基础模型，结合 42 名受试者（包括 12 名活动性乳糜泻患者、15 名缓解期乳糜泻患者和 12 名健康对照者）的转录数据，通过计算机构建出了患者特异性的小肠上皮细胞代谢 GEMs。为了让模型更贴合每个个体的实际情况，他们不仅根据基因表达水平约束了代谢反应通量，还考虑了性别因素，将从男性和女性全身代谢模型中获得的性别特异性生长速率融入分析。最终得到的 42 个计算模型，就像为每个个体量身定制的 “代谢地图”，清晰地展现了活动性乳糜泻、缓解期乳糜泻和健康个体中小肠上皮细胞的个性化代谢景观。

利用个性化 GEMs 对 sIECs 代谢进行计算研究

研究人员为不同组的受试者模拟了相关饮食。给活动性乳糜泻患者和健康对照者采用美国平均饮食，为缓解期乳糜泻患者设计了基于典型无麸质饮食的食谱。通过这些模拟，他们评估了小肠上皮细胞执行 59 种代谢任务的能力，这些任务涵盖了氨基酸和核苷酸合成、ATP 生成、尿素循环等多个重要方面。同时，还研究了小肠上皮细胞向血液和肠腔分泌代谢物的潜力。这就好比对小肠上皮细胞的 “工作能力” 和 “物质运输能力” 进行了一次全面的 “考核”。

不同条件下 sIECs 关于基本代谢任务的整体代谢景观

主成分分析结果显示，三组受试者的小肠上皮细胞代谢轮廓存在部分分层。缓解期乳糜泻患者倾向于在第一主成分（PC1）的左侧聚集，活动性乳糜泻患者则更靠近右侧，健康受试者处于两者之间，且与缓解期乳糜泻患者有一定重叠。这就像是三个不同的 “代谢阵营”，彼此之间既有区别又有联系，暗示着不同状态下小肠上皮细胞代谢能力的差异。不过，有一名活动性乳糜泻患者的代谢轮廓与其他人明显不同，但经过仔细检查，并没有发现异常情况，而且排除该受试者后对结果影响不大，这也证明了研究结果的可靠性。

不同条件下表现出显著差异活性的基本代谢任务

在对 59 种代谢任务的研究中，研究人员发现共有 28 种代谢任务在至少两组受试者之间存在显著差异活性。这些代谢任务对维持小肠的结构和功能完整性至关重要，它们的变化会影响肠道屏障功能、炎症反应和氧化应激调节等多个方面。比如说，其中一些代谢任务的变化可能会让肠道屏障变得不再坚固，使得有害物质更容易进入身体；而另一些则可能会加剧炎症反应，让病情变得更严重。

活动性 CeD 中改变的线粒体代谢

研究发现，有 6 种代谢任务与线粒体中的三羧酸（TCA）循环直接或间接相关，在活动性乳糜泻患者中，这些任务的通量有所增加，比如线粒体天冬氨酸转氨酶、线粒体苹果酸酶等。然而，相应基因的表达水平在各组之间并没有显著差异。这就好像是这些 “代谢工人” 干活的速度变快了，但它们的 “生产指令”—— 基因却没有发生变化，背后的原因值得深入探究。

参与活性氧（ROS）合成和代谢的差异活性代谢任务

有 6 种差异活性代谢任务与肠道中的 ROS 产生或代谢有关。其中，一氧化氮合酶、黄嘌呤氧化酶等参与 ROS 合成的任务，以及超氧化物歧化酶、转酮醇酶 2 等参与 ROS 分解和调节的任务，在活动性乳糜泻患者中活性均有所升高。一氧化氮合酶产生的一氧化氮在调节肠道屏障完整性方面起着重要作用，但如果浓度过高，也会造成氧化应激和损伤。超氧化物歧化酶则是一种主要的 ROS 清除酶，有助于减少氧化应激。这些代谢任务就像一个 “平衡木”，在健康状态下保持着微妙的平衡，一旦失衡，就会影响肠道健康。

CeD 中多胺合成增加

精胺合酶和亚精胺合酶在活动性乳糜泻患者中的活性显著高于健康对照者和缓解期乳糜泻患者。精胺和亚精胺是多胺类物质，它们在促进细胞生长、调节肠道上皮完整性方面发挥着重要作用。这就像是身体在面对乳糜泻的侵害时，试图通过增加这些 “保护卫士” 的合成来抵御伤害，维持肠道的正常功能。

参与核苷酸合成和 DNA 修复的差异活性代谢任务

研究还发现，有 5 种与核苷酸合成和 DNA 修复相关的功能在研究组之间存在显著差异。在活动性乳糜泻患者中，腺苷酸琥珀酸裂解酶、腺嘌呤磷酸核糖转移酶等的活性升高，这可能是由于肠道细胞受损严重，需要更多的 DNA 修复和合成。而 B - 脲基丙酸酶的活性降低，可能意味着嘧啶代谢受到了干扰。在缓解期乳糜泻患者中，胸苷酸合酶的活性降低，这或许反映出随着肠道在无麸质饮食下逐渐愈合，对 DNA 合成和修复的需求减少了。

活动性和缓解期 CeD 患者中氨基酸产生和分泌的改变

在活动性和缓解期乳糜泻患者中，有 9 种与氨基酸产生、代谢和运输相关的代谢任务出现了显著改变。例如，在缓解期乳糜泻患者中，L - 丙氨酸、L - 精氨酸和 L - 脯氨酸向血液中的分泌通量显著降低；而在活动性乳糜泻患者中，鸟氨酸的分泌通量显著增加。此外，还有一些与氨基酸合成和代谢相关的酶活性也发生了变化。这些变化与之前报道的乳糜泻患者氨基酸代谢异常的情况相吻合，进一步揭示了乳糜泻对氨基酸代谢的影响。

分泌到血液和肠腔的代谢物差异

研究人员对小肠上皮细胞向血液和肠腔分泌代谢物的能力进行了量化分析，发现有 58 种代谢物在至少两种条件下的分泌通量存在显著差异。在活动性乳糜泻患者中，多胺（腐胺、亚精胺和精胺）、参与氧化应激途径的代谢物（一氧化氮和尿酸）的分泌增加；而某些维生素（如维生素 B₅、维生素 D₃）和必需营养素（如胆碱）的分泌减少。缓解期乳糜泻患者则表现出与健康对照者不同的代谢物分泌模式，如一些必需脂肪酸、维生素的分泌增加，而部分氨基酸、维生素、多胺和核苷的分泌减少。这些代谢物的分泌变化反映了疾病状态和饮食干预对小肠上皮细胞代谢的影响。

探究 sIECs 执行基本功能的代谢适应性

通过影子价格分析，研究人员评估了小肠上皮细胞在受到干扰时执行基本代谢任务和分泌代谢物的代谢适应性。结果发现，鸟氨酸向血液的分泌和羧酸解离这两个代谢任务的适应性存在显著差异。这表明在面对各种生理变化时，小肠上皮细胞的代谢功能会做出相应调整，但不同的代谢任务调整方式和程度有所不同。

独立验证

为了验证研究结果的可靠性，研究人员创建了一个多队列验证数据集，整合了来自三项外部研究的 RNA 测序数据。这些研究的受试者来自不同的地理位置，为了减少批次效应，他们运用 ComBat - seq 管道进行了处理。在验证过程中，构建了更多受试者的个性化 GEMs，并使用不同的饮食进行模拟。结果显示，在比较活动性乳糜泻和健康对照者时，代谢任务和代谢物分泌的变化方向一致性较高；但在涉及缓解期乳糜泻患者的比较中，一致性较低，这可能是由于验证数据集中缓解期乳糜泻患者样本量有限、饮食差异或残留批次效应等原因导致的。

药物靶点分析

研究人员还探索了能够恢复乳糜泻患者异常代谢任务活性的潜在药物。他们聚焦于 6 种导致组织破坏和疾病发展的代谢任务，确定了 7 个候选药物靶点基因。通过通量耦合分析，又发现了另外 3 个相关基因，最终得到 10 个靶向基因。在 DrugBank 数据库中查询后，他们找到了 22 种 FDA 批准的药物，这些药物可以靶向这些基因，调节其表达水平，从而有望改善乳糜泻患者的代谢功能。这为开发新的治疗方法提供了有价值的线索，就像为治疗乳糜泻找到了一把潜在的 “钥匙”。

在讨论部分，研究人员对这些结果进行了深入分析。他们发现，活动性乳糜泻患者在基本代谢任务方面表现出独特的代谢特征，与缓解期患者和健康对照者有明显区别。PCA 分析显示，缓解期患者和健康对照者的代谢轮廓有一定重叠，这表明无麸质饮食有助于肠道愈合；但活动性乳糜泻患者和缓解期患者之间也存在少量重叠，这意味着部分缓解期患者可能存在复发风险。

许多差异活性的代谢任务都与乳糜泻的发病机制密切相关。一些在活动性乳糜泻患者中活性升高的代谢任务，如天冬氨酸转氨酶、一氧化氮合酶等，会通过诱导炎症反应或产生 ROS 来破坏肠道屏障，加重病情；而另一些活性升高的代谢任务，如苹果酸酶、超氧化物歧化酶等，可能是身体的一种代偿反应，试图减轻肠道损伤。

线粒体功能的改变表明，活动性乳糜泻患者的能量代谢和炎症反应发生了变化。线粒体相关代谢任务的活性增加，既反映了能量需求的增加，也与炎症反应的激活有关。同时，ROS 相关代谢活动的增加，反映了氧化应激和抗氧化防御反应的失衡。过多的 ROS 会对肠道造成损伤，但身体也会通过增加 ROS 代谢酶的活性来对抗这种损伤。

多胺合成的增加可能是身体的一种内在保护反应，有助于对抗炎症、维持肠道完整性。核苷酸合成和 DNA 修复功能的改变，反映了细胞在应对损伤时的修复需求和代谢重编程。氨基酸代谢的变化则揭示了疾病状态下身体的代谢调整，不同阶段的乳糜泻患者氨基酸代谢和运输存在差异，这可能与肠道损伤程度和饮食因素有关。

此外，研究还发现，对于许多差异活性的代谢功能，相关基因的表达水平并没有显著变化。这凸显了运用基因组规模建模的优势，它能够揭示多个代谢途径之间复杂相互作用所产生的表型结果，为理解小肠上皮细胞的代谢和功能提供了更全面的视角。

研究人员还指出，目前乳糜泻的唯一治疗方法是无麸质饮食，但这种饮食很难长期坚持。而他们通过药物靶点分析找到的 22 种 FDA 批准的药物，为乳糜泻的治疗提供了新的潜在选择，有望帮助那些即使遵循无麸质饮食仍有症状或难以坚持严格饮食的患者。不过，这些药物目前还没有在乳糜泻的治疗中进行研究，未来需要进一步探索。

独立验证结果表明，研究结果在不同队列中既有一致性，也存在差异。高一致性说明一些关键的代谢变化在不同患者群体中是稳定存在的，但涉及缓解期乳糜泻患者的低一致性提示研究结果可能受到多种因素影响，需要更多的研究来验证。

当然，这项研究也存在一些局限性。虽然 GEMs 是研究代谢反应的有力工具，但它无法涵盖酶的变构调节、细胞信号传导和细胞因子产生等调节相互作用，也不能完全反映人体肠道复杂的代谢环境。而且，人体代谢涉及多个器官和组织的相互作用，仅研究小肠上皮细胞代谢是不够的，需要更全面的分析。此外，研究结果的普遍性可能受到饮食差异、队列组成和地区差异等因素的影响，还需要通过更多的实验和临床试验来验证。

尽管如此，这项研究依然意义重大。它通过构建个性化的 GEMs，深入揭示了乳糜泻患者小肠上皮细胞的代谢异常，为治疗乳糜泻开辟了新的研究方向。研究人员发现的潜在药物靶点和药物，为开发新的治疗方法提供了重要线索。未来，通过进一步的实验和临床研究，有望将这些发现转化为实际的治疗方案，为乳糜泻患者带来新的希望。同时，这种研究方法也可以应用于其他慢性和炎症性疾病的研究，帮助科学家们更深入地理解疾病的代谢机制，为攻克更多疾病提供有力支持。