3.3 Gallsyror och mikrobiota

Gallsyror är steroidmolekyler som fungerar som surfaktanter för att hjälpa till med matsmältningen av matfett i mag-tarmkanalen. Gallsyror syntetiseras i levern och metaboliseras av flera enzymer som härrör från tarmbakterier. Nyligen har det fastställts att gallsyror är kritiska för regleringen av värdens och mikrobiell fysiologi och att dysreglering av gallsyror kan leda till patologiska tillstånd i tarmen, inklusive förvärrad inflammation och onkogen signalering (granskad i Jia et al., 2018; Ridlon et al., 2014).

Gallsyror syntetiseras antingen av värdens hepatocyter eller metaboliseras av tarmbakterier för att producera primära eller sekundära gallsyror, respektive (Ridlon et al., 2016). Primära gallsyror syntetiseras genom cytokrom P450-medierad oxidation av kolesterol i hepatocyter. Människor genererar främst två primära gallsyror, kolsyra (CA) och chenodeoxikolsyra (CDCA). Dessa gallsyror konjugeras lätt till aminosyrorna taurin och/eller glycin av gallsyra:CoA-syntetas och gallsyra-CoA:aminosyra-N-acyltransferas för att bilda taurokolsyra (TCA), taurochenodeoxykolsyra (TCDCA), glykokolsyra (GCA) och glykochenodeoxykolsyra (GCDCA). Nyss syntetiserade primära gallsyror utsöndras från levern till gallkanalen och släpps slutligen ut i tarmlumen för sin funktion: emulgering och absorption av lipider från tunntarmen. Sekreterade gallsyror i tunntarmen kan återabsorberas i distala ileum av den apikala natriumberoende BA-transportören (ASBT) och där de sedan binds till det ileala gallsyrabärarproteinet (IBACP) för att transporteras in i portvenen genom organiska lösningsmedelstransportör α/β (OST-α/β) (recenserad i Dawson, 2011; Jia et al, 2018).

Till skillnad från primära gallsyror involverar produktionen av sekundära gallsyror tarmmikrobiota. De intestinala anaeroberna inklusive Bacteroides, Eubacterium och Clostridium är kända för att dekonjugera taurinkonjugerade och glycinkonjugerade gallsyror och generera okonjugerade fria gallsyror. Anaerobier som Bacteroides, Clostridium, Eubacterium, Lactobacillus och Escherichia kan sedan utöva 7α/β-dehydroxylering för att omvandla de okonjugerade primära gallsyrorna CA och CDCA till sekundära gallsyror, deoxycholsyra (DCA) och lithocholsyra (LCA) (Jia et al, 2018).

Då gallsyror har detergentegenskaper har höga koncentrationer av gallsyror potential att orsaka skador på cellmembran och stimulera efterföljande reparationsmekanismer, vilket resulterar i en potentiellt gynnsam miljö för tumörigenes genom hyperproliferation av odifferentierade celler (Nguyen et al., 2018). Med tanke på att en kost med högt fettinnehåll ökar nivåerna av gallsyror i både tarmlumen och intilliggande vävnader (Dermadi et al., 2017; Fu et al., 2019) är det möjligt att en HFD också skulle kunna bidra till CRC-utvecklingen genom ökad syntes och sekretion av gallsyror. Det har faktiskt visats att en HFD tenderar att öka taurinkonjugeringen av gallsyror för att bilda mer TCA, vilket förändrar poolen av gallsyror och liksom populationen av tarmmikrobiota (Devkota et al., 2012; Ridlon et al., 2016). Specifikt begränsar HFD med högt innehåll av SFA märkbart rikedomen och mångfalden av murins tarmmikrobiota och inducerar blomning av B. wadsworthia, en medlem av Proteobacteria, som aktivt utnyttjar TCA (Devkota et al., 2012). Den HFD-inducerade blomningen av B. wadsworthia främjar överdriven generering av den genotoxiska föreningen vätesulfid (H2S) och känslighet för inflammation i samband med TH1-immunitet (Devkota et al., 2012). Dessa studier tyder på en möjlig inblandning av HFD och gallsyror i utvecklingen av CAC genom reglering av mikrobiota.

Konsumtion av en västerländsk kost som är berikad med animaliskt protein och fett har visat sig signifikant öka fekal DCA och dess metaboliter hos människor. Detta ger ytterligare bevis för att fett i kosten kritiskt förändrar pooler av gallsyror samt produkter som härrör från bakterier (Reddy et al., 1980). Det har också rapporterats att sekundära gallsyror är avgörande för tumörutvecklingen av CRC. Farhana et al. har klargjort att sekundära gallsyror, DCA och LCA, kan reglera stamceller för tjocktarmscancer (Farhana et al., 2016). Behandling med DCA eller LCA i normala humana kolonepitelceller (HCoEpiC) ökade signifikant uttrycket av cancerstamcellsmarkörer (CD44, CD166 och ALDHA1) samt pluripotensgener (KLF4, Nanog, OCT4 och SOX2). Dessutom ökade DCA/LCA-behandlingen bildandet av sfäroider från HCoEpiC i 3D-kultur och aktiverade Wnt/β-catenin-signalering, vilket tyder på att sekundära gallsyror bidrar till ökad stamning av koloncancerceller. En annan studie visade också att DCA främjar aktivering av den epidermala tillväxtfaktorreceptorn (EGFR) och tarmcancerogenes via involvering av ADAM-17, en medlem av ADAM-familjen av metallproteaser, vilket resulterar i proteolytisk mognad av EGFR:s lösliga ligand, amfiregulin (Dong et al., 2018). Sammantaget antyder dessa studier att HFD-medierad sekundär gallsyreförhöjning kan bidra till utvecklingen av cancer i tarmvävnaden.

Gallsyror kan också vara viktiga signalmolekyler som agerar som endogena ligander för flera kärnan orphan receptorer, inklusive farsenoid X-receptorn (FXR), G-proteinkopplad gallsyrerereceptor (TGR5), pregnan X-receptorn (PXR), vitamin D3-receptorn (VDR) och den konstitutiva androstanreceptorn (CAR) (Forman et al, 1995; Jia et al., 2018; Mora et al., 2008). Specifikt är FXR huvudregulatorn för gallsyrametabolismen och okonjugerade gallsyror, såsom CA, CDCA, DCA och LCA, är agonister med hög affinitet för FXR (Parks et al., 1999). FXR fungerar för att upprätthålla homeostasen av gallsyror i den enterohepatiska cirkulationen. Till exempel orsakar aktivering av hepatisk FXR av gallsyror en hämning av biosyntesen av gallsyror och ökar istället deras utflöde, vilket begränsar ackumuleringen av gallsyror i hepatocyter. Samtidigt begränsar intestinal FXR-aktivering gallsyrenivåerna i enterocyter vilket underlättar utflödet av gallsyror till portalvenen och hämmar gallsyretransporten från tarmlumen, vilket i slutändan underlättar utsöndringen av gallsyror (Jia et al., 2018).

Förutom regleringen av gallsyrornas homeostas är FXR förknippat med CRC-utveckling i murina modeller. FXR-bristande möss uppvisade ökat kryptdjup i tarmen och proliferation av tarmepitelceller (Maran et al., 2009). Dessutom ökade deletion av FXR utvecklingen av adenokarcinom i kolon i både APCMin/+ och AOM-behandlade möss (Maran et al., 2009), vilket tyder på att FXR-nedreglering och/eller hämning kan leda till ökad förekomst av CRC-utveckling. Intressant nog rapporteras HFD hämma FXR:s verkan (Dermadi et al., 2017; Fu et al., 2019). HFD-utfodring minskade uttrycket av flera gallsyratransportproteiner, såsom ASBT och OST-β, nedströms från FXR, även om uttrycket av FXR inte ändrades (Dermadi et al., 2017). Dessa HFD-utfodrade möss uppvisade dock förlängning av tarmkryptor och epitelproliferation, liknande FXR-bristande möss (Dermadi et al., 2017). Dessa data tyder på att HFD hämmar aktivering av FXR via sänkt gallsyratransport och främjar tarmepitelproliferation genom FXR-inaktivering. På samma sätt antagoniserade HFD-inducerad tauro-β-murikolsyra och DCA tarmens FXR-funktion vilket resulterade i proliferation och DNA-skador i ISCs (Fu et al., 2019). Dessa studier tyder på att FXR-inaktivering kan spela en kritisk roll i HFD-exacerberad CRC/CAC.

Bakterieavledda kortkedjiga fettsyror (SCFAs) kan också vara viktiga faktorer i kostfettmedierad CRC/CAC-utveckling. SCFA:erna butyrat (C4:0), propionat (C3:0) och acetat (C2:0) genereras genom bakteriell fermentering av kostfibrer. Dessa SCFAs kan absorberas i kolonocyter via enkel diffusion och/eller Na +-kopplad transport SLC5A8-medierad transport (Ganapathy et al., 2013). SCFA:er, särskilt butyrat, är välkända för att utöva förebyggande effekter vid tjocktarmscancer, delvis på grund av deras förmåga att hämma histondeacetylas (HDAC) (Chen et al., 2003). Tarmmikrobiotan spelar en viktig roll för SCFA-syntesen, och specifika bakteriearter är inblandade i deras produktion. Därför kan kostförändringar av mikrobiotakompositionen resultera i olika kapacitet att producera SCFA:er från kostfiber. De specifika rollerna för HFD i förändringen av tarmmikrobiota, SCFA-bildning och CRC/CAC har ännu inte identifierats.

HFD-medierad förändring av gallsyror leder till viktiga förändringar i tarmmiljön och molekylär signalering. Specifikt kan kostförändringar i mikromiljön förändra tarmens mikrobiotapopulationer vilket resulterar i ytterligare inflammatoriska och genotoxiska påfrestningar. HFD främjar också stamning i tarmepitelet genom att reglera proliferation och inblandning av kärnreceptorer. Sammantaget innebär dessa studier att gallsyroregleringen är inblandad i flera vägar som bidrar till CRC.