腸道菌群-FXR軸在代謝性疾病中的作用*

鄒 步， 唐 瑩， 楊文玲， 屈順林, 2△

(1南華大學(xué)衡陽醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)系， 2南華大學(xué)病理生理學(xué)教研室， 心血管病研究所， 動脈硬化學(xué)湖南省重點實驗室， 湖南 衡陽 421001)

腸道菌群是指在腸道定植的包括細菌、真菌、病毒、古細菌和原生動物在內(nèi)的微生物群，其種類超過1 000種，數(shù)量接近人體自身細胞的10倍，編碼基因數(shù)量超過人體自身基因100倍。腸道菌群按系統(tǒng)發(fā)育地位可分為厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、放線菌門、疣微菌門和梭桿菌門。正常人類腸道菌群主要由厚壁菌門和擬桿菌門組成[1]。近年來科學(xué)界對腸道微生物群產(chǎn)生了濃厚的興趣，腸道菌群與大量疾病如炎癥性腸病、腸易激惹綜合征、過敏性疾病和代謝性疾病有關(guān)。

膽汁酸是法尼醇X受體(farnesoid X receptor，F(xiàn)XR)的內(nèi)源性配體，分為初級膽汁酸和次級膽汁酸2種。膽汁酸在肝臟合成后稱初級膽汁酸，與牛磺酸或甘氨酸結(jié)合后進入腸道，在腸道菌群的作用下轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸，其不僅在脂質(zhì)消化吸收中起重要作用，還可以調(diào)控FXR信號傳導(dǎo)通路參與機體代謝的調(diào)節(jié)。近年來研究發(fā)現(xiàn)，某些藥物通過調(diào)控腸道菌群影響膽汁酸組成，進而影響FXR活性及其下游通路達到治療代謝性疾病的作用。

1 腸道菌群與代謝性疾病

越來越多的證據(jù)表明，腸道菌群參與非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)[2]、胰島素抵抗[3-4]以及2型糖尿病[5]等代謝性疾病的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群可以通過下調(diào)禁食誘導(dǎo)脂肪細胞因子(fasting-induced adipocyte factor，F(xiàn)IAF)的表達和抑制脂肪細胞中的脂蛋白脂肪酶而促進脂肪細胞內(nèi)甘油三酯的沉積[3]。Dumas等[6]報道腸道菌群通過調(diào)節(jié)膽堿轉(zhuǎn)化為三甲胺來間接影響宿主的脂質(zhì)代謝以及NAFLD、胰島素抵抗等的進程。另一項研究表明，腸道菌群可以通過增加小腸絨毛毛細血管的密度以及影響腸道運動以促進小腸上皮細胞的發(fā)育從而增加食物中熱量的攝取[7]。有研究者發(fā)現(xiàn)腸道菌群還能通過發(fā)酵未消化的碳水化合物產(chǎn)生短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)以激活G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptors，GPCR)如GPR41，從而促進能量消耗并預(yù)防肥胖。此外Li等[8]報道腸道菌群可以代謝肝臟產(chǎn)生的膽汁酸，顯著影響膽汁酸的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，而膽汁酸亦可以影響腸道菌群組成、調(diào)控成纖維細胞生長因子15/19(fibroblast growth factor 15/19，F(xiàn)GF15/19)以及胰島素等的分泌，從而調(diào)控機體的糖脂代謝。以上不同的研究結(jié)果提示了腸道菌群影響代謝性疾病機制的多樣性。最近研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群通過調(diào)節(jié)FXR影響膽汁酸循環(huán)和糖脂代謝是導(dǎo)致肥胖等代謝性疾病的機制之一，腸道菌群-FXR軸成為研究的熱點[9-10]。

2 FXR與代謝性疾病

膽汁酸的合成主要有2條途徑——經(jīng)典途徑與替代途徑。大部分膽汁酸由經(jīng)典途徑合成，甾醇7α-羥化酶(cholesteral 7α-hydroxylase，CYP7A1)被認為是該途徑的限速酶，主要產(chǎn)物是膽酸(cholicacid，CA)。替代途徑主要合成鵝去氧膽酸(chenodeoxycholic acid，CDCA)，關(guān)鍵酶為甾醇 27α-羥化酶(cytochrome P450 27A1，CYP27A1)與氧甾醇7α-羥化酶(cytochrome P450 7B1，CYP7B1)[11]。初級膽汁酸在肝臟合成后，大部分與?；撬岷透拾彼峤Y(jié)合形成結(jié)合膽汁酸，增加了膽汁酸的水溶性，隨后經(jīng)毛細膽管排出，儲存在膽囊中。進食后，膽囊中的膽汁酸排出進入腸道，在腸道菌群的修飾下形成次級膽汁酸與游離膽汁酸，促進脂肪以及脂溶性維生素等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。大部分膽汁酸在回腸末端重吸收入血，經(jīng)門靜脈重新進入肝臟，形成膽汁酸的肝腸循環(huán)[12]。

FXR是膽汁酸平衡和肝腸循環(huán)的主要調(diào)節(jié)受體，主要分布在肝臟和小腸等組織，膽汁酸是其天然配體。當肝臟中膽汁酸升高，膽汁酸可通過激活膽汁酸/FXR/小異源二聚體伴侶(small heterodimer partner，SHP)信號通路進而抑制CYP7A1基因的轉(zhuǎn)錄，減少膽汁酸的合成。當腸道處于高水平的膽汁酸環(huán)境中時，腸道FXR被激活。研究表明，腸道FXR可通過上調(diào)FGF15/19反饋抑制肝臟CYP7A1和CYP7B1基因表達，降低膽汁酸在肝臟中的合成,減弱過多膽汁酸聚集對腸上皮細胞的毒性作用。此外，膽汁酸的種類不同，對腸道FXR的作用也不同，按激活程度從強到弱排序CDCA>?；悄懰?taurocholic acid，TCA)>脫氧膽酸(deoxycholic acid，DCA)=石膽酸(lithocholic acid，LCA)，而?；撬峤Y(jié)合型β鼠膽酸(tauro-β-muricholic acid，T-β-MCA)和熊去氧膽酸(ursodesoxycholic acid，UDCA)則對腸道 FXR 有抑制作用[13]。

近年來，F(xiàn)XR與代謝性疾病的關(guān)系得到廣泛的關(guān)注。Prawitt等[14]發(fā)現(xiàn)FXR全身敲除肥胖小鼠相比于普通肥胖小鼠，其葡萄糖清除率以及脂肪細胞胰島素敏感性增強，糖代謝紊亂減輕。然而其肝臟胰島素敏感性并沒有變化，且由于β氧化基因的抑制，肝臟脂肪變性加劇。同時肝臟特異性FXR缺乏不能預(yù)防飲食誘導(dǎo)的肥胖以及胰島素抵抗，提示非肝臟組織FXR的缺乏在減輕肥胖誘導(dǎo)的糖代謝紊亂以及胰島素抵抗等過程中可能起主要作用。Schmitt等[15]發(fā)現(xiàn)肝臟FXR特異性敲除小鼠在1%膽固醇給藥下出現(xiàn)脂質(zhì)積累，而這在腸道FXR特異性敲除小鼠中未發(fā)現(xiàn)，且腸道FXR特異性敲除小鼠擁有維持正常血清膽固醇和膽汁酸的能力,該研究提示肝臟FXR的激活在膽固醇引起的脂肪積聚中起保護作用，而腸道FXR的激活則沒有此種作用。Jiang等[16]發(fā)現(xiàn)在高脂誘導(dǎo)的NAFLD模型中，腸道特異性FXR敲除小鼠具有較少的肝臟甘油三酯積聚以及脂肪變性，使用低分子量抗氧化劑tempol或抗生素干預(yù)腸道菌群可抑制腸道FXR的表達，亦得到同樣的結(jié)果，提示腸道FXR的抑制可以減輕肝臟脂肪積聚以及脂肪變性。Xie等[17]利用咖啡酸苯乙酯(caffeic acid phenethyl ester，CAPE)間接抑制腸道FXR，發(fā)現(xiàn)CAPE可以減少肝臟糖異生，減輕高脂飲食(high-fat diet，HFD)喂養(yǎng)小鼠的高糖血癥，這種效應(yīng)并沒有在FXR敲除小鼠中顯示。這些研究提示在不同組織比如肝臟和腸道中，F(xiàn)XR的效應(yīng)可能有所不同，甚至擁有相反的效應(yīng)。肝臟FXR的缺失會導(dǎo)致脂質(zhì)的積聚，腸道FXR的缺失則減輕脂質(zhì)的積聚、變性以及肝糖異生。

3 腸道FXR調(diào)控代謝性疾病的機制

神經(jīng)酰胺屬于鞘脂家族，由鞘氨醇長鏈堿基與脂肪酸構(gòu)成，是鞘磷脂的重要成分。在人群中，血清和組織神經(jīng)酰胺水平與代謝紊亂程度成正比[18-21]。最近的研究表明，含16個碳飽和脂肪?；?C16:0)的神經(jīng)酰胺是調(diào)控肥胖癥中胰島素抵抗、脂肪酸β氧化以及能量代謝的關(guān)鍵神經(jīng)酰胺[19, 22]。缺乏神經(jīng)酰胺合成酶S6(ceramide synthase S6，CerS6)表達的小鼠表現(xiàn)出較低的C16：0神經(jīng)酰胺水平并防止HFD誘導(dǎo)的肥胖及糖耐量降低[23]。

研究發(fā)現(xiàn)，抑制腸道FXR調(diào)節(jié)代謝性疾病的機制涉及神經(jīng)酰胺的調(diào)節(jié)。HFD喂養(yǎng)的腸特異性FXR敲除小鼠的循環(huán)神經(jīng)酰胺顯著降低，肝臟甘油三酯積累減少，這在tempol、抗生素或甘氨酸-β-鼠膽酸(glycine-β-muricholic acid, Gly-MCA)治療的HFD喂養(yǎng)的小鼠中同樣被觀察到。給予C16：0神經(jīng)酰胺干預(yù)后tempol、抗生素或Gly-MCA治療的HFD喂養(yǎng)的小鼠代謝改善被逆轉(zhuǎn)。進一步的研究表明，腸道FXR靶向控制神經(jīng)酰胺合成的基因?；啬c中神經(jīng)酰胺產(chǎn)生的基因——鞘磷脂磷酸二酯酶3(sphingomyelin phosphodiesterase 3，Smpd3)和絲氨酸棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶長鏈堿基亞基2(serine palmitoyltransferase, long chain base subunit 2，Sptlc2)具有上游FXR結(jié)合位點且被鑒定為FXR的直接靶基因。然而腸道FXR調(diào)節(jié)神經(jīng)酰胺的具體機制仍不清楚。血清中神經(jīng)酰胺水平的降低，一方面抑制甾醇反應(yīng)元件結(jié)合蛋白1c(sterol regulatory element-binding protein 1c，SREBP1c)/誘導(dǎo)細胞死亡的DNA片段化因子α樣效應(yīng)子A(cell death-inducing DNA fragmentation factor alpha-like effector A，CIDEA)信號通路從而抑制肝臟脂肪積聚及變性，另一方面可降低白色脂肪細胞炎癥水平以減輕胰島素抵抗；此外還可能促進米色脂肪產(chǎn)熱相關(guān)基因的表達，增加產(chǎn)熱，減輕脂代謝紊亂[16, 23]。最近的研究亦提示膳食補充劑CAPE通過抑制小鼠腸道菌群膽鹽水解酶(bile salt hydrolase，BSH)的產(chǎn)生，提高腸道T-β-MCA的水平，從而抑制腸道FXR來減少腸神經(jīng)酰胺的生成，降低血清神經(jīng)酰胺水平。神經(jīng)酰胺水平的下降則通過減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，增加檸檬酸合酶(citrate synthase, CS)活性并降低丙酮酸羧化酶(pyruvate carboxylase，PC)活性來抑制糖異生，使血糖正?；痆17]。這些研究表明腸道FXR可能通過調(diào)節(jié)神經(jīng)酰胺來減輕代謝紊亂。

4 腸道菌群抑制腸道FXR改善代謝性疾病

早期研究發(fā)現(xiàn)低分子量抗氧化劑tempol可保護細胞免受氧化應(yīng)激，減輕小鼠肥胖[24]。近年來其機制得到闡明。Li等[9]發(fā)現(xiàn)，tempol給藥后5 d內(nèi)，小腸遠端菌群由硬壁菌門轉(zhuǎn)變?yōu)閿M桿菌門，且硬壁菌門中乳酸桿菌水平顯著降低。同時膽汁酸代謝物的檢查發(fā)現(xiàn)，與對照組相比tempol處理組顯示出更高的T-β-MCA[11]。T-β-MCA是內(nèi)源性FXR拮抗劑，由UDCA在小鼠或大鼠肝臟中羥基化為β-MCA再與?；撬峤Y(jié)合，在肝臟中生成T-β-MCA后與其他膽汁酸共同介導(dǎo)回腸上皮細胞FXR傳導(dǎo)，而腸道菌群可以通過代謝這些膽汁酸調(diào)節(jié)激動劑與拮抗劑的水平[25]。T-β-MCA在BSH的作用下迅速水解為β-MCA，而BSH主要在乳酸桿菌、擬桿菌、梭狀桿菌和雙歧桿菌等菌株中表達[26]，提示tempol處理后T-β-MCA的顯著增加是由于乳酸桿菌水平降低導(dǎo)致的BSH活性降低。同時高脂飲食誘導(dǎo)的腸道FXR特異性敲除小鼠表現(xiàn)出較低的肥胖，其程度與temple處理組相似，且temple不能減輕HFD誘導(dǎo)腸道特異性敲除小鼠的體重增加。研究者由此提出一種機制：tempol通過降低乳酸桿菌水平使BSH活性降低以提高T-β-MCA水平，從而抑制腸道FXR的表達，進而減輕小鼠的肥胖[11]。另一項研究發(fā)現(xiàn),ob/ob小鼠腸道微生物組成顯著改變，?；撬峤Y(jié)合的膽汁酸明顯減少，腸道FXR的表達水平明顯增加，且與同窩ob/+小鼠相比，F(xiàn)XR表達水平更高[27]，與tempol處理組的結(jié)果一致。

此外，關(guān)于抗生素的研究也證明了腸道菌群可通過調(diào)控FXR影響代謝性疾病。有研究報道，桿菌肽、新霉素和鏈霉素聯(lián)合使用可阻止小鼠NAFLD的進展，其腸道中乳酸桿菌屬減少，T-β-MCA減少，腸道FXR表達水平下降[20]，與tempol處理組的結(jié)果相一致。內(nèi)源性膽汁酸T-β-MCA通過抑制腸道FXR的表達而減輕HFD誘導(dǎo)的肥胖、胰島素抵抗及非酒精性脂肪肝，表明腸道FXR是潛在的藥物靶點。然而T-β-MCA并不是一種可行的候選藥物，這是因為T-β-MCA會被BSH迅速轉(zhuǎn)化為β-MCA。人類腸道菌群亦具有BSH活性，這表明T-β-MCA在人腸中不穩(wěn)定[28]。與T-β-MCA不同，選擇性高親和力FXR抑制劑Gly-MCA不被BSH降解，在腸道中穩(wěn)定且不在肝臟中累積，避免了抑制肝臟FXR表達帶來的肝臟脂肪變性及毒性[14， 29]，因此Gly-MCA這類藥物可能是治療代謝性疾病新的途徑。需要注意的是，人和小鼠的膽汁酸譜是不同的，其重要區(qū)別在于小鼠初級膽汁酸在腸道菌群7α去羥基化作用下主要生成次級膽汁酸MCA，而人類腸道菌群則主要生成LCA和DCA。?；撬峤Y(jié)合在小鼠中占優(yōu)勢，而甘氨酸結(jié)合在人類中占主導(dǎo)地位。此外，UDCA是人類中的一種次級膽汁酸，由CDCA通過細菌7α/β脫氫產(chǎn)生，而在小鼠中則被認為是一種初級膽汁酸[30]。最近一項研究發(fā)現(xiàn)，初診2型糖尿病人口服二甲雙胍后腸道菌群發(fā)生重塑，脆弱擬桿菌的豐度下降，而甘氨酸結(jié)合熊去氧膽酸(glycoursodeoxycholic acid，GUDCA)含量升高，腸道FXR被顯著抑制。研究表明二甲雙胍通過減少腸內(nèi)脆弱擬桿菌種類及其BSH活性而提高GUDCA的水平。進一步的研究確定GUDCA為人FXR的內(nèi)源性拮抗劑，可減輕多種代謝紊亂，提示二甲雙胍誘導(dǎo)的代謝改善是通過腸道脆弱桿菌-GUDCA-腸道FXR軸介導(dǎo)的，GUDCA或腸道FXR可能成為治療肥胖相關(guān)代謝性疾病的新靶點[31]。

5 腸道FXR的激活改善代謝性疾病

與上述研究相反，最近有研究顯示腸道FXR的激活亦可改善代謝性疾病。Fang等[32]發(fā)現(xiàn)，在飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠模型中，口服腸道特異性FXR激動劑fexaramine(Fex)的小鼠相比于普通肥胖小鼠，體重增加程度減輕，糖耐量增加，胰島素抵抗減少，白色組織棕色化以及產(chǎn)熱增加。進一步研究發(fā)現(xiàn)Fex顯著升高血清中次級膽汁酸石膽酸的比例，而石膽酸是G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1 (G protein-coupled bile acid receptor 1，Gpbar1/TGR5)的最有效內(nèi)源性配體。在Fex處理的Gpbar1敲除小鼠中未觀察到體重增加及胰島素敏感性的顯著變化，且關(guān)鍵的肝臟脂肪生成基因及甘油三酯含量不受Fex處理的影響，提示Fex產(chǎn)生的效應(yīng)可能是通過間接激活其他膽汁酸受體而產(chǎn)生的。兩項關(guān)于黃連素(berberine，BBR)降脂機制的研究發(fā)現(xiàn)，BBR減少梭狀桿菌并抑制BSH的活性，增加牛磺酸結(jié)合膽汁酸的水平。有趣的是T-β-MCA的水平?jīng)]有明顯改變，F(xiàn)XR激動劑TCA的水平顯著增高，BBR在HFD喂養(yǎng)的腸道FXR特異性敲除小鼠中未發(fā)現(xiàn)降脂作用，且使用TCA(100 mg/kg)治療小鼠1周后發(fā)現(xiàn)TCA亦能激活腸道FXR并發(fā)揮降脂作用，提示BBR可能通過抑制BSH的活性增加TCA的水平從而激活FXR發(fā)揮其降脂作用。其具體機制可能是通過激活腸道FXR，上調(diào)FGF19及降低CD36的表達，使長鏈脂肪酸的肝攝取減少，從而發(fā)揮其降脂作用[33-34]。

6 展望

FXR激動劑OCA治療 NAFLD的Ⅱ期臨床實驗顯示出良好的應(yīng)用前景[35]，然而肝臟與腸道中FXR對代謝性疾病相反的作用為藥物的研發(fā)提供了新的思路，特異性腸道FXR的抑制可能成為治療代謝性疾病理想的藥物靶點。雖然人類與小鼠膽汁酸代謝譜不同，但是二甲雙胍的研究提示了有關(guān)腸道FXR研究成果在小鼠與人類間轉(zhuǎn)化的可行性[31]。最近的研究提示腸道FXR的激活似乎對代謝有改善作用[32-34]。與tempol及抗生素等不同，BBR處理小鼠BSH活性的降低不是因為乳桿菌的減少而是梭狀桿菌的減少，且Fex不僅激活FXR還激活TGR5，TCA在正常腸道菌群易被解離為CA。這些結(jié)果提示我們在研究腸道FXR激活或抑制的效應(yīng)時需要考慮腸道菌群組成不同所造成的影響，并研制出更特異性的腸道FXR激動劑，以探究調(diào)控腸道FXR影響代謝性疾病的具體機制。需要注意的是，小鼠中FXR的慢性激活可引發(fā)自發(fā)性肝毒性、生長延遲，甚至部分新生小鼠死亡[36]。缺乏FXR表達的小鼠則增加了自發(fā)性肝癌的風(fēng)險。12個月的雄性和雌性FXR敲除小鼠的肝臟腫瘤發(fā)病率都很高[37]。FXR在FXR敲除小鼠腸道中的重新表達抑制了自發(fā)性肝癌，可能是由于FGF15產(chǎn)生增加和通過抑制CYP7A1降低肝膽汁酸所致[38]。與這些小鼠的研究一致，腫瘤組織與其相鄰的正常肝組織相比，F(xiàn)XR在人肝細胞癌中的表達顯著降低，并且FXR表達程度與腫瘤大小成反比，與分化程度成正比[39]。另一項研究發(fā)現(xiàn)使用腸致癌物氧化偶氮甲烷干預(yù)后，F(xiàn)XR敲除小鼠的結(jié)腸以及直腸中的腺癌大小和多樣性顯著增加，其機制主要是由于FXR的缺乏促進了腸道中的細胞增殖、炎癥和腫瘤發(fā)生[40]。我們在考慮將腸道菌群-FXR軸作為代謝性疾病治療的藥物靶點時，仍需要考慮其應(yīng)用的安全性問題。