3.3 Galzuren en microbiota

Bilezuren zijn steroïde moleculen die fungeren als oppervlakte-actieve stoffen om te helpen bij de vertering van voedingsvetten in het maagdarmkanaal. Galzuren worden gesynthetiseerd in de lever en gemetaboliseerd door meerdere enzymen afkomstig van darmbacteriën. Onlangs is vastgesteld dat galzuren van cruciaal belang zijn voor de regulering van de gastheer- en microbiële fysiologie, en dat ontregeling van galzuren kan leiden tot pathologische aandoeningen in de darm, waaronder verergering van ontsteking en oncogene signalering (herzien in Jia et al., 2018; Ridlon et al., 2014).

Galzuren worden ofwel gesynthetiseerd door de gastheerhepatocyten of gemetaboliseerd door darmbacteriën om respectievelijk primaire of secundaire galzuren te produceren (Ridlon et al., 2016). Primaire galzuren worden gesynthetiseerd door cytochroom P450-gemedieerde oxidatie van cholesterol in hepatocyten. Mensen maken voornamelijk twee primaire galzuren aan, cholzuur (CA) en chenodeoxycholzuur (CDCA). Deze galzuren worden gemakkelijk geconjugeerd aan de aminozuren taurine en/of glycine door galzuur-CoA synthetase en galzuur-CoA: aminozuur N-acyltransferase om taurocholzuur (TCA), taurochenodeoxycholzuur (TCDCA), glycocholzuur (GCA) en glycochenodeoxycholzuur (GCDCA) te vormen. Nieuw gesynthetiseerde primaire galzuren worden vanuit de lever uitgescheiden naar de galwegen, waar ze uiteindelijk in het darmlumen terechtkomen voor hun functie: emulgering en absorptie van vetten uit de dunne darm. Uitgescheiden galzuren in de dunne darm kunnen worden geherabsorbeerd in het distale ileum door de apicale natriumafhankelijke BA-transporter (ASBT) en waar ze vervolgens binden aan het ileale galzuurdragereiwit (IBACP) om te worden getransporteerd naar de poortader via organische opgeloste transporter α/β (OST-α/β) (herzien in Dawson, 2011; Jia et al, 2018).

In tegenstelling tot primaire galzuren, is bij de productie van secundaire galzuren de darmmicrobiota betrokken. De intestinale anaeroben, waaronder Bacteroides, Eubacterium en Clostridium, zijn bekend om taurine-geconjugeerde en glycine-geconjugeerde galzuren te deconjugeren, waarbij niet-geconjugeerde vrije galzuren worden gegenereerd. Anaeroben waaronder Bacteroides, Clostridium, Eubacterium, Lactobacillus en Escherichia kunnen vervolgens 7α/β-dehydroxylatie uitoefenen om de niet-geconjugeerde primaire galzuren, CA en CDCA, om te zetten in secundaire galzuren, deoxycholzuur (DCA) en lithocholzuur (LCA) (Jia et al., 2018).

Omdat galzuren detergerende eigenschappen hebben, hebben hoge concentraties galzuren de potentie om schade aan celmembranen te veroorzaken en daaropvolgende reparatiemechanismen te stimuleren, wat resulteert in een potentieel gunstige omgeving voor tumorigenese via hyperproliferatie van ongedifferentieerde cellen (Nguyen et al., 2018). Gezien het feit dat een dieet met een hoog vetgehalte de niveaus van galzuren in zowel het darmlumen als de aangrenzende weefsels verhoogt (Dermadi et al., 2017; Fu et al., 2019), is het mogelijk dat een HFD ook zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van CRC via verhoogde galzuursynthese en -secretie. Het is inderdaad aangetoond dat een HFD de neiging heeft om de taurineconjugatie van galzuren te verhogen om meer TCA te vormen, waardoor de pool van galzuren en evenals de populatie van darmmicrobiota verandert (Devkota et al., 2012; Ridlon et al., 2016). Specifiek, HFD met een hoog SFA gehalte beperkt met name de rijkdom en diversiteit van de darmmicrobiota van muizen en induceert bloei van B. wadsworthia, een lid van de Proteobacteria, die actief TCA verbruikt (Devkota et al., 2012). De HFD-geïnduceerde bloei van B. wadsworthia bevordert overmatige productie van de genotoxische verbinding waterstofsulfide (H2S) en gevoeligheid voor ontsteking geassocieerd met TH1 immuniteit (Devkota et al., 2012). Deze studies suggereren de mogelijke betrokkenheid van HFD en galzuren bij de ontwikkeling van CAC via de regulatie van de microbiota.

Consumptie van een westers dieet dat verrijkt is met dierlijke eiwitten en vetten heeft aangetoond dat het fecale DCA en zijn metabolieten bij mensen aanzienlijk verhoogt. Dit is een verder bewijs dat vet in de voeding een kritieke invloed heeft op de hoeveelheid galzuren en van bacteriën afgeleide producten (Reddy et al., 1980). Er is ook gerapporteerd dat secundaire galzuren van cruciaal belang zijn bij de tumorigenese van CRC. Farhana et al. hebben opgehelderd dat secundaire galzuren, DCA en LCA, stamcellen van dikke darmkanker kunnen reguleren (Farhana et al., 2016). Behandeling met DCA of LCA in normale humane colon epitheelcellen (HCoEpiC) verhoogde significant de expressie van kankerstamcel markers (CD44, CD166 en ALDHA1), evenals pluripotentie genen (KLF4, Nanog, OCT4 en SOX2). Bovendien verhoogde DCA/LCA behandeling de vorming van sferoïden van HCoEpiC in 3D kweek, en activeerde Wnt/β-catenine signalisatie, wat suggereert dat secundaire galzuren bijdragen tot verhoogde stambaarheid van dikke darmkankercellen. Een andere studie toonde ook aan dat DCA de activering van de epidermale groeifactorreceptor (EGFR) en intestinale carcinogenese bevordert via betrokkenheid van ADAM-17, een lid van de ADAM-familie van metalloproteasen, wat resulteert in proteolytische rijping van het oplosbare ligand van de EGFR, amphireguline (Dong et al., 2018). Al met al hinten deze studies erop dat HFD-gemedieerde secundaire galzuurverhoging zou kunnen bijdragen aan de progressie van kanker in de darmweefsels.

Bilezuren kunnen ook belangrijke signaalmoleculen zijn die fungeren als endogene liganden van meerdere nucleus orphan receptoren, waaronder de farsenoïde X-receptor (FXR), G-eiwitgekoppelde galzuurreceptor (TGR5), pregnaan X-receptor (PXR), vitamine D3-receptor (VDR), en constitutieve androstaanreceptor (CAR) (Forman et al, 1995; Jia et al., 2018; Mora et al., 2008). FXR is de hoofdregulator van het galzuurmetabolisme en niet-geconjugeerde galzuren, zoals CA, CDCA, DCA en LCA, zijn agonisten met hoge affiniteit voor FXR (Parks et al., 1999). FXR heeft tot taak de homeostase van galzuren in de enterohepatische circulatie te handhaven. Activering van hepatische FXR door galzuren veroorzaakt bijvoorbeeld remming van de biosynthese van galzuren en verhoogt in plaats daarvan hun efflux, waardoor de accumulatie van galzuren in hepatocyten wordt beperkt. Tegelijkertijd beperkt intestinale FXR-activering de galzuurniveaus in enterocyten, waardoor de efflux van galzuren naar de poortader wordt vergemakkelijkt en het galzuurtransport vanuit het darmlumen wordt geremd, waardoor uiteindelijk de uitscheiding van galzuren wordt vergemakkelijkt (Jia et al., 2018).

Naast de regulering van de galzurenhomeostase, is FXR geassocieerd met CRC-ontwikkeling in muismodellen. FXR deficiënte muizen vertoonden een verhoogde intestinale cryptdiepte en proliferatie van intestinale epitheelcellen (Maran et al., 2009). Bovendien verhoogde FXR-deletie de ontwikkeling van colon adenocarcinoom in zowel APCMin/+ als AOM-behandelde muizen (Maran et al., 2009), wat suggereert dat FXR-deregulatie en/of -remming kan leiden tot een verhoogde incidentie van CRC-ontwikkeling. Interessant is dat HFD wordt gerapporteerd om de werking van FXR te remmen (Dermadi et al., 2017; Fu et al., 2019). HFD-voeding verminderde de expressie van verschillende galzuurtransporteiwitten, zoals ASBT en OST-β, stroomafwaarts van FXR, hoewel de expressie van FXR niet werd veranderd (Dermadi et al., 2017). Deze HFD-gevoede muizen vertoonden echter verlenging van de darmcrypten en epitheliale proliferatie, vergelijkbaar met FXR-deficiënte muizen (Dermadi et al., 2017). Deze gegevens suggereren dat HFD de activering van FXR remt via verlaagd galzuurtransport en de intestinale epitheliale proliferatie bevordert door FXR-inactivatie. Op vergelijkbare wijze antagoneerden HFD-geïnduceerde tauro-β-muricholzuur en DCA de intestinale FXR-functie wat resulteerde in proliferatie en DNA-schade in ISC’s (Fu et al., 2019). Deze studies suggereren dat FXR-inactivatie een cruciale rol kan spelen in HFD-verergerde CRC/CAC.

Bacterie afgeleide korte keten vetzuren (SCFA’s) kunnen ook belangrijke factoren zijn in vet-gemedieerde CRC/CAC-ontwikkeling via de voeding. De vetzuren butyraat (C4:0), propionaat (C3:0) en acetaat (C2:0) worden gegenereerd door bacteriële fermentatie van voedingsvezels. Deze SCFA’s kunnen worden geabsorbeerd in colonocyten via eenvoudige diffusie en/of Na +-gekoppeld transporter SLC5A8-gemedieerd transport (Ganapathy et al., 2013). Van SCFA’s, in het bijzonder butyraat, is bekend dat ze preventieve effecten hebben bij darmkanker, deels door hun vermogen om histon deacetylase (HDAC) te remmen (Chen et al., 2003). De darmmicrobiota speelt een belangrijke rol bij de synthese van SCFA’s, waarbij specifieke soorten bacteriën betrokken zijn bij de productie ervan. Daarom kan een verandering in de samenstelling van de microbiota resulteren in een verschillend vermogen om SCFA’s te produceren uit voedingsvezels. De specifieke rol van HFD in de verandering van de darmmicrobiota, de productie van SCFA’s en CRC/CAC moet nog worden geïdentificeerd.

HFD-gemedieerde verandering van galzuren leidt tot belangrijke veranderingen in de intestinale omgeving en moleculaire signalering. In het bijzonder kunnen dieetveranderingen in de micro-omgeving de darmmicrobiota populaties veranderen, wat resulteert in extra inflammatoire en genotoxische stress. HFD bevordert ook de stamvorming in het darmepitheel waarbij proliferatie en betrokkenheid van nucleaire receptoren wordt gereguleerd. Samen impliceren deze studies de regulatie van galzuren in meerdere pathways die bijdragen aan CRC.