Bile Acids: The Good, the Bad, and the Ugly

In gewervelde dieren wordt het cholesterol evenwicht bereikt door zowel de synthese als de uitscheiding te moduleren. De uitscheiding van cholesterol geschiedt door galzuren, de wateroplosbare amfipathische moleculen die in de hepatocyt uit cholesterol worden gevormd. Naast hun rol in de cholesterolhomeostase zijn galzuren ook functionele detergenten die de galstroom induceren en lipiden als gemengde micellen transporteren in het galwegenstelsel en de dunne darm. De functies van galzuren in gezondheid en disfuncties in ziekte zijn de focus van dit artikel.

Bile as a secretory and excretory fluid.

Bile, een vloeistof die bij gewervelde dieren door de lever in de darm wordt uitgescheiden, is zowel een verterings- als een excretievloeistof. Als spijsverteringsvloeistof bevat galzuren, krachtige digestieve oppervlakte-actieve stoffen die de vetopname bevorderen. Als uitscheidingsvloeistof bevat de gal stoffen die niet efficiënt via de urine kunnen worden uitgescheiden omdat zij onoplosbaar zijn of aan eiwitten zijn gebonden. Daartoe behoren niet alleen galzuren (die niet alleen oppervlakteactieve stoffen voor de spijsvertering zijn, maar ook eindproducten van het cholesterolmetabolisme), bilirubine (eindproduct van het heemmetabolisme), cholesterol (afkomstig van een synthese die de lichaamsbehoeften overschrijdt), en zware metalen zoals ijzer en koper (afkomstig van een absorptie die de lichaamsbehoeften overschrijdt). De galafscheiding vormt ook een uitscheidingsroute voor lipofiele steroïden en metabolieten van geneesmiddelen. Gal bevat ook een hoge concentratie fosfolipiden, die voornamelijk bestaan uit fosfatidylcholine (PC) en die gemengde micellen vormen met galzuren. Deze gemengde micellen bevatten amfipathische microdomeinen die cholesterol kunnen solubiliseren. De vorming van gemengde micellen verlaagt ook de monomere activiteit van galzuren en voorkomt dat zij het apicale membraan van de biliaire epitheelcellen vernietigen. IgA, een immunoglobuline, en slijm worden in de gal uitgescheiden, waar zij de groei en aanhechting van bacteriën moeten voorkomen. Tenslotte bevat gal tocoferol, dat oxidatieve schade aan het gal- en dunne darmepitheel kan voorkomen (5).

Galzuurmetabolisme.

Galzuren worden in de pericentrale hepatocyten gevormd uit cholesterol door middel van een multi-enzym proces. Bij de biosynthese van C24-galzuren (die in de meeste gewervelde dieren voorkomen) wordt de zijketen van cholesterol oxidatief gesplitst, waarbij een isooctaan-gedeelte wordt omgezet in een isopentaan-zuur-gedeelte. Een of twee hydroxylgroepen worden aan de kern toegevoegd. Hoewel het hydroxyleringspatroon per soort verschilt, vindt de hydroxylering altijd aan één zijde van het molecuul plaats en heeft het eindproduct onveranderlijk een hydrofoob en een hydrofiel vlak, waardoor een amfipathisch molecuul ontstaat.

De samenstelling van de galzuurmoleculen die circuleren is vaak complex en valt buiten het bestek van dit artikel. De complexiteit is het gevolg van het feit dat de circulerende galzuren twee ingangen hebben. De eerste input bestaat uit de galzuren die in de hepatocyt uit cholesterol worden gevormd; deze worden primaire galzuren genoemd en bestaan gewoonlijk uit ten minste twee galzuren. De tweede input bestaat uit galzuren die door bacteriën in de dikke darm worden gevormd door verwijdering van de hydroxigroep op C-7. Deze galzuren worden secundaire galzuren genoemd. Dergelijke galzuren worden secundaire galzuren genoemd. Deze worden uit de dikke darm geabsorbeerd en circuleren samen met de primaire galzuren. Gal is dus een mengsel van primaire galzuren die in de hepatocyten worden gevormd en secundaire galzuren die in de dikke darm worden gevormd. Alle galzuren, zowel de primaire als de secundaire, die in de gal worden uitgescheiden, worden geconjugeerd met glycine of taurine. Deze conjugatie verhoogt de oplosbaarheid in water bij zure pH, verhoogt de weerstand tegen neerslag door Ca2+, en maakt galzuren ondoordringbaar voor celmembranen (7, 8).

Verbetering van de vetopname via de voeding door galzuren.

Dieet-triglyceride wordt door pancreaslipase gehydrolyseerd tot vetzuur- en 2-monoglyceridemoleculen die onoplosbaar zijn bij fysiologische pH. Het vermogen van galzuren om deze lipolyseprodukten efficiënt op te lossen is al bijna een eeuw bekend, en de ontdekking dat deze oplosbaarheid kan worden verklaard door de vorming van gemengde micellen was een voortreffelijke toepassing van concepten uit de colloïdwetenschap op een fysiologisch proces. Recent werk met neutronenverstrooiing toont aan dat de gemengde micellen van gal (dat galzuren, PC, en cholesterol bevat) en van de dunne darminhoud (dat galzuren, vetzuren, en monoglyceride bevat) een identieke moleculaire rangschikking hebben. In beide typen micellen is de vorm van het polymoleculaire aggregaat cilindrisch. De polaire lipiden zijn radiaal gerangschikt met hun hydrofiele koppen naar buiten gericht in de richting van de waterige fase. De galzuurmoleculen zijn loodrecht geordend tussen hun polaire koppen. Het hydrofobe oppervlak van het galzuurmolecuul rust als een wig tussen de koppen van de alkylketens van de PC-moleculen (of vetzuurmoleculen); het hydrofiele oppervlak van het galzuurmolecuul is naar het waterige milieu gericht (4). De omvorming van lipidenbilayers of -blaasjes tot gemengde micellen door galzuren wordt geïllustreerd in Fig. 2.

In de dunne darm verhoogt micellaire oplosbaarheid de waterige concentratie van vetzuren en monoglyceriden met een factor van ~1.000. De gemengde micellen diffunderen langzamer dan monomeren, maar de sterk verhoogde waterige concentratie veroorzaakt door micelvorming versnelt de diffusie met een factor van minstens 100. Dit is belangrijk omdat de vetzuuropname door de enterocyt zo snel gaat dat diffusie snelheidsbeperkend wordt in het totale opnameproces (8). Efficiënte vetvertering en -absorptie is vooral belangrijk bij zuigelingen die borstvoeding krijgen, bij wie vet een belangrijke bron van calorieën is.

Bilezuren zullen voedingslipiden niet oplossen in de vorm van gemengde micellen, tenzij de galzuren boven een kritieke concentratie zijn, de zogenaamde kritieke micellisatieconcentratie. De relatief hoge concentratie van galzuren in het lumen van de dunne darm tijdens de spijsvertering is het gevolg van verschillende factoren. Ten eerste zijn geconjugeerde galzuren sterke zuren die bij de pH-waarde van de darm volledig geïoniseerd zijn en daardoor ondoordringbaar zijn voor celmembranen, en de galzuurmolecule is te groot om de paracellulaire verbindingen te passeren. Ten tweede resulteert een efficiënte conservering van galzuren door actieve (door dragers bemiddelde) absorptie uit de dunne darm in een pool van galzuren die bij elke maaltijd een aantal malen ronddraait. (Deze verplaatsing van moleculen van de galwegen naar de dunne darm en terug naar de lever, gevolgd door resecretie in gal, wordt de enterohepatische circulatie genoemd). De enterohepatische circulatie van galzuren levert een grote stroom van oppervlakteactieve moleculen op die de snelheid waarmee galzuren uit cholesterol worden gesynthetiseerd, ruim overschrijdt. Zo bedraagt de galzuurafscheiding bij een maaltijd gemiddeld 5 mmol/h. De synthese van galzuren uit cholesterol is ~0,02 mmol/h. De laatste factor die bijdraagt tot de hoge luminale concentratie van galzuren is de extreem hoge concentratie galblaasgal (tot 300 mM), althans bij die soorten die galblazen hebben. De hoge concentratie galblaasgal is het resultaat van waterverwijdering door het galblaasepitheel wanneer gal in de galblaas wordt opgeslagen.

De grote recyclingspool van galzuren vervult dus een lipidentransportfunctie in zowel het galwegstelsel als de dunne darm. In de gal helpt de transportfunctie van de “uitscheidende” micelle (galzuren, PC, en cholesterol) bij de uitscheiding van cholesterol en andere lipofiele moleculen. In de dunne darm helpt de “absorberende” micelle bij de absorptie van triglyceride en vetoplosbare vitaminen. Beide typen micellen kunnen polyvalente kationen binden en hun transport bevorderen.

Galzuurfuncties in de lever en het galwegenstelsel.

De grote recyclingpool van galzuren heeft ook functies binnen de hepatocyt. Galzuren die terugkeren uit de darm worden door de hepatocyt efficiënt uit het poortaderlijk bloed verwijderd. De first-pass extractie hangt af van de structuur van het galzuur, maar bedraagt voor alle galzuren meer dan 60%. De opname wordt gemedieerd door basolaterale transporteiwitten die nu op moleculair niveau worden gekarakteriseerd (10). Na de opname blijven de galzuren niet in de hepatocyt, maar worden zij snel in de biliaire canaliculus gepompt door een ATP-energetische canaliculaire transporter die onlangs is gekloond (2). Transport over het canaliculaire membraan is buitengewoon concentratief, omdat de monomere concentratie van galzuren in de hepatocyt verondersteld wordt 1-2 μM te zijn, terwijl die van canaliculaire gal minstens 1.000 μM is. Galzuren worden in de canaliculaire ruimte gepompt, die halfdoorlatend is. Als gevolg van de osmotische effecten van de tijdelijk verhoogde concentraties galzuren stromen water en filtreerbare ionen in de canaliculaire ruimte, meestal via de paracellulaire verbindingen. Op deze wijze wordt canaliculaire gal gegenereerd. (De osmotische theorie van de galvorming werd ongeveer zestig jaar geleden voorgesteld door Ivor Sperber en is bevestigd door meerdere lijnen van experimenteel bewijs; het mechanisme van de galvorming is identiek aan het pompmechanisme van de Alza-pomp.)

De canaliculi, die een blind uiteinde hebben in het pericentrale gebied van de leverkwab, zijn omgeven door een spiraal van actine microfilamenten. Deze trekken samen, drijven de canaliculaire gal naar de biliaire ductulen en brengen de galstroom op gang. Na het induceren van de galstroom in het canalvormige lumen, induceren galzuren ook de afscheiding van biliaire lipiden door adsorptie aan PC-moleculen die over het canalvormige membraan zijn getransporteerd door een PC-“flippase” (11). De PC-moleculen vormen blaasjes die ontkiemen aan het luminale vlak van de canaliculaire membraan, waarbij de energie voor de vorming van blaasjes wellicht wordt geleverd door de contracties van de canaliculaire membraan. Galzuren adsorberen aan deze blaasjes, waardoor ze loskomen van het luminale vlak van het canalïdale membraan (11). Naarmate de gal door de galwegen stroomt, worden de blaasjes omgezet in gemengde micellen door de voortdurende adsorptie van galzuurmoleculen. Hoe cholesterol wordt getransporteerd in canaliculaire gal blijft slecht begrepen. De omzetting van vesikels in gemengde micellen door galzuren wordt getoond in Fig. 3.

Bijna de helft van de door de lever uitgescheiden gal komt in de galblaas terecht, waar het met een factor drie tot zes wordt geconcentreerd. Tijdens de opslag en concentratie in de galblaas worden water en elektrolyten verwijderd en wordt de gal verzuurd door Na+/H+-uitwisseling. Na de maaltijd trekt de galblaas samen, ontspant de kringspier van Oddi zich onder invloed van neurohormonale prikkels en komt de gal in de dunne darm terecht. PC wordt gehydrolyseerd en geabsorbeerd; cholesterol slaat neer uit de oplossing, waardoor het beter wordt geëlimineerd. De galzuren vormen nu gemengde micellen met vetzuren en monoglyceriden. De uitscheidende micelle is een absorberende micelle geworden.

Galzuurtransport.

De enterohepatische circulatie omvat dus transcellulair transport van galzuurmoleculen, bemiddeld door membraantransporteurs, en interorgaanstroming, bemiddeld door intestinale motiliteit en bloedstroming. Vectorieel membraantransport vindt plaats in de hepatocyt en de enterocyt van de ilea, en interorgaanstroming vindt plaats in de portale veneuze en systemische circulatie, de galwegen, en de dunne darm.

De chemische pompen aanwezig in de hepatocyt zijn reeds beschreven. Bewijs voor de aanwezigheid van een actief transportsysteem in de ileale enterocyt werd geleverd door Lack en Weiner, die met behulp van geëverteerde darmzakken aantoonden dat geconjugeerde galzuren zich op een Na+-afhankelijke wijze naar boven verplaatsen. Onlangs heeft werk van Dawson en collega’s (1) geleid tot de klonering van de Na+- galzuur cotransporter die aanwezig is in het apicale membraan van de ileale enterocyt. De galzuurtransporter vertoont homologie met de Na+-afhankelijke galzuurtransporter in de sinusoïdale membraan van de hepatocyten, maar is een ander eiwit. Bij de uittreding van galzuren uit de ileale enterocyt over het basolaterale membraan en in het portale veneuze bloed is een tweede transporteiwit met anion-uitwisselingsproducten betrokken, dat slecht gekarakteriseerd blijft.

De enterohepatische circulatie van galzuren staat onder homeostatische controle op het niveau van zowel de hepatocyt, met betrekking tot de biosynthese van galzuren, als de ileale enterocyt, met betrekking tot het transport van galzuren. Op het niveau van de hepatocyt wordt een verminderde terugkeer van galzuren naar de hepatocyt gevolgd door een verhoogde galzuurbiosynthese; het signaal lijkt de intracellulaire concentratie van galzuren te zijn. Normaal wordt de galzuursynthese gedownreguleerd. Wanneer de enterohepatische circulatie wordt onderbroken, neemt de biosynthese van galzuren tot het 15-voudige toe. Omdat galzuren zijn afgeleid van cholesterol, moet een verhoogde galzuurbiosynthese gepaard gaan met een even grote biosynthese van cholesterol.

Homeostase op het niveau van de ileale enterocyten is niet goed begrepen. Er is overtuigend bewijs voor negatieve terugkoppeling (verminderd transport bij verhoogde belasting) bij de hamster en de cavia; negatieve terugkoppeling van ileaal transport is ook aanwezig bij de mens, omdat de galzuurafscheiding niet toeneemt wanneer galzuren worden toegediend.

Het slechte

Onjuiste retentie van galzuren en cholesterolmetabolisme.

Het fysiologische nut van de enterohepatische circulatie van galzuren heeft fysiologen eeuwenlang gefascineerd. Borelli, de legendarische dierfysioloog, voorspelde het bestaan van de enterohepatische circulatie in de 17e eeuw. Experimenteel bewijs van de enterohepatische circulatie wachtte op studies bij de biliaire fistelhond in 1870 door Moritz Schiff in Genève. (Schiff was gedwongen zijn laboratorium in Florence, Italië, te verlaten en naar Zwitserland te vluchten nadat hij door antivivisectionisten voor het gerecht was gedaagd; tijdens zijn proces verdedigde hij op welsprekende wijze de noodzaak en de morele rechtvaardiging van dierproeven.)

De opvatting dat geconjugeerde galzuren functionele detergerende moleculen waren die lipiden oplosten en zo hun absorptie bevorderden, werd een halve eeuw geleden door fysiologen goed aanvaard, ook al was de vorming van gemengde micellen nog niet beschreven. De enterohepatische circulatie werd beschouwd als een buitengewone fysiologische aanpassing die een grote stroom van detergente moleculen beschikbaar maakte voor de vertering met minimale biosynthese vereisten. Deze opvatting dat de efficiënte enterohepatische circulatie “goed” was voor het organisme is echter in het afgelopen decennium gewijzigd, grotendeels als gevolg van de vooruitgang in het begrijpen van cholesterol- en lipoproteïnemetabolisme. Het lijkt nu steeds waarschijnlijker dat een efficiënte intestinale conservering van galzuren ook een “slecht” aspect heeft. Brown en Goldstein wezen er in hun baanbrekende werk over de lage-densiteit-lipoproteïne-receptor (LDL) op dat een verminderde functie van deze receptor hypercholesterolemie veroorzaakte. Opregulering van deze receptor zou kunnen worden bereikt door de vraag van de hepatocyt naar cholesterol te verhogen, omdat de hepatocyt de cholesterolhomeostase koste wat het kost lijkt te verdedigen. Zij stelden vast dat galzuursequestranten de biosynthese van galzuren en cholesterol induceren, wat op zijn beurt de activiteit van de LDL-receptor verhoogt. Bij volwassenen kan een efficiënte intestinale conservering van galzuren dus als slecht worden beschouwd omdat het de biosynthese van cholesterol en de LDL-receptoractiviteit omlaagreguleert, wat op zijn beurt leidt tot hogere plasma LDL-cholesterolgehalten.

Zelfs vóór de elegante voorstelling van Brown en Goldstein, hadden farmaceutische bedrijven het actieve transport van galzuren door het ileum geïdentificeerd als een fysiologisch proces waarop men zich zou moeten richten voor de behandeling van hypercholesterolemie. Het eerste middel, het galzuursequestrant cholestyramine, veroorzaakte een drievoudige toename van de biosynthese van cholesterol en galzuren en verlaagde het LDL-cholesterolgehalte in het plasma. Hoewel is aangetoond dat cholestyramine veilig en doeltreffend is voor de preventie van coronaire voorvallen bij patiënten met familiaire hypercholesterolemie, wordt het niet op grote schaal gebruikt wegens ongewenste bijwerkingen zoals constipatie. Er worden krachtiger sequestreermiddelen met minder bijwerkingen ontwikkeld. Een tweede benadering is de synthese van remmers van de Na+-bilezuur cotransporter die aanwezig is op het apicale membraan van de enterocyten van de ilea. Van dergelijke middelen is aangetoond dat zij de absorptie van galzuren remmen, het plasma-cholesterol verlagen en atherosclerose verminderen bij het met cholesterol gevoede Watanabe-konijn, waarvan bekend is dat het defecte LDL-receptoren heeft (13).

De lelijke

Bilezuren als cytotoxische middelen.

De amfipathische eigenschappen van galzuren die ervoor zorgen dat zij zo’n krachtige oplossers van membraanlipiden zijn, zijn er ook verantwoordelijk voor dat galzuren cytotoxisch zijn wanneer zij in abnormaal hoge concentraties hetzij intracellulair, hetzij extracellulair aanwezig zijn. De cytotoxische effecten van galzuren kunnen verontrustende symptomen of zelfs de dood tot gevolg hebben. Dit is de “lelijke” kant van galzuren.

Cytotoxiciteit veroorzaakt door verhoogde intracellulaire concentraties galzuren.

In de gezonde hepatocyt zijn de opname van galzuren over de basolaterale membraan en de export via de canaliculaire exportpomp nauw aan elkaar gekoppeld. Deze efficiënte koppeling, samen met de aanwezigheid van bindende proteïnen in het cytosol, houdt de monomere concentraties van galzuren binnen de hepatocyt op extreem lage concentraties, <3 μM. Wanneer de export via het kanaal defect is, hetzij door een aangeboren of verworven defect in het transport via het kanaal, hetzij door een fysieke belemmering van de galstroom, stapelen de galzuren zich op in de hepatocyt. Wanneer hun concentratie de bindingscapaciteit van de bindende eiwitten overschrijdt, induceren galzuren apoptose en necrose, waarschijnlijk door beschadiging van de mitochondriën (14). Bij patiënten met cholestatische leverziekte kan de omvang van de schade aan de hepatocyten als gevolg van intracellulaire accumulatie van galzuren worden verminderd door inname van een niet-toxisch galzuur (ursodiol), dat zich ophoopt in de circulerende galzuurpool en de cytotoxiciteit vermindert van het galzuurmengsel dat door de hepatocyten circuleert (12).

Zekere aangeboren fouten in de biosynthese van galzuren leiden tot een verhoogde synthese van galzuurprecursoren. Deze hopen zich op in de hepatocyt omdat ze geen substraten zijn voor de canaliculaire exportpomp en veroorzaken hepatocytsterfte. Zuigelingen met deze uiterst zeldzame aandoeningen ontwikkelen na de geboorte progressieve geelzucht. De diagnose wordt meestal gesteld door massaspectrometrische identificatie van de tussenproducten in urine of plasma. Behandeling met natuurlijke galzuren onderdrukt de synthese van de toxische tussenproducten, induceert een normale galstroom, herstelt de concentratie van galzuren in de dunne darm, en is levensreddend.

In principe zouden galzuren zich moeten ophopen in de ileale enterocyt wanneer het basolaterale transport verstoord is, en een dergelijke ophoping zou de dood van de enterocyt moeten veroorzaken. Deze situatie is echter nog niet experimenteel geïnduceerd of klinisch vastgesteld.

Cytotoxiciteit veroorzaakt door verhoogde extracellulaire concentraties van galzuren.

In gezondheid leidt een efficiënte ileale conservering, samen met snelle bacteriële modificatie van galzuren die het colon binnenkomen, ertoe dat de waterige concentratie van galzuren in de coloninhoud vrij laag is, <1 mM. Wanneer het ileale transport van galzuren defect is, hetzij door een congenitale afwezigheid van de ileale galzuurtransporter, hetzij door ileale resectie of ziekte, treedt een compenserende toename van de leverbiosynthese op, en komt een sterk verhoogde hoeveelheid galzuren in het colon terecht. De verhoogde intraluminale concentratie induceert uitscheiding van elektrolyten en water, wat klinisch tot uiting komt in diarree. Toediening van galzuursequestranten verlaagt de verhoogde intraluminale concentratie galzuren en biedt symptomatisch voordeel (6).

Diagnose van galzuurtekort.

Een galzuurtekort in de darm treedt op wanneer de enterohepatische circulatie van galzuren wordt belemmerd of wanneer deze wordt onderbroken door een verminderde intestinale conservatie. Indien de galzuurmalabsorptie voldoende ernstig is, is de compenserende toename van de galzuurbiosynthese onvoldoende om de galzuurafscheiding in de darm te herstellen. (Bij de mens kan de lever de synthese van galzuren slechts ~15-voudig verhogen. De maximale biosynthese van galzuren bedraagt ~6 g/dag, wat minder is dan de helft van de normale dagelijkse uitscheiding van galzuren). Een verminderde galzuurafscheiding leidt tot een gebrekkige micellaire oplosbaarheid van vetten in de voeding, en dit draagt bij tot lipidemalabsorptie bij deze patiënten. Als geconjugeerde galzuren oraal worden toegediend, wordt de micellaire oplosbaarheid hersteld en wordt de lipide-absorptie verbeterd. De klinische bruikbaarheid van een dergelijke geconjugeerde galzuurvervangingstherapie wordt momenteel getest (3).

Conclusie

De opheldering van het metabolisme, de enterohepatische circulatie en de functies van galzuren, alsmede van de verstoringen van deze processen bij ziekte, heeft een multidisciplinaire inspanning gevergd die zich uitstrekte van fysische biochemie tot klinische proeven. Naar mijn mening zijn deze inspanningen in de beste tradities van de integratieve fysiologie geweest.