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项目文章Cell Metab | 上交大洪洁等揭示肠道菌群代谢物能显著增强UST治疗克罗恩病的临床疗效

2025-03-18

中科新生命

克罗恩病（CD）是一种慢性炎症性肠病（IBD），传统治疗如抗炎药物和乌司奴单抗（UST）对约40%患者无效。肠道微生物群及其代谢产物与IBD的发生发展密切相关，可能影响宿主免疫反应及药物疗效。

2025年2月，上海交通大学医学院附属仁济医院洪洁教授、陈豪燕教授、曹芝君主任医师及中南大学湘雅三医院王晓艳主任医师等在Cell Metabolism杂志在线发表了题为“Synergistic role of gut-microbial L-ornithine in enhancing ustekinumab efficacy for Crohn’s disease” 的研究论文，揭示了肠道微生物产生的L-鸟氨酸对UST治疗CD具有显著的疗效增强作用。研究发现，L-鸟氨酸含量与UST治疗的临床缓解率正相关。肠道微生物F. prausnitzii是L-鸟氨酸的主要来源，其丰度与UST疗效相关。动物实验和临床试验证实，补充L-鸟氨酸可显著提高UST治疗的临床缓解率，降低炎症指标并改善内镜和病理表现，为克罗恩病治疗提供了新策略。中科新生命为该研究提供了H650医学高通量靶向代谢组检测服务。

研究材料

人粪便样本、肠道黏膜样本；

模型小鼠；

研究步骤

图1 实验设计方案

步骤1：多组学分析探究85名UST治疗的CD患者中微生物与宿主的相互作用；

步骤2：评估微生物功能、代谢物及宿主基因表达对UST疗效的中介效应；

步骤3：小鼠模型验证L-鸟氨酸对UST疗效的增强作用；

步骤4：随机对照临床试验评估L-鸟氨酸补充对UST治疗CD患者疗效的影响。

研究结果

1. 缓解 vs 非缓解：克罗恩病的宏基因组与代谢组特征

本研究纳入85例接受UST治疗的CD患者，分为上海仁济医院51例（测试集）和长沙湘雅三医院34例（验证集）。52周随访结果显示，上海和长沙队列的临床缓解率分别为51.1%和50.0%。对所有患者进行粪便宏基因组测序，并对48例患者进行粪便和肠道黏膜的高通量靶向代谢组和转录组测序。

缓解组和非缓解组的菌群丰度和功能等存在显著差异。20种菌群丰度差异一致，其中B. sp_AF19_10LB、F. prausnitzii和D. welbionis在缓解组中显著增加，而E. coli显著下降。缓解组富集28个KEGG功能模块，主要涉及氨基酸和碳水化合物代谢；非缓解组富集7个模块，主要为细菌运输与分泌系统。通过高通量靶向代谢组学分析，发现26种差异代谢物，缓解组中氨基酸和有机酸（如L-鸟氨酸）显著增加，非缓解组中除脂质和类脂分子外，其他代谢物均减少，这些发现与宏基因组数据中KEGG模块的变化一致。

图2 临床缓解和非缓解患者的宏基因组和代谢组特征

2. 多组学解析L-鸟氨酸与UST协同机制

评估菌群、代谢物和转录基因对CD患者UST治疗反应的影响，发现301对菌群-代谢物和346对代谢物-转录基因对UST临床缓解具有显著中介作用，且正向效应强于反向效应。最具预测性的中介链包括：“M44：鸟氨酸生物合成”、“鸟氨酸”和“IL-12/23 to JAK/STAT信号轴”。scRNA-seq分析表明，L-鸟氨酸通过结合Th17细胞中的EGR1转录因子进而抑制其对IL-12RB1受体基因的转录激活，进一步阻断IL-23/IL-12RB1/TYK2/STAT3信号级联反应，削弱了Th17细胞的促炎活性。

图3 多组学分析揭示了L-鸟氨酸与UST协同作用的潜在机制

3. L-鸟氨酸增强UST抗炎活性

评估L-鸟氨酸对UST治疗结肠炎疗效的影响。采用2,4,6-三硝基苯磺酸（TNBS）和右旋糖酐硫酸钠（DSS）诱导的急性结肠炎小鼠模型和Il-10敲除慢性结肠炎模型验证。结果显示，L-鸟氨酸显著增强UST对TNBS诱导炎症的抑制作用：体重减轻减少；结肠缩短减轻；腺体结构变形和炎性细胞浸润减少，流式细胞术分析显示，L-鸟氨酸显著降低UST治疗的TNBS小鼠肠黏膜中Th17细胞浸润，但不影响Th1细胞水平。推测L-鸟氨酸与UST的协同抗炎作用主要通过调控Th17细胞实现。

图4 L-鸟氨酸增强UST介导的小肠结肠炎小鼠模型的抗炎活性

4. L-鸟氨酸通过阻断Egr1介导的Il-12rb1转录抑制促炎Th17细胞功能

TNBS诱导的结肠炎小鼠结肠黏膜进行RNA测序结果显示，L-鸟氨酸显著抑制IL-12/23 to JAK/STAT信号轴，并下调Il12rb1表达。分子实验证实，L-鸟氨酸降低Il-12rb1的基因和蛋白水平，减少其启动子转录活性。敲除Egr1后，Il-12rb1 mRNA水平和启动子活性均下降。ChIP实验表明，L-鸟氨酸减少Egr1与Il-12rb1启动子结合，但不影响Egr1 mRNA和蛋白水平。SPR证实L-鸟氨酸直接结合EGR1。IL-23和L-鸟氨酸共处理mTh17细胞后，Tyk2和Stat3磷酸化水平降低，Rorc、Il-17a、Il-17f和Il-22基因表达显著下调。

图5 L-鸟氨酸通过阻断Egr1介导的Il-12rb1转录抑制促炎Th17细胞功能

5. F. prausnitzii通过促进L-鸟氨酸的生物合成，促进CD患者的临床缓解

RNA-seq分析显示，L-鸟氨酸的增加主要依赖肠道菌群而非宿主细胞，抗生素处理显著降低健康小鼠粪便中L-鸟氨酸水平。中介分析表明，F. prausnitzii通过M044模块显著正向调节L-鸟氨酸丰度。ELISA证实，F. prausnitzii提高小鼠肠道L-鸟氨酸水平。在TNBS诱导的结肠炎模型中，UST联合F. prausnitzii显著缓解炎症症状，降低Th17细胞含量。体外实验进一步证实，F. prausnitzii通过抑制Il-12rb1表达及Tyk2、Stat3磷酸化，下调Rorc、Il-17a、Il-17f和Il-22 mRNA水平，抑制Th17细胞活化。综上所述，F. prausnitzii通过促进L-鸟氨酸生成增强UST对CD患者的疗效。

图6 F. prausnitzii通过促进L-鸟氨酸的生物合成促进CD患者的临床缓解

6. 补充L-鸟氨酸在随机对照试验中显著增强了UST对CD患者的疗效

为评估L-鸟氨酸与UST协同抗炎的临床价值，研究纳入16名HBI显著降低但未达到内镜缓解的克罗恩病（CD）患者，随机分为L-鸟氨酸+UST治疗组（n=8）和UST治疗组（n=8）。L-鸟氨酸+UST组在标准UST治疗基础上每日口服L-鸟氨酸并随访。结果显示，补充L-鸟氨酸显著降低HBI和钙卫蛋白水平，改善临床病变并降低SES-CD评分，同时减少炎症病理特征。研究表明，L-鸟氨酸可特异性增强UST疗效，联合治疗有望解决UST耐药患者的临床缓解难题。