肠道菌群-胆汁酸在腹泻型肠易激综合征发病中的作用

董昌昊，崔立红，王广祥，冼 锐

1.中国人民解放军总医院第一医学中心消化内科， 北京 100853；

2.华南理工大学医学院

肠易激综合征(irritable bowel syndrome，IBS)是一种以反复发作的腹痛为主要症状，且与排便相关同时伴有排便习惯或粪便性状改变的一种功能性胃肠病[1]。其全球患病率为1.3%～7.6%，在我国的患病率约为2.3%[2]。根据患者大便性状的改变，可将IBS分为便秘型、腹泻型、混合型和不定型四种亚型[3]，其中腹泻型IBS(IBS-diarrhea, IBS-D)最常见，危害最大，现已成为重要的公共卫生问题。鉴于目前IBS-D的具体机制不清、总体治疗效果不佳、对患者的生存质量影响较大等特点，阐明IBS-D的发病机制对其预防、早诊及治疗有重大意义。近年来肠道菌群-胆汁酸轴在IBS-D中起到的作用逐渐被人们所关注，本文将从肠道菌群、胆汁酸以及法尼醇X受体(Farnesoid X receptor,FXR)在其发病中起到的作用等方面对IBS-D的发病机制作一概述。

1.1 正常肠道菌群健康人体中包含了由数万亿微生物(包括细菌、真菌、原生生物和病毒等)组成的微生态系统[4]。这些微生物主要存在于皮肤、口腔、胃肠道、呼吸道和泌尿生殖道等，其中肠道微生物群数目庞大且对人体健康有着非常重要的影响。人体的肠道内含有上千种不同的细菌，占人体细菌总量的80%左右[5]，因此，肠道菌群基因组由于其庞大的遗传信息量，又被称为“人类第二基因组”[6-7]。肠道菌群是动态变化的，其受到出生方式、年龄、饮食等多方面因素的影响，并且和个人的健康状况密切相关。随着年龄的增长，肠道微生物的多样性和丰富度不断发生变化，儿童时期微生物的多样性逐渐增加，在青春期或成年期达到相对稳定的状态。健康成年个体的肠道菌群大多数来自两个细菌门，分别是厚壁菌门和拟杆菌门[8]。拟杆菌门包含了大部分的革兰氏阴性细菌，其中的大多数物种属于拟杆菌属和普雷沃氏菌属。厚壁菌门主要包含了各种各样的革兰氏阳性细菌，其门下的细菌种类如梭菌属、真杆菌属和瘤胃球菌属在肠道中占优势[9]。厚壁菌门中的大多数是产丁酸细菌，丁酸是结肠细胞的主要能量来源之一，它在调节肠黏膜炎症、维持肠道屏障功能等方面起到重要作用[10]。其次，放线菌门、变形菌门、梭杆菌门等也是肠道中的常见菌门，虽然与厚壁菌门和拟杆菌门相比丰度较低，但也有相当大的潜力影响人体健康。

1.2 IBS-D患者的肠道菌群随着近年来人们对肠道菌群的认识不断加深，越来越多的研究证实肠道菌群与IBS有潜在的相关性。IBS患者体内普遍存在着肠道菌群失调，其主要表现为菌群多样性降低和构成比例的改变[1]。IBS-D是IBS中以腹泻为主要表现的一种类型，诊断标准是粪便中布里斯托分型为6～7型的大便比例≥25%(稀便)，1～2型的大便比例<25%(干便)。关于特定菌群改变与IBS-D之间的关联尚无一致的共识和结论，多项研究表明IBS-D患者肠道菌群的丰度显著降低[11-12]，其表现为两个主要门的明显变异，即拟杆菌门的增加和厚壁菌门的减少[13-14]。在属水平上，表现为拟杆菌属增加，粪杆菌属和双歧杆菌属减少[15-16]。

也有研究将粪便胆汁酸正常的IBS-D患者与粪便胆汁酸增加的IBS-D患者的肠道菌群进行了对比[17]，结果显示在门水平上，放线菌门、变形菌门、梭菌门和厚壁菌门在胆汁酸增加的IBS-D患者中的相对丰度增加，而拟杆菌门减少。在属的方面，胆汁酸增加的IBS-D粪便微生物群中瘤胃球菌属、真杆菌属、梭菌属等的丰度显著增加，双歧杆菌属、大肠杆菌属和Bilophila属的丰度也有所增加，Alistipes属和拟杆菌属丰度显著降低。

1.3 肠道菌群与肠黏膜炎症人体中大量菌群粘附在肠壁上形成一道天然的屏障，在抵御外界病原体入侵的同时，细菌与肠道免疫系统也相互作用。因此，各种原因导致的肠道菌群失衡均有可能破坏这种肠黏膜的免疫平衡状态，进而促进了肠黏膜炎症的产生。例如多项研究表明，在IBS尤其是IBS-D患者中Faecalibacterium比例显著降低[18-19]，该菌属被认为具有抗炎作用且是丁酸盐的主要产生者，其可以通过抑制IL-17的表达从而降低肠黏膜炎症。丁酸盐是一种主要来源于碳水化合物，经细菌发酵产生的短链脂肪酸，它通过充当组蛋白脱乙酰酶抑制剂(histone deacetylase,HDAC)以及与几种特定的G蛋白耦联受体(G protein coupled receptor，GPCR)结合等方式在抗炎、抗氧化、维持肠道屏障功能等方面发挥着重要的作用[20-21]。另外也有研究显示，在IBS患者中肠杆菌科等促炎细菌增多[15]，这也提示肠道菌群失调可通过加重肠道炎症反应从而促进IBS-D的发生发展。

2.1 胆汁酸的合成与代谢肝脏中的胆固醇在各种催化酶的作用下最终变成胆汁酸。初级胆汁酸包括鹅脱氧胆酸(chenodeoxycholic acid，CDCA)和胆酸(cholic acid，CA)[22]，其合成主要通过经典和替代两种途径，经典途径主要产生CDCA和CA，在正常条件下产生75%以上的胆汁酸[23-24]，CYP7A1是其限速酶。替代途径主要产生的是CDCA，CYP27A1和CYP7B1是该过程的关键酶，研究表明以上三种参与胆汁酸合成的酶的表达和活性均与肠道菌群有关[25-26]。初级胆汁酸合成后在肝脏中与牛磺酸/甘氨酸或硫酸盐/葡萄糖醛酸结合形成结合型胆汁酸[27]，此过程目的是为了增加胆汁酸的亲水性，进而有利于发挥其生理作用。结合胆汁酸分泌进入肠道后，由具有胆汁盐水解酶活性的细菌进行胆汁酸去缀合[28]。去除结合物的非结合初级胆汁酸进入结肠后通过细菌的7α-脱羟基作用最后转变成次级胆汁酸[29-30]，分别是来自CDCA的石胆酸(lithocholic acid，LCA)和来自CA的脱氧胆酸(deoxy-cholic acid，DCA)[31]。

约95%的胆汁酸被肠道重吸收回到肝脏，其余5%左右的胆汁酸经粪便排出体外[32]。胆汁酸的重吸收主要是以结合胆汁酸的形式，在回肠末端通过钠依赖性胆盐转运体(apical sodium-dependent bile acid transporter，ASBT)主动重吸收[33]。然后通过小肠上皮细胞基底侧的有机溶质转运蛋白α/β(organic solute transporter alpha/beta，OSTα/β)进入门静脉系统后回流入肝脏，由此完成胆汁酸的肠肝循环[34]。游离胆汁酸在结肠通过被动扩散重吸收回到肝脏或随粪便排出，其中DCA和LCA占粪便总胆汁酸的80%～90%[35]。

2.2 胆汁酸与IBS-D近年来，有研究表明胆汁酸代谢紊乱存在于IBS-D患者中，约1/3的IBS-D患者存在胆汁酸的合成或排泄增多[36]，这提示胆汁酸循环异常可能与IBS-D的发病有一定的关联。胆汁酸相关性腹泻是指大量的胆汁酸进入结肠，在结肠胆汁酸通过影响电解质平衡和促进结肠传输等引起腹泻，另外，较高浓度的胆汁酸对黏膜有直接损害作用，使肠道通透性降低[16]。据调查发现，在胆汁酸相关性腹泻的患者中，约32%的患者为IBS-D患者，这也提示胆汁酸代谢紊乱可能在IBS-D的发病过程中起着重要的作用[37]。尽管现在描述IBS-D患者胆汁酸代谢的研究仍然不多，但随着人们越来越多的不断深入的研究，胆汁酸在IBS-D发病中的作用也逐渐被揭示。

3.1 肠道菌群对胆汁酸的影响胆汁酸池的组成受肠道内细菌的代谢影响，并与宿主生理学有着一定的内在联系。在人体中，肠道微生物群分别通过去缀合、7α-脱羟基、氧化、差向异构化、脱硫和酯化等反应参与次级胆汁酸的生成[29，38]。胆汁盐水解酶在小肠内对结合胆汁酸进行水解的过程称为去缀合[39]，其在拟杆菌属、梭菌属、乳杆菌属、双歧杆菌属、肠球菌属和李斯特菌属等细菌中高度表达[40-42]。除去结合外，7α-脱羟基化也是肠道菌群参与胆汁酸生物转化最重要的过程之一，该反应将几乎所有的CDCA和CA转化成LCA和DCA[42]。细菌通过胆汁酸诱导性(bai)基因操纵子编码的关键酶利用宿主来源的胆汁酸产生次级胆汁酸，据估计，7α-脱羟基途径仅存在于约0.0001%的结肠微生物群中[43]。近年来的16S rRNA序列分析已经证实，梭菌属和其他密切相关属的极少数物种参与了细菌的7α-脱羟基化[29，44-45]。此外，埃格特菌属、梭菌属、拟杆菌属、消化链球菌属、瘤胃球菌属、真杆菌属和大肠杆菌属等在催化C3、C7和C12处羟基的差向异构化和氧化中起到了重要的作用[40，46]。同时有研究发现，与常规小鼠相比，在无菌小鼠的粪便样本中几乎检测不到次级胆汁酸，但后者的结合胆汁酸比例更高[47]，这也是肠道微生物群参与胆汁酸去缀合和去羟基化的有力证据之一。

3.2 胆汁酸对肠道菌群的作用胆汁酸可作为微生物的生存环境因素和营养素，但它们对肠道微生物群也有直接的抗菌作用，并可通过调节肠道微生物群而导致疾病[48]。大量研究表明，较高浓度的胆汁酸具有细胞毒性，能够导致细胞凋亡坏死，诱导炎症反应和DNA损伤，且与功能性胃肠道疾病(functional gastrointestinal diseases，FGID)相关[49-50]。胆汁酸在肠道中作为抗菌剂的主要机制是损伤细胞膜，其中浓度和疏水性在其抗菌作用中起着重要作用[29]。除了膜损伤外，胆汁酸还可以通过干扰RNA二级结构、造成DNA损伤、促进蛋白质错误折叠等方式破坏大分子结构稳定性，从而对肠道微生物造成破坏[51]。研究表明，DCA是最有效的抗菌胆汁酸之一，其杀菌活性是CA的10倍，可严重抑制肠道微生物群的生长[52]。研究发现，在给大鼠喂食CA之后，提高了其肠道中厚壁菌门与拟杆菌门的比值，使肠道微生物的多样性降低，并促进了丹毒丝菌纲和梭菌纲中某些微生物的生长[53]。总之，肠道微生物群可以调节胆汁酸池的构成，反过来胆汁酸也可以通过各种机制改变肠道微生物群的结构。肠道菌群-胆汁酸-宿主轴相互联系，其中任何一种成分的功能障碍均会对其他成分产生影响，从而促进各种疾病的发生。

4.1 FXR概述FXR属于核受体超家族，是代谢受体中的一个亚类，在胆汁酸代谢、糖脂代谢以及炎症反应过程中发挥关键作用[54]。其本质是一种与称为法尼样X响应元件(FXR-responsive element, FXREs)的DNA响应元件结合，并启动下游多种靶基因表达的转录因子[55]。FXR在多种组织中表达，表达最高的以及研究最多的组织是肝脏和回肠，肾脏也能发现其较高的表达，而在心脏、胸腺和脾脏等器官中水平较低。胆汁酸是其天然配体，以往研究证实，FXR在调控胆汁酸的合成、分泌、重吸收以及肝脏胆汁酸的再摄取中发挥着重要的作用[56]。CDCA是FXR最有效的配体，其次是CA、DCA和LCA，另外有研究表明，UDCA不仅不能激活FXR，反而对FXR的活化有抑制作用[57-58]。此外小鼠体内的牛磺酸耦联胆汁酸TαMCA和TβMCA也已被鉴定为天然FXR拮抗剂[59]。

4.2 FXR-FGF19-FGFR4信号通路在肝脏中，FXR被胆汁酸激活后诱导小异二聚体伴侣(small heterodimer partner，SHP)的表达，其与肝受体同源蛋白-1(liver receptor homolog-1，LRH-1)结合，从而抑制CYP7A1基因的表达[60-61]。除此之外，FXR还可以被回肠中的胆汁酸激活后产生成纤维细胞生长因子19(fibroblast growth factor 19，FGF19)[62]。FGF19通过门静脉系统回流入肝脏。肝脏中FGF受体4(FGF receptor 4, FGFR4)与其辅助受体β-Klotho 蛋白结合形成β-Klotho-FGFR4异二聚体复合物后，在硫酸乙酰肝素蛋白多糖参与下被FGF19特异性激活[61，63-64]，从而抑制限速酶CYP7A1的表达，最终负反馈调节胆汁酸自身合成[65]。有研究表明，IBS-D患者血清中的FGF19含量与健康志愿者相比含量较低[66]，这提示在IBS-D患者中，FXR-FGF19-FGFR4通路的激活可能受到了抑制，进而导致胆汁酸合成增加，促进了IBS-D的发生与发展。

4.3 FXR与炎症反应肠黏膜低度炎症最早被发现在感染后肠易激综合征(postinfectious irritable bowel syndrome，PI-IBS)患者中，后来在部分IBS尤其是IBS-D患者中也发现了肠黏膜中炎症细胞以及炎症因子的增多。FXR除了能调节胆汁酸的合成及肠道传输，还能通过抑制NF-κB的激活抑制多脏器的炎症反应。在LPS诱导的小鼠肝炎模型中，FXR能通过抑制NF-κB的激活下调小鼠肝脏炎症因子的表达[67]。在神经系统中，FXR可通过抑制NF-κB的激活，抑制阿霉素介导的神经系统炎症反应[68]。在TNBS诱导的急、慢性肠炎模型中，FXR可以通过抑制NF-κB的激活进而抑制肠道的固有免疫反应。在相关动物模型中，FXR 既可通过抑制NF-κB与目的基因的结合，又可通过抑制TLR4-MyD88通路的激活来抑制肠道炎症反应[69]。FXR在IBS-D患者肠黏膜低度炎症中起到的作用逐渐被人们所关注，以FXR作为靶点的治疗方式也为IBS-D的治疗提供了新的思路。

根据目前的研究，IBS-D的发病受到肠黏膜低度炎症、肠道菌群失调、脑-肠轴功能紊乱等多种因素的影响[17]。随着国内外研究者对肠道菌群研究的不断深入，肠道菌群在IBS-D的发生与发展中起到的作用逐渐被大家所关注，然而关于肠道菌群失调如何促进IBS-D发生、发展目前尚不十分清楚。

近年来，在相关动物模型和IBS-D患者中有大量且越来越多的证据表明肠道菌群和胆汁酸之间的相互作用具有重要意义，但关于肠道菌群-胆汁酸轴与IBS-D之间仍然有许多盲点需要探索。本文着重阐述了胆汁酸、肠道菌群和IBS-D之间的内部联系以及胆汁酸相关受体在IBS-D发生发展中可能起到的作用。鉴于肠道菌群与胆汁酸之间相互作用的大量证据以及临床研究的最新发现，开发胆汁酸信号传导和肠道菌群作为IBS-D治疗靶点有望成为一种新的治疗策略。