肠道菌群和胆汁酸的相互作用与多囊卵巢综合征

高惠民，张婷婷，刘瑞霞，李天鹤，阴赪宏

(首都医科大学附属北京妇产医院，北京 100026)

多囊卵巢综合征(PCOS)是临床中常见的妇科内分泌紊乱疾病，与生殖和代谢密切相关，影响着5%～10%的育龄期女性，是青春期、育龄期女性月经紊乱及不孕的原因之一[1]。PCOS除了具有临床复杂性之外，还是一种高度异质性的疾病，常表现为雄激素过高、月经失调、多毛、肥胖和不育等。这些症状及表现均易使PCOS患者产生焦虑、抑郁等心理障碍，长期的心理障碍和疾病的相互作用使得PCOS的治疗常表现为长期性、易复性等特点。PCOS的发病机制尚不明确，近年来随着测序技术和组学技术的不断发展，越来越多的证据表明肠道菌群和PCOS之间存在着密切的联系[2-3]。胆汁酸是胆汁的主要成分，其可以影响肠道菌群的分布及组成[4]，因此探究肠道菌群和胆汁酸的相互作用对PCOS的影响成为了新的研究方向。本文主要从胆汁酸代谢、肠道菌群以及两者间相互作用3个角度阐述其对PCOS的影响。

一、肠道菌群

肠道菌群是指定居在人体以及其它动物消化道的微生物，包括细菌、古细菌、真核生物和病毒[5]。据估计，人体内由微生物构成的细胞数量约为人类细胞数量的10多倍，且它们编码的独特基因是人类自身基因组的100多倍；这些微生物影响肠道微环境、自身免疫以及宿主代谢，因此又被称为人类的“第二基因组”[6]。虽然肠道菌群的组成是动态改变的，但它们在人体免疫、代谢、结构和神经学方面仍发挥着许多特定的作用，且对人体的身心健康产生巨大的影响[7]。

二、胆汁酸

胆汁酸是胆汁的主要成分。在哺乳动物中，胆汁酸的合成主要包括经典途经和替代途径两种。大多数初级胆汁酸是通过经典途径以胆固醇为原料合成的，包括胆酸(cholic acid，CA)和鹅脱氧胆酸(chenodeoxycholic acid，CDCA)。其中胆固醇7α-羟化酶(CYP7A1)是这一途径的主要限速酶。甾醇-27-羟化酶(CYP27A1)和氧甾醇-7α-羟化酶(CYP7B1)则在替代途径中发挥催化作用，主要产生CDCA。胆汁酸的合成、代谢以及生物转化均与肠道菌群密切相关[8]。

三、肠道菌群与胆汁酸代谢的相互影响

肠道菌群可通过影响胆汁酸的生物转化来调节胆汁酸的结构和类型。肠道微生物中存在3种不同的微生物羟基甾类脱氢酶(HSDH)，它们可以使得胆汁酸上特定的羟基发生氧化和差向异构化，从而影响胆汁酸的理化性质与生物毒性[9]。其中胆盐水解酶(BSH)对胆汁酸进行解偶联是影响胆汁酸代谢的关键步骤之一。有研究表明，包括乳酸杆菌、双歧杆菌、肠球杆菌、产气荚膜梭菌等在内的多种肠道微生物均具有BSH的活性[10]。而菌群中BSH基因丰度与溃疡性结肠炎、2型糖尿病、帕金森病及乳腺癌等10种人类疾病存在显著相关性[11]。进一步的研究发现通过给肥胖小鼠灌胃菌株A. muciniphila后可以有效提高肠-肝轴的线粒体氧化和胆汁酸代谢，有利于改善氧化应激诱导的肠道细胞凋亡，重塑肠道菌群[12]。对无菌动物和常规饲养动物的胆汁酸代谢谱进行分析后发现，无菌小鼠肠道内除了有低水平的牛磺熊去氧胆酸(TUDCA)外，几乎只含有牛磺-β-鼠胆酸(TβMCA)和牛磺胆酸(TCA)。TβMCA可以作为抑制剂来拮抗法尼醇X受体(FXR)与成纤维细胞因子15(FGF15)的表达，从而增加胆汁酸合成关键酶CYP7A1的表达来参与胆汁酸合成。此外，该研究将FXR基因敲除小鼠培养成无菌小鼠后进一步发现：肠道菌群通过FXR依赖性机制调节肠道中FGF15和肝脏中CYP7A1的表达[13]。表明肠道菌群对于胆汁酸代谢有着深远的影响。

机体内胆汁酸水平会进一步调控肠道菌群组成。胆道阻塞会阻止胆汁流入肠道，导致细菌过度生长以及在小肠中的移位；而通过补充外源性胆汁酸可以逆转这一过程[14]。此外，胆汁酸具有抗菌作用，不仅可以改变细胞膜和膜结合蛋白的流动性和渗透性，还会引起DNA损伤和氧化应激，影响RNA和蛋白质的形成[15]。胆汁酸的抗菌作用使得其可以重塑肠道菌群。有研究表明，通过补充外源性的胆汁酸可以增加肠道厚壁菌门的数量，降低拟杆菌门的数量[16]；这一发现与通过高脂饮食干预后的小鼠肠道菌群特征极为相似：Zheng等[17]发现，高脂饮食可通过影响胆汁酸的分泌改变肠道菌群的种类和数量，且这种改变具有时间依赖性——高脂饮食诱导后的胆汁酸分泌在12 h后达到最大化，而肠道菌群的变化在72 h后达到最大化。

四、肠道菌群-胆汁酸代谢与PCOS

1.肠道菌群在PCOS患者中的变化：自2012年Tremellen等[18]首次对PCOS和肠道菌群的研究进行综述后，越来越多的研究开始探讨PCOS与肠道菌群的关系。目前达成一致的观点是，PCOS患者与健康人群的肠道菌群组成存在差异，主要表现为菌群的alpha多样性和beta多样性发生改变；此外，PCOS患者肠道中的某些细菌(例如厚壁菌属和拟杆菌属)的组成与平衡也发生了变化[19-21]。动物实验方面，Kelley等[22]通过来曲唑诱导建立PCOS小鼠模型后发现，PCOS小鼠的肠道菌群发生改变，主要体现在肠道菌群的种类和数量显著减少以及拟杆菌门和厚壁菌门的丰度发生了显著变化。

2.PCOS和胆汁酸：胆汁酸可参与包括糖脂代谢在内的多种代谢途径，与PCOS的发病密切相关。Jia等[23]通过分析PCOS患者的代谢谱后发现PCOS患者体内的多种代谢途径包括脂代谢、肉碱代谢、雄激素代谢以及胆汁酸代谢均存在紊乱，且发现PCOS患者的甘氨胆酸减少。Zhang等[24]通过评估PCOS患者的循环胆汁酸谱与高雄激素血症的关系后发现总胆汁酸水平在PCOS患者中显著增加，尤其是与甘氨酸和牛磺酸结合的初级胆汁酸，且结合型初级胆汁酸与总睾酮和雄烯二酮的血清浓度呈正相关。但仍需更大样本量的队列研究对相关机制进行深入挖掘和探讨。动物实验方面，Gozukara等[25]发现熊去氧胆酸(UDCA)可以减少PCOS大鼠卵巢中囊状和闭锁卵泡的数量，增加窦状卵泡的数量并降低睾酮的水平。这表明UDCA在PCOS的治疗中存在巨大的潜力。尽管UDCA对PCOS有一些有益的影响，但也有其局限性：单一的动物模型未必能完全复制出复杂的人类疾病，无论是在剂量还是治疗持续时间方面将大鼠模型的结果应用于人类都具有一定的挑战性。因此仍需要研究者们采用不同的建模方法和技术来探讨胆汁酸在PCOS中的具体作用及其分子机制，为PCOS的预防和诊疗提供新的思路。

3. 肠道菌群与胆汁酸共同作用于PCOS：近年来一些研究表明，肠道菌群和胆汁酸相互影响并共同参与了PCOS的发病进展。有文献报道，与健康对照组相比，PCOS患者粪便中的普通双歧杆菌显著增加[26]。Qi等[27]在动物试验中发现，健康小鼠移植了PCOS妇女的粪便微生物群或被喂食了普通双歧杆菌后，其所表现的胰岛素抵抗(IR)、动情周期紊乱和激素水平异常均是PCOS的典型特征；在临床实验研究中，他们进一步发现PCOS患者的拟杆菌中BSH的丰度显著增加，这导致PCOS患者的甘氨胆酸脱氧胆酸(GDCA)和TUDCA的水平显著降低；而给予PCOS小鼠外源性的GDCA和TUDCA后，可通过上调白介素-22(IL-22)的表达来改善PCOS的表型[27]。在其他动物实验中，Li等[28]发现抗氧化剂Tempol，除了可以改善PCOS大鼠的肠道和全身氧化应激水平之外，还可以改善PCOS相关的表型并且减轻PCOS大鼠的肠道菌群失调，调节PCOS大鼠的胆汁酸水平，具体表现为TCA与乳球菌的水平呈负相关。表明肠道菌群和胆汁酸存在内在联系，且参与调控PCOS性激素水平。

4. 肠道菌群-胆汁酸对肥胖的影响：肥胖是世界范围内非常普遍的健康问题，尽管肥胖未纳入PCOS的诊断标准，但约38%～88%的PCOS患者都表现为肥胖或者超重[29]。近年来，肠道菌群和肥胖之间的联系一直备受关注。有研究表明，高脂饮食可以通过改变肠道菌群的种类和分布从而导致肥胖；且厚壁菌门与拟杆菌门的比例越高，肠道菌群从饮食中提取能量的效率就越高，这可能是肥胖发生的重要原因之一[30]。肠道菌群可以通过调节胆汁酸的代谢与转化来维持其稳态。因此肠道菌群-胆汁酸轴与肥胖的关系成为许多研究者关注的方向。Zhou等[31]分析并对比PCOS肥胖患者和非PCOS肥胖妇女的肠道菌群和粪便代谢物的特征变化后发现，在PCOS肥胖患者中存在4种特征性肠道菌群，包括腔隙杆菌(Lachnoclostridium)、梭杆菌属(Fusobacterium)、粪球菌属(Coprococcus_2)和Tyzzerela；此外，TCA可作为一种特征代谢物参与PCOS肥胖的发展进程。胆汁酸可以通过激活FXR受体和G蛋白耦联胆汁酸受体(TGR5)调节胰高血糖素样肽1(GLP-1)的释放，这一过程与肥胖的发生发展密切相关[32]。通过补充外源性的产酸拟杆菌后，小鼠的体重与脂肪含量均相应下降，但血清中的胰岛素、GLP-1以及胆汁酸水平均明显升高，提示产酸拟杆菌可以改善IR并预防肥胖症，且这一作用可能是通过肠道中的FXR/TGR5/GLP-1信号通路实现的[33]。Wei等[34]通过分析代谢正常的高体质量指数(BMI)人群以及代谢异常的高BMI人群的胆汁酸代谢谱后发现，代谢异常组的猪胆酸(HCA)、猪去氧胆酸(HDCA)、甘氨猪脱氧胆酸(GHDCA)、UDCA、CDCA和甘氨熊脱氧胆酸(GUDCA)水平显著降低，且上述胆汁酸均属于非-12OH胆汁酸；此外，通过分析高脂饮食诱导的肥胖小鼠(HF-OP)以及肥胖抵抗小鼠(HF-OR)的肠道菌群后发现HF-OP 组中的C. scindens和C. hylemonae显著减少，且C. scindens与UDCA、石胆酸(LCA)和脱氧胆酸(DCA)水平呈正相关，C. hylemonae与UDCA水平呈正相关，提示肠道菌群失调会影响胆汁酸的组成；进一步实验中，给予高脂饮食小鼠组外源性的UDCA后发现，小鼠的体重下降且相应的非-12OH 胆汁酸水平上升，提示胆汁酸的调节可作为一种潜在的治疗方法来改善肥胖，且肠道菌群-胆汁酸可能通过影响肥胖参与PCOS进程。

5. 肠道菌群-胆汁酸对IR的影响：IR是导致PCOS患者生殖功能障碍的原因之一，其通过影响PCOS患者的排卵功能并参与子宫内膜疾病的发展从而导致不孕。肠道菌群可以通过多个环节和途径影响PCOS患者的代谢与IR[35]。He等[36]通过分析伴有IR的PCOS患者(PCOS-IR)、不伴有IR的PCOS患者(PCOS-NIR)及BMI匹配的健康对照女性(HC)肠道菌群特征后发现，与PCOS-NIR和HC组相比，PCOS-IR患者的肠道菌群失调更严重，具体表现为肠球菌丰度增加，而肠球菌通过参与IR相关的代谢途径，影响肠道环境并促进PCOS的发生和发展。有研究发现PCOS小鼠的拟杆菌丰度明显高于对照组，这与PCOS患者的肠道菌群改变情况相似；此外，PCOS小鼠的空腹血糖及胰岛素抵抗指数(HOMA-IR)均显著高于对照组[37]。为了进一步探究肠道菌群在PCOS中的作用，Yang等[37]用抗生素处理PCOS小鼠后发现，小鼠回肠中的FXR mRNA水平与血清中的FGF15水平显著增加且IR得到改善。FXR被胆汁酸激活后，可使小异二聚体伴侣(SHP)的表达上调，SHP通过下调CYP7A1和CYP8B1的表达后减少胆汁酸的合成；给PCOS小鼠补充外源性的FXR激动剂CDCA后观察到小鼠空腹血糖和平均血糖水平均有所改善；基于以上结论研究者们进一步推测：肠道菌群是导致PCOS患者发生IR的重要因素，拟杆菌可能通过拟杆菌- 胆汁酸-肠道 FXR 信号通路参与PCOS的发生与转归[38]。

五、总结与展望

随着新的组学技术和生物信息学方法的不断出现，越来越多的研究发现胆汁酸与肠道菌群稳态之间存在着密不可分的联系，并且在PCOS的病理生理以及发生发展中扮演着重要的角色。然而大部分关于胆汁酸的研究都基于动物模型，无论是小鼠还是大鼠的免疫系统、胆汁酸代谢和肠道菌群组成都与人类有很大的不同。通过抗生素、益生菌、益生元和粪便细菌移植来调节胆汁酸组成的肠道菌群变化可以改善PCOS。虽然肠道菌群-胆汁酸轴在PCOS患者的发病过程中扮演了重要角色，但其确切的分子机制仍有待阐明，尤其是特定肠道菌群种类及其代谢物在调节PCOS患者代谢及各种表型发展中的作用。未来的研究应致力于探讨胆汁酸浓度和组成变化与PCOS患者和健康人群的肠道菌群变化之间的关系，为治疗PCOS提供新的理论依据和方法。胆汁酸与肠道-卵巢轴中宿主-微生物组之间复杂的相互作用才刚刚开始被了解，临床试验和进一步深入的研究可以帮助研究者们探索胆汁酸在健康个体和PCOS患者中的不同作用，使其作为潜在的治疗手段得到最佳利用，这对于早日研发更多有效且安全的PCOS治疗药物也有着一定的指导意义。