膽汁酸與腸道微生物相互影響及其在疾病中的作用

趙圓圓，朱云，高樹娟，焦嬌，張輝

(1.蚌埠醫(yī)學(xué)院附屬淮海醫(yī)院消化內(nèi)科，江蘇 徐州 221000； 2.解放軍陸軍第七十一集團(tuán)軍醫(yī)院消化內(nèi)科，江蘇 徐州 221000)

膽汁酸是由肝臟合成的一類膽烷酸衍生物，是膽固醇分解代謝的終產(chǎn)物。膽汁酸的合成受法尼醇X受體(farnesol X receptor,FXR)的負(fù)反饋調(diào)控，代謝需在腸道微生物的作用下完成，其中腸道微生物酶在膽汁酸的腸-肝循環(huán)中發(fā)揮重要作用，其主要通過解離及脫羥基作用將結(jié)合膽汁酸轉(zhuǎn)化為非結(jié)合膽汁酸，將初級(jí)膽汁酸轉(zhuǎn)化為次級(jí)膽汁酸。疾病狀態(tài)下，腸道微生物的擾動(dòng)會(huì)影響膽汁酸池的組成[1]。研究發(fā)現(xiàn)，膽汁酸除調(diào)節(jié)自身合成外，還通過與FXR、G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1(G protein-coupled bile acid receptor 1,GPBAR-1，也稱TGR5)結(jié)合，調(diào)節(jié)機(jī)體的葡萄糖代謝、脂質(zhì)代謝及固有免疫等[2]。腸道微生物被認(rèn)為是一種代謝器官，其代謝腸腔內(nèi)容物產(chǎn)生的物質(zhì)主要包括短鏈脂肪酸、膽汁酸、吲哚類及多胺類等，這些物質(zhì)參與了機(jī)體免疫系統(tǒng)的形成[3]。膽汁酸與腸道微生物之間存在動(dòng)態(tài)的相互作用。腸道微生物通過FXR負(fù)反饋調(diào)節(jié)肝臟膽汁酸的合成與代謝；膽汁酸池的組成變化又影響腸道微生物組成。研究表明，膽汁酸與腸道微生物的失衡參與機(jī)體多種疾病如炎癥性腸病(inflammatory bowel disease,IBD)、結(jié)直腸癌、非酒精性脂肪肝病(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)、肥胖、動(dòng)脈硬化性心血管疾病、阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)等的發(fā)病過程[1,4-5]?，F(xiàn)就膽汁酸與腸道微生物的相互作用及其參與疾病發(fā)生發(fā)展的過程進(jìn)行綜述，以期尋找治療新的治療方法。

1 膽汁酸的調(diào)控及功能

膽汁酸是膽固醇在肝臟合成，由膽囊儲(chǔ)存，進(jìn)食后由膽囊釋放至十二指腸，其主要作用是促進(jìn)脂質(zhì)及脂溶性維生素的吸收。膽汁酸包括初級(jí)膽汁酸和次級(jí)膽汁酸。初級(jí)膽汁酸在腸道微生物作用下形成次級(jí)膽汁酸。95%以上的膽汁酸在回腸末端和結(jié)腸上段被重吸收，經(jīng)門靜脈入肝，完成膽汁酸的腸-肝循環(huán)[6]。FXR作為膽汁酸合成的主要調(diào)節(jié)因子，通過誘導(dǎo)回腸上皮細(xì)胞成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子15/19的表達(dá)并與之結(jié)合，抑制肝臟膽汁酸合成的關(guān)鍵酶膽固醇7a羥化酶的活性，從而抑制肝臟膽汁酸的合成[7-8]。FXR還可作為信號(hào)分子，其激活可調(diào)節(jié)腸道葡萄糖的吸收，抑制肝糖原酵解，改善胰島素敏感性，逆轉(zhuǎn)膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)，增加極低密度脂蛋白的清除，抑制環(huán)加氧酶2和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶的合成以及核因子κB通路，抑制炎癥因子的表達(dá)[9]。但Kim等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)XR/小異源二聚體伴侶受體基因敲除小鼠表現(xiàn)出肝臟三酰甘油積累的減少，胰島素耐受性改善及脂肪酸利用加速。

2 腸道微生物的組成及功能

人類自出生后皮膚和黏膜就定居著超過100萬億個(gè)的微生物，包括細(xì)菌、真菌、病毒、寄生蟲等，其中大部分是細(xì)菌，主要包括厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、梭菌門、變形菌門等，其中厚壁菌門、擬桿菌門數(shù)量最多，占90%以上[11]。腸道微生物一方面參與腸道相關(guān)淋巴組織的發(fā)育，促進(jìn)其表達(dá)模式識(shí)別受體以識(shí)別病原體，從而增強(qiáng)固有免疫；另一方面調(diào)節(jié)T細(xì)胞分化、促進(jìn)漿細(xì)胞表達(dá)以增強(qiáng)適應(yīng)性免疫；并通過作用于上皮細(xì)胞產(chǎn)生黏液層、抗菌肽及微生物代謝物以增強(qiáng)黏膜屏障功能，調(diào)節(jié)機(jī)體的免疫防御機(jī)制[12]。研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物失衡參與消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、代謝系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)疾病的發(fā)生與發(fā)展[13-15]。

3 膽汁酸與腸道微生物的相互作用

3.1腸道微生物對(duì)膽汁酸的影響 膽汁酸的代謝需腸道微生物酶的參與，膽汁酸水解酶是其中主要的酶。膽汁酸水解酶可將結(jié)合型膽汁酸轉(zhuǎn)化為非結(jié)合型膽汁酸，而膽汁酸的去結(jié)合為一些細(xì)菌提供保護(hù)及定植作用；膽汁酸水解酶又可通過磺化、氧化、差向異構(gòu)、脫羥基等催化修飾直接改變膽汁酸結(jié)構(gòu)；腸道微生物群落的變化也會(huì)改變膽汁酸水解酶的表達(dá)水平，從而影響宿主膽汁酸池的組成，進(jìn)而影響膽汁酸的信號(hào)傳遞[1]。已有研究證實(shí)，雙歧桿菌、乳桿菌、腸球菌、梭狀芽孢桿菌等具有膽汁酸水解酶活性[16]。Swann等[17]研究發(fā)現(xiàn)，與正常大鼠相比，無菌及抗生素處理的大鼠肝、腎以及血漿中膽汁酸的多樣性降低，各組織中?；撬峤Y(jié)合膽汁酸的比例顯著升高，非結(jié)合型及甘氨酸結(jié)合膽汁酸減少。Behr等[18]的研究也得出類似結(jié)論。以上研究提示腸道微生物群的變化影響膽汁酸池的組成。腸道FXR可通過上調(diào)成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子15/19，負(fù)反饋抑制肝臟膽汁酸的合成，減弱過多膽汁酸聚集對(duì)腸上皮細(xì)胞的毒性作用[7]。由于腸道微生物群在膽汁酸代謝中的重要作用，微生物群組成變化可破壞膽汁酸的穩(wěn)態(tài)，并影響機(jī)體的生理過程。

3.2膽汁酸對(duì)腸道微生物的影響 膽汁酸對(duì)腸道微生物的定植有雙向調(diào)節(jié)作用。肝損傷后膽汁酸分泌減少導(dǎo)致小腸細(xì)菌過度生長(zhǎng)；與小腸相比，結(jié)腸中膽汁酸的水平要低幾個(gè)量級(jí)，這與回腸的重吸收有關(guān)，其有利于細(xì)菌的定植和膽汁酸的代謝。膽汁酸是調(diào)節(jié)大鼠腸道菌群組成的重要宿主因子[19]。研究發(fā)現(xiàn)，中劑量膽酸(1.25 mmol/kg)組和高劑量膽酸(5 mmol/kg)喂養(yǎng)大鼠的糞便總膽汁酸水平分別是對(duì)照組的7倍和21倍，總細(xì)菌數(shù)隨膳食膽酸水平的升高而降低，表現(xiàn)為厚壁菌門相對(duì)豐度增加，擬桿菌門相對(duì)豐度減小，其他菌門幾乎消失，提示膽汁酸參與調(diào)節(jié)腸道微生物組成[19]。FXR作為膽汁酸合成的主要調(diào)節(jié)因子，其激活可以防治細(xì)菌的過度生長(zhǎng)和異位[20]。研究發(fā)現(xiàn)，腸道細(xì)菌的膽汁酸抵抗依賴于菌株類別和膽汁酸水解酶活性，革蘭陽性菌較革蘭陰性菌對(duì)膽汁酸更為敏感，膽汁酸水解酶對(duì)腸道中細(xì)菌的定植及生長(zhǎng)有重要作用[21]。用高乳脂飲食喂養(yǎng)白細(xì)胞介素-10敲除的小鼠可促進(jìn)牛磺酸結(jié)合膽汁酸的合成，同時(shí)促進(jìn)沃氏嗜膽菌生長(zhǎng)[22]。

4 膽汁酸與腸道微生物相互作用及在疾病中的作用

4.1與IBD的相關(guān)性 IBD是一種慢性非特異性腸道炎癥性疾病，包括克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎，腸道微生物與其發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切。IBD患者的腸道微生物主要表現(xiàn)為厚壁菌門、擬桿菌門減少[23-24]。膽汁酸水解酶是腸道細(xì)菌代謝膽汁酸的關(guān)鍵酶。通過檢測(cè)潰瘍性結(jié)腸炎患者腸道中代謝膽汁酸的細(xì)菌膽汁酸水解酶基因發(fā)現(xiàn)，厚壁菌門來源的膽汁酸水解酶基因表達(dá)減少[25]，提示潰瘍性結(jié)腸炎患者腸道細(xì)菌代謝膽汁酸的能力下降。多藥耐藥基因1是一類在腸道和循環(huán)T細(xì)胞中優(yōu)先表達(dá)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其在結(jié)合膽汁酸環(huán)境中可減輕氧化應(yīng)激，增強(qiáng)T細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，藥耐藥基因1的功能在部分克羅恩病患者中喪失，而IBD腸道膽汁酸水平的變化可能是藥耐藥基因1功能喪失的原因[26]。Duboc等[27]發(fā)現(xiàn)，在無菌小鼠與正常小鼠的糞便中幾乎檢測(cè)不到次級(jí)膽汁酸，而與健康對(duì)照者相比，IBD患者初級(jí)膽汁酸相對(duì)過剩，結(jié)合型膽汁酸和次級(jí)膽汁酸相對(duì)減少，推測(cè)IBD患者腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致膽汁酸池改變。該研究也證實(shí)，IBD患者糞便膽汁酸池的改變與腸道細(xì)菌轉(zhuǎn)化膽汁酸的能力被破壞有關(guān)[27]。克羅恩病患者FXR及其靶基因小異源二聚體伴侶受體的表達(dá)明顯低于正常人[28]，其中FXR不僅是膽汁酸合成的主要調(diào)節(jié)因子，其還能在黏膜免疫反應(yīng)中減輕炎癥反應(yīng)，保護(hù)腸上皮屏障的完整性，抑制腸道細(xì)菌過度增長(zhǎng)，防止細(xì)菌易位等[29-30]。腸道微生物和膽汁酸均參與了IBD的發(fā)生發(fā)展，膽汁酸影響糞便微生物組成，而糞便微生物組成差異又影響膽汁酸代謝，進(jìn)一步研究特定膽汁酸與特定微生物種類有可能成為IBD治療的突破點(diǎn)。

4.2與結(jié)直腸癌的相關(guān)性 近年來結(jié)直腸癌的發(fā)病率逐年升高，但其病因尚不十分明確，有研究表明腸道菌群失調(diào)與結(jié)直腸癌密切相關(guān)[31]。結(jié)直腸癌患者腸道微生物豐度增加，菌群失調(diào)，主要表現(xiàn)為厚壁菌門減少，擬桿菌門及核梭桿菌增多。核梭桿菌是一類抑制腫瘤免疫，促進(jìn)結(jié)直腸腫瘤發(fā)生的細(xì)菌，其與結(jié)直腸腫瘤的位置分布相關(guān)，表現(xiàn)為從直腸到盲腸沿腸道呈線性增加[32-33]，編碼初級(jí)膽汁酸形成次級(jí)膽汁酸的酶的基因表達(dá)增強(qiáng)[34]。長(zhǎng)期暴露于高水平的次級(jí)膽汁酸可能會(huì)誘發(fā)結(jié)直腸癌。膽酸在腸道微生物作用下形成脫氧膽酸，脫氧膽酸可誘導(dǎo)腸道微生物失調(diào)，降低短鏈脂肪酸含量，加速腸腺瘤-腺癌序列的表達(dá)，導(dǎo)致腸屏障功能破壞和腸道炎癥；予以抗生素治療可減少膽酸喂養(yǎng)的腺瘤性息肉病大腸桿菌基因突變小鼠腸道腫瘤的數(shù)量及大小[35]。早期研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)XR信使RNA的表達(dá)水平與人類結(jié)直腸腫瘤惡性程度呈負(fù)相關(guān)，在腺瘤向癌的轉(zhuǎn)化過程中FXR的表達(dá)受到抑制[36]。FXR通過轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)解毒酶，產(chǎn)生抑制腫瘤的作用，解毒酶代謝并介導(dǎo)有毒膽汁酸的排泄，降低腸道膽汁酸水平[37]。腸道微生物通過影響膽汁酸代謝在不同層次上影響結(jié)直腸癌的發(fā)病。

4.3與NAFLD的相關(guān)性 NAFLD是一類除乙醇外和其他明確的肝損害因素所致的綜合征。研究發(fā)現(xiàn)，腸道細(xì)菌通過腸-肝軸影響多種慢性肝病的發(fā)生[38]。腸道菌群失調(diào)、腸道黏膜屏障功能及通透性破壞導(dǎo)致細(xì)菌異位、毒素經(jīng)門靜脈入肝損害肝臟是NAFLD發(fā)病的重要原因[4]。腸道細(xì)菌參與膽汁酸的代謝。研究發(fā)現(xiàn)，與健康受試者相比，NAFLD患者血清總膽汁酸增加，主要是結(jié)合膽汁酸和次級(jí)膽汁酸增多[4]。血漿膽汁酸增多，肝細(xì)胞出現(xiàn)炎癥，對(duì)膽汁酸攝取減少，代謝功能減弱，導(dǎo)致消除障礙。肝臟FXR配體的激活是反饋調(diào)節(jié)膽汁酸合成的關(guān)鍵，恢復(fù)FXR信號(hào)可緩解NAFLD，膽汁酸作為FXR、TGR5的天然配體，TGR5可促進(jìn)脂肪酸β氧化過程，促進(jìn)能量消耗，在免疫應(yīng)答方面還可限制由脂多糖誘導(dǎo)的肝臟庫普弗細(xì)胞表達(dá)炎癥因子等[39]。給小鼠注射FXR和TGR5激動(dòng)劑可減輕NAFLD癥狀，其主要是通過抑制脂肪生成、改善高膽固醇血癥、誘導(dǎo)能量消耗及減少肝臟炎癥及纖維化等發(fā)揮作用[40]。腸道微生物可改變宿主膽汁酸組成，給予NAFLD小鼠口服22周的抗生素發(fā)現(xiàn)，腸道細(xì)菌被抑制，血漿次級(jí)膽汁酸水平降低，肝臟炎癥和纖維化減輕[41]，提示抗生素誘導(dǎo)的腸道細(xì)菌改化影響了膽汁酸的代謝及肝臟功能。

4.4與肥胖的相關(guān)性 世界范圍內(nèi)肥胖的發(fā)生率逐年升高。腸道微生物可調(diào)節(jié)能量代謝，厚壁菌門/擬桿菌門比例的升高一定程度上增加了低度炎癥的程度，提高了從食物獲取能量的能力，參與了肥胖的發(fā)生[42]。研究發(fā)現(xiàn)，肥胖小鼠的總膽汁酸水平較正常小鼠輕度增加，其中肝臟和血漿表現(xiàn)為脫氧膽酸、?；敲撗跄懰嵩黾?，而腸組織和糞便表現(xiàn)為脫氧膽酸增加[43]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，膽汁酸組成變化與糞便糞球菌、單胞菌、胃瘤球菌等的豐度增加有關(guān)[43]。膽汁酸可促進(jìn)膳食脂肪和脂溶性分子的吸收，可通過 FXR-胰高血糖素樣肽1提高葡萄糖穩(wěn)態(tài)，目前認(rèn)為FXR可通過調(diào)節(jié)三酰甘油和膽固醇代謝參與肥胖的形成[44]。腸道微生物影響膽汁酸組成，膽汁酸反過來也影響腸道微生物，肥胖患者胃旁路術(shù)成功者其糞便擬桿菌門、厚壁菌門、變形桿菌較非成功者相對(duì)增加，代謝初級(jí)膽汁酸至次級(jí)膽汁酸的膽汁酸水解酶的活性增強(qiáng)[45-46]，而膽汁酸水解酶是腸道微生物代謝膽汁酸的主要酶。

4.5與動(dòng)脈硬化性心血管疾病的相關(guān)性 動(dòng)脈硬化是多種心血管疾病共同的病理基礎(chǔ)，研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物與心血管疾病具有相關(guān)性[47]。有學(xué)者在動(dòng)脈硬化患者的粥樣斑塊中檢測(cè)到了細(xì)菌DNA的存在，表明細(xì)菌可能參與了動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成[48]。低豐度腸道微生物菌群與動(dòng)脈粥樣硬化患者血清C反應(yīng)蛋白、外周血白細(xì)胞計(jì)數(shù)相關(guān)，腸道微生物誘導(dǎo)的低度慢性炎癥促進(jìn)了動(dòng)脈粥樣硬化的形成[49]。腸道微生物可通過膽汁酸、FXR、TGR5等影響膽固醇的代謝，進(jìn)一步調(diào)節(jié)膳食脂肪及脂溶性分子的吸收，影響血脂水平，進(jìn)而影響動(dòng)脈粥樣硬化形成。膽汁酸主要通過膽汁酸水解酶和膽汁酸受體促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展。細(xì)菌介導(dǎo)的膽汁酸水解酶活性可通過增加膽固醇積累、促進(jìn)泡沫細(xì)胞形成和形成動(dòng)脈粥樣硬化斑塊影響動(dòng)脈硬化發(fā)病的潛在過程；腸道微生物源性次級(jí)膽汁酸通過調(diào)節(jié)FXR、TGR5等受體調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞炎癥及脂肪代謝，參與動(dòng)脈硬化的發(fā)病[50]。

4.6與AD的相關(guān)性 AD是一種神經(jīng)退行性疾病，膽固醇代謝紊亂參與其發(fā)生[5]。研究表明膽汁酸與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)[51]。膽汁酸外周代謝變化可通過肝腦軸、腸腦軸影響中樞神經(jīng)，通過與迷走神經(jīng)相互作用，影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)功能，可能與AD有關(guān)[52-53]。Nho等[54]采用靶向代謝組學(xué)分析法測(cè)定AD患者血清膽汁酸水平，評(píng)估膽汁酸與AD的皮質(zhì)β淀粉樣蛋白沉積、腦脊液中磷酸化Tau蛋白表達(dá)、神經(jīng)變性或神經(jīng)損傷生物標(biāo)志物的聯(lián)系，證實(shí)血清中結(jié)合膽汁酸、次級(jí)膽汁酸的水平與大腦結(jié)構(gòu)和功能的改變顯著相關(guān)。Harach等[55]在無菌條件下建立的轉(zhuǎn)基因AD小鼠模型與正常對(duì)照小鼠相比，無菌AD小鼠大腦病理學(xué)改變顯著減輕；將從正常AD小鼠獲得菌群移植到無菌AD小鼠后，小鼠大腦病理學(xué)改變明顯加重，表明AD的發(fā)生發(fā)展與膽汁酸及腸道微生物的代謝有關(guān)。腸道微生物與膽汁酸在AD的病理生理學(xué)過程中的作用還需進(jìn)一步的研究。

5 小 結(jié)

膽汁酸是在宿主肝臟合成，經(jīng)由腸-肝循環(huán)完成代謝。膽汁酸的多樣性是在腸道微生物酶的作用下由初級(jí)膽汁酸向次級(jí)膽汁酸和非結(jié)合膽汁酸轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生。一方面腸道微生物群的擾動(dòng)影響膽汁酸池的變化，另一方面膽汁酸池的組成差異又影響微生物組成。膽汁酸通過與腸道菌群和宿主受體的相互作用參與調(diào)節(jié)機(jī)體的代謝、免疫以及炎癥的過程。以膽汁酸及腸道微生物為靶點(diǎn)的治療，膽汁酸受體有可能作為治療的分子開關(guān)，為臨床上與之相關(guān)的疾病的治療提供有效手段。關(guān)于微生物影響下產(chǎn)生的膽汁酸的特征與機(jī)體膽汁酸受體間的相互作用，未來還需要進(jìn)行深入研究。