《肠 · 道》 演讲是由热心肠研究院录制的类 TED 演讲节目，本文为第六期演讲嘉宾姜长涛教授的演讲内容，录制于 2019 年 5 月 4 日，北京·亦创国际会展中心。
姜长涛：北京大学医学部研究员、热心肠智库专家
北京大学医学部生理学与病理生理学系研究员，博士生导师。从事基于功能代谢组学探讨代谢性疾病发病机制及其药物靶点的研究。回国后以通讯作者在Nature Medicine、Nature Review Endocrinology 和Gastroenterology等代谢领域权威期刊发表SCI论文12篇，获得国际专利1项。2016年作为课题负责人获得科技部国家重点研发计划精准医学项目资助。
各位老师，各位同学，各位“肠·道”好友，大家晚上好！
我是来自北京大学的姜长涛，首先十分感谢热心肠这个平台，为我们提供“肠·道”这个演讲。
今晚我十分荣幸在这里，与大家分享“宿主与菌群共代谢的分子机制”的研究相关进展。
我们人体拥有大量的共生菌，这些共生菌的重量加到一起，大概有1-2公斤，其中95%以上的共生菌是寄居在人体的肠道，叫做肠道菌。
单个肠道菌的体积，比我们人体的体细胞通常都要小，但肠道菌的数量却远多于人体的细胞，大概是人体细胞的10倍。
如此多的肠道菌寄居在我们人体的体内，它并不是来旅游的，而是发挥着十分重要的生理学功能。
肠道菌是连接宿主与外界环境之间的纽带与桥梁，它能够精确的感知外界信号以及食物当中成分的变化。
肠道菌代谢产生的小分子物质能够作用于宿主的各器官，如脂肪、肝脏、大脑和心血管系统，影响它们的代谢稳态。
目前已知肠道菌群紊乱与多种疾病密切相关，但目前大多数的研究都是关联性的，缺乏因果关系的建立。
那谈到宿主和肠道菌的共代谢，我在这里想举一个例子。
来源于食物当中的胆碱，在肠道菌的一系列酶的作用下，首先生成三甲胺；三甲胺进入到循环系统，最终到达到肝脏，被肝脏的相关的酶FMO（含黄素单氧化酶）氧化，生成氧化性三甲胺。
氧化性三甲胺对心血管具有非常有害的作用，能进一步诱导心肌梗死、脑卒中甚至是心功能衰竭等。
代谢组学是我们肠道研究的一把利器，那么什么是代谢组学呢？主要是针对小分子代谢物的高通量、定性、定量分析的检测方法。
与传统的其它的组学，比如基因组、转录组和蛋白组相比，代谢组学有哪些优势呢？
其它组学主要告诉我们，什么可能会发生，什么将要会发生，什么已经发生了。而代谢组学则告诉我们，此时此刻机体正在进行的代谢改变，它更能如实的反映机体的代谢表型。
那我们主要是应用代谢组学，探寻疾病发展进程当中关键的代谢小分子的动态改变。
再进一步结合宏基因组，向上找到影响这些代谢小分子改变的关键的菌株；向下找到它们在宿主上的关键的靶点。
更为重要的是，我们针对这些靶点，进行相关的候选药物干预研究。
下面我将着重介绍一下我们的系列研究工作。
首先，我们基于代谢组学技术，发现无菌小鼠体内的小分子代谢物，跟正常的野生型小鼠相比明显不同。
其中变化最明显的小分子代谢物，被鉴定为牛磺β鼠胆酸（T-βMCA）。那什么是T-βMCA呢？T-βMCA是小鼠内源性胆汁酸的一种。
随后我们发现，伴随着T-βMCA在肠组织的蓄积，无菌小鼠肠核受体FXR（法尼醇X受体）的信号通路明显被抑制。
当我们谈到胆汁酸的代谢，它是主要在肝脏当中由胆固醇代谢生成的。
参与其中的酶有几十种，在这些酶当中，最为重要的是胆汁酸生成的限速酶，胆固醇7α-羟化酶CYP7A1。在这个酶的作用下，胆固醇能够生成胆酸（CA）、鹅去氧胆酸（CDCA）。
我们还发现，在小鼠的肝脏表达另外一种关键的酶CYP2C70，在这种酶的作用下，能够代谢CDCA生成鼠胆酸（MCA）。
而我们人体肝脏当中缺少这种酶，所以说在人体内没有MCA。那胆汁酸CA、CDCA、MCA统称为初级胆汁酸。
这些初级胆汁酸在肝脏能进一步的与甘氨酸、牛磺酸螯合生成结和性胆汁酸。结和性胆汁酸储存在胆囊当中，当我们进食的时候，这些胆汁酸能够释放进入到肠道。
在肠道菌的作用下，首先发生水解，变成游离的胆汁酸。这些游离的初级胆汁酸，在肠道菌的进一步作用下，发生去氢化、去羟化和异构化等，产生次级胆汁酸。
这就包括，CA产生脱氧胆酸，CDCA生成石胆酸，MCA生成猪胆酸和猪去氧胆酸。
那肝脏生成的这些胆汁酸进入到肠道，其中95%在小肠的末段回肠被重新吸收进入门静脉系统，最终到达到肝脏，参与到新一轮的胆汁酸的生成。
这一现象，生理学上叫做胆汁酸的肠肝循环，在我们人体，一天肠肝循环大概6-10次。
谈到胆汁酸的生理功能，大家都熟知的是能够促进脂质的消化与吸收。随着人们对胆汁酸功能的深入研究，发现胆汁酸还是人体内十分重要的信号分子。
那发挥这个作用主要依赖于两种关键的受体，一种是法尼醇X受体（FXR），它是核受体的一种，另外一种是G蛋白偶联受体（TGR5）。
其中FXR在胆汁酸的代谢当中起到一个负反馈调控作用，具体来说，在肝脏当中，FXR被胆汁酸激活之后，它能够抑制CYP的生成，进一步减少胆汁酸的生成。
那在肠道呢，FXR也能被胆汁酸激活。它一方面能够抑制胆汁酸转运体（ASBT）的表达，从而抑制胆汁酸的重吸收；另外一方面，通过生成FGF-15或者19介导的肠肝对话，间接的通过抑制肝脏的CYP7A1，从而抑制胆汁酸的生成。
那在胆汁酸当中，CDCA和CA是FXR内源性的配体。我们实验室以及其它实验室陆续也发现了，胆汁酸当中有FXR内源性的拮抗剂，如TαMCA和TβMCA。
另外一个，G蛋白偶联受体TGR5，它在代谢当中也发挥着十分重要的作用。
TGR5主要在骨骼肌、棕色脂肪组织和肠道L细胞高表达。TGR5在体内的配体主要是次级胆汁酸，LCA与DCA。
其中在L细胞中，TGR5被激活之后，能够促进GLP-1（胰高血糖素样肽- 1）的生成与释放。
谈到GLP-1呢，大家都熟知。GLP-1的类似物——利那鲁肽目前是临床治疗II 型糖尿病的明星药物。
核受体FXR在糖脂代谢的调节中，发挥十分重要的作用，也是重要的药物靶标。
那肝脏FXR被激活之后，它能够抑制胆汁酸的生成，抑制脂质的生成，降低甘油三酯，抑制糖的异生，降低血糖。
那在全身呢，FXR的激动剂并不能有效的改善II 型糖尿病。这就提示其他组织中，FXR对糖脂代谢的调节作用，可能与肝脏完全不同。
那FXR在肠道也是高表达，肠FXR在代谢疾病当中的作用尚不完全清楚。
我们实验室对肠FXR的作用进行了深入的探讨。
首先，我们发现对于肥胖的患者，他体内肠FXR的信号显著的激活，但肝FXR的信号没有明显的改变；肠FXR的信号与体重指数BMI呈明显的正相关。
我们进一步呢，在糖尿病的小鼠里也观察到了相似的现象。
为了进一步深入探讨肠FXR在代谢性疾病当中的作用，我们建立了肠FXR特异敲除小鼠。
我们给予野生型小鼠与肠FXR特异敲除小鼠高脂饮食，我们发现与正常的对照小鼠相比，肠FXR敲除鼠明显能够抵抗高脂饮食诱导的肥胖、胰岛素抵抗与脂肪肝。
那究竟是什么样的机制介导的FXR对代谢的调节作用呢？
我们通过代谢组学发现，肠FXR能够调控鞘酯神经酰胺的代谢，肠FXR被激活之后，它能够促进神经酰胺的释放。
神经酰胺能进一步引起肝脏的胰岛素抵抗与脂质的生成，同时能够抑制白色脂肪棕色化。
那在最近的几个临床的RCT（随机对照试验）研究中，就发现鞘酯神经酰胺是代谢性疾病的一个独立的危险因素，它能够明显的促进胰岛素的抵抗与心血管的不良事件。
那我们的结果呢，发现抑制肠FXR信号，可以通过减少神经酰胺的释放，发挥抗肥胖、糖尿病和脂肪肝的作用。
既然肠FXR是一个非常重要的代谢性疾病的干预的药靶，那我们就希望对肠FXR的拮抗剂进行一个筛选。
那么我们已经发现，胆汁酸T-βMCA实际上是FXR的一个内源性拮抗剂。但T-βMCA能够被肠道菌水解，所以说影响了它对糖尿病的治疗效果。
那我们就希望找到新型的FXR的拮抗剂，通过筛选，我们找到了GMCA。那GMCA与T-βMCA相比呢，有更高的拮抗作用，那更为重要的是它能够抵抗肠道菌的水解作用。
进一步药代动力学的研究发现，给予GMCA之后，它主要停留在肠道而很少吸收入血，特异的抑制肠FXR但不影响肝FXR，这就能有效的避免其潜在的副作用。
我们给予高脂饮食以及db/db敲除的糖尿病小鼠GMCA处理。
我们发现给予GMCA治疗之后，小鼠的体重明显的减轻，血糖明显的降低，胰岛素的敏感性增加，脂肪肝的程度也减轻了。
那么在人体中，是否有药物也能够通过靶向肠道菌-胆汁酸-肠FXR信号，发挥治疗糖尿病的作用呢？
二甲双胍是目前临床治疗II 型糖尿病的首选药物，但二甲双胍的作用靶点比较多。
最早人们发现二甲双胍主要作用的器官是在肝脏，随后人们的研究发现，在其他组织，如肠道，也是二甲双胍的一个重要靶点。但肠道在二甲双胍发挥降糖作用当中的作用呢，目前尚不清楚。
那我们系统的分析了初诊II 型糖尿病患者，在给予二甲双胍治疗之后肠道菌群的变化。
短期给予二甲双胍能够明显的引起肠道菌群重塑，主要表现于脆弱拟杆菌的丰度显著的被抑制。
KEGG通路分析研究结果提示，二甲双胍能明显的影响次级胆汁酸的代谢。我们进一步运用代谢组学分析，发现给予二甲双胍之后，甘氨熊去氧胆酸（GUDCA）的水平显著增加。
同时我们发现，血浆FGF19的水平明显的降低，FGF19是肠FXR的一个靶基因；同时血浆当中的C4（7-羟基-4-胆甾烯-3-酮 C4）的水平明显的增加。
这些都反映肠FXR在二甲双胍干预之后，明显的被抑制，但是肝FXR的信号却没有显著的改变。
我们的研究结果发现，给予二甲双胍之后，胆汁酸GUDCA的水平显著增加；而对应的，肠FXR的信号被抑制。这就提示GUDCA可能是肠FXR拮抗剂。
我们通过生物信息学及其其他的生物学手段，证实了我们的假说， GUDCA确实是人肠FXR内源性拮抗剂。
我们也给予糖尿病小鼠胆汁酸GUDCA的干预，我们发现给予GUDCA治疗之后，它的体重明显减轻，血糖明显改善，胰岛素敏感性也增加了，这能够有效的治疗糖尿病。
并且GUDCA的这种作用，还特异的依赖于抑制肠FXR信号。
总之，我们的研究结果提示，二甲双胍通过靶向肠道脆弱拟杆菌、胆汁酸GUDCA以及肠FXR这个轴发挥其降糖作用，胆汁酸GUDCA是肠FXR内源性拮抗剂。我们提出了干预代谢性疾病的新靶标，即抑制肠FXR信号通路。
胆汁酸的信号通路在代谢性疾病当中发挥一个极其重要的作用，是重要的药物干预靶点。那以下列出来的，就是针对胆汁酸的几种药物的研发情况。
首先是CDCA及其衍生物，其中备受人们瞩目的是奥贝胆酸。
在今年（2019年）刚刚结束的，针对非酒精性脂肪性肝炎（NASH）的三期临床结果显示，奥贝胆酸能够明显的减轻NASH患者的肝脏的纤维化。
很有可能，奥贝胆酸将成为首个被批准的用于NASH这一适应症的药物。那三年前，奥贝胆酸也被批准了用于原发性胆汁性胆管炎（PBC）的治疗。
另外一种CDCA衍生物INT-767，主要的靶点是激活肝脏的FXR与TGR5这两种信号通路。它目前在临床一期，也是针对原发性的胆汁性的胆管炎。
那另外一种衍生物INT-777，主要是激活TGR5。它目前处于临床前，它的一个适应症，就是NASH。
第二类是UDCA及其衍生物。
那谈到UDCA，其实在临床上是一个老药。它能够主要用于胆汁淤积类的肝病，比如说前面提到的原发性的胆汁性的胆管炎，还有它能够显著的改善肝功能。
其中一个衍生物TUDCA，已经被批准用于胆结石的治疗；另外一种衍生物NUDCA，目前是在临床二期，是针对原发性的胆汁性的胆管炎的治疗。
那第三类就是胆汁酸的螯合剂，比如消胆胺；还有另外一类，与它功能相似，就是胆汁酸转运体ASBT的抑制剂。
它们共同的作用的靶点都是通过抑制胆汁酸，进一步能够抑制肠FXR信号，对于II 型糖尿病具有治疗的作用。
那最后，感谢我的团队还有我的合作者，谢谢大家！
