Les acides biliaires : le bon, le mauvais et le vilain

Chez les vertébrés, l’équilibre du cholestérol est atteint en modulant à la fois la synthèse et l’excrétion. L’excrétion du cholestérol est médiée par les acides biliaires, les molécules amphipathiques hydrosolubles formées à partir du cholestérol dans l’hépatocyte. En plus de leur rôle dans l’homéostasie du cholestérol, les acides biliaires sont également des détergents fonctionnels qui induisent l’écoulement de la bile et transportent les lipides sous forme de micelles mixtes dans les voies biliaires et l’intestin grêle. Les fonctions des acides biliaires dans la santé et les dysfonctionnements dans la maladie sont au centre de cet article.

La bile comme fluide sécrétoire et excréteur.

La bile, un fluide sécrété par le foie dans l’intestin chez les vertébrés, est à la fois un fluide digestif et un fluide excréteur. En tant que fluide digestif, la bile contient des acides biliaires, puissants tensioactifs digestifs qui favorisent l’absorption des lipides. En tant que fluide excréteur, la bile contient des substances qui ne peuvent pas être éliminées efficacement dans l’urine parce qu’elles sont insolubles ou liées aux protéines. Il s’agit non seulement des acides biliaires (qui ne sont pas seulement des surfactants digestifs mais aussi des produits finaux du métabolisme du cholestérol), de la bilirubine (produit final du métabolisme de l’hème), du cholestérol (dérivé d’une synthèse supérieure aux besoins de l’organisme) et des métaux lourds tels que le fer et le cuivre (dérivés d’une absorption supérieure aux besoins de l’organisme). La sécrétion biliaire constitue également une voie d’excrétion pour les stéroïdes lipophiles et les métabolites de médicaments. La bile a également une forte concentration de phospholipides, qui consistent principalement en phosphatidylcholine (PC) et qui forment des micelles mixtes avec les acides biliaires. Ces micelles mixtes contiennent des microdomaines amphipathiques qui peuvent solubiliser le cholestérol. La formation de micelles mixtes réduit également l’activité monomérique des acides biliaires et empêche leur destruction de la membrane apicale des cellules épithéliales biliaires. L’IgA, une immunoglobuline, et le mucus sont sécrétés dans la bile, où leur rôle est d’empêcher la croissance et l’adhésion des bactéries. Enfin, la bile contient du tocophérol, qui peut prévenir les dommages oxydatifs de l’épithélium biliaire et de l’intestin grêle (5).

Métabolisme des acides biliaires.

Les acides biliaires sont formés dans les hépatocytes péricentraux à partir du cholestérol par un processus multienzyme. Dans la biosynthèse des acides biliaires en C24 (qui sont présents chez la plupart des vertébrés), la chaîne latérale du cholestérol subit un clivage oxydatif entraînant la conversion d’une fraction isooctane en une fraction acide isopentanoïque. Un ou deux groupes hydroxyle sont ajoutés au noyau. Bien que le schéma d’hydroxylation varie entre les espèces, l’hydroxylation est toujours sur une face de la molécule, et le produit final a invariablement une face hydrophobe et une face hydrophile, résultant en une molécule amphipathique.

La composition des molécules d’acides biliaires qui circulent est souvent complexe et dépasse le cadre de cet article. La complexité résulte du fait que les acides biliaires circulants ont deux entrées. La première entrée est constituée des acides biliaires formés à partir du cholestérol dans l’hépatocyte ; ils sont appelés acides biliaires primaires et sont généralement constitués d’au moins deux acides biliaires. La seconde entrée est constituée des acides biliaires formés par les bactéries du côlon par élimination du groupe hydroxy en C-7. Ces acides biliaires sont appelés acides biliaires secondaires. Ils sont absorbés par le côlon et circulent avec les acides biliaires primaires. La bile est donc un mélange d’acides biliaires primaires formés dans l’hépatocyte et d’acides biliaires secondaires formés dans le côlon. Tous les acides biliaires, primaires ou secondaires, qui sont sécrétés dans la bile sont conjugués avec de la glycine ou de la taurine. Une telle conjugaison augmente la solubilité aqueuse à pH acide, augmente la résistance à la précipitation par le Ca2+ et rend les acides biliaires imperméables aux membranes cellulaires (7, 8).

Amélioration de l’absorption des lipides alimentaires par les acides biliaires.

Les triglycérides alimentaires sont hydrolysés par la lipase pancréatique en molécules d’acides gras et de 2-monoglycérides qui sont insolubles à pH physiologique. La capacité des acides biliaires à solubiliser efficacement ces produits de la lipolyse est connue depuis près d’un siècle, et la découverte que cette solubilisation pouvait être expliquée par la formation de micelles mixtes était une superbe application des concepts de la science des colloïdes à un processus physiologique. Des travaux récents utilisant la diffusion des neutrons indiquent que les micelles mixtes de la bile (contenant des acides biliaires, du PC et du cholestérol) et du contenu de l’intestin grêle (contenant des acides biliaires, des acides gras et des monoglycérides) ont un arrangement moléculaire identique. Dans les deux types de micelles, la forme de l’agrégat polymoléculaire est cylindrique. Les lipides polaires sont disposés radialement avec leurs têtes hydrophiles tournées vers l’extérieur, vers la phase aqueuse. Les molécules d’acide biliaire sont disposées perpendiculairement entre leurs têtes polaires. La face hydrophobe de la molécule d’acide biliaire repose comme un coin entre les têtes des chaînes alkyle des molécules de PC (ou d’acide gras) ; la face hydrophile de la molécule d’acide biliaire est tournée vers l’environnement aqueux (4). La transformation des bicouches ou des vésicules lipidiques en micelles mixtes par les acides biliaires est illustrée à la figure 2.

Dans l’intestin grêle, la solubilisation micellaire augmente la concentration aqueuse des acides gras et des monoglycérides par un facteur de ~1 000. La micelle mixte diffuse plus lentement que les monomères, mais la concentration aqueuse fortement augmentée par la formation de micelles accélère la diffusion par un facteur d’au moins 100. Ceci est important car l’absorption des acides gras par l’entérocyte est si rapide que la diffusion devient un facteur limitant dans le processus global d’absorption (8). Une digestion et une absorption efficaces des graisses sont particulièrement importantes chez le nourrisson, chez qui les graisses constituent une source majeure de calories.

Les acides biliaires ne solubilisent pas les lipides alimentaires sous forme de micelles mixtes à moins que les acides biliaires ne soient au-dessus d’une concentration critique, appelée concentration critique de micellisation. La concentration relativement élevée d’acides biliaires dans la lumière de l’intestin grêle pendant la digestion est le résultat de plusieurs facteurs. Premièrement, les acides biliaires conjugués sont des acides forts qui sont entièrement ionisés au pH intestinal et sont donc imperméables aux membranes cellulaires, et la molécule d’acide biliaire est trop grosse pour passer à travers les jonctions paracellulaires. Deuxièmement, la conservation efficace des acides biliaires par l’absorption active (médiée par un transporteur) à partir de l’intestin grêle donne lieu à un pool d’acides biliaires qui se renouvelle plusieurs fois à chaque repas. (Ce mouvement des molécules des voies biliaires vers l’intestin grêle, puis vers le foie, suivi d’une resécrétion dans la bile, est appelé circulation entéro-hépatique). La circulation entérohépatique des acides biliaires fournit un flux important de molécules tensioactives qui dépasse largement la vitesse à laquelle les acides biliaires sont synthétisés à partir du cholestérol. Par exemple, la sécrétion d’acides biliaires lors d’un repas est en moyenne de 5 mmol/h. La synthèse des acides biliaires à partir du cholestérol est de ~0,02 mmol/h. Le dernier facteur contribuant à la concentration luminale élevée d’acides biliaires est la concentration extrêmement élevée de bile de la vésicule biliaire (jusqu’à 300 mM), au moins chez les espèces qui ont une vésicule biliaire. La concentration élevée de la bile de la vésicule biliaire est le résultat de l’élimination de l’eau par l’épithélium de la vésicule biliaire lorsque la bile est stockée dans la vésicule biliaire.

L’important pool de recyclage des acides biliaires remplit donc une fonction de transport des lipides à la fois dans les voies biliaires et dans l’intestin grêle. Dans la bile, la fonction de transport de la micelle « excrétrice » (acides biliaires, PC et cholestérol) contribue à l’excrétion du cholestérol et d’autres molécules lipophiles. Dans le contenu de l’intestin grêle, la micelle « absorbante » aide à l’absorption des triglycérides et des vitamines liposolubles. Les deux types de micelles peuvent fixer des cations polyvalents et favoriser leur transport.

Fonctions des acides biliaires dans le foie et les voies biliaires.

L’important pool de recyclage des acides biliaires a également des fonctions au sein de l’hépatocyte. Les acides biliaires revenant de l’intestin sont efficacement éliminés du sang veineux portal par l’hépatocyte. L’extraction de premier passage dépend de la structure de l’acide biliaire, mais pour tous les acides biliaires, elle dépasse 60 %. L’absorption est médiée par des protéines porteuses basolatérales qui sont maintenant caractérisées au niveau moléculaire (10). Après absorption, les acides biliaires ne restent pas dans l’hépatocyte mais sont rapidement pompés dans le canalicule biliaire par un transporteur canaliculaire activé par l’ATP qui a été récemment cloné (2). Le transport à travers la membrane canaliculaire est extraordinairement concentratif, car on pense que la concentration monomérique des acides biliaires dans l’hépatocyte est de 1-2 μM alors que celle de la bile canaliculaire est d’au moins 1 000 μM. Les acides biliaires sont pompés dans l’espace canaliculaire, qui est semi-perméable. En raison des effets osmotiques des concentrations transitoirement élevées d’acides biliaires, l’eau et les ions filtrables s’écoulent dans l’espace canaliculaire, principalement via les jonctions paracellulaires. C’est ainsi que la bile canaliculaire est générée. (La théorie osmotique de la formation de la bile a été proposée il y a environ soixante ans par Ivor Sperber et a été confirmée par de multiples lignes de preuves expérimentales ; le mécanisme de formation de la bile est identique au mécanisme de pompage de la pompe d’Alza.)

Les canalicules, qui ont une extrémité aveugle dans la région péricentrale du lobule hépatique, sont entourés d’une spirale de microfilaments d’actine. Ceux-ci se contractent, entraînant la bile canaliculaire vers les canaux biliaires et initiant le flux biliaire. Après avoir induit le flux biliaire dans la lumière canaliculaire, les acides biliaires induisent également la sécrétion de lipides biliaires en s’adsorbant sur les molécules de PC qui ont été transportées à travers la membrane canaliculaire par une PC- » flippase  » (11). Les molécules de PC forment des bulles vésiculaires qui bourgeonnent à partir de la face luminale de la membrane canaliculaire, l’énergie nécessaire à la formation des vésicules étant peut-être fournie par les contractions canaliculaires. Les acides biliaires s’adsorbent sur ces vésicules, les détachant de la face luminale de la membrane canaliculaire (11). Au fur et à mesure que la bile s’écoule dans les voies biliaires, les vésicules sont transformées en micelles mixtes par l’adsorption continue des molécules d’acide biliaire. La manière dont le cholestérol est transporté dans la bile canaliculaire reste mal comprise. La conversion des vésicules en micelles mixtes par les acides biliaires est illustrée dans la figure 3.

Environ la moitié de la bile sécrétée par le foie entre dans la vésicule biliaire, où elle est concentrée par un facteur de trois à six. Pendant le stockage et la concentration dans la vésicule biliaire, l’eau et les électrolytes sont éliminés et la bile est acidifiée par échange de Na+/H+. Lors d’un repas, la vésicule biliaire se contracte, le sphincter d’Oddi se relâche sous l’effet de stimuli neurohormonaux, et la bile pénètre dans l’intestin grêle. Le PC est hydrolysé et absorbé ; le cholestérol précipite de la solution, ce qui favorise son élimination. Les acides biliaires forment maintenant des micelles mixtes avec les acides gras et les monoglycérides. La micelle excrétrice est devenue une micelle absorbante.

Transport des acides biliaires.

La circulation entéro-hépatique implique donc un transport transcellulaire des molécules d’acides biliaires, médié par des transporteurs membranaires, et un flux inter-organes, médié par la motilité intestinale et le flux sanguin. Le transport membranaire vectoriel se produit dans l’hépatocyte et l’entérocyte iléal, et le flux interorganique se produit dans la veine porte et la circulation systémique, la voie biliaire et l’intestin grêle.

Les pompes chimiques présentes dans l’hépatocyte ont déjà été décrites. La preuve de la présence d’un système de transport actif dans l’entérocyte iléal a été fournie par Lack et Weiner, qui ont montré, en utilisant des sacs intestinaux éversés, que les acides biliaires conjugués se déplacent vers le haut d’une manière Na+-dépendante. Récemment, les travaux de Dawson et de ses collègues (1) ont conduit au clonage du cotransporteur Na+-acide biliaire présent dans la membrane apicale de l’entérocyte iléal. Le transporteur d’acide biliaire iléal partage une homologie avec le transporteur d’acide biliaire Na+-dépendant de l’hépatocyte situé dans la membrane sinusoïdale mais est une protéine différente. La sortie des acides biliaires de l’entérocyte iléal à travers la membrane basolatérale et dans le sang veineux portal implique une deuxième protéine transporteuse avec des produits échangeurs d’anions qui reste mal caractérisée.

La circulation entéro-hépatique des acides biliaires est sous contrôle homéostatique à la fois au niveau de l’hépatocyte, en ce qui concerne la biosynthèse des acides biliaires, et de l’entérocyte iléal, en ce qui concerne le transport des acides biliaires. Au niveau de l’hépatocyte, une diminution du retour des acides biliaires vers l’hépatocyte est suivie d’une augmentation de la biosynthèse des acides biliaires ; le signal semble être la concentration intracellulaire des acides biliaires. Normalement, la synthèse des acides biliaires est régulée à la baisse. Avec l’interruption de la circulation entéro-hépatique, la biosynthèse des acides biliaires augmente jusqu’à 15 fois. Comme les acides biliaires sont dérivés du cholestérol, l’augmentation de la biosynthèse des acides biliaires doit s’accompagner d’une quantité équivalente de biosynthèse du cholestérol.

L’homéostasie au niveau des entérocytes iléaux n’est pas bien comprise. Il existe des preuves convaincantes d’une rétroaction négative (diminution du transport en cas d’augmentation de la charge) chez le hamster et le cobaye ; la rétroaction négative du transport iléal est également présente chez l’homme, car la sécrétion d’acides biliaires n’augmente pas en cas d’alimentation en acides biliaires.

Le mauvais

Rétention inappropriée des acides biliaires et métabolisme du cholestérol.

L’utilité physiologique de la circulation entérohépatique des acides biliaires fascine les physiologistes depuis des siècles. Borelli, le légendaire physiologiste animalier, a prédit l’existence de la circulation entéro-hépatique au 17ème siècle. La preuve expérimentale de la circulation entérohépatique a attendu les études menées sur le chien atteint de fistule biliaire en 1870 par Moritz Schiff à Genève. (Schiff avait été contraint d’abandonner son laboratoire de Florence, en Italie, et de fuir en Suisse après avoir été jugé par des antivivisectionnistes ; lors de son procès, il a défendu avec éloquence la nécessité et la justification morale de l’expérimentation animale.)

L’idée que les acides biliaires conjugués étaient des molécules détergentes fonctionnelles qui solubilisaient les lipides, favorisant ainsi leur absorption, était bien acceptée par les physiologistes il y a un demi-siècle, même si la formation de micelles mixtes n’avait pas encore été décrite. La circulation entéro-hépatique était considérée comme une adaptation physiologique extraordinaire qui rendait un flux important de molécules détergentes disponibles pour la digestion avec des exigences minimales de biosynthèse. Cependant, cette vision selon laquelle la circulation entéro-hépatique efficace était « bonne » pour l’organisme a été modifiée au cours de la dernière décennie, en grande partie grâce aux progrès réalisés dans la compréhension du métabolisme du cholestérol et des lipoprotéines. Il semble maintenant de plus en plus probable que la conservation intestinale efficace des acides biliaires ait aussi un aspect « mauvais ». Brown et Goldstein, dans leurs travaux précurseurs sur le récepteur des lipoprotéines de basse densité (LDL), ont souligné qu’une altération de la fonction de ce récepteur provoquait l’hypercholestérolémie. La régulation positive de ce récepteur pourrait être obtenue en augmentant la demande de cholestérol de l’hépatocyte, car ce dernier semble défendre l’homéostasie du cholestérol à tout prix. Ils ont noté que les séquestrants des acides biliaires induisaient la biosynthèse des acides biliaires et du cholestérol, ce qui à son tour régulait à la hausse l’activité des récepteurs des LDL. Ainsi, chez l’adulte, la conservation intestinale efficace des acides biliaires peut être considérée comme mauvaise dans la mesure où elle régule à la baisse la biosynthèse du cholestérol et l’activité des récepteurs LDL, ce qui entraîne à son tour des taux plasmatiques de cholestérol LDL plus élevés.

Même avant l’élégante description de Brown et Goldstein, les sociétés pharmaceutiques avaient identifié le transport actif des acides biliaires par l’iléon comme un processus physiologique qui devrait être ciblé pour traiter l’hypercholestérolémie. Le premier agent, la cholestyramine, séquestrant des acides biliaires, a provoqué une multiplication par trois de la biosynthèse du cholestérol et des acides biliaires et a abaissé les taux plasmatiques de cholestérol LDL. Bien que la cholestyramine se soit avérée sûre et efficace pour la prévention des événements coronariens chez les patients atteints d’hypercholestérolémie familiale, elle n’est pas largement utilisée en raison d’effets secondaires indésirables tels que la constipation. Des séquestrants plus puissants et présentant moins d’effets secondaires sont en cours de développement. Une deuxième approche consiste à synthétiser des inhibiteurs du cotransporteur Na+-acide biliaire présent sur la membrane apicale des entérocytes iléaux. Il a été démontré que de tels agents inhibent l’absorption des acides biliaires, abaissent le cholestérol plasmatique et diminuent l’athérosclérose chez le lapin Watanabe nourri au cholestérol et connu pour avoir des récepteurs LDL défectueux (13).

Les vilains

Les acides biliaires comme agents cytotoxiques.

Les propriétés amphipathiques des acides biliaires qui font qu’ils sont de si puissants solubilisateurs des lipides membranaires sont également responsables du fait que les acides biliaires sont cytotoxiques lorsqu’ils sont présents à des concentrations anormalement élevées, que ce soit au niveau intracellulaire ou extracellulaire. Les effets cytotoxiques des acides biliaires peuvent provoquer des symptômes pénibles, voire la mort. C’est le côté « laid » des acides biliaires.

Cytotoxicité causée par une augmentation des concentrations intracellulaires d’acides biliaires.

Dans l’hépatocyte sain, l’absorption des acides biliaires à travers la membrane basolatérale et l’exportation via la pompe d’exportation canaliculaire sont étroitement couplées. Ce couplage efficace, associé à la présence de protéines de liaison dans le cytosol, permet de maintenir les concentrations monomériques d’acides biliaires au sein de l’hépatocyte à des concentrations extrêmement faibles, <3 μM. Lorsque l’exportation canaliculaire est défectueuse, soit en raison d’un défaut inné ou acquis du transport canaliculaire, soit en cas d’obstruction physique du flux biliaire, les acides biliaires s’accumulent dans l’hépatocyte. Lorsque leur concentration dépasse la capacité de liaison des protéines de liaison, les acides biliaires induisent l’apoptose et la nécrose, probablement par des dommages aux mitochondries (14). Chez les patients atteints de maladie hépatique cholestatique, l’étendue des dommages hépatocytaires causés par l’accumulation intracellulaire d’acides biliaires peut être diminuée par l’ingestion d’un acide biliaire non toxique (ursodiol), qui s’accumule dans le pool d’acides biliaires circulants et diminue la cytotoxicité du mélange d’acides biliaires circulant dans l’hépatocyte (12).

Certaines erreurs innées de biosynthèse des acides biliaires entraînent une synthèse accrue des précurseurs des acides biliaires. Ceux-ci s’accumulent dans l’hépatocyte car ils ne sont pas des substrats pour la pompe d’exportation canaliculaire et provoquent la mort de l’hépatocyte. Les nourrissons atteints de ces pathologies extrêmement rares développent une jaunisse progressive après la naissance. Le diagnostic est généralement établi par identification par spectrométrie de masse des intermédiaires dans l’urine ou le plasma. Le traitement avec des acides biliaires naturels supprime la synthèse des intermédiaires toxiques, induit un flux biliaire normal, restaure la concentration des acides biliaires dans l’intestin grêle et permet de sauver la vie.

En principe, les acides biliaires devraient s’accumuler dans l’entérocyte iléal lorsque le transport basolatéral est altéré, et cette accumulation devrait provoquer la mort de l’entérocyte. Cependant, cette situation n’a pas encore été induite expérimentalement ou identifiée cliniquement.

Cytotoxicité causée par des concentrations extracellulaires accrues d’acides biliaires.

En bonne santé, une conservation iléale efficace, associée à une modification bactérienne rapide des acides biliaires entrant dans le côlon, fait que la concentration aqueuse d’acides biliaires dans le contenu colique est assez faible, <1 mM. Lorsque le transport iléal des acides biliaires est défectueux, soit en raison d’une absence congénitale du transporteur iléal des acides biliaires, soit en raison d’une résection iléale ou d’une maladie, une augmentation compensatoire de la biosynthèse hépatique se produit, et une quantité considérablement accrue d’acides biliaires passe dans le côlon. La concentration intraluminale élevée induit une sécrétion d’électrolytes et d’eau, qui se manifeste cliniquement par une diarrhée. L’administration de séquestrants des acides biliaires abaisse la concentration intraluminale élevée d’acides biliaires et apporte un bénéfice symptomatique (6).

États de carence en acides biliaires.

Une carence en acides biliaires dans l’intestin se produit lorsque la circulation entéro-hépatique des acides biliaires est obstruée ou lorsqu’elle est interrompue par une altération de la conservation intestinale. Si la malabsorption des acides biliaires est suffisamment grave, l’augmentation compensatoire de la biosynthèse des acides biliaires est insuffisante pour rétablir la sécrétion des acides biliaires dans l’intestin. (Chez l’homme, le foie ne peut augmenter sa synthèse d’acides biliaires que d’environ 15 fois. Le taux maximal de biosynthèse des acides biliaires est de ~6 g/jour, ce qui représente moins de la moitié du taux de sécrétion quotidien normal des acides biliaires). La diminution de la sécrétion d’acides biliaires entraîne une solubilisation micellaire défectueuse des lipides alimentaires, ce qui contribue à la malabsorption des lipides chez ces patients. Si des acides biliaires conjugués sont administrés par voie orale, la solubilisation micellaire est restaurée et l’absorption des lipides s’en trouve améliorée. L’utilité clinique d’une telle thérapie de remplacement des acides biliaires conjugués est en train d’être testée (3).

Conclusion

L’élucidation du métabolisme, de la circulation entéro-hépatique et des fonctions des acides biliaires ainsi que des perturbations de ces processus dans la maladie a impliqué un effort multidisciplinaire allant de la biochimie physique aux essais cliniques. À mon avis, ces efforts ont été dans les meilleures traditions de la physiologie intégrative.

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