膽汁酸與腸道菌群的相互作用及其在炎癥性腸病中的研究進(jìn)展

孫 瑞綜述，陳 洪審校

0 引 言

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)是一種慢性、復(fù)發(fā)性的炎癥性疾病，包括克羅恩病(Crohn′s disease, CD)和潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis, UC)[1]。免疫系統(tǒng)失調(diào)、腸道微生物失衡以及黏膜屏障破壞在內(nèi)的多方面因素均與IBD的發(fā)病機(jī)制有關(guān)[2-3]。已有研究表明，腸道黏膜屏障破壞和菌群失調(diào)會(huì)導(dǎo)致膽汁酸成分發(fā)生特定的改變，而膽汁酸對(duì)腸道菌群的構(gòu)成具有重要的調(diào)節(jié)作用。本文將主要討論膽汁酸與腸道菌群在IBD中的相互作用，總結(jié)通過調(diào)節(jié)膽汁酸-菌群軸來治療IBD的潛在方法。

1 膽汁酸的合成與腸肝循環(huán)

在肝臟中，膽汁酸的合成受到膽固醇7α-羥化酶(CYP7A1)調(diào)控，生成兩種初級(jí)膽汁酸，即膽酸(cholic acid, CA)和鵝脫氧膽酸(chenodeoxycholic acid, CDCA)。初級(jí)膽汁酸可分別與甘氨酸或?；撬嶙饔茫山Y(jié)合膽汁酸，增加其溶解性[4]。進(jìn)餐后，在膽囊的收縮作用下，膽汁酸被分泌到十二指腸中，約95%在回腸中被重吸收，形成腸肝循環(huán)[5]。剩下的初級(jí)膽汁酸則在腸道菌群的作用下，生成次級(jí)膽汁酸，包括脫氧膽酸(deoxycholic acid, DCA)、熊脫氧膽酸(ursodeoxycholic acid, UDCA)和石膽酸(lithocholic acid, LCA)[6]。

2 腸道菌群與IBD

腸道微生物菌群是由共生細(xì)菌、真菌和病毒構(gòu)成的群體，其中細(xì)菌包括擬桿菌門、厚壁菌門、放線菌門、變形菌門和疣微菌門等5個(gè)門類[7-8]。與健康人群相比，IBD患者中特定細(xì)菌亞群的豐度發(fā)生了變化，具體表現(xiàn)為CD患者厚壁菌門中的克里斯滕森菌科、普拉梭菌以及放線菌門中的紅蝽?xiàng)U菌科顯著減少；UC患者疣微菌門中的艾克曼菌顯著減少；而變形菌門中大腸埃希菌在IBD患者中普遍增多[9]。即使在同一個(gè)體中，炎性與非炎性腸道黏膜的細(xì)菌多樣性也存在差異，并且在CD患者的炎性組織中檢測(cè)到了較低的細(xì)菌豐度[10]。

微生物的代謝產(chǎn)物在腸道穩(wěn)態(tài)的免疫調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用，包括短鏈脂肪酸、色氨酸和膽汁酸等。Goncalves等[11]發(fā)現(xiàn)IBD患者中擬桿菌門和厚壁菌門減少，致使短鏈脂肪酸，尤其是丁酸酯的濃度降低，直接影響了Treg細(xì)胞及杯狀細(xì)胞的發(fā)育，從而使黏膜屏障功能受損。吲哚衍生物，作為色氨酸的細(xì)菌代謝產(chǎn)物，可通過激活芳基烴受體來調(diào)節(jié)黏膜免疫反應(yīng)，發(fā)揮有效的抗炎作用[12]。此外，腸道菌群還直接參與膽汁酸的代謝過程[13]。這些代謝產(chǎn)物作為腸道菌群和宿主之間的關(guān)鍵機(jī)制，可能為疾病提供潛在的治療靶標(biāo)。

3 膽汁酸與腸道菌群的相互作用

3.1 膽汁酸調(diào)節(jié)腸道菌群的組成膽汁酸是宿主與腸道菌群協(xié)同代謝的產(chǎn)物，起著直接塑造腸道菌群結(jié)構(gòu)的作用。膽汁酸具有親脂性，能夠與腸道細(xì)菌的脂質(zhì)膜結(jié)合，從而賦予其有效的抗菌特性[14]。除膜損傷外，膽汁酸還通過破壞DNA，干擾RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊，破壞大分子的穩(wěn)定性，從而對(duì)腸道微生物產(chǎn)生多重影響[15]。

腸道菌群的組成和密度受到膽汁酸濃度的影響。研究表明，膽汁酸是腸道微生物群的調(diào)節(jié)因子。Islam等[16]給大鼠喂養(yǎng)含膽酸的飲食后，擬桿菌門的相對(duì)豐度從54%增加到95%，主要包括梭狀芽胞桿菌和產(chǎn)芽胞菌等幾種細(xì)菌的生長(zhǎng)。膽汁酸池的增加能觀察到擬桿菌門等革蘭陽性菌的生長(zhǎng)。相反，膽汁酸池的減少導(dǎo)致革蘭陰性菌增多，部分革蘭陰性菌能夠產(chǎn)生脂多糖，并且具有潛在的致病性[17]。由此可見，膽汁酸可通過多種機(jī)制改變腸道菌群的組成。

3.2腸道菌群影響膽汁酸的代謝當(dāng)一小部分未吸收的膽汁酸進(jìn)入腸道后，腸道微生物將宿主來源的初級(jí)膽汁酸通過生物轉(zhuǎn)化為次級(jí)膽汁酸，包括去結(jié)合、去氫和去羥基化等三種化學(xué)變化[18]。結(jié)合膽汁酸通過膽鹽水解酶(bile salt hydrolase, BSH)從底物上除去酰胺鍵，引起甘氨酸和?；撬峄鶊F(tuán)與結(jié)合膽汁酸的解偶聯(lián)[19]。功能性BSH分布于腸道的絕大多數(shù)細(xì)菌種類中，包括腸球菌、乳桿菌和擬桿菌等[20]。腸道微生物中存在的羥基類固醇脫氫酶可使膽汁酸上的特定羥基發(fā)生氧化和差向異構(gòu)化，生成多種代謝產(chǎn)物，進(jìn)而參與信號(hào)傳導(dǎo)的過程[21]。此外，梭菌屬還通過7-去羥基化作用將初級(jí)膽汁酸代謝為次級(jí)膽汁酸[22]。腸道微生物區(qū)系的改變對(duì)信號(hào)傳導(dǎo)和酶活性具有重大影響，將直接影響宿主膽汁酸的代謝。

腸道菌群通過法尼醇X受體(farnesoid X receptor，F(xiàn)XR)來影響膽汁酸循環(huán)，進(jìn)而調(diào)節(jié)體內(nèi)代謝的平衡[23]。FXR可通過成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子15/19 (fibroblast growth factor, FGF15/19)減少局部腸道炎癥和免疫反應(yīng)[24]。Gadaleta等[25]發(fā)現(xiàn)在結(jié)腸炎動(dòng)物模型中，F(xiàn)XR-FGF19的調(diào)節(jié)受損，使CYP7A1持續(xù)激活，導(dǎo)致膽汁酸合成的增加和結(jié)腸炎的加重。Parseus等[26]觀察到FXR缺陷型小鼠的厚壁菌門比例降低，擬桿菌門比例升高，影響了膽汁酸解偶聯(lián)的代謝過程。FXR信號(hào)傳導(dǎo)影響宿主多種代謝過程，并且通過靶向膽汁酸和腸道菌群之間的相互作用，影響腸道的免疫和屏障功能

4 膽汁酸-腸道菌群軸在IBD中的影響

IBD患者的微生物群活性受損，會(huì)導(dǎo)致血清和糞便膽汁酸池的組成發(fā)生改變[27]。腸道菌群測(cè)序技術(shù)和膽汁酸質(zhì)譜測(cè)定已經(jīng)廣泛應(yīng)用，進(jìn)行了有針對(duì)性的代謝組學(xué)研究[28]。Duboc等[29]檢測(cè)到IBD患者中普拉梭菌與大腸埃希菌這兩種細(xì)菌的比值降低，會(huì)導(dǎo)致腸道菌群的去結(jié)合作用減弱，最終糞便中結(jié)合膽汁酸顯著增多。Murakami等[30]證明梭菌屬菌亞群XIVa具有產(chǎn)生次級(jí)膽汁酸所必需的7α-去羥基化能力，因此IBD患者中該細(xì)菌減少會(huì)導(dǎo)致血清及糞便中次級(jí)膽汁酸比例DCA/(DCA+CA)降低。Sinha等[31]亦發(fā)現(xiàn)瘤胃菌科的家族成員之一，柔嫩梭菌的減少與糞便中次級(jí)膽汁酸DCA和LCA缺乏呈正相關(guān)。以上研究表明膽汁酸的去結(jié)合和去羥基化作用與IBD患者腸道菌群的活性密切相關(guān)。

次級(jí)膽汁酸作為一種抗炎因子，可能是黏膜愈合過程的間接生物標(biāo)志物。IBD患者的腸道黏膜免疫細(xì)胞可增加TNF-α、IL-12和IL-23等促炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生[32]。次級(jí)膽汁酸作為G蛋白偶聯(lián)受體(takeda G protein-coupled receptor 5, TGR5)的天然配體，其親和力順序依次為L(zhǎng)CA>DCA>CDCA[33]。Yoneno等[34]研究表明LCA和DCA可通過TGR5受體抑制人外周血來源的巨噬細(xì)胞的體外促炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生。Sinha等[31]發(fā)現(xiàn)在葡聚糖硫酸鈉(dextran sodium sulfate, DSS)誘導(dǎo)的結(jié)腸炎模型中，外源性次級(jí)膽汁酸可改善野生型小鼠的組織學(xué)炎癥水平，而TGR5缺陷型小鼠未能顯示出炎癥水平減輕，表明次級(jí)膽汁酸的保護(hù)作用依賴于TGR5膽汁酸受體。Ward等[35]發(fā)現(xiàn)與UDCA相比，LCA治療能更有效地抑制上皮細(xì)胞因子的釋放，并緩解DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎癥。此外，還有研究表明，抗TNF-α治療的CD患者次級(jí)膽汁酸水平較前升高，可恢復(fù)膽汁酸的生理水平，維持膽汁酸的正常代謝需求[36]。綜上，次級(jí)膽汁酸的抗炎作用在IBD的黏膜愈合中發(fā)揮著重要作用。

膽汁酸和IBD之間的另一個(gè)潛在關(guān)注領(lǐng)域是FXR介導(dǎo)炎癥。除了其在宿主中調(diào)節(jié)膽汁酸合成的作用外，F(xiàn)XR還被認(rèn)為是與腸道固有免疫力和黏膜通透性的調(diào)節(jié)有關(guān)。CD患者血液中膽汁酸組成的變化，會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)和體外FXR靶基因的活化降低[37]。奧貝膽酸，也被稱為INT-747，一種選擇性FXR激動(dòng)劑，能抑制TNF-α等多種細(xì)胞因子的表達(dá)，顯著降低小鼠結(jié)腸炎的嚴(yán)重程度，同時(shí)減少結(jié)腸內(nèi)皮潰瘍的發(fā)生，從而保障了腸道上皮屏障的完整性[38]。Zhao等[39]研究發(fā)現(xiàn)高脂飲食可加重DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎的嚴(yán)重程度，顯示出膽汁酸分泌的增加，而添加FXR激動(dòng)劑FexD則能改善高脂飲食誘導(dǎo)的表型。由此可見，F(xiàn)XR激動(dòng)劑可能是潛在的IBD新型治療方法。

5 結(jié) 語

由此可見，IBD患者中腸道菌群的特征性改變，會(huì)影響膽汁酸池的組成。次級(jí)膽汁酸作為抗炎因子，可能是黏膜愈合過程中的非侵入性生物標(biāo)志物。新型的代謝組學(xué)的興起，揭示了膽汁酸轉(zhuǎn)化的細(xì)菌種類和調(diào)節(jié)IBD疾病發(fā)展的信號(hào)傳導(dǎo)途徑的機(jī)理。腸道菌群和膽汁酸的相互作用代表了用于IBD的新型療法，具有廣闊的前景。部分動(dòng)物研究已經(jīng)顯示腸道微生物-膽汁酸軸的重要價(jià)值，然而臨床中類似作用卻沒有明確的證據(jù)，尚需進(jìn)一步的臨床研究進(jìn)行驗(yàn)證。