Cell子刊: 肠道菌群衍生的胆汁酸在肠道免疫、炎症和肿瘤发生中的作用

时间：2022-11-16 来源：微生态作者：微科盟Moon 浏览次数：2104

导读

炎症性肠病(IBD)和结直肠癌(CRC)属于异质性肠道疾病，随着生活方式的西化，这些疾病威胁着越来越多人的健康。随着各种组学技术的发展，人们发现了新的见解，从代谢和免疫的角度揭示了肠道微生物衍生的代谢物在维持肠道内稳态和调控肠道疾病进展方面发挥着重要作用。临床宏基因组学和代谢组学研究揭示了微生物胆汁酸(BA)代谢与IBD和CRC进展之间的关联。最近有研究证明，某些胆汁酸代谢物在肠道免疫中发挥作用，为胆汁酸如何影响IBD和CRC发展提供了新的见解。本篇综述讨论了肠道菌群衍生的胆汁酸参与肠道免疫、炎症和肿瘤发生的最新研究以及人类组学数据，为未来预防和治疗IBD和CRC提供前瞻性见解。

论文ID

原名：Gut microbiota-derived bile acids in intestinal immunity, inflammation, and tumorigenesis

译名：肠道菌群衍生的胆汁酸在肠道免疫、炎症和肿瘤发生中的作用

期刊：Cell Host & Microbe

IF：31.316

发表时间：2022.3

通讯作者：Frank J. Gonzalez

通讯作者单位：美国国家癌症研究所癌症研究中心

DOI号：10.1016/j.chom.2022.02.004

综述目录

1 前言

2 肠道菌群-胆汁酸轴的特征

2.1 肠道菌群调节宿主的胆汁酸代谢

2.2 胆汁酸影响肠道菌群的组成

3 微生物BAs在肠道免疫和IBD中的作用

3.1 微生物BA代谢与人类IBD的关联

3.2 胆汁酸影响T细胞分化和巨噬细胞极化

3.3 胆汁酸受体介导肠道炎症的调节

4 微生物BAs在CRC中的作用

4.1 微生物BA代谢和人类CRC的关联

4.2 胆汁酸在肠道肿瘤发生中的作用机制

5 肠道菌群-胆汁酸轴可作为IBD和CRC治疗的新靶点

6 结论与展望

主要内容

1 、前言

人们认为人类的整个肠道菌群系统是一个“微生物器官”，对各种生理过程都有影响，如人类不可消化的膳食纤维的代谢、肽和蛋白质的无氧代谢、对病原体的防御能力，甚至免疫系统的调节。宿主和肠道菌群相互作用，产生多种代谢物或化合物，这些代谢物或化合物来源于外源性未消化膳食成分的厌氧发酵，如短链脂肪酸，或来源于微生物和宿主产生的内源性物质，如胆汁酸。在人类和小鼠的研究表明，胆汁酸，特别是由细菌代谢肝脏中的胆汁酸而产生的次级胆汁酸(SBAs)，可以调控肠道炎症和肿瘤发生。值得注意的是，最近有几项研究发现胆汁酸在肠道中的免疫调节作用。肠道菌群、胆汁酸和宿主之间的相互作用影响了免疫功能、代谢表型和许多疾病的风险因素，这些疾病包括肥胖症、糖尿病、非酒精性脂肪肝、炎症性肠病(IBD)和各类癌症。

肠道菌群在其宿主的生理和病理状态中发挥了复杂又不可或缺的作用，尽管许多研究对此有了新的认识，但仍有许多作用未被探索。联合新兴的组学技术与肠道菌群相关研究，揭示了源自微生物代谢的某些胆汁酸与人类健康之间的关键联系。本篇综述总结了肠道菌群和胆汁酸代谢之间的相互作用，以及在人类和小鼠组学研究中揭示的基本作用机制。同时，我们将讨论肠道菌群和胆汁酸代谢物在肠道免疫反应、炎症和肿瘤发生中的作用，以及对开发临床应用性预防策略、新兴疗法和潜在诊断工具的影响。

2、肠道菌群-胆汁酸轴的特征

肠道菌群可以进行胆汁酸生物转化反应，而肠道菌群的组成和丰度反过来也受到胆汁酸的影响。在这一节，我们将重点分析一些研究，这些研究描述了肠道菌群-胆汁酸轴，并为之后讨论肠道细菌和胆汁酸在IBD和CRC中的作用提供背景。

2.1 肠道菌群调节宿主的胆汁酸代谢

肝脏通过一系列细胞色素P450(CYPs)催化胆固醇氧化产生胆汁酸，这一过程包括经典途径和替代途径两种生物合成途径。肠道菌群影响小鼠中胆固醇7α-羟化酶(Cyp7a1)、氧固醇7α-羟化酶(Cyp7b1)和固醇27-羟化酶(Cyp27a1)的表达。BA-CoA合成酶(BACS)和BA-CoA：氨基酸N-酰基转移酶(BAAT)在肝脏中以不同的比例催化初级胆汁酸(PBAs)与牛磺酸或甘氨酸结合，然后被转运到胆囊。结合胆汁酸在饮食后从肝细胞分泌进入胆囊，并通过胆汁流动进入肠道，在肠道中它们的功能是促进饮食中脂肪和维生素的吸收。胆汁酸通过远端回肠的主动运输和整个肠道的被动吸收被重吸收，然后通过门静脉回流到肝脏。这个过程被称为肠肝循环，在人类中每天大约发生4到12次(图1)。

大约5%-10%的胆汁酸被分泌到结肠中，这部分胆汁酸主要由肠道菌群进行生物转化或排入粪便。肠道菌群进行的胆汁酸生物转化包括3-、7-和12-羟基的去结合、氧化和差向异构作用、7-脱羟基作用、酯化作用、和脱硫作用(表1)。胆盐水解酶(BSHs)通过水解胆汁酸与牛磺酸或甘氨酸结合的C-24 N-酰基键催化次级胆汁酸合成的Gateway反应。这些反应主要发生在小肠下端和近端结肠，这与产生BSH的菌群主要位于结肠位置相吻合。革兰氏阳性肠道细菌BSH分布的多样性最高：包括梭菌(Clostridium)、肠球菌(Enterococcus)、双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳杆菌(Lactobacillus)，而革兰氏阴性菌中的BSH仅分布在拟杆菌(Bacteroidetes)。最近一项研究基于下一代测序对来自六大洲11个人群的人类肠道微生物组进行了分析，发现BSH广泛分布在12个不同的细菌门中，其中包括人类肠道中的两个主要门：拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)。

已有研究发现，一些细菌(包括C. scindens、C. hiranonis和C. hylemonae)可以通过从初级胆汁酸中去除7α/β-羟基来合成次级胆汁酸，如脱氧胆酸(DCA)和石胆酸(LCA)。与氧化作用和差向异构作用不同，7α/β-脱羟基作用仅限于游离胆汁酸，并且是一个由几个胆汁酸诱导(bai)基因进行的多步骤通路。在人类肠道中Faecalicatena contorta S122丰度比C. hiranonis或C. scinden更高，含有推定的bai操纵子，可以将胆酸(CA)/鹅去氧胆酸(CDCA)转换成DCA/LCA。此外，如一些功能研究所揭示的结果，Eggerthella lenta能够氧化和异构化胆汁酸的羟基，最近在E. lenta中已经发现了"bai-样基因"，但没有任何进一步的功能特征研究。总的来说，E. lenta是否能合成DCA或LCA仍然没有定论。

肠道菌群编码的吡啶核苷酸依赖性羟类固醇脱氢酶(HSDHs)可以催化胆汁酸的3-、7-和12-羟基的氧化/还原反应。差向异构作用(α↔β)需要两个位置特异性胆汁酸α-和β-HSDHs，它们在种内或种间共同发挥作用，合成稳定的氧化胆汁酸中间产物。最近有研究发现，胆盐与苯丙氨酸、酪氨酸和亮氨酸的酰胺结合作用是一种胆汁酸转化的新机制，这一机制与喂食高脂肪饮食的小鼠中存在的Clostridium bolteae具有强相关性。这些结合氨基酸的胆汁酸的合成机制以及它们在人类中的生理生物学功能目前仍然未知。

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图1 肠道菌群调节肠肝循环中的胆汁酸代谢。肝脏以胆固醇为底物，通过CYPs催化的氧化作用与BACS和BAAT催化的结合作用合成胆汁酸。随后，胆汁酸在饮食后被分泌到肠道中。大多数胆汁酸(90%-95%)通过门静脉被肝脏重吸收，只有一小部分(5%-10%)被排入粪便。肠道内的肠道菌群具有生物转化作用，将PBAs转化为SBAs，并将结合BAs转化为非结合BAs。主要的微生物生物转化作用包括由BSHs介导的去结合作用，由bai基因产物介导的7α/β-脱羟基作用，以及由HSDH介导的氧化作用和差向异构化作用。

表1. 微生物的胆汁酸代谢

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2.2 胆汁酸影响肠道菌群的组成

高浓度疏水性胆汁酸主要通过细胞膜损伤来发挥直接抗菌活性。胆汁酸可以改变膜脂质组成，胆汁酸浓度增加可以破坏细胞膜并使膜蛋白解离。与革兰氏阴性菌相比，革兰氏阳性细菌通常对牛胆汁等胆汁酸更敏感，而革兰氏阴性细菌(特别是拟杆菌)对游离胆汁酸更敏感。非结合胆汁酸通常比相应的结合形式具有更高的疏水性，而次级胆汁酸比相应的初级胆汁酸具有更高的疏水性。因此，非结合胆汁酸和次级胆汁酸更有可能产生有害作用。胆汁酸还可以通过胆汁酸受体，特别是由NR1H4编码的法尼酯X受体(FXR)的间接作用来调控肠道菌群的组成。FXR诱导参与肠道保护功能的基因表达，以抑制回肠中细菌过度生长和粘膜损伤。缺乏FXR的小鼠回肠中的细菌数量增加，上皮屏障受损。在健康志愿者中，FXR激动剂奥贝胆酸(OCA)抑制了内源性胆汁酸的合成，并明显增加了几种革兰氏阳性菌株(包括Streptococcus thermophilus、Lactobacillus casei and paracasei、Bifidobacterium breve和Lactococcus lactis)的丰度，这表明FXR的激活改变了小肠微生物群，以应对内源性胆汁酸浓度的变化。

一些研究发现，补充胆汁酸可以改变胆汁酸池和肠道菌群的组成。例如，在Apc^min/+小鼠中，胆酸增加了普雷沃氏菌(Prevotella)和脱硫弧菌(Desulfovibrio)等条件致病菌的丰度，降低了瘤胃球菌(Ruminococcus)、乳杆菌(Lactobacillus)和罗氏菌属(Roseburia)等有益细菌的丰度。同样，补充胆酸饮食减少了菌群种类数，并导致梭菌和丹毒丝菌纲增加。随着大鼠肠道中DCA浓度的增加，CA通过7α-脱羟基作用有效地转化为DCA，这表明CA给药后肠道菌群组成的变化可能是由于DCA具有强大的抗菌活性。在喂食DCA补充饮食的小鼠中，副拟杆菌属(Parabacteroides)和拟杆菌的丰度明显增加，而可以合成BSH的乳杆菌、梭菌属XI和梭菌属XIV与对照组相比则降低。总之，这些数据表明，补充BA重塑了肠道菌群的组成。

此外，临床和实验诱导的肝脏损伤引起的胆汁酸水平下降可能导致肠道细菌过度生长。例如，胆管结扎导致小肠中的细菌增多，这些细菌可以通过细菌易位穿过上皮屏障，造成系统性感染，这一影响可以通过胆汁酸给药来逆转。

3、微生物BAs在肠道免疫和IBD中的作用

IBD(包括克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC))是一类多因素引发的慢性疾病，在临床、免疫、分子、遗传和微生物水平上都具有异质性。在全球范围内，IBD发病率和流行率的迅速上升给西方世界和新兴工业化国家带来了重要挑战。在本节中，我们将总结近期实验性IBD研究中胆汁酸相关人类组学数据的应用，并讨论胆汁酸及其微生物产生菌影响疾病发生和发展的基本机制。

3.1 微生物BA代谢与人类IBD的关联

宏基因组学、代谢组学、蛋白质组学和转录组学等各种组学技术已被应用于研究IBD中基因构成、菌群组成、环境因素和粘膜免疫反应之间复杂的相互作用。值得注意的是，新一代测序技术，如16S rRNA测序和鸟枪法宏基因组学已被用于分析微生物基因组，而靶向/非靶向代谢组学已被应用于研究肠道代谢物的组成和丰度(表2)。

整合人类微生物组计划，纳入了IBD多组学数据库作为其中一部分，以充分利用IBD相关的肠道微生物组的病因学系统观点。胆汁酸在该网络中主要作为整体化学物质类别出现。非结合CA、其结合的牛磺酸和甘氨酸(牛磺胆酸和甘氨胆酸；分别为TCA和GCA)以及甘氨鹅去氧胆酸(GCDCA)等PBAs在CD患者的菌群失调样本中富集，而次级胆汁酸(如LCA和DCA)明显减少，表明产生次级胆汁酸的细菌在IBD相关的菌群失调中丰度减少。罗氏菌属(Roseburia)细菌在宏转录组和宏基因组水平上与胆汁酸具有相关性，这意味着它可能参与在IBD中观察到的胆汁酸失调现象。

另一项研究在综合性多组学框架下，对克罗恩病、溃疡性结肠炎和非IBD对照受试者的发现和验证队列的横断面粪便样本进行了非靶向液相色谱-质谱代谢组学分析和鸟枪法宏基因组测序，鉴定和验证了122种明显的微生物群-代谢物关联，其中在IBD中富集的最大代谢物群包含12个推定的胆汁酸，包括CA、CDCA及其结构变体。IBD患者中初级胆汁酸CA和CDCA及其与潜在的微生物机制关联水平升高，而次级胆汁酸DCA和LCA在CD患者中水平降低，但未达到错误发现率显著性的阈值。同样，溃疡性结肠炎患者中瘤胃菌科(Ruminococcaceae)和bai基因的水平明显低于非炎症性家族性腺瘤性息肉病患者。因此，溃疡性结肠炎患者的CDCA水平明显增加，而DCA和LCA水平则下降。综上所述，在IBD中初级胆汁酸水平升高，而次级胆汁酸水平降低，这与胆汁酸转化活性中断相一致。

胆汁酸不仅与疾病的发生高度相关，而且还能够预测IBD早期病情缓解。最近发表的一项研究通过粪便宏基因组学、血清代谢组学和蛋白质组学研究，揭示预测IBD中抗细胞因子和抗整合素治疗差异反应的微生物决定因素。血清中的次级胆汁酸，如甘氨石胆酸、甘氨脱氧胆酸(GDCA)和熊脱氧胆酸(UDCA)水平升高预示着接受抗细胞因子治疗的IBD患者的病情缓解。此外，微生物物种的多样性与bai基因的丰度呈正相关，病情缓解的可能性与抗细胞因子反应有关，这表明微生物信号可能倾向于提示IBD中生物疗法的反应。

人类微生物组的宏基因组分析表明，除胆汁酸外，BSH丰度也与人类IBD有关。在人类IBD中，主要来自变形菌门的BSH基因簇丰度增加，而主要来自拟杆菌门的基因簇丰度降低。这些数据与IBD患者中变形菌门丰度增加和拟杆菌门丰度下降的发现一致，表明BSH丰度与IBD发生之间具有相关性。

表2 人类IBD和CRC代谢组学研究中的胆汁酸

3.2 胆汁酸影响T细胞分化和巨噬细胞极化

T淋巴细胞来源于骨髓，在胸腺中成熟，并在外周组织中发挥作用，可以分为三个亚群：初始T细胞、记忆T细胞和调节性T细胞(T_reg)。初始T细胞对新的抗原作出应答，并分化为效应T细胞，如辅助性CD4⁺T细胞和细胞毒性CD8⁺T细胞，以防御感染，而T_reg细胞则抑制免疫反应，防止自身免疫反应的发生。独特的淋巴细胞群协同作用维持肠道屏障系统，其中表达FOXP3的T_reg细胞参与维持肠道免疫系统的平衡。结肠中大约65%的T_reg细胞和小肠中35%的T_reg细胞表达RORγt。RORγt是促炎性辅助性T17细胞(T_H17)的关键调节因子之一，而T_reg细胞产生的白介素10(IL-10)可以抑制肠道中促炎性T_H17细胞的分化。因此，T_H17和T_reg细胞群的比例对于维持肠道免疫系统至关重要。

LCA和DCA衍生物作为重要的信号分子调节T_H17和T_reg细胞的分化，进一步影响肠道炎症(图2A和2B)。5α/β-还原酶和3α/β-HSDH共同催化合成不同种LCA和DCA衍生物，包括iso-、3-oxo-LCA/DCA、allo-、3-oxoallo-和isoalloLCA。3-oxo-LCA直接与RORγt结合并抑制T_H17细胞的分化，而isoalloLCA通过产生线粒体活性氧增加FOXP3的表达来增强抗性炎T_reg细胞的分化。与先前发现的细菌代谢物丁酸盐依赖于内含子Foxp3保守非编码序列(CNS)1增强子来增加T_reg分化不同，isoalloLCA增强T_reg分化需要CNS3。核受体维生素D受体(VDR)和FXR对IsoalloLCA对T_reg细胞的促进作用或对T_H17细胞的抑制作用没有影响。后来的一项研究进一步表明，IsoalloLCA增加了NR4A1在Foxp3位点的结合，导致Foxp3基因转录增强，从而促进T_reg细胞分化。拟杆菌含有一个由5β-还原酶、5α-还原酶和3β-HSDH组成的生物合成基因簇，可将3-oxo-LCA转化为isoalloLCA。在IBD患者中，isoalloLCA及相关生物合成基因的水平均显著降低，表明isoalloLCA及其生物合成途径在维持肠道内稳态中的重要性。

除T淋巴细胞外，巨噬细胞也是免疫系统的一个重要组成部分，具有经典途径激活的促炎M1表型或替代途径激活的抗炎M2表型。在高脂饮食诱导的结肠炎小鼠模型中，由于革兰氏阳性菌(特别是梭菌的比例增加)，DCA水平升高。从机制上讲，DCA至少部分通过M2毒蕈碱受体反式激活的Toll样受体2促进巨噬细胞向M1表型分化，导致促炎细胞因子的产生增加。

图2 肠道菌群衍生的胆汁酸调控结肠免疫反应。(A) 细菌的差向异构和异构化产生不同的胆汁酸衍生物。在3α-HSDH和3β-HSDH的催化下，DCA/LCA生成3-OxoDCA/LCA，而3-OxoDCA/LCA生成IsoDCA/LCA。此外，allo-、3-oxoallo-和isoalloLCA由5α/β-还原酶(5AR/BR)和3α/β-HSDH协同作用生成。(B)胆汁酸代谢物控制结肠T细胞分化和树突状细胞活性。3-OxoLCA与RORγt结合，直接抑制T_H17细胞的分化，而isoalloLCA通过诱导线粒体活性氧的产生和增加Foxp3位点核激素受体NR4A1的结合，使Foxp3基因转录增强，从而增强抗炎T_reg细胞的分化。此外，isoDCA抑制DC依赖FXR的免疫刺激，导致外周T_reg细胞的增加。(C)在小肠固有层CD4⁺T_eff细胞中，核受体CAR调节Mdr1的表达，并诱导抗炎细胞因子IL-10来降低管腔内暴露的胆汁酸的毒性。

3.3 胆汁酸受体介导肠道炎症的调节

据报道，胆汁酸受体参与胆汁酸对肠道炎症的调节。另一种DCA衍生物，isoDCA，通过抑制树突状细胞的免疫刺激增加Foxp3的激活，导致结肠外周T_reg细胞的增加。将基因工程合成的isoDCA联合体定植到无菌小鼠身上，它们可以CNS1依赖性方式促进结肠RORγt⁺T_reg细胞的产生。去除树突状细胞中的FXR导致了与isoDCA类似的转录谱，并增加了外周T_reg细胞的数量，表明FXR和isoDCA在维持树突状细胞的抗炎性方面存在相互作用。通过VDR和FXR将细菌移植到无菌小鼠身上，可以激活结肠RORγ⁺T_reg细胞，而拟杆菌中胆汁酸解聚酶BSH的遗传干扰则明显去除了这种激活效应。恢复肠道胆汁酸池增加了RORγ⁺T_reg的数量，在极少量饮食治疗(减少营养)下，改善了宿主对炎症性结肠炎的易感性，饮食成分对T_reg细胞群的影响降低。这些研究表明，胆汁酸受体介导了胆汁酸对T_reg细胞群的调节作用。

已经在小鼠和人类中对FXR在IBD中的作用进行了研究。一种新型的基因工程成纤维细胞生长因子19(FGF19)类似物，FGF19-M52，保护小鼠免受肠道炎症的影响，同时还能调节微生物群的组成，这种抗炎活性在Fxr-null小鼠中完全消失。在克罗恩病患者中，血液中FGF19水平降低，这表明FGF19类似物可以治疗胆汁酸平衡紊乱的肠道炎症。这些结果表明，FXR及其编码FGF19的靶基因在IBD中起保护作用。然而，胆酸与苯丙氨酸和酪氨酸酰胺(Phe-chol和Tyr-chol)结合物是有效的FXR激动剂，并发现它们在CD患者中水平升高。这些化合物提高了小鼠肠道FXR靶基因Fgf15和Shp的表达，同时降低了小鼠肝脏Cyp7a1和Cyp8b1的表达。但是，未来需要进一步研究探讨Phe-chol和Tyr-chol是否有助于由菌群失调引起的肠道炎症，以及FXR是否参与其中。

在应对胆汁酸诱导的细胞毒性时，CD4⁺T效应(T_eff)细胞也表现出依赖CAR多重药耐药蛋白1(MDR1)-IL10轴的抗炎特性(图2C)。在小鼠回肠中，T_eff细胞上调了MDR1，这减轻了氧化应激反应，维持了暴露于结合胆汁酸毒性的T_eff细胞的稳态。此外，在转移的Rag1^-/-小鼠中阻断了回肠结合胆汁酸的重吸收，恢复了MDR1缺陷的T_eff细胞的平衡，并抑制了克罗恩病样小肠炎症。从机制上来说，最近发现CAR可以调节MDR1表达，诱导小肠固有层T_aff细胞中解毒酶和药物转运蛋白以及抗炎细胞因子IL-10的表达。在T细胞重组的Rag1^-/-或Rag2^-/-小鼠中，T_eff细胞缺乏CAR加剧了胆汁酸导致的回肠炎，而通过药物激活CAR则抑制了回肠炎，这表明T细胞中的CAR激活是治疗CD的一种新策略。

G蛋白偶联胆汁酸受体1(GPBAR1，又称TGR5)是另一种重要的BA受体，可以通过介导次级胆汁酸的作用参与IBD的发病机制(图3A)。LCA和DCA通过激活原癌基因酪氨酸蛋白激酶(SRC)/yes相关蛋白1(YAP)的再生机制，激活肠道干细胞(ISCs)中的TGR5，从而促进肠道类器官的再生。ISCs中TGR5缺失的小鼠比野生型小鼠发展出更严重的结肠炎，而TGR5激动剂INT-777激活TGR5促进了干细胞的重建，表明TGR5是肠上皮细胞再生所必需的。LCA治疗对TGR5缺陷小鼠失去了有益作用，从而突出了TGR5在免疫细胞信号传导中的重要作用。在另一项研究中，LCA通过TGR5-cAMP-蛋白激酶A(PKA)轴抑制了NLRP3炎症小体的激活，从而改善炎症的调控。LCA激活TGR5可诱导PKA激酶的激活，使NLRP3发生磷酸化和泛素化，阻断了骨髓来源的巨噬细胞和小鼠的NLRP3炎症小体依赖性炎症，表明TGR5是NLRP3炎症小体相关炎症(如IBD)的潜在靶点。

早期在小鼠模型中进行的几项IBD研究结果表明，次级胆汁酸通过破坏肠道粘膜屏障、增加促炎细胞因子的产生和诱导菌群失调在肠道炎症中发挥有害作用(图3A)。在小鼠结肠炎模型中，粪便中的次级胆汁酸增加，而DCA补充诱发了肠道炎症，这与胆汁酸代谢紊乱和肠道菌群失调有关。相反，通过直肠补充DCA/LCA在三种小鼠结肠炎模型中显示出部分依赖于TGR5信号的抗炎作用，这与IBD患者中次级胆汁酸的减少是一致的。奇怪的是，DCA在这些研究中同时发挥促炎和抗炎作用。这可能是由不同的给药途径和不同类型的结肠炎模型造成的。小鼠研究的不一致结果表明，应谨慎评估小鼠IBD模型的研究结果，以便可能类推到人类IBD研究中。

图3 IBD和CRC中的胆汁酸受体。(A) 次级胆汁酸激活TGR5，驱动肠道上皮细胞再生并防止肠道炎症发生。初级胆汁酸通过一系列肠道菌群介导的生物转化作用转化为次级胆汁酸。菌群失调破坏了生物转化作用，改变了肠道胆汁酸池的组成，导致结肠炎的发生和发展。在ISCs中，TGR5的激活可以激活SRC/YAP信号，触发ISC的更新和增殖。在巨噬细胞中，TGR5的激活阻止NLRP3炎症小体的磷酸化和泛素化，从而抑制肠道炎症。因此，补充DCA/LCA可以促进ISC的干性，抑制NLRP3炎症小体的活性，缓解结肠炎的发生。(B)胆汁酸受体FXR和TGR5被胆汁酸衍生物或其他激动剂激活，刺激特定途径以调节肠道干性、炎症和肿瘤发生。FXR的激活重塑了胆汁酸谱，拮抗Wnt/β-catenin信号，并抑制细胞因子信号抑制因子3(SOCS3)基因的反式激活，从而抑制CRC进展。UDCA激活TGR5抑制YAP信号传导，从而抑制细胞增殖和恶性肿瘤的进展。

4 微生物BAs在CRC中的作用

根据2020年美国癌症协会的统计，在美国，CRC是导致男性和女性癌症死亡的第三大原因。IBD和CRC密切相关，是CRC的一个主要风险因素。本节首先总结了最近在CRC中与胆汁酸相关的人类组学研究结果，然后根据我们先前对胆汁酸如何调节肠道免疫系统的讨论，深入研究其基本机制。

4.1 微生物BA代谢和人类CRC的关联

与IBD类似，CRC也是一种与肠道菌群密切相关的异质性疾病。鉴于肠道菌群与CRC发生之间的相关性，以及CRC的异质性，多组学技术已被应用于研究该疾病的病因、发现预后或预测生物标志物，以及研发治疗或预防药物(表2)。

次级胆汁酸合成相关基因的丰度与人类CRC显著相关。在对7个不同国家的8项CRC研究进行的无偏倚荟萃分析中，在CRC患者的粪便基因组和转录组中，bai基因都高度上调，这可能可以作为CRC诊断的微生物组标记。在另一项全球范围的人类微生物组研究中，BSH基因(主要来源于厚壁菌门)的丰度与CRC呈负相关，这与以前的研究发现CRC患者中厚壁菌丰度减少相一致，表明BSH丰度与人类CRC之间存在关系。

对从不同阶段的结直肠肿瘤患者获得的粪便样本进行鸟枪法宏基因组学和代谢组学研究，分析了肿瘤发生过程中微生物组和代谢组的变化。在多发性息肉腺瘤患者中，DCA明显增加，该研究发现唯一与DCA具有显著相关性的物种是Bilophila wadsworthia，它利用结合牛磺酸的胆汁酸还原亚硫酸盐，在遗传上易受影响的Il10^-/-小鼠中促进结肠炎的发生。

在欧洲癌症和营养前瞻性调查队列的一项巢式病例对照研究中，确诊前血浆中7种结合胆汁酸代谢产物(包括初级胆汁酸GCA、TCA、GCDCA、TCDCA和糖胆酸，以及次级胆汁酸GDCA和TDCA)的水平，与结肠癌风险呈正相关，而非结合胆汁酸和三级胆汁酸与癌症风险没有相关性。在一项粪便代谢组学研究中，次级胆汁酸在腺瘤患者中升高，并与拟杆菌存在正相关关系，而CRC患者的粪便样本中UDCA低于健康对照。因此，DCA可能是CRC的致病机制之一，但还需要更多的研究来确定其他胆汁酸，特别是初级胆汁酸在人类CRC中的作用。

4.2 胆汁酸在肠道肿瘤发生中的作用机制

次级胆汁酸衍生物3-oxo-LCA、isoalloLCA和isoDCA是T细胞调节剂，可以抑制T_H17细胞的分化或增加T_reg细胞的分化，在肠道固有层中这些细胞的Foxp3表达量增加。尽管FOXP3⁺T_reg细胞的增加有利于缓解肠道炎症，但因为肿瘤浸润性T_reg细胞的数量增加与各种癌症类型的预后不良有关，所以它抑制了抗肿瘤免疫的效果，降低了免疫疗法的疗效。然而，由于一些临床研究产生了争议性结果，T_reg细胞浸润和CRC之间的相关性仍然没有定论。因为FOXP3^lo T_reg细胞大量浸润(不稳定的FOXP3和不表达自身T细胞标志物CD45RA)的CRC患者比那些主要有FOXP3^hi(稳定的FOXP3和表达自身T细胞标志物CD45RA)的T_reg细胞的预后更好，因此两种FOXP3⁺CD4⁺T_reg细胞亚群以不同的方式影响CRC的诊断。肠道菌群衍生的胆汁酸代谢物在CRC进展过程中的免疫反应作用需要进一步研究。

由微生物衍生的次级疏水性胆汁酸(包括DCA、LCA和UDCA)是CRC中研究最多的胆汁酸代谢物。结肠中DCA和LCA浓度增加会刺激细胞反应，包括激活Wnt/β-catenin和NF-κB信号通路，导致DNA氧化损伤、有丝分裂活动增强以及激活内源性凋亡通路(包括线粒体氧化应激、细胞色素C释放)。次级胆汁酸还通过激活胆汁酸受体FXR和TGR5来调节肠道肿瘤的发生(图3B)。一些研究发现，结肠FXR在致癌过程中起到保护作用。与FXR相比，TGR5在CRC中的作用研究较少。在氧化偶氮甲烷/葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的CRC小鼠模型中，TGR5在结肠肿瘤组织中表达增加，UDCA激活TGR5，通过抑制YAP信号传导和抑制细胞增殖来抑制恶性肿瘤的进展。有趣的是，INT-777对ISCs的TGR5激活，促进了YAP的激活并延长了YAP驱动的肠道再生，而UDCA和INT-777对CRC细胞系的TGR5激活抑制了YAP的表达并抑制了细胞生长。与对照组相比，在ISC中清除TGR5的小鼠更容易患结肠炎。然而，目前缺乏体内研究来验证TGR5在肠道癌细胞中的作用。

5 肠道菌群-胆汁酸轴可作为IBD和CRC治疗的新靶点

作为肠道菌群-胆汁酸轴的靶点，操纵与次级胆汁酸合成相关的微生物因素，包括BSH和bai基因的研究还不够深入。BSH的丰度或活性与多种人类疾病(包括IBD和CRC)具有相关性。我们开发了一种靶向化学蛋白组学策略，在体外和结肠炎小鼠模型的肠道菌群内对BSH活性进行分析，这可能有助于未来诊断与BSH活性改变有关的疾病。人们也在努力发现强效和特异的BSH抑制剂。对来源于Lactobacillus salivarius的高纯度BSH进行高通量筛选，确定了几种有效的BSH抑制剂，如核黄素和咖啡酸苯乙酯。在随后的研究中，通过合理设计方法，报道了一种有效的、选择性的、共价的广谱BSH抑制剂，即化合物7，其抑制活性在体外和体内都得到了证实。最近，有研究研发了第二代肠道限制性BSH抑制剂化合物AAA-10，它效率更高，脱靶效应降低，并具有持久的体内疗效。这些抑制剂还远不能作为新的候选药物投入临床应用，但它们仍然可以作为化学探针，更好地了解胆汁酸对宿主代谢的影响。

与BSH相比，我们对bai基因的了解更为有限，目前正在努力更好地了解bai基因对宿主生理学的作用。根据bai基因组编码的原始或重组酶的特征，有人提出了C. scindens 7α-脱羟基化途径模型，其中CA作为底物。最近的一项研究在体外复原了7α-脱羟基作用，然后将这一途径转移到非C. sporogenes中，构建了由六种必需酶催化的CA到DCA的完整八步转化途径。与定植WT Faecalicatena contorta S122的SPF小鼠相比，定植baiH突变体S122的SPF小鼠表现出肠道炎症减少，表明baiH可作为结肠炎治疗药物的潜在靶点。这些研究加深了我们对7α-脱羟基作用的理解，并对控制肠道微生物群的bai基因产生了新的认识。据我们所知，还没有报道过Bai蛋白的抑制剂。

控制胆汁酸受体(FXR和TGR5)的信号传导，作为治疗肠道炎症和肿瘤发生的治疗策略正在研究中。OCA是一种CDCA衍生物和强效FXR激动剂，已被FDA批准用于治疗原发性胆管炎(PBC)，在DSS和2,4,6-三硝基苯磺酸诱导的结肠炎小鼠模型中发挥了保护作用，减少了促炎细胞因子的产生并维持了上皮屏障功能。UDCA是FDA批准用于治疗PBC的TGR5激动剂，它通过改变微生物群落的组成，降低了男性晚期腺瘤的风险，但对女性无效。一项正在进行的临床试验将UDCA作为转移性结直肠癌联合化疗的一部分。

结论与展望

肠道菌群及其次级胆汁酸代谢物通过不同的胆汁酸受体和细胞信号通路与宿主相互作用，帮助维持肠道平衡。最近的人类组学研究验证了在小鼠模型中的发现，并加深了我们对胆汁酸及其微生物产生菌与肠道炎症和肿瘤发生之间关系的理解。然而，大多数人类组学研究要么专注于宏基因组学，要么专注于与胆汁酸相关的代谢组学，而没有整合这些数据并阐明肠道菌群的丰度或/和功能的变化与胆汁酸浓度之间的联系。该领域刚刚开始探索如何为实现治疗目的而操纵肠道菌群。值得注意的是，BSH抑制剂的开发没有在动物模型中得到进一步的体内验证，而重组Bai蛋白的纯化还没有开发出小分子配体。

令人感兴趣的是，新发现的次级胆汁酸衍生物的免疫调节特性揭示了胆汁酸作为细胞信号传导因子的潜在价值。然而，大多数研究集中在次级胆汁酸衍生物对T_reg和T_H17细胞分化的影响，而没有进行对其他T细胞亚型的彻底研究。因此，还需要更多的研究来确定胆汁酸在适应性免疫系统中的作用，从而更好地促进IBD和CRC的治疗药物或诊断工具的开发。综上所述，靶向肠道菌群-胆汁酸轴在CRC和IBD的临床预后和治疗方面具有巨大的潜力，但还需要进一步加深对其机制联系的认识，并将其转化为临床实践。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1931312822000907

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