膽汁酸在炎癥性腸病中作用的研究進展

2021-12-03 11:01:08胡靜怡沈洪朱磊劉亞軍連紫宇

東南大學學報(醫學版) 2021年1期

胡靜怡，沈洪，朱磊，劉亞軍，連紫宇

(南京中醫藥大學附屬醫院,江蘇南京 210029)

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是一種慢性非特異性腸道疾病，主要包括潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis, UC)和克羅恩病(Crohn’s disease, CD)兩種類型[1]。UC病變部位主要在結直腸，病變范圍主要在黏膜和黏膜下層；CD在消化道的任何部位均可發生，病變范圍深達肌層。近年來，IBD相關的免疫學研究取得了巨大進步，多種針對特定靶點的生物制劑已經在臨床上廣泛應用[2- 3]。UC的研究涉及到多種組學方法，如表觀遺傳學、基因組學、蛋白質組學、微生物組學、免疫組學和代謝組學等，每一種研究方法得到的結論多是獨立的和單一的，而IBD作為一種典型的復雜疾病[1]，單一病理因素很難獨立解釋其發生、發展。鑒于此，多組學通力合作有望成為破解IBD復雜致病網絡，揭示其發病機制，預測臨床過程。膽汁酸(bile acids, BAs)是在肝臟中合成的一類兩性分子，腸道中的代謝主要是由腸道微生物完成，不同類型的BAs可作為內源性小分子與G蛋白偶聯膽汁酸受體1(G protein- coupled bile acid receptor 1, GPBAR- 1,又稱TGR5)或法尼醇X受體(farnesol X receptor, FXR)等相關受體結合發揮維持腸道屏障穩態、免疫調控等功能。IBD狀態下，腸道內環境平衡遭到破壞，腸道微生態結構改變，膽汁酸池構成比亦發生變化，腸道免疫平衡被打破。本綜述將以BAs為切入點，總結其作為潛在生物標志物，在IBD發生、診斷和治療中的作用。

1 BAs代謝

BAs按其來源可以分為初級BAs(primary bile acids, PBAs)和次級BAs(secondary bile acids, SBAs)，按其結構類型可以分為游離型BAs和結合型BAs。PBAs在肝臟中生成，并與牛磺酸或甘氨酸結合形成相應的結合型BAs，而后通過膽鹽輸出泵(bile salt export pump, BSEP)釋放到膽囊中儲存并進一步濃縮。進食后，BAs釋放至十二指腸，在小腸中促進脂質的乳化和吸收。在末端回腸處，約有95%BAs被重新吸收，通過門靜脈回到肝臟中。BAs從肝臟分泌到腸道，在回腸重吸收，然后通過門靜脈回到肝臟的循環過程稱為肝腸循環。每日有400～800 mg的未被吸收的BAs進入結腸進一步發生解離、羥基氧化、差向異構及脫羥基等反應[4]，而催化此類反應的酶多由腸道微生物產生。參與BAs解離反應的膽鹽水解酶，主要是由擬桿菌屬(Bacteroides)、梭狀桿菌屬(Clostridium)、乳桿菌屬(Lactobacillus)、雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)和李斯特氏菌屬(Listeria)[5- 9]產生；參與BAs氧化或差向異構反應的脫氫酶或差向異構酶則多是由擬桿菌屬(Bacteroides)、真細菌屬(Eubacterium)、梭狀桿菌屬(Clostridium)、大腸桿菌屬(Escherichia)、埃格氏菌屬(Eggerthella)、消化鏈球菌屬(Peptostreptococcus)和瘤胃球菌屬(Ruminococcus)產生。BAs在結腸中發生的一系列反應對維持膽汁酸池多樣性及動態平衡具有重要作用。值得注意的是，在腸道微生物產生菌酶催化BAs代謝的同時[10- 12]，BAs也可以通過抑菌作用影響腸道微生物的組成[13]。

2 BAs與腸黏膜屏障

腸黏膜屏障主要是由物理屏障、化學屏障、生物屏障和免疫屏障4個部分構成。物理屏障主要是由腸上皮細胞及其之間的緊密連接構成；化學屏障是由杯狀細胞分泌的黏液和潘氏細胞分泌的抗菌肽構成[14]；生物屏障是由腸道共生菌構成；免疫屏障則是由腸道內抗原識別的黏膜免疫系統組成。BAs參與調節腸黏膜屏障不同組成部分，維持腸黏膜屏障系統的動態穩定。

2.1 BAs與物理屏障

腸黏膜物理屏障處在不斷更新的狀態中，腸上皮細胞的增殖與凋亡處于動態平衡以確保屏障的完整性。這一平衡受多方面因素影響，BAs作為內源性活性小分子，在其中起著重要作用。腸上皮細胞暴露于BAs后，其發生促凋亡或抗凋亡主要取決于細胞類型與BAs濃度[15]。在生理濃度下，脫氧膽酸(deoxycholic acid, DCA)可招募表皮生長因子(epidermal growth factor receptor, EGFR)，激活細胞外信號調節激酶(extracellular signal- regulated kinase,ERK)，促進環氧合酶- 2和前列腺素釋放，從而刺激有絲分裂，誘導上皮細胞增殖[16]。BAs還可以通過激活PXR、VDR和TGR5來抑制腸上皮細胞的凋亡[17- 18]。

BAs還可以通過調節緊密連接蛋白影響腸黏膜物理屏障。體外培養Caco- 2細胞或人結腸活檢組織，給予二羥基膽汁酸孵育，可降低跨上皮阻力，并誘導緊密連接蛋白occludin的磷酸化和重新分布[19- 20]。體內研究[21]顯示，腸上皮通透性增加、緊密連接蛋白ZO- 2和JAM- A表達降低與結腸BAs含量增加有關。雖然這些現象的具體機制尚不完全清楚，但可能與EGFR的招募和活性氧的產生相關[19]。膽汁酸受體TGR5被認為是緊密連接功能的調節因子，在TGR5- /- 小鼠中由于緊密連接蛋白表達降低，腸道通透性增加，更容易誘發實驗性腸炎[22]。Cipriani等[23- 24]報道，FXR激活后緊密連接蛋白occludin和claudin- 1表達增加，降低腸道通透性，減少細菌移位進而緩解腸道炎癥。雖然膽汁酸受體FXR和TGR5在改善腸道屏障通透性中具有調節作用[23]，但具體機制尚未完全清楚。

2.2 BAs與化學屏障

結腸黏液層具有雙層結構，致密的內層牢固地附著在上皮上防止細菌入侵；疏松的外層則是由內層蛋白水解形成的，為共生菌提供居住環境[25- 26]。BAs可通過影響黏液分泌來調節腸道屏障，亦可通過影響潘氏細胞分泌抗菌肽，維持上皮內黏液層的無菌性來增強化學屏障功能，但由于BAs種類眾多，具體作用上存在爭議。BAs可通過促進黏液分泌預防細菌感染，如熊去氧膽酸(ursodeoxycholic acid，UDCA)和其牛磺酸結合物可通過促進黏液分泌而改善腸炎癥狀[27]；BAs還可通過激活FXR促進回腸α- 5- 防御素釋放進而增強上皮屏障功能[28]。體外研究BAs如石膽酸(lithocholic acid, LCA)可通過激活VDR誘導結腸上皮細胞促進抗菌肽分泌，維持腸道化學屏障[29]。

2.3 BAs與免疫屏障

病原微生物跨過黏液層，便會觸發免疫反應。上皮細胞釋放一系列介質、趨化因子和細胞因子招募、分化和激活免疫細胞。這些免疫細胞反過來又可通過吞噬病原體釋放其他介質，促進炎癥、組織重塑、水腫以及招募獲得性免疫反應[30- 31]。腸腔BAs水平升高與炎癥反應密切相關。BAs可以直接作用于上皮細胞，調節促炎細胞因子的產生，如IL- 8、IL- 1和IL- 6[32- 33],還可以直接或間接作用于免疫細胞，如二羥基膽汁酸激活肥大細胞，使其脫顆粒，釋放組胺[34- 35]。相反，通過FXR或TGR5激活天然免疫細胞可抑制各種促炎細胞因子的表達與分泌[36- 38]。值得注意的是，無論是在正常情況下還是在感染或炎癥情況下，管腔BAs水平的變化如何影響腸道功能取決于上皮細胞和免疫細胞釋放的促炎及抗炎介質之間的復雜相互作用。

3 BAs與IBD

3.1 BAs菌群宿主代謝異常

IBD的發病因素尚不完全清楚，遺傳因素和環境因素是導致黏膜免疫反應失調的重要因素。隨著代謝組學的發展，研究者發現IBD患者體內多種代謝物較健康人群發生了明顯的變化[39- 42]，如糞便中氨基酸[42]、BAs[43]、鞘磷脂酸[43]、中鏈脂肪酸[41,43]、短鏈脂肪酸[40]和多胺[39]。腸腔中BAs譜的改變與IBD的發展密切相關。一項涉及155例IBD患者和65例健康對照者的研究[44]顯示，超過2 700種代謝物在IBD患者與健康人群間存在差異。IBD患者代謝物主要表現為鞘脂類和BAs富集，而IBD患者糞便中富集的BAs主要是結合性BAs和硫酸化BAs，SBAs含量降低。針對患者血清中BAs含量進行分析顯示，IBD患者血清中BAs代謝紊亂[42]，尤其是活動期患者血清中SBAs含量明顯降低[44- 45]。

腸道中BAs的多樣性與腸道微生物密切相關，雖然目前人們對于腸道菌群與IBD的因果關系尚不清楚，但IBD患者BAs代謝紊亂常伴隨著腸道微生物組成的變化[46- 49]。IBD患者腸道菌群多樣性降低，腸道菌群的構成比也發生變化，主要表現為厚壁菌門細菌豐度降低[50- 53]。Clostridia綱比例發生明顯改變，Roseburia屬和Faecalibacterium屬菌群豐度降低而Ruminococcusgnavus屬菌群豐度增加，Faecalibacteriumprausntizii與Escherichiacoli比值降低。反過來，腸道中BAs含量的增加又會促進膽汁耐受細菌如BilophilaWadsworthi的生長，促進了Th- 1介導的黏膜免疫反應。

3.2 BAs代謝異常與腸道屏障

疾病狀態下，BAs誘導細胞死亡的增加與腸上皮屏障和運輸功能喪失有關，而結腸上皮細胞凋亡增加常伴隨著其暴露在高濃度的BAs之下。BAs作為一種兩性分子，其誘導細胞凋亡的作用與其疏水性密切相關[54]。疏水性BAs，如CDCA、DCA和LCA通常被認為具有促進細胞凋亡的作用；而親水性BAs，如UDCA則具有抗凋亡作用。疏水性BAs主要通過氧化應激介導激活Bax，進而MMP受到破壞，細胞色素C釋放，從而形成凋亡小體Caspase3、Caspase6及Caspase7[55- 56]。長期暴露在高濃度的BAs中會導致細胞凋亡抵抗，進而促進細胞增殖，這可能為IBD患者結腸癌患病率增加的原因之一[57]。在生理濃度下，DCA可誘導結腸上皮細胞表達MUC2[58- 59]，而當長期暴露于高濃度時則會出現抑制黏液分泌的現象[60]。現階段，研究者發現IBD患者常伴隨著BAs代謝異常，并對其可能機制進行了探索，但BAs在IBD的發生發展中具體機制尚不完全清楚，有待進一步研究。

4 調節BAs代謝與IBD治療

由于BAs在調節腸道生理和病理生理方面發揮著如此重要的作用，它們為開發新的治療干預措施提供了極好的靶點。參與BAs代謝的相關蛋白和腸道菌群都可以作為IBD的潛在治療靶點。

4.1 益生菌

外源性補充益生菌調控BAs來預防或治療疾病多是在代謝性疾病，如在高膽固醇血癥或肥胖癥中得到證實[61- 62]。益生菌可在不同程度上緩解IBD患者的臨床癥狀。益生菌混合物VSL#3可明顯降低隱窩炎[63]，ClostridiumbutyricumMIYAIRI的臨床療效也優于安慰劑[64]，但其確切療效尚有待深入研究。IBD患者及實驗性腸炎動物均存在BAs含量降低現象，但外源性補充Clostridiumscindens改善腸炎癥狀只在動物實驗中得到證實[65]，現階段尚缺乏有關定向調節BSH或7α脫羥化酶菌株的臨床研究。

4.2 糞菌移植

糞菌移植(fecal microbiota transplantation, FMT)是將健康人群的糞便通過加工處理轉移到患者體內，其最早應用于治療復發型艱難梭菌感染患者。近來研究[66- 67]表明，FMT可明顯改善艱難梭菌患者腸道BAs構成，增加SBAs含量，防止艱難梭菌定植。由于在治療rCDI方面取得了明顯的療效，人們將其應用于其他腸道疾病，如IBD、IBS和胰腺炎等。在IBD研究中，FMT在誘導UC緩解方面顯示出明顯療效[68- 71]。一項針對小兒UC的研究[72]表明，對FMT應答者中，其腸道微生物和代謝組都明顯向健康人群靠攏。

4.3 膽汁酸受體調節劑

膽汁酸受體FXR和TGR5的發現標志著通過調節BAs代謝治療疾病向前邁進一大步，人們可通過合理的藥物設計方法開發新的配體。目前為止，人們已經獲得FXR的晶體結構[73]，但尚未得到確切的TGR5晶體結構。針對已知結構的FXR，已經開發了一些激動劑，如GW4064、PX- 102、LJN452和EC001。針對FXR激動劑的研究現多集中在臨床前模型上進行，如IBD患者回腸和結腸中FXR及其靶基因表達降低，體外提取IBD患者固有層單核細胞，給予FXR激動劑可降低IFN- γ、IL- 17和TNF- α的表達[36]。2016年，CDCA的6- 乙基衍生物- 乙酰膽酸(OCA)作為第1個被FDA批準用于臨床，與UDCA聯合應用于原發性膽管炎。雖然TGR5在調節腸道運動、黏液分泌和黏膜炎癥反應中起著重要作用，但現階段尚缺乏針對TGR5的靶向藥研究。