肠道微生物可代谢美沙拉嗪以降低其在炎症性肠病中的临床疗效

撰文 | Qi

炎症性肠病 (IBD) 是一种慢性胃肠道疾病，治疗失败率很高，抗炎药美沙拉嗪也称为5-氨基水杨酸 (5-ASA) 是IBD最常用的处方药之一，但随时间推移超过一半的IBD患者会失去对5-ASA的反应，因此亟需找到此类治疗失败的原因。最近的一些研究表明肠道微生物组在一些药物的药代动力学中发挥作用，比如可以代谢分别用于治疗心竭和帕金森的地高辛和左旋多巴【1】。之前的厌氧粪便培养实验表明，多达三分之一的5-ASA可被肠道细菌代谢为缺乏抗炎活性的形式N-乙酰5-ASA【2, 3】。基于这些结果进行的实验虽然确定了几种能够进行5-ASA代谢的细菌，但大多数不存在于IBD患者中或含量较低【4, 5】。

为了鉴定在IBD患者中代谢5-ASA的微生物，来自Curtis Huttenhower团队在Nature Medicine杂志上发表了题为Gut microbial metabolism of 5-ASA diminishes its clinical efficacy in inflammatory bowel disease的文章，开发了一个将肠道微生物组宏基因组学、宏转录组学和代谢组学相结合的多组学工作流程，对包含132名IBD患者和对照个体的纵向IBDMDB队列进行分析，鉴定出12种以前未表征的属于两个蛋白质超家族微生物乙酰转移酶（硫解酶和酰基辅酶AN-酰基转移酶）与5-ASA失活相关联。通过前瞻性队列发现这些微生物乙酰转移酶与5-ASA治疗失败风险增加有关。总之，这些数据解决了IBD治疗中一个长期存在的挑战，支持推进基于肠道微生物的个性化医疗。

为了研究肠道微生物组在5-ASA代谢和调节其功效中的作用，作者利用了综合人类微生物组计划（iHMP或HMP2）炎症性肠病多组学数据库（IBDMDB，http://ibdmdb.org）的数据，即一个由132名患或未患IBD的个体组成的多中心队列，包含药物治疗、饮食和症状评估以及超过1年的连续粪便和血液样本【6】。其中，79名克罗恩病或溃疡性结肠炎参与者的粪便样本由bioBakery 3 suite【7】进行分析，共产生1036个宏基因组 (MGX)、440个宏转录组 (MTX) 和508个非靶向代谢组 (MBX)，以及283个MBX–MGX对和213个MGX–MTX对。对其中13名使用5-ASA治疗的个体粪便样本分析确认了N-乙酰基5-ASA的存在，并发现治疗前后2306个差异代谢组学特征，于是作者想知道微生物、宿主和其他因素对这些差异代谢物的相对贡献，对包含上述因素的模型分析发现5-ASA药物水平具有对代谢物最大的预测能力，其次就是微生物组特征。

图1. 对IBD中5-ASA灭活酶的鉴定。

为了确认参与N-乙酰基5-ASA生成的肠道微生物酶，作者使用先前已证明可以代谢5-ASA的来自鼠伤寒沙门氏菌LT2(nhoA) 和铜绿假单胞菌的芳基胺N-乙酰转移酶 (NAT)序列，以及105个预测的可以代谢5-ASA的微生物NAT序列，在UniRef90数据库中以至少25%的全长同源性检索了完整的肠道微生物蛋白。在排除不存在于IBD患者中的微生物后，作者结合宏转录组和代谢组策略，首先根据IBDMDB中的检测将每个宏转录组基因家族表示为存在或不存在，随后将分辨样本分类为N-乙酰5-ASA高或低，再计算每个宏转录组基因簇与二分法N-乙酰5-ASA的敏感性和特异性，最终获取12个候选乙酰转移酶基因簇，根据序列相似性分为两个蛋白家族：硫解酶和酰基辅酶A N-酰基转移酶，前者来源于厚壁菌门，后者几乎全部来源于拟杆菌门，相对于硫解酶，酰基辅酶A N-酰基转移酶表现出更大的序列异质性。

在确认了具有潜在的5-ASA灭活能力的硫解酶和酰基辅酶A N-酰基转移酶后，作者通过在在大肠杆菌中异源表达这些酶并结合质谱结果验证了它们具有乙酰化5-ASA的能力，且这种乙酰化具有底物选择性，因为对其他具有胺基的物质比如5-ASA异构体4-ASA就不会发挥乙酰化的作用。接下来，作者想知道这12种酶的存在是否与临床上5-ASA的治疗失败（定义为HMP2患者亚群中开始使用皮质类固醇治疗）有关。HMP2队列包含39名个体全年的609份粪便样本以及药物使用的纵向信息。使用多变量逻辑回归模型对年龄、性别等因素调整后，发现粪便样本中的乙酰转移酶基因的存在与类固醇开始使用风险增加相关，敏感性分析进一步表明这些酶基因数量的增加也与类固醇开始使用风险增加相关。为了确认这些结果的可重复性，作者使用独立的IBD前瞻性队列（SPARC）验证上述结果，在研究开始时未使用类固醇的208名5-ASA使用者中，确定了60例使用皮质类固醇的事件，SPARCIBD队列中微生物乙酰转移酶基因的携带与治疗失败相关。除此之外，作者还观察到乙酰转移酶基因在个体之间的普遍程度不同，说明这些基因可能不仅是反应药物状态的生物标志物，当个体本身就存在这些微生物酶基因，在暴露于5-ASA时会表达导致药物失活。

总之，这项工作首次提供了特定肠道代谢酶与IBD中5-ASA治疗失败之间的直接联系，从而指出直接的临床药物开发潜力，如设计微生物组特异性酶抑制剂阻断其使5-ASA失活机制以增强5-ASA功效，这些发现为IBD个性化的基于微生物组的药物治疗提供了重要信息。

https://doi.org/10.1038/s41591-023-02217-7

制版人：十一

参考文献

1. Haiser, H. J. et al. Predicting and manipulating cardiac drug inactivation by the human gut bacterium Eggerthella lenta.Science341, 295–298 (2013).

2. Dull, B. J., Salata, K. & Goldman, P. Role of the intestinal flora in the acetylation of sulfasalazine metabolites.Biochem. Pharmacol.36, 3772–3774 (1987).

3. van Hogezand, R. A. et al. Double-blind comparison of 5-aminosalicylic acid and acetyl-5-aminosalicylic acid suppositories in patients with idiopathic proctitis.Aliment Pharmacol. Ther.2, 33–40 (1988).

4. Deloménie, C. et al. Identification and functional characterization of arylamine N-acetyltransferases in eubacteria: evidence for highly selective acetylation of 5-aminosalicylic acid.J. Bacteriol.183, 3417–3427 (2001).

5. Westwood, I. M. et al. Expression, purification, characterization and structure of Pseudomonas aeruginosa arylamine N-acetyltransferase.Biochem. J385, 605–612 (2005).

6. Lloyd-Price, J. et al. Multi-omics of the gut microbial ecosystem in inflammatory bowel diseases.Nature569, 655 (2019).

7. Beghini, F. et al. Integrating taxonomic, functional, and strain-level profiling of diverse microbial communities with bioBakery 3.eLife10, e65088 (2021).