膽汁酸-腸道菌群軸在腸道炎性反應(yīng)和結(jié)直腸癌中的作用

劉樂恒 陸倫根 周 慧

膽汁酸是肝細胞以膽固醇為原料合成的甾體化合物，可參與脂質(zhì)、脂溶性維生素等的消化、吸收過程。在結(jié)腸中，初級膽汁酸[鵝脫氧膽酸(CDCA)和膽酸(CA)]在部分腸道細菌產(chǎn)生的7α-脫羥酶的作用下可轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸[石膽酸(LCA)和脫氧膽酸(DCA)]。因此，次級膽汁酸是腸道菌群的代謝產(chǎn)物。

腸道菌群指定植于人體腸道內(nèi)的細菌，腸道內(nèi)細菌數(shù)量在1×1014以上，大部分細菌屬于擬桿菌門、厚壁菌門及放線菌門。腸道菌群可參與必需維生素的合成及復(fù)雜食物成分的消化過程，其代謝產(chǎn)物如次級膽汁酸、脂多糖、短鏈脂肪酸(SCFA)等可作為信號分子與特定的受體結(jié)合，參與調(diào)控細胞行為，在能量代謝、機體免疫等方面發(fā)揮重要作用，因此有學者將腸道菌群視為人體的“另一大器官”。腸道菌群也參與了人體膽汁酸的調(diào)控，可影響膽汁酸的合成、生物轉(zhuǎn)化等過程。健康的腸道菌群是維持機體正常生理狀態(tài)必不可少的因素。與高脂飲食相關(guān)的、不平衡的腸道菌群在多種疾病如肥胖、2型糖尿病、非酒精性脂肪性肝病、結(jié)直腸癌(CRC)等的發(fā)生中起到關(guān)鍵作用。

CRC是常見的消化系統(tǒng)惡性腫瘤，其危險因素包括高脂飲食、肥胖、糖尿病、久坐及高水平的次級膽汁酸等[1]。高脂飲食會促進膽汁酸分泌，升高結(jié)腸中次級膽汁酸(LCA和DCA)的水平，由于DCA具有較強的疏水性和細胞毒性，在改變腸道通透性和致突變方面?zhèn)涫荜P(guān)注，被認為是腸道炎性反應(yīng)和腫瘤的危險因素[2]。腸道菌群失調(diào)被證實在炎癥性腸病[包括潰瘍性結(jié)腸炎(UC)和克羅恩病(CD)]的發(fā)展中起促進作用，不僅可由于致病菌的增多誘發(fā)炎性反應(yīng)，還可因其代謝產(chǎn)物(次級膽汁酸、SCFA及色氨酸等)的改變而破壞正常的腸道微生態(tài)[3]。大多數(shù)CRC患者存在腸道菌群失調(diào)，這提示腸道菌群失調(diào)可能是CRC的重要促進因素[4]。膽汁酸代謝紊亂與腸道菌群失調(diào)相互影響，密不可分，共同參與了腸道炎性反應(yīng)和腫瘤的發(fā)生。

1 膽汁酸與腸道菌群相互作用

1.1 腸道菌群影響膽汁酸代謝

肝細胞中的細胞色素P450(CYP450)介導了膽汁酸的合成，合成途徑包括“經(jīng)典”途經(jīng)和“替代”途徑。在肝臟中合成的初級膽汁酸如CDCA和CA可分別與甘氨酸和?；撬峤Y(jié)合形成結(jié)合膽汁酸，并經(jīng)膽鹽輸出泵排入膽囊儲存，在機體進食后被分泌至腸腔，參與脂類的消化與吸收。約95%的膽汁酸在腸道中被重吸收，剩余約5%的膽汁酸由糞便排出。膽汁酸的重吸收主要發(fā)生在回腸末端，由頂端鈉依賴性膽鹽轉(zhuǎn)運體(ASBT)介導，少部分膽汁酸在小腸和結(jié)腸上部通過被動擴散進行重吸收。重吸收的膽汁酸在腸黏膜細胞內(nèi)與回腸膽汁酸結(jié)合蛋白(IBABP)結(jié)合，并通過OSTα-OSTβ轉(zhuǎn)運系統(tǒng)轉(zhuǎn)運至基底膜外側(cè)入血，經(jīng)過門靜脈進入肝臟完成腸-肝循環(huán)[5]。體內(nèi)膽汁酸合成受到膽汁酸池水平的影響，主要受膽汁酸核受體——法尼醇X受體(FXR)的調(diào)控[6]。膽汁酸水平升高激活腸黏膜細胞的FXR，促進成纖維細胞生長因子15(FGF15)的合成，F(xiàn)GF15通過門靜脈進入肝臟，激活成纖維細胞生長因子受體4(FGFR4)，隨后通過c-Jun氨基末端激酶1/2(JNK1/2)和細胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2(ERK1/2)信號通路抑制CYP7A1基因的轉(zhuǎn)錄[7]。這種膽汁酸的負反饋調(diào)節(jié)機制使肝臟能夠根據(jù)體內(nèi)膽汁酸的水平調(diào)節(jié)膽汁酸的合成，使膽汁酸池處于動態(tài)平衡之中。

腸道菌群是調(diào)節(jié)膽汁酸代謝的因素之一，主要機制包括：(1)結(jié)合膽汁酸的解偶聯(lián)作用。結(jié)合膽汁酸可在膽鹽水解酶(BSH)的作用下水解為游離膽汁酸。擬桿菌屬、真桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬、乳桿菌屬、雙歧桿菌屬及李斯特菌屬等部分腸道細菌攜帶編碼BSH的基因。游離膽汁酸是膽汁酸受體的主要配體，在腸道中游離膽汁酸可通過激活核受體FXR、孕烷X受體(PXR)、維生素D受體(VDR)及G蛋白偶聯(lián)受體5(TGR5)發(fā)揮不同的生理功能。(2)初級膽汁酸脫氫、脫硫、脫羥基作用。游離的初級膽汁酸在結(jié)腸內(nèi)可在梭狀芽孢桿菌屬XIVa簇、擬桿菌屬、真桿菌屬、乳桿菌屬及埃希氏菌屬的部分厭氧菌產(chǎn)生的7α-羥化酶的作用下轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸(其中CA轉(zhuǎn)化為DCA，CDCA轉(zhuǎn)化為LCA)。(3)通過調(diào)控FXR調(diào)節(jié)膽汁酸的合成。Sayin等[8]研究發(fā)現(xiàn)，與無菌小鼠比較，攜帶腸道菌群的正常小鼠的膽囊和小腸中膽汁酸水平較低，而盲腸、結(jié)腸、糞便和血清中膽汁酸水平較高，推測由于腸道菌群上調(diào)了回腸末端的FXR及其分子靶點FGF15的活性，進而使肝細胞微粒體中CYP7A1基因的轉(zhuǎn)錄活性受到抑制，從而抑制膽汁酸的合成。

1.2 膽汁酸影響腸道菌群的組成

膽汁酸可通過直接或間接途徑調(diào)控腸道菌群。膽汁酸強大的抗菌活性來源于其疏水性對細胞膜的損傷作用：通過干擾細胞膜的穩(wěn)定性而增高其通透性，使細胞內(nèi)離子和細胞組分泄漏，從而導致細菌死亡[9]。腸道菌群的7α-脫羥基作用可將CA轉(zhuǎn)化為DCA，進一步增強了膽汁酸的疏水性，因此膽汁酸在結(jié)腸中的殺菌活性要強于小腸。Inagaki等[10]研究發(fā)現(xiàn)，膽管結(jié)扎可導致小鼠盲腸中細菌過度生長，這種現(xiàn)象可被FXR激動劑逆轉(zhuǎn)，且遺傳性FXR缺陷小鼠也出現(xiàn)腸道細菌過度生長及腸黏膜屏障功能受損，這提示膽汁酸除了具有直接抗菌作用外，還可通過激活FXR發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用。Tremblay等[11]給予小鼠添加了0.1% CDCA的飲食后，觀察到在小鼠的幾種主要共生菌未發(fā)生改變的條件下，口服鼠傷寒沙門菌后，致病菌的擴散受到抑制，推測這種作用是由于上調(diào)多種抗菌肽的表達所致，其中包括上調(diào)潘氏細胞的α-防御素，以及回腸上皮細胞、潘氏細胞、杯狀細胞的C型凝集素Reg3b和Reg3g。

膽汁酸對腸道菌群的殺菌作用具有選擇性，不同細菌對膽汁酸的耐受性存在較大的差異。Islam等[9]給予小鼠添加了CA的飲食后，發(fā)現(xiàn)CA飲食組盲腸內(nèi)細菌種類減少，高水平CA飲食組總細菌計數(shù)降低至對照組的51%；對盲腸內(nèi)容物進行16S rRNA測序，結(jié)果表明厚壁菌門(尤其是梭狀芽孢桿菌XIVa簇)細菌豐度明顯升高，而擬桿菌門與放線菌門細菌豐度明顯降低。沃氏嗜膽菌被認為是親膽汁酸類的細菌，短期的肉食性飲食可迅速增高沃氏嗜膽菌的水平，而短期植物性飲食會降低沃氏嗜膽菌的水平，這表明膽汁酸與腸道菌群之間存在動態(tài)的相互作用關(guān)系，飲食等環(huán)境因素會對菌群的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有利或不利的影響[12]。當腸道內(nèi)膽汁酸水平較低時，同樣也會誘發(fā)腸道菌群紊亂。因此，只有腸道內(nèi)膽汁酸水平在生理濃度范圍內(nèi)，才能維持膽汁酸-腸道菌群軸的平衡。

2 膽汁酸-腸道菌群軸在腸道炎性反應(yīng)和CRC中的作用

2.1 膽汁酸-腸道菌群軸失調(diào)誘發(fā)腸道炎性反應(yīng)

不同水平的DCA對腸道免疫系統(tǒng)具有不同的影響。生理濃度范圍內(nèi)的DCA具有抗菌作用，參與維持正常的腸道菌群微生態(tài)；長期高脂飲食可導致結(jié)腸內(nèi)DCA水平升高，高水平的DCA可破壞腸道上皮細胞及細胞間緊密連接，誘發(fā)炎性反應(yīng)。結(jié)腸內(nèi)DCA是調(diào)控致炎反應(yīng)與抗炎反應(yīng)平衡的關(guān)鍵因素，生理濃度范圍內(nèi)的DCA是維持結(jié)腸內(nèi)穩(wěn)態(tài)的必要條件，DCA水平過高或過低都會打破穩(wěn)態(tài)，誘發(fā)炎性反應(yīng)。Ogilvie等[13]對包括健康人、UC患者和CD患者的基因組序列數(shù)據(jù)庫進行分析，發(fā)現(xiàn)CD患者腸道中厚壁菌門BSH基因特異度降低，BSH水平降低可減弱結(jié)合型初級膽汁酸的解偶聯(lián)作用，這與CD患者糞便中結(jié)合型初級膽汁酸水平升高相一致。Sinha等[14]對UC患者結(jié)腸內(nèi)微生物進行分析，發(fā)現(xiàn)厚壁菌門尤其是參與7α-脫羥基作用的瘤胃球菌屬的細菌豐度降低，導致UC患者結(jié)腸中幾乎檢測不到DCA，減弱了DCA的直接抗菌作用，引起紫單胞菌屬及腸桿菌屬等致病菌的豐度升高，促進了炎性反應(yīng)。外源性補充DCA可通過DCA的直接抗菌作用，以及激活巨噬細胞TGR5受體，從而抑制結(jié)腸炎性反應(yīng)。TGR5受體的激活抑制了由脂多糖誘導的NF-κB的活化，降低了下游趨化因子如CCL5、CXCL10及炎性細胞因子TNF-α、IL-17等的表達水平。Choi等[15]發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用FXR激動劑可減少固有層單核細胞炎性因子IL-17A、TNF-α、干擾素-γ(IFN-γ)的釋放，使CD患者腸道炎性組織FXR下調(diào)，其機制與膽汁酸水平降低有關(guān)。膽汁酸合成減少抑制了固有層RORy+調(diào)節(jié)性T細胞的激活，導致IL-22分泌減少，從而減弱了腸上皮細胞的修復(fù)功能，使抗菌肽β-防御素等分泌不足，促進了炎性反應(yīng)。

高脂飲食后結(jié)腸內(nèi)DCA水平可達1 mmol/L，長期暴露于高水平DCA中會誘導腸道發(fā)生慢性炎性反應(yīng)和癌變[15]。高水平DCA因其疏水性可對細胞膜產(chǎn)生膜擾動作用，激活細胞膜表面酶如蛋白激酶C、磷脂酶A2、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶及黃嘌呤氧化酶等，這些酶的激活促進了活性氧(ROS)及活性氮(RNS)的產(chǎn)生。ROS/RNS誘導了細胞內(nèi)DNA損傷、線粒體應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及有絲分裂應(yīng)激等過程，促進了細胞的死亡、凋亡與自噬，引起炎性反應(yīng)[16]。Bernstein等[17]發(fā)現(xiàn)高水平DCA誘發(fā)的結(jié)腸炎的癥狀在一氧化氮合酶基因敲除的小鼠中顯著緩解，認為RNS可介導結(jié)腸炎性反應(yīng)。DCA可破壞結(jié)腸上皮細胞之間的緊密連接，增高腸道屏障的通透性，為致病性細菌的入侵提供了便利[18]。膽汁酸誘導的腸道細菌Badophilawadsworthia豐度升高，因其可將?；撬徂D(zhuǎn)化為具有遺傳毒性的硫化氫，導致腸上皮細胞發(fā)育不全及腸道屏障功能的破壞，并在結(jié)腸炎性反應(yīng)和CRC的發(fā)生過程中起到促進作用[19]。炎性反應(yīng)可影響膽汁酸的腸-肝循環(huán)，使FXR受體表達下調(diào)，抑制了FGF19/JUN/ERK/EGFR4信號通路，腸黏膜細胞IBABP和參與膽汁酸外排的OSTα、OSTβ表達下調(diào)，而ASBT表達上調(diào)，導致膽汁酸流入腸上皮增多而外排減少，加重了腸道黏膜的炎性反應(yīng)。同時，F(xiàn)GF19/JUN/ERK/EGFR4信號通路的下調(diào)也增強了肝臟中CYP7A1基因的轉(zhuǎn)錄活性，導致膽汁酸合成增多，進一步促進炎性反應(yīng)[7]。

2.2 膽汁酸-腸道菌群軸失調(diào)促進CRC的發(fā)生

長期西式飲食的人群中散發(fā)性CRC的發(fā)病率較高，且該類患者糞便中DCA、LCA的水平較高。在CRC的發(fā)生過程中，APC基因突變引起的Wnt信號通路失調(diào)是一個關(guān)鍵步驟，而致癌基因K-ras與抑癌基因p53等的突變是腺瘤發(fā)展至腺癌的促進因素[1]。高水平DCA可誘導細胞內(nèi)產(chǎn)生ROS/RNS，引起DNA的氧化損傷，抑制DNA修復(fù)蛋白p53和BRCA1的表達，誘導結(jié)腸細胞發(fā)生突變；細胞的有絲分裂過程受ROS影響而出現(xiàn)染色體雙鏈斷裂，并產(chǎn)生非整倍體，可導致基因組不穩(wěn)定[16]。Narahara等[20]證實DCA可能是誘導K-ras基因突變的重要因素，高脂飲食引起的DCA水平升高在已出現(xiàn)APC基因突變的個體中促進了腺癌的進展。DCA誘導線粒體產(chǎn)生過量的ROS，可激活NF-κB，促進結(jié)腸內(nèi)炎性反應(yīng)。在結(jié)腸上皮細胞中，高水平DCA反式激活細胞表面的EGFR，通過EGFR/ERK1/2信號通路誘導細胞增殖。部分細胞長時間暴露于致死劑量的DCA下可獲得凋亡抗性，這類細胞亞群具有生存優(yōu)勢，使突變不斷累積，與CRC的進展密切相關(guān)[18]。

CRC細胞系多表現(xiàn)出FXR表達下調(diào)甚至缺失。Lgr5+隱窩干細胞被認為是CRC的起源細胞。動物實驗證實，DCA以劑量依賴性方式誘導Lgr5+隱窩干細胞異常增殖，促進APC基因突變小鼠CRC的進展，而應(yīng)用FXR激動劑可維持干細胞的正常增殖及染色體的穩(wěn)定性[1]，上調(diào)促凋亡基因的表達[21]，抑制CRC的進展。Lgr5+隱窩干細胞的異常增殖改變了結(jié)腸上皮膽汁酸核受體的表達譜，下調(diào)了FXR表達，從而使膽汁酸的轉(zhuǎn)運、解毒系統(tǒng)受到抑制，當暴露于高水平的DCA時，可發(fā)生DNA突變及腸道屏障功能破壞[1]。

菌群失調(diào)除了誘導結(jié)腸中DCA水平升高導致細胞毒性增強外，還可促進CRC的進展。高脂飲食不僅可導致結(jié)腸中DCA水平升高，也會導致結(jié)腸中SCFA水平下降。SCFA包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，由結(jié)腸內(nèi)細菌發(fā)酵產(chǎn)生，可被結(jié)腸上皮細胞吸收并為其提供能量。丁酸鹽可激活細胞內(nèi)Wnt信號通路，在發(fā)生突變的CRC細胞系中發(fā)揮抗增殖與促凋亡的作用；在未發(fā)生突變的細胞中，促進細胞增殖，并為其提供營養(yǎng)[2]。Song等[22]發(fā)現(xiàn)CRC患者結(jié)腸中產(chǎn)生丁酸鹽的厚壁菌門細菌(如Roseburia、Eubacteriumrectale等)豐度降低，導致丁酸鹽水平降低，減弱了丁酸鹽對結(jié)腸上皮細胞的保護作用，增強了CRC的易感性。DCA可誘導CRC細胞的中等水平的Wnt信號，促進CRC細胞增殖。高脂飲食可導致腸道條件致病菌增多，伴隨DCA對腸黏膜屏障的損傷作用，部分致病菌得以直接與腸上皮細胞接觸，其中部分致病菌如大腸埃希菌、梭狀芽孢桿菌及腸球菌等被認為是CRC的致病菌[23]。部分大腸埃希菌和脆弱擬桿菌產(chǎn)生的基因毒素colibactin可誘導DNA斷裂，并在受感染的細胞中發(fā)生DNA鏈間交聯(lián)，促進了結(jié)腸腫瘤的形成[24]。特定的具核梭桿菌可激活Wnt/β-catenin信號通路，是CRC發(fā)展過程中的重要因素[25]?？梢姡懼?腸道菌群軸失調(diào)與CRC的發(fā)生存在重要關(guān)聯(lián)，可能涉及到多種誘發(fā)機制。

3 總結(jié)

正常存在的膽汁酸-腸道菌群軸是維持機體腸道穩(wěn)態(tài)的必要因素，隨著內(nèi)環(huán)境的變化，兩者之間互相調(diào)節(jié)、互相適應(yīng)。膽汁酸-腸道菌群軸紊亂是多種疾病進展的重要促進因素。長期暴露于紊亂的膽汁酸-腸道菌群軸下，結(jié)腸上皮細胞往往會發(fā)生炎性反應(yīng)，造成細胞內(nèi)損傷，導致腸道屏障功能被破壞，腸道通透性增高，不僅會在局部誘發(fā)結(jié)腸炎、CRC等，而且在全身多個系統(tǒng)中也會產(chǎn)生不利的影響。因此，養(yǎng)成良好的飲食習慣，維持膽汁酸-腸道菌群軸的穩(wěn)定是預(yù)防CRC的重要途徑。針對失調(diào)的膽汁酸-腸道菌群軸進行調(diào)節(jié)可能是治療相關(guān)疾病的有效途徑。