丁酸與膽固醇型膽結(jié)石形成的關(guān)系

黨文呈，張有成

（蘭州大學(xué)第二醫(yī)院 普通外科，甘肅 蘭州 730030）

膽結(jié)石又稱為膽石病，是指在膽囊、肝內(nèi)膽管、肝總管、膽囊管以及膽總管中的任何一個(gè)或者多個(gè)部位發(fā)生結(jié)石的一種疾病。膽石癥是世界性的常見疾病，其在西方國家發(fā)病率較高，影響了超過10%的人群[1]，而在我國，隨著過去幾十年經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及西方化的飲食習(xí)慣和生活方式，膽石癥的發(fā)病率逐年升高[2]。膽石病病原學(xué)的基礎(chǔ)和臨床研究一直受到世界各國科學(xué)家的重視。有研究[3]指出，在膽囊切除術(shù)后結(jié)石成分分析顯示將近90%膽結(jié)石屬于膽固醇型膽結(jié)石。在歐洲和美國，膽結(jié)石在成年人中的發(fā)病率為10%～15%，成年膽石病患者中約7 5%是無癥狀的，但是一旦發(fā)病或者出現(xiàn)并發(fā)癥，就會帶來大的經(jīng)濟(jì)和社會負(fù)擔(dān)[4]。膽結(jié)石的發(fā)病受膽道感染、膽汁排出受阻以及腸道蠕動減慢等諸多因素的影響，但是膽道膽固醇過度分泌或者合成膽汁酸減少導(dǎo)致膽道膽固醇過度飽和被認(rèn)為是膽結(jié)石形成的先決條件[3]。腸道菌群是寄居在人體胃腸道內(nèi)數(shù)量龐大、種類繁多且處于動態(tài)穩(wěn)定的微生物總稱，丁酸是人體結(jié)腸菌群發(fā)酵膳食纖維后產(chǎn)生的一種具有揮發(fā)性的短鏈脂肪酸。全面了解丁酸與膽結(jié)石的關(guān)系，可為膽結(jié)石的治療甚至預(yù)防提供理論依據(jù)。現(xiàn)就丁酸與膽固醇型膽結(jié)石關(guān)系的研究進(jìn)展作一綜述。

1 丁酸與腸道菌群

腸道微生態(tài)對人體健康有著重要的作用，亦是人體較為龐大的微生態(tài)系統(tǒng)之一，主要由細(xì)菌、真菌以及古生菌等微生物群和它們所處的腸道環(huán)境構(gòu)成。腸道菌群被認(rèn)為是最具有生物多樣性和最密集的微生物群落，據(jù)估計(jì)有1014數(shù)量級的細(xì)菌[5]，盡管細(xì)菌種類繁多，但是在門水平上，腸道中占主導(dǎo)地位的只有4種：厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門和變形菌門[6-7]，其中，90%的細(xì)菌屬于厚壁菌門和擬桿菌門[8]。腸道微生態(tài)是一個(gè)包括代謝功能和免疫功能并且功能復(fù)雜且活躍的器官[6,9]，腸道微生物與宿主免疫系統(tǒng)自出生就處于共生狀態(tài)，受環(huán)境、飲食、生活方式和遺傳等一系列復(fù)雜因素相互作用的影響，腸道微生物與宿主之間建立雙向關(guān)系，雙方均在影響彼此的形成與發(fā)展[10]。

短鏈脂肪酸（shortchain fattyacids，SCFAs）是指含6 個(gè)碳原子以下的脂肪酸，又稱為揮發(fā)性脂肪酸，是在人體腸道中通過腸道菌群，尤其是厭氧菌酵解未被消化吸收的低聚糖、抗性淀粉等碳水化合物而產(chǎn)生，乙酸、丙酸和丁酸是3 種主要的代謝物，約占SCFAs 的9 0%[11-13]。除了通過腸道菌群酵解膳食纖維產(chǎn)生外，SCFAs 的另外一來源是食物直接獲得，奶油中的丁酸含量達(dá)3%～4%[14]。近來有研究[15-16]表明，腸道丁酸的主要來源是產(chǎn)丁酸菌通過酵解難以消化的碳水化合物產(chǎn)生，產(chǎn)丁酸菌是指主要代謝產(chǎn)物為丁酸的一類腸道細(xì)菌的總稱，在門水平上絕大多數(shù)為厚壁菌門，而在屬水平上主要有4 種，即梭菌屬（Clostridiaceae）、瘤胃球菌屬（Ruminococcaceae ） 、 真桿菌屬（Eubacteriaceae）、拉式桿菌屬（Lachnospiraceae）。腸道菌群中約99%的細(xì)菌屬于厭氧菌，而主要產(chǎn)丁酸的厚壁菌門又屬于厭氧型細(xì)菌，故產(chǎn)丁酸菌在腸道中攝取未消化的膳食纖維后主要通過糖酵解的方式最終產(chǎn)生丁酸[17]。當(dāng)然，產(chǎn)丁酸菌在腸道產(chǎn)生丁酸的過程受許多因素的影響，例如，未消化碳水化合物的溶解度、鏈的長度、單體組成成分、糖苷鍵的方向和位置以及腸道pH值等[16]。

丁酸在動物體內(nèi)主要在腸道被吸收利用，有研究[18]報(bào)道，當(dāng)腸道pH＜7時(shí)，丁酸的吸收速率最快。越來越多的研究證實(shí)了丁酸對宿主的健康有許多好處[19]，丁酸在4種SCFAs中是結(jié)腸上皮細(xì)胞的首要能量來源，有助于維持腸道穩(wěn)態(tài)[14,16-17]； 促進(jìn)腸上皮水和Na的吸收，具有一定的抗腹瀉作用[14,16]；影響腸上皮細(xì)胞的增殖、分化和凋亡，維持腸黏膜的完整性，作為去乙酰化酶抑制劑（histone deacetylase，HDAC）具有抗炎、抗癌，對抗肥胖、胰島素抵抗、心血管疾病等作用[14,16-17,20]；另外，丁酸還具有增加腸道血供、刺激胃腸激素釋放、調(diào)整腸道菌群平衡以及調(diào)節(jié)宿主免疫等作用[14-15,17,19]。近年來，關(guān)于丁酸與許多疾病關(guān)系的研究越來越多，丁酸可以抑制炎癥性腸病[21-22]；結(jié)直腸癌[23-24]；肥胖、糖尿病、心血管疾病等代謝性疾病[25]；自身免疫性肝病[26-27]；非酒精性脂肪性肝病[28]等疾病的發(fā)生發(fā)展，但具體機(jī)制尚需更多的基礎(chǔ)和臨床試驗(yàn)來證明。

2 丁酸影響膽固醇型膽結(jié)石形成的機(jī)制

2.1 丁酸對膽固醇以及膽汁酸的影響

膽固醇的內(nèi)穩(wěn)態(tài)是通過從頭合成、運(yùn)輸、吸收、生物轉(zhuǎn)化以及消除而處于動態(tài)平衡，一旦平衡紊亂導(dǎo)致膽固醇過度飽和就會造成膽固醇型膽結(jié)石的發(fā)生。膽汁酸是由膽固醇在肝臟中通過“經(jīng)典途徑”和“替代途徑”兩條途徑轉(zhuǎn)化而來的兩性分子，主要是由經(jīng)典途徑來完成，此過程的限速酶是7 α-膽固醇脫氫酶，隨后儲存在膽囊，當(dāng)進(jìn)食后十二指腸分泌膽囊收縮素從而促進(jìn)膽囊收縮后釋放進(jìn)入腸腔[29]。

膽汁酸鹽水解酶（bile salt hydrolase，BSH）是在膽汁酸腸肝循環(huán)中負(fù)責(zé)清除膽汁酸鹽的一種酶。Pereira等[30]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，乳桿菌菌株增加了腸道丁酸鹽的濃度，并且增強(qiáng)了BSH的活性從而使腸腔內(nèi)的游離膽汁酸增多，他們發(fā)現(xiàn)游離脂肪酸在腸腔內(nèi)的溶解性和吸收效率遠(yuǎn)低于結(jié)合膽汁酸，因此，認(rèn)為產(chǎn)丁酸菌乳酸桿菌降膽固醇作用是通過增強(qiáng)腸道BSH的活性進(jìn)而增加糞便游離膽汁酸的排泄以至于肝臟膽固醇合成膽汁酸的效率加快來完成的。同樣，有國內(nèi)研究者[31]通過大鼠實(shí)驗(yàn)表明，與高脂飲食對照組相比較，額外添加了含乳酸桿菌益生菌實(shí)驗(yàn)組大鼠糞便中丁酸的濃度明顯升高，并且實(shí)驗(yàn)組肝臟膽固醇含量明顯降低而糞便膽固醇含量明顯升高，他們同樣認(rèn)為產(chǎn)丁酸菌乳酸桿菌是通過增加糞便膽汁酸排泄進(jìn)而使肝臟膽固醇轉(zhuǎn)化為膽汁酸增加來發(fā)揮降膽固醇作用的。近來也有外國學(xué)者[32]發(fā)現(xiàn)，通過給高脂飲食導(dǎo)致的高膽固醇小鼠模型喂食甘露寡糖（mannan oligosaccharides，MOS）后，其實(shí)驗(yàn)組小鼠腸道丁酸濃度升高，糞便膽汁酸排泄增加，而肝臟與血中的膽固醇含量降低，他們也認(rèn)為產(chǎn)丁酸菌或者丁酸是通過增加膽固醇向膽汁酸的轉(zhuǎn)化來發(fā)揮降膽固醇作用的。

以上研究均是通過給予產(chǎn)丁酸菌菌株來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而Zhao等[11]通過直接給予倉鼠丁酸實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，高膽固醇飲食（HCD）+口服丁酸（B u）組（以下簡稱實(shí)驗(yàn)組）與單純高膽固醇飲食（HCD）組（以下簡稱對照組）相比，血膽固醇明顯降低17%而糞便膽汁酸排泄率明顯升高120%；另外，通過PCR和WB等測量發(fā)現(xiàn)參與膽固醇代謝的SREBP2、LXRα、HMGCR、LOLR以及CYP7A1等酶的含量顯著升高；還通過腸道pH值的測定發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組的腸道pH值顯著下降，因此，他們認(rèn)為丁酸通過以下方式發(fā)揮降低膽固醇的作用：首先，丁酸通過降低倉鼠腸道pH值使更多結(jié)合膽汁酸轉(zhuǎn)化為游離膽汁酸，從而增加了游離膽汁酸的糞便排泄，減少了結(jié)合膽汁酸的重吸收；其次，丁酸通過激活上述受體使血中膽固醇通過門靜脈到達(dá)肝臟進(jìn)而在肝臟中轉(zhuǎn)化為膽汁酸來平衡膽汁酸池。他們也首次檢測膽固醇腸道吸收的相關(guān)受體，如NPC1L1、ACAT2、MTP、ABCG5/8等，但是并未發(fā)現(xiàn)丁酸能夠影響這些受體從而抑制膽固醇的腸道吸收[11]。上述研究結(jié)果均表明產(chǎn)丁酸菌或者丁酸對膽固醇以及膽汁酸有明顯的影響，能夠抑制膽固醇的過飽和進(jìn)而影響膽固醇型膽石癥的行成。

2.2 產(chǎn)丁酸菌的豐度對膽固醇型膽結(jié)石形成的影響

關(guān)于膽結(jié)石與膽道細(xì)菌感染的研究越來越多[33-34]，但是關(guān)于膽道以及腸道微生物結(jié)構(gòu)變化與膽固醇型膽結(jié)石的關(guān)系的研究卻少之又少。Wu等[35]在一項(xiàng)大規(guī)模臨床研究中發(fā)現(xiàn)，腸道菌群失調(diào)與膽固醇型膽結(jié)石有密切的聯(lián)系，他們選取了29例膽石癥患者（通過結(jié)石成分分析明確為膽固醇型膽結(jié)石）以及3 8例健康者，隨后對健康者糞便、患者糞便、患者膽汁以及患者結(jié)石共120個(gè)樣本中的299217個(gè)細(xì)菌16sRNA 基因序列進(jìn)行了分析與檢測，首次揭示了結(jié)石患者膽汁以及膽結(jié)石中菌群結(jié)構(gòu)與腸道菌群結(jié)構(gòu)極其相似，但與健康對照組腸道菌群結(jié)構(gòu)相比，結(jié)石患者腸道中變形菌門（Proteobacteria）明顯增加而厚壁菌門中的Faecalibacterinm菌屬、Lachnospira菌屬以及Roseburia菌屬等產(chǎn)丁酸菌含量明顯降低，從而說明腸道菌群失調(diào)可能導(dǎo)致膽石癥的發(fā)生。隨后有研究者[3]通過結(jié)石小鼠模型并對結(jié)石小鼠以及正常對照組小鼠糞便樣本的細(xì)菌16s RNA基因序列分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)石小鼠腸道厚壁菌門豐度顯著下降而且厚壁菌和擬桿菌比值減小。上述研究均表明，腸道菌群失調(diào)尤其產(chǎn)丁酸菌屬豐度降低與膽固醇型膽結(jié)石的發(fā)病有密切關(guān)系，但具體機(jī)制需要更多實(shí)驗(yàn)研究來證實(shí)。同樣，丁酸以及產(chǎn)丁酸菌類在膽固醇結(jié)石治療及膽固醇結(jié)石術(shù)后復(fù)發(fā)方面的應(yīng)用尚且需要進(jìn)一步的研究報(bào)道來證實(shí)。

2.3 丁酸對膽固醇結(jié)石形成因素的影響

研究發(fā)現(xiàn)，膽固醇膽結(jié)石發(fā)生與肥胖、高脂血癥有著密切聯(lián)系，而丁酸對肥胖以及高脂血癥等代謝性疾病也有著重要作用。Hsu等[36]通過一項(xiàng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，無論男性還是女性膽石癥患者，其體質(zhì)量指數(shù)均顯著大于健康者；劉強(qiáng)等[37]研究發(fā)現(xiàn)，三酰甘油水平≥1.71 mmol/L是膽囊結(jié)石患者行保膽取石術(shù)后膽結(jié)石復(fù)發(fā)的重要因素。近來有學(xué)者[38]通過小鼠實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，喂食丁酸含量較高的枯草桿菌制劑能夠顯著降低高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠的體質(zhì)量指數(shù)，這說明丁酸具有潛在抗肥胖作用；宋嬌嬌[39]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，灌胃產(chǎn)丁酸的lactobacillus plantarum微膠囊制劑能夠使高脂血癥大鼠血清及肝臟中甘油三酯、總膽固醇及低密度脂蛋白含量顯著降低。綜上所述，丁酸可以通過影響有利于形成膽固醇結(jié)石的因素來預(yù)防膽固醇結(jié)石的形成，但尚需更多的實(shí)驗(yàn)研究來支持此理論。

3 小結(jié)與展望

如上文所述，腸道菌群以及其代謝產(chǎn)物SCFAs對人體許多疾病的發(fā)生發(fā)展有著重要作用。近來有越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，膽結(jié)石的發(fā)生與心血管疾病[40]、肥胖、高血脂、胰島素抵抗等代謝性疾病有密切聯(lián)系[41]。目前，關(guān)于腸道菌群以及其代謝產(chǎn)物丁酸與膽固醇型膽結(jié)石以及代謝性疾病的研究已經(jīng)成為科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，關(guān)于含丁酸成分的制劑（如丁酸鈉、益生菌）抑制這些疾病發(fā)生發(fā)展的作用已經(jīng)在大量的動物實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)，但是在臨床研究上少之又少，并且其具體的分子生物學(xué)機(jī)制的研究也尚不多見，其原因可能與人體腸道菌群的多樣性、復(fù)雜性以及臨床研究開展的困難性有關(guān)?？傊到y(tǒng)了解膽固醇型膽結(jié)石發(fā)病過程中膽道以及腸道菌群結(jié)構(gòu)的變化特點(diǎn)，以及微生物變化與膽固醇型膽結(jié)石之間的關(guān)系，這將為進(jìn)一步通過飲食來預(yù)防膽石癥的發(fā)生發(fā)展開辟一條新的途徑，有望為膽石癥的治療增加新的方法。