肠道菌群通过影响胆汁酸代谢参与胆囊胆固醇结石形成

（哈尔滨医科大学附属第一医院 微创胆道外科，黑龙江 哈尔滨 150001）

1 肠道微生态概述

肠道微生物与人类共同演化了数百万年之久并彼此共同进化、共同发育、共同代谢、互相调控，被人类称为遗忘的“功能器官”。肠道菌群不是一成不变的，它随着年龄、饮食、环境因素的改变而发生变化，既受宿主遗传性的控制，也受宿主所处外环境的影响[1]。人体的肠道细菌可达1×1013～1×1014个/g肠内容物，种类达500种以上[2]，约330万个编码基因，远远多于人类基因。整个肠道从近端到远端，由于肠道不同部位氧气含量、pH值以及运动模式不同，细菌的代谢类型也由需氧型逐渐过渡为厌氧型，数量也逐渐增多，形成了一个尤为庞大的生态系统。肠道菌群参与物质与能量代谢，促进免疫系统发育与成熟，形成屏障保护宿主免受病原体的攻击等[3]。正常情况下，肠道微环境保持健康平衡[4]，有助于人体内环境稳态。然而，一旦这种平衡被打破，就会引起许多慢性疾病的发生发展[5]。因此，肠道微生态得到人们普遍重视。

2 肠道微生态失衡和胆囊结石

胆囊结石是一种与代谢相关的疾病，在解剖上，胆道连接肝脏和肠道，是消化道的组成部分。胆汁酸从肝脏合成经胆道排入肠道，其代谢受肠道菌群的调节，而菌群的分布和结构又受胆汁酸影响，胆汁酸代谢紊乱是胆结石形成的重要因素[6]。因此，研究肠道菌群与胆汁酸的关系是探讨胆囊结石形成的新视角。很早之前就有学者提出肠源性细菌在胆囊结石的形成中具有重要的作用。随着技术进步，有学者分析了胆囊结石患者胆汁和粪便中公有的或特有的细菌末端操作分类单位（operational taxonomic unit，OTU）发现了一个重要的胆道菌群的起源模式，证实了胆道细菌起源或部分起源于肠道。肠道菌群失调可能是胆囊结石发生的重要因素，研究表明，胆囊结石患者肠道中肠杆菌、肠球菌、链球菌的相对丰度明显高于对照组，而有些细菌菌落则明显低于对照组（P＜0.05）[7]。Wang等[8]采用16S rRNA基因测序技术检测胆固醇结石小鼠粪便，发现小鼠肠道中厚壁菌门及其与拟杆菌比值都降低。致石饮食在不同水平上重塑了肠道微生物群结构，与对照组相比，结石组优势菌种没有变，但菌群丰度和多样性显著降低（P＜0.05）。研究发现，在属水平上，胆结石患者肠道罗氏菌属和拟杆菌属均减少，而瘤胃球菌属和颤螺旋菌属均增加[9]。值得注意的是颤螺旋菌属丰度增加致使粪便胆汁酸盐升高，这一菌属可能是胆石症的潜在生物标志物。

3 肠道微生态与胆汁酸代谢

3.1 胆汁酸的代谢及肠肝循环

胆汁酸由肝细胞以胆固醇为原料在7α-羟化酶的作用下合成结合型胆汁酸，然后排入肠道。结合胆汁酸被肠道中产胆汁酸盐水解酶（BSH）的细菌催化为游离胆汁酸，游离胆汁酸再被7α-脱羟基菌转化为次级胆汁酸，最后各种类型的胆汁酸被肠上皮细胞吸收并穿过基底外侧膜进入门静脉返回肝脏，完成肠肝循环。在整个过程中，7α-羟化酶是胆汁酸生成的限速酶，肠道菌群调节此酶的基因表达水平来调控胆汁酸的合成。

3.2 肠道菌群影响胆汁酸代谢

3.2.1 BSH与游离胆汁酸：肠道菌群参与胆汁酸修饰，在胆汁酸转化中起重要作用。肠道中广泛分布着可以产生BSH的细菌，目前人类肠道中117个菌属的591个菌株具有BSH活性[10]。这些细菌将结合胆汁酸解偶联[11]，生成游离胆汁酸。研究发现，在肝脏中游离胆汁酸（胆酸、脱氧胆酸、鹅脱氧胆酸、石胆酸）作为重要的信号分子激活法尼醇X受体（FXR），抑制7α-羟化酶的启动子，从而抑制7α-羟化酶的表达。7α-羟化酶是胆汁酸合成的限速酶，也是胆固醇消除的关键酶。肠道中也存在FXR，当回肠上皮细胞内游离胆汁酸浓度升高时，激活FXR，诱导肠上皮细胞分泌成纤维细胞生长因子19（FGF19）。FGF19进入肠系膜静脉和门静脉，最后在肝细胞表面结合由成纤维细胞生长因子受体4和Klotho β组成的异二聚体，联合小异源二聚体分子伴侣，下调7α-羟化酶基因表达，使胆汁酸合成减少[12]。这两种负反馈调节机制使胆汁酸池的大小在生理状态下处于动态平衡中。生理状态下，肠道游离胆汁酸增多，机体启动反馈抑制途径，维持胆汁酸池稳态。这个过程中肠道菌群扮演了重要角色，若在不良饮食结构等致病因素作用下，引起肠道菌群失调[13]，肠道微生态失衡致使BSH活性增强。肠道中产生较多的游离胆汁酸启动负反馈调节机制使胆汁酸的合成长时间受到抑制，直到BSH的底物不足，机体启动胆汁酸正向合成机制，增加胆汁酸合成，但是肠道BSH的高活性依然存在，不合理的膳食结构也依然存在，胆汁酸的合成再次进入一段长时间的抑制状态，如此循环往复。在每次循环中都有一段时间胆汁酸是处于合成抑制状态。胆汁酸减少，胆固醇过饱和，胆固醇在胆汁中析出成石。所谓的结石体质，可能是机体存在这种循环机制。

3.2.2 7α-脱羟基菌与次级胆汁酸：游离胆汁酸在7α-脱羟基菌作用下生成次级胆汁酸。7α-脱羟基菌具有胆汁酸诱导基因（bai），它能编码具有7α-脱羟基作用的酶。该途径中有3个关键酶，分别由baiA2、baiB和baiE基因序列编码，分别产生胆汁酸3α-羟基类固醇脱氢酶，胆汁酸辅酶A链接酶，胆汁酸7α脱水酶[14]。bai在CA存在下高度上调，高表达具有7α-脱羟基作用的酶[15]。在这些酶的作用下，初级胆汁酸最终生成次级胆汁酸。我们对7α-脱羟基菌在肠道中的丰度和多样性知之甚少，目前已知仅Clostridium属以及Lachnospiraceae和Peptostreptococcaceae[16]的一些菌株具有7α-脱羟基活性，这些菌群占全肠细菌的一小部分（＜1%）。但这些低丰度的肠道微生物对宿主产生的影响可能是巨大的，它们使肠道中次级胆汁酸石胆酸（DCA）和脱氧胆酸（LCA）增加，这将使通过肝肠循环返回肝脏的次级胆汁酸增加，但人类肝脏不能将次级胆汁酸7α-羟基化，因此，这些次级胆汁酸可以在人类胆汁中积累到很高的水平。相反，啮齿动物可以将次级胆汁酸7α-羟基化来维持亲水性的胆汁酸池大小[17]。肠道微生物形成次级胆汁酸是当前具有重大生物医学意义的话题。研究表明7α-脱羟基菌将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸可以抑制艰难梭菌在体内的生长[18]。在鹅去氧胆酸（CDCA）存在下，DCA和LCA能够抑制FXR[19]。DCA和LCA是G蛋白偶联胆汁酸受体1（GPBAR1）的强效激动剂，能够激活先天免疫细胞，巨噬细胞和自然杀伤性T 细胞上的胆汁酸受体GPBAR1，维持肠道和肝脏免疫稳态[20-22]。GPBAR1在小鼠和人胆囊的上皮细胞和胆囊平滑肌中也表达丰富，胆囊上皮细胞中GPBAR1的激活促进了胆汁分泌，但胆囊平滑肌细胞GPBAR1受体激活导致平滑肌松弛，从而胆囊充盈，应用内源性或合成的GPBAR1配体可显著增加胆囊体积并超过两倍[23]。Berr F等[24]的研究表明，次级胆汁酸增加促进胆固醇结石形成。

近来研究也证明了肠道菌群与胆汁酸的合成有关，在无菌小鼠肠道接种细菌后，肠上皮细胞的法尼醇X受体（FXR）上调，成纤维细胞生长因15分泌增加，下调7α-羟化酶的基因，使胆汁酸合成减少[25-26]。人类肠道微生物群定植到无菌小鼠体内，结果发现FXR拮抗剂牛黄结合β鼠胆酸（tauro-beta-muricholic acid，T-βMCA)的水平显著降低，从而诱导回肠中FXR信号传导和增加FXR靶基因表达[26]。在FXR介导的反馈抑制途径作用下使胆汁酸生成减少，从而促进胆固醇结石发生。这些研究都表明了肠道菌群失调会影响胆汁酸的代谢。然而，胆汁酸的代谢与胆固醇结石的发生发展有着密不可分的关系，肠道菌群可能是影响胆结石发生发展的重要因素[27]。

4 问题与展望

研究表明胆固醇结石的形成与肠道微生态失衡有关，本文综述了肠道细菌影响胆汁酸代谢导致胆固醇结石形成的机制。而肠道菌群对胆汁酸代谢的影响不是单一通路而是多种途径，这些途径之间的关系是相互影响还是独立存在，尚且需要进一步研究。胆结石患者肠道菌群以多种机制影响胆汁酸代谢，肠道BSH活性增强，胆汁酸诱导基因表达升高可能是重要环节，这需要进一步研究和证实。希望微生物群靶向治疗成为预防或治疗胆固醇结石的有效策略。