Acizii biliari: Binele, răul și urâtul

La vertebrate, echilibrul colesterolului se realizează prin modularea atât a sintezei cât și a excreției. Excreția colesterolului este mediată de acizii biliari, moleculele amfipatetice solubile în apă formate din colesterol în hepatocit. În plus față de rolul lor în homeostazia colesterolului, acizii biliari sunt, de asemenea, detergenți funcționali care induc fluxul biliar și transportă lipidele sub formă de miceli mixte în tractul biliar și în intestinul subțire. Funcțiile acizilor biliari în stare de sănătate și disfuncțiile în boală sunt în centrul acestui articol.

Bila ca fluid secretor și excretor.

Bila, un fluid secretat de ficat în intestin la vertebrate, este atât un fluid digestiv, cât și unul excretor. Ca fluid digestiv, bila conține acizi biliari, agenți tensioactivi digestivi puternici care favorizează absorbția lipidelor. Ca lichid excretor, bila conține substanțe care nu pot fi eliminate eficient în urină, deoarece sunt insolubile sau legate de proteine. Printre acestea se numără nu numai acizii biliari (care nu sunt doar surfactanți digestivi, ci și produse finale ale metabolismului colesterolului), bilirubina (produsul final al metabolismului hematiilor), colesterolul (derivat din sinteza care depășește nevoile organismului) și metale grele, cum ar fi fierul și cuprul (derivate din absorbția care depășește nevoile organismului). Secreția biliară oferă, de asemenea, o cale de excreție pentru steroizii lipofili și metaboliții medicamentelor. Bila are, de asemenea, o concentrație ridicată de fosfolipide, care constau în principal din fosfatidilcolină (PC) și care formează miceli mixte cu acizii biliari. Aceste micele mixte conțin microdomeni amfipatice care pot solubiliza colesterolul. De asemenea, formarea micelilor mixte scade activitatea monomerică a acizilor biliari și împiedică distrugerea de către aceștia a membranei apicale a celulelor epiteliale biliare. IgA, o imunoglobulină, și mucusul sunt secretate în bilă, unde rolul lor este de a preveni creșterea și aderența bacteriilor. În cele din urmă, bila conține tocoferol, care poate preveni deteriorarea oxidativă a epiteliului biliar și al intestinului subțire (5).

Metabolismul acizilor biliari.

Acizii biliari sunt formați în hepatocitele pericentrale din colesterol printr-un proces multienzimatic. În biosinteza acizilor biliari C24 (care sunt prezenți la majoritatea vertebratelor), lanțul lateral al colesterolului suferă o scindare oxidativă care are ca rezultat transformarea unei fracțiuni izooctanice într-o fracțiune de acid izopentanoic. La nucleu se adaugă una sau două grupe hidroxil. Deși modelul de hidroxilare variază de la o specie la alta, hidroxilarea are loc întotdeauna pe o față a moleculei, iar produsul final are invariabil o față hidrofobă și o față hidrofilă, rezultând o moleculă amfifatică.

Compoziția moleculelor de acid biliar care circulă este adesea complexă și depășește scopul acestui articol. Complexitatea rezultă din faptul că acizii biliari circulanți au două intrări. Prima intrare constă în acizii biliari formați din colesterol în hepatocit; aceștia sunt numiți acizi biliari primari și constau, de obicei, din cel puțin doi acizi biliari. Al doilea aport constă în acizii biliari formați de bacteriile din colon prin îndepărtarea grupei hidroxi de la C-7. Astfel de acizi biliari sunt numiți acizi biliari secundari. Aceștia sunt absorbiți din colon și circulă împreună cu acizii biliari primari. Astfel, bila este un amestec de acizi biliari primari formați în hepatocit și acizi biliari secundari formați în colon. Toți acizii biliari, fie primari, fie secundari, care sunt secretați în bilă sunt conjugați fie cu glicină, fie cu taurină. O astfel de conjugare mărește solubilitatea apoasă la pH acid, crește rezistența la precipitarea cu Ca2+ și face ca acizii biliari să fie impermeabili la membranele celulare (7, 8).

Îmbunătățirea absorbției lipidelor alimentare de către acizii biliari.

Triglicerida alimentară este hidrolizată de către lipaza pancreatică în molecule de acid gras și 2-monogliceride care sunt insolubile la pH fiziologic. Capacitatea acizilor biliari de a solubiliza eficient acești produși de lipoliză este cunoscută de aproape un secol, iar descoperirea faptului că o astfel de solubilizare poate fi explicată prin formarea de miceli mixte a fost o aplicare superbă a conceptelor științei coloizilor la un proces fiziologic. Lucrări recente care utilizează împrăștierea neutronilor indică faptul că miclele mixte din bilă (care conțin acizi biliari, PC și colesterol) și din conținutul intestinului subțire (care conține acizi biliari, acizi grași și monogliceride) au un aranjament molecular identic. În ambele tipuri de micelii, forma agregatului polimolecular este cilindrică. Lipidele polare sunt dispuse radial, cu capetele lor hidrofile orientate spre exterior, spre faza apoasă. Moleculele de acid biliar sunt dispuse perpendicular între capetele lor polare. Fața hidrofobă a moleculei de acid biliar se sprijină ca o pană între capetele lanțurilor alchilice ale moleculelor de PC (sau de acid gras); fața hidrofilă a moleculei de acid biliar este orientată spre mediul apos (4). Transformarea bicapacelor sau veziculelor lipidice în micelii mixte de către acizii biliari este ilustrată în Fig. 2.

În intestinul subțire, solubilizarea micelară crește concentrația apoasă a acizilor grași și a monogliceridelor de un factor de ~1.000 de ori. Micela mixtă difuzează mai lent decât monomerii, dar concentrația apoasă mult crescută cauzată de formarea micelară accelerează difuzia de un factor de cel puțin 100. Acest lucru este important deoarece absorbția acizilor grași de către enterocit este atât de rapidă încât difuzia devine limitarea vitezei în procesul general de absorbție (8). Digestia și absorbția eficientă a grăsimilor este deosebit de importantă la sugarul care alăptează, la care grăsimile reprezintă o sursă majoră de calorii.

Acizii biliari nu vor solubiliza lipidele alimentare sub formă de micelii mixte decât dacă acizii biliari se află peste o concentrație critică, denumită concentrația critică de micelizare. Concentrația relativ ridicată de acizi biliari în lumenul intestinului subțire în timpul digestiei este rezultatul mai multor factori. În primul rând, acizii biliari conjugați sunt acizi puternici care sunt complet ionizați la pH-ul intestinal și, prin urmare, sunt impermeabili la membranele celulare, iar molecula de acid biliar este prea mare pentru a trece prin joncțiunile paracelulare. În al doilea rând, conservarea eficientă a acizilor biliari prin absorbția activă (mediată de purtător) din intestinul subțire are ca rezultat o rezervă de acizi biliari care se ciclează de mai multe ori cu fiecare masă. (Această mișcare a moleculelor de la tractul biliar la intestinul subțire și înapoi la ficat, urmată de resecreția în bilă, este denumită circulație enterohepatică). Circulația enterohepatică a acizilor biliari asigură un flux mare de molecule de surfactant care depășește cu mult rata la care acizii biliari sunt sintetizați din colesterol. De exemplu, secreția de acizi biliari la o masă este în medie de 5 mmol/h. Sinteza de acizi biliari din colesterol este de ~0,02 mmol/h. Ultimul factor care contribuie la concentrația luminală ridicată a acizilor biliari este concentrația extrem de ridicată a bilei din vezica biliară (până la 300 mM), cel puțin la acele specii care au vezică biliară. Concentrația ridicată a bilei din vezica biliară este rezultatul eliminării apei de către epiteliul vezicii biliare atunci când bila este depozitată în vezica biliară.

Biliera mare de reciclare a acizilor biliari îndeplinește astfel o funcție de transport al lipidelor atât în tractul biliar, cât și în intestinul subțire. În bilă, funcția de transport a micellei „excretoare” (acizi biliari, PC și colesterol) ajută la excreția colesterolului și a altor molecule lipofile. În conținutul intestinului subțire, micela „absorbantă” ajută la absorbția trigliceridelor și a vitaminelor liposolubile. Ambele tipuri de micelii pot lega cationi polivalenți și pot favoriza transportul acestora.

Funcțiile acizilor biliari în ficat și în tractul biliar.

Bolilele mari de reciclare a acizilor biliari au, de asemenea, funcții în cadrul hepatocitului. Acizii biliari care se întorc din intestin sunt eliminați eficient din sângele venos portal de către hepatocit. Extracția de primă trecere depinde de structura acidului biliar, dar pentru toți acizii biliari depășește 60%. Absorbția este mediată de proteinele purtătoare bazolaterale care sunt în prezent caracterizate la nivel molecular (10). După absorbție, acizii biliari nu rămân în hepatocit, ci sunt pompați rapid în canaliculul biliar de către un transportor canalicular energizat cu ATP care a fost clonat recent (2). Transportul prin membrana canaliculară este extraordinar de concentrativ, deoarece se crede că concentrația monomerică a acizilor biliari în hepatocit este de 1-2 μM, în timp ce cea a bilei canaliculare este de cel puțin 1.000 μM. Acizii biliari sunt pompați în spațiul canalicular, care este semipermeabil. Ca urmare a efectelor osmotice ale concentrațiilor ridicate în mod tranzitoriu ale acizilor biliari, apa și ionii filtrabili pătrund în spațiul canalicular, în principal prin joncțiunile paracelulare. În acest fel, se generează bila canaliculară. (Teoria osmotică a formării bilei a fost propusă în urmă cu aproximativ șaizeci de ani de către Ivor Sperber și a fost confirmată de multiple linii de dovezi experimentale; mecanismul de formare a bilei este identic cu mecanismul de pompare al pompei Alza.)

Canaliculele, care au un capăt orb în regiunea pericentrală a lobulului hepatic, sunt înconjurate de o spirală de microfilamente de actină. Aceștia se contractă, conducând bila canaliculară spre ductulii biliari și inițiind fluxul biliar. După ce induc fluxul biliar în lumenul canalicular, acizii biliari induc, de asemenea, secreția de lipide biliare prin adsorbția la moleculele de PC care au fost transportate peste membrana canaliculară de către o PC-„flipază” (11). Moleculele de PC formează bule veziculare care se desprind de pe fața luminală a membranei canaliculare, energia pentru formarea veziculelor fiind probabil furnizată de contracțiile canaliculare. Acizii biliari se adsorb pe aceste vezicule, detașându-le de fața luminală a membranei canaliculare (11). Pe măsură ce bila curge în josul tractului biliar, veziculele sunt transformate în miceli mixte prin adsorbția continuă a moleculelor de acid biliar. Modul în care colesterolul este transportat în bila canaliculară rămâne puțin înțeles. Conversia veziculelor în miceli mixte de către acizii biliari este prezentată în Fig. 3.

Aproape jumătate din bila secretată de ficat intră în vezica biliară, unde este concentrată de un factor de trei până la șase. În timpul depozitării și concentrării în vezica biliară, apa și electroliții sunt eliminați, iar bila este acidificată prin schimb de Na+/H+. La masă, vezica biliară se contractă, sfincterul lui Oddi se relaxează sub stimuli neurohormonali, iar bila intră în intestinul subțire. PC este hidrolizată și absorbită; colesterolul precipită din soluție, ceea ce favorizează eliminarea sa. Acizii biliari formează acum micelii mixte cu acizi grași și monogliceride. Micela excretoare a devenit o micelă absorbantă.

Transportul acizilor biliari.

Circulația enterohepatică implică astfel transportul transcelular al moleculelor de acizi biliari, mediat de transportatori membranari, și fluxul interorganic, mediat de motilitatea intestinală și de fluxul sanguin. Transportul membranar vectorial are loc în hepatocit și în enterocitele ileale, iar fluxul interorganic are loc în circulația venoasă portală și sistemică, în tractul biliar și în intestinul subțire.

Pompele chimice prezente în hepatocit au fost deja descrise. Dovada prezenței unui sistem de transport activ în enterocitele ileale a fost furnizată de Lack și Weiner, care au arătat, folosind saci intestinali întortocheați, că acizii biliari conjugați se deplasează în sens ascendent într-o manieră dependentă de Na+. Recent, lucrările lui Dawson și ale colegilor (1) au dus la clonarea cotransportatorului Na+-acizi biliari prezent în membrana apicală a enterocitelor ileale. Transportorul de acid biliar ileal are o omologie comună cu transportorul de acid biliar dependent de Na+ din hepatocite, situat în membrana sinusoidală, dar este o proteină diferită. Ieșirea acizilor biliari din enterocitul ileal prin membrana bazolaterală și în sângele venos portal implică o a doua proteină transportoare cu produși de schimb anionic care rămâne slab caracterizată.

Circulația enterohepatică a acizilor biliari se află sub control homeostatic atât la nivelul hepatocitului, în ceea ce privește biosinteza acizilor biliari, cât și la nivelul enterocitului ileal, în ceea ce privește transportul acizilor biliari. La nivelul hepatocitului, o scădere a întoarcerii acizilor biliari în hepatocit este urmată de o creștere a biosintezei acizilor biliari; semnalul pare a fi concentrația intracelulară de acizi biliari. În mod normal, sinteza acizilor biliari este reglată în jos. În cazul întreruperii circulației enterohepatice, biosinteza acizilor biliari crește de până la 15 ori. Deoarece acizii biliari sunt derivați din colesterol, biosinteza crescută a acizilor biliari trebuie să fie însoțită de o cantitate echivalentă de biosinteză a colesterolului.

Homeostazia la nivelul enterocitelor ileale nu este bine înțeleasă. Există dovezi convingătoare pentru feedback negativ (scăderea transportului la creșterea încărcăturii) la hamster și cobai; feedbackul negativ al transportului ileal este prezent și la om, deoarece secreția de acid biliar nu crește atunci când se administrează acizi biliari.

Răul

Reținerea necorespunzătoare a acizilor biliari și metabolismul colesterolului.

Utilitatea fiziologică a circulației enterohepatice a acizilor biliari a fascinat fiziologii timp de secole. Borelli, legendarul fiziolog al animalelor, a prezis existența circulației enterohepatice în secolul al XVII-lea. Dovada experimentală a circulației enterohepatice a așteptat studiile efectuate la câinele cu fistulă biliară în 1870 de către Moritz Schiff la Geneva. (Schiff fusese forțat să-și abandoneze laboratorul din Florența, Italia, și să fugă în Elveția după ce a fost judecat de antivivisecționiști; la proces, el a făcut o apărare elocventă a necesității și justificării morale a experimentelor pe animale.)

Potrivirea conform căreia acizii biliari conjugați erau molecule detergente funcționale care solubilizau lipidele, favorizând astfel absorbția acestora, era bine acceptată de fiziologi cu o jumătate de secol în urmă, chiar dacă formarea micelilor mixte nu fusese încă descrisă. Circulația enterohepatică a fost considerată o adaptare fiziologică extraordinară care a făcut ca un flux mare de molecule detergente să fie disponibil pentru digestie cu cerințe minime de biosinteză. Cu toate acestea, acest punct de vedere conform căruia circulația enterohepatică eficientă era „bună” pentru organism a fost modificat în ultimul deceniu, în mare parte ca urmare a progreselor înregistrate în înțelegerea metabolismului colesterolului și al lipoproteinelor. Acum pare din ce în ce mai probabil că o conservare intestinală eficientă a acizilor biliari are și un aspect „rău”. Brown și Goldstein, în lucrarea lor de referință privind receptorul pentru lipoproteinele cu densitate scăzută (LDL), au subliniat faptul că o funcționare deficitară a acestui receptor cauzează hipercolesterolemie. Creșterea acestui receptor ar putea fi obținută prin creșterea cerințelor hepatocitului pentru colesterol, deoarece hepatocitul pare să apere cu orice preț homeostazia colesterolului. Aceștia au observat că sechestratorii de acizi biliari au indus biosinteza acizilor biliari și a colesterolului, care, la rândul lor, au stimulat activitatea receptorului LDL. Astfel, la adult, conservarea intestinală eficientă a acizilor biliari poate fi considerată proastă prin faptul că reduce biosinteza colesterolului și activitatea receptorului LDL, ceea ce, la rândul său, duce la niveluri plasmatice mai ridicate ale colesterolului LDL.

Chiar înainte de reprezentarea elegantă a lui Brown și Goldstein, companiile farmaceutice au identificat transportul activ al acizilor biliari de către ileon ca fiind un proces fiziologic care ar trebui să fie vizat pentru tratarea hipercolesterolemiei. Primul agent, colestiramină, sechestrantul de acizi biliari, a provocat o creștere de trei ori a biosintezei colesterolului și a acizilor biliari și a scăzut nivelul plasmatic al colesterolului LDL. Deși colestiramină s-a dovedit a fi sigură și eficientă pentru prevenirea evenimentelor coronariene la pacienții cu hipercolesterolemie familială, aceasta nu este utilizată pe scară largă din cauza efectelor secundare nedorite, cum ar fi constipația. Sunt în curs de dezvoltare sechestranți mai puternici, cu mai puține efecte secundare. O a doua abordare este sinteza de inhibitori ai cotransportatorului Na+-acizi biliari prezent pe membrana apicală a enterocitelor ileale. S-a demonstrat că astfel de agenți inhibă absorbția acizilor biliari, scad colesterolul din plasmă și diminuează ateroscleroza la iepurele Watanabe hrănit cu colesterol, despre care se știe că are receptori LDL defectuoși (13).

Următoarele

Acizii biliari ca agenți citotoxici.

Proprietățile amfipatice ale acizilor biliari care îi fac să fie solubilizatori atât de puternici ai lipidelor membranare sunt, de asemenea, responsabile de faptul că acizii biliari sunt citotoxici atunci când sunt prezenți în concentrații anormal de mari, fie intracelulare, fie extracelulare. Efectele citotoxice ale acizilor biliari pot provoca simptome dureroase sau chiar moartea. Aceasta este partea „urâtă” a acizilor biliari.

Citotoxicitatea cauzată de concentrațiile intracelulare crescute de acizi biliari.

În hepatocitul sănătos, captarea acizilor biliari prin membrana bazolaterală și exportul prin intermediul pompei canaliculare de export sunt strâns cuplate. Acest cuplaj eficient, împreună cu prezența proteinelor de legare în citosol, menține concentrațiile monomerice de acizi biliari în interiorul hepatocitului la concentrații extrem de scăzute, <3 μM. Atunci când exportul canalicular este defectuos, fie din cauza unui defect înnăscut sau dobândit în transportul canalicular, fie atunci când există o obstrucție fizică a fluxului biliar, acizii biliari se acumulează în interiorul hepatocitelor. Atunci când concentrația lor depășește capacitatea de legare a proteinelor de legare, acizii biliari induc apoptoza și necroza, probabil prin deteriorarea mitocondriilor (14). La pacienții cu boală hepatică colestatică, amploarea leziunilor hepatocitare cauzate de acumularea intracelulară de acizi biliari poate fi diminuată prin ingerarea unui acid biliar netoxic (ursodiol), care se acumulează în fondul de acizi biliari circulanți și scade citotoxicitatea amestecului de acizi biliari care circulă prin hepatocite (12).

Certe erori înnăscute de biosinteză a acizilor biliari conduc la o sinteză crescută a precursorilor acizilor biliari. Aceștia se acumulează în hepatocit, deoarece nu sunt substraturi pentru pompa de export canalicular și provoacă moartea hepatocitului. Nou-născuții cu aceste afecțiuni extrem de rare dezvoltă icter progresiv după naștere. Diagnosticul se face, de obicei, prin identificarea prin spectrometrie de masă a intermediarilor în urină sau plasmă. Tratamentul cu acizi biliari naturali suprimă sinteza intermediarilor toxici, induce un flux biliar normal, restabilește concentrația de acizi biliari în intestinul subțire și este salvator de vieți.

În principiu, acizii biliari ar trebui să se acumuleze în enterocitele ileale atunci când transportul bazolateral este afectat, iar această acumulare ar trebui să provoace moartea enterocitelor. Cu toate acestea, această situație nu a fost încă indusă experimental sau identificată clinic.

Citotoxicitate cauzată de concentrațiile extracelulare crescute de acizi biliari.

În stare de sănătate, conservarea ileală eficientă, împreună cu modificarea bacteriană rapidă a acizilor biliari care intră în colon, are ca rezultat faptul că concentrația apoasă a acizilor biliari în conținutul colonului este destul de scăzută, <1 mM. Atunci când transportul ileal al acizilor biliari este defectuos, fie din cauza unei absențe congenitale a transportatorului ileal de acizi biliari, fie din cauza rezecției ileale sau a unei boli, are loc o creștere compensatorie a biosintezei hepatice și o cantitate mult mai mare de acizi biliari trece în colon. Concentrația intraluminală crescută induce secreția de electroliți și apă, manifestată clinic prin diaree. Administrarea de sechestratori de acizi biliari scade concentrația intraluminală crescută de acizi biliari și oferă un beneficiu simptomatic (6).

Statele de deficit de acizi biliari.

Un deficit de acizi biliari în intestin apare atunci când circulația enterohepatică a acizilor biliari este obstrucționată sau când este întreruptă de alterarea conservării intestinale. Dacă malabsorbția acizilor biliari este suficient de severă, creșterea compensatorie a biosintezei acizilor biliari este insuficientă pentru a restabili secreția de acizi biliari în intestin. (La om, ficatul își poate crește sinteza de acizi biliari doar de ~15 ori. Rata maximă de biosinteză a acizilor biliari este de ~6 g/zi, ceea ce reprezintă mai puțin de jumătate din rata zilnică normală de secreție a acizilor biliari). Scăderea secreției de acizi biliari duce la o solubilizare micelară defectuoasă a lipidelor alimentare, iar acest lucru contribuie la malabsorbția lipidelor la acești pacienți. Dacă acizii biliari conjugați sunt administrați pe cale orală, solubilizarea micelară este restabilită și rezultă o absorbție îmbunătățită a lipidelor. Utilitatea clinică a unei astfel de terapii de înlocuire a acizilor biliari conjugați este în curs de testare (3).

Concluzie

Elucidarea metabolismului, circulației enterohepatice și a funcțiilor acizilor biliari, precum și a tulburărilor acestor procese în boală a implicat un efort multidisciplinar care a variat de la biochimie fizică la studii clinice. În opinia mea, aceste eforturi au fost în cele mai bune tradiții ale fiziologiei integrative.

.