背景

強直性脊柱炎（Ankylosing Spondylitis, AS）是一種主要影響中軸骨骼的慢性免疫介導性炎癥性疾病，全球患病率在0.07%至0.31%之間。遺傳因素在AS發病中起核心作用，其中人類白細胞抗原B27（HLA-B27）是迄今為止發現的最強遺傳風險因素，約占AS遺傳風險的20%，高達90%的患者攜帶HLA-B27。然而，大多數HLA-B27陽性個體并不發病，表明遺傳易感性本身不足以驅動疾病，環境因素如腸道菌群的作用日益受到關注。約50%-70%的AS患者存在腸道炎癥性病變。研究表明，AS患者的腸道菌群組成發生改變，且HLA-B27的表達會影響腸道生態。微生物代謝是連接腸道菌群與宿主生理功能的關鍵橋梁，短鏈脂肪酸等代謝產物可調節免疫和骨穩態。然而，HLA-B27相關的腸道菌群組成變化如何轉化為特定的代謝擾動，并進而影響免疫激活和骨病理，目前尚不清楚。

研究人群特征與實驗設計

本研究分析了88名參與者的糞便樣本，包括28名HLA-B27陽性的AS患者（AS組）、30名HLA-B27陽性的健康對照（B27(+)組）和30名HLA-B27陰性的健康對照（B27(-)組）。三組在年齡、性別、體重指數（BMI）和主要飲食習慣上均無顯著差異。所有AS患者均為初診且未使用過改善病情抗風濕藥、生物制劑、糖皮質激素或中藥。研究整合了宏基因組測序、非靶向代謝組學分析和臨床表型數據，旨在描繪HLA-B27相關的微生物和代謝特征。同時，建立了人源糞便菌群移植（Fecal Microbiota Transplantation, FMT）小鼠模型，以評估AS相關菌群對腸道屏障、全身免疫和骨代謝的因果影響，并重點關注巨噬細胞極化。

AS患者腸道菌群組成改變

宏基因組測序分析顯示，AS組的腸道菌群α多樣性（Shannon指數和Inverse Simpson指數）顯著高于兩個對照組。基于Bray–Curtis距離的主坐標分析（PCoA）顯示，AS組與B27(-)組的菌群組成存在顯著差異，而B27(+)組表現出介于B27(-)組和AS組之間的中間狀態，提示菌群組成存在從健康到疾病的梯度變化。在物種水平上，共發現40個物種在AS組中發生顯著改變（31個增加，9個減少）。與B27(-)組相比，AS組中^{Lachnospiraceae bacterium oral taxon 082}、^{Anaerostipes caccae}等物種的豐度降低；而^{Negativibacillus massiliensis}、^{Bacteroides luti}、^{Centipeda periodontii}等物種在AS組中富集。此外，^{Paraprevotella clara}、^{Bacteroides sp. An19}等物種在AS組和B27(+)組中均比B27(-)組豐度更高。這些數據表明，HLA-B27狀態與腸道菌群組成的改變相關，并且在HLA-B27陽性的AS患者中失調最為顯著。

AS患者糞便代謝物譜改變

非靶向液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）代謝組學分析顯示，三組間的代謝物譜存在明顯分離。差異分析發現，AS組與B27(-)組間有196個代謝物存在差異，其中159個在AS組中下調，37個上調。例如，色氨酸代謝途徑衍生物桂皮酸（Cinnabarinic Acid, CA）水平降低，而半胱氨酸衍生物L-高半胱氨酸和糖酵解中間產物D-葡萄糖-6-磷酸水平升高。與B27(+)組相比，AS組有80個差異代謝物。值得注意的是，有38個代謝物在AS組相對于兩個對照組均發生改變，包括色氨酸相關的2-氨基-3-甲氧基苯甲酸和糖醇L-阿拉伯糖醇。這些變化表明，AS伴隨著碳水化合物和氨基酸相關通路的顯著擾動。

HLA-B27背景下AS的微生物功能及相關代謝物改變

通過整合KEGG功能譜與代謝組學數據，研究發現了三個在AS中持續紊亂的氨基酸相關通路：色氨酸代謝、半胱氨酸代謝以及以丙酮酸為中心的支鏈氨基酸（Branched-Chain Amino Acids, BCAAs）、鳥氨酸和賴氨酸的生物合成。

疾病相關菌群與代謝物的關聯及臨床意義

通過斯皮爾曼相關性分析，研究建立了差異物種與代謝物之間的關聯網絡。例如，在AS組中降低的桂皮酸（CA）與健康對照中富集的^{Lachnospiraceae bacterium 1_1_57FAA}呈正相關，而與AS中富集的^{Centipeda periodontii}呈負相關。相反，在AS組中升高的S-腺苷-L-高半胱氨酸則與^{Lachnospiraceae bacterium 1_1_57FAA}呈負相關，與^{C. periodontii}呈正相關。這些關聯將疾病富集物種與健康對照富集代謝物的減少聯系起來。

研究進一步將差異物種和代謝物與AS臨床指標（BASDAI, ASDAS-CRP, BASFI, CRP）進行相關性分析。結果顯示，物種^{Bacteroidetes bacterium 41–46}和^{Negativibacillus massiliensis}與疾病活動度呈正相關趨勢。代謝物方面，在AS組中下調的桂皮酸（CA）與BASFI評分呈顯著負相關。其他如lucidone B、sedanolide等代謝物也與多個疾病活動指標呈顯著負相關，提示它們可能具有保護作用。

基于疾病相關物種和/或代謝物構建的隨機森林分類模型顯示，整合菌群和代謝物特征的模型在區分AS與對照組（無論是B27(-)還是B27(+)）時表現出最高的準確性（曲線下面積AUC > 0.99），顯著優于單獨使用物種或代謝物的模型。

AS患者來源的菌群通過M1巨噬細胞介導腸道炎癥與骨丟失

為了探究HLA-B27相關菌群失調的因果作用，研究建立了人源FMT小鼠模型。經廣譜抗生素預處理后的小鼠，分別移植AS、B27(+)或B27(-)供體的糞便菌群。

腸道表型：移植AS菌群的小鼠腸道菌群α多樣性更高，且組成與供體特征相似。與移植B27(-)菌群的小鼠相比，移植AS菌群的小鼠體重增長減緩，小腸組織中促炎因子（Tnf, Il6, Il1b）的mRNA表達升高，緊密連接蛋白ZO-1表達降低，小腸絨毛結構紊亂，結腸腺體數量減少并伴有輕度炎癥浸潤。免疫熒光染色顯示，AS組小鼠小腸黏膜中巨噬細胞（F4/80⁺）浸潤增加，且其中M1型巨噬細胞標志物CD86共陽性的細胞比例顯著升高。基因表達分析也證實AS組小鼠小腸中M1標志物（Cd86, Nos2）上調，而M2標志物（Mrc1, Arg1）下調。

全身免疫與骨表型：在全身層面，移植AS菌群的小鼠脾臟中調節性T細胞（Treg）減少，輔助性T細胞17（Th17）和Th1細胞比例增加。脾臟和外周血中的單核/巨噬細胞數量以及M1型巨噬細胞比例均升高，血清中腫瘤壞死因子（TNF）水平也增高。在骨代謝方面，AS組小鼠骨髓和后爪組織中破骨細胞生成相關基因（Acp5, Tnfsf11）表達上調，后爪組織中抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）蛋白表達增加。對尾椎的TRAP染色顯示，AS組小鼠在軟骨下骨和骨小梁表面的破骨細胞活性增強。微型計算機斷層掃描（Micro-CT）分析進一步證實，移植AS菌群的小鼠其脛骨和第四腰椎（L4）的骨體積分數（BV/TV）降低，骨小梁數量（Tb.N）減少、厚度（Tb.Th）變薄、間距（Tb.Sp）增寬，表明出現了明顯的骨丟失。

這些結果證明，AS患者來源的腸道菌群足以在受體小鼠中引起腸道屏障損傷、局部及全身炎癥（尤其是M1巨噬細胞極化）、免疫失調以及骨破壞。

桂皮酸（CA）通過AhR信號通路抑制M1巨噬細胞極化并在FMT模型中發揮保護作用

基于多組學分析中桂皮酸（CA）在AS組顯著降低且與臨床指標相關的發現，研究者對其進行了機制驗證。

體外機制：在用脂多糖（LPS）和干擾素-γ（IFN-γ）誘導骨髓來源巨噬細胞（BMDMs）向M1型極化的過程中，加入CA（100 μM）處理。流式細胞術分析顯示，CA顯著降低了CD86⁺CD206^-M1型巨噬細胞的比例，同時增加了CD206⁺細胞的比例。CA處理還顯著下調了促炎細胞因子Tnf、Il6、Il1b的mRNA表達。為了驗證CA是否通過芳香烴受體（Aryl Hydrocarbon Receptor, AhR）通路發揮作用，研究者使用了選擇性AhR拮抗劑CH-223191。預加CH-223191可完全逆轉CA對巨噬細胞表型和促炎因子表達的抑制作用。Western blot分析顯示，CA能抑制炎癥誘導的IKKα/β、IκBα和p65的磷酸化（即抑制NF-κB通路激活），而這種抑制效應同樣可被AhR拮抗所阻斷。

體內驗證：在AS-FMT小鼠模型中，每日灌胃給予CA（10 mg/kg）治療。結果顯示，CA治療顯著提高了小腸緊密連接蛋白ZO-1的mRNA和蛋白表達，改善了腸道絨毛形態，降低了小腸組織中的促炎因子（Tnf, Il6, Il1b）水平，同時升高了抗炎因子Il10的表達。CA還抑制了小腸組織中M1標志物（Nos2, Cd86）的表達并促進M2標志物（Mrc1, Arg1）的表達，免疫熒光染色也顯示小腸黏膜中F4/80⁺CD86⁺M1巨噬細胞減少。這些保護作用在聯合使用AhR拮抗劑時被顯著削弱。此外，CA治療還減少了尾椎骨表面的破骨細胞活性，改善了腰椎和脛骨的骨微結構參數（如增加BV/TV），而這些骨保護效應同樣依賴于AhR信號通路。

結論與展望

本研究通過整合多組學與臨床數據，揭示了HLA-B27陽性AS患者存在特征性的腸道菌群失調和以氨基酸代謝紊亂為核心的代謝重編程。FMT實驗在因果層面證明了AS相關菌群足以誘發腸道炎癥、M1巨噬細胞極化及骨丟失。機制研究進一步發現，微生物來源的代謝產物桂皮酸（CA）可通過激活AhR信號通路，抑制NF-κB介導的M1巨噬細胞極化，從而在AS-FMT模型中發揮腸道與骨骼保護作用。這些發現支持了一個模型：HLA-B27相關的腸道菌群失調和代謝重編程，通過巨噬細胞介導的炎癥和破骨信號，共同促進AS的發病。該研究不僅深化了對HLA-B27與腸道微環境互作機制的理解，也為未來開發針對菌群-代謝通路（如AhR激動劑、特定氨基酸補充/調節）的新型治療策略提供了潛在靶點。未來的研究需要在更大規模的多中心隊列中驗證這些發現，并利用細胞特異性或全身性AhR敲除模型等工具進行更深入的機制剖析。