胆汁酸与肠道菌群在肠道疾病中的研究进展

侯 康， 李苏艳， 宋丹琳， 赵 月， 陈 思， 邹 珂， 李凯园， 褚传莲，5

1.山东大学，山东 济南 250012； 2.潍坊医学院； 3.山东第一医科大学(山东省医学科学院)； 4.山东大学附属济南市中心医院保健消化科； 5.济南市胃肠疾病转化重点实验室，济南市消化疾病临床研究中心

人类胃肠道聚集了100万亿以上的微生物，包括细菌、病毒、真菌等，其中细菌中95%为双歧杆菌和乳酸菌，其在结肠中的密度最大，估计1011～1012个/ml[1-3]，肠道细菌影响胆汁酸去结合、共价修饰和异构化，胆汁酸也能够通过多种方式影响肠道菌群的组成和数量。现证实胆汁酸-肠道菌群与多种疾病有关。结直肠癌(colorectal cancer，CRC)、炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)、糖尿病、非酒精性脂肪肝、胆汁淤积性肝病、阿尔兹海默症、肝性脑病、代谢紊乱等均有胆汁酸-肠道菌群的参与。本文阐述胆汁酸与肠道菌群的相互关系，介绍胆汁酸-肠道菌群参与CRC、IBD发生发展机制，为解决临床疾病提供参考。

1 胆汁酸代谢对肠道菌群的影响

1.1 胆汁酸代谢直接影响肠道菌群的构成及丰度研究[4]发现，给予Apcmin/+小鼠脱氧胆酸(deoxycholic acid，DCA)处理，DCA可使肠道菌群F/B值升高，改变其肠道菌群组成，大肠杆菌、志贺菌等机会致病菌水平显著升高，而乳杆菌等益生菌丰度降低。这表明胆汁酸可改变肠道菌群的组成。胆汁酸还可直接抑制肠道菌群。胆汁酸作为双亲性分子，具有亲脂性和亲水性，可破坏磷脂双分子层，引起细胞膜破裂，最终导致细胞死亡[5]。胆汁酸能够通过自由扩散，进入革兰氏阴性菌细胞内，引起细胞发生应激反应，诱导细胞RNA形成二级结构，或导致热应激休克蛋白等分子伴侣变性而失去正常功能，最终导致菌体内新合成蛋白质无法正常折叠，导致细菌死亡[6-7]。疏水性DCA的抗菌效力是胆酸(cholic acid,CA)的10倍，因为疏水性胆汁酸对细菌细胞膜磷脂双分子层的亲和力更高，故对细胞膜完整性的损伤更大。胆汁酸可氧化损伤DNA，激活DNA相关修复酶[8]；与细菌内外的钙离子和亚铁离子等重要离子螯合，可以影响细菌的基因表达，及抑制细菌运动、繁殖和趋化[8-9]。

1.2 胆汁酸对肠道菌群的间接作用胆汁酸间接影响肠道菌群主要是通过法尼醇X受体(farnesoid X receptor，FXR)实现。FXR调节胆汁酸生成、分泌及代谢。FXR表达最多的是肝脏、回肠和肾脏。肝脏FXR被胆汁酸激活，诱导小异二聚体伴侣(SHP)分子的表达，SHP与肝受体同源蛋白-1(LRH-1)结合，抑制Cyp7A1基因的表达[10]。Cyp7A1是胆汁酸经典合成途径的限速酶，决定胆汁酸合成的量，在正常条件下至少75%的胆汁酸通过经典合成途径产生。在回肠中，FXR诱导小鼠成纤维细胞生长因子FGF15(人类为FGF19)表达，FGF15/19经门静脉到达肝脏，肝脏中FGF受体4(FGFR4)/b-klotho异二聚体复合物与其结合，触发JNK1/2和ERK1/2信号级联反应，导致Cyp7A1及Cyp8B1(参与胆汁酸合成)的表达受到抑制，胆汁酸合成下降[10-11]。FXR也通过调节胆盐输出泵(BSEP)和多药耐药性相关蛋白2(MRP2)转运体的表达控制胆汁酸的分泌。在胆汁酸刺激下，FXR通过作用SHP，抑制结肠细胞顶膜钠依赖性胆盐转运体(ASBT)的启动子的激活[12]；FXR可以激活回肠中胆汁酸结合蛋白(ileal bile acid binding protein，IBABP)促进胆汁酸盐从肠细胞的顶端移动到基底外侧膜，从而加速胆汁酸重吸收回肝脏，并通过诱导回肠上皮细胞异二聚体转运蛋白OSTa/OSTb的表达使胆汁酸释放到门静脉循环中以返回肝脏[13]。胆汁酸抵达肝脏处被肝细胞窦状隙膜的钠依赖的牛磺胆酸共转运多肽(NTCP)，少量被有机阴离子转运蛋(OATP)家族(OATP1和OATP4)摄取[14]，这2种转运体受到FXR的负反馈调节，表面肝脏内胆汁酸含量过高；当肝脏发生炎症时，FXR减少，NTCP及OATP受到负反馈调节，增加胆汁流入。

对FXR基因敲除小鼠和野生型小鼠使用非甾体类FXR激动剂(GW4064)预处理，然后进行胆道结扎，结果显示，两组均表现为肠道菌群紊乱及肠黏膜破坏，继续使用FXR激动剂处理，野生型小鼠体内FXR相关基因表达增加，肠道细菌的丰度降低；而FXR基因敲除小鼠不会出现上述改变，提示胆汁酸可通过激活FXR，抑制肠道菌群的过度生长，避免肠道黏膜破坏。鹅去氧胆酸(chenodeoxycholic acid，CDCA)和熊去氧胆酸(ursodeoxycholic acid，UDCA)可分别通过激活FXR和维生素D受体(vitamin D receptor，VDR)诱导内源性抑菌肽的表达，进而防止细菌对肠道上皮的侵害[15]。VDR主要作为肠道胆汁酸感受器，可被石胆酸(lithocholic acid，LCA)激活。对结肠癌小鼠补充维生素D后，小鼠胆汁酸水平明显改善，肝内CYP7A1的mRNA水平逐渐降低趋于正常[16]。这是由于VDR可以激活SD大鼠ASBT基因的表达，上调肠道中FGF15的表达，促进了回肠胆汁酸的转运，导致小鼠肝脏CYP7A1的活性降低，胆汁酸合成减少，发挥稳定胆汁酸代谢作用[17]。

2 肠道菌群对胆汁酸的影响

肠道菌群对胆汁酸的合成、代谢均有影响。肠道菌群对胆汁酸的生物转化作用以解离和脱羟基作用为主，最终生成次级胆汁酸，参与解离、脱羟基的菌群调节次级/初级胆汁酸比例；类杆菌、梭状芽孢杆菌、乳杆菌、双歧杆菌和李斯特氏菌可以产生胆汁盐水解酶(BSH)，去除甘氨酸或牛磺酸缀合物发挥去结合作用[13]。脱去甘氨酸和牛磺酸的胆汁酸，由细菌与胆汁酸诱导的基因进行多重反应最终脱下7-脱羟基成为次级胆汁酸，能够产生次级胆汁酸的细菌属于梭菌属(ⅩⅣa和Ⅺ簇)和真杆菌属[18]，均属于厚壁菌门。实验发现，无菌小鼠接受普通小鼠或人类的粪菌移植(fecal microbiota transplanta-tion,FMT)后，肠上皮FXR表达上调，FXR进一步诱导FGF15表达，进而抑制CYP7A1、CYP8B1等酶的活性，从而抑制胆汁酸的合成[18-19]。给予小鼠抗生素可抑制其回肠FGF15表达，肝脏CYP7a1表达水平及其活性升高导致胆汁酸合成较前明显增多。刘宏伟等[20]对肥胖小鼠应用狄氏副拟杆菌(Parabacteroides distasonis)治疗，发现狄氏副拟杆菌具有胆酸转化功能，能够水解多种结合型胆汁酸，将初级胆汁酸转化为多种次级胆酸(LCA、UDCA等)，同时产生大量琥珀酸。LCA等次级胆酸通过激活肠道FXR信号通路，使小鼠血清及结肠中FGF15水平升高，肝脏中Cyp7a1水平下降；UDCA可以修复肠壁完整性，琥珀酸改善宿主糖代谢紊乱。

G蛋白偶联胆汁酸受体5(G protein-coupled bile acid receptor 5,TGR5)也可被肠道菌群激活，从而抑制胆汁酸合成[13]。TGR5是一种G蛋白偶联受体(GPCR)，既往发现，与WT小鼠相比，高脂饮食的缺乏TGR5基因小鼠胆汁酸池大小减少21%～25%，体脂积累增加，体质量增加。肠道细菌还能够通过不断刺激肠道上皮细胞，导致上皮细胞中心肌转录因子4(GATA4)的表达，ABST的表达受到抑制，导致胆汁酸在回肠末端的重吸收减少[21]。

3 胆汁酸-肠道菌群与肠道疾病

3.1 胆汁酸-肠道菌群与CRCCRC是占全球发病和死亡首位的消化系统恶性肿瘤，其发病率在全球居于恶性肿瘤第3位，死亡率高居第2位[22]，而在我国分别位于我国恶性肿瘤的第4位和第5位[23]。肠道菌群的失调及次级胆汁酸的升高被认为与结肠癌发生有关。有研究发现，给予DCA喂养的小鼠肠道菌群组成发生改变，并伴有肠屏障受损、肠道低度炎症和腺瘤—癌症进展，与普通喂养的小鼠有明显差异，将粪便微生物群从DCA处理的小鼠转移到另一组正常小鼠，增加了肿瘤的多样性，诱导了炎症，激活了肿瘤相关的Wnt/β-catenin信号通路；随后的研究发现由抗生素的鸡尾酒消耗的微生物群足以阻断DCA诱导的肠道癌变，提示DCA引起的微生物群落的改变，共同促进肠道癌变[24]。

次级胆汁酸引发CRC涉及多种机制。次级胆汁酸刺激Wnt与低密度脂蛋白受体相关蛋白(LRP)-卷曲受体(FZR)-E-钙黏蛋白-β-连环蛋白复合物的结合，导致β-连环蛋白从E-钙黏蛋白释放并进入细胞质，然后移位到细胞核并刺激转录因子，如Lef/TCF，促进细胞增殖和细胞干细胞，从而促进大肠癌的发生发展。次级胆汁酸可以激活表皮生长因子受体(EGFR)、释放花生四烯酸(AA)释放到细胞质中、刺激NADP(H)氧化酶等增加活性氧(ROS)产生，ROS可引起DNA损伤及炎症，诱导细胞癌变。此外ROS也可以导致促炎细胞因子IL-1β表达上调并激活NF-κB[13]。胆汁酸还可以激活蛋白激酶C(PKC)，进而激活NF-κB通路，激活的NF-κB转录编码IL-1β的基因，IL-1β阻断p53活性，p53的减少导致细胞凋亡减少[13]。胆汁酸可以激活EGFR，进而激活Ras-ERK1/2信号通路，最终导致靶基因c-myc的转录，促进细胞增殖和干细胞分化[25]。

DCA可诱导肠道菌群失调并产生有害菌群，影响结肠癌的发生发展。喂食DCA小鼠可出现肠道菌群失调、有害菌群增加及有益菌的减少[24]。肠道菌群失调可导致慢性炎症、肠道通透性增加，进而诱发免疫反应、激活炎性因子的导致癌症发生发展[26]。肠道生物失调会导致微生物群产生未结合胆汁酸和次级胆汁酸的能力减弱，这些胆汁酸是激活FXR的高亲和力配体。FXR在mRNA水平上在结肠息肉中表达降低，在结肠腺癌中的表达更明显。FXR表达缺失可导致Apcmin/+小鼠早期死亡率增加，促进Wnt信号通路活化并产生TNF-α，从而促进肿瘤发展。因此，通过控制肠道菌群失调，恢复FXR活力，建立完整的胆汁酸肠肝循环，有助于肠道肿瘤的控制。研究发现，与对照组相比，添加DCA组小鼠的条件致病菌如瘤胃球菌、梭状芽孢杆菌、大肠杆菌、脱硫弧菌、DOREA等均明显升高，乳酸杆菌、乳球菌、蔷薇酸菌相对较少[24]。其中大肠杆菌菌株能合成各种毒力因子，毒力因子具有遗传毒性和调节细胞周期进展、增殖、分化和凋亡，还可诱导人DNA双链的断裂和染色体不稳定的发生促进大肠癌的发生[26]。有研究表明，核梭状芽孢杆菌通过其FadA黏附素调节E-钙黏蛋白/β-连环蛋白信号传导来促进CRC发生[27]。最近发现肠道菌可影响阿司匹林对大肠癌的预防作用[28]，喂食阿司匹林后小鼠中有益菌(双歧杆菌和乳酸杆菌)增加，致病菌(Alistipes finegoldii和脆弱拟杆菌)减少。发现阿司匹林可抑制接受过抗生素处理的肿瘤发生发展，肠道菌群中的球形芽孢杆菌(Lysinibacillus sphaericus)可降解阿司匹林，消除阿司匹林通过改善肠道菌群而发挥的抗癌作用。值得一提的是，针对肿瘤好发于结肠而不是小肠中，研究者将突变型p53基因引入到WNT驱动的肠癌小鼠中，发现十二指肠和空场未见肿瘤生长，突变型p53发生超强抑癌作用；而在结肠和空肠中突变型p53与转录因子TCF4结合，激活Wnt通路，促进肿瘤发生发展，使结肠和回肠出现高度发育不良和增生，这是因为肠道菌群中特定菌群(乳杆菌和枯草芽孢杆菌)代谢出抗氧化物质——没食子酸导致肠癌的发生[29]，这与以往抗氧化预防抗肿瘤的认知不一致。总而言之，胆汁酸与肠道菌群之间关系密切，并可以通过相互作用影响，在一定条件下相互促进导致CRC的发生。

3.2 胆汁酸-肠道菌群与IBD作为一种病因和发病机制未明的慢性非特异性肠道炎症性疾病，IBD的发生可能是感染、环境、遗传、免疫等相互作用的结果。胆汁酸-肠道菌群的失衡破坏宿主物质代谢及信号传导，现认为参与IBD的发生。TGR5与胆汁酸存在负性调控，主要由LCA和DCA激活。TGR5选择性激动剂能维持肠上皮屏障的完整性，减轻肠道异常免疫反应[30]。研究显示，胆汁酸可以激活TGR5-cAMP-CREB通路，抑制脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)刺激巨噬细胞分泌细胞因子，减少巨噬细胞向分泌IL-12的树突细胞分化[31]；激活TGR5能抑制NF-κB，减少炎症因子IL-8基因表达，诱导的IL-10等细胞因子分泌，进而发挥抗炎效应[32]，以上均提示TGR5可能在炎症性肠病中发挥保护作用。肠道发生炎症时肠道屏障受损，导致FXR的表达降低，最终破坏肠肝循环使胆汁酸积聚在肠黏膜，肠道炎症加重。激活FXR可改善动物结肠炎症，对动物的肠道炎症具有保护作用，使肠道通透性降低，减少杯状细胞消亡；FXR的激活还可抑制IBD患者黏膜细胞分泌TNF-α、干扰素(IFN)-γ、IL-17等炎性细胞因子，上调肠道中抗炎因子IL-10表达[33]。研究发现，IBD患者肠道维生素D代谢失衡，血清25-羟维生素D水平降低，VRD表达下调，炎症细胞(如单核细胞、树突状细胞、巨噬细胞及活化的T/B淋巴细胞)的VRD的水平较高，这表明VRD可能参与IBD炎性细胞的分化及功能[34]。最近有研究表明，胆汁酸经菌群代谢后的产物等能调节肠道RORγ+调节性T细胞稳态，且肠道胆汁酸池恢复后增加了结肠RORγ+Treg细胞的数量，胆汁酸-VRD维持RORγ+调节性T细胞在葡聚糖硫酸钠(dextran sulphate sodium，DSS)诱导的结肠炎中发挥保护作用[35]。

研究发现，IBD患者肠道菌群失调，厚壁菌门、拟杆菌门菌群数量下降[36]，引发的肠腔内次级胆汁酸减少，3-OH硫化次级胆汁酸含量增加，次级胆汁酸的减少会减弱对肠道上皮细胞的保护作用，同时3-OH硫化次级胆汁酸的增加减弱了次级胆汁酸的抗炎作用，可能使IBD恶化[37]。

FMT作为新型的治疗方法能重建肠道菌群，改变引起自身免疫反应的因素，在治疗IBD中备受关注。通过FMT将供体粪便移植导入IBD患者，不仅可以纠正菌群失调，增加正常肠道微生物数量，从肠道中竞争获取营养物质，抑制病原微生物的生长，还可以恢复肠壁功能[38]。目前发现在患者接受FMT 3个月后，肠道中的拟杆菌由原来的7%上升至41%，拟杆菌通过诱导潘氏细胞合成抗菌蛋白，增强溶菌酶的抗菌活性，拟杆菌还参与诱导转录因子血管生成素-3，可以促进肠黏膜的发育及肠道微血管的形成，可见通过FMT可以维持肠壁屏障功能[39-40]。进行FMT可以改变体内胆汁酸组成，影起FXR受体及FGF水平变化[41]。对肥胖或高脂饮食小鼠进行FMT后发现，CA及DCA水平下降，下调色氨酸羟化酶1(TPH1)表达，进而降低肠道5-羟色胺水平[42]，5-羟色胺能够抑制肠道共生菌生长、抑制肠道上皮β防御素的产生及加重肠道炎症[43]。

4 结语与期望

胆汁酸的合成、代谢是一个复杂过程，不仅在肝内受到多种酶的影响，而且胆汁酸相关受体更参与胆汁酸的代谢，随着对肠道菌群研究的深入，肠道菌群也参与胆汁酸池的调控，胆汁酸与肠道菌群之间的关系越来越明确。胆汁酸本身可以影响肠道菌群的比例及数量，通过胆汁酸相关受体对肠道菌群也有间接影响。胆汁酸-肠道菌群在肠道疾病中的研究越来越受到重视。次级胆汁酸本身可通过多种机制参与CRC的发展，还可以引起肠道菌群失调，导致有害菌群增加、形成肠道慢性炎症。胆汁酸相关受体及肠道菌群失调现认为也与IBD的产生有关，其中FMT可以明显缓解IBD患者病情。随着对肠道菌群研究的深入，现在胆汁酸与肠道菌群的关系更加清晰，在参与发生CRC、IBD等方面取得了新的发现，为以后治疗肠道相关疾病提供理论基础，但要把研究成果应用到实际临床上还需要更加深入的探讨与研究。