肠道菌群与胆汁酸互作关系及相关疾病研究
供稿人：汪雨清 整理编辑：谢许茵
1 前言
人的皮肤和粘膜上有大量微生物定居,包括细菌､真菌､病毒等,其中大部分是细菌[1]｡肠道菌群作为人体微生物的主要成员,被称为人体的一种“器官”,一方面它们通过参与相关肠道淋巴组织发育,促进组织对病原体的识别,从而增强先天免疫能力; 另一方面它们能够对T细胞分化､浆细胞表达进行调节,增强后天免疫能力; 此外,肠道菌群还通过对上皮细胞作用产生黏液层､抗菌肽及其他代谢物以增强黏膜的屏障作用,提高人体免疫力[2]｡
胆汁酸,包括初级胆汁酸和次级胆汁酸,其主要作用是促进脂质及脂溶性维生素的吸收｡胆汁酸代谢是在肠道菌群的作用下完成,肠道菌群产生的相关酶在胆汁酸的肠-肝循环中发挥重要作用,通过解离及脱羟基作用将结合胆汁酸转化为非结合胆汁酸,将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸｡因此疾病状态下,肠道菌群的波动变化会影响胆汁酸代谢结果[3]｡
如今,胆汁酸与肠道菌群的关系已经成为热点研究,本文就肠道菌群及胆汁酸的相互作用,以及二者在相关疾病扮演何种角色作出介绍｡
2 肠道菌群对胆汁酸的影响
在胆汁酸的代谢､合成和重吸收过程中,肠道菌群发挥着重要作用｡
2.1 肠道菌群参与胆汁酸的正常代谢
调节胆汁酸是哺乳动物体内一个非常复杂的过程,需要肝､肠､菌三者的共同参与[4]｡首先,由肝脏合成胆酸(CA)与鹅脱氧胆酸(CDCA)两种初级胆汁酸,经过小管膜分泌至胆道,在胆囊中储存｡当食糜进行消化吸收时,会刺激促胰液素､缩胆囊素的分泌:在促胰液素的作用下,缩胆囊素刺激胆囊收缩,使胆汁分泌入十二指肠｡胆汁酸在回肠末端重吸收,通过门静脉重新转运至肝脏｡有限的胆汁酸在肝､肠之间不断循环利用的过程称为胆汁酸的“肠肝循环”途径[5-6]｡其中1%~2%的胆汁酸未参与肠肝循环,在结直肠内经过肠道细菌的生物转化作用生成次级胆汁酸,即脱氧胆 酸(DCA)和石胆酸(LCA)｡
图1.胆汁酸的肝肠循环
（ 图源网络 侵删 ）
普通拟杆菌､李斯特菌以及某些乳酸菌､双歧杆菌等都可以产生胆盐水解酶(BSH)[7]｡在BSH作用下,结合胆汁酸会转变成游离胆汁酸[8]｡作为催化结合型胆汁酸上酰胺键水解的关键酶[9],BSH促使胆固醇或胆汁进入微生物膜,增加微生物膜的弹性[10]｡此外,BSH发挥着解毒作用,使胃肠道内一些微生物在胆汁环境下存活[8]｡
2.2 调节肝脏胆汁酸合成
除了参与次级胆汁酸代谢,肠道菌群还参与肝脏胆汁酸合成｡研究人员对无菌小鼠(GF)和普通小鼠(CONV-R)进行比较,发现普通小鼠体内存在胆汁酸合成抑制现象[11-12]｡推测与普通小鼠体内合成CDCA所必需的关键酶CYP7A1活性下降有关[13]｡牛磺酸结合型MCA是肝脏法尼醇X受体(FXR)的拮抗剂,FXR的激活会抑制胆汁酸合成,因此推测普通小鼠中肠道菌群抑制胆汁酸合成的机制可能是低水平的MCA激活了回肠FXR[14]｡动物实验表明,给予FXR敲除小鼠FGF19可以抑制胆汁酸合成,表明FGF19是FXR的一种下游产物,进而抑制CYP7A1活性[15]｡另有研究证实,给予普通小鼠抗生素后能够改变胆汁酸组分,抑制回肠FGF15基因表达FXR下游产物FGF15,上调肝脏CYP7A1表达水平[16]｡
2.3 影响肠道胆汁酸重吸收
研究表明,普通小鼠体内胆汁酸池体积小,这可能与普通小鼠回肠钠/胆汁酸转运体(IBAT)的表达水平下降有关｡IBAT表达水平的下降会导致回肠远端胆汁酸重吸收减少,粪便胆汁酸排泄增加[11]｡研究显示,从无菌大鼠上分离出的回肠上皮细胞对牛磺胆酸(TCA)的摄取水平较普通大鼠高[17],表明无菌小鼠中胆汁酸重吸收作用增强,胆汁酸池体积变大｡其他研究证明,经抗生素处理后肠道胆汁酸重吸收作用明显增强,粪便中胆汁酸排泄显著减少[18]｡IBAT表达主要受转录因子Gata4调控,Gata4可抑制IBAT表达｡在生理状态下,肠道菌群激活了肠道(回肠末端除外)Gata4的表达,使得IBAT表达水平下降,导致胆汁酸重吸收作用减弱｡当然,肠道菌群调节Gata4的具体机制仍需要进一步的研究｡
3 胆汁酸对肠道菌群的影响
胆汁酸对肠道菌群的生长增殖､生理功能､肠道内组成存在影响｡
3.1 直接抑制细菌生长增殖
作为抑菌活性物质,胆汁酸能够抑制细菌生长增殖｡例如,胆汁酸通过改变幽门螺杆菌的形态,抑制其生长增殖[19]｡有研究表明,人和猪胆汁酸均能够刺激幽门螺杆菌的应激反应,导致其膜通透性改变,能量代谢受到干扰,从而影响其毒力和定植能力[20]｡此外,Sannasiddappa等[21]对胆汁酸对金黄色葡萄球菌的影响做了研究,他们发现胆汁酸会引起金黄色葡萄球菌形态改变,胞内pH显著降低,细胞膜也受到损伤,以上结果导致细胞膜电位消失及引起细菌死亡｡
然而,胆汁酸如何抑制肠道菌群生长增殖的分子机制尚不明确｡作为双亲性分子,胆汁酸同时具有亲脂活性和亲水活性,因此能够破坏磷脂双分子层,引起细胞膜破裂,导致细胞死亡[22]｡其中,非结合胆汁酸通过自由扩散穿过细胞膜,进入革兰氏阴性菌细胞内,引起细胞应激反应,抑制细菌增殖[23]｡Leverrier等[24]利用组学技术进行的研究发现,胆汁酸导致细胞内热应激休克蛋白等分子伴侣变性而失去正常功能,菌体内新合成蛋白质无法正常折叠,从而导致细菌死亡｡
3.2 作为信号分子调节肠道细菌的生理功能
为抵抗胆汁酸的抑制作用,一些肠道细菌产生进化｡某些致病菌利用胆汁酸作为诱导物,调节毒相关基因的表达,促进其毒力和侵染能力｡例如副溶血孤菌利用Ⅲ型分泌系统(type-Ⅲ secretion system,T3SS)中的副溶血弧菌转录调控蛋白(Vibrio parahaemolyticus transcriptional regulatory proteins,Vtr) A和C这2个转录因子形成桶状复合物,该复合物被游离胆汁酸识别结合后,激活下游的VtrB,VtrB结合到启动子序列上,激活T3SS的转录,诱导下游毒力因子的表达,增强该病原菌毒力[24-25]｡Kreuder等[26]发现,胆汁酸能够诱导空肠弯曲杆菌毒力及其定植相关因子的表达,还可刺激7种非编码RNA的表达上调｡此外,胆汁酸对致病性大肠杆菌侵染能力的增加也有所报道[27]｡
3.3 影响肠道菌群的组成
胆汁酸影响着肠道菌群的组成,其促进代谢胆汁酸相关菌的生长而抑制对胆汁酸敏感菌的增殖[28]｡胆汁酸还可通过FXR的作用,刺激诱导型一氧化氮合酶､白细胞介素18等的表达和分泌,从而抑制肠道细菌的增殖[29-30]｡此外,研究发现当胆管阻塞导致胆汁无法进入肠道时,会引起小肠中细菌过度增殖,甚至易位[31-32]｡而当研究人员对普通小鼠口服1.25~5.00mmol/kg体重的胆汁酸,其肠道中厚壁菌属的菌群比例由54%升高至94%~98%,而其中拟杆菌和放线菌的比例则显著降低[33-34]｡以上研究证实了胆汁酸对肠道菌群组成的影响｡
4 肠道菌群及胆汁酸在相关疾病中的作用
在多种疾病中肠道菌群及胆汁酸都有参与，例如炎症性肠病、代谢综合征、结直肠癌。
4.1 炎症性肠病(IBD)
IBD主要表现为胃肠道慢性炎症｡目前IBD病因尚不明确,可能与遗传学､饮食和肠道菌群等多种因素有关｡IBD患者的粪便和肠道菌群与健康个体相比差异非常大,且发现在IBD无菌动物模型中肠道内的炎症显著减轻[35]｡目前,关于胆汁酸与IBD之间关系主要研究都集中在IBD如何影响肠道和血清胆汁酸｡由于回肠末端是胆汁酸的重吸收场所,因此切除末端回肠可导致胆汁酸吸收不良,表现出腹泻症状[36]｡研究表明即使在小肠没有切除的情况下,IBD患者门静脉和血清中的胆汁酸浓度也有明显的变化,此外还有结合胆汁酸的增加和粪便中的次级胆汁酸减少的表现[37]｡研究人员推测胆汁酸与IBD之间由FXR所联系,因为FXR既调节宿主的胆汁酸代谢,又参与肠道先天免疫和渗透性的调控,研究表明FXR受体激动剂具有保护化学诱导的结肠炎小鼠模型的作用[38]｡
4.2 代谢综合征
代谢综合征除了遗传､环境和行为等多种病因,目前越来越多研究表明肠道菌群也会引起代谢综合征｡人类中,肥胖人群与偏瘦人群相比,厚壁菌门相对比例增加,拟杆菌相对比例减少,在小鼠上也有这种表现[39]｡通过粪菌移植,无菌小鼠获得肥胖小鼠的肠道微生物后,无菌小鼠体重和脂肪明显增加,葡萄糖耐量和甘油三酯也表现异常[40],从肥胖人群中移植粪便微生物也出现类似情况｡虽然人与小鼠之间存在微生物群的差异,但微生物群对表型的影响仍适用[41]｡消胆胺等可降低通过肠肝循环回到肝脏的胆汁酸的浓度,从而刺激胆固醇转化为胆汁酸,被用来治疗血脂异常和其他代谢综合征[42]｡此外,目前认为FXR可通过调节三酰甘油和胆固醇代谢参与肥胖的形成,因此激活FXR可以改善动物代谢综合征模型的一些症状,包括葡萄糖体内平衡和甘油三酯的控制[43]｡
图2胖瘦人群体内菌群差异明显
（ 图源网络 侵删 ）
4.3结直肠癌
研究表明肠道菌群与结直肠癌存在联系[44]｡结直肠癌患者肠道菌群与正常人群差异较大,主要表现为厚壁菌门减少,拟杆菌门及核梭杆菌增多｡核梭杆菌是一类抑制肿瘤免疫,促进结直肠肿瘤发生的细菌,其与结直肠肿瘤的位置分布相关,表现为从直肠到盲肠沿肠道呈线性增加[45-46]｡此外，长期暴露于高水平的次级胆汁酸可能会诱发结直肠癌｡胆酸在肠道微生物作用下形成脱氧胆酸,脱氧胆酸可诱导肠道微生物失调,降低短链脂肪酸含量,加速肠腺瘤-腺癌序列的表达,导致肠屏障功能破坏和肠道炎症[47]｡
5 展望
胆汁酸是一种重要的信号分子，具有调节肠道及其他器官功能的作用，并参与代谢、免疫、炎症等多种生理过程。其在宿主肝脏合成，经由肠-肝循环完成代谢。胆汁酸与肠道菌群存在着密切联系，一方面胆汁酸影响微生物组成，另一方面肠道菌群影响胆汁酸池的变化，菌群这种转化胆汁酸的能力影响着宿主的生理机能。此外，胆汁酸受体有可能作为治疗相关疾病的分子开关，只要利用好胆汁酸和肠道微生物，就有可能为临床上与之相关的疾病的治疗提供有效手段，而相关实验研究上，无菌动物模型就发挥着巨大作用。
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