膽汁酸與腸道菌群相關性研究進展

趙元辰，崔乃強

膽汁酸是膽汁的重要組成部分，以膽固醇為原料，經(jīng)肝臟轉化生成，儲存于膽囊中，隨后排入腸道，直接或間接影響腸道菌群的豐度及多樣性。而腸道菌群數(shù)量巨大，作用廣泛，與人體的多種功能、疾病密切相關?？梢陨啥喾N酶參與膽汁酸代謝。兩者相互影響，相互作用。

1 膽汁酸

膽汁酸是膽固醇在肝細胞中經(jīng)一系列酶促反應形成的代謝產物。膽汁酸可分為游離膽汁酸、結合膽汁酸；按來源,可分為初級膽汁酸、次級膽汁酸。

1.1 膽汁酸的合成 正常人每天合成1～1.5 g膽固醇,其中約2/5（0.4～0.6 g)在肝內轉化為膽汁酸，是肝臟清除膽固醇的主要方式[1]。肝臟是唯一具有合成兩種初級膽汁酸（膽酸、鵝脫氧膽酸）所需14種酶的器官。膽汁酸的產生包括恢復膽固醇中的雙鍵，將C-3反轉為3α-H-基團，然后在7號碳原子或7號和12號碳原子α-羥基化，以及膽固醇側鏈的β-氧化。肝細胞合成膽汁酸主要有兩條途徑:經(jīng)典途徑和替代途徑。

經(jīng)典途徑為主要途徑[2]，膽固醇首先在膽固醇7α-羥化酶(cholesterol 7α-hydroxylase，CYP7A1)的催化下生成7α-固醇,后者再經(jīng)過固醇核的還原、羥化、側鏈的斷裂和加輔酶A等反應,生成具有24碳的初級膽汁酸（膽酸和鵝去氧膽酸，其與?；撬岷透拾彼峤Y合形成結合膽汁酸）。初級膽汁酸進入腸道,協(xié)助脂類物質的消化吸收,大部分膽汁酸以結合初級膽汁酸形式在回腸末端被主動重吸收，其余小部分結合膽汁酸在回腸和結腸上段細菌的作用下,先經(jīng)膽汁酸鹽水解酶催化形成游離膽汁酸，再經(jīng)腸道菌群7位脫羥基形成次級膽汁酸。

替代途徑[3]主要是氧化甾醇27α羥化酶代替CYP7A1起限速作用。膽固醇首先于側鏈的第24/25或27號碳原子上脫氫生成氧化甾醇,隨后在氧化甾醇7α羥化酶催化下再于7α位脫氫,進入經(jīng)典膽汁酸合成途徑,生成次級膽汁酸。另外還有極其少量的由存在于肝臟的25-羥化酶和存在于大腦的24-羥化酶參與的膽汁酸合成途徑。

1.2 膽汁酸的腸肝循環(huán) 95%以上排入腸道的膽汁酸被重吸收進行腸肝循環(huán),僅5%由糞便排出,腸道每天吸收的膽汁酸總量可達12～32 g,其中以回腸部對結合型膽汁酸的主動重吸收為主，腸道的游離膽汁酸（石膽酸除外）在小腸和結直腸通過擴散作用被動重吸收,重吸收的膽汁酸經(jīng)門靜脈入肝,被肝細胞攝取[1]。

首先,在肝細胞基底側膜鈉-?；撬峁厕D運體及有機陰離子轉運多肽的介導下從竇狀隙血液中攝取膽鹽等,接著在肝細胞內對攝取的成分進行加工,并將加工好的膽汁酸運輸至肝毛細膽管處,最后肝毛細膽管膜處在膽鹽輸出泵、磷脂輸出泵等介導下將膽汁酸分泌至毛細膽管,形成膽汁流。在肝細胞內，游離膽汁酸部分被重新合成為結合膽汁酸,與新合成的結合膽汁酸一同再隨膽汁排入小腸,結合膽汁酸在回腸通過小腸刷狀緣的頂端鈉/依賴膽汁酸轉運體主動重吸收入小腸黏膜細胞,并與回腸膽汁酸結合蛋白結合,由基底膜終末腔面的有機溶質轉運體α/β重吸收入門靜脈,轉運到竇狀隙,進行腸肝循環(huán)[4]。

1.3 膽汁酸的合成、分泌調控 CYP7A1是膽汁酸合成的限速酶。甲狀腺激素可以促進其活性，增加膽汁酸的合成；而雌/孕激素、生長因子、胰島素等通過啟動子的5'-上游區(qū)域抑制其活性[5]，抑制膽汁酸的合成。

多種核受體參與CYP7A1基因結合位點的調控,包括法尼醇X受體(farnesoid X receptor，F(xiàn)XR)、肝受體同系物-1、小分子異源二聚體伴侶、G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體、肝X受等。

FXR在調節(jié)膽汁酸合成，排泄和運輸中發(fā)揮重要作用[6]。是CYP7A1的轉錄抑制因子。FXR可以促進小分子異源二聚體伴侶生成，抑制肝受體同系物-1和肝細胞核因子與CYP7A1啟動子結合,進而抑制膽汁酸合成關鍵酶CYP7A1的表達；膽汁酸在回腸細胞激活FXR轉錄，促進成纖維生長因子( fi broblast growth factor,FGF)15/19分泌，經(jīng)肝臟FGF受體4反饋抑制肝臟CYP7A1基因表達[7]。FXR激動劑按效價排列是鵝去氧膽酸＞石膽酸=脫氧膽酸＞膽酸，具有能夠激活FXR的共軛和非共軛部分[8]。G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體介導頂端鈉/依賴膽汁酸轉運體促進胞外膽汁酸逆轉運，使胞內的膽汁酸濃度升高，反饋地抑制了肝細胞中CYP7A1。G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體識別偶聯(lián)和游離膽汁酸，優(yōu)先選擇牛磺石膽酸，其次?；敲撗跄懰幔九；蛆Z去氧膽酸＞?；悄懰醄9]。肝X受體是CYP7A1的轉錄激活因子，肝X受體α可通過CYP7A1基因上游的肝X受體α反應元件來增加CYP7A1基因轉錄,從而增加膽汁酸合成。

在生理條件下，游離膽汁酸在膽汁中不常見。與甘氨酸或?；撬峤Y合，形成結合型膽汁酸，與游離膽汁酸相比，其具有更強的極性。游離膽汁酸與甘氨酸或?；撬岬木Y合，降低游離膽汁酸的毒性，并增加膽汁的可溶性[10]。膽汁酸的牛磺酸結合物較甘氨酸結合物具有更強的極性[11]。

膽鹽水解酶是催化結合型膽汁酸第24位碳原子上的?；撬峄蚋拾彼狨０锋I水解的關鍵酶。包括再酰胺化，氧化還原反應和酯化和脫硫反應[12-13]。膽鹽水解酶促使膽固醇或膽汁進入微生物膜，增加微生物膜的彈性，增強對α防御素及其他保護分子的敏感性。還可以發(fā)揮解毒作用，使胃腸道的部分微生物能夠耐受。

初級膽汁酸在水解的前提下，通過7α-脫羥基化酶脫去7α羥基生成次級膽汁酸，腸道菌群中的厚壁菌門（如梭菌屬）具有7α-脫羥基活性。研究發(fā)現(xiàn)人糞便中以次級膽汁酸為主[14]。

1.4 膽汁酸的作用 膽汁酸可以增加機體的脂肪消耗、加速能量代謝，抑制促炎細胞因子表達，產生抗炎效應；減輕動脈粥樣硬化病變，可以刺激β細胞分泌胰島素、抑制胰高血糖素分泌、促進β細胞增殖及改善外周組織胰島素敏感度等多種機制改善代謝癥狀，調節(jié)免疫[15-16]。保持腸上皮完整性和正常代謝；保持機體固有菌群的生態(tài)穩(wěn)定，破壞病源菌細胞膜的完整性，抑制革蘭陽性菌、革蘭陰性菌過度增殖。

2 腸道菌群

腸道菌群是人體最龐大、最重要的微生態(tài)系統(tǒng)，健康成人腸道棲息著多達30屬500余種細菌，包含的細菌數(shù)達1014個，重量約1000 g，其基因組總和比人類多100倍[17-18]，被稱“腸道元基因組”，是控制人體健康的“人體第二基因組”。包括需氧菌、兼性厭氧菌和厭氧菌，以專性厭氧菌或兼性厭氧菌為主。其中擬桿菌門和厚壁菌門的數(shù)量占90%以上[19]。

2.1 腸道菌群功能 人體腸道菌群數(shù)量龐大，功能多樣?？梢酝ㄟ^占位效應、營養(yǎng)競爭、以及所分泌的各種代謝產物在腸道內形成生物屏障[20]，減少機體低水平炎癥反應，保護腸壁的完整；刺激腸道建立有效的免疫防御系統(tǒng)；參與機體物質代謝，能夠調節(jié)腸道對糖、脂的吸收、轉化，改善葡萄糖耐受和氧化應激，降低血糖；可產生結合膽汁酸水解酶，將結合膽汁酸轉化成游離膽汁酸，減少腸道的吸收；抑制FXR/FGF15信號通路，增強CYP7A1活性，促進膽固醇合成膽汁酸；促進膽固醇氧化酶生成、抑制肝脂肪合成酶的活性、發(fā)酵碳水化合物生成短鏈脂肪酸而發(fā)揮調脂作用。

3 膽汁酸對腸道菌群的作用

膽汁酸可以調控腸道菌群的穩(wěn)態(tài)。其可以抑制細菌生長的作用，能夠阻止細菌黏附到腸道黏膜的頂端。也可以激活FXR，維持腸道菌群穩(wěn)態(tài)、防止細菌移位、增強黏膜屏障防御作用[21]。研究發(fā)現(xiàn)給予肝硬化大鼠膽汁酸，提高腸道膽汁酸濃度，可能會抑制腸道細菌過度生長，減少細菌移位的發(fā)生。FXR、G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體發(fā)生基因突變后，可以導致炎癥性腸??；給予FXR激動劑后可以改善實驗性小鼠結腸炎癥狀。

膽酸在其細菌作用下生成脫氧膽酸對細菌生長具有強效的抑制作用，且脫氧膽酸的作用效果是膽酸的10倍。采用含膽酸的飼料喂養(yǎng)大鼠發(fā)現(xiàn)，其回腸厚壁菌門/擬桿菌門的比值大幅增加，隨著膽酸轉化為脫氧膽酸增多，厚壁菌門的梭狀芽孢桿菌綱和柔膜菌綱也顯著增加。腸道菌群的多樣性大幅下降，細菌總量約減少一半。膽汁酸可能在腸道中選擇菌群，從而對膽汁酸產生影響[22]。

喂食高飽和乳源脂肪的白介素10敲除小鼠導致?；撬峤Y合的膽汁酸的合成增強，促進了嗜膽菌屬（wadsworthia）的生長，這是腸內免疫炎癥相關的潛在危險因素。在喂食富含植物源性脂肪的飲食的小鼠中未見此變化。Long等[23]認為?；撬岽x有助于提高有機硫的有效性，促進亞硫酸鹽還原菌如B.worsworthia的生長；腸道內膽汁酸成份、含量和過度生長的腸道細菌可能導致炎性疾病。

4 腸道微生物對膽汁酸代謝的作用

腸道菌群可以調節(jié)膽汁酸池的大小以及各膽汁酸成分的比例。腸道菌群對膽汁酸分子的修飾作用包括3種：(1)去結合作用(水解結合膽汁酸上的?；撬岷透拾彼峄鶊F)；(2)差向異構作用；(3)脫羥基作用，作用于游離初級膽汁酸，去結合是脫羥基作用的前提[24]。

腸道中的脆弱擬桿菌、普通擬桿菌、產氣莢膜桿菌、李斯特菌以及某些乳酸菌、雙歧桿菌都可以產生膽鹽水解酶[25]，將結合膽汁酸水解為游離膽汁酸。乳桿菌屬和擬桿菌屬參與膽汁酸的酯化作用。消化球菌、梭狀芽孢桿菌、假單胞菌和梭菌屬參與膽汁酸的脫硫作用。

梭菌如C.scindens VPI 12708、C.hiranonis DSM 13275、C.hylemonae DSM 15053和C.sordelli VPI9048等具有7α脫羥基作用，將初級膽汁酸轉化為次級膽汁酸。研究發(fā)現(xiàn)次級膽汁酸可以抑制艱難梭菌生長[26]。膽酸由梭菌、擬桿菌轉化為熊脫氧膽酸。不動桿菌lwoffii含有膽酸轉化熊脫氧膽酸所需的兩種酶。脫氧膽酸可由梭菌屬如梭菌（absonum)生成熊脫氧膽酸[27]。

有研究發(fā)現(xiàn)因增加FXR受體拮抗劑?；?β-鼠膽酸比例,無菌小鼠相比于普通小鼠膽汁酸池擴大了3倍多[28]。研究發(fā)現(xiàn)應用抗生素的小鼠腸道菌群可以抑制回腸細胞頂端鈉/依賴膽汁酸轉運體表達以及FXR/FGF15信號通路而促進肝臟CYP7A1基因表達，增高頂端鈉/依賴膽汁酸轉運體基因表達，減少糞便膽汁酸排泄，增加膽汁酸的含量。

雙歧桿菌、乳酸桿菌可產生膽鹽水解酶，此酶可把結合膽汁酸轉變成游離膽汁酸，產生脫氧膽酸和石膽酸等次級膽汁酸，而這些次級膽汁酸本是FXR受體的強效激動劑，但是雙歧桿菌、乳酸桿菌等可以通過抑制腸道膽汁酸分子的吸收降低腸上皮細胞內和血漿內的膽汁酸的含量，最終下調FXR/FGF15通路，增強CYP7A1活性，促進肝臟膽汁酸合成[29]。故被重吸收進入腸肝循環(huán)的量明顯減少，大部分通過糞便排出體外，促使肝臟利用膽固醇合成膽汁酸增加；雙歧桿菌還可提高腸道菌群對酸性物質和膽汁酸的耐受力，具有穩(wěn)定血糖、降低血脂作用。大部分乳桿菌和雙歧桿菌屬菌株中，均發(fā)現(xiàn)乳酸菌細胞內能積累膽酸。腸道微生物產生的短鏈脂肪酸或乳酸降低腸道pH值，從而可能增強乳桿菌在體內對膽酸的積累；Jeun等[30]發(fā)現(xiàn)1株乳桿菌KCTC3928活菌株將小鼠肝臟中CYP7A1的mRNA和蛋白表達量相比于對照分別上調80%和60%，加速膽汁酸合成?？梢砸种苹啬cFGF15基因表達，上調肝臟CYP7A1表達水平。腸道菌群不僅在腸道發(fā)揮作用，而且可調節(jié)肝臟膽汁酸合成。在生理狀態(tài)下，腸道菌群激活了腸道GATA結合蛋白4的表達，使頂端鈉/依賴膽汁酸轉運體表達水平下降，導致膽汁酸重吸收減少，促進肝臟合成膽汁酸。

5 腸道菌群、膽汁酸與疾病相關性

炎癥性腸病患者腸道菌群改變，其表現(xiàn)為菌群多樣性相對降低，厚壁菌門中的細菌水平和抗炎細菌柔嫩梭菌群的水平降低[31]，在活動期更顯著。

由于膽酸在遠端小腸中被有效地再吸收，改變膽汁酸代謝和腸道微生物群可能影響腸-肝軸以及其他代謝功能。例如，最近的一項研究檢測了原發(fā)性硬化性膽管炎小鼠模型中的膽汁酸譜和微生物群落結構，并證實無菌小鼠的疾病嚴重程度加重。通過體外實驗，給予熊脫氧膽酸，膽管細胞硬化標記物降低。這表明微生物和膽汁酸在保護原發(fā)性硬化性膽管炎膽道損傷中發(fā)揮作用[32]。

許多研究已經(jīng)提示了腸道微生物，膽汁酸與心血管疾病風險之間的聯(lián)系。研究表明，腸道菌可以將卵磷脂、膽堿及肉堿代謝，生成氧化三甲胺，其與心血管疾病風險升高有關。飼喂小鼠氧化三甲胺減少初級膽汁酸合成（通過下調CYP7A1），最終降低膽固醇穩(wěn)態(tài)機制（反向膽固醇轉運）的表達，導致疾病風險升高。研究發(fā)現(xiàn)三甲胺和氧化三甲胺的水平與普雷沃氏菌呈顯著正相關，而與擬桿菌的豐度呈顯著負相關。

Herrera等[33]發(fā)現(xiàn)膽囊結石患者膽汁酸合成限速酶mRNA水平增加超過400%。另有研究發(fā)現(xiàn)與健康人群相比膽囊結石患者糞便中羅斯氏菌（Roseburia）和單形擬桿菌（Bacteroides uniformis）的種類減少，而瘤胃菌科（Ruminococcaceae）和顫螺旋菌屬（Oscillospira）種類增加。但細菌多樣性顯著降低，糞便膽汁酸含量升高[34]。Reunanen等[35]研究發(fā)現(xiàn)膽囊結石小鼠腸道內分泌7α-脫羥基酶的梭菌屬（Clostridium）XlVa和XVIII的豐度增加。而腸道菌群表達的7α-脫羥基酶活性增加與膽汁中脫氧膽酸水平升高相關，脫氧膽酸與膽囊結石形成有直接關聯(lián)。膽囊結石可以誘導粘蛋白降解細菌艾克曼菌（Akkermansia）增加，保護腸道屏障。

膽囊切除后，膽汁失去貯藏的場所，膽道內壓主要由肝細胞分泌來維持，高于Oddi括約肌壓力，從而使Oddi括約肌長期開放，肝細胞分泌的膽汁持續(xù)地進入腸道,膽汁酸的重吸收增加，增加膽汁酸的腸肝循環(huán)。Malagelada[36]報告膽囊切除術后膽汁酸腸肝循環(huán)量是正常人的2倍。24 h膽汁酸的分泌量增加，初級膽汁酸和腸道細菌的接觸時間延長，引起次級膽汁酸在總膽汁酸的比例增高，Vernick等[37]也發(fā)現(xiàn)膽汁酸持續(xù)通過肝臟和腸道，致使腸肝循環(huán)次數(shù)增多；并增加次級膽酸的生成。膽汁酸不斷進入腸腔，刺激腸道運動。使腸道轉運時間縮短約20%，排便次數(shù)通常會增加。腸壁長時間接觸膽汁酸可能是有害的，可導致慢性腹瀉和結直腸癌發(fā)生的風險增加[38]。膽囊切除后膽汁濃縮、排泄、回吸收異常，低濃度的膽汁酸，可能造成小腸內細菌過度增殖。而且Münch等[39]發(fā)現(xiàn)低水平的脫氧膽酸能降低結腸組織的跨上皮阻力，即腸上皮通透性增加，能增加結腸組織對細菌的吸收，膽汁在小腸內吸收減少，導致進入結腸后游離膽汁酸增加，膽汁酸濃度升高，抑制腸道有益菌，造成腸道內菌群失調。研究發(fā)現(xiàn)膽囊切除術后腸道中的雙歧桿菌、乳酸桿菌數(shù)量明顯減少，腸球菌、Oscillospira、大腸桿菌、類桿菌科和擬桿菌屬顯著增加。Oscillospira與次級膽汁酸（如石膽酸）正相關。與膽酸和熊脫氧膽酸負相關。Roseburia屬與Rumiococcaceae和Oscillospira呈負相關。Oscillospira直接或間接參與在初級膽汁酸到次級膽汁酸的轉換[35]。Berr等[40]研究發(fā)現(xiàn)膽囊切除術后患者3個月后，膽酸合成率平均下降37%，平均膽汁酸池減少。初級膽汁酸的肝合成和總膽汁酸池（膽酸、鵝去氧膽酸和脫氧膽酸的總和）降低。在一些早期研究中，在膽囊切除術后6周觀察到鵝去氧膽酸的合成速率和膽汁酸池容量的降低，但是在術后3和9～12個月時，鵝去氧膽酸和脫氧膽酸的合成或輸入速率和膽汁酸池大小處于穩(wěn)定水平。Keren等[34]進行了患者自身膽囊切除前后糞便膽汁酸（n=11）的配對比較，以及所有術前（n=13）和術后糞便樣本（n=17）比較，結果顯示膽囊切除術后糞便中脫氧膽酸濃度增加（P=0.043），余未見明顯統(tǒng)計學差異。膽囊切除前后患者的糞便微生物群組成相似。但擬桿菌門（Bacteroidetes）在膽囊切除術后增加，包括類桿菌科（Bacteroidaceae）和Parabacteroides。