肠道菌群及其代谢物在胆囊胆固醇结石形成中的作用机制

赵瀚东， 高 鹏， 詹 丽

1 甘肃中医药大学第一临床医学院(甘肃省人民医院)， 兰州 730000；2 甘肃省人民医院 a.普外科, b.消化科， 兰州 730000

胆囊结石是消化系统常见病，西方国家的发病率达10%～15%[1]，我国胆囊结石的发病率也在逐渐增加。在胆囊结石中，超过80%为胆固醇结石[2]。我国胆囊结石的发病与油腻饮食、肥胖、脂肪肝以及缺乏运动等因素密切相关[3]。近年来相关研究表明，肠道菌群与胆囊结石的形成密切相关，基于以往的报道肠道菌群参与多种疾病的发生发展已被证实，但关于其与胆囊结石关系仍处于探索之中。因此，肠道菌群与胆囊胆固醇结石之间的关系及作用机制值得探究。

1 肠道微生态与胆囊结石

肠道微生态系统组成复杂、种类丰富，其总数可达1014数量级，是人体体细胞的10倍左右，其编码的基因数约为人类基因组的150多倍，也被称为“人类第二套基因组”[4-5]。人体肠道菌群分为5个菌门：拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门、变形菌门和疣微菌门，其中以拟杆菌门、厚壁菌门占多数[6]。肠道菌群参与机体的营养代谢、免疫调节以及肠黏膜屏障的稳定[7]。肠道菌群的数量及结构并非一成不变，一些因素如年龄、不同民族、饮食习惯、基因等均可对其产生影响[8]。当肠道菌群紊乱，其维持的动态平衡被打破，可能参与如非酒性脂肪性肝病[9]、急性胰腺炎[10]等疾病的发生进展。

胆囊结石作为一种与代谢密切相关的疾病，其形成机制包括胆固醇过饱和、胆汁中胆固醇结晶能力加快、胆囊收缩功能障碍以及肠道吸收胆固醇能力加快等诸多因素[1]，但胆固醇过度分泌或者合成胆汁酸减少导致胆汁胆固醇过度饱和被认为是胆结石形成的先决条件[11]，因此，任何造成胆固醇与胆汁酸平衡失调的因素都能导致胆结石的形成。胆道连接于肝脏和肠道，肠道菌群可调节经肝脏合成排入肠道胆汁酸，同时肠道菌群的结构和分布又受胆汁酸的影响[12]。胆汁酸代谢紊乱是胆囊结石形成的关键一步，肠道细菌可能通过调节胆汁酸的肝肠循环进一步影响胆结石的形成。

2 肠道菌群参与胆囊胆固醇结石形成的机制

肠道菌群可能是通过调节胆汁酸的代谢进而参与胆固醇结石的形成。具体调节过程分为：(1)结合胆汁酸能被肠道细菌产生的胆汁酸盐水解酶(bile salt hydrolase，BSH)水解成游离胆汁酸。(2)游离胆汁酸被具有7α-脱羟酶活性的肠道细菌转化为次级胆汁酸，任何干扰此过程的因素都会导致胆汁酸代谢紊乱。

2.1 胆汁酸的肠肝循环 肝实质细胞以胆固醇为原料通过经典途径以及替代途径合成胆汁酸。前者主要以胆固醇7α-羟化酶(cholesterol 7 alpha-hydroxylase，CYP7A1)介导，后者则以甾醇27-羟化酶(sterol 27-hydroxylase，CYP27A1)介导[13]。胆固醇首先转化为游离状态的初级胆汁酸鹅去氧胆酸(chenodeoxycholic acid，CDCA)和胆酸(cholic acid，CA)，再与牛磺酸及甘氨酸结合形成结合型胆汁酸储存于胆囊，当进食刺激后，胆汁经胆囊收缩排入肠腔，帮助脂类物质在小肠的吸收，在此过程中CYP7A1作为唯一限制性合成酶，发挥着重要作用。除了以结合初级胆汁酸的形式被回肠末端重吸收外，一小部分结合胆汁酸先经BSH催化形成游离胆汁酸，游离胆汁酸再经过肠道菌群的脱羟作用，形成次级胆汁酸脱氧胆酸(deoxycholic acid，DCA)及石胆酸(lithocholic acid，LCA)最终被重吸收[14]，由此完成胆汁酸的肠肝循环。

2.2 具有BSH的细菌与胆汁酸代谢 目前已经鉴定具有BSH的细菌包括拟杆菌属、梭菌属、双歧杆菌属、乳酸杆菌以及肠球菌属[15]。研究[16]表明乳杆菌ATCC4005分离出的BSH能够使大鼠血清胆固醇水平降低58%。植物乳杆菌Lab4及CUL66具有产生BSH的能力，给与上述菌株喂养的小鼠，其粪便中总胆汁酸和游离胆汁酸水平升高，推测植物乳杆菌Lab4和CUL66发挥降低血清胆固醇作用可能是通过其在宿主肠道中产生BSH介导胆汁酸代谢而产生的[17]。肠道细菌通过产生BSH将结合胆汁酸水解成游离状态的胆汁酸如CDCA、CA等，激活法尼酯X受体(farnesoid X receptor，FXR)，FXR是参与肠肝循环调控胆汁酸代谢的重要受体，在肝脏、肠道等器官均可见表达。在肝脏的小异源二聚体伴侣(short heterodimer partner，SHP)以及在肠道的成纤维细胞生长因子15/19(fibroblast growth factor 19/15，FGF15/19)，二者都能被FXR诱导，SHP可以减少肝受体同源物1(liver receptor homolog-1，LRH1)的生成，而FGF19作用于肝脏的成纤维细胞生长因子受体4(fibroblast growth factor receptor 4，FGFR4)及β-klotho受体，二者最终通过抑制CYP7A1的活性，减少胆汁酸的合成[18-19]。有研究[20-21]显示，在无菌小鼠和经抗生素干预的小鼠中，其胆汁酸池均增加。这可能是因为在无菌小鼠中，作为FXR受体拮抗剂的牛磺-β-鼠胆酸不能被肠道菌群产生的BSH水解，进而抑制FXR活性和FGF15表达，促进胆汁酸合成[20,22]。肠道菌群通过一系列过程激活FXR，通过SHP以及FGF15/19负反馈途径，从而维持胆汁酸成动态平衡。当肠道菌群紊乱，BSH活性增强，游离胆汁酸在肠道聚集，此时机体发动FXR负反馈途径，抑制胆汁酸合成，胆汁酸合成减少，使得胆固醇过饱和，由于影响肠道菌群的因素仍然存在，导致机体胆汁酸的正向合成途径不能完全发挥，周而复始，从而增加了胆固醇结石形成的机会[23]。

2.3 具有7α-脱羟酶活性的细菌与胆汁酸代谢 游离胆汁酸可被肠道中具有7α-脱羟酶活性的细菌转化为次级胆汁酸。目前对7α-脱羟基菌在肠道中分布情况仍处于探索之中，已知梭菌属、毛螺科以及消化链球菌科具有7α-脱羟基活性，这些菌群虽然只占全肠细菌的百分之一，但对宿主发挥的作用却是巨大的[24]。梭菌属作为人体结肠中催化游离胆汁酸为次级胆汁酸的主要菌属，在此过程中扮演着主要角色。游离胆汁酸经7α-脱羟基菌的作用，最终完成胆汁酸的7α-羟基脱氧过程，生成DCA等次级胆汁酸[25]。相关研究表明，胆固醇结石的形成与7α-脱羟基酶活性有关，肠道菌群中7α-脱羟基酶活性增高能够促进胆固醇结石的形成[26]，其机制可能是因为次级胆汁酸受7α-脱羟基酶活性调控，该酶活性增高，次级胆汁酸的生成就会增多，但人体自身不能对次级胆汁酸如DCA进行7α-羟化形成CA，也不能将胆汁池中的DCA通过代谢的方式去除[25]，因此，这些次级胆汁酸就会在胆汁中积累到很高的水平，增加了胆固醇结石形成的可能[23]。

3 肠道菌群代谢物参与胆囊胆固醇结石形成的机制

3.1 丁酸与胆囊胆固醇结石的关系 丁酸作为短链脂肪酸主要成员之一，在肠道中主要由膳食纤维酵解产生，其可作为主要能源物质为肠上皮供能，也可通过脂肪酸氧化为机体供能[27]。产丁酸的细菌主要分布在结肠和盲肠中，以厚壁菌门为主，包括梭杆菌属、真杆菌属、梭菌属、罗氏菌属等[28]。有关研究关注了胆固醇结石中产丁酸菌群变化情况。Wang等[11]为探讨成石饮食喂养的小鼠肠道微生物群组成的变化情况，经过8周的成石喂养(含有1.25%胆固醇和0.5%胆酸)干预后，采用16S rRNA基因测序技术对小鼠粪便微生物群进行检测，结果发现与普通饲料喂养相比，成石饮食喂养的小鼠肠道菌群的丰度和多样性显著降低，厚壁菌门以及厚壁菌门与拟杆菌门的比例降低。研究[29]显示胆囊结石患者与健康组相比，在细菌门水平上，胆结石组变形菌门的含量显著增加(P<0.05)，在细菌属水平上，胆结石组普拉梭菌、毛螺科菌、罗氏菌属的含量明显降低(P<0.05)。胆囊结石患者粪便中明显增加的菌群如肠杆菌、肠球菌，而明显减少的菌群如双歧杆菌、乳酸菌。上述研究说明了胆结石患者中存在肠道菌群失调，尤其是产丁酸的菌群普拉梭菌、罗氏菌等都处于减少状态。结合相关研究[30-31]，产丁酸菌的乳酸杆菌能够降血液胆固醇含量，这种机制可能是乳酸杆菌增加了肠道丁酸盐的含量，增强了BSH的活性，使肠腔内的游离胆汁酸增多，而具有疏水性的游离胆汁酸不易被肠道重吸收，便随粪便排出体外，为弥补流失的胆汁酸，肝脏则以血液中的胆固醇为原料来合成胆汁酸，如此循环，胆固醇转化为胆汁酸的过程加快，从而使得血液中胆固醇降低。此外也有研究[32]发现双歧杆菌不但可以调节肠道菌群，提高肠道菌群对酸性物质以及胆汁酸的耐受力，从而发挥稳定血糖、降低血脂的作用，而且能增加BALB/c小鼠肠道微生物的多样性，减少肠道病原菌数量。益生菌制剂VSL#3(富含乳酸杆菌和双歧杆菌)可以促进结合胆汁酸水解，抑制肠道胆汁酸的吸收并增加胆汁酸的排泄，增强肝脏胆汁酸合成，可能与乳酸杆菌及双歧杆菌含有高活性的BSH有关[33]。胆固醇转化为胆汁酸的过程加快，减弱了胆固醇的过饱和，也不利于胆固醇结石的形成。

3.2 氧化三甲胺(trimethylamine-N-oxide，TMAO)与胆囊胆固醇结石的关系 TMAO主要来源于膳食中的胆碱、肉碱等，这些物质首先在肠道菌群的作用生成小分子代谢物三甲胺(trimethylamine，TMA)，随后经肠道吸收进入肝脏，在肝脏中的黄素单氧化酶3(flavin-containingmonooxygenase 3，FMO3)作用下转化为TMAO[34]。TMAO可通过增加SHP和FXR的表达，抑制参与肝脏胆汁酸合成中的关键酶CYP7A1的表达，从而抑制胆汁酸合成[35]。研究[36]表明血浆TMAO水平升高与人类胆结石疾病的存在呈正相关。该研究在进一步的小鼠实验中发现膳食补充TMAO或其前体胆碱，小鼠肝脏中FMO3及血浆中TMAO水平会升高，并可诱导肝脏胆固醇转运蛋白ATP结合盒蛋白(ABC)G5、G8的表达。在具有胆结石抗性品系AKR/J小鼠中，喂食含有0.3% TMAO及成石头饲料的小鼠与仅给予成石饲料喂养的小鼠相比，胆结石的发生率上升至70%，其机制可能是TMAO诱导的肝脏ABCG5、G8表达增加，并导致胆固醇结石形成。同时也阐明了在平原地区FMO3及其代谢产物TMAO共同参与了胆囊胆固醇结石的形成。而在高原地区相关研究采用高脂饮食诱发的胆囊胆固醇结石小鼠与正常饲料喂养的小鼠相比，高脂饮食组血浆TMAO和肝脏FMO3 mRNA表达水平均明显高于对照组(P值均<0.05)，这可能是因为FMO3高表达时，能够延缓胆囊中胆汁分泌，使肠道中的胆固醇吸收减少，而TMAO可作为胆固醇代谢和胆固醇逆向转运的工具，抑制胆汁酸的合成，胆汁酸长期合成减少导致胆固醇过饱和，从而出现了胆结石[37]。上述研究均说明TMAO与胆囊胆固醇结石密切相关，但具体的影响机制有待研究。

4 小结

肠道菌群及其代谢物与胆固醇结石的形成密切相关，这对胆固醇结石的治疗及预防提供了一个新方向。但就目前而言关于肠道菌群与胆固醇结石发病机制的研究尚待探索，期待新的基因组测序技术的发展能够更加系统地探究胆固醇型胆囊结石中肠道菌群结构的变化特点，以及肠道菌群变化与胆固醇型胆结石之间的关系，以便采用益生菌制剂等方法调节肠道菌群从而达到预防或治疗的效果。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：赵瀚东负责文献检索分析，撰写论文；高鹏参与修改论文；詹丽负责拟定写作思路，指导撰写文章并最后定稿。