2023/3/20 9:18:23 阅读：224 发布者：
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背景
炎性肠病 (IBD)是一种慢性、使人虚弱的胃肠疾病，治疗失败率较高。目前尚无系统的方法预测对IBD疗法的反应。抗炎药物美沙拉嗪，也被称为5-氨基水杨酸 (5-ASA)，是IBD最常用的处方疗法之一，通常在结肠内发挥作用；然而，随着时间的推移，超过一半的IBD患者对5-ASA没有反应或最终失去反应。因此，有必要确定并消除此类治疗失败的原因。
简介
2023年2月23日，来自美国麻省总医院和哈佛医学院的Raaj S. Mehta及其团队在Nat Med (IF: 87.244)杂志上发表了名为Gut microbial metabolism of 5-ASA diminishes its clinical efficacy in inflammatory bowel disease的研究[1]。
研究要点
数十年来，人们将广泛使用的炎症性肠病 (IBD)药物5-氨基水杨酸 (5-ASA)的临床疗效差异部分归因于其被肠道微生物乙酰化和失活。然而，难以确定致病的微生物和酶。为了揭示这种代谢的来源，我们从132名对照者和IBD患者的纵向IBDMDB队列中开发了一个多组学工作，结合肠道微生物宏基因组学，宏转录组学和代谢组学。这使12种以前未明确特征的微生物乙酰转移酶与5-ASA失活相关，它们属于两个蛋白质超家族:硫解酶和酰基-CoA N-酰基转移酶。对两个家族代表的体外鉴定证实了这些酶对5-ASA乙酰化的能力。对发现队列进行的横断面分析以及随后在独立的SPARC IBD队列进行的前瞻性验证发现，在5-ASA用药者中，3种微生物硫解酶和1种酰基-CoA N-酰基转移酶与治疗失败风险增加相关。总之，这些数据解决了IBD治疗中的一个长期挑战，概述了一种发现以前未确定特征的肠道微生物活性的方法，并提高了基于微生物群的个体化医疗的可能性。
主要结果
IBD患者的多组学研究确定了5-ASA的使用
为了研究肠道微生物群在5-ASA代谢和调节其疗效中的作用，我们利用了来自整合型人类微生物群项目 (iHMP或HMP2)炎性肠病多组学数据库 (IBDMDB)的数据，IBDMDB是一个由132名IBD患者和健康对照个体组成的多中心队列，他们每人在1年内提供了重复用药、饮食和症状评估以及一系列粪便和血液样本 (图1)。使用BioBakery 3 suite对79名克罗恩病 (CD)或溃疡性结肠炎 (UC)受试者的粪便样本进行了新的分析，得到1036个宏基因组 (MGX)、440个元转录本 (MTX)和508个非靶向代谢组 (MBX)，其中MBX MGX对283个，MGX MTX对213个。
图1. IBD微生物群多组学中5-ASA灭活酶的鉴定
假定的5-ASA灭活酶的生化特性
在鉴定了具有潜在5-ASA失活能力的硫酶和酰基-CoA (acyl-CoA) NAT超家族之后，我们试图在体外用生化方法证实这些预测的活性。我们根据每个候选基因的UniRef90氨基酸序列合成密码子优化的DNA序列，并在大肠杆菌中异源表达。我们从肠道沙门菌中表达了已知的NAT，从厚壁菌门CAG:176中表达了候选硫解酶，从普拉氏杆菌中表达了酰基-CoA NAT用于进一步的生化鉴定。5-ASA乙酰化的体外质谱 (MS)分析证实了厚壁菌门CAG:176硫解酶和普拉氏杆菌酰基-CoA NAT使用乙酰-CoA乙酰化5-ASA的能力，生成的产物在生理时间范围内与>25%的转化率一致 (图4a)。已知的肠球菌酶作为阳性对照。
图4. 肠道微生物乙酰转移酶的异源表达和纯化证实了5-ASA体外乙酰化活性
5-ASA代谢酶的宏基因组携带预测治疗失败
在鉴定出能够将5-ASA转化为临床上无效的N-乙酰基5-ASA的人类肠道微生物乙酰转移酶后，我们下一步研究了这12种酶的存在是否与5-ASA治疗失败相关。与之前5-ASA临床试验中的主要结局一致，我们将其定义为在我们的HMP2患者亚群中开始皮质类固醇治疗。尽管这一结论适用的亚队列规模较小，但在整个1年队列中，在任何时间点接受5-ASA治疗并提供了类固醇使用 (泼尼松、布地奈德或甲泼尼龙)纵向信息的39名HMP2患者提供了609份粪便样本。利用多变量logistic回归模型，我们对年龄、性别、吸烟状况和IBD亚型进行了校正，这些亚型均被认为与疾病发作的风险相关。我们还可能通过纳入每个参与者的NAT2表型 (例如，“快”和“慢”乙酰化)来解释宿主遗传学，因为相互矛盾的数据提示，NAT2可能涉及5-ASA代谢，也可能与此无关。
我们发现，粪便样本中存在的四种乙酰转移酶基因中的任何一种与类固醇起始的风险增加显著相关 (图5a)，其中三种来自硫解酶超家族 (R5CY66，比值比(OR) = 2.88, 95%可信区间(CI) 1.66-5.00和T5S060, OR = 3.24, 95% CI 1.63-6.42，包括上文所述的厚壁菌门CAG:176酶 (R6CZ24, OR = 2.58, 95% CI 1.40-4.77)和一种来自酰基-CoA超家族 (C7H1G6, OR = 2.81, 95% CI 1.68-4.68)。正如预期的那样，与UC相比，较早的发病年龄和CD状态与较高的开始使用类固醇的风险相似。值得注意的是，我们发现类固醇使用风险与大肠杆菌NAT的宏基因组存在之间没有关联，NAT是我们最初使用沙门氏菌NAT作为模板序列进行同源性搜索时发现的。
图5. 肠道微生物5-ASA灭活乙酰转移酶与5-ASA用药者治疗失败的风险相关性较高
结论及展望
本研究结果首次提供了特异性肠道代谢酶与IBD 5-ASA治疗失败之间的直接联系，从而产生了直接的临床潜力。5-ASA是UC最常用的处方药。为了保持有效，它必须以未修饰的形式存在于结肠腔中，因此，与其他药物不同，它在小肠中的吸收很差。5-ASA治疗失败的个体通常进展为风险更高的免疫抑制治疗，而只有在必要时 (即肠道微生物组中存在修饰5-ASA的硫解酶序列)才有能力这样做，这将为精准医学提供有价值的生物标志物。此外，阐明微生物失活5-ASA的酶学机制可能有助于未来研发微生物特异性酶抑制剂，以增强5-ASA的疗效。在本研究中，我们的数据是观察性的；需要更多的介入研究来加强我们的发现，无论是通过在IBD患者中的临床试验还是通过单定植小鼠。目前，这些发现为IBD的个性化微生物医学打开了一扇概念之窗。
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41591-023-02217-7
转自：“生物医学科研之家”微信公众号
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