色氨酸代謝與腎臟疾病互作研究進展

譚蓓，張尊建，許風國，張培

(中國藥科大學藥物質量與安全預警教育部重點實驗室，江蘇 南京 210009)

腎臟疾病為最常見的疾病之一，據統計世界范圍內患有腎臟疾病的總人數超過8.5億[1]。急性腎損傷(AKI)、慢性腎病(CKD)與腎癌(RCC)是臨床上典型的腎臟疾病，其中CKD以其低知曉率、高發病率和高死亡率被稱為“沉默的殺手”。一份基于多國的研究分析顯示，AKI合并發病率高達21.6%，死亡率為23.9%[2]。CKD全球發病率為8%～16%，并成為第十二大死亡原因[3]。除發病率高外，AKI和CKD均易誘發心血管疾病等并發癥，治療延誤將導致損傷加劇而向終末期腎病(ESRD)轉化[4]。RCC是常見的腎臟實質惡性腫瘤，其發病率在腫瘤中排第9位，約占常見癌癥新發病例的2.2%[5]。由于對放療和化療響應均較差，RCC的治療難題目前尚未攻克[6]。AKI、CKD及RCC發病機制復雜且易誘發多種并發癥而造成全身性損傷，目前臨床缺乏安全有效的干預手段。近年來，代謝組學與蛋白質組學研究發現，色氨酸代謝與腎臟疾病關系密切[7]。以色氨酸代謝物(如硫酸吲哚酚、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸等)或關鍵代謝酶(吲哚胺-2,3-雙加氧酶等)為靶點的治療AKI、CKD及RCC的藥物正處于臨床前或臨床研究階段。本文對色氨酸代謝與腎臟疾病的互作關系進行綜述，系統總結了AKI、CKD與RCC中色氨酸代謝物及代謝酶的變化規律，闡釋了色氨酸代謝通路失調介導腎臟疾病惡化的機制，分析了靶向色氨酸代謝的腎臟疾病干預手段和潛在治療策略。

1 色氨酸代謝概述

色氨酸(Trp)是一種飲食來源的必需氨基酸，在維持細胞生長及協調機體對環境的應答等生理過程中發揮關鍵作用[8]。體內游離的Trp主要有3條代謝途徑(見圖1)：①吲哚途徑[9]，Trp在腸道菌群的作用下直接代謝為吲哚及吲哚衍生物，包括吲哚-3-乙酸(IAA)、吲哚-3-乳酸(ILA)、吲哚丙烯酸(IA)、吲哚-3-甲醛(IAld)、色胺(Trpm)、硫酸吲哚酚(IS)等，吲哚途徑代謝物在維持腸道穩態、調節腸道免疫等方面發揮重要作用[10]；②血清素途徑(5-羥色胺途徑)[10]，Trp在人體腸嗜鉻細胞處被色氨酸羥化酶1(TPH1)催化生成外周5-羥色胺(5-HT)參與胃腸道功能的調節。此外，腦內TPH2催化Trp生成神經遞質5-HT，進一步轉化為褪黑素等代謝物參與晝夜節律調控[11]；③犬尿氨酸途徑[12]，95%以上游離Trp經該途徑進行代謝，Trp在吲哚胺-2,3-雙加氧酶(IDO1、IDO2)和色氨酸-2,3-雙加氧酶(TDO)3種限速酶的作用下代謝為N-甲?；虬彼?NFK)，隨后經甲酰氨酶催化生成犬尿氨酸(KYN)及下游代謝產物犬尿喹啉酸(KA)、3-羥基犬尿氨酸(3-HK)、3-羥基鄰氨基苯甲酸(HAA)、喹啉酸(QA)和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)等。

圖1 色氨酸體內代謝途徑 注:3-HK，3-羥基犬尿氨酸；5-HT，5-羥色胺；5-HTP，5-羥基色氨酸；6-HMT，6-羥基褪黑素；AA，鄰氨基苯甲酸；HAA，3-羥基鄰氨基苯甲酸；IA，吲哚丙烯酸；IAA，吲哚-3-乙酸；IAAId，吲哚-3-乙醛；IAId，吲哚-3-甲醛；IAM，吲哚-3-乙酰胺；IE，色醇；ILA，吲哚-3-乳酸；Indole，吲哚；Indoxyl，羥基吲哚；IPA，吲哚-3-丙酸；IPYA，吲哚-3-丙酮酸；IS，硫酸吲哚酚；KA，犬尿喹啉酸；KYN，犬尿氨酸；MIAA，5-甲氧基吲哚乙酸酯；MLT，褪黑素；NAD+，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸；NAS，N-乙酰5-羥色胺；OAA，2-氧代己二酸；PA，吡啶甲酸；QA，喹啉酸；Skatole，糞臭素；Trpm，色胺；XA，黃尿酸

核受體和IDO介導了Trp及其代謝物生物學功能的發揮。芳香烴受體(AHR)和孕烷X受體(PXR)是兩個主要的核受體，兩者均為配體激活的轉錄因子[13]。經吲哚途徑及犬尿氨酸途徑產生的吲哚、KYN、IAA、IA、ILA、IAId等代謝物[14]可通過激活AHR發揮增強腸道屏障、刺激胃腸道運動、激活免疫系統、抗炎及抗氧化等生理作用[15-17]。吲哚-3-丙酸(IPA)與吲哚可通過作用于PXR調節腸屏障功能，在內源性、外源性毒素的清除及腸道穩態維持中具有關鍵作用[18]。IDO是犬尿氨酸途徑關鍵代謝酶[19]，可通過耗竭Trp并促進KYN的生成而在免疫調節中發揮重要作用。

近年來的研究揭示，色氨酸代謝物與炎癥性腸病、抑郁癥、自身免疫性疾病、神經退行性疾病以及癌癥等[15]多種疾病的發生發展密切相關。此外，色氨酸代謝與腎臟疾病的關系亦逐漸被關注，以色氨酸代謝為靶點的干預手段成為腎臟疾病研究的熱點。

2 腎臟疾病引起色氨酸代謝紊亂

2.1 急性腎損傷(AKI) AKI指由缺血再灌注[20]、腎毒性藥物[21]、內源性毒素[22]、敗血癥[23]等因素導致短時間內腎小球濾過率(eGFR)迅速下降，引發腎功能障礙和腎臟病理學改變的臨床綜合征[24]。據統計，住院患者中AKI的發生率達10%～15%，其中重癥監護室患者AKI發生率超過50%[25]。除發生率高外，AKI還導致患者住院時間延長、死亡率增加。此外，AKI還會增加心血管疾病(CVD)、高血壓、CKD和ESRD的發生風險[26]。

代謝組學研究結果表明，不同誘發因素導致的AKI均伴隨色氨酸代謝紊亂[27-28]。色氨酸及其代謝物可作為AKI預測或分級的潛在標志物[29]。一項前瞻性觀察分析對92例重癥AKI患者尿液色氨酸代謝物水平進行評估，發現KA含量的升高與患者腎損程度和臨床療效相關。結果提示，KA可作為AKI早期風險分級的指標[30]。另一項基于腎移植后AKI患者血清氨基酸靶向分析研究揭示，Trp和對二甲基精氨酸水平降低是AKI潛在風險預測因子?；谶@兩個代謝物建立的預測模型，其敏感性和特異性均優于肌酐[31]。此外，研究還發現煙酸受體激動劑SCH 900424誘導小鼠AKI后，Trp及代謝物KYN、IAA和IS均出現顯著改變，IS作為腎毒性標志物較肌酐或尿素氮更為敏感[32]。

AKI誘導色氨酸代謝紊亂后，失調的代謝物或代謝酶還可進一步加劇AKI的進程。有研究表明，順鉑暴露后腎臟中異常蓄積的IS通過IS-AHR-ROS軸增加組織氧化應激水平而誘導腎損傷的惡化。IS作為配體與AHR形成復合物，易位至細胞核與特定的DNA序列結合后激活相關基因的表達、增加活性氧(ROS)的產生，從而加劇細胞凋亡和組織損傷[33]。除代謝物外，犬尿氨酸途徑代謝酶KMO同樣介導AKI損傷。近期一項遺傳分析發現，糖尿病環境中小鼠腎小球KMO表達降低，提示KMO與腎臟功能存在關聯[34]。此外，與野生型小鼠相比，Kmo(編碼代謝酶KMO的基因)基因敲除小鼠缺血再灌注后腎臟損傷較輕，提示KMO是腎組織損傷的關鍵調節因子[35]。

近期Song等[36]基于代謝組學探究黃芪甲苷Ⅳ緩解順鉑AKI的潛在機制，結果發現黃芪甲苷IV可顯著回調色氨酸、谷胱甘肽與苯丙氨酸等代謝途徑，腎損傷的緩解與炎癥反應、氧化應激和能量代謝的改善相關。此外，另一項研究證實山柰酚[37]可通過回調色氨酸代謝、降低氧化應激水平而發揮緩解順鉑AKI的作用。

2.2 慢性腎病(CKD) CKD是繼發于腎臟功能和結構改變的臨床綜合征，臨床上患者eGFR每1.73 m2低于60 mL·min-1或腎臟結構及功能異常持續時間超過3個月則被確診患CKD[38-39]。CKD的主要誘因包括糖尿病、高血壓、自身免疫性疾病與長期急性腎損傷等[39]。據統計，2017年全球CKD患者達6.975億，中國患病人數超1.3億(發病率9.5%)[40]。隨著CKD的進展和腎功能的減弱，無法排泄的代謝物以尿毒癥毒素的形式蓄積并進一步誘導全身性損傷[41]。研究揭示，CKD會增加CVD與ESRD的死亡風險[42]。

CKD患者常表現出色氨酸代謝失調，其對色氨酸代謝的影響主要包括：①腎臟有復雜的酶系統參與犬尿氨酸途徑，CKD可誘導代謝酶活性的改變從而擾動代謝。文獻報道CKD患者血清Trp含量急劇下降[43]，而KYN與Trp的比值顯著升高，提示犬尿氨酸途徑中關鍵酶IDO活性出現上調[44]。一項7年的隨訪研究發現，KYN/Trp與受試者每年eGFR的變化及CKD的發病率顯著相關，并可用于腎功能下降的預測[45]。此外，有研究證實代謝酶IDO活性在CKD中顯著增強且與疾病嚴重程度成正相關[46]。IDO酶活性的上調歸因于干擾素IFN-γ水平的顯著上升，除誘導IDO表達外，IFN-γ的升高還會影響下丘腦-垂體-腎上腺軸進而增強腎臟中TDO活性[46]。腎臟IDO、TDO的高表達加速Trp的分解代謝并導致色氨酸代謝物含量的升高。②色氨酸代謝物KYN、KA、3-HK、QA和IS等主要通過腎臟進行排泄[47]，腎功能障礙將導致此類代謝物的進一步蓄積。研究發現CKD患者血清KYN、KA、QA和IS的含量顯著上升，蓄積的IS與體內其它代謝物所構建的多元回歸方程能準確預測CKD的分期[48]。此外，多項臨床隨訪研究將IS定為CKD疾病進程及合并心血管事件的預后標志物[49]。

CKD引起的色氨酸代謝通路中代謝物或代謝酶的改變可激活AHR導致進行性腎小球和腎小管細胞損傷，從而引起腎小球硬化和腎間質纖維化并加重疾病進程[50]。具體機制包括：①色氨酸尿毒癥毒素激活AHR可誘導氧化應激和炎癥。IS與IAA均可通過激活AHR上調CYP1A1和CYP1B1的mRNA水平，CYP1A1代謝內源性和外源性物質時產生ROS，進一步激活NF-κB誘導促炎因子的表達從而加重CKD的慢性炎癥環境[51-52]。此外，IAA還可通過激活AHR-p38MAPK-NF-κB通路并上調環氧合酶2(COX-2)的活性與表達，誘導氧化應激和炎癥從而增加CKD患者的CVD發病風險。②色氨酸尿毒癥毒素激活AHR可直接導致細胞毒性。據報道，持續八周暴露于IS的小鼠表現出了進行性腎小球損傷和血管損傷，此外，IS誘導AHR核易位后將直接降低小鼠腎臟足細胞的細胞大小和活力[53]。另一項研究發現，尿毒癥小鼠中蓄積的IS可通過抑制HIF-白介素10-血管內皮生長因子信號通路以破壞內皮細胞的功能，抑制CKD中新生血管的形成而介導外周動脈疾病[54]。③色氨酸尿毒癥毒素激活AHR介導免疫反應進而影響腎纖維化。ILA可通過AHR抑制炎癥性T細胞并誘導調節性T細胞(Treg)的分化而參與免疫應答[55]。此外，CKD患者中IS可激活AHR誘導細胞因子信號轉導抑制因子2(SOCS2)的表達，進一步通過NF-κB對巨噬細胞進行調節，增加巨噬細胞中TNF-α的產生而觸發炎癥[56]。綜上，蓄積的色氨酸代謝物作為AHR配體，通過介導腎纖維化而加劇CKD的進程[57]。

2.3 腎癌(RCC) RCC是泌尿系統第二高發惡性腫瘤，占成人惡性腫瘤的5%[58]。RCC是一種代謝性疾病，主要特征為參與代謝途徑的靶基因發生突變。蛋白質組學和代謝組學研究揭示，RCC代謝重編程涵蓋了有氧糖酵解、色氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脂肪酸代謝[59]，其中色氨酸分解代謝與免疫抑制相關并在RCC中發揮重要作用[60]。

在RCC的發展過程中色氨酸代謝犬尿氨酸途徑被高度激活，而血清素途徑及吲哚途徑代謝酶的表達量卻有所降低[61]。RCC發生后，腫瘤部位的炎癥和組織損傷導致多種促炎細胞因子(如TNF-α)的釋放，進而誘導犬尿氨酸途徑限速酶IDO1蛋白水平的改變。IDO1不僅在腎實質細胞中升高，還在腫瘤微環境、CD68+單核巨噬細胞中過表達[62]。RCC通過上調IDO，加速犬尿氨酸途徑的代謝而導致下游色氨酸代謝物的積累。據報道RCC血清及組織中Trp水平顯著降低，下游代謝物KYN和QA等顯著增加[61]。代謝組學研究證實，犬尿氨酸代謝途徑的紊亂與RCC的發展進程存在相關性，腎組織Trp和KYN、尿液KYN和QA等均是潛在的RCC早期診斷或風險評估生物標志物[63-64]。

RCC引發的色氨酸代謝重編程同樣參與RCC的發展進程。高表達的IDO1增加RCC的化療耐受性[63]并催化Trp向免疫抑制代謝物KYN進行轉化，進而參與免疫耐受和腫瘤免疫逃逸過程[65]。據報道，腫瘤內皮細胞內IDO1的mRNA及蛋白水平均高于正常組織[66]，激活的IDO1導致KYN積累，進而抑制T細胞的增殖、誘導細胞毒性T細胞無應答、下調NK細胞的免疫反應并激活Treg[63]。腫瘤微環境中Trp的降低同樣介導RCC的免疫逃逸。T細胞活化需Trp參與，RCC患者中Trp的過度消耗將促進炎性浸潤并抑制T細胞增殖[67]，腫瘤殺傷性CD8+T細胞數量的減少使RCC逃避機體的免疫監視[68]。

3 靶向干預色氨酸代謝在腎臟疾病治療中的應用

腎臟疾病與色氨酸代謝存在互作關系，疾病擾動色氨酸代謝，失調的代謝物或代謝酶進一步加劇疾病的進程，故靶向干預色氨酸代謝可一定程度緩解腎臟疾病(見表1)。色氨酸在腸道菌群的作用下生成吲哚，吲哚經門靜脈進入肝臟后，在CYP2E1或CYP2A6的催化下生成3-羥基吲哚，之后經SULT1A1的磺酸化產生IS[69]。IS為有機陰離子尿毒癥毒素，90%以上的IS與白蛋白非共價結合，難以通過透析進行清除[70]。健康狀態下IS經腎臟排泄，當腎功能不全時則出現蓄積。蓄積的IS通過促進氧化應激與炎癥反應誘導腎間質纖維化和腎小球硬化進而產生腎臟損傷[71]，因此可通過減少IS的積累來緩解AKI或CKD。研究顯示，靶向腸道菌群減少前體吲哚的生成[71]或采用吸附劑AST-120減少腸道內吲哚的含量[72]可減少IS體內蓄積。此外，有研究者通過槲皮素干預IS生成關鍵酶SULT1A1來緩解腎臟損傷[73]。

表1 靶向干預色氨酸代謝緩解腎臟疾病

AHR是一種涉及多個細胞過程的胞質配體激活的轉錄因子，AHR與配體結合后異位至細胞核內，與芳香烴受體核轉運體組合成異二聚體，之后與特定的DNA序列結合并激活靶基因的表達[74]。多氯聯苯和二噁英為AHR的高親和力外源性配體[75]，以KYN、IS、IAA等為代表的色氨酸代謝物為AHR典型內源性配體。研究證實色氨酸代謝物激活AHR誘導氧化應激和炎癥，通過加劇腎細胞凋亡和組織損傷介導腎臟疾病的發病機制，這種作用在CKD中更為突出[57]。由于不同的AHR配體可雙向調節下游靶基因的表達而影響多種疾病的進展[76]，故通過尋找潛在的AHR拮抗劑有助于抑制AHR信號傳導，從而緩解腎臟損傷。天然產物是新藥發現的重要來源并證實可作為抑制腎纖維化和改善CKD的替代療法[77-78]。有研究表明在5/6腎切除CKD大鼠模型中，黃酮類化合物barleriside A可通過抑制AHR信號緩解腎纖維化并改善CKD[79]。此外，飲食來源的黃芩素、芹菜素、大豆黃酮、染料木素、槲皮素和高良姜素等黃酮類化合物被認為是天然的AHR配體[80]，天然產物作為AHR拮抗劑在腎病治療中的潛在作用值得進一步關注，AHR有望成為腎臟疾病的治療靶點。

IDO是Trp代謝為KYN的關鍵限速酶[19]，在機體組織及各種細胞中廣泛表達并在免疫調節中發揮重要作用。IDO參與了抑郁癥、自身免疫性疾病、神經退行性疾病與癌癥的發生發展[15]。IDO活性的上調同樣介導CKD與RCC的疾病進程。CKD中上調的IDO加速色氨酸尿毒癥毒素的蓄積并加劇腎臟纖維化。RCC中高表達的IDO可通過耗竭Trp并催化其向免疫抑制代謝物KYN進行轉化而介導腫瘤免疫逃逸[63，65]。有研究表明，小鼠RCC模型中抑制IDO可激活T細胞參與免疫反應[66]。此外，選擇性IDO抑制劑epacadostat (INCB024360)可增強腫瘤抗原特異性T細胞的裂解能力[81]?；谝陨戏治?，抑制IDO具有潛在的逆轉免疫抑制的效果，進而利于RCC的臨床治療。目前臨床研究已評估IDO抑制劑epacadostat在RCC患者中的療效(NCT02048709)。此外，對epacadostat與免疫檢查點抑制劑的組合療效也進行了評價(NCT02178722、NCT02318277)，二者表現出恢復腫瘤免疫應答的協同作用。然而，近期一項Ⅲ期臨床試驗將IDO抑制劑epacadostat與單抗pembrolizumab (MK-3475)聯合使用后卻觀察到一些陰性結果[82]，提示靶向IDO以緩解RCC仍存在不小的挑戰。

4 結語與展望

近年來腎臟疾病與色氨酸代謝的互作關系備受關注，本文以典型性腎臟疾病AKI、CKD與RCC為代表，系統闡述了腎臟疾病與色氨酸代謝的內在關系。腎臟疾病導致色氨酸代謝紊亂，失調的代謝物及代謝酶進一步通過AHR信號或經IDO介導免疫應答加劇腎臟疾病的惡化。雖然已有10余個干預IS、IDO、SULT1A1緩解腎損傷的藥物進入臨床Ⅰ～Ⅲ期試驗，但靶向色氨酸代謝治療腎臟疾病仍面臨一定挑戰，值得深入研究。