肠道菌群与胆固醇结石、胆色素结石形成关系的研究进展

樊凤良综述 孙海军审校

胆囊结石(cholecystolithiasis)作为人类消化系统最常见的疾病之一,随着人们近些年来生活水平的提高,发病率也在逐年攀升。胆囊结石主要包括胆固醇类结石、胆色素类结石和以碳酸钙与磷酸钙为主的混合型结石,相比胆色素类结石,胆固醇类结石发病率要远大于胆色素结石[1]。胆囊结石的发病主要与高脂饮食、肥胖及女性激素等因素造成胆汁浓缩和淤积密切相关[2]。近些年发现肠道菌群也参与胆囊结石的形成,并产生重要影响,探究清楚微生物菌群和胆囊结石的关系或许成为治疗或干预胆囊结石的潜在选择。

1 肠道及胆道菌群分类

微生物群落被认为是人体不可替代的成分,它们对于人体的特定生理功能是必不可少的,胃肠道中与人类共生着大量微生物,健康成年人的肠道微生物种群主要由细菌门厚壁菌门和拟杆菌门(90%)组成,其次是其他门,包括比例较低的放线菌(主要是双歧杆菌)、变形杆菌、梭菌和疣微菌[3]。这些定植于人类胃肠道的微生物通过共生、共同进化,可以影响个体的生理、新陈代谢、营养和免疫功能,其正常比例维持着人体的正常功能,因而即使微生物种群微小变化也会引起菌群的生态失衡,从而导致人体的功能紊乱,继而引发机体一系列疾病,如炎性肠病、癌症和自身免疫性疾病等[4]。

目前尚不清楚健康个体和非感染性疾病患者的胆管中是否存在微生物组,普遍认为健康个体的胆管中不存在微生物。但胆管已被证明在疾病条件下携带细菌,胆管结石的复发部分也归因于细菌从小肠的迁移[5],其迁移存在2种途径:一种是通过肠屏障,另一种是通过肝肠轴即Oddi括约肌直接回流。研究表明,胆道菌群与十二指肠相似,变形菌门(61.7%)、厚壁菌门(25.1%)、拟杆菌门(5.0%)、梭杆菌门(4.6%)和放线菌门(2.6%)是胆汁中最主要的门[6]。因此,肠道和胆道菌群失衡的关系也越来越被重视。

2 胆固醇结石与菌群关系

菌群参与胆固醇结石的形成主要可以通过调节胆汁酸代谢参与胆固醇结石的形成和微生物群代谢物参与胆囊中胆固醇结石形成2种机制进行[7]。

2.1 胆汁酸的肠肝循环 肝细胞是胆固醇合成胆汁酸的场所,其合成途径包括由肝细胞中胆固醇7α-羟化酶(CYP7A1)介导的经典途径,以及由肝细胞中甾醇27-羟化酶(CYP27A1)介导的替代途径,研究表明CYP7A1和CYP27A1的表达可受到肠道微生物群的调节[8],胆固醇首先通过上述2种途径合成游离的初级胆汁酸, 然后通过酰胺键与牛磺酸和甘氨酸结合形成结合胆汁酸。在进食时通过神经和体液调节刺激胆囊分泌储存的结合型胆汁酸,其通过胆管分泌进入肠道,来帮助脂类的吸收。而有一部分结合胆汁酸进入肠道后被具有胆汁酸盐水解酶(BSH)的细菌催化成为游离胆汁酸,进而被7α-脱羟基转化为次级胆汁酸,最后由肠上皮细胞吸收经由门静脉返回肝脏,完成胆汁酸的肠肝循环[9]。

2.2 HBS与游离胆汁酸 目前已知在肠道中的部分结合胆汁酸能被肠道中细菌产生的BSH水解成游离胆汁酸,这些细菌种类众多,目前已知拟杆菌属、梭菌属、双歧杆菌属、乳酸杆菌以及肠球菌等菌属具有BSH[10]。研究表明,小肠中的结合型胆汁酸被肠道微生物群产生的BSH代谢,通过C24酰胺键水解释放非共轭BA[11]。游离胆汁酸代谢主要依赖法尼醇X受体(FXR)[12]和G蛋白偶联受体(TGR5)2种关键的受体[13]。在肝脏和回肠中FXR表达最多,在肝脏中游离胆汁酸可作为信号分子激活 FXR,从而抑制7α-羟化酶的启动子,进而抑制7α-羟化酶的表达,最终抑制游离胆汁酸的合成[12]。回肠中胆汁酸通过刺激成纤维细胞生长因子15/19 (FGF15/19)的表达,进而将FGF15/19释放到门静脉血中,再激活成纤维细胞生长因子4(FGFR4)的表达,FGF15/19调节胆汁酸合成,FGF19可通过门静脉循环到达肝脏,通过抑制胆固醇7α-羟化酶(CYP7A1) 的活性来抑制肝细胞分泌Bas[14]。TGR5主要依赖次级胆汁酸来激活,作为肠道微生物种群和胆汁酸之间相互作用的另一个靶点,TGR5的激活会引起细胞内环磷酸腺苷(cAMP)增加,从而导致靶蛋白磷酸化的水平增加[15],最终引起肠道的运动活跃等变化。内源性β-葡萄糖醛酸酶可能会影响肝内胆管结石的形成,其表达和分泌增加可以通过脂多糖在PKC、NF-κB、c-myc通路在肝细胞和肝内胆管上皮细胞中级联诱导实现[16]。而胆汁盐的存在增加了细菌细胞的通透性,并且胆汁盐可以显著增强肠道中细菌的β-葡萄糖醛酸酶活性,从而影响结石的形成[17]。

2.3 7α-脱羟基与次级胆汁酸 肠道菌群还可以产生7α-脱羟基酶,其可将肠道中的游离胆汁酸转变为次级胆汁酸[18]。和BSH不同的是,具有7α-脱羟基酶的细菌在肠道中占有极少的比例,仅在少数梭状杆菌属及链球菌科中发现了 7α-脱羟化酶,但这些含量相对较少的肠道菌群对宿主的影响却可能很大,而且它们可以增加肠道中的次级胆汁酸,如石胆酸(LCA)和脱氧胆酸(DCA)[19]。

3 胆色素结石与菌群关系

胆色素结石是由细菌产生的β-葡萄糖醛酸酶使胆红素解离并与钙结合沉淀而形成的,然后胆红酸钙通过阴离子糖蛋白聚集成结石[20]。肠屏障是肠道结构和功能的总称,它能阻止细菌和毒素等有害物质通过肠黏膜进入人体的组织、器官和血液循环,其功能障碍可能导致细菌易位、内毒素血症和胆汁β-葡萄糖醛酸酶促进色素性胆结石的形成[21]。大多数色素性结石都与细菌有关,这些细菌可以产生β-葡萄糖醛酸苷酶黏液,其促进色素性结石形成的因素包括β-葡萄糖醛酸酶(bG)、磷脂酶(PhL)和黏液,黏液的产生比β-葡萄糖醛酸酶的产生与结石形成更相关[22]。

3.1 β-葡萄糖醛酸酶与胆色素结石 β-葡萄糖醛酸酶是一种水解酶,其能分解结合胆红素并将其转化为葡萄糖醛酸和非结合胆红素,再与钙离子结合形成钙胆红素结石,该过程归因于肠道杆菌科细菌(如大肠杆菌和克雷伯菌)、梭菌属的存在[23]。宿主和环境因素对β-葡萄糖醛酸苷酶活性的影响很大,研究表明一些药物存在对β-葡萄糖醛酸酶活性的抑制作用,如吲哚的噻二唑衍生物 (1-22)等[24],β-葡萄糖醛酸苷酶在医疗等领域越来越受到重视, 已成为当今研究的热点,通过抑制β-葡萄糖醛酸酶有望成为管理疾病和药物治疗的新方法。

3.2 细菌产生黏液和磷脂酶 大多数细菌会产生黏液,黏液是一种由细菌产生的阴离子糖蛋白,这些黏液可以促进结石形成[20]。体外条件下研究表明在胆结石形成过程中,细菌的黏液活动导致胆结石凝固,而其他活动加速胆结石形成的成核,从而增加疾病的严重程度[25]。当存在细菌感染时,胆道磷脂酶活性显著升高。大部分从胆汁中分离出的菌株都具有磷脂酶 A1 和磷脂酶 A2 活性,由于胆结石中的脂肪酸主要是棕榈酸,并且必须从胆汁磷脂酰胆碱分子中的第一个位置裂解,由此在棕色色素性结石棕榈酸钙的形成过程中细菌磷脂酶 A1可能起重要作用[26]。Ⅱ型磷脂酶 A2 (PLA2-Ⅱ)可能在黏膜炎性反应过程中发挥关键作用,进而可能产生原核剂,增加的胆道 PLA2-Ⅱ可能在多种胆固醇结石中具有重要的发病机制,可能是通过加强胆囊黏膜炎性反应以及有利于胆固醇晶体形成的相关胆道改变[27]。

4 肠道菌群对胆囊结石的影响

Liu等[28]研究表明L.christinae (LAE)水提物通过影响肠道菌群来预防模型动物体内胆固醇结石的能力。在致石饮食诱导的雄性C57BL/6J小鼠中LAE 治疗后胆固醇结石的形成大大减少。此外,肠道菌群表现出显著的变化,喂食生石饲料的模型组中,未分类的卟啉单胞菌属、乳酸杆菌属和别氏菌属的丰度降低,而与正常饲料喂养的对照组相比,阿克曼氏菌的丰度显著增加;LAE的管理扭转了这些变化[28]。这些结果表明,LAE可以被认为是消除由高脂肪和高胆固醇饮食诱导的胆固醇结石的有效疗法,这可以通过影响肠道菌群来实现[28]。此外,使用肠道益生菌可以最大限度地逆转胆囊结石患者的胆汁成分,从而减少胆结石的形成[29]。

5 菌群参与胆囊结石治疗

胆囊结石的中西医结合治疗越来越受到关注,其中肠道菌群在治疗中起着重要的作用。肠道菌群通过调节胆汁酸代谢、抑制胆固醇合成影响胆囊结石的形成,其中肠道菌群可通过调节FXR信号分子影响胆汁酸代谢,因此可通过次级胆汁酸—熊去氧胆酸抑制肝脏胆固醇的合成,有利于结石中胆固醇逐渐溶解[30]。此外短链脂肪酸—丁酸可降低血清总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇含量[31]。褐藻膳食纤维可调节肠道菌群的种类和数量,影响肠道菌群代谢产物,从而改善糖脂代谢紊乱,达到预防胆囊结石的效果[32]。菊粉作为一种膳食纤维,可修复菌群失调导致的胆汁酸含量变化[33]。此外合成微生物群落是有望对微生物群落进行精准调控和改造的人工微生物体系,从而达到治疗胆囊结石的效果[34]。王素英等[35]推测具有清热利湿作用的中药具有调节肠道菌群失衡的作用,进而影响胆石症的疾病进程。居永慧等[36]研究表明四妙永汤、大黄、黄连均可促进胆汁酸的生物合成。在动物模型中,发酵刺梨汁可通过活性酵母发酵,调节肠道微生物及其代谢物,改善肠道菌群紊乱,保护肠道屏障,调节猪去氧胆酸、石胆酸、脱氧胆酸等胆汁酸代谢物[37]。

6 小 结

胆囊结石患者越来越多,但对于胆囊结石的具体病因尚不十分清楚,目前对胆囊结石的治疗仅仅通过外科手术来完成。研究表明肠道菌群失衡不仅与胆固醇结石相关,还与胆色素结石相关。此外,肠道菌群代谢产物对胆囊结石的影响机制越来越受到重视。这为胆囊结石的治疗及预防提供了方向。但胆囊结石与肠道菌群具体机制尚待研究,未来有望通过基因测序和严格的临床试验来确定肠道菌群与胆囊结石的具体机制,进而通过生物疗法代替外科手术对胆囊结石的治疗。肠道微生物组组成的改变还可能导致免疫失调,促进慢性炎性反应和肿瘤的发展。肠道微生物及其代谢产物可能通过循环系统迁移到身体其他部位,导致宿主生理状态失衡,并通过肠—脑轴、肠—肝轴分泌各种神经活性分子,影响特定器官的炎性反应和肿瘤发生。因此,肠道微生物群有望为肿瘤进展提供思路,并可能为恶性肿瘤的发病机制提供新的见解。