胆汁酸与肠道菌群相关性研究进展

赵元辰，崔乃强

胆汁酸是胆汁的重要组成部分，以胆固醇为原料，经肝脏转化生成，储存于胆囊中，随后排入肠道，直接或间接影响肠道菌群的丰度及多样性。而肠道菌群数量巨大，作用广泛，与人体的多种功能、疾病密切相关。可以生成多种酶参与胆汁酸代谢。两者相互影响，相互作用。

1 胆汁酸

胆汁酸是胆固醇在肝细胞中经一系列酶促反应形成的代谢产物。胆汁酸可分为游离胆汁酸、结合胆汁酸；按来源,可分为初级胆汁酸、次级胆汁酸。

1.1 胆汁酸的合成 正常人每天合成1～1.5 g胆固醇,其中约2/5（0.4～0.6 g)在肝内转化为胆汁酸，是肝脏清除胆固醇的主要方式[1]。肝脏是唯一具有合成两种初级胆汁酸（胆酸、鹅脱氧胆酸）所需14种酶的器官。胆汁酸的产生包括恢复胆固醇中的双键，将C-3反转为3α-H-基团，然后在7号碳原子或7号和12号碳原子α-羟基化，以及胆固醇侧链的β-氧化。肝细胞合成胆汁酸主要有两条途径:经典途径和替代途径。

经典途径为主要途径[2]，胆固醇首先在胆固醇7α-羟化酶(cholesterol 7α-hydroxylase，CYP7A1)的催化下生成7α-固醇,后者再经过固醇核的还原、羟化、侧链的断裂和加辅酶A等反应,生成具有24碳的初级胆汁酸（胆酸和鹅去氧胆酸，其与牛磺酸和甘氨酸结合形成结合胆汁酸）。初级胆汁酸进入肠道,协助脂类物质的消化吸收,大部分胆汁酸以结合初级胆汁酸形式在回肠末端被主动重吸收，其余小部分结合胆汁酸在回肠和结肠上段细菌的作用下,先经胆汁酸盐水解酶催化形成游离胆汁酸，再经肠道菌群7位脱羟基形成次级胆汁酸。

替代途径[3]主要是氧化甾醇27α羟化酶代替CYP7A1起限速作用。胆固醇首先于侧链的第24/25或27号碳原子上脱氢生成氧化甾醇,随后在氧化甾醇7α羟化酶催化下再于7α位脱氢,进入经典胆汁酸合成途径,生成次级胆汁酸。另外还有极其少量的由存在于肝脏的25-羟化酶和存在于大脑的24-羟化酶参与的胆汁酸合成途径。

1.2 胆汁酸的肠肝循环 95%以上排入肠道的胆汁酸被重吸收进行肠肝循环,仅5%由粪便排出,肠道每天吸收的胆汁酸总量可达12～32 g,其中以回肠部对结合型胆汁酸的主动重吸收为主，肠道的游离胆汁酸（石胆酸除外）在小肠和结直肠通过扩散作用被动重吸收,重吸收的胆汁酸经门静脉入肝,被肝细胞摄取[1]。

首先,在肝细胞基底侧膜钠-牛磺酸共转运体及有机阴离子转运多肽的介导下从窦状隙血液中摄取胆盐等,接着在肝细胞内对摄取的成分进行加工,并将加工好的胆汁酸运输至肝毛细胆管处,最后肝毛细胆管膜处在胆盐输出泵、磷脂输出泵等介导下将胆汁酸分泌至毛细胆管,形成胆汁流。在肝细胞内，游离胆汁酸部分被重新合成为结合胆汁酸,与新合成的结合胆汁酸一同再随胆汁排入小肠,结合胆汁酸在回肠通过小肠刷状缘的顶端钠/依赖胆汁酸转运体主动重吸收入小肠黏膜细胞,并与回肠胆汁酸结合蛋白结合,由基底膜终末腔面的有机溶质转运体α/β重吸收入门静脉,转运到窦状隙,进行肠肝循环[4]。

1.3 胆汁酸的合成、分泌调控 CYP7A1是胆汁酸合成的限速酶。甲状腺激素可以促进其活性，增加胆汁酸的合成；而雌/孕激素、生长因子、胰岛素等通过启动子的5'-上游区域抑制其活性[5]，抑制胆汁酸的合成。

多种核受体参与CYP7A1基因结合位点的调控,包括法尼醇X受体(farnesoid X receptor，FXR)、肝受体同系物-1、小分子异源二聚体伴侣、G蛋白偶联胆汁酸受体、肝X受等。

FXR在调节胆汁酸合成，排泄和运输中发挥重要作用[6]。是CYP7A1的转录抑制因子。FXR可以促进小分子异源二聚体伴侣生成，抑制肝受体同系物-1和肝细胞核因子与CYP7A1启动子结合,进而抑制胆汁酸合成关键酶CYP7A1的表达；胆汁酸在回肠细胞激活FXR转录，促进成纤维生长因子( fi broblast growth factor,FGF)15/19分泌，经肝脏FGF受体4反馈抑制肝脏CYP7A1基因表达[7]。FXR激动剂按效价排列是鹅去氧胆酸＞石胆酸=脱氧胆酸＞胆酸，具有能够激活FXR的共轭和非共轭部分[8]。G蛋白偶联胆汁酸受体介导顶端钠/依赖胆汁酸转运体促进胞外胆汁酸逆转运，使胞内的胆汁酸浓度升高，反馈地抑制了肝细胞中CYP7A1。G蛋白偶联胆汁酸受体识别偶联和游离胆汁酸，优先选择牛磺石胆酸，其次牛磺脱氧胆酸＞牛磺鹅去氧胆酸＞牛磺胆酸[9]。肝X受体是CYP7A1的转录激活因子，肝X受体α可通过CYP7A1基因上游的肝X受体α反应元件来增加CYP7A1基因转录,从而增加胆汁酸合成。

在生理条件下，游离胆汁酸在胆汁中不常见。与甘氨酸或牛磺酸结合，形成结合型胆汁酸，与游离胆汁酸相比，其具有更强的极性。游离胆汁酸与甘氨酸或牛磺酸的缀合，降低游离胆汁酸的毒性，并增加胆汁的可溶性[10]。胆汁酸的牛磺酸结合物较甘氨酸结合物具有更强的极性[11]。

胆盐水解酶是催化结合型胆汁酸第24位碳原子上的牛磺酸或甘氨酸酰胺键水解的关键酶。包括再酰胺化，氧化还原反应和酯化和脱硫反应[12-13]。胆盐水解酶促使胆固醇或胆汁进入微生物膜，增加微生物膜的弹性，增强对α防御素及其他保护分子的敏感性。还可以发挥解毒作用，使胃肠道的部分微生物能够耐受。

初级胆汁酸在水解的前提下，通过7α-脱羟基化酶脱去7α羟基生成次级胆汁酸，肠道菌群中的厚壁菌门（如梭菌属）具有7α-脱羟基活性。研究发现人粪便中以次级胆汁酸为主[14]。

1.4 胆汁酸的作用 胆汁酸可以增加机体的脂肪消耗、加速能量代谢，抑制促炎细胞因子表达，产生抗炎效应；减轻动脉粥样硬化病变，可以刺激β细胞分泌胰岛素、抑制胰高血糖素分泌、促进β细胞增殖及改善外周组织胰岛素敏感度等多种机制改善代谢症状，调节免疫[15-16]。保持肠上皮完整性和正常代谢；保持机体固有菌群的生态稳定，破坏病源菌细胞膜的完整性，抑制革兰阳性菌、革兰阴性菌过度增殖。

2 肠道菌群

肠道菌群是人体最庞大、最重要的微生态系统，健康成人肠道栖息着多达30属500余种细菌，包含的细菌数达1014个，重量约1000 g，其基因组总和比人类多100倍[17-18]，被称“肠道元基因组”，是控制人体健康的“人体第二基因组”。包括需氧菌、兼性厌氧菌和厌氧菌，以专性厌氧菌或兼性厌氧菌为主。其中拟杆菌门和厚壁菌门的数量占90%以上[19]。

2.1 肠道菌群功能 人体肠道菌群数量庞大，功能多样。可以通过占位效应、营养竞争、以及所分泌的各种代谢产物在肠道内形成生物屏障[20]，减少机体低水平炎症反应，保护肠壁的完整；刺激肠道建立有效的免疫防御系统；参与机体物质代谢，能够调节肠道对糖、脂的吸收、转化，改善葡萄糖耐受和氧化应激，降低血糖；可产生结合胆汁酸水解酶，将结合胆汁酸转化成游离胆汁酸，减少肠道的吸收；抑制FXR/FGF15信号通路，增强CYP7A1活性，促进胆固醇合成胆汁酸；促进胆固醇氧化酶生成、抑制肝脂肪合成酶的活性、发酵碳水化合物生成短链脂肪酸而发挥调脂作用。

3 胆汁酸对肠道菌群的作用

胆汁酸可以调控肠道菌群的稳态。其可以抑制细菌生长的作用，能够阻止细菌黏附到肠道黏膜的顶端。也可以激活FXR，维持肠道菌群稳态、防止细菌移位、增强黏膜屏障防御作用[21]。研究发现给予肝硬化大鼠胆汁酸，提高肠道胆汁酸浓度，可能会抑制肠道细菌过度生长，减少细菌移位的发生。FXR、G蛋白偶联胆汁酸受体发生基因突变后，可以导致炎症性肠病；给予FXR激动剂后可以改善实验性小鼠结肠炎症状。

胆酸在其细菌作用下生成脱氧胆酸对细菌生长具有强效的抑制作用，且脱氧胆酸的作用效果是胆酸的10倍。采用含胆酸的饲料喂养大鼠发现，其回肠厚壁菌门/拟杆菌门的比值大幅增加，随着胆酸转化为脱氧胆酸增多，厚壁菌门的梭状芽孢杆菌纲和柔膜菌纲也显著增加。肠道菌群的多样性大幅下降，细菌总量约减少一半。胆汁酸可能在肠道中选择菌群，从而对胆汁酸产生影响[22]。

喂食高饱和乳源脂肪的白介素10敲除小鼠导致牛磺酸结合的胆汁酸的合成增强，促进了嗜胆菌属（wadsworthia）的生长，这是肠内免疫炎症相关的潜在危险因素。在喂食富含植物源性脂肪的饮食的小鼠中未见此变化。Long等[23]认为牛磺酸代谢有助于提高有机硫的有效性，促进亚硫酸盐还原菌如B.worsworthia的生长；肠道内胆汁酸成份、含量和过度生长的肠道细菌可能导致炎性疾病。

4 肠道微生物对胆汁酸代谢的作用

肠道菌群可以调节胆汁酸池的大小以及各胆汁酸成分的比例。肠道菌群对胆汁酸分子的修饰作用包括3种：(1)去结合作用(水解结合胆汁酸上的牛磺酸和甘氨酸基团)；(2)差向异构作用；(3)脱羟基作用，作用于游离初级胆汁酸，去结合是脱羟基作用的前提[24]。

肠道中的脆弱拟杆菌、普通拟杆菌、产气荚膜杆菌、李斯特菌以及某些乳酸菌、双歧杆菌都可以产生胆盐水解酶[25]，将结合胆汁酸水解为游离胆汁酸。乳杆菌属和拟杆菌属参与胆汁酸的酯化作用。消化球菌、梭状芽孢杆菌、假单胞菌和梭菌属参与胆汁酸的脱硫作用。

梭菌如C.scindens VPI 12708、C.hiranonis DSM 13275、C.hylemonae DSM 15053和C.sordelli VPI9048等具有7α脱羟基作用，将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸。研究发现次级胆汁酸可以抑制艰难梭菌生长[26]。胆酸由梭菌、拟杆菌转化为熊脱氧胆酸。不动杆菌lwoffii含有胆酸转化熊脱氧胆酸所需的两种酶。脱氧胆酸可由梭菌属如梭菌（absonum)生成熊脱氧胆酸[27]。

有研究发现因增加FXR受体拮抗剂牛磺-β-鼠胆酸比例,无菌小鼠相比于普通小鼠胆汁酸池扩大了3倍多[28]。研究发现应用抗生素的小鼠肠道菌群可以抑制回肠细胞顶端钠/依赖胆汁酸转运体表达以及FXR/FGF15信号通路而促进肝脏CYP7A1基因表达，增高顶端钠/依赖胆汁酸转运体基因表达，减少粪便胆汁酸排泄，增加胆汁酸的含量。

双歧杆菌、乳酸杆菌可产生胆盐水解酶，此酶可把结合胆汁酸转变成游离胆汁酸，产生脱氧胆酸和石胆酸等次级胆汁酸，而这些次级胆汁酸本是FXR受体的强效激动剂，但是双歧杆菌、乳酸杆菌等可以通过抑制肠道胆汁酸分子的吸收降低肠上皮细胞内和血浆内的胆汁酸的含量，最终下调FXR/FGF15通路，增强CYP7A1活性，促进肝脏胆汁酸合成[29]。故被重吸收进入肠肝循环的量明显减少，大部分通过粪便排出体外，促使肝脏利用胆固醇合成胆汁酸增加；双歧杆菌还可提高肠道菌群对酸性物质和胆汁酸的耐受力，具有稳定血糖、降低血脂作用。大部分乳杆菌和双歧杆菌属菌株中，均发现乳酸菌细胞内能积累胆酸。肠道微生物产生的短链脂肪酸或乳酸降低肠道pH值，从而可能增强乳杆菌在体内对胆酸的积累；Jeun等[30]发现1株乳杆菌KCTC3928活菌株将小鼠肝脏中CYP7A1的mRNA和蛋白表达量相比于对照分别上调80%和60%，加速胆汁酸合成。可以抑制回肠FGF15基因表达，上调肝脏CYP7A1表达水平。肠道菌群不仅在肠道发挥作用，而且可调节肝脏胆汁酸合成。在生理状态下，肠道菌群激活了肠道GATA结合蛋白4的表达，使顶端钠/依赖胆汁酸转运体表达水平下降，导致胆汁酸重吸收减少，促进肝脏合成胆汁酸。

5 肠道菌群、胆汁酸与疾病相关性

炎症性肠病患者肠道菌群改变，其表现为菌群多样性相对降低，厚壁菌门中的细菌水平和抗炎细菌柔嫩梭菌群的水平降低[31]，在活动期更显著。

由于胆酸在远端小肠中被有效地再吸收，改变胆汁酸代谢和肠道微生物群可能影响肠-肝轴以及其他代谢功能。例如，最近的一项研究检测了原发性硬化性胆管炎小鼠模型中的胆汁酸谱和微生物群落结构，并证实无菌小鼠的疾病严重程度加重。通过体外实验，给予熊脱氧胆酸，胆管细胞硬化标记物降低。这表明微生物和胆汁酸在保护原发性硬化性胆管炎胆道损伤中发挥作用[32]。

许多研究已经提示了肠道微生物，胆汁酸与心血管疾病风险之间的联系。研究表明，肠道菌可以将卵磷脂、胆碱及肉碱代谢，生成氧化三甲胺，其与心血管疾病风险升高有关。饲喂小鼠氧化三甲胺减少初级胆汁酸合成（通过下调CYP7A1），最终降低胆固醇稳态机制（反向胆固醇转运）的表达，导致疾病风险升高。研究发现三甲胺和氧化三甲胺的水平与普雷沃氏菌呈显著正相关，而与拟杆菌的丰度呈显著负相关。

Herrera等[33]发现胆囊结石患者胆汁酸合成限速酶mRNA水平增加超过400%。另有研究发现与健康人群相比胆囊结石患者粪便中罗斯氏菌（Roseburia）和单形拟杆菌（Bacteroides uniformis）的种类减少，而瘤胃菌科（Ruminococcaceae）和颤螺旋菌属（Oscillospira）种类增加。但细菌多样性显著降低，粪便胆汁酸含量升高[34]。Reunanen等[35]研究发现胆囊结石小鼠肠道内分泌7α-脱羟基酶的梭菌属（Clostridium）XlVa和XVIII的丰度增加。而肠道菌群表达的7α-脱羟基酶活性增加与胆汁中脱氧胆酸水平升高相关，脱氧胆酸与胆囊结石形成有直接关联。胆囊结石可以诱导粘蛋白降解细菌艾克曼菌（Akkermansia）增加，保护肠道屏障。

胆囊切除后，胆汁失去贮藏的场所，胆道内压主要由肝细胞分泌来维持，高于Oddi括约肌压力，从而使Oddi括约肌长期开放，肝细胞分泌的胆汁持续地进入肠道,胆汁酸的重吸收增加，增加胆汁酸的肠肝循环。Malagelada[36]报告胆囊切除术后胆汁酸肠肝循环量是正常人的2倍。24 h胆汁酸的分泌量增加，初级胆汁酸和肠道细菌的接触时间延长，引起次级胆汁酸在总胆汁酸的比例增高，Vernick等[37]也发现胆汁酸持续通过肝脏和肠道，致使肠肝循环次数增多；并增加次级胆酸的生成。胆汁酸不断进入肠腔，刺激肠道运动。使肠道转运时间缩短约20%，排便次数通常会增加。肠壁长时间接触胆汁酸可能是有害的，可导致慢性腹泻和结直肠癌发生的风险增加[38]。胆囊切除后胆汁浓缩、排泄、回吸收异常，低浓度的胆汁酸，可能造成小肠内细菌过度增殖。而且Münch等[39]发现低水平的脱氧胆酸能降低结肠组织的跨上皮阻力，即肠上皮通透性增加，能增加结肠组织对细菌的吸收，胆汁在小肠内吸收减少，导致进入结肠后游离胆汁酸增加，胆汁酸浓度升高，抑制肠道有益菌，造成肠道内菌群失调。研究发现胆囊切除术后肠道中的双歧杆菌、乳酸杆菌数量明显减少，肠球菌、Oscillospira、大肠杆菌、类杆菌科和拟杆菌属显著增加。Oscillospira与次级胆汁酸（如石胆酸）正相关。与胆酸和熊脱氧胆酸负相关。Roseburia属与Rumiococcaceae和Oscillospira呈负相关。Oscillospira直接或间接参与在初级胆汁酸到次级胆汁酸的转换[35]。Berr等[40]研究发现胆囊切除术后患者3个月后，胆酸合成率平均下降37%，平均胆汁酸池减少。初级胆汁酸的肝合成和总胆汁酸池（胆酸、鹅去氧胆酸和脱氧胆酸的总和）降低。在一些早期研究中，在胆囊切除术后6周观察到鹅去氧胆酸的合成速率和胆汁酸池容量的降低，但是在术后3和9～12个月时，鹅去氧胆酸和脱氧胆酸的合成或输入速率和胆汁酸池大小处于稳定水平。Keren等[34]进行了患者自身胆囊切除前后粪便胆汁酸（n=11）的配对比较，以及所有术前（n=13）和术后粪便样本（n=17）比较，结果显示胆囊切除术后粪便中脱氧胆酸浓度增加（P=0.043），余未见明显统计学差异。胆囊切除前后患者的粪便微生物群组成相似。但拟杆菌门（Bacteroidetes）在胆囊切除术后增加，包括类杆菌科（Bacteroidaceae）和Parabacteroides。