膽汁作為一種儲存膽汁酸（BAs）的液體，已經被發現是調控健康和疾病的生化和分子基礎。膽汁酸作為膽汁的主要成分（約占膽汁有機成分的50%），能通過腸道吸收脂質和脂溶性維生素到達身體幾乎所有器官來調控機體代謝功能[1]（圖1）。

BAs是一種膽固醇代謝產物，主要作用于脂類代謝，最初由肝細胞中的膽固醇通過經典途徑和替補途徑在肝臟中酶的作用下合成初級膽汁酸（圖2），其中膽酸CA和鵝脫氧膽酸CDCA可達總膽汁酸的90%；進入腸黏膜后，在腸道細菌（如擬桿菌、梭狀芽孢桿菌、乳酸菌和梭桿菌等）的作用下發生去結合、去羥基和氧化還原等反應，產生不同的次級膽汁酸（如脫氧膽酸DCA，石膽酸LCA和熊去氧膽酸UDCA等）；在回腸末端，95%的次級膽汁酸被重吸收進入腸細胞并通過基底外側BA轉運蛋白進入門脈循環，然后被吸收到肝細胞中重新形成初級膽汁酸并分泌入膽汁，從而完成一次“肝腸循環”（enterohepatic circulation），人體膽汁酸每天循環6~10次，從而保證機體的正常運行[1,2]。

膽汁酸的在人體內不同部位含量不同（圖3），其合成、分泌、重吸收及加工轉化等均與肝、膽和腸等密切相關。同時，腸道微生物也影響宿主膽汁酸庫組成。小鼠實驗的研究中發現，膽汁酸組成和濃度直接受到腸道菌群及其宿主來源的初級膽汁酸代謝的影響，常規小鼠的膽汁酸在化學結構上比無菌鼠更加多樣化，膽汁酸最多樣化區域是盲腸、結腸和糞便等微生物密集而多樣化的生物區域，中斷腸道微生物群落導致膽汁酸代謝紊亂[3]。

最近，隨著各種組學技術的發展以及“腸道微生物-膽汁酸-疾病軸”的研究不斷被挖掘，膽汁酸被發現與肝臟相關疾病[5]、腸道相關疾病[6,7]、糖尿病[8]、機體炎癥[9]、阿爾茲海默癥[10]、新生兒發育[11]等的發生發展密切相關。接下來從幾個不同層面的研究，分享膽汁酸與疾病研究的幾個案例，希望能給大家提供一些思路。

01.與疾病關系研究

研究內容：基于代謝組學技術發現與多發性硬化（Multiple Sclerosis, MS）相關的膽汁酸[12] IF=14.808

發表時間：2020年

發表期刊：Journal of Clinical Investigation

樣本類型：血漿，細胞

研究對象：發現集包含159例成人（56例復發緩解型多發性硬化RRMS, 51例進展型硬化和52例健康對照) + 驗證集包含250例成人（175 例MS和75例健康對照）+ 62例MS兒童，小鼠。

研究小結：本研究首先通過非靶代謝組學發現與多化性硬化的發生發展相關的膽汁酸；然后再用新的隊列對膽汁酸進行靶標定量，驗證了次級膽汁酸和初級膽汁酸在MS發展中的變化；同時在兒童多發性硬化數據集的非靶代謝組學數據中也發現了初級膽汁酸的變化，DCA/CA也在疾病組中升高。接下來又分別進行細胞實驗，發現膽汁酸受體在MS的免疫和神經膠質細胞中表達增強，表明膽汁酸在調控神經性炎癥中的作用。最后，分別再對細胞和小鼠補充?；切苋パ跄懰酺UDCA，進一步驗證TUDCA通過調控膽汁酸受體GPBAR1緩解MS。

02.潛在生物標志物研究

研究內容：基于多中心大規模人群膽汁酸技術平臺，發現與代謝紊亂相關的潛在生物標志物[13]IF=14.919

發表時間：2021年

發表期刊：Nature Communications

樣本類型：血清和糞便

研究對象：5個中心的1500+人群

研究小結：本研究首先采用1個橫截面隊列，對1107名研究對象（585名健康人，419名超重肥胖者，103名超重肥胖合并糖尿病患者）進行研究，發現血清HCAs在肥胖和糖尿病人中降低；之后再分別用新的橫截面隊列（26名血糖正常人，30名糖尿病前期和35名新發糖尿病且未用藥患者）的血清和糞便、胃旁路手術干預后不同時間點（38個手術前，手術后1個月、3個月、6個月和12個月，26人2年）的血清進行研究，不僅驗證了前期發現的結果，也進一步發現HCAs具有預測代謝手術恢復情況的能力；最后又選取2個隊列（上海132人十年隨訪，北京207人五年隨訪），進一步將跟蹤人群分為代謝異常和代謝正常人群進行分析，表明總HCA與單個不同種HCA的穩定性和對代謝異常有強的預測能力，從而表明HCAs作為未來代謝異常發展的生物標志物的可行性。

03.機制探索

研究內容：基于宏基因組和代謝組技術探討熱量限制飲食后體重反彈的機制[14]IF = 14.919

發表時間：2022年

發表期刊：Nature Communications

樣本類型：腸道內容物，肝臟和血清

研究對象：小鼠（4~9只/組）

研究小結：本研究選取C57BL/6J小鼠為研究對象，發現常規飲食后再禁食小鼠體重和肝指數反彈。為考察禁食是否引起微生物的變化，又建立不同飲食干預（常規飲食CD, 高脂飲食HFD和禁食CR)后高脂飲食模型，并對盲腸內容物進行宏基因檢測，發現CR和HFD均能重塑腸道微生物群，其中副擬桿菌（狄氏副擬桿菌，Parabacteroid distasonis）、7α-HSDH通路和BSH通路在CR和HFD后顯著下降，血清和盲腸中膽汁酸檢測結果表明CR組中石膽酸LCA和熊脫氧膽酸UDCA等非12α-羥基化膽汁酸（non-12OH BAs）含量降低；對肝臟樣本代謝膽汁酸酶的基因檢測發現，CYP7A1在CR組中含量較高，與non-12OH BAs合成相關的酶CYP7B1顯著降低。最后，又建立模型給小鼠補充P.distasonis和non-12OH BAs以及基因敲除小鼠模型，進一步驗證限制飲食后體重反彈可能取決于P.distasonis和non-12OH Bas的相互作用。

04.疾病治療

研究內容：基于宏基因組和代謝組技術研究消膽胺對原發性膽汁性膽管炎(Primary Biliary Cholangitis,PBCs)的治療作用[15]IF = 10.24

發表時間：2021年

發表期刊：Gut Microbes

樣本類型：血清和糞便

研究對象：33名PBC患者

研究小結：本研究選取33名PBCs患者進行消膽胺治療，分別采集基線、治療后4周和16周的血清和糞便樣本進行膽汁酸檢測和宏基因組檢測。對膽汁酸數據分析發現，血清和糞便樣本中總膽汁酸水平在消膽胺治療后顯著降低，糞便樣本中脫氧膽酸（DCA）和石膽酸（LCA）在糞便樣本中升高，同時對根據治療16周后總膽汁酸水平變化情況將受試者分為SR組（superior remission of cholestasis，緩解顯著組，大于中位值）和IR組（inferior remission，緩解不顯著組，小于中位值）的膽汁酸數據分析發現膽汁酸降低更明顯。宏基因組學數據分析發現產短酸的毛螺菌科的增加和觸發自身免疫功能的羅氏弧菌的降低；對血清短鏈脂肪酸的分析發現短鏈脂肪酸的增加最后，對膽汁酸、菌群相關代謝物和炎癥因子的關聯分析發現，SR組有更多的關聯，而IR組中較少。

基于以上文章我們可以發現，通過代謝組學分析（如非靶代謝組、高通量靶向代謝組和廣泛靶標代謝組等）可以得到與疾病相關的代謝物變化（如膽汁酸，氨基酸，短鏈脂肪酸和色氨酸等），并可通過進一步擴大樣本量進行靶標驗證代謝物在疾病中的含量變化，為篩選臨床疾病預防-預警-診斷-預后相關生物標志物提供更多數據支持；此外，通過宏基因組學研究發現與疾病相關的微生物含量或者功能的變化，將微生物與代謝物進行聯合分析解析相關臨床生物學問題，深入探究疾病發生發展機制；最后還可以通過如糞菌移植或單一菌株或代謝物干預進行體內外細胞和動物功能驗證，為臨床疾病治療提供數據依據。

參考文獻：

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[2] Wei Jia, Guoxiang Xie, Weiping Jia. Bile acid-microbiota crosstalk in gastrointestinal inflammation and carcinogenesis. Nat Rev Gastroenterol Hepatol . 2018 Feb;15(2):111-128.

[3] Jenessa A. Winston & Casey M. Theriot (2020) Diversification of host bile acids by members of the gut microbiota, Gut Microbes, 11:2, 158-171.

[4] Stefano Fiorucci, et al. Bile acids and their receptors in metabolic disorders. Prog Lipid Res. 2021 Apr;82:101094.

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[7] Lee JWJ, et al. Multi-omics reveal microbial determinants impacting responses to biologic therapies in inflammatory bowel disease. Cell Host Microbe. 2021. 29:1294-1304. e4.

[8] ZHENG X, et al. Hyocholic acidspecies improve glucose homeostasis through a distinct TGR5 and FXR signalingmechanism[J]. Cell Metab, 2021, 33(4): 791-803 e797.

[9] Ma J, Hong Y, Zheng N, Xie G, Lyu Y, Jia W, Sheng L, Li H, et al. Gut microbiota remodeling reverses aging-associated inflammation and dysregulation of systemic bile acid homeostasis in mice sex-specifically. Gut Microbes. 2020:1-25.

[10] Nho, K., et al. Altered bile acid profile in mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease Relationship to neuroimaging and CSF biomarkers. Alzheimer’s & Dementia, 15(2), 232-244, 2019.

[11] N van Best, et al. Bile acids drive the newborn's gut microbiota maturation. Nat Commun. 2020 Jul 23;11(1):3692.

[12] Pavan Bhargava, et al. Bile acid metabolism is altered in multiple sclerosis and supplementation ameliorates neuroinflammation. J Clin Invest. 2020 Jul 1;130(7):3467-3482.

[13] Xiaojiao Zheng, et al. Hyocholic acid species as novel biomarkers for metabolic disorders. Nat Commun . 2021 Mar 5;12(1):1487.

[14] Mengci Li, et al. Gut microbiota-bile acid crosstalk contributes to the rebound weight gain after calorie restriction in mice. Nat Commun . 2022 Apr 19;13(1):2060.

[15] Bo Li, et al. Alterations in microbiota and their metabolites are associated with beneficial effects of bile acid sequestrant on icteric primary biliary Cholangitis. Gut Microbes. 2021.

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