腸道菌群和膽汁酸的相互作用與多囊卵巢綜合征

高惠民，張婷婷，劉瑞霞，李天鶴，陰赪宏

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京婦產(chǎn)醫(yī)院，北京 100026)

多囊卵巢綜合征(PCOS)是臨床中常見的婦科內(nèi)分泌紊亂疾病，與生殖和代謝密切相關(guān)，影響著5%～10%的育齡期女性，是青春期、育齡期女性月經(jīng)紊亂及不孕的原因之一[1]。PCOS除了具有臨床復(fù)雜性之外，還是一種高度異質(zhì)性的疾病，常表現(xiàn)為雄激素過高、月經(jīng)失調(diào)、多毛、肥胖和不育等。這些癥狀及表現(xiàn)均易使PCOS患者產(chǎn)生焦慮、抑郁等心理障礙，長期的心理障礙和疾病的相互作用使得PCOS的治療常表現(xiàn)為長期性、易復(fù)性等特點。PCOS的發(fā)病機制尚不明確，近年來隨著測序技術(shù)和組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的證據(jù)表明腸道菌群和PCOS之間存在著密切的聯(lián)系[2-3]。膽汁酸是膽汁的主要成分，其可以影響腸道菌群的分布及組成[4]，因此探究腸道菌群和膽汁酸的相互作用對PCOS的影響成為了新的研究方向。本文主要從膽汁酸代謝、腸道菌群以及兩者間相互作用3個角度闡述其對PCOS的影響。

一、腸道菌群

腸道菌群是指定居在人體以及其它動物消化道的微生物，包括細菌、古細菌、真核生物和病毒[5]。據(jù)估計，人體內(nèi)由微生物構(gòu)成的細胞數(shù)量約為人類細胞數(shù)量的10多倍，且它們編碼的獨特基因是人類自身基因組的100多倍；這些微生物影響腸道微環(huán)境、自身免疫以及宿主代謝，因此又被稱為人類的“第二基因組”[6]。雖然腸道菌群的組成是動態(tài)改變的，但它們在人體免疫、代謝、結(jié)構(gòu)和神經(jīng)學(xué)方面仍發(fā)揮著許多特定的作用，且對人體的身心健康產(chǎn)生巨大的影響[7]。

二、膽汁酸

膽汁酸是膽汁的主要成分。在哺乳動物中，膽汁酸的合成主要包括經(jīng)典途經(jīng)和替代途徑兩種。大多數(shù)初級膽汁酸是通過經(jīng)典途徑以膽固醇為原料合成的，包括膽酸(cholic acid，CA)和鵝脫氧膽酸(chenodeoxycholic acid，CDCA)。其中膽固醇7α-羥化酶(CYP7A1)是這一途徑的主要限速酶。甾醇-27-羥化酶(CYP27A1)和氧甾醇-7α-羥化酶(CYP7B1)則在替代途徑中發(fā)揮催化作用，主要產(chǎn)生CDCA。膽汁酸的合成、代謝以及生物轉(zhuǎn)化均與腸道菌群密切相關(guān)[8]。

三、腸道菌群與膽汁酸代謝的相互影響

腸道菌群可通過影響膽汁酸的生物轉(zhuǎn)化來調(diào)節(jié)膽汁酸的結(jié)構(gòu)和類型。腸道微生物中存在3種不同的微生物羥基甾類脫氫酶(HSDH)，它們可以使得膽汁酸上特定的羥基發(fā)生氧化和差向異構(gòu)化，從而影響膽汁酸的理化性質(zhì)與生物毒性[9]。其中膽鹽水解酶(BSH)對膽汁酸進行解偶聯(lián)是影響膽汁酸代謝的關(guān)鍵步驟之一。有研究表明，包括乳酸桿菌、雙歧桿菌、腸球桿菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌等在內(nèi)的多種腸道微生物均具有BSH的活性[10]。而菌群中BSH基因豐度與潰瘍性結(jié)腸炎、2型糖尿病、帕金森病及乳腺癌等10種人類疾病存在顯著相關(guān)性[11]。進一步的研究發(fā)現(xiàn)通過給肥胖小鼠灌胃菌株A. muciniphila后可以有效提高腸-肝軸的線粒體氧化和膽汁酸代謝，有利于改善氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的腸道細胞凋亡，重塑腸道菌群[12]。對無菌動物和常規(guī)飼養(yǎng)動物的膽汁酸代謝譜進行分析后發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠腸道內(nèi)除了有低水平的牛磺熊去氧膽酸(TUDCA)外，幾乎只含有?；?β-鼠膽酸(TβMCA)和牛磺膽酸(TCA)。TβMCA可以作為抑制劑來拮抗法尼醇X受體(FXR)與成纖維細胞因子15(FGF15)的表達，從而增加膽汁酸合成關(guān)鍵酶CYP7A1的表達來參與膽汁酸合成。此外，該研究將FXR基因敲除小鼠培養(yǎng)成無菌小鼠后進一步發(fā)現(xiàn)：腸道菌群通過FXR依賴性機制調(diào)節(jié)腸道中FGF15和肝臟中CYP7A1的表達[13]。表明腸道菌群對于膽汁酸代謝有著深遠的影響。

機體內(nèi)膽汁酸水平會進一步調(diào)控腸道菌群組成。膽道阻塞會阻止膽汁流入腸道，導(dǎo)致細菌過度生長以及在小腸中的移位；而通過補充外源性膽汁酸可以逆轉(zhuǎn)這一過程[14]。此外，膽汁酸具有抗菌作用，不僅可以改變細胞膜和膜結(jié)合蛋白的流動性和滲透性，還會引起DNA損傷和氧化應(yīng)激，影響RNA和蛋白質(zhì)的形成[15]。膽汁酸的抗菌作用使得其可以重塑腸道菌群。有研究表明，通過補充外源性的膽汁酸可以增加腸道厚壁菌門的數(shù)量，降低擬桿菌門的數(shù)量[16]；這一發(fā)現(xiàn)與通過高脂飲食干預(yù)后的小鼠腸道菌群特征極為相似：Zheng等[17]發(fā)現(xiàn)，高脂飲食可通過影響膽汁酸的分泌改變腸道菌群的種類和數(shù)量，且這種改變具有時間依賴性——高脂飲食誘導(dǎo)后的膽汁酸分泌在12 h后達到最大化，而腸道菌群的變化在72 h后達到最大化。

四、腸道菌群-膽汁酸代謝與PCOS

1.腸道菌群在PCOS患者中的變化：自2012年Tremellen等[18]首次對PCOS和腸道菌群的研究進行綜述后，越來越多的研究開始探討PCOS與腸道菌群的關(guān)系。目前達成一致的觀點是，PCOS患者與健康人群的腸道菌群組成存在差異，主要表現(xiàn)為菌群的alpha多樣性和beta多樣性發(fā)生改變；此外，PCOS患者腸道中的某些細菌(例如厚壁菌屬和擬桿菌屬)的組成與平衡也發(fā)生了變化[19-21]。動物實驗方面，Kelley等[22]通過來曲唑誘導(dǎo)建立PCOS小鼠模型后發(fā)現(xiàn)，PCOS小鼠的腸道菌群發(fā)生改變，主要體現(xiàn)在腸道菌群的種類和數(shù)量顯著減少以及擬桿菌門和厚壁菌門的豐度發(fā)生了顯著變化。

2.PCOS和膽汁酸：膽汁酸可參與包括糖脂代謝在內(nèi)的多種代謝途徑，與PCOS的發(fā)病密切相關(guān)。Jia等[23]通過分析PCOS患者的代謝譜后發(fā)現(xiàn)PCOS患者體內(nèi)的多種代謝途徑包括脂代謝、肉堿代謝、雄激素代謝以及膽汁酸代謝均存在紊亂，且發(fā)現(xiàn)PCOS患者的甘氨膽酸減少。Zhang等[24]通過評估PCOS患者的循環(huán)膽汁酸譜與高雄激素血癥的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)總膽汁酸水平在PCOS患者中顯著增加，尤其是與甘氨酸和牛磺酸結(jié)合的初級膽汁酸，且結(jié)合型初級膽汁酸與總睪酮和雄烯二酮的血清濃度呈正相關(guān)。但仍需更大樣本量的隊列研究對相關(guān)機制進行深入挖掘和探討。動物實驗方面，Gozukara等[25]發(fā)現(xiàn)熊去氧膽酸(UDCA)可以減少PCOS大鼠卵巢中囊狀和閉鎖卵泡的數(shù)量，增加竇狀卵泡的數(shù)量并降低睪酮的水平。這表明UDCA在PCOS的治療中存在巨大的潛力。盡管UDCA對PCOS有一些有益的影響，但也有其局限性：單一的動物模型未必能完全復(fù)制出復(fù)雜的人類疾病，無論是在劑量還是治療持續(xù)時間方面將大鼠模型的結(jié)果應(yīng)用于人類都具有一定的挑戰(zhàn)性。因此仍需要研究者們采用不同的建模方法和技術(shù)來探討膽汁酸在PCOS中的具體作用及其分子機制，為PCOS的預(yù)防和診療提供新的思路。

3. 腸道菌群與膽汁酸共同作用于PCOS：近年來一些研究表明，腸道菌群和膽汁酸相互影響并共同參與了PCOS的發(fā)病進展。有文獻報道，與健康對照組相比，PCOS患者糞便中的普通雙歧桿菌顯著增加[26]。Qi等[27]在動物試驗中發(fā)現(xiàn)，健康小鼠移植了PCOS婦女的糞便微生物群或被喂食了普通雙歧桿菌后，其所表現(xiàn)的胰島素抵抗(IR)、動情周期紊亂和激素水平異常均是PCOS的典型特征；在臨床實驗研究中，他們進一步發(fā)現(xiàn)PCOS患者的擬桿菌中BSH的豐度顯著增加，這導(dǎo)致PCOS患者的甘氨膽酸脫氧膽酸(GDCA)和TUDCA的水平顯著降低；而給予PCOS小鼠外源性的GDCA和TUDCA后，可通過上調(diào)白介素-22(IL-22)的表達來改善PCOS的表型[27]。在其他動物實驗中，Li等[28]發(fā)現(xiàn)抗氧化劑Tempol，除了可以改善PCOS大鼠的腸道和全身氧化應(yīng)激水平之外，還可以改善PCOS相關(guān)的表型并且減輕PCOS大鼠的腸道菌群失調(diào)，調(diào)節(jié)PCOS大鼠的膽汁酸水平，具體表現(xiàn)為TCA與乳球菌的水平呈負(fù)相關(guān)。表明腸道菌群和膽汁酸存在內(nèi)在聯(lián)系，且參與調(diào)控PCOS性激素水平。

4. 腸道菌群-膽汁酸對肥胖的影響：肥胖是世界范圍內(nèi)非常普遍的健康問題，盡管肥胖未納入PCOS的診斷標(biāo)準(zhǔn)，但約38%～88%的PCOS患者都表現(xiàn)為肥胖或者超重[29]。近年來，腸道菌群和肥胖之間的聯(lián)系一直備受關(guān)注。有研究表明，高脂飲食可以通過改變腸道菌群的種類和分布從而導(dǎo)致肥胖；且厚壁菌門與擬桿菌門的比例越高，腸道菌群從飲食中提取能量的效率就越高，這可能是肥胖發(fā)生的重要原因之一[30]。腸道菌群可以通過調(diào)節(jié)膽汁酸的代謝與轉(zhuǎn)化來維持其穩(wěn)態(tài)。因此腸道菌群-膽汁酸軸與肥胖的關(guān)系成為許多研究者關(guān)注的方向。Zhou等[31]分析并對比PCOS肥胖患者和非PCOS肥胖婦女的腸道菌群和糞便代謝物的特征變化后發(fā)現(xiàn)，在PCOS肥胖患者中存在4種特征性腸道菌群，包括腔隙桿菌(Lachnoclostridium)、梭桿菌屬(Fusobacterium)、糞球菌屬(Coprococcus_2)和Tyzzerela；此外，TCA可作為一種特征代謝物參與PCOS肥胖的發(fā)展進程。膽汁酸可以通過激活FXR受體和G蛋白耦聯(lián)膽汁酸受體(TGR5)調(diào)節(jié)胰高血糖素樣肽1(GLP-1)的釋放，這一過程與肥胖的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[32]。通過補充外源性的產(chǎn)酸擬桿菌后，小鼠的體重與脂肪含量均相應(yīng)下降，但血清中的胰島素、GLP-1以及膽汁酸水平均明顯升高，提示產(chǎn)酸擬桿菌可以改善IR并預(yù)防肥胖癥，且這一作用可能是通過腸道中的FXR/TGR5/GLP-1信號通路實現(xiàn)的[33]。Wei等[34]通過分析代謝正常的高體質(zhì)量指數(shù)(BMI)人群以及代謝異常的高BMI人群的膽汁酸代謝譜后發(fā)現(xiàn)，代謝異常組的豬膽酸(HCA)、豬去氧膽酸(HDCA)、甘氨豬脫氧膽酸(GHDCA)、UDCA、CDCA和甘氨熊脫氧膽酸(GUDCA)水平顯著降低，且上述膽汁酸均屬于非-12OH膽汁酸；此外，通過分析高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠(HF-OP)以及肥胖抵抗小鼠(HF-OR)的腸道菌群后發(fā)現(xiàn)HF-OP 組中的C. scindens和C. hylemonae顯著減少，且C. scindens與UDCA、石膽酸(LCA)和脫氧膽酸(DCA)水平呈正相關(guān)，C. hylemonae與UDCA水平呈正相關(guān)，提示腸道菌群失調(diào)會影響膽汁酸的組成；進一步實驗中，給予高脂飲食小鼠組外源性的UDCA后發(fā)現(xiàn)，小鼠的體重下降且相應(yīng)的非-12OH 膽汁酸水平上升，提示膽汁酸的調(diào)節(jié)可作為一種潛在的治療方法來改善肥胖，且腸道菌群-膽汁酸可能通過影響肥胖參與PCOS進程。

5. 腸道菌群-膽汁酸對IR的影響：IR是導(dǎo)致PCOS患者生殖功能障礙的原因之一，其通過影響PCOS患者的排卵功能并參與子宮內(nèi)膜疾病的發(fā)展從而導(dǎo)致不孕。腸道菌群可以通過多個環(huán)節(jié)和途徑影響PCOS患者的代謝與IR[35]。He等[36]通過分析伴有IR的PCOS患者(PCOS-IR)、不伴有IR的PCOS患者(PCOS-NIR)及BMI匹配的健康對照女性(HC)腸道菌群特征后發(fā)現(xiàn)，與PCOS-NIR和HC組相比，PCOS-IR患者的腸道菌群失調(diào)更嚴(yán)重，具體表現(xiàn)為腸球菌豐度增加，而腸球菌通過參與IR相關(guān)的代謝途徑，影響腸道環(huán)境并促進PCOS的發(fā)生和發(fā)展。有研究發(fā)現(xiàn)PCOS小鼠的擬桿菌豐度明顯高于對照組，這與PCOS患者的腸道菌群改變情況相似；此外，PCOS小鼠的空腹血糖及胰島素抵抗指數(shù)(HOMA-IR)均顯著高于對照組[37]。為了進一步探究腸道菌群在PCOS中的作用，Yang等[37]用抗生素處理PCOS小鼠后發(fā)現(xiàn)，小鼠回腸中的FXR mRNA水平與血清中的FGF15水平顯著增加且IR得到改善。FXR被膽汁酸激活后，可使小異二聚體伴侶(SHP)的表達上調(diào)，SHP通過下調(diào)CYP7A1和CYP8B1的表達后減少膽汁酸的合成；給PCOS小鼠補充外源性的FXR激動劑CDCA后觀察到小鼠空腹血糖和平均血糖水平均有所改善；基于以上結(jié)論研究者們進一步推測：腸道菌群是導(dǎo)致PCOS患者發(fā)生IR的重要因素，擬桿菌可能通過擬桿菌- 膽汁酸-腸道 FXR 信號通路參與PCOS的發(fā)生與轉(zhuǎn)歸[38]。

五、總結(jié)與展望

隨著新的組學(xué)技術(shù)和生物信息學(xué)方法的不斷出現(xiàn)，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)膽汁酸與腸道菌群穩(wěn)態(tài)之間存在著密不可分的聯(lián)系，并且在PCOS的病理生理以及發(fā)生發(fā)展中扮演著重要的角色。然而大部分關(guān)于膽汁酸的研究都基于動物模型，無論是小鼠還是大鼠的免疫系統(tǒng)、膽汁酸代謝和腸道菌群組成都與人類有很大的不同。通過抗生素、益生菌、益生元和糞便細菌移植來調(diào)節(jié)膽汁酸組成的腸道菌群變化可以改善PCOS。雖然腸道菌群-膽汁酸軸在PCOS患者的發(fā)病過程中扮演了重要角色，但其確切的分子機制仍有待闡明，尤其是特定腸道菌群種類及其代謝物在調(diào)節(jié)PCOS患者代謝及各種表型發(fā)展中的作用。未來的研究應(yīng)致力于探討膽汁酸濃度和組成變化與PCOS患者和健康人群的腸道菌群變化之間的關(guān)系，為治療PCOS提供新的理論依據(jù)和方法。膽汁酸與腸道-卵巢軸中宿主-微生物組之間復(fù)雜的相互作用才剛剛開始被了解，臨床試驗和進一步深入的研究可以幫助研究者們探索膽汁酸在健康個體和PCOS患者中的不同作用，使其作為潛在的治療手段得到最佳利用，這對于早日研發(fā)更多有效且安全的PCOS治療藥物也有著一定的指導(dǎo)意義。