腸道菌群與肝臟疾病研究進展

2018-03-20 19:41:47范建高

傳染病信息 2018年4期

關鍵詞：研究

周達，范建高

人體腸道菌群，定植于整個消化道，是人體內復雜的共生系統，對維護機體內環境穩定起重要作用。其中，擬桿菌門和厚壁菌門是主要的菌門，占比達90%，其他的由變形菌門、疣微菌門、放線菌門、梭桿菌門和藍藻菌門構成[1]。腸道菌群的多樣性和復雜性從近端消化道至遠端消化道逐漸提高。影響腸道菌群的因素眾多，如飲食、免疫、行為和健康狀況等外在因素及宿主基因等特異性因素[2]。機體肝臟與腸道起源于同一胚胎層，腸肝間存在機械、化學、免疫、生物等屏障，腸道菌群通過門靜脈系統，將各種代謝性或免疫性物質、細菌成分或產物運輸到肝臟[3]，而肝臟亦可通過分泌膽汁或免疫成分影響腸道功能，使得腸道與肝臟間聯系緊密，稱為腸-肝軸。以腸道菌群為靶向的干預也許可以成為一種全新的疾病干預策略[4]。本文主要討論腸道菌群在肝臟疾病中的生物學作用及機制。

1 腸道菌群與肝臟疾病的交互作用

腸道上皮系統是腸道外源性病原體的天然屏障，菌群失衡可增加腸道通透性，進而促進腸道病原體和腸道毒素通過門靜脈系統入肝，并引起一系列病理生理反應，嚴重者可引發全身多器官功能障礙[5]。腸道上皮功能的維持主要依賴緊密連接，其主要功能是調節營養物質吸收，抑制有害物質進入機體。緊密連接主要由一系列穿膜蛋白構成，如occludin、claudin和zonulaoccludens蛋白，而腸道菌群及其代謝產物對緊密連接有直接或間接的調控作用[6]，如IL-17可誘導claudin的表達而降低腸道通透性，IL-10對腸道屏障也有保護作用，短鏈脂肪酸（short chain fatty acids, SCFA）之一的丁酸可以促進緊密連接蛋白的表達進而減少菌群移位[7-8]。

腸道菌群產物如甲胺（一種揮發性有機化合物），病原相關分子模式（pathogenassociated molecular patterns, PAMPS）包括脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）、脂磷壁酸、肽聚糖、鞭毛蛋白和未甲基化的CpG DNA等可通過腸-肝軸入肝后與肝星狀細胞、Kupffer細胞或肝細胞表面Toll樣受體（Toll-like receptor, TLR）結合，從而激活肝內炎癥關鍵信號通路[9]；LPS是革蘭陰性菌菌壁成分之一，其可以與CD14、TLR4結合而激活MyD88-TNF-α通路，促進炎癥、氧化應激等級聯反應。脂磷壁酸是革蘭陽性菌細胞壁成分之一，同樣也是TLR2配體，具有維持腸道屏障完整作用，其功能缺陷與LPS入血循環增多，胰島素抵抗的出現密切相關[10]。此外，一類稱為NOD樣受體（NOD-like receptor, NLRP）3的胞內蛋白復合體（包括NLRP-1、NLRP3、NLRC4和人黑素瘤缺乏因子2）形成炎癥小體，是PAMPS和SCFA的內、外源性傳感器，參與調節促炎因子如IL-1β、IL-18介導的炎癥反應，從而增加腸道通透性[11-12]。菌群產物SCFA，包括乙酸、丙酸、丁酸，可直接調節腸源性激素的分泌而調控糖脂代謝、胰島素抵抗等，亦可通過腸-肝軸直接入肝調節肝內免疫、炎癥等相關基因表達而起到一定的肝臟保護效應，具體機制可能通過SCFA與GPR43/109a/41受體結合介導或通過SCFA對組蛋白去乙酰化酶的抑制作用介導[13-14]。腸肝間相互協同作用復雜，高效特異性的干預靶點有待更精準的研究，下面就腸道菌群與脂肪性肝病、肝硬化、膽汁淤積性肝病的研究作逐一論述。

2 腸道菌群與非酒精性脂肪性肝病

非酒精性脂肪性肝病（non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD）目前已超越慢性乙型肝炎（慢乙肝）成為國內外第一大慢性肝病[15]，其發病機制仍有待闡明[16]。最近研究提示：腸道菌群通過多種機制密切參與NAFLD的發展[17]。首先，腸道菌群可以調節食物能量代謝與轉化，而高脂飲食可以導致腸道菌群失衡，促進促炎因子釋放從而促進NAFLD進展；其次，腸道菌群與機體免疫系統之間互相作用，已證實機體免疫系統的失衡可以促進NAFLD發生發展，并且提示腸道菌群可通過免疫介導NAFLD發病。再者，腸道菌群代謝產物，如內源性乙醇和其他有毒介質，通過腸道被吸收后從門靜脈系統進入肝臟而誘發相關損傷，如刺激Kupffer細胞產生促炎性細胞因子、促進醋酸鹽生成，后者是合成脂肪酸和乙醛的底物，從而加重氧化應激反應[18-19]。綜上，腸道菌群的改變及其代謝產物可誘發肝臟脂肪變性和炎癥產生[20]。

有研究表明，與對照小鼠相比，轉基因肥胖小鼠的擬桿菌比例顯著降低[21]。肥胖人群中也觀察到同樣的現象。與體型正常人群相比，肥胖人群腸道菌群厚壁菌門比例更高，而擬桿菌門比例更低；同樣，與沒有非酒精性脂肪性肝炎（non-alcoholic steatohepatitis, NASH）的肥胖人群相比，NASH患者的擬桿菌數量較低，失衡的菌群可促進熱量攝入、脂質沉積[22-23]。更深入的研究發現，與健康對照相比，NAFLD患者球形菌門比例更高，在菌屬水平，埃希菌屬、厭氧桿菌屬和鏈球菌屬比例顯著升高；而疣微菌科，另枝菌屬和普氏菌屬在健康對照的腸道微生物群中的豐度顯著高于NAFLD組[20]。也有研究發現被認為是益生菌的乳桿菌屬在NAFLD患者中也有升高，該菌可通過改變腸道微環境而參與NAFLD的進展[20，24]。益生菌的活性具有菌株依賴性，并不是所有乳酸桿菌菌株都對機體有益處，但在臨床試驗中，特定乳酸桿菌菌株組成的益生菌已被證實對NAFLD患者有益[25]。

有研究顯示在肥胖患者中小腸細菌過度生長（small intestinal bacterial overgrowth, SIBO）比正常體質量指數者更常見，SIBO加速了NAFLD進展至NASH，可能由于細胞間緊密連接破壞造成腸道通透性顯著增加，進而使肝臟暴露于腸道有害代謝產物[16，26]，同時腸道菌群的失衡可誘導肝臟脂肪生成酶、脂肪酸合成酶和乙酰輔酶A羧化酶的表達增強，促進肝臟脂質從頭合成[27]。在慢性肝臟疾病中，由腸道菌群誘導的脂肪酸代謝和初級膽汁酸向次級膽汁酸的轉化顯著減少[28]，膽汁可以調節脂肪乳化、膽固醇代謝、脂溶性維生素代謝和激活或抑制腸道中不同的信號通路。膽汁酸核受體X參與腸道菌群調控NAFLD發病，可被膽汁酸激活而誘導抑制膽汁生成的信號級聯反應[29-30]。研究表明損傷相關的分子模式激活促進活性氧的產生，從而活化NLRP3[31]，Henao-Mejía等[32]研究發現NLRP3和NLRP6協同IL-18通過調節小鼠腸道菌群的構成負向調節NAFLD的進展。

從治療方面而言，益生菌和益生元均被推薦作為膳食補充劑以維持腸道通透性的完整和腸道健康。益生元已被證明可抑制肝臟脂肪酸的從頭合成來改善NAFLD，并參與機體脂質代謝調節[27，33]。在遺傳型肥胖小鼠（ob/ob）動物模型實驗中，與對照組相比，益生元低聚果糖的攝入可以顯著降低血漿LPS和促炎細胞因子水平，提高腸道胰高血糖素樣肽2的表達，降低腸道通透性，抑制腸道細菌移位[34]。益生菌亦通過減少有害菌對腸道上皮細胞的粘附及其移位，從而抑制NAFLD進展，減少NASH并發癥[5，26]。使用益生菌混合物VSL#3（其富含嗜熱鏈球菌、乳桿菌、雙歧桿菌）干預NAFLD小鼠模型4周，顯著減輕肝臟脂肪變性和炎癥，血清ALT、AST，血脂和胰島素抵抗指數亦明顯改善。這些參數的改善與肝臟NKT細胞調控有關，通過對TNF-α/IKK-β信號通路抑制、降低Jun N末端激酶活性以及降低NF-κB DNA結合活性來實現[35-36]。在蛋氨酸膽堿缺乏飲食誘導的小鼠NASH模型中，其發病機制與肥胖、代謝綜合征無關，給予VSL#3可減輕肝纖維化發生[37]。另一項研究提示給予小鼠高脂高蔗糖飲食可引起腸道菌群穩態失衡，造成機體內活性氧、IL-6、TNF-α和LPS的顯著升高及SCFA的失平衡，給予益生菌干預后，上述指標顯著好轉，同時失調的腸道菌群得到改善[38]。另外，在兒童和成人的隨機臨床研究中顯示，一些益生菌對治療脂肪性肝炎有一定的益處，表現為AST和ALT、TNF-α、血膽固醇、HDL和穩態評估模型評分的明顯改善，當然各研究之間也存在顯著的差異性，可能是由于所用菌株的多樣性所致[25]。一項針對肥胖脂肪肝患兒的隨機對照臨床研究中，觀察到那些服用VSL#3益生菌4個月的患兒獲得了類似的效果[39]。因此，益生菌和益生元在NAFLD治療中的使用具有一定的前景，同時也支持以腸道微生物群為靶向干預的可行性[40]，但仍存在很多值得思考的地方。首先，上述研究多為觀察性探索，缺乏機制的深入；其次，各項研究間缺乏可比性，缺乏標準化流程或診治方案，循證證據較弱；再者，整體菌群移植或選擇性菌群移植可否應用于NAFLD尚缺乏研究，其與單純益生菌或益生元相比有無優勢值得進一步探索。

3 腸道菌群與肝硬化

近年，腸道菌群與肝硬化的研究亦較為深入。有研究顯示與正常對照相比，SIBO在肝硬化患者中更常見，而肝硬化患者腸道屏障緊密連接蛋白表達顯著下調[41]，導致肝硬化患者更易發生細菌移位，肝臟也更多地暴露于腸道毒素如內生性乙醇、LPS等，進一步加重肝損害[26，42]。肝硬化患者腸道通透性增加可能與一氧化氮誘導的氧化應激增加及腸道黏膜表達炎性介質如TNF-α增加有關，同時門靜脈和血循環細菌內毒素水平也顯著升高[26，43]。菌群移位造成的感染或菌群代謝產物可引起肝硬化患者門靜脈壓力升高誘發靜脈曲張出血[44]。此外，肝硬化患者血清、腹水中細菌DNA含量的升高提示出現急慢性肝功能衰竭的概率顯著提高，進一步提示腸道菌群可能與肝硬化患者血液動力學惡化、臨床并發癥的出現密切相關[45]。

與正常對照組相比，肝硬化患者唾液中梭桿菌科，普雷沃氏菌科和腸球菌科比例顯著增高，同時還發現肝硬化患者的唾液和糞便中的微生物群結構類似，這種腸道微生態失調與菌群正當防御、機體炎癥狀態改變及由肝功能衰竭引起的住院風險增加密切相關。在合并肝性腦病（hepatic encephalopathy, HE）的肝硬化患者中，腸道天然分類群毛螺菌科和疣微菌科的豐度顯著下降，而具有潛在的致病性分類群普氏菌科和梭桿菌科的豐度顯著增加，同時發現此類患者血液循環中致炎性Th1、Th17細胞顯著活化。肝硬化患者菌群失衡預示黏膜免疫的失衡，也暗示著未來與肝硬化預后相關的菌群研究目標與方向[46]。有研究顯示酒精性肝硬化患者腸道內革蘭陰性菌過度生長，造成腸道氧化與抗氧化失衡，進一步導致腸道通透性的增加。同樣，一項臨床研究顯示，肝硬化患者十二指腸菌群富含厚壁菌門（韋榮球菌屬、巨型球菌屬、小桿菌屬、奇菌屬和普氏菌屬），而健康對照者卻富含變形菌門（奈瑟菌屬、嗜血桿菌屬和嗜酸乳桿菌屬）[47]。

一項系統綜述顯示益生菌可用于HE的發生（一級預防）和復發（二級預防），使用3個月益生菌后，患者血氨濃度顯著降低，健康狀態顯著改善[48]。Dhiman等[49]的研究顯示：使用VSL#3進行HE的二級預防，顯著降低了HE患者6個月內的住院率，同時改善了HE相關腦病癥狀，降低了血清炎癥標志物、改善了肝功能等相關生化指標，未見明顯不良反應，患者生活質量顯著提高。VSL#3亦可降低酒精性肝硬化患者機體的氧化應激參數；在針對肝硬化的研究中發現益生菌可恢復中性粒細胞的吞噬能力，通過促進IL-10分泌和TLR4表達，降低腸壁通透性，減少細菌移位和改善內毒素血癥，從而抑制肝臟中的氧化應激和炎癥損傷[41，50]。益生元乳果糖亦成為HE治療方式之一，可能依賴于其對糞便的酸化和清除作用，從而改善糞便菌群和促進氨的排泄[38]；另一項研究顯示合生元亦降低了肝硬化患者血清內毒素水平，改善近50%患者的Child-Pugh分級；同時顯著提高了患者糞便中不產尿素酶的乳桿菌豐度，這可能與患者血氨和內毒素的降低有關[41]。至于其他慢性肝病或肝移植的薈萃研究顯示益生菌干預顯著降低了患者的感染率和住院時間，而對病死率無明顯影響[38]。美國一項針對肝硬化合并HE臨床研究提示糞菌移植對于復發性HE有較好的改善作用，患者的認知功能和腸道菌群豐度及有益菌含量得到顯著改善，此研究探索了糞菌移植治療HE的安全性及療效，展示了一定的應用前景，但仍需要更長隨訪期的縱向研究及更大樣本量的臨床研究驗證[51]。同樣，亦有我國學者使用糞菌移植方法治療慢乙肝。慢乙肝易發展為肝硬化、肝癌，因此對其有效治療的研究迫在眉睫。此項研究發現：與對照組相比，經糞菌移植治療的慢乙肝患者HBeAg清除率更高，并未見嚴重不良反應。雖然此研究為小樣本臨床觀察，但該研究成果對慢乙肝尤其藥物療效欠佳患者的臨床處理策略具有重要的創新和啟發意義，后期仍需要大樣本臨床試驗的深入驗證[52]。

此外，治療藥物對肝病患者腸道菌群的影響亦不能忽視。肝硬化患者使用質子泵抑制劑后腸道內根瘤菌屬顯著減少，小桿菌屬不同程度地升高[47]；給予肝硬化患者口服抗生素亦可顯著降低血清內毒素水平[41]。同時不同的肝硬化病因亦可對患者腸道菌群有輕度的影響，可能與不同病因所導致的膽汁酸水平、免疫狀態不同有關[47]。

4 腸道菌群與膽汁淤積性肝病

目前，對腸道菌群與原發性膽汁性膽管炎（primary biliary cholangitis, PBC）的研究較少。有研究報道PBC患者菌群多樣性降低，同時發現該病患者腸道菌群特征表現為4個種屬菌豐度的下降和8個種屬菌的豐度增加，而熊去氧膽酸的干預可一定程度逆轉PBC患者失衡的腸道菌群，尤其表現為柔嫩梭菌群菌屬豐度的下降[53]。Sabino等[54]發現原發性硬化性膽管炎（Primary sclerosing cholangitis, PSC）患者菌群多樣性下降明顯，而腸球菌、梭桿菌和乳桿菌豐度顯著升高。多項研究提示在合并炎癥性腸病的PSC患者中韋永氏球菌屬豐度明顯升高[55-56]；有體外研究顯示韋榮球菌屬有促炎特性，與其他慢性炎癥性疾病密切相關[57]。一項英國的研究顯示PSC患者腸道菌群表現為埃希菌、毛螺菌和巨型球菌的豐度顯著增加，而普氏菌和羅斯氏菌豐度下降，同時表現為擬桿菌豐度的缺失[58]。上述主要為觀察性研究，腸道菌群對膽汁淤積性肝病發病的作用、診治的貢獻仍需更多的實驗研究和臨床探索。

5 總結