胆汁酸循环紊乱与急性和慢性脑病

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胆汁酸循环紊乱与急性和慢性脑病

麦特绘谱

2018.12.10

贾伟教授课题组一个主要研究方向是胆汁酸代谢和循环问题。最近几年我们研究团队开始关注胆汁酸循环出现问题是否会引发急性和慢性脑病？也就是说，贯穿肠-肝-脑代谢轴的胆汁酸转运和代谢出现紊乱是否构成神经性退行性疾病如老年痴呆症的一种发病机制？

肝性脑病是一种由急、慢性肝病引起的严重的中枢神经系统紊乱，发病者出现意识障碍、行为失常和昏迷。肝性脑病患者可能出现大脑细胞肥大和增多、大脑皮层变薄、以及神经元和神经纤维的消失。研究表明，在肠中产生的大量氨气入血后，会引起血氨浓度的升高，血氨通过血脑屏障后导致脑中氨浓度的增加。“氨中毒”学说一直被认为是肝性脑病的主要发病机制：氨通过血脑屏障进入颅内，致使星形胶质细胞内生成的谷氨酰胺明显升高，谷氨酰胺具有胶体渗透性, 可引起细胞肿胀、脑水肿及颅内高压；氨还可使星形胶质细胞钙离子内流增加，启动氧化及硝基化应激，激活细胞丝裂原活化蛋白激酶及NF-κB，导致炎症反应、损害细胞内信号通路，发生神经系统功能障碍。人体血氨的来源主要有两条，一是内源性的氨，由真核细胞内的氨基酸代谢产生；二是外源性氨，由肠道细菌也就是原核细胞分解含氮化合物产生，由小肠细胞吸收入血。文献研究表明，如果对肝病患者使用肥皂水灌肠会诱发或加重肝性脑病的发生，其原因与碱性肥皂水促进了氨在肠道中的吸收有关。

胆汁酸循环与血氨的增加有什么关系？与肝性脑病的发生又有怎样的联系呢？围绕着这些问题，贾伟教授团队开展了系统的研究。

我们近年来的临床研究以及以往的文献报道均表明，在肝纤维化（硬化）、肝细胞癌、以及急性肝损伤患者血中胆汁酸水平显著升高，我们判断血清胆汁酸的这种大幅升高不是来自于肝脏合成的增加，而是来自于肠道胆汁酸重吸收的增加。我们人体中胆汁酸由肝细胞产生，经胆囊分泌进入小肠参与食物来源的脂肪吸收与代谢，进入肠道的胆汁酸中的绝大部分（90-95％）通过肠道的重吸收由门静脉回到肝脏，其中约75％的肠道胆汁酸重吸收由肠道远端钠依赖性胆酸转运体（ASBT）所介导。因此，我们初步判断肝性脑病患者中肠道胆汁酸转运体ASBT活性升高可能是导致肠道对胆汁酸重吸收增加的主要原因。

我们消化道内的酸碱度（pH）变化幅度很大，胃中的pH 在2左右，到十二指肠是变成pH 6左右，然后在小肠中继续逐渐升高，到回肠末端可达到7.4左右。而在盲肠中pH降为5.7，然后再升高，至结肠达到6.7。与人体血液中的酸碱度一样，肠道的pH范围是由一系列精确的机制来调控和平衡的，譬如较为重要的平衡手段是碳酸氢盐缓冲系统。碳酸氢盐是一种碱性化合物，它与二氧化碳（碳酸）平衡存在。如果较多的酸性物质进入细胞，就会产生较多的碳酸氢盐和较少的二氧化碳；如果较多的碱性物质进入血液，就会产生较多的二氧化碳和较少的碳酸氢盐。在细胞水平，这些物质的交换和酸碱度的平衡都是通过跨膜转运来实现的，真核细胞内具有跨膜的质子转运(proton transport)系统和各种离子通道（钠、钾、钙、以及氯、碳酸氢根离子等），肠细胞以及其他体细胞还具有一套包括上面介绍到的ASBT在内的胆汁酸转运泵。

而胆汁酸重吸收的增加，无疑会使得肠腔内酸性的胆汁酸浓度降低，继而会引起肠道pH值的升高。而肠道pH的升高则有利于肠道中的铵根离子(NH4+)转变为具有神经毒性的氨气(NH3)，这些有神经毒性的氨可自由扩散入血，进而穿过血脑屏障，升高脑组织的氨浓度水平，导致脑神经损伤。同时，胆汁酸重吸收的增加也会引起具有细胞毒性的胆酸（如DCA等）浓度在血和脑组织中异常升高，进一步加剧脑损伤。

我们研究了201例肝硬化患者（包括75例肝性脑病和126例非肝性脑病）和93名健康人的血清胆汁酸谱，发现与健康对照组相比，肝硬化患者的胆汁酸水平显著升高。与没有肝性脑病的肝硬化相比，有肝性脑病的肝硬化患者的总胆汁酸、结合型胆汁酸如甘氨胆酸（GCA），甘氨鹅去氧胆酸（GCDCA），牛磺胆酸（TCA）和牛磺酸鹅去氧胆酸（TCDCA）的水平进一步大幅度升高。另外，肝性脑病患者的血氨含量也明显升高。

血液中结合型胆汁酸的大幅升高提示基于回肠末端ASBT转运的胆汁酸重吸收增加。为进一步明确胆汁酸肠道重吸收、肝脏病变、与脑神经损伤三者之间的关系，我们采用链脲佐菌素-高脂饮食诱导由非酒精性脂肪肝-肝细胞癌的小鼠模型（NASH-HCC），结果显示，造模6周、8周、12周和20周时，小鼠逐渐由脂肪肝转变成了明显的脂肪性肝炎、纤维化，最后出现了肝细胞癌。与正常鼠相比，模型鼠回肠中胆汁酸转运体ASBT表达明显上调，在所有4个时间点的血清总胆汁酸、结合型胆汁酸水平均显著性（大幅）升高，更重要的是，小鼠肠道pH值以及血氨水平同时呈现了显著的上升。而在这个过程中脑神经星形胶质细胞中间体的主要成分GFAP逐渐减少，脑内GFAP的密度在所有时间点均减少到正常对照鼠的约50％。

为了阐明ASBT在胆汁酸重吸收和肝性脑病发展中的关键作用，我们采用了ASBT抑制剂SC-435，以减低胆汁酸的肠道重吸收。结果发现，从第4周至第20周给药SC-435后，NASH-HCC模型小鼠回肠对胆汁酸的重吸收明显减少，与未使用抑制剂模型小鼠相比，SC-435给药组小鼠肝损伤明显减弱，脑内星形胶质细胞GFAP表达呈现显著增加。

与此同时，我们还采用了一个经典的偶氮甲烷（AOM）诱导的肝性脑病小鼠模型，发现模型小鼠回肠ASBT表达量明显增强，TCA、TCDCA、TDCA等结合型胆汁酸的比例明显高于正常对照组。进一步在体外培养盲肠CLL-251上皮细胞时，用50uM 的（非结合型）CA，CDCA，LCA，DCA，UDCA及它们分别与牛磺酸、甘氨酸结合的结合型胆汁酸处理细胞48小时后，除UDCA及其结合型的胆酸外，其余结合型胆酸均显示出比非结合的胆酸具有更高的ASBT蛋白表达活化水平。此外，免疫荧光染色的结果也显示，结合型胆酸能上调ASBT的蛋白表达，但同时下调胆酸受体FXR的表达，而非结合型的胆酸抑制ASBT表达，上调FXR的表达。AOM小鼠肠组织中结合型胆酸的增加，ASBT表达增加，而FXR表达被抑制，支持结合型胆酸抑制肠FXR信号传导，增加ASBT介导的胆酸重吸收这一假说。

另外，为阐明回肠胆酸重吸收的激活可以增加血液的胆汁酸和脑中氨的水平，我们采用ASBT激动剂布地奈德喂养正常小鼠来观察胆汁酸和氨的浓度变化。结果显示。布地奈德给药1周后，小鼠小鼠血清、肝脏、大脑中和小肠内容物中的总胆酸水平呈现明显升高，其中具有细胞毒性的胆酸，包括TCA、TDCA、DCA水平显著增加，而对脑神经具有保护作用的TUDCA的浓度却降低了。同时，肝细胞出现明显的肿胀/气球样变，血清ALT和AST水平增加。并且，小鼠脑组织GFAP蛋白表达下降，出现脑神经损伤的表型。行为学（迷宫）实验也表明，与正常对照相比，布地奈德给药组小鼠表现出更高的焦虑水平。不仅如此，激活ASBT后，小鼠血清、盲肠和大脑中的氨水平亦明显升高。

综上所述，我们的研究结果表明，ASBT介导的胆酸重吸收显著升高了血清和脑组织的胆汁酸水平，降低了肠腔的酸度，提高了肠道pH，促进肠道铵转化为氨气，导致血液和脑中具有神经毒性的氨和细胞毒性的胆酸水平异常增高。目前对于肝性脑病的治疗手段还是非常有限的，临床迫切需要更加有效治疗疾病的靶点药物。在系统研究肠-肝-脑代谢轴变化的基础上，针对肠细胞胆汁酸转运蛋白靶点，抑制ASBT介导的胆汁酸重吸收，能够有效降低血液中具有细胞毒性的胆酸水平和具有神经毒性的氨水平，从而达到有效减轻由肝衰竭引起的脑神经损伤。

另外，我们的这项研究提示，贯穿肠-肝-脑代谢轴的胆汁酸转运和代谢出现紊乱很可能是构成神经性退行性疾病如老年痴呆症的一种重要的发病机制，从肠道寻找脑病的治疗靶点将可能是未来治疗神经性退行性疾病的一种全新的策略。

参考文献

1. Guoxiang Xie, Xiaoning Wang, Runqiu Jiang, Aihua Zhao, Jingyu Yan, Xiaojiao Zheng, Fengjie Huang, Xinzhu Liu, Jun Panee, Cynthia Rajani, Chun Yao, Herbert Yu, Weiping Jia,Beicheng Sun, Ping Liu, Wei Jia*. Dysregulated bile acid signaling contributes to the neurological impairment in murine models of acute and chronic liver failure. EBiomedicine. 2018, doi.org/10.1016/j.ebiom.2018.10.030.

2. Guoxiang Xie, Xiaoning Wang, Fengjie Huang, Aihua Zhao, Wenlian Chen, Jingyu Yan, Yunjing Zhang, Sha Lei,Kun Ge, Xiaojiao Zheng, Jiajian Liu, Mingming Su, Ping Liu and Wei Jia*. Dysregulated hepatic bile acids collaboratively promote liver carcinogenesis. International Journal of Cancer. 2016, 139(8):1764-75.