胆汁酸-肠道菌群轴在肠道炎性反应和结直肠癌中的作用

刘乐恒 陆伦根 周 慧

胆汁酸是肝细胞以胆固醇为原料合成的甾体化合物，可参与脂质、脂溶性维生素等的消化、吸收过程。在结肠中，初级胆汁酸[鹅脱氧胆酸(CDCA)和胆酸(CA)]在部分肠道细菌产生的7α-脱羟酶的作用下可转化为次级胆汁酸[石胆酸(LCA)和脱氧胆酸(DCA)]。因此，次级胆汁酸是肠道菌群的代谢产物。

肠道菌群指定植于人体肠道内的细菌，肠道内细菌数量在1×1014以上，大部分细菌属于拟杆菌门、厚壁菌门及放线菌门。肠道菌群可参与必需维生素的合成及复杂食物成分的消化过程，其代谢产物如次级胆汁酸、脂多糖、短链脂肪酸(SCFA)等可作为信号分子与特定的受体结合，参与调控细胞行为，在能量代谢、机体免疫等方面发挥重要作用，因此有学者将肠道菌群视为人体的“另一大器官”。肠道菌群也参与了人体胆汁酸的调控，可影响胆汁酸的合成、生物转化等过程。健康的肠道菌群是维持机体正常生理状态必不可少的因素。与高脂饮食相关的、不平衡的肠道菌群在多种疾病如肥胖、2型糖尿病、非酒精性脂肪性肝病、结直肠癌(CRC)等的发生中起到关键作用。

CRC是常见的消化系统恶性肿瘤，其危险因素包括高脂饮食、肥胖、糖尿病、久坐及高水平的次级胆汁酸等[1]。高脂饮食会促进胆汁酸分泌，升高结肠中次级胆汁酸(LCA和DCA)的水平，由于DCA具有较强的疏水性和细胞毒性，在改变肠道通透性和致突变方面备受关注，被认为是肠道炎性反应和肿瘤的危险因素[2]。肠道菌群失调被证实在炎症性肠病[包括溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)]的发展中起促进作用，不仅可由于致病菌的增多诱发炎性反应，还可因其代谢产物(次级胆汁酸、SCFA及色氨酸等)的改变而破坏正常的肠道微生态[3]。大多数CRC患者存在肠道菌群失调，这提示肠道菌群失调可能是CRC的重要促进因素[4]。胆汁酸代谢紊乱与肠道菌群失调相互影响，密不可分，共同参与了肠道炎性反应和肿瘤的发生。

1 胆汁酸与肠道菌群相互作用

1.1 肠道菌群影响胆汁酸代谢

肝细胞中的细胞色素P450(CYP450)介导了胆汁酸的合成，合成途径包括“经典”途经和“替代”途径。在肝脏中合成的初级胆汁酸如CDCA和CA可分别与甘氨酸和牛磺酸结合形成结合胆汁酸，并经胆盐输出泵排入胆囊储存，在机体进食后被分泌至肠腔，参与脂类的消化与吸收。约95%的胆汁酸在肠道中被重吸收，剩余约5%的胆汁酸由粪便排出。胆汁酸的重吸收主要发生在回肠末端，由顶端钠依赖性胆盐转运体(ASBT)介导，少部分胆汁酸在小肠和结肠上部通过被动扩散进行重吸收。重吸收的胆汁酸在肠黏膜细胞内与回肠胆汁酸结合蛋白(IBABP)结合，并通过OSTα-OSTβ转运系统转运至基底膜外侧入血，经过门静脉进入肝脏完成肠-肝循环[5]。体内胆汁酸合成受到胆汁酸池水平的影响，主要受胆汁酸核受体——法尼醇X受体(FXR)的调控[6]。胆汁酸水平升高激活肠黏膜细胞的FXR，促进成纤维细胞生长因子15(FGF15)的合成，FGF15通过门静脉进入肝脏，激活成纤维细胞生长因子受体4(FGFR4)，随后通过c-Jun氨基末端激酶1/2(JNK1/2)和细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)信号通路抑制CYP7A1基因的转录[7]。这种胆汁酸的负反馈调节机制使肝脏能够根据体内胆汁酸的水平调节胆汁酸的合成，使胆汁酸池处于动态平衡之中。

肠道菌群是调节胆汁酸代谢的因素之一，主要机制包括：(1)结合胆汁酸的解偶联作用。结合胆汁酸可在胆盐水解酶(BSH)的作用下水解为游离胆汁酸。拟杆菌属、真杆菌属、梭状芽孢杆菌属、乳杆菌属、双歧杆菌属及李斯特菌属等部分肠道细菌携带编码BSH的基因。游离胆汁酸是胆汁酸受体的主要配体，在肠道中游离胆汁酸可通过激活核受体FXR、孕烷X受体(PXR)、维生素D受体(VDR)及G蛋白偶联受体5(TGR5)发挥不同的生理功能。(2)初级胆汁酸脱氢、脱硫、脱羟基作用。游离的初级胆汁酸在结肠内可在梭状芽孢杆菌属XIVa簇、拟杆菌属、真杆菌属、乳杆菌属及埃希氏菌属的部分厌氧菌产生的7α-羟化酶的作用下转化为次级胆汁酸(其中CA转化为DCA，CDCA转化为LCA)。(3)通过调控FXR调节胆汁酸的合成。Sayin等[8]研究发现，与无菌小鼠比较，携带肠道菌群的正常小鼠的胆囊和小肠中胆汁酸水平较低，而盲肠、结肠、粪便和血清中胆汁酸水平较高，推测由于肠道菌群上调了回肠末端的FXR及其分子靶点FGF15的活性，进而使肝细胞微粒体中CYP7A1基因的转录活性受到抑制，从而抑制胆汁酸的合成。

1.2 胆汁酸影响肠道菌群的组成

胆汁酸可通过直接或间接途径调控肠道菌群。胆汁酸强大的抗菌活性来源于其疏水性对细胞膜的损伤作用：通过干扰细胞膜的稳定性而增高其通透性，使细胞内离子和细胞组分泄漏，从而导致细菌死亡[9]。肠道菌群的7α-脱羟基作用可将CA转化为DCA，进一步增强了胆汁酸的疏水性，因此胆汁酸在结肠中的杀菌活性要强于小肠。Inagaki等[10]研究发现，胆管结扎可导致小鼠盲肠中细菌过度生长，这种现象可被FXR激动剂逆转，且遗传性FXR缺陷小鼠也出现肠道细菌过度生长及肠黏膜屏障功能受损，这提示胆汁酸除了具有直接抗菌作用外，还可通过激活FXR发挥免疫调节作用。Tremblay等[11]给予小鼠添加了0.1% CDCA的饮食后，观察到在小鼠的几种主要共生菌未发生改变的条件下，口服鼠伤寒沙门菌后，致病菌的扩散受到抑制，推测这种作用是由于上调多种抗菌肽的表达所致，其中包括上调潘氏细胞的α-防御素，以及回肠上皮细胞、潘氏细胞、杯状细胞的C型凝集素Reg3b和Reg3g。

胆汁酸对肠道菌群的杀菌作用具有选择性，不同细菌对胆汁酸的耐受性存在较大的差异。Islam等[9]给予小鼠添加了CA的饮食后，发现CA饮食组盲肠内细菌种类减少，高水平CA饮食组总细菌计数降低至对照组的51%；对盲肠内容物进行16S rRNA测序，结果表明厚壁菌门(尤其是梭状芽孢杆菌XIVa簇)细菌丰度明显升高，而拟杆菌门与放线菌门细菌丰度明显降低。沃氏嗜胆菌被认为是亲胆汁酸类的细菌，短期的肉食性饮食可迅速增高沃氏嗜胆菌的水平，而短期植物性饮食会降低沃氏嗜胆菌的水平，这表明胆汁酸与肠道菌群之间存在动态的相互作用关系，饮食等环境因素会对菌群的结构产生有利或不利的影响[12]。当肠道内胆汁酸水平较低时，同样也会诱发肠道菌群紊乱。因此，只有肠道内胆汁酸水平在生理浓度范围内，才能维持胆汁酸-肠道菌群轴的平衡。

2 胆汁酸-肠道菌群轴在肠道炎性反应和CRC中的作用

2.1 胆汁酸-肠道菌群轴失调诱发肠道炎性反应

不同水平的DCA对肠道免疫系统具有不同的影响。生理浓度范围内的DCA具有抗菌作用，参与维持正常的肠道菌群微生态；长期高脂饮食可导致结肠内DCA水平升高，高水平的DCA可破坏肠道上皮细胞及细胞间紧密连接，诱发炎性反应。结肠内DCA是调控致炎反应与抗炎反应平衡的关键因素，生理浓度范围内的DCA是维持结肠内稳态的必要条件，DCA水平过高或过低都会打破稳态，诱发炎性反应。Ogilvie等[13]对包括健康人、UC患者和CD患者的基因组序列数据库进行分析，发现CD患者肠道中厚壁菌门BSH基因特异度降低，BSH水平降低可减弱结合型初级胆汁酸的解偶联作用，这与CD患者粪便中结合型初级胆汁酸水平升高相一致。Sinha等[14]对UC患者结肠内微生物进行分析，发现厚壁菌门尤其是参与7α-脱羟基作用的瘤胃球菌属的细菌丰度降低，导致UC患者结肠中几乎检测不到DCA，减弱了DCA的直接抗菌作用，引起紫单胞菌属及肠杆菌属等致病菌的丰度升高，促进了炎性反应。外源性补充DCA可通过DCA的直接抗菌作用，以及激活巨噬细胞TGR5受体，从而抑制结肠炎性反应。TGR5受体的激活抑制了由脂多糖诱导的NF-κB的活化，降低了下游趋化因子如CCL5、CXCL10及炎性细胞因子TNF-α、IL-17等的表达水平。Choi等[15]发现，应用FXR激动剂可减少固有层单核细胞炎性因子IL-17A、TNF-α、干扰素-γ(IFN-γ)的释放，使CD患者肠道炎性组织FXR下调，其机制与胆汁酸水平降低有关。胆汁酸合成减少抑制了固有层RORy+调节性T细胞的激活，导致IL-22分泌减少，从而减弱了肠上皮细胞的修复功能，使抗菌肽β-防御素等分泌不足，促进了炎性反应。

高脂饮食后结肠内DCA水平可达1 mmol/L，长期暴露于高水平DCA中会诱导肠道发生慢性炎性反应和癌变[15]。高水平DCA因其疏水性可对细胞膜产生膜扰动作用，激活细胞膜表面酶如蛋白激酶C、磷脂酶A2、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶及黄嘌呤氧化酶等，这些酶的激活促进了活性氧(ROS)及活性氮(RNS)的产生。ROS/RNS诱导了细胞内DNA损伤、线粒体应激、内质网应激及有丝分裂应激等过程，促进了细胞的死亡、凋亡与自噬，引起炎性反应[16]。Bernstein等[17]发现高水平DCA诱发的结肠炎的症状在一氧化氮合酶基因敲除的小鼠中显著缓解，认为RNS可介导结肠炎性反应。DCA可破坏结肠上皮细胞之间的紧密连接，增高肠道屏障的通透性，为致病性细菌的入侵提供了便利[18]。胆汁酸诱导的肠道细菌Badophilawadsworthia丰度升高，因其可将牛磺酸转化为具有遗传毒性的硫化氢，导致肠上皮细胞发育不全及肠道屏障功能的破坏，并在结肠炎性反应和CRC的发生过程中起到促进作用[19]。炎性反应可影响胆汁酸的肠-肝循环，使FXR受体表达下调，抑制了FGF19/JUN/ERK/EGFR4信号通路，肠黏膜细胞IBABP和参与胆汁酸外排的OSTα、OSTβ表达下调，而ASBT表达上调，导致胆汁酸流入肠上皮增多而外排减少，加重了肠道黏膜的炎性反应。同时，FGF19/JUN/ERK/EGFR4信号通路的下调也增强了肝脏中CYP7A1基因的转录活性，导致胆汁酸合成增多，进一步促进炎性反应[7]。

2.2 胆汁酸-肠道菌群轴失调促进CRC的发生

长期西式饮食的人群中散发性CRC的发病率较高，且该类患者粪便中DCA、LCA的水平较高。在CRC的发生过程中，APC基因突变引起的Wnt信号通路失调是一个关键步骤，而致癌基因K-ras与抑癌基因p53等的突变是腺瘤发展至腺癌的促进因素[1]。高水平DCA可诱导细胞内产生ROS/RNS，引起DNA的氧化损伤，抑制DNA修复蛋白p53和BRCA1的表达，诱导结肠细胞发生突变；细胞的有丝分裂过程受ROS影响而出现染色体双链断裂，并产生非整倍体，可导致基因组不稳定[16]。Narahara等[20]证实DCA可能是诱导K-ras基因突变的重要因素，高脂饮食引起的DCA水平升高在已出现APC基因突变的个体中促进了腺癌的进展。DCA诱导线粒体产生过量的ROS，可激活NF-κB，促进结肠内炎性反应。在结肠上皮细胞中，高水平DCA反式激活细胞表面的EGFR，通过EGFR/ERK1/2信号通路诱导细胞增殖。部分细胞长时间暴露于致死剂量的DCA下可获得凋亡抗性，这类细胞亚群具有生存优势，使突变不断累积，与CRC的进展密切相关[18]。

CRC细胞系多表现出FXR表达下调甚至缺失。Lgr5+隐窝干细胞被认为是CRC的起源细胞。动物实验证实，DCA以剂量依赖性方式诱导Lgr5+隐窝干细胞异常增殖，促进APC基因突变小鼠CRC的进展，而应用FXR激动剂可维持干细胞的正常增殖及染色体的稳定性[1]，上调促凋亡基因的表达[21]，抑制CRC的进展。Lgr5+隐窝干细胞的异常增殖改变了结肠上皮胆汁酸核受体的表达谱，下调了FXR表达，从而使胆汁酸的转运、解毒系统受到抑制，当暴露于高水平的DCA时，可发生DNA突变及肠道屏障功能破坏[1]。

菌群失调除了诱导结肠中DCA水平升高导致细胞毒性增强外，还可促进CRC的进展。高脂饮食不仅可导致结肠中DCA水平升高，也会导致结肠中SCFA水平下降。SCFA包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，由结肠内细菌发酵产生，可被结肠上皮细胞吸收并为其提供能量。丁酸盐可激活细胞内Wnt信号通路，在发生突变的CRC细胞系中发挥抗增殖与促凋亡的作用；在未发生突变的细胞中，促进细胞增殖，并为其提供营养[2]。Song等[22]发现CRC患者结肠中产生丁酸盐的厚壁菌门细菌(如Roseburia、Eubacteriumrectale等)丰度降低，导致丁酸盐水平降低，减弱了丁酸盐对结肠上皮细胞的保护作用，增强了CRC的易感性。DCA可诱导CRC细胞的中等水平的Wnt信号，促进CRC细胞增殖。高脂饮食可导致肠道条件致病菌增多，伴随DCA对肠黏膜屏障的损伤作用，部分致病菌得以直接与肠上皮细胞接触，其中部分致病菌如大肠埃希菌、梭状芽孢杆菌及肠球菌等被认为是CRC的致病菌[23]。部分大肠埃希菌和脆弱拟杆菌产生的基因毒素colibactin可诱导DNA断裂，并在受感染的细胞中发生DNA链间交联，促进了结肠肿瘤的形成[24]。特定的具核梭杆菌可激活Wnt/β-catenin信号通路，是CRC发展过程中的重要因素[25]。可见，胆汁酸-肠道菌群轴失调与CRC的发生存在重要关联，可能涉及到多种诱发机制。

3 总结

正常存在的胆汁酸-肠道菌群轴是维持机体肠道稳态的必要因素，随着内环境的变化，两者之间互相调节、互相适应。胆汁酸-肠道菌群轴紊乱是多种疾病进展的重要促进因素。长期暴露于紊乱的胆汁酸-肠道菌群轴下，结肠上皮细胞往往会发生炎性反应，造成细胞内损伤，导致肠道屏障功能被破坏，肠道通透性增高，不仅会在局部诱发结肠炎、CRC等，而且在全身多个系统中也会产生不利的影响。因此，养成良好的饮食习惯，维持胆汁酸-肠道菌群轴的稳定是预防CRC的重要途径。针对失调的胆汁酸-肠道菌群轴进行调节可能是治疗相关疾病的有效途径。