综述：胆酸在肠肝疾病中作为微生物群信号传导的介质

《Biochemical Pharmacology》：Bile acids as mediators of microbiota signaling in entero-hepatic disorders

　　摘要：本综述探讨了在肠肝疾病（如炎症性肠病和代谢功能障碍相关脂肪性肝病）中，胆酸与其受体所构成的信号网络的结构与功能，该网络负责调节肠道微生物群与宿主之间的化学通讯。过去十年中，分析技术及生物信息学方法的进步，包括代谢组学和反向代谢组学，极大提升了我们对胆酸代谢的认识。这些研究显示，肠道微生物群能将肝脏合成的初级胆酸——由胆固醇转化而来——转变为多种具有生物活性的物质。目前已鉴定出数百种“经典”次级胆酸以及微生物源性胆酸，它们可通过调控多种广泛表达的受体来发挥作用，这类受体包括法尼醇X受体、G蛋白偶联胆酸受体以及视黄素相关孤儿受体。同时，对具有胆酸相关基因的微生物种类进行特征分析，也逐渐成为疾病表型分析的重要工具。例如胆盐水解酶就能催化胆酸的解偶联反应。此外，分析粪便、血液等生物样本中的胆酸组成，有助于揭示微生物群失衡与炎症性肠病、代谢功能障碍相关脂肪性肝炎等疾病之间的关联。本综述还探讨了基于这一新理论框架可能开发出的治疗策略。

引言：胆酸是一种两亲性类固醇分子，其生成依赖于涉及肝脏胆固醇分解代谢以及肠道内微生物酶促反应的复杂代谢网络。这种宿主与微生物协同的代谢机制会在肝细胞中产生初级胆酸，随后这些胆酸会进一步转化为次级胆酸及微生物源性胆酸，共同决定胆酸池的组成与功能特性。除了在脂质吸收中的传统作用外，胆酸还作为信号分子参与调节代谢途径、免疫反应及细胞稳态，因此在代谢性和炎症性疾病中具有重要的药理意义。初级胆酸是在肝细胞中通过一系列严格调控的酶促反应由胆固醇合成的，这一过程至少涉及17种酶，可分为经典路径和替代路径两大类。在生理状态下，经典路径是胆酸产生的主要途径，其起始步骤是由限速酶胆固醇7α-羟化酶催化胆固醇转化为7α-羟基胆固醇。后续的酶促反应会生成共同的中间产物7α-羟基-4-胆甾烯-3-酮，这是胆酸生物合成过程中的关键分叉点。在此阶段，甾醇12α-羟化酶会决定两种主要初级胆酸的生成比例：当该酶活性存在时，代谢途径会走向胆酸的合成；若其缺失，则代谢途径会转向脱氧胆酸的生成。因此，胆酸与脱氧胆酸的比例主要由该酶的活性决定，它也是影响胆酸池组成及物理化学特性的重要因素。替代路径则由甾醇27-羟化酶启动，该酶会生成氧化甾醇中间体，随后再通过依赖氧化甾醇7α-羟化酶的反应继续代谢。虽然在生理状态下这一路径的产量相对较低，但它在脱氧胆酸合成中起着重要作用，尤其在经典路径出现障碍时更为关键。由于胆酸具有去污特性，且过量积累时可能具有细胞毒性，因此其合成过程通过负反馈机制受到严格调控。胆酸激活法尼醇X受体后，会促使肝细胞表达小异二聚体伴侣蛋白，同时肠道上皮细胞也会表达纤维芽生长因子19，进而抑制CYP7A1的表达，维持胆酸平衡。初级胆酸合成后会在C24位点与甘氨酸或牛磺酸结合，这一过程由胆酸CoA合成酶和胆酸CoA氨基酸N-酰基转移酶催化。这种结合不仅能提高胆酸的水溶性，还能降低其类似去污剂的毒性，减少其对磷脂双层结构的破坏及对细胞的损伤，同时还可通过依赖ATP的转运蛋白将其主动分泌到胆汁中。结合后的胆酸储存在胆囊中，当摄入营养物质时会被释放到肠道腔内，进而促进脂质的乳化与吸收。大约90%至95%的胆酸会在回肠末端被重新吸收，通过肠肝循环返回肝脏。这一高效的循环系统使得胆酸池每天可循环数次，从而大大减少了从头合成胆酸的需求。在回肠中，结合胆酸会通过顶端钠依赖性胆酸转运蛋白被肠道上皮细胞主动摄取，随后再通过有机溶质转运蛋白α/β被输出到基底外侧膜，最终通过门脉循环进入肝脏。肝细胞随后会通过钠牛磺胆酸共转运多肽和有机阴离子转运多肽等转运蛋白重新吸收胆酸，最后再通过胆盐出口泵将其分泌回胆汁中。在肠道腔内，胆酸会经过肠道微生物群的广泛生物转化，生成次级胆酸以及多种微生物源性胆酸。这一过程的第一步也是关键步骤是解偶联，该反应由微生物胆盐水解酶催化，它能水解连接胆酸与甘氨酸或牛磺酸的酰胺键。这类酶在多种肠道细菌中广泛存在，包括梭菌属、拟杆菌属、乳杆菌属和双歧杆菌属的成员，它们不仅帮助微生物适应富含胆酸的环境，还为进一步的代谢转化提供条件。解偶联后的胆酸还会经历其他修饰反应，比如7α-脱氢作用，该反应由胆酸诱导操纵子中的细菌酶催化，可将胆酸转化为脱氧胆酸，将脱氧胆酸转化为石胆酸。这些次级胆酸的疏水性更强，且具有不同的受体结合特性，因而能改变其信号传导功能与生物学效应。例如，脱氧胆酸和石胆酸是G蛋白偶联胆酸受体1的强效激动剂，能促进胰高血糖素样肽-1的分泌、增加能量消耗并发挥抗炎作用。此外，石胆酸及其衍生物还能激活维生素D受体，有助于维持肠道屏障完整性与黏膜免疫功能。因此，微生物将初级胆酸转化为次级胆酸的过程对宿主的代谢、免疫稳态及炎症反应具有重要影响。除了经典的次级胆酸外，肠道微生物群还能通过氧化、差向异构化及重新结合等酶促反应生成多种微生物源性胆酸。肠道细菌表达的羟基甾醇脱氢酶能催化C3、C7和C12位点的羟基发生氧化及立体结构改变，从而生成氧化胆酸及衍生的异构体，如熊去氧胆酸和异胆酸。这些代谢物的受体选择性及生物活性均有所差异，进一步凸显了微生物代谢在调控胆酸信号传导中的作用。与原始胆酸相比，氧化及异构化的胆酸可能毒性更低，与胆酸受体的亲和力也有所不同。值得注意的是，某些石胆酸衍生物，如3-氧化-LCA和异阿洛-LCA，能调节适应性免疫反应，它们可通过抑制T辅助17细胞分化、促进调节性T细胞发育来发挥作用，这一效应是通过调控视黄酸受体相关孤儿受体γt的活性实现的。这些研究结果表明，微生物胆酸代谢物是连接肠道微生物群与宿主免疫调控的重要介质。近期的代谢组学研究还发现了通过与苯丙氨酸、酪氨酸及亮氨酸等氨基酸结合而生成的新型微生物结合胆酸，这类物质是此前未被发现的、具有独特功能特性的宿主-微生物代谢物。这些发现表明，微生物代谢的功能不仅限于降解初级胆酸，它还能主动生成在结构与功能上都具有独特性且具备信号传导能力的代谢物。有证据表明，这类新型氨基酸结合胆酸在物理化学性质及受体激活特性上与宿主来源的甘氨酸及牛磺酸结合胆酸存在差异。尽管它们的生物学功能仍在研究中，但已显示出其在调控宿主代谢、肠道免疫反应及微生物-宿主通讯中的作用，暗示它们可能是此前未被认识到的新型信号分子。肝脏合成与微生物代谢的相互作用，形成了一个由初级胆酸、次级胆酸及微生物源性胆酸构成的高度动态的胆酸池，这些胆酸通过肠肝循环不断循环。这种双向的代谢互动使得微生物群能够调节胆酸的组成，而胆酸本身则可通过抗菌作用及受体介导的信号传导影响微生物生态。此外，胆酸信号通路还能调控参与胆酸合成的关键酶的表达，从而形成将微生物代谢与宿主代谢调控相整合的反馈机制。需要强调的是，胆酸的生物学效应具有很强的环境依赖性，其强度取决于浓度、化学结构、组织分布、受体表达水平以及疾病阶段。这些研究结果突显了次级胆酸及微生物源性胆酸作为宿主与微生物通讯核心介质的重要性，同时也表明它们在代谢性疾病、炎症性疾病及免疫介导性疾病中具有日益重要的药理靶点价值。本综述主要聚焦于胆酸通过激活法尼醇X受体及G蛋白偶联胆酸受体等胆酸受体所产生的生理与药理效应，这些效应是宿主与微生物群通讯及代谢调控的基础。相比之下，胆酸的受体非依赖性细胞毒性效应——包括上皮细胞损伤、氧化应激、DNA损伤，以及因脱氧胆酸和石胆酸等次级胆酸过度积累而引发的致癌风险——主要发生在病理状态下的较高局部浓度环境中。过多积累的疏水性微生物源性胆酸与上皮细胞损伤、氧化应激、基因组不稳定、屏障功能受损以及慢性黏膜炎症密切相关，这些情况可能在多种胃肠道组织中为肿瘤的发生与发展创造有利条件。重要的是，这些有害效应通常出现在胆酸代谢紊乱且持续暴露于胆酸的病理状态下，其主要通过受体非依赖性的细胞毒性机制发挥作用，而非本综述重点关注的生理性受体介导的信号传导途径。尽管这些非受体介导的效应与疾病发病机制密切相关，但它们超出了本综述的范围，因此不予进一步讨论。

章节节选：胆酸分析方法与临床应用：在各种疾病中，尤其是肝胆疾病、胃肠道疾病和代谢性疾病，以及胰腺癌、胃癌和神经系统疾病等肿瘤中，胆酸的类型与浓度都会发生显著变化。在临床研究中，血液、尿液、粪便、唾液，以及较少使用的胆汁、胃/十二指肠组织、支气管肺泡灌洗液和羊水等人体样本是最常被使用的。除人类外，鼠类模型（大鼠和小鼠）也被更频繁地用于相关研究。

肠道微生物群的总体结构与组成：肠道微生物群是一个复杂的生态系统，由栖息在胃肠道中的细菌、古菌、病毒及真核微生物构成。宏基因组学、宏转录组学和代谢组学的进展极大地提升了我们对于健康状态及疾病状态下微生物群组成与功能的理解。在健康成年人体内，肠道微生物群以厚壁菌门和拟杆菌门为主，同时也有放线菌门、变形菌门和疣微菌门的存在。

作为后生元的次级胆酸：根据国际益生菌和益生元科学协会的定义，后生元是指“那些由无生命微生物或其成分构成、能为宿主带来健康益处的制剂”。与益生菌不同，后生元不需要活的微生物，而是通过热处理、辐射、高压处理或裂解等刻意灭活工艺制得，这些处理方式可能会保持或破坏细胞的完整性。要被视为后生元，微生物……

胆酸信号传导通过膜受体与核受体实现：胆酸是源自胆固醇的代谢物，它在肝脏中合成后作为消化系统的重要组成部分被释放到肠道中，有助于脂质的乳化以及膳食脂肪和脂溶性维生素的吸收。除了这一已知的消化功能外，胆酸也越来越被看作是具有代谢活性的分子，能够调控多种生理过程。这些调控作用是通过……

胆酸、肠道菌群失调与炎症性肠病：炎症性肠病包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，是一类慢性炎症性疾病，其特点是具有遗传易感性的个体对肠道内的抗原会产生异常的免疫反应。这些疾病的一个核心致病特征是肠道菌群失调，即肠道微生物群的组成和代谢活动出现紊乱，这会改变宿主与微生物之间的相互作用，并导致持续的黏膜炎症[111]。在代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）中，肠道菌群失调是一种与代谢风险因素相关的脂肪肝临床状况。当肝脏脂肪积累与至少一种代谢风险因素并存时，即可诊断为MASLD，这类风险因素包括肥胖、胰岛素抵抗、血脂异常或高血压。其逐渐加重的炎症表现被称为代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH），在组织学上表现为肝细胞损伤。

结论：分析技术的快速发展极大地拓展了我们对胆汁酸生物学的理解，使得胆汁酸分析从一种描述性的生化工具转变为系统生物学中的重要组成部分。高分辨率LC-MS/MS、成像质谱技术以及新兴的空间代谢组学方法，如今能够更全面地解析循环液和组织中的胆汁酸分布情况。不过，仍存在不少分析上的挑战。

CRediT作者贡献声明：
Stefano Fiorucci：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，概念构建。
Silvia Marchianò：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，概念构建。
Cristina Di Giorgio：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，概念构建。
Ginevra Urbani：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，概念构建。
Maria Chiara Monti：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，概念构建。
Angela Zampella：写作——利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

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