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)藥大學第一臨床醫(yī)學院(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、飲食習慣、基因等均可對其產(chǎn)生影響[8]。當腸道菌群紊亂，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致膽汁膽固醇過度飽和被認為是膽結(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，后者則以甾醇27-羥化酶(sterol 27-hydroxylase，CYP27A1)介導[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?；撬峒案拾彼峤Y(jié)合形成結(jié)合型膽汁酸儲存于膽囊，當進食刺激后，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，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?；?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，導致機體膽汁酸的正向合成途徑不能完全發(fā)揮，周而復始，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誘導的肝臟ABCG5、G8表達增加，并導致膽固醇結(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：趙瀚東負責文獻檢索分析，撰寫論文；高鵬參與修改論文；詹麗負責擬定寫作思路，指導撰寫文章并最后定稿。