3.3 Kwasy żółciowe i mikrobiota

Kwasy żółciowe są cząsteczkami steroidowymi, które działają jako środki powierzchniowo czynne, aby pomóc w trawieniu tłuszczu pokarmowego w przewodzie pokarmowym. Kwasy żółciowe są syntetyzowane w wątrobie i metabolizowane przez wiele enzymów pochodzących z bakterii jelitowych. Ostatnio ustalono, że kwasy żółciowe są krytyczne dla regulacji fizjologii gospodarza i drobnoustrojów oraz że dysregulacja kwasów żółciowych może prowadzić do stanów patologicznych w jelicie, w tym nasilenia stanu zapalnego i sygnalizacji onkogennej (recenzja w Jia i in., 2018; Ridlon i in., 2014).

Kwasy żółciowe są albo syntetyzowane przez hepatocyty gospodarza, albo metabolizowane przez bakterie jelitowe w celu wytworzenia odpowiednio pierwotnych lub wtórnych kwasów żółciowych (Ridlon i in., 2016). Pierwotne kwasy żółciowe są syntetyzowane przez cytochrom P450-mediowane utlenianie cholesterolu w hepatocytach. U ludzi powstają głównie dwa podstawowe kwasy żółciowe, kwas cholowy (CA) i kwas chenodeoksycholowy (CDCA). Te kwasy żółciowe są łatwo sprzęgane z aminokwasami tauryną i/lub glicyną przez syntetazy kwas żółciowy:CoA i kwas żółciowy-CoA: N-acylotransferazę aminokwasów, tworząc kwas taurocholowy (TCA), kwas taurochenodeoksycholowy (TCDCA), kwas glikocholowy (GCA) i kwas glikochenodeoksycholowy (GCDCA). Nowo syntetyzowane podstawowe kwasy żółciowe są wydzielane z wątroby do kanalików żółciowych, skąd ostatecznie uwalniane są do światła jelita, gdzie pełnią swoją funkcję: emulgowania i wchłaniania lipidów z jelita cienkiego. Wydzielone kwasy żółciowe w jelicie cienkim mogą być reabsorbowane w dystalnym jelicie krętym przez apikalny sodozależny transporter BA (ASBT) i gdzie następnie wiążą się z krętym białkiem nośnikowym kwasów żółciowych (IBACP), aby zostać przetransportowane do żyły wrotnej przez transporter rozpuszczalników organicznych α/β (OST-α/β) (przegląd w Dawson, 2011; Jia i in…, 2018).

W przeciwieństwie do pierwotnych kwasów żółciowych, w produkcję wtórnych kwasów żółciowych zaangażowana jest mikrobiota jelitowa. Jelitowe beztlenowce, w tym Bacteroides, Eubacterium i Clostridium, są znane z dekoniugacji sprzężonych z tauryną i sprzężonych z glicyną kwasów żółciowych, generując niesprzężone wolne kwasy żółciowe. Beztlenowce, w tym Bacteroides, Clostridium, Eubacterium, Lactobacillus i Escherichia, mogą następnie wywierać 7α/β-dehydroksylację, aby przekształcić niesprzężone pierwotne kwasy żółciowe, CA i CDCA, w drugorzędowe kwasy żółciowe, kwas deoksycholowy (DCA) i kwas litocholowy (LCA) (Jia i wsp., 2018).

Jako że kwasy żółciowe mają właściwości detergentowe, wysokie stężenia kwasów żółciowych mają potencjał do powodowania uszkodzeń błon komórkowych i stymulowania kolejnych mechanizmów naprawczych, co skutkuje potencjalnie korzystnym środowiskiem dla nowotworzenia poprzez hiperproliferację niezróżnicowanych komórek (Nguyen i in., 2018). Biorąc pod uwagę, że dieta o wysokiej zawartości tłuszczu zwiększa poziom kwasów żółciowych zarówno w świetle jelita, jak i w przyległych tkankach (Dermadi i in., 2017; Fu i in., 2019), możliwe jest, że HFD może również przyczyniać się do rozwoju CRC poprzez zwiększoną syntezę i wydzielanie kwasów żółciowych. Rzeczywiście, wykazano, że HFD ma tendencję do zwiększania koniugacji tauryny z kwasami żółciowymi w celu utworzenia większej ilości TCA, zmieniając pulę kwasów żółciowych, a także populację mikrobioty jelitowej (Devkota i in., 2012; Ridlon i in., 2016). W szczególności, HFD z wysoką zawartością SFA znacząco ogranicza bogactwo i różnorodność mikrobioty jelitowej myszy i indukuje zakwit B. wadsworthia, członka Proteobacteria, który aktywnie wykorzystuje TCA (Devkota i in., 2012). Wywołany przez HFD rozkwit B. wadsworthia promuje nadmierne wytwarzanie genotoksycznego związku siarkowodoru (H2S) i podatność na zapalenie związane z odpornością TH1 (Devkota i in., 2012). Badania te sugerują możliwy udział HFD i kwasów żółciowych w rozwoju CAC poprzez regulację mikrobioty.

Po spożyciu diety zachodniej, która jest wzbogacona w białko zwierzęce i tłuszcz, wykazano, że znacząco zwiększa ona stężenie DCA w kale i jego metabolitów u ludzi. To dostarcza dalszych dowodów, że dieta tłuszczu krytycznie zmienia puli kwasów żółciowych, jak również produktów pochodzących od bakterii (Reddy et al., 1980). Zostało również zgłoszone, że wtórne kwasy żółciowe są krytyczne w tumorigenezie CRC. Farhana i wsp. wykazali, że wtórne kwasy żółciowe, DCA i LCA, mogą regulować komórki macierzyste raka jelita grubego (Farhana i wsp., 2016). Leczenie DCA lub LCA w prawidłowych ludzkich komórkach nabłonkowych jelita grubego (HCoEpiC) znacząco zwiększyło ekspresję markerów nowotworowych komórek macierzystych (CD44, CD166 i ALDHA1), a także genów pluripotencji (KLF4, Nanog, OCT4 i SOX2). Dodatkowo, leczenie DCA/LCA zwiększało tworzenie sferoid z HCoEpiC w hodowli 3D i aktywowało sygnalizację Wnt/β-katenina, co sugeruje, że wtórne kwasy żółciowe przyczyniają się do zwiększenia macierzystości komórek raka jelita grubego. W innym badaniu wykazano również, że DCA promuje aktywację receptora naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR) i kancerogenezę jelitową poprzez zaangażowanie ADAM-17, członka rodziny ADAM metaloproteaz, co prowadzi do proteolitycznego dojrzewania rozpuszczalnego liganda EGFR, amfireguliny (Dong i in., 2018). W sumie badania te podpowiadają, że pośredniczone przez HFD wtórne podwyższenie poziomu kwasów żółciowych może przyczyniać się do progresji nowotworów w tkankach jelitowych.

Kwasy żółciowe mogą być również ważnymi cząsteczkami sygnalizacyjnymi działającymi jako endogenne ligandy wielu sierocych receptorów jądrowych, w tym receptora farsenoidu X (FXR), sprzężonego z białkiem G receptora kwasów żółciowych (TGR5), receptora pregnanu X (PXR), receptora witaminy D3 (VDR) i konstytutywnego receptora androstanu (CAR) (Forman i in., 1995; Jia et al., 2018; Mora et al., 2008). W szczególności, FXR jest głównym regulatorem metabolizmu kwasów żółciowych, a niesprzężone kwasy żółciowe, takie jak CA, CDCA, DCA i LCA, są agonistami o wysokim powinowactwie do FXR (Parks i in., 1999). FXR funkcjonuje w celu utrzymania homeostazy kwasów żółciowych w krążeniu jelitowo-wątrobowym. Na przykład, aktywacja wątrobowego FXR przez kwasy żółciowe powoduje zahamowanie biosyntezy kwasów żółciowych, a w zamian zwiększa ich odpływ, ograniczając w ten sposób akumulację kwasów żółciowych w hepatocytach. Jednocześnie jelitowa aktywacja FXR ogranicza poziom kwasów żółciowych w enterocytach, ułatwiając odpływ kwasów żółciowych do żyły wrotnej i hamując transport kwasów żółciowych ze światła jelita, ostatecznie ułatwiając wydalanie kwasów żółciowych (Jia i wsp., 2018).

Oprócz regulacji homeostazy kwasów żółciowych, FXR jest związany z rozwojem CRC w modelach murine. Myszy z niedoborem FXR wykazywały zwiększoną głębokość krypt jelitowych i proliferację komórek nabłonka jelitowego (Maran i wsp., 2009). Dodatkowo, delecja FXR zwiększała rozwój gruczolakoraka okrężnicy zarówno u myszy APCMin/+, jak i u myszy leczonych AOM (Maran i in., 2009), co sugeruje, że redukcja i/lub inhibicja FXR może skutkować zwiększoną częstością rozwoju CRC. Co ciekawe, donosi się, że HFD hamuje działanie FXR (Dermadi i wsp., 2017; Fu i wsp., 2019). Karmienie HFD zmniejszyło ekspresję kilku białek transportujących kwasy żółciowe, takich jak ASBT i OST-β, downstream FXR, chociaż ekspresja FXR nie uległa zmianie (Dermadi i in., 2017). Jednak te myszy karmione HFD wykazywały wydłużenie krypt jelitowych i proliferację nabłonka, podobnie jak myszy z niedoborem FXR (Dermadi i in., 2017). Dane te sugerują, że HFD hamuje aktywację FXR poprzez obniżony transport kwasów żółciowych i promuje proliferację nabłonka jelitowego poprzez inaktywację FXR. Podobnie, indukowane HFD kwas tauro-β-muricholowy i DCA antagonizowały jelitową funkcję FXR, powodując proliferację i uszkodzenia DNA w ISCs (Fu i in., 2019). Badania te sugerują, że inaktywacja FXR może odgrywać krytyczną rolę w zaostrzonym przez HFD CRC/CAC.

Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFAs) pochodzące z bakterii również mogą być ważnymi czynnikami w rozwoju CRC/CAC indukowanym przez tłuszcz dietetyczny. SCFAs maślan (C4:0), propionian (C3:0) i octan (C2:0) są generowane przez bakterie fermentacji włókien pokarmowych. Te SCFAs mogą być wchłaniane do kolonocytów poprzez prostą dyfuzję i/lub transport sprzężony z Na + transporterem SLC5A8 (Ganapathy i in., 2013). SCFAs, w szczególności maślan, są dobrze znane jako wywierające działanie prewencyjne w raku jelita grubego, częściowo ze względu na ich zdolność do hamowania deacetylazy histonów (HDAC) (Chen i in., 2003). Mikrobiota jelitowa odgrywa istotną rolę w syntezie SCFA, a w ich produkcji biorą udział określone gatunki bakterii. W związku z tym, zmiana składu mikrobioty w diecie może prowadzić do zróżnicowania zdolności do produkcji SCFA z błonnika pokarmowego. Specyficzne role HFD w zmianie mikrobioty jelitowej, wytwarzanie SCFA i CRC/CAC nie zostały jeszcze zidentyfikowane.

HFD-mediated zmiana kwasów żółciowych prowadzi do ważnych zmian w środowisku jelitowym i sygnalizacji molekularnej. W szczególności, dietetyczne zmiany w mikrośrodowisku mogą zmienić populacje mikrobioty jelitowej, co prowadzi do dodatkowego stresu zapalnego i genotoksycznego. HFD promuje również macierzystość w nabłonku jelitowym regulując proliferację i zaangażowanie receptorów jądrowych. Łącznie badania te implikują regulację kwasów żółciowych w wielu szlakach, które przyczyniają się do CRC.

.