腸道菌群及其代謝物在膽囊膽固醇結(jié)石形成中的作用機制

趙瀚東， 高 鵬， 詹 麗

1 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院(甘肅省人民醫(yī)院)， 蘭州 730000；2 甘肅省人民醫(yī)院 a.普外科, b.消化科， 蘭州 730000

膽囊結(jié)石是消化系統(tǒng)常見病，西方國家的發(fā)病率達10%～15%[1]，我國膽囊結(jié)石的發(fā)病率也在逐漸增加。在膽囊結(jié)石中，超過80%為膽固醇結(jié)石[2]。我國膽囊結(jié)石的發(fā)病與油膩飲食、肥胖、脂肪肝以及缺乏運動等因素密切相關(guān)[3]。近年來相關(guān)研究表明，腸道菌群與膽囊結(jié)石的形成密切相關(guān)，基于以往的報道腸道菌群參與多種疾病的發(fā)生發(fā)展已被證實，但關(guān)于其與膽囊結(jié)石關(guān)系仍處于探索之中。因此，腸道菌群與膽囊膽固醇結(jié)石之間的關(guān)系及作用機制值得探究。

1 腸道微生態(tài)與膽囊結(jié)石

腸道微生態(tài)系統(tǒng)組成復(fù)雜、種類豐富，其總數(shù)可達1014數(shù)量級，是人體體細胞的10倍左右，其編碼的基因數(shù)約為人類基因組的150多倍，也被稱為“人類第二套基因組”[4-5]。人體腸道菌群分為5個菌門：擬桿菌門、厚壁菌門、放線菌門、變形菌門和疣微菌門，其中以擬桿菌門、厚壁菌門占多數(shù)[6]。腸道菌群參與機體的營養(yǎng)代謝、免疫調(diào)節(jié)以及腸黏膜屏障的穩(wěn)定[7]。腸道菌群的數(shù)量及結(jié)構(gòu)并非一成不變，一些因素如年齡、不同民族、飲食習(xí)慣、基因等均可對其產(chǎn)生影響[8]。當(dāng)腸道菌群紊亂，其維持的動態(tài)平衡被打破，可能參與如非酒性脂肪性肝病[9]、急性胰腺炎[10]等疾病的發(fā)生進展。

膽囊結(jié)石作為一種與代謝密切相關(guān)的疾病，其形成機制包括膽固醇過飽和、膽汁中膽固醇結(jié)晶能力加快、膽囊收縮功能障礙以及腸道吸收膽固醇能力加快等諸多因素[1]，但膽固醇過度分泌或者合成膽汁酸減少導(dǎo)致膽汁膽固醇過度飽和被認(rèn)為是膽結(jié)石形成的先決條件[11]，因此，任何造成膽固醇與膽汁酸平衡失調(diào)的因素都能導(dǎo)致膽結(jié)石的形成。膽道連接于肝臟和腸道，腸道菌群可調(diào)節(jié)經(jīng)肝臟合成排入腸道膽汁酸，同時腸道菌群的結(jié)構(gòu)和分布又受膽汁酸的影響[12]。膽汁酸代謝紊亂是膽囊結(jié)石形成的關(guān)鍵一步，腸道細菌可能通過調(diào)節(jié)膽汁酸的肝腸循環(huán)進一步影響膽結(jié)石的形成。

2 腸道菌群參與膽囊膽固醇結(jié)石形成的機制

腸道菌群可能是通過調(diào)節(jié)膽汁酸的代謝進而參與膽固醇結(jié)石的形成。具體調(diào)節(jié)過程分為：(1)結(jié)合膽汁酸能被腸道細菌產(chǎn)生的膽汁酸鹽水解酶(bile salt hydrolase，BSH)水解成游離膽汁酸。(2)游離膽汁酸被具有7α-脫羥酶活性的腸道細菌轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸，任何干擾此過程的因素都會導(dǎo)致膽汁酸代謝紊亂。

2.1 膽汁酸的腸肝循環(huán) 肝實質(zhì)細胞以膽固醇為原料通過經(jīng)典途徑以及替代途徑合成膽汁酸。前者主要以膽固醇7α-羥化酶(cholesterol 7 alpha-hydroxylase，CYP7A1)介導(dǎo)，后者則以甾醇27-羥化酶(sterol 27-hydroxylase，CYP27A1)介導(dǎo)[13]。膽固醇首先轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)的初級膽汁酸鵝去氧膽酸(chenodeoxycholic acid，CDCA)和膽酸(cholic acid，CA)，再與牛磺酸及甘氨酸結(jié)合形成結(jié)合型膽汁酸儲存于膽囊，當(dāng)進食刺激后，膽汁經(jīng)膽囊收縮排入腸腔，幫助脂類物質(zhì)在小腸的吸收，在此過程中CYP7A1作為唯一限制性合成酶，發(fā)揮著重要作用。除了以結(jié)合初級膽汁酸的形式被回腸末端重吸收外，一小部分結(jié)合膽汁酸先經(jīng)BSH催化形成游離膽汁酸，游離膽汁酸再經(jīng)過腸道菌群的脫羥作用，形成次級膽汁酸脫氧膽酸(deoxycholic acid，DCA)及石膽酸(lithocholic acid，LCA)最終被重吸收[14]，由此完成膽汁酸的腸肝循環(huán)。

2.2 具有BSH的細菌與膽汁酸代謝 目前已經(jīng)鑒定具有BSH的細菌包括擬桿菌屬、梭菌屬、雙歧桿菌屬、乳酸桿菌以及腸球菌屬[15]。研究[16]表明乳桿菌ATCC4005分離出的BSH能夠使大鼠血清膽固醇水平降低58%。植物乳桿菌Lab4及CUL66具有產(chǎn)生BSH的能力，給與上述菌株喂養(yǎng)的小鼠，其糞便中總膽汁酸和游離膽汁酸水平升高，推測植物乳桿菌Lab4和CUL66發(fā)揮降低血清膽固醇作用可能是通過其在宿主腸道中產(chǎn)生BSH介導(dǎo)膽汁酸代謝而產(chǎn)生的[17]。腸道細菌通過產(chǎn)生BSH將結(jié)合膽汁酸水解成游離狀態(tài)的膽汁酸如CDCA、CA等，激活法尼酯X受體(farnesoid X receptor，F(xiàn)XR)，F(xiàn)XR是參與腸肝循環(huán)調(diào)控膽汁酸代謝的重要受體，在肝臟、腸道等器官均可見表達。在肝臟的小異源二聚體伴侶(short heterodimer partner，SHP)以及在腸道的成纖維細胞生長因子15/19(fibroblast growth factor 19/15，F(xiàn)GF15/19)，二者都能被FXR誘導(dǎo)，SHP可以減少肝受體同源物1(liver receptor homolog-1，LRH1)的生成，而FGF19作用于肝臟的成纖維細胞生長因子受體4(fibroblast growth factor receptor 4，F(xiàn)GFR4)及β-klotho受體，二者最終通過抑制CYP7A1的活性，減少膽汁酸的合成[18-19]。有研究[20-21]顯示，在無菌小鼠和經(jīng)抗生素干預(yù)的小鼠中，其膽汁酸池均增加。這可能是因為在無菌小鼠中，作為FXR受體拮抗劑的牛磺-β-鼠膽酸不能被腸道菌群產(chǎn)生的BSH水解，進而抑制FXR活性和FGF15表達，促進膽汁酸合成[20,22]。腸道菌群通過一系列過程激活FXR，通過SHP以及FGF15/19負反饋途徑，從而維持膽汁酸成動態(tài)平衡。當(dāng)腸道菌群紊亂，BSH活性增強，游離膽汁酸在腸道聚集，此時機體發(fā)動FXR負反饋途徑，抑制膽汁酸合成，膽汁酸合成減少，使得膽固醇過飽和，由于影響腸道菌群的因素仍然存在，導(dǎo)致機體膽汁酸的正向合成途徑不能完全發(fā)揮，周而復(fù)始，從而增加了膽固醇結(jié)石形成的機會[23]。

2.3 具有7α-脫羥酶活性的細菌與膽汁酸代謝 游離膽汁酸可被腸道中具有7α-脫羥酶活性的細菌轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸。目前對7α-脫羥基菌在腸道中分布情況仍處于探索之中，已知梭菌屬、毛螺科以及消化鏈球菌科具有7α-脫羥基活性，這些菌群雖然只占全腸細菌的百分之一，但對宿主發(fā)揮的作用卻是巨大的[24]。梭菌屬作為人體結(jié)腸中催化游離膽汁酸為次級膽汁酸的主要菌屬，在此過程中扮演著主要角色。游離膽汁酸經(jīng)7α-脫羥基菌的作用，最終完成膽汁酸的7α-羥基脫氧過程，生成DCA等次級膽汁酸[25]。相關(guān)研究表明，膽固醇結(jié)石的形成與7α-脫羥基酶活性有關(guān)，腸道菌群中7α-脫羥基酶活性增高能夠促進膽固醇結(jié)石的形成[26]，其機制可能是因為次級膽汁酸受7α-脫羥基酶活性調(diào)控，該酶活性增高，次級膽汁酸的生成就會增多，但人體自身不能對次級膽汁酸如DCA進行7α-羥化形成CA，也不能將膽汁池中的DCA通過代謝的方式去除[25]，因此，這些次級膽汁酸就會在膽汁中積累到很高的水平，增加了膽固醇結(jié)石形成的可能[23]。

3 腸道菌群代謝物參與膽囊膽固醇結(jié)石形成的機制

3.1 丁酸與膽囊膽固醇結(jié)石的關(guān)系 丁酸作為短鏈脂肪酸主要成員之一，在腸道中主要由膳食纖維酵解產(chǎn)生，其可作為主要能源物質(zhì)為腸上皮供能，也可通過脂肪酸氧化為機體供能[27]。產(chǎn)丁酸的細菌主要分布在結(jié)腸和盲腸中，以厚壁菌門為主，包括梭桿菌屬、真桿菌屬、梭菌屬、羅氏菌屬等[28]。有關(guān)研究關(guān)注了膽固醇結(jié)石中產(chǎn)丁酸菌群變化情況。Wang等[11]為探討成石飲食喂養(yǎng)的小鼠腸道微生物群組成的變化情況，經(jīng)過8周的成石喂養(yǎng)(含有1.25%膽固醇和0.5%膽酸)干預(yù)后，采用16S rRNA基因測序技術(shù)對小鼠糞便微生物群進行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與普通飼料喂養(yǎng)相比，成石飲食喂養(yǎng)的小鼠腸道菌群的豐度和多樣性顯著降低，厚壁菌門以及厚壁菌門與擬桿菌門的比例降低。研究[29]顯示膽囊結(jié)石患者與健康組相比，在細菌門水平上，膽結(jié)石組變形菌門的含量顯著增加(P<0.05)，在細菌屬水平上，膽結(jié)石組普拉梭菌、毛螺科菌、羅氏菌屬的含量明顯降低(P<0.05)。膽囊結(jié)石患者糞便中明顯增加的菌群如腸桿菌、腸球菌，而明顯減少的菌群如雙歧桿菌、乳酸菌。上述研究說明了膽結(jié)石患者中存在腸道菌群失調(diào)，尤其是產(chǎn)丁酸的菌群普拉梭菌、羅氏菌等都處于減少狀態(tài)。結(jié)合相關(guān)研究[30-31]，產(chǎn)丁酸菌的乳酸桿菌能夠降血液膽固醇含量，這種機制可能是乳酸桿菌增加了腸道丁酸鹽的含量，增強了BSH的活性，使腸腔內(nèi)的游離膽汁酸增多，而具有疏水性的游離膽汁酸不易被腸道重吸收，便隨糞便排出體外，為彌補流失的膽汁酸，肝臟則以血液中的膽固醇為原料來合成膽汁酸，如此循環(huán)，膽固醇轉(zhuǎn)化為膽汁酸的過程加快，從而使得血液中膽固醇降低。此外也有研究[32]發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌不但可以調(diào)節(jié)腸道菌群，提高腸道菌群對酸性物質(zhì)以及膽汁酸的耐受力，從而發(fā)揮穩(wěn)定血糖、降低血脂的作用，而且能增加BALB/c小鼠腸道微生物的多樣性，減少腸道病原菌數(shù)量。益生菌制劑VSL#3(富含乳酸桿菌和雙歧桿菌)可以促進結(jié)合膽汁酸水解，抑制腸道膽汁酸的吸收并增加膽汁酸的排泄，增強肝臟膽汁酸合成，可能與乳酸桿菌及雙歧桿菌含有高活性的BSH有關(guān)[33]。膽固醇轉(zhuǎn)化為膽汁酸的過程加快，減弱了膽固醇的過飽和，也不利于膽固醇結(jié)石的形成。

3.2 氧化三甲胺(trimethylamine-N-oxide，TMAO)與膽囊膽固醇結(jié)石的關(guān)系 TMAO主要來源于膳食中的膽堿、肉堿等，這些物質(zhì)首先在腸道菌群的作用生成小分子代謝物三甲胺(trimethylamine，TMA)，隨后經(jīng)腸道吸收進入肝臟，在肝臟中的黃素單氧化酶3(flavin-containingmonooxygenase 3，F(xiàn)MO3)作用下轉(zhuǎn)化為TMAO[34]。TMAO可通過增加SHP和FXR的表達，抑制參與肝臟膽汁酸合成中的關(guān)鍵酶CYP7A1的表達，從而抑制膽汁酸合成[35]。研究[36]表明血漿TMAO水平升高與人類膽結(jié)石疾病的存在呈正相關(guān)。該研究在進一步的小鼠實驗中發(fā)現(xiàn)膳食補充TMAO或其前體膽堿，小鼠肝臟中FMO3及血漿中TMAO水平會升高，并可誘導(dǎo)肝臟膽固醇轉(zhuǎn)運蛋白ATP結(jié)合盒蛋白(ABC)G5、G8的表達。在具有膽結(jié)石抗性品系A(chǔ)KR/J小鼠中，喂食含有0.3% TMAO及成石頭飼料的小鼠與僅給予成石飼料喂養(yǎng)的小鼠相比，膽結(jié)石的發(fā)生率上升至70%，其機制可能是TMAO誘導(dǎo)的肝臟ABCG5、G8表達增加，并導(dǎo)致膽固醇結(jié)石形成。同時也闡明了在平原地區(qū)FMO3及其代謝產(chǎn)物TMAO共同參與了膽囊膽固醇結(jié)石的形成。而在高原地區(qū)相關(guān)研究采用高脂飲食誘發(fā)的膽囊膽固醇結(jié)石小鼠與正常飼料喂養(yǎng)的小鼠相比，高脂飲食組血漿TMAO和肝臟FMO3 mRNA表達水平均明顯高于對照組(P值均<0.05)，這可能是因為FMO3高表達時，能夠延緩膽囊中膽汁分泌，使腸道中的膽固醇吸收減少，而TMAO可作為膽固醇代謝和膽固醇逆向轉(zhuǎn)運的工具，抑制膽汁酸的合成，膽汁酸長期合成減少導(dǎo)致膽固醇過飽和，從而出現(xiàn)了膽結(jié)石[37]。上述研究均說明TMAO與膽囊膽固醇結(jié)石密切相關(guān)，但具體的影響機制有待研究。

4 小結(jié)

腸道菌群及其代謝物與膽固醇結(jié)石的形成密切相關(guān)，這對膽固醇結(jié)石的治療及預(yù)防提供了一個新方向。但就目前而言關(guān)于腸道菌群與膽固醇結(jié)石發(fā)病機制的研究尚待探索，期待新的基因組測序技術(shù)的發(fā)展能夠更加系統(tǒng)地探究膽固醇型膽囊結(jié)石中腸道菌群結(jié)構(gòu)的變化特點，以及腸道菌群變化與膽固醇型膽結(jié)石之間的關(guān)系，以便采用益生菌制劑等方法調(diào)節(jié)腸道菌群從而達到預(yù)防或治療的效果。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：趙瀚東負責(zé)文獻檢索分析，撰寫論文；高鵬參與修改論文；詹麗負責(zé)擬定寫作思路，指導(dǎo)撰寫文章并最后定稿。