Acidi biliari: il buono, il cattivo e il brutto

Nei vertebrati, l’equilibrio del colesterolo si ottiene modulando sia la sintesi che l’escrezione. L’escrezione del colesterolo è mediata dagli acidi biliari, le molecole anfipatiche solubili in acqua formate dal colesterolo nell’epatocita. Oltre al loro ruolo nell’omeostasi del colesterolo, gli acidi biliari sono anche detergenti funzionali che inducono il flusso biliare e trasportano i lipidi come micelle miste nel tratto biliare e nell’intestino tenue. Le funzioni degli acidi biliari nella salute e le disfunzioni nella malattia sono al centro di questo articolo.

La bile come fluido secretorio ed escretorio.

La bile, un fluido secreto dal fegato nell’intestino nei vertebrati, è sia un fluido digestivo che escretorio. Come fluido digestivo, la bile contiene acidi biliari, potenti tensioattivi digestivi che promuovono l’assorbimento dei lipidi. Come fluido escretore, la bile contiene sostanze che non possono essere eliminate efficacemente nelle urine perché sono insolubili o legate alle proteine. Queste includono non solo gli acidi biliari (che non sono solo tensioattivi digestivi, ma anche prodotti finali del metabolismo del colesterolo), la bilirubina (il prodotto finale del metabolismo dell’eme), il colesterolo (derivato dalla sintesi superiore alle esigenze del corpo), e metalli pesanti come il ferro e il rame (derivati dall’assorbimento superiore alle esigenze del corpo). La secrezione biliare fornisce anche una via escretrice per gli steroidi lipofili e i metaboliti dei farmaci. La bile ha anche un’alta concentrazione di fosfolipidi, che consistono principalmente di fosfatidilcolina (PC) e che formano micelle miste con gli acidi biliari. Queste micelle miste contengono microdomini anfipatici che possono solubilizzare il colesterolo. La formazione di micelle miste abbassa anche l’attività monomerica degli acidi biliari e previene la loro distruzione della membrana apicale delle cellule epiteliali biliari. Le IgA, un’immunoglobulina, e il muco sono secreti nella bile, dove il loro ruolo è quello di prevenire la crescita e l’adesione dei batteri. Infine, la bile contiene tocoferolo, che può prevenire i danni ossidativi all’epitelio biliare e intestinale (5).

Metabolismo degli acidi biliari.

Gli acidi biliari sono formati negli epatociti pericentrali dal colesterolo mediante un processo multienzimatico. Nella biosintesi degli acidi biliari C24 (che sono presenti nella maggior parte dei vertebrati), la catena laterale del colesterolo subisce una scissione ossidativa che porta alla conversione di una parte isoottanica in una parte di acido isopentanoico. Uno o due gruppi idrossilici vengono aggiunti al nucleo. Anche se il modello di idrossilazione varia tra le specie, l’idrossilazione è sempre su una faccia della molecola, e il prodotto finale ha invariabilmente una faccia idrofoba e una faccia idrofila, risultando in una molecola anfipatica.

La composizione delle molecole di acido biliare che circolano è spesso complessa e va oltre lo scopo di questo articolo. La complessità deriva dal fatto che gli acidi biliari circolanti hanno due ingressi. Il primo ingresso è costituito dagli acidi biliari formati dal colesterolo nell’epatocita; questi sono chiamati acidi biliari primari e di solito consistono di almeno due acidi biliari. Il secondo ingresso consiste in acidi biliari formati da batteri nel colon mediante rimozione del gruppo idrossi a C-7. Tali acidi biliari sono chiamati acidi biliari secondari. Questi vengono assorbiti dal colon e circolano insieme agli acidi biliari primari. La bile è quindi una miscela di acidi biliari primari formati nell’epatocita e di acidi biliari secondari formati nel colon. Tutti gli acidi biliari, sia primari che secondari, che vengono secreti nella bile sono coniugati con glicina o taurina. Tale coniugazione aumenta la solubilità acquosa a pH acido, aumenta la resistenza alla precipitazione da Ca2+ e rende gli acidi biliari impermeabili alle membrane cellulari (7, 8).

Miglioramento dell’assorbimento dei lipidi alimentari da parte degli acidi biliari.

Il trigliceride alimentare viene idrolizzato dalla lipasi pancreatica in acido grasso e molecole di 2-monogliceridi che sono insolubili a pH fisiologico. La capacità degli acidi biliari di solubilizzare questi prodotti della lipolisi in modo efficiente è nota da quasi un secolo, e la scoperta che tale solubilizzazione potrebbe essere spiegata dalla formazione di micelle miste è stata una superba applicazione dei concetti della scienza dei colloidi a un processo fisiologico. Un lavoro recente che utilizza la diffusione dei neutroni indica che le micelle miste della bile (contenenti acidi biliari, PC e colesterolo) e del piccolo contenuto intestinale (contenenti acidi biliari, acidi grassi e monogliceridi) hanno una disposizione molecolare identica. In entrambi i tipi di micelle, la forma dell’aggregato polimolecolare è cilindrica. I lipidi polari sono disposti radialmente con le loro teste idrofile rivolte all’esterno verso la fase acquosa. Le molecole di acido biliare sono disposte perpendicolarmente tra le loro teste polari. La faccia idrofoba della molecola di acido biliare poggia come un cuneo tra le teste delle catene alchiliche delle molecole di PC (o acido grasso); la faccia idrofila della molecola di acido biliare è rivolta verso l’ambiente acquoso (4). La trasformazione di bilayer o vescicole lipidiche in micelle miste da parte degli acidi biliari è illustrata in Fig. 2.

Nell’intestino tenue, la solubilizzazione micellare aumenta la concentrazione acquosa di acidi grassi e monogliceridi di un fattore di ~ 1.000. La micella mista si diffonde più lentamente dei monomeri, ma la concentrazione acquosa notevolmente aumentata causata dalla formazione della micella accelera la diffusione di un fattore di almeno 100. Questo è importante perché l’assorbimento degli acidi grassi da parte dell’enterocita è così rapido che la diffusione diventa limitante nel processo di assorbimento generale (8). Una digestione e un assorbimento efficienti dei grassi sono particolarmente importanti nel neonato che allatta, in cui il grasso è una delle principali fonti di calorie.

Gli acidi biliari non solubilizzano i lipidi alimentari sotto forma di micelle miste a meno che gli acidi biliari siano al di sopra di una concentrazione critica, definita concentrazione critica di micellizzazione. La concentrazione relativamente alta di acidi biliari nel piccolo lume intestinale durante la digestione è il risultato di diversi fattori. In primo luogo, gli acidi biliari coniugati sono acidi forti che sono completamente ionizzati a pH intestinale e sono quindi impermeabili alle membrane cellulari, e la molecola di acido biliare è troppo grande per passare attraverso le giunzioni paracellulari. In secondo luogo, l’efficiente conservazione degli acidi biliari attraverso l’assorbimento attivo (mediato dal trasportatore) dall’intestino tenue si traduce in un pool di acidi biliari che cicla più volte ad ogni pasto. (Questo movimento di molecole dalle vie biliari all’intestino tenue e di nuovo al fegato seguito dalla risecrezione nella bile è chiamato circolazione enteroepatica). La circolazione enteroepatica degli acidi biliari fornisce un grande flusso di molecole tensioattive che supera notevolmente la velocità con cui gli acidi biliari sono sintetizzati dal colesterolo. Per esempio, la secrezione di acidi biliari con un pasto ha una media di 5 mmol/h. La sintesi degli acidi biliari dal colesterolo è ~0,02 mmol/h. L’ultimo fattore che contribuisce all’alta concentrazione luminale degli acidi biliari è l’altissima concentrazione di bile della cistifellea (fino a 300 mM), almeno in quelle specie che hanno la cistifellea. L’alta concentrazione della bile della cistifellea è il risultato della rimozione dell’acqua da parte dell’epitelio della cistifellea quando la bile è immagazzinata nella cistifellea.

Il grande pool di riciclaggio degli acidi biliari serve quindi una funzione di trasporto dei lipidi sia nel tratto biliare che nell’intestino tenue. Nella bile, la funzione di trasporto della micella “escretrice” (acidi biliari, PC e colesterolo) contribuisce all’escrezione del colesterolo e di altre molecole lipofile. Nel piccolo intestino, la micella “assorbente” aiuta nell’assorbimento dei trigliceridi e delle vitamine liposolubili. Entrambi i tipi di micelle possono legare cationi polivalenti e promuovere il loro trasporto.

Funzioni degli acidi biliari nel fegato e nelle vie biliari.

Il grande pool di riciclaggio degli acidi biliari ha anche funzioni nell’epatocita. Gli acidi biliari di ritorno dall’intestino sono rimossi in modo efficiente dall’epatocita dal sangue venoso portale. L’estrazione di primo passaggio dipende dalla struttura dell’acido biliare, ma per tutti gli acidi biliari supera il 60%. L’assorbimento è mediato da proteine carrier basolaterali che sono ora caratterizzate a livello molecolare (10). Dopo l’assorbimento, gli acidi biliari non rimangono nell’epatocita ma vengono rapidamente pompati nel canalicolo biliare da un trasportatore canalicolare alimentato da ATP che è stato recentemente clonato (2). Il trasporto attraverso la membrana canalicolare è straordinariamente concentrativo, perché la concentrazione monomerica degli acidi biliari nell’epatocita si pensa sia 1-2 μM mentre quella della bile canalicolare è almeno 1.000 μM. Gli acidi biliari sono pompati nello spazio canalicolare, che è semipermeabile. Come risultato degli effetti osmotici delle concentrazioni transitoriamente elevate di acidi biliari, l’acqua e gli ioni filtrabili fluiscono nello spazio canalicolare, soprattutto attraverso le giunzioni paracellulari. In questo modo si genera la bile canalicolare. (La teoria osmotica della formazione della bile è stata proposta circa sessant’anni fa da Ivor Sperber ed è stata confermata da molteplici linee di prove sperimentali; il meccanismo di formazione della bile è identico al meccanismo di pompaggio della pompa di Alza.)

I canaliculi, che hanno un’estremità cieca nella regione pericentrale del lobulo epatico, sono circondati da una spirale di microfilamenti di actina. Questi si contraggono, guidando la bile canalicolare verso i dotti biliari e iniziando il flusso della bile. Dopo aver indotto il flusso della bile nel lume canalicolare, gli acidi biliari inducono anche la secrezione di lipidi biliari adsorbendo le molecole di PC che sono state trasportate attraverso la membrana canalicolare da una PC-“flippasi” (11). Le molecole di PC formano bolle vescicolari che nascono dalla faccia luminale della membrana canalicolare; l’energia per la formazione delle vescicole è forse fornita dalle contrazioni canalicolari. Gli acidi biliari si adsorbono a queste vescicole, staccandole dalla faccia luminale della membrana canalicolare (11). Mentre la bile scorre lungo le vie biliari, le vescicole sono convertite in micelle miste dal continuo assorbimento di molecole di acido biliare. Il modo in cui il colesterolo viene trasportato nella bile canalicolare rimane poco compreso. La conversione delle vescicole in micelle miste da parte degli acidi biliari è mostrata in Fig. 3.

Circa la metà della bile secreta dal fegato entra nella cistifellea, dove viene concentrata per un fattore da tre a sei. Durante la conservazione e la concentrazione nella cistifellea, l’acqua e gli elettroliti vengono rimossi e la bile viene acidificata dallo scambio Na+/H+. Con un pasto, la cistifellea si contrae, lo sfintere di Oddi si rilassa sotto stimoli neuro-ormonali e la bile entra nell’intestino tenue. Il PC viene idrolizzato e assorbito; il colesterolo precipita dalla soluzione, migliorando la sua eliminazione. Gli acidi biliari ora formano micelle miste con acidi grassi e monogliceridi. La micella escretrice è diventata una micella assorbente.

Trasporto degli acidi biliari.

La circolazione enteroepatica coinvolge quindi il trasporto transcellulare delle molecole di acidi biliari, mediato da trasportatori di membrana, e il flusso interorganico, mediato dalla motilità intestinale e dal flusso sanguigno. Il trasporto di membrana vettoriale avviene nell’epatocita e nell’enterocita ileale, mentre il flusso interorganico avviene nella circolazione venosa portale e sistemica, nelle vie biliari e nell’intestino tenue.

Le pompe chimiche presenti nell’epatocita sono già state descritte. La prova della presenza di un sistema di trasporto attivo nell’enterocita ileale è stata fornita da Lack e Weiner, che hanno dimostrato, usando sacche intestinali estratte, che gli acidi biliari coniugati si muovono in salita in modo Na+-dipendente. Recentemente, il lavoro di Dawson e colleghi (1) ha portato alla clonazione del cotrasportatore Na+-acido biliare presente nella membrana apicale dell’enterocita ileale. Il trasportatore ileale di acido biliare condivide l’omologia con il trasportatore di acido biliare Na+-dipendente dell’epatocita situato nella membrana sinusoidale, ma è una proteina diversa. L’uscita degli acidi biliari dall’enterocita ileale attraverso la membrana basolaterale e nel sangue venoso portale coinvolge una seconda proteina carrier con prodotti di scambio anionico che rimane poco caratterizzata.

La circolazione enteroepatica degli acidi biliari è sotto controllo omeostatico sia a livello dell’epatocita, per quanto riguarda la biosintesi degli acidi biliari, che dell’enterocita ileale, per quanto riguarda il trasporto degli acidi biliari. A livello dell’epatocita, una diminuzione del ritorno degli acidi biliari all’epatocita è seguita da un aumento della biosintesi degli acidi biliari; il segnale sembra essere la concentrazione intracellulare degli acidi biliari. Normalmente, la sintesi degli acidi biliari è downregolata. Con l’interruzione della circolazione enteroepatica, la biosintesi degli acidi biliari aumenta fino a 15 volte. Poiché gli acidi biliari sono derivati dal colesterolo, l’aumento della biosintesi degli acidi biliari deve essere accompagnato da una quantità equivalente di biosintesi del colesterolo.

L’omeostasi a livello degli enterociti ileali non è ben compresa. Ci sono prove convincenti di un feedback negativo (diminuzione del trasporto con aumento del carico) nel criceto e nella cavia; il feedback negativo del trasporto ileale è presente anche nell’uomo, perché la secrezione di acido biliare non aumenta quando si somministrano acidi biliari.

Il male

Ritenzione inadeguata degli acidi biliari e metabolismo del colesterolo.

L’utilità fisiologica della circolazione enteroepatica degli acidi biliari ha affascinato i fisiologi per secoli. Borelli, il leggendario fisiologo animale, predisse l’esistenza della circolazione enteroepatica nel 17° secolo. La prova sperimentale della circolazione enteroepatica ha atteso gli studi sul cane con fistola biliare nel 1870 di Moritz Schiff a Ginevra. (Schiff era stato costretto ad abbandonare il suo laboratorio a Firenze, in Italia, e a fuggire in Svizzera dopo essere stato messo sotto processo dagli antivivisezionisti; al suo processo, fece una difesa eloquente della necessità e della giustificazione morale della sperimentazione animale.)

L’opinione che gli acidi biliari coniugati fossero molecole detergenti funzionali che solubilizzavano i lipidi, promuovendo così il loro assorbimento, era ben accettata dai fisiologi mezzo secolo fa anche se la formazione di micelle miste non era ancora stata descritta. La circolazione enteroepatica era considerata uno straordinario adattamento fisiologico che rendeva disponibile un grande flusso di molecole detergenti per la digestione con requisiti minimi di biosintesi. Tuttavia, questa visione che l’efficiente circolazione enteroepatica fosse “buona” per l’organismo è stata modificata nell’ultimo decennio, in gran parte come risultato dei progressi nella comprensione del colesterolo e del metabolismo delle lipoproteine. Ora sembra sempre più probabile che l’efficiente conservazione intestinale degli acidi biliari abbia anche un aspetto “cattivo”. Brown e Goldstein, nel loro lavoro seminale sul recettore delle lipoproteine a bassa densità (LDL), hanno sottolineato che la funzione compromessa di questo recettore ha causato ipercolesterolemia. L’aumento di questo recettore potrebbe essere ottenuto aumentando le richieste dell’epatocita per il colesterolo, perché l’epatocita sembra difendere l’omeostasi del colesterolo a tutti i costi. Hanno notato che i sequestranti degli acidi biliari hanno indotto la biosintesi degli acidi biliari e del colesterolo, che a sua volta ha regolato l’attività del recettore LDL. Così, nell’adulto, la conservazione intestinale efficiente degli acidi biliari può essere considerata negativa in quanto downregola la biosintesi del colesterolo e l’attività del recettore LDL, che a sua volta porta a livelli più alti di colesterolo LDL nel plasma.

Anche prima dell’elegante rappresentazione di Brown e Goldstein, le aziende farmaceutiche avevano identificato il trasporto attivo degli acidi biliari dall’ileo come un processo fisiologico che dovrebbe essere mirato per trattare l’ipercolesterolemia. Il primo agente, il sequestrante degli acidi biliari colestiramina, ha causato un aumento di tre volte della biosintesi del colesterolo e degli acidi biliari e ha abbassato i livelli di colesterolo LDL nel plasma. Anche se la colestiramina ha dimostrato di essere sicura ed efficace per la prevenzione di eventi coronarici in pazienti con ipercolesterolemia familiare, non è ampiamente utilizzata a causa di effetti collaterali indesiderati come la costipazione. Si stanno sviluppando sequestranti più potenti con meno effetti collaterali. Un secondo approccio è la sintesi di inibitori del cotrasportatore Na+-bile acido presente sulla membrana apicale degli enterociti ileali. Tali agenti hanno dimostrato di inibire l’assorbimento degli acidi biliari, di abbassare il colesterolo plasmatico e di diminuire l’aterosclerosi nel coniglio Watanabe alimentato con colesterolo, che è noto per avere recettori LDL difettosi (13).

Il brutto

Acidi biliari come agenti citotossici.

Le proprietà anfipatiche degli acidi biliari che li rendono così potenti solubilizzatori dei lipidi di membrana sono anche responsabili del fatto che gli acidi biliari sono citotossici quando sono presenti in concentrazioni anormalmente alte sia intracellulari che extracellulari. Gli effetti citotossici degli acidi biliari possono causare sintomi angoscianti o addirittura la morte. Questo è il lato “brutto” degli acidi biliari.

Citotossicità causata da un aumento delle concentrazioni intracellulari di acidi biliari.

Nell’epatocita sano, l’assorbimento degli acidi biliari attraverso la membrana basolaterale e l’esportazione attraverso la pompa di esportazione canalicolare sono strettamente accoppiati. Questo efficiente accoppiamento, insieme alla presenza di proteine di legame nel citosol, mantiene le concentrazioni monomeriche di acidi biliari nell’epatocita a concentrazioni estremamente basse, <3 μM. Quando l’esportazione canalicolare è difettosa a causa di un difetto innato o acquisito nel trasporto canalicolare o quando c’è un’ostruzione fisica al flusso biliare, gli acidi biliari si accumulano nell’epatocita. Quando la loro concentrazione supera la capacità di legame delle proteine leganti, gli acidi biliari inducono apoptosi e necrosi, probabilmente per danni ai mitocondri (14). Nei pazienti con malattia epatica colestatica, l’entità del danno epatocitario causato dall’accumulo intracellulare di acidi biliari può essere diminuito ingerendo un acido biliare non tossico (ursodiolo), che si accumula nel pool di acidi biliari circolanti e diminuisce la citotossicità della miscela di acidi biliari che circola attraverso l’epatocita (12).

Alcuni errori congeniti della biosintesi degli acidi biliari portano a una maggiore sintesi di precursori degli acidi biliari. Questi si accumulano all’interno dell’epatocita perché non sono substrati per la pompa di esportazione canalicolare e causano la morte dell’epatocita. I neonati con queste condizioni estremamente rare sviluppano un ittero progressivo dopo la nascita. La diagnosi è di solito fatta tramite identificazione spettrometrica di massa degli intermedi nelle urine o nel plasma. Il trattamento con acidi biliari naturali sopprime la sintesi degli intermedi tossici, induce un normale flusso biliare, ripristina la concentrazione di acidi biliari nell’intestino tenue ed è salvavita.

In linea di principio, gli acidi biliari dovrebbero accumularsi nell’enterocita ileale quando il trasporto basolaterale è compromesso, e tale accumulo dovrebbe causare la morte degli enterociti. Tuttavia, questa situazione non è stata ancora indotta sperimentalmente o identificata clinicamente.

Citotossicità causata da un aumento delle concentrazioni extracellulari di acidi biliari.

In salute, un’efficiente conservazione ileale, insieme alla rapida modifica batterica degli acidi biliari che entrano nel colon, fa sì che la concentrazione acquosa di acidi biliari nel contenuto del colon sia piuttosto bassa, <1 mM. Quando il trasporto ileale degli acidi biliari è difettoso, sia a causa di un’assenza congenita del trasportatore ileale degli acidi biliari sia a causa di una resezione ileale o di una malattia, si verifica un aumento compensativo della biosintesi epatica, e una quantità molto maggiore di acidi biliari passa nel colon. L’elevata concentrazione intraluminale induce la secrezione di elettroliti e acqua, che si manifesta clinicamente come diarrea. La somministrazione di sequestranti di acidi biliari abbassa l’elevata concentrazione intraluminale di acidi biliari e fornisce un beneficio sintomatico (6).

Stati di carenza di acidi biliari.

Una carenza di acidi biliari nell’intestino si verifica quando la circolazione enteroepatica degli acidi biliari è ostacolata o quando è interrotta da una conservazione intestinale compromessa. Se il malassorbimento degli acidi biliari è sufficientemente grave, l’aumento compensatorio della biosintesi degli acidi biliari non è sufficiente a ripristinare la secrezione di acidi biliari nell’intestino. (Nell’uomo, il fegato può aumentare la sua sintesi di acidi biliari solo di circa 15 volte. Il tasso massimo di biosintesi degli acidi biliari è di ~6 g/giorno, che è meno della metà del normale tasso di secrezione giornaliera di acidi biliari). La diminuzione della secrezione degli acidi biliari porta a una difettosa solubilizzazione micellare dei lipidi alimentari e ciò contribuisce al malassorbimento dei lipidi in questi pazienti. Se gli acidi biliari coniugati vengono somministrati per via orale, la solubilizzazione micellare viene ripristinata e si ottiene un migliore assorbimento dei lipidi. L’utilità clinica di tale terapia di sostituzione degli acidi biliari coniugati è in fase di test (3).

Conclusione

La spiegazione del metabolismo, della circolazione enteroepatica e delle funzioni degli acidi biliari, nonché dei disturbi di questi processi nella malattia ha comportato uno sforzo multidisciplinare che ha spaziato dalla biochimica fisica agli studi clinici. A mio parere, questi sforzi sono stati nelle migliori tradizioni della fisiologia integrativa.