补充内源性健康的肠道代谢物可以逆转由炎症性肠病（IBD）患者粪便成分在体外和离体实验中引起的上皮功能紊乱

《Gut Microbes》：Supplementation with endogenous healthy gut metabolites reverses the disruptions of in vitro and ex vivo epithelial functions induced by fecal content from IBD patients

肠道菌群代谢物调控炎症性肠病上皮功能障碍的研究摘要： 通过患者来源的粪便样本与Caco-2细胞、结肠oids模型相互作用，发现IBD患者粪便显著降低上皮细胞ATP水平及屏障功能（TEER），并激活炎症信号（CXCL1）。基于代谢组学与多组学分析，筛选出5种具有修复作用的代谢物（G-MBs：azelate、pyridoxal等），补充后可逆转IBD相关的上皮功能障碍，为新型辅助疗法提供依据。

　　
该研究通过整合代谢组学与微生物组学分析，开发了一种基于患者粪便样本的上皮细胞模型系统，旨在筛选能够改善炎症性肠病（IBD）肠道上皮功能障碍的天然代谢物。研究团队从克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC）患者及健康志愿者中收集粪便样本，通过多组学技术分析发现，IBD患者的粪便样本中含有异常代谢物组合，这些物质会显著削弱Caco-2细胞和患者来源的结肠oids的屏障功能、能量代谢及抗炎能力。研究进一步通过体外模型验证了五种安全有效的代谢物组合（G-MBs）——包括azevate（azeinate）、pyridoxal（维生素B6）、fructose-6-phosphate、galactose-1-phosphate和ribose-5-phosphate——在改善IBD相关上皮功能障碍中的协同作用。

### 研究背景与科学问题
IBD的病理机制涉及免疫异常与肠道上皮屏障功能障碍的恶性循环。尽管现有治疗策略以免疫抑制为主，但约50%患者无法达到黏膜愈合目标，提示需要补充性干预手段。肠道微生物群和宿主代谢产物通过调节上皮细胞能量代谢、屏障结构和炎症信号通路参与这一过程。然而，现有研究多依赖动物模型或简化细胞系，缺乏对患者异质性和复杂菌群-上皮互作机制的全面解析。

### 创新性研究方法
研究团队构建了“患者粪便池-上皮细胞模型”的整合分析框架，突破传统研究局限：
1. **患者来源模型系统**：首次采用多池化策略（池1-3），分别纳入10例CD、10例UC及10例健康对照的粪便样本，通过热灭活细菌后保留代谢物，有效控制菌群活性对结果的干扰。
2. **双重细胞模型验证**：在体外同步测试Caco-2细胞（人工培养模型）和患者来源的结肠oids（三维生理模型），发现IBD粪便池对结肠oids的ATP水平抑制效果（降低达40%）显著强于Caco-2细胞，提示该模型更贴近人类肠道微环境。
3. **代谢物-功能关联网络**：通过液相色谱-质谱联用（LC-MS）检测发现，IBD患者粪便中15种代谢物浓度显著升高，包括ω-6多不饱和脂肪酸（如adrenic acid）和胆汁酸（cholate），而30种关键代谢物水平降低。通过相关性分析（Spearman rank，FDR<0.25）锁定13种与ATP水平正相关、9种与上皮屏障电阻（TEER）正相关的代谢物。

### 关键发现与机制解析
#### 1. IBD粪便池对上皮功能的系统性破坏
- **炎症信号放大**：IBD粪便池（包括CD和UC）刺激Caco-2细胞分泌IL-8（肿瘤坏死因子相关因子）水平较对照组升高2.3倍（p<0.0001），且CXCL1 mRNA表达量与疾病活动度呈正相关。
- **屏障功能受损**：经IBD粪便池处理的Caco-2细胞24小时后TEER值下降18-25%，结肠oids的细胞间连接蛋白（ZO-1）表达量降低30%，镜下可见细胞排列紊乱和空泡化。
- **能量代谢紊乱**：患者粪便池导致结肠oids的ATP水平降低35%，线粒体膜电位（Δψm）下降22%，代谢组学分析显示三羧酸循环中间产物（如琥珀酰辅酶A）减少42%，NADPH生成相关代谢通路（如核糖磷酸途径）活性下降28%。

#### 2. 代谢物干预的协同增效机制
补充G-MBs组合后，在IBD模型中实现多重改善：
- **屏障修复**：UC池#3和CD池#2的TEER值恢复至对照组的92%和88%（p<0.001），细胞间紧密连接蛋白ZO-1重新分布均匀。
- **能量代谢重建**：结肠oids的ATP水平回升至正常值的87%（p<0.0001），琥珀酸水平提升19%，NADPH生成量增加34%。
- **炎症抑制**：Caco-2细胞分泌的IL-8和IL-8 mRNA水平降低42%（p<0.0001），且TGM2（紧密连接相关基因）表达量下降28%。

#### 3. 关键代谢物的功能解析
- **azevate（azeinate）**：作为天然抗氧化剂，通过抑制NLRP3炎症小体活性，减少促炎因子分泌（数据见补充材料图S5）。
- **pyridoxal（维生素B6）**：促进γ-谷氨酰半胱氨酸合成（GSH），在热灭活模型中维持细胞存活率（>95%）。
- **代谢三角协同效应**：fructose-6-phosphate（激活磷酸果糖激酶-1）、galactose-1-phosphate（促进UDPG合成）和ribose-5-phosphate（维持NADPH稳态）形成能量代谢增强闭环，联合补充可使ATP合成效率提升至基线的105%。

### 临床转化潜力与局限
#### 优势创新点：
- **多维度验证体系**：结合患者粪便池（n=30）、结肠oids（n=5）和Caco-2细胞（n=3复现）三个模型系统，数据一致性达89%（Cohen's Kappa=0.72）。
- **代谢物安全性验证**：G-MBs组合经毒理学测试（72小时细胞增殖率>98%），且浓度梯度实验显示补充剂量在0.002-10μM范围内均安全有效。
- **动态菌群模拟**：采用热灭活处理保留代谢物活性，避免活菌对上皮细胞模型的干扰（补充材料表S5显示灭活后菌群多样性下降<5%）。

#### 研究局限性：
- **样本异质性未完全控制**：发现IBD患者粪便中某些代谢物水平与疾病严重程度无直接关联（如胆汁酸合成酶CYP7A1表达量在活动期与缓解期差异<15%）。
- **浓度阈值争议**：在CD池#2中，低剂量G-MBs（1μM/代谢物）即可恢复TEER至正常水平，但高剂量（10μM）反而导致细胞毒性（存活率下降至89%），提示存在个体化剂量需求。
- **长期效应待验证**：实验周期仅持续5天，需进一步研究G-MBs在慢性IBD模型中的安全性及持续作用时间。

### 未来发展方向
1. **个性化代谢组学**：开发基于患者粪便代谢物谱的G-MBs剂量预测模型，整合人工智能算法优化个体化给药方案。
2. **递送系统创新**：研究纳米脂质体（粒径50-100nm）对G-MBs的生物利用度提升效果，动物实验显示可使口服生物利用度从12%提升至78%。
3. **联合疗法探索**：在已验证有效的G-MBs基础上，叠加益生菌（如罗伊氏乳杆菌DSM17938）可产生协同效应，使结肠oids的紧密连接蛋白表达量提升至正常水平的120%。

该研究首次系统揭示了IBD患者粪便代谢物谱的致病机制，并成功筛选出具有临床转化潜力的代谢物组合。其建立的“代谢物-功能”关联数据库（包含45种关键代谢物与12项上皮功能指标）为后续开发精准营养补充剂提供了理论依据。未来可结合粪菌移植（FMT）技术，将G-MBs递送系统与益生菌制剂结合，形成新型IBD辅助治疗方案。