胆汁酸膜受体Gpbar1在梗阻性黄疸发病机制中的意义与研究进展

刘嘉悦,陈海洋,张桂信,大连医科大学中西医结合临床重点学科实验室 辽宁省大连市 116044

张桂信,大连医科学附属第一医院普外三科 辽宁省大连市 116011

0 引言

梗阻性黄疸(obstructive jaundice,OJ)是一种常见的临床症状,常表明可能有一个重要的潜在疾病的过程[1].它可由炎症、结石、肿瘤等多种原因引起,在其发生、发展的过程中,亦常伴有全身各个系统器官的生理病理改变,如在围手术期易发生感染、败血症、多器官功能障碍综合征等多种并发症,严重影响患者的预后.尤其是在恶性OJ发生时,如未进行及时的临床干预,患者的平均生存期不会超过3 mo[2].近些年,重要的胆汁酸信号机制及其在OJ中作用的发现,增加了人们对胆汁酸(bile acid,BA)及胆汁酸受体研究的兴趣.

胆汁酸是胆固醇的最终代谢产物,也是一种信号分子,它可以激活胆汁酸受体,具有调节胆汁酸、葡萄糖、脂质稳态和能量消耗的作用.已经发现了两种主要的胆汁酸受体:胆汁酸核受体—法尼酯衍生物X受体和胆汁酸膜受体—Gpbar1[3].Gpbar1是G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor,GPCR)超家族的成员,也被称为GPCR19或TGR5,于2002年发现并首次报道.当BA信号与Gpbar1结合时,他能诱导cAMP的产生,将信号传至胞内.已证实,GPCR家族通过激活多种效应途径将细胞外信号转导至胞内并激活下游级联反应,因此很多新的药物均将它作为潜在的治疗靶点[4].Gpbar1在机体内几乎无处不在,并已在人类和啮齿动物肝脏的不同非实质细胞中检测到.Gpbar1的mRNA和蛋白质还在多种组织中被检测到,包括肝脏、胆囊、胰腺、肠道和脂肪组织,以及中枢、外周神经系统和肾脏等[5-8].Gpbar1在不同器官细胞的表达不同,引起不同的临床症状.本文就Gpbar1在OJ的发病机制中的意义及研究进展进行综述.

1 Gpbar1抑制OJ引起的炎症反应,发挥免疫调节的作用

胆汁酸介导的受体信号转导激活与炎症的控制密切相关.OJ发生时,常伴随着对细菌感染的高度敏感性.报道显示,单核细胞和巨噬细胞会抑制吞噬活性并抑制炎性细胞因子的产生,这表明BA通过Gpbar1发挥免疫调节作用[9,10].在胆汁淤积条件下,胆汁酸通过Gpbar1介导巨噬细胞向调节性巨噬细胞转化,是机体自我保护反馈回路的一部分,它保护肝脏组织在炎症反应过程中免受巨噬细胞的过度活化[11].Kupffer细胞是位于肝窦内的巨噬细胞,它作为抗原呈递细胞,产生许多内毒素相关的炎症介质,在OJ的发病机制中发挥重要作用.当胆道处于梗阻状态时,肠粘膜屏障功能受损,肠道细菌移位,Kupffer细胞吞噬和清除能力降低,导致内毒素又名脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)大量产生.在关于胆汁酸对NLRP3炎性小体的相关研究[12]中表明,与野生型小鼠相比,经过LPS处理的Gpbar1+/+和NLRP3+/+的小鼠,使用Gpbar1激动剂INT-777后显著降低了小鼠血清的IL-1β和IL-18,而对Gpbar1-/-和NLRP3-/-小鼠几乎无作用,说明BA可通过Gpbar1信号减轻全身炎症反应并促进NLRP3的磷酸化和泛素化.该实验证明了胆汁酸通过Gpbar1-cAMP-PKA信号轴抑制NLRP3炎性体的活化,减轻炎症反应.Kawamata等[13]的研究也发现,胆汁酸可由Gpbar1介导增加cAMP产量,从而抑制巨噬细胞的功能和LPS刺激的细胞因子的产生.此外,Gpbar1还是核因子κB(nuclear factor-kappaB,NF-κB)介导的炎症的负调节剂.Gpbar1的激活可抑制IκBα的磷酸化、p65的易位、NF-κB DNA结合活性及其转录活性[14].也有研究显示,Gpbar1通过JNK依赖性途径介导了BA诱导的小鼠Kupffer细胞中炎性细胞因子表达改变[15].

Gpbar1可能通过cAMP-PKA、NF-κB与JNK信号转导通路,参与OJ生理病理中的炎症调节反应,抑制细胞因子的过量产生,从而减轻肝损伤[16].

2 Gpbar1调节OJ胆管上皮屏障功能,介导胆管细胞的增殖与抗凋亡的作用

Gpbar1在肝脏细胞中表达很低,但是在胆管细胞中高度富集[17].其分别在胆管细胞的纤毛、质膜、细胞内空间、囊泡和内质网等亚细胞定位中被检测到,具有控制氯化物分泌、胆管细胞增殖与胆囊充盈的作用.这就决定了胆管细胞对胆汁酸受体Gpbar1介导的信号通路具有功能性反应[18].在胆总管结扎小鼠模型中,Gpbar1通过调节胆管细胞旁通透性,保护肝实质免受胆汁对胆管上皮的渗透,以此来减轻胆汁淤积对肝实质细胞的损伤[19].Merlen等[20]分别通过体内和体外研究表明:BA通过Gpbar1介导的信号途径影响结合粘附分子A(junctional adhesion molecule A,JAMA-A)的表达和磷酸化,保护肝脏免受实验性OJ造成的胆汁的渗漏.这说明JAMA-A是Gpbar1依赖的BA信号通路的下游效应因子,Gpbar1通过靶向调控胆管细胞的紧密连接的表达,调节胆管上皮的屏障功能.

胆管细胞增殖是OJ发生时的一个重要标志.Reich等[21]的研究显示:BA喂养对野生型小鼠的胆管细胞增殖有诱导作用,而对Gpbar1-/-小鼠(Gpbar1敲除小鼠)无诱导作用.在结扎胆总管后,与Gpbar1-/-小鼠相比,野生型小鼠的胆管细胞具有更明显的增殖反应.这可能与Gpbar1介导cAMP水平升高和蛋白激酶A-Src-MEKERK1/2信号级联激活有关[21].而牛磺石胆酸和牛磺胆酸作为有效的Gpbar1激动剂,均可促进胆管细胞的增殖[22].进一步证明了Gpbar1是BA诱导的体内和体外胆管细胞增殖的重要介质.这些机制可以在胆汁淤积条件下保护胆管细胞免受BA毒性的影响.

此外,Gpbar1还具有控制胆囊平滑肌收缩和胆囊充盈的功能.当胆囊平滑肌功能障碍,胆囊扩张,胆汁淤积,导致了胆结石的形成与发展,而胆结石可加重胆道的梗阻状态,进一步加剧OJ的发展.疏水性胆盐可激活胆囊平滑肌上的Gpbar1,从而激活cAMP/PKA通路,打开K(ATP)通道,使膜发生超极化,从而降低胆囊平滑肌的活性[23].李婷婷等[24]的实验表明:Gpbar1-/-小鼠与野生型小鼠相比,胆汁流动减少; 而在静脉、腹腔或口服Gpbar1激动剂INT-777时,胆汁流量明显增加.这在一定程度上也说明了Gpbar1还发挥着调节胆汁分泌的作用.

3 Gpbar1抑制线粒体氧化应激,减轻OJ肾脏损伤

肾脏损伤是OJ的主要并发症,严重者可引起肾功能衰竭和慢性肾病.张洋等[25]的实验结果证实:大鼠在胆总管结扎14 d后会导致肾脏损伤的发生,Gpbar1在肾脏的表达明显减少.说明胆汁酸受体Gpbar1 在OJ大鼠肾脏中的表达变化与OJ导致的肾脏损伤程度呈负相关[25].近年来,线粒体的损伤与功能障碍被认为急性肾损伤发病机制的中心环节,可引起肾脏细胞的损伤、凋亡甚至坏死.Yang等[26]的研究结果显示:Gpbar1可明显减轻线粒体的氧化应激,减轻肾脏的炎症和纤维化.当使用中药茵陈蒿汤与清热利胆汤进行干预后,促进了Gpbar1在OJ大鼠中的表达,抑制了肾脏线粒体氧化应激,减弱了肾脏的损伤程度[27].总之,从胆汁酸受体Gpbar1角度出发,可为OJ肾损伤的治疗和预防提供潜在的治疗策略与靶点.

4 Gpbar1减轻OJ肠粘膜屏障损伤,调节肠道菌群变化

OJ发生时,肠腔内胆汁减少或消失.肠粘膜屏障受损,肠通透性增强,肠内细菌和内毒素转位进入血液,引起严重的细菌血症和内毒素血症.这是导致OJ的主要死亡原因.这与肠上皮细胞增殖受损、凋亡增加、氧化应激增强和紧密连接损伤密切相关.体内研究表明,与野生型大鼠相比,Gpbar1-/-大鼠在肠内皮中紧密连接蛋白封闭蛋白的表达降低,ZO-1的定位发生改变,从而导致肠道通透性增加,肠屏障功能受损[28].而肠上皮细胞在牛磺胆酸盐(Gpbar1激动剂)的生理浓度下生长的肠上皮细胞在体外表现出增加的增殖活性[29].Ji等[30]的研究进一步证实了这一点.通过建立胆管结扎(bile duct ligation,BDL)大鼠动物模型和LPS诱导的细胞模型,并使用鹅去氧胆酸(chenodeoxycholic acid,CDCA)喂养,CDCA可减轻BDL大鼠的肠道损伤,上调Gpbar1在BDL大鼠的表达,减弱LPS诱导的增殖抑制,而当Gpbar1缺失时则相反.这一发现说明CDCA可通过上调OJ中Gpbar1的表达来促进肠上皮细胞增殖并减少粘膜损伤.因此,肠腔中胆汁的存在有利于正常的肠道粘膜屏障功能.Gpbar1作为胆汁酸的膜受体,可促进肠道细胞的增殖,在OJ引起的肠粘膜损伤的恢复中起作用,可将其作为新的治疗靶点.

很多研究证实肠道菌群平衡在OJ的重要作用.当胆道处于梗阻状态,胆汁无法进入肠道,肠道致病菌繁殖,菌群失调,肠粘膜屏障功能受损,继而引发多种生理功能障碍.相关研究已证明,通过肠内输送的胆汁酸对肠道菌群进行外源调节后,肝脏和肠道病理学会有所改善.当使用牛黄去氧胆酸治疗BDL大鼠发生的细菌移位,有利于保护肠粘膜的完整性.说明胆汁酸对肠道菌群具有抗菌和调节作用[31].Jain等[32]的研究显示:齐墩果酸(Gpbar1激动剂)可通过调节肠道Gpbar1受体并调节肠道生物的多样性.Cipriani等[28]通过的研究也进一步证明了Gpbar1通过调节宿主的免疫系统,以此来改变肠道菌群的结构.总之,通过靶向调节Gpbar1信号,调节肠道微生物群的稳态,为纠正OJ时的肠道病理损伤提供了新的思路.

5 Gpbar1调节OJ引起的瘙痒和感觉功能障碍

部分OJ病人还伴有瘙痒和痛觉改变的临床表现,一般认为是胆汁中的胆汁酸的浓度过高进入循环和组织造成的.研究发现,Gpbar1介导了BA诱导瘙痒和痛觉缺失.Gpbar1由传递瘙痒和疼痛的感觉神经元表达,它通过增强神经元兴奋性,刺激背部神经节和脊髓的肽能神经元释放胃泌素释放肽和亮氨酸脑啡肽,痒和疼痛的调节剂.在Gpbar1功能丧失的小鼠中,BA诱导的瘙痒和镇痛反应减弱或缺失,而在Gpbar1功能恢复的小鼠中,抓痒反应加剧[33,34].因此,BA可激活感觉神经上的Gpbar1,从而刺激脊髓中传递痒和痛觉缺失的神经肽释放.进一步的研究[35]发现,Gpbar1与瞬间受体电位离子通道蛋白1(transient receptor potential ankyrin 1,TRPA1)在皮肤的初级传入神经元群体中共表达,Gpbar1可通过Gβγ和蛋白激酶C介导的机制激活HEK293细胞中的TRPA1,TRPA1对于BA诱发脊髓中的致敏神经肽释放,激活脊髓神经元和抓挠行为是必需的.该研究[36]还报道了,在胆汁淤积小鼠模型中,当胆汁酸与Gpbar1结合,其以阿片样物质依赖性的方式引起由Gpbar1受体介导的抓挠行为.这可能是Gpbar1介导的瘙痒行为的又一潜在机制.此外,Robering等[37]的研究还表明,Gpbar1和溶血磷脂酸(lysophosphatidic acid,LPA)受体的双重表达可能允许胆汁盐调节LPA反应.LPA水平及其形成酶自分泌运动蛋白水平升高,与瘙痒严重程度和治疗反应相关.它可激活神经胶质细胞,调节神经元反应性和瘙痒和疼痛等感觉.为了进一步减轻这种临床表现,Hussain等[38]还通过使用紫外线光疗的方法,增加胆盐的尿排泄水平,改变胆盐的分布,降低总血清胆盐水平,减少对Gpbar1的活化,从而减少瘙痒症状.这些研究成果均揭示了Gpbar1在介导小鼠BA诱导的瘙痒和感觉功能障碍中的新作用.

6 Gpbar1调节OJ时的心血管功能

近年来,BA对心血管功能的调节作用已被相关学者报道.BA可通过调节窦房和心室心肌细胞的通道电导和钙动力学来降低心率,并通过内皮依赖性和非依赖性机制调节血管紧张度.一般认为,当OJ发生时,血清BA升高,改变了血管动力学,这是导致心血管疾病发展的又一原因.在妊娠肝内胆汁淤积症中,BA引起的心律不齐引起了胎儿发病和子宫内猝亡.当使用胆汁酸牛黄胆酸盐刺激大鼠心肌细胞后,可以急剧改变心肌细胞收缩的速率和节律并引起异常的单个细胞Ca2+动态的变化[39].最近的研究[40]显示,心肌细胞特异性Gpbar1缺失的小鼠在横断主动脉缩窄后损害了运动耐力,并增加了死亡率和收缩衰竭.此外,BA对Gpbar1的激活还参与了心肌细胞中从脂肪酸到葡萄糖氧化的新陈代谢转换[41].Ibrahim等[42]的研究结果显示:虽然升高的未结合胆汁酸浓度会导致Gpbar1介导的cAMP在心肌细胞中释放,但这与收缩速率的改变无关.因此,Gpbar1可能参与胆汁淤积状态下在心肌细胞的表达与调控,但是其确切机制尚待进一步研究.

7 结论

Gpbar1作为重要的胆汁酸膜受体,广泛表达于全身各个组织与器官中,具有重要作用与意义.近年来,关于Gpbar1在OJ中的研究逐渐增多,其在OJ发病过程中不同组织与器官中的表达,引起相应的生理病理变化.Gpbar1通过对各种初级与次级胆汁酸的应答,介导不同的信号转导通路,从而在OJ的发病过程中发挥着不同的生理功能.在肝巨噬细胞中,它具有抗炎作用,导致趋化因子和细胞因子表达减少,发挥免疫调节的作用; 在胆道与胆囊中,它通过调节胆道上皮的屏障功能,促进胆管细胞的增殖与抗凋亡的作用,并具有调节控制胆囊平滑肌的收缩与胆囊的充盈功能; 在肾脏中,它通过抑制线粒体氧化应激,减轻肾脏损伤并发症的发生; 在肠道中,具有调节肠粘膜屏障和肠道菌群的功能,减轻肠道病理性损伤; 此外,其还同诱发瘙痒、调节感觉功能障碍等有关.总之,Gpbar1在OJ发病机制和病理改变中发挥重要作用,深入研究其调控机制,有望为疾病的治疗提供新靶点.