胆汁酸与肠道微生物相互影响及其在疾病中的作用

赵圆圆1，朱云2，高树娟2，焦娇2，张辉2

(1、蚌埠医学院附属淮海医院消化内科，江苏徐州221000；2、解放军陆军第七十一集团军医院消化内科，江苏徐州221000)

中图分类号：R333．3文献标识码：A文章编号：1006-2084(2020)14-2743-06

【摘要】：胆汁酸是胆固醇的代谢产物，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、炎症等多种病理生理过程。胆汁酸在肠道微环境变化中发挥重要作用，影响肠道微生物组成；而肠道微生物酶对胆汁酸的代谢也起重要作用，是肠道微生物对宿主健康的重要贡献，微生物转化胆汁酸的能力影响宿主的生理机能。胆汁酸与肠道微生物的相互作用参与多种疾病的发生发展，阐明其中的机制可给胆汁酸和肠道微生物相关疾病的治疗带来希望。

【关键词】：胆汁酸；肠道微生物；炎症性肠病；结直肠癌；非酒精性脂肪肝病；肥胖；动脉硬化性心血管疾病；阿尔茨海默病

Interaction between Bile Acids and Intestinal Microorganisms and Its Role in Disease

ZHAO Yuanyuan1, ZHU Yun2, GAO Shujuan2, JIAO Jiao2, ZHANG Hui2

1、Department of Gastroenterology，Huaihai Hospital Affiliated to Bengbu Medical College，Xuzhou 221000, China; 2. Department of Gastroenterology, PLA 71st Group Army Hospital，Xuzhou 221000，China Corresponding author: ZHU Yun，Email: zhuyun65@ 126.com

【Abstract】: Bile acid is the metabolites of cholesterol, an important signal molecule, which regulates the intestine and other organs functions, and takes part in the pathophysiological processes of metabolism, immunity and inflammation etc. Bile acid plays an important role in the changes of intestinal microenvironment and affects the composition of gut microbiota. Intestinal microorganism enzyme plays a key role in the metabolism of bile acid, which is an important contribution of intestinal microorganism to the health of the host. The ability of microorganisms to convert bile acids affects the physiology of the host. The interaction between bile acids and gut microbiota is involved in the development of many diseases, clarifying the mechanisms of which may provide hope for the treatment of the related diseases. 

【Key words】: Bile acids；Gut microbiota; Inflammatory bowel disease；Colorectal carcinoma；Non-alcoholic fatty liver disease；Obesity; Arteriosclerotic cardiovascular disease；Alzheimer's disease

胆汁酸是由肝脏合成的一类胆烷酸衍生物，是胆固醇分解代谢的终产物。胆汁酸的合成受法尼醇X受体(farnesol Xreceptor，FXR)的负反馈调控，代谢需在肠道微生物的作用下完成，其中肠道微生物酶在胆汁酸的肠-肝循环中发挥重要作用，其主要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。疾病状态下，肠道微生物的扰动会影响胆汁酸池的组成[1]。研究发现，胆汁酸除调节自身合成外，还通过与FXR、G蛋白偶联胆汁酸受体1(G protein-coupled bileacid receptor1，GPBAR-1，也称TGR5)结合，调节机体的葡萄糖代谢、脂质代谢及固有免疫等[2]。肠道微生物被认为是一种代谢器官，其代谢肠腔内容物产生的物质主要包括短链脂肪酸、胆汁酸、吲哚类及多胺类等，这些物质参与了机体免疫系统的形成[3]。胆汁酸与肠道微生物之间存在动态的相互作用。肠道微生物通过FXR负反馈调节肝脏胆汁酸的合成与代谢;胆汁酸池的组成变化又影响肠道微生物组成。研究表明，胆汁酸与肠道微生物的失衡参与机体多种疾病如炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)、结直肠癌、非酒精性脂肪肝病(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)、肥胖、动脉硬化性心血管疾病、阿尔茨海默病(Alzheimer's disease，AD)等的发病过程[1,4-5]。现就胆汁酸与肠道微生物的相互作用及其参与疾病发生发展的过程进行综述，以期寻找治疗新的治疗方法。

1、胆汁酸的调控及功能

胆汁酸是胆固醇在肝脏合成，由胆囊储存，进食后由胆囊释放至十二指肠，其主要作用是促进脂质及脂溶性维生素的吸收。胆汁酸包括初级胆汁酸和次级胆汁酸。初级胆汁酸在肠道微生物作用下形成次级胆汁酸。95%以上的胆汁酸在回肠末端和结肠上段被重吸收，经门静脉入肝，完成胆汁酸的肠-肝循环[6]。FXR作为胆汁酸合成的主要调节因子，通过诱导回肠上皮细胞成纤维细胞生长因子15/19的表达并与之结合，抑制肝脏胆汁酸合成的关键酶胆固醇7a羟化酶的活性，从而抑制肝脏胆汁酸的合成[7-8]。FXR还可作为信号分子，其激活可调节肠道葡萄糖的吸收，抑制肝糖原酵解，改善胰岛素敏感性，逆转胆固醇转运，增加极低密度脂蛋白的清除，抑制环加氧酶2和诱导型一氧化氮合酶的合成以及核因子κB通路，抑制炎症因子的表达[9]。但Kim等[10]的研究发现，FXR/小异源二聚体伴侣受体基因敲除小鼠表现出肝脏三酰甘油积累的减少，胰岛素耐受性改善及脂肪酸利用加速。

2、肠道微生物的组成及功能

人类自出生后皮肤和黏膜就定居着超过100万亿个的微生物，包括细菌、真菌、病毒、寄生虫等，其中大部分是细菌，主要包括厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、梭菌门、变形菌门等，其中厚壁菌门、拟杆菌门数量最多，占90%以上[11]。肠道微生物一方面参与肠道相关淋巴组织的发育，促进其表达模式识别受体以识别病原体，从而增强固有免疫;另一方面调节T细胞分化、促进浆细胞表达以增强适应性免疫;并通过作用于上皮细胞产生黏液层、抗菌肽及微生物代谢物以增强黏膜屏障功能，调节机体的免疫防御机制[12]。研究发现，肠道微生物失衡参与消化系统、循环系统、代谢系统及神经系统等多个系统疾病的发生与发展[13-15]。

3、胆汁酸与肠道微生物的相互作用

3.1肠道微生物对胆汁酸的影响

胆汁酸的代谢需肠道微生物酶的参与，胆汁酸水解酶是其中主要的酶。胆汁酸水解酶可将结合型胆汁酸转化为非结合型胆汁酸，而胆汁酸的去结合为一些细菌提供保护及定植作用;胆汁酸水解酶又可通过磺化、氧化、差向异构、脱羟基等催化修饰直接改变胆汁酸结构;肠道微生物群落的变化也会改变胆汁酸水解酶的表达水平，从而影响宿主胆汁酸池的组成，进而影响胆汁酸的信号传递[1]。已有研究证实，双歧杆菌、乳杆菌、肠球菌、梭状芽孢杆菌等具有胆汁酸水解酶活性[16]。Swann等[17]研究发现，与正常大鼠相比，无菌及抗生素处理的大鼠肝、肾以及血浆中胆汁酸的多样性降低，各组织中牛磺酸结合胆汁酸的比例显著升高，非结合型及甘氨酸结合胆汁酸减少。Behr等[18]的研究也得出类似结论。以上研究提示肠道微生物群的变化影响胆汁酸池的组成。肠道FXR可通过上调成纤维细胞生长因子15/19，负反馈抑制肝脏胆汁酸的合成，减弱过多胆汁酸聚集对肠上皮细胞的毒性作用[7]。由于肠道微生物群在胆汁酸代谢中的重要作用，微生物群组成变化可破坏胆汁酸的稳态，并影响机体的生理过程。

3.2胆汁酸对肠道微生物的影响

胆汁酸对肠道微生物的定植有双向调节作用。肝损伤后胆汁酸分泌减少导致小肠细菌过度生长;与小肠相比，结肠中胆汁酸的水平要低几个量级，这与回肠的重吸收有关，其有利于细菌的定植和胆汁酸的代谢。胆汁酸是调节大鼠肠道菌群组成的重要宿主因子[19]。研究发现，中剂量胆酸(1．25mmol/kg)组和高剂量胆酸(5mmol/kg)喂养大鼠的粪便总胆汁酸水平分别是对照组的7倍和21倍，总细菌数随膳食胆酸水平的升高而降低，表现为厚壁菌门相对丰度增加，拟杆菌门相对丰度减小，其他菌门几乎消失，提示胆汁酸参与调节肠道微生物组成[19]。FXR作为胆汁酸合成的主要调节因子，其激活可以防治细菌的过度生长和异位[20]。研究发现，肠道细菌的胆汁酸抵抗依赖于菌株类别和胆汁酸水解酶活性，革兰阳性菌较革兰阴性菌对胆汁酸更为敏感，胆汁酸水解酶对肠道中细菌的定植及生长有重要作用[21]。用高乳脂饮食喂养白细胞介素-10敲除的小鼠可促进牛磺酸结合胆汁酸的合成，同时促进沃氏嗜胆菌生长[22]。

4、胆汁酸与肠道微生物相互作用及在疾病中的作用

4.1与IBD的相关性

IBD是一种慢性非特异性肠道微生物与其发生、发展关系密切。IBD患者的肠道微生物主要表现为厚壁菌门、拟杆菌门减少[23-24]。胆汁酸水解酶是肠道细菌代谢胆汁酸的关键酶。通过检测溃疡性结肠炎患者肠道中代谢胆汁酸的细菌胆汁酸水解酶基因发现，厚壁菌门来源的胆汁酸水解酶基因表达减少[25]，提示溃疡性结肠炎患者肠道细菌代谢胆汁酸的能力下降。多药耐药基因1是一类在肠道和循环T细胞中优先表达的转运蛋白，其在结合胆汁酸环境中可减轻氧化应激，增强T细胞内稳态。研究发现，药耐药基因1的功能在部分克罗恩病患者中丧失，而IBD肠道胆汁酸水平的变化可能是药耐药基因1功能丧失的原因[26]。Duboc等[27]发现，在无菌小鼠与正常小鼠的粪便中几乎检测不到次级胆汁酸，而与健康对照者相比，IBD患者初级胆汁酸相对过剩，结合型胆汁酸和次级胆汁酸相对减少，推测IBD患者肠道菌群失调导致胆汁酸池改变。该研究也证实，IBD患者粪便胆汁酸池的改变与肠道细菌转化胆汁酸的能力被破坏有关[27]。克罗恩病患者FXR及其靶基因小异源二聚体伴侣受体的表达明显低于正常人[28]，其中FXR不仅是胆汁酸合成的主要调节因子，其还能在黏膜免疫反应中减轻炎症反应，保护肠上皮屏障的完整性，抑制肠道细菌过度增长，防止细菌易位等[29-30]。肠道微生物和胆汁酸均参与了IBD的发生发展，胆汁酸影响粪便微生物组成，而粪便微生物组成差异又影响胆汁酸代谢，进一步研究特定胆汁酸与特定微生物种类有可能成为IBD治疗的突破点。

4.2与结直肠癌的相关性

近年来结直肠癌的发病率逐年升高，但其病因尚不十分明确，有研究表明肠道菌群失调与结直肠癌密切相关[31]。结直肠癌患者肠道微生物丰度增加，菌群失调，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[32-33]，编码初级胆汁酸形成次级胆汁酸的酶的基因表达增强[34]。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;予以抗生素治疗可减少胆酸喂养的腺瘤性息肉病大肠杆菌基因突变小鼠肠道肿瘤的数量及大小[35]。早期研究发现，FXR信使RNA的表达水平与人类结直肠肿瘤恶性程度呈负相关，在腺瘤向癌的转化过程中FXR的表达受到抑制[36]。FXR通过转录诱导解毒酶，产生抑制肿瘤的作用，解毒酶代谢并介导有毒胆汁酸的排泄，降低肠道胆汁酸水平[37]。肠道微生物通过影响胆汁酸代谢在不同层次上影响结直肠癌的发病。

4.3与NAFLD的相关性

NAFLD是一类除乙醇外和其他明确的肝损害因素所致的综合征。研究发现，肠道细菌通过肠-肝轴影响多种慢性肝病的发生[38]。肠道菌群失调、肠道黏膜屏障功能及通透性破坏导致细菌异位、毒素经门静脉入肝损害肝脏是NAFLD发病的重要原因[4]。肠道细菌参与胆汁酸的代谢。研究发现，与健康受试者相比，NAFLD患者血清总胆汁酸增加，主要是结合胆汁酸和次级胆汁酸增多[4]。血浆胆汁酸增多，肝细胞出现炎症，对胆汁酸摄取减少，代谢功能减弱，导致消除障碍。肝脏FXR配体的激活是反馈调节胆汁酸合成的关键，恢复FXR信号可缓解NAFLD，胆汁酸作为FXR、TGR5的天然配体，TGR5可促进脂肪酸β氧化过程，促进能量消耗，在免疫应答方面还可限制由脂多糖诱导的肝脏库普弗细胞表达炎症因子等[39]。给小鼠注射FXR和TGR5激动剂可减轻NAFLD症状，其主要是通过抑制脂肪生成、改善高胆固醇血症、诱导能量消耗及减少肝脏炎症及纤维化等发挥作用[40]。肠道微生物可改变宿主胆汁酸组成，给予NAFLD小鼠口服22周的抗生素发现，肠道细菌被抑制，血浆次级胆汁酸水平降低，肝脏炎症和纤维化减轻[41]，提示抗生素诱导的肠道细菌改化影响了胆汁酸的代谢及肝脏功能。

4.4与肥胖的相关性

世界范围内肥胖的发生率逐年升高。肠道微生物可调节能量代谢，厚壁菌门/拟杆菌门比例的升高一定程度上增加了低度炎症的程度，提高了从食物获取能量的能力，参与了肥胖的发生[42]。研究发现，肥胖小鼠的总胆汁酸水平较正常小鼠轻度增加，其中肝脏和血浆表现为脱氧胆酸、牛磺脱氧胆酸增加，而肠组织和粪便表现为脱氧胆酸增加[43]。进一步研究发现，胆汁酸组成变化与粪便粪球菌、单胞菌、胃瘤球菌等的丰度增加有关[43]。通过FXR-胰高血糖素样肽1提高葡萄糖稳态，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[44]。肠道微生物影响胆汁酸组成，胆汁酸反过来也影响肠道微生物，肥胖患者胃旁路术成功者其粪便拟杆菌门、厚壁菌门、变形杆菌较非成功者相对增加，代谢初级胆汁酸至次级胆汁酸的胆汁酸水解酶的活性增强[45-46]，而胆汁酸水解酶是肠道微生物代谢胆汁酸的主要酶。

4.5与动脉硬化性心血管疾病的相关性

动脉硬化是多种心血管疾病共同的病理基础，研究发现肠道微生物与心血管疾病具有相关性[47]。有学者在动脉硬化患者的粥样斑块中检测到了细菌DNA的存在，表明细菌可能参与了动脉粥样硬化斑块的形成[48]。低丰度肠道微生物菌群与动脉粥样硬化患者血清C反应蛋白、外周血白细胞计数相关，肠道微生物诱导的低度慢性炎症促进了动脉粥样硬化的形成[49]。肠道微生物可通过胆汁酸、FXR、TGR5等影响胆固醇的代谢，进一步调节膳食脂肪及脂溶性分子的吸收，影响血脂水平，进而影响动脉粥样硬化形成。胆汁酸主要通过胆汁酸水解酶和胆汁酸受体促进动脉粥样硬化的发生发展。细菌介导的胆汁酸水解酶活性可通过增加胆固醇积累、促进泡沫细胞形成和形成动脉粥样硬化斑块影响动脉硬化发病的潜在过程;肠道微生物源性次级胆汁酸通过调节FXR、TGR5等受体调节巨噬细胞炎症及脂肪代谢，参与动脉硬化的发病[50]。

4.6与AD的相关性

AD是一种神经退行性疾病，胆固醇代谢紊乱参与其发生[5]。研究表明胆汁酸与神经退行性疾病相关[51]。胆汁酸外周代谢变化可通过肝脑轴、肠脑轴影响中枢神经，通过与迷走神经相互作用，影响中枢神经系统和免疫系统功能，可能与AD有关[52-53]。Nho等[54]采用靶向代谢组学分析法测定AD患者血清胆汁酸水平，评估胆汁酸与AD的皮质β淀粉样蛋白沉积、脑脊液中磷酸化Tau蛋白表达、神经变性或神经损伤生物标志物的联系，证实血清中结合胆汁酸、次级胆汁酸的水平与大脑结构和功能的改变显著相关。Harach等[55]在无菌条件下建立的转基因AD小鼠模型与正常对照小鼠相比，无菌AD小鼠大脑病理学改变显著减轻;将从正常AD小鼠获得菌群移植到无菌AD小鼠后，小鼠大脑病理学改变明显加重，表明AD的发生发展与胆汁酸及肠道微生物的代谢有关。肠道微生物与胆汁酸在AD的病理生理学过程中的作用还需进一步的研究。

5、小结

胆汁酸是在宿主肝脏合成，经由肠-肝循环完成代谢。胆汁酸的多样性是在肠道微生物酶的作用下由初级胆汁酸向次级胆汁酸和非结合胆汁酸转化而产生。一方面肠道微生物群的扰动影响胆汁酸池的变化，另一方面胆汁酸池的组成差异又影响微生物组成。胆汁酸通过与肠道菌群和宿主受体的相互作用参与调节机体的代谢、免疫以及炎症的过程。以胆汁酸及肠道微生物为靶点的治疗，胆汁酸受体有可能作为治疗的分子开关，为临床上与之相关的疾病的治疗提供有效手段。关于微生物影响下产生的胆汁酸的特征与机体胆汁酸受体间的相互作用，未来还需要进行深入研究。

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