供稿人：汪雨清 整理編輯：謝許茵
1 前言
人的皮膚和粘膜上有大量微生物定居,包括細菌?真菌?病毒等,其中大部分是細菌[1]?腸道菌群作為人體微生物的主要成員,被稱為人體的一種“器官”,一方面它們通過參與相關腸道淋巴組織發育,促進組織對病原體的識別,從而增強先天免疫能力; 另一方面它們能夠對T細胞分化?漿細胞表達進行調節,增強后天免疫能力; 此外,腸道菌群還通過對上皮細胞作用產生黏液層?抗菌肽及其他代謝物以增強黏膜的屏障作用,提高人體免疫力[2]?
膽汁酸,包括初級膽汁酸和次級膽汁酸,其主要作用是促進脂質及脂溶性維生素的吸收?膽汁酸代謝是在腸道菌群的作用下完成,腸道菌群產生的相關酶在膽汁酸的腸-肝循環中發揮重要作用,通過解離及脫羥基作用將結合膽汁酸轉化為非結合膽汁酸,將初級膽汁酸轉化為次級膽汁酸?因此疾病狀態下,腸道菌群的波動變化會影響膽汁酸代謝結果[3]?
如今,膽汁酸與腸道菌群的關系已經成為熱點研究,本文就腸道菌群及膽汁酸的相互作用,以及二者在相關疾病扮演何種角色作出介紹?
2 腸道菌群對膽汁酸的影響
在膽汁酸的代謝?合成和重吸收過程中,腸道菌群發揮著重要作用?
2.1 腸道菌群參與膽汁酸的正常代謝
調節膽汁酸是哺乳動物體內一個非常復雜的過程,需要肝?腸?菌三者的共同參與[4]?首先,由肝臟合成膽酸(CA)與鵝脫氧膽酸(CDCA)兩種初級膽汁酸,經過小管膜分泌至膽道,在膽囊中儲存?當食糜進行消化吸收時,會刺激促胰液素?縮膽囊素的分泌:在促胰液素的作用下,縮膽囊素刺激膽囊收縮,使膽汁分泌入十二指腸?膽汁酸在回腸末端重吸收,通過門靜脈重新轉運至肝臟?有限的膽汁酸在肝?腸之間不斷循環利用的過程稱為膽汁酸的“腸肝循環”途徑[5-6]?其中1%~2%的膽汁酸未參與腸肝循環,在結直腸內經過腸道細菌的生物轉化作用生成次級膽汁酸,即脫氧膽 酸(DCA)和石膽酸(LCA)?
圖1.膽汁酸的肝腸循環
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普通擬桿菌?李斯特菌以及某些乳酸菌?雙歧桿菌等都可以產生膽鹽水解酶(BSH)[7]?在BSH作用下,結合膽汁酸會轉變成游離膽汁酸[8]?作為催化結合型膽汁酸上酰胺鍵水解的關鍵酶[9],BSH促使膽固醇或膽汁進入微生物膜,增加微生物膜的彈性[10]?此外,BSH發揮著解毒作用,使胃腸道內一些微生物在膽汁環境下存活[8]?
2.2 調節肝臟膽汁酸合成
除了參與次級膽汁酸代謝,腸道菌群還參與肝臟膽汁酸合成?研究人員對無菌小鼠(GF)和普通小鼠(CONV-R)進行比較,發現普通小鼠體內存在膽汁酸合成抑制現象[11-12]?推測與普通小鼠體內合成CDCA所必需的關鍵酶CYP7A1活性下降有關[13]?牛磺酸結合型MCA是肝臟法尼醇X受體(FXR)的拮抗劑,FXR的激活會抑制膽汁酸合成,因此推測普通小鼠中腸道菌群抑制膽汁酸合成的機制可能是低水平的MCA激活了回腸FXR[14]?動物實驗表明,給予FXR敲除小鼠FGF19可以抑制膽汁酸合成,表明FGF19是FXR的一種下游產物,進而抑制CYP7A1活性[15]?另有研究證實,給予普通小鼠抗生素后能夠改變膽汁酸組分,抑制回腸FGF15基因表達FXR下游產物FGF15,上調肝臟CYP7A1表達水平[16]?
2.3 影響腸道膽汁酸重吸收
研究表明,普通小鼠體內膽汁酸池體積小,這可能與普通小鼠回腸鈉/膽汁酸轉運體(IBAT)的表達水平下降有關?IBAT表達水平的下降會導致回腸遠端膽汁酸重吸收減少,糞便膽汁酸排泄增加[11]?研究顯示,從無菌大鼠上分離出的回腸上皮細胞對牛磺膽酸(TCA)的攝取水平較普通大鼠高[17],表明無菌小鼠中膽汁酸重吸收作用增強,膽汁酸池體積變大?其他研究證明,經抗生素處理后腸道膽汁酸重吸收作用明顯增強,糞便中膽汁酸排泄顯著減少[18]?IBAT表達主要受轉錄因子Gata4調控,Gata4可抑制IBAT表達?在生理狀態下,腸道菌群激活了腸道(回腸末端除外)Gata4的表達,使得IBAT表達水平下降,導致膽汁酸重吸收作用減弱?當然,腸道菌群調節Gata4的具體機制仍需要進一步的研究?
3 膽汁酸對腸道菌群的影響
膽汁酸對腸道菌群的生長增殖?生理功能?腸道內組成存在影響?
3.1 直接抑制細菌生長增殖
作為抑菌活性物質,膽汁酸能夠抑制細菌生長增殖?例如,膽汁酸通過改變幽門螺桿菌的形態,抑制其生長增殖[19]?有研究表明,人和豬膽汁酸均能夠刺激幽門螺桿菌的應激反應,導致其膜通透性改變,能量代謝受到干擾,從而影響其毒力和定植能力[20]?此外,Sannasiddappa等[21]對膽汁酸對金黃色葡萄球菌的影響做了研究,他們發現膽汁酸會引起金黃色葡萄球菌形態改變,胞內pH顯著降低,細胞膜也受到損傷,以上結果導致細胞膜電位消失及引起細菌死亡?
然而,膽汁酸如何抑制腸道菌群生長增殖的分子機制尚不明確?作為雙親性分子,膽汁酸同時具有親脂活性和親水活性,因此能夠破壞磷脂雙分子層,引起細胞膜破裂,導致細胞死亡[22]?其中,非結合膽汁酸通過自由擴散穿過細胞膜,進入革蘭氏陰性菌細胞內,引起細胞應激反應,抑制細菌增殖[23]?Leverrier等[24]利用組學技術進行的研究發現,膽汁酸導致細胞內熱應激休克蛋白等分子伴侶變性而失去正常功能,菌體內新合成蛋白質無法正常折疊,從而導致細菌死亡?
3.2 作為信號分子調節腸道細菌的生理功能
為抵抗膽汁酸的抑制作用,一些腸道細菌產生進化?某些致病菌利用膽汁酸作為誘導物,調節毒相關基因的表達,促進其毒力和侵染能力?例如副溶血孤菌利用Ⅲ型分泌系統(type-Ⅲ secretion system,T3SS)中的副溶血弧菌轉錄調控蛋白(Vibrio parahaemolyticus transcriptional regulatory proteins,Vtr) A和C這2個轉錄因子形成桶狀復合物,該復合物被游離膽汁酸識別結合后,激活下游的VtrB,VtrB結合到啟動子序列上,激活T3SS的轉錄,誘導下游毒力因子的表達,增強該病原菌毒力[24-25]?Kreuder等[26]發現,膽汁酸能夠誘導空腸彎曲桿菌毒力及其定植相關因子的表達,還可刺激7種非編碼RNA的表達上調?此外,膽汁酸對致病性大腸桿菌侵染能力的增加也有所報道[27]?
3.3 影響腸道菌群的組成
膽汁酸影響著腸道菌群的組成,其促進代謝膽汁酸相關菌的生長而抑制對膽汁酸敏感菌的增殖[28]?膽汁酸還可通過FXR的作用,刺激誘導型一氧化氮合酶?白細胞介素18等的表達和分泌,從而抑制腸道細菌的增殖[29-30]?此外,研究發現當膽管阻塞導致膽汁無法進入腸道時,會引起小腸中細菌過度增殖,甚至易位[31-32]?而當研究人員對普通小鼠口服1.25~5.00mmol/kg體重的膽汁酸,其腸道中厚壁菌屬的菌群比例由54%升高至94%~98%,而其中擬桿菌和放線菌的比例則顯著降低[33-34]?以上研究證實了膽汁酸對腸道菌群組成的影響?
4 腸道菌群及膽汁酸在相關疾病中的作用
在多種疾病中腸道菌群及膽汁酸都有參與，例如炎癥性腸病、代謝綜合征、結直腸癌。
4.1 炎癥性腸病(IBD)
IBD主要表現為胃腸道慢性炎癥?目前IBD病因尚不明確,可能與遺傳學?飲食和腸道菌群等多種因素有關?IBD患者的糞便和腸道菌群與健康個體相比差異非常大,且發現在IBD無菌動物模型中腸道內的炎癥顯著減輕[35]?目前,關于膽汁酸與IBD之間關系主要研究都集中在IBD如何影響腸道和血清膽汁酸?由于回腸末端是膽汁酸的重吸收場所,因此切除末端回腸可導致膽汁酸吸收不良,表現出腹瀉癥狀[36]?研究表明即使在小腸沒有切除的情況下,IBD患者門靜脈和血清中的膽汁酸濃度也有明顯的變化,此外還有結合膽汁酸的增加和糞便中的次級膽汁酸減少的表現[37]?研究人員推測膽汁酸與IBD之間由FXR所聯系,因為FXR既調節宿主的膽汁酸代謝,又參與腸道先天免疫和滲透性的調控,研究表明FXR受體激動劑具有保護化學誘導的結腸炎小鼠模型的作用[38]?
4.2 代謝綜合征
代謝綜合征除了遺傳?環境和行為等多種病因,目前越來越多研究表明腸道菌群也會引起代謝綜合征?人類中,肥胖人群與偏瘦人群相比,厚壁菌門相對比例增加,擬桿菌相對比例減少,在小鼠上也有這種表現[39]?通過糞菌移植,無菌小鼠獲得肥胖小鼠的腸道微生物后,無菌小鼠體重和脂肪明顯增加,葡萄糖耐量和甘油三酯也表現異常[40],從肥胖人群中移植糞便微生物也出現類似情況?雖然人與小鼠之間存在微生物群的差異,但微生物群對表型的影響仍適用[41]?消膽胺等可降低通過腸肝循環回到肝臟的膽汁酸的濃度,從而刺激膽固醇轉化為膽汁酸,被用來治療血脂異常和其他代謝綜合征[42]?此外,目前認為FXR可通過調節三酰甘油和膽固醇代謝參與肥胖的形成,因此激活FXR可以改善動物代謝綜合征模型的一些癥狀,包括葡萄糖體內平衡和甘油三酯的控制[43]?
圖2胖瘦人群體內菌群差異明顯
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4.3結直腸癌
研究表明腸道菌群與結直腸癌存在聯系[44]?結直腸癌患者腸道菌群與正常人群差異較大,主要表現為厚壁菌門減少,擬桿菌門及核梭桿菌增多?核梭桿菌是一類抑制腫瘤免疫,促進結直腸腫瘤發生的細菌,其與結直腸腫瘤的位置分布相關,表現為從直腸到盲腸沿腸道呈線性增加[45-46]?此外，長期暴露于高水平的次級膽汁酸可能會誘發結直腸癌?膽酸在腸道微生物作用下形成脫氧膽酸,脫氧膽酸可誘導腸道微生物失調,降低短鏈脂肪酸含量,加速腸腺瘤-腺癌序列的表達,導致腸屏障功能破壞和腸道炎癥[47]?
5 展望
膽汁酸是一種重要的信號分子，具有調節腸道及其他器官功能的作用，并參與代謝、免疫、炎癥等多種生理過程。其在宿主肝臟合成，經由腸-肝循環完成代謝。膽汁酸與腸道菌群存在著密切聯系，一方面膽汁酸影響微生物組成，另一方面腸道菌群影響膽汁酸池的變化，菌群這種轉化膽汁酸的能力影響著宿主的生理機能。此外，膽汁酸受體有可能作為治療相關疾病的分子開關，只要利用好膽汁酸和腸道微生物，就有可能為臨床上與之相關的疾病的治療提供有效手段，而相關實驗研究上，無菌動物模型就發揮著巨大作用。
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