腸道菌群在肝性腦病中的作用機制

姬曉彤， 賀韻涵， 戚瑩媛， 楊曉航

陜西中醫藥大學醫學技術學院， 陜西 咸陽 712046

1 肝性腦病(hepatic encepathalopathy, HE)

HE是由肝功能不全和(或)門靜脈系統分流引起的腦功能障礙，存在從亞臨床改變到昏迷等不同程度的神經精神改變[1]。HE的病理生理機制主要取決于其并發癥，如炎癥、氧化應激、血腦屏障通透性受損、神經毒素以及腦能量代謝等多方面的因素。近年來研究[2]發現腸道菌群組成與HE患者的中樞神經系統改變有關，包括小腸細菌過度生長、腸道菌群結構與功能的改變，病理性菌群移位等，這與肝硬化患者腸道菌群、血腦屏障和肝臟免疫之間的微生態平衡被打破有密切聯系[3]。

2 腸道微生物及其作用

人類腸道中微生物總量多達100萬億甚至更多，早在幼兒時期就已經穩定了,這主要取決于飲食模式,如西方以高動物脂肪和糖類飲食為主,東方以植物蔬菜飲食為主[4]。 研究[5]表明,短期食用完全由動植物產品組成的飲食可改變微生物群落結構；Graf等[6]也證明了純素食者擬桿菌、雙歧桿菌、大腸桿菌和腸桿菌科細菌總數明顯低于對照組。

腸道微生物在機體中發揮至關重要的作用,他們可以通過調節內皮組織中緊密連接蛋白的表達來影響血腦屏障的通透性，腸道屏障的改變在肝損傷的發病機制和進展中起著重要作用。在門靜脈結扎模型中，腸道菌群定植的小鼠與無菌小鼠相比，門靜脈壓力明顯升高[7]；另一方面，有研究[8]也證明，小鼠原發性肝硬化性膽管炎模型中，腸道微生物群的缺失加劇了肝膽疾病，也加劇了膽管細胞的衰老。

3 腸道菌群-肝-腦軸

腸道和肝臟在解剖學和生理學上以膈相連，身體75%的血液經門靜脈進入體循環，營養物質及細菌化合物通過門靜脈循環到達肝臟，肝臟免疫系統必須對無害菌保持耐受的同時激活致病菌，防止它們進入體循環。因此，腸腔內容物、門靜脈血和肝臟之間的主要界限就是腸道屏障，腸道屏障被破壞,使大量細菌代謝產物甚至是腸道微生物本身轉移到肝臟，如氨、神經遞質、短鏈脂肪酸、膽汁酸等參與膽堿代謝,將其轉化為二甲基胺、三甲胺、二甲基甘氨酸等,經肝臟轉化為三甲氧化胺從而引起肝損害[9-10]。與此同時，大腦膠質細胞受到炎癥刺激進一步釋放促炎因子，其中TNFα、IL-1損傷腦血管內皮細胞而破壞血腦屏障，與腸道來源的氨協同作用加重神經炎癥和腦組織水腫，影響大腦功能[11]。 因此，腸道菌群、肝臟、神經系統和免疫系統必須建立復雜的相互作用系統來維持體內平衡,即腸道菌群-肝-腦軸[12]。

4 腸道菌群-肝-腦軸通過神經系統調控HE

4.1 神經遞質的改變 隨著研究的深入，腸道微生物在神經發育中的重要性成為關注的焦點,而腸道菌群-肝-腦軸的主要特征是其雙向性[13-14]。 Lyte 等[15]通過改變Schaedler小鼠(ASF)腸道菌群種類,對腸道微生物進行研究，結果顯示，僅定值了8種細菌的ASF小鼠與傳統小鼠相比,ASF小鼠出現了明顯的焦慮行為,且5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)水平明顯降低,表現出更多的“冒險行為”和學習記憶方面的缺陷，當無菌小鼠體內移植了正常的菌群后,血清和結腸中的5-HT、促腎上腺皮質激素和皮質酮水平明顯上升，這說明了控制微生物與腸道之間的大腦溝通能影響行為活動。

有研究者[16]通過將微生物群與大腦MRI結合起來對187例受試者(40例對照組,147例肝硬化患者)進行全身炎癥評估、認知測試、糞便微生物和腦MRI分析,以此了解HE患者腸道菌群-肝-腦軸受損的情況,研究發現MRI譜顯示谷氨酸/谷氨酰胺增加，肌醇和膽堿的減少與星型細胞的改變有關。星形膠質細胞是腦中完成血氨代謝的唯一細胞，慢性肝病時,腦組織中過多的氨在星形膠質細胞轉化成谷氨酸和谷氨酰胺,谷氨酰胺堆積導致星形膠質細胞內滲透壓增加,引起星形膠質細胞腫脹,出現低度腦水腫，而谷氨酸興奮性神經遞質,可引起煩躁、癲癇發作甚至昏迷等HE 的臨床表現。

同時，肝硬化患者腸道微生物的產氨量與γ-氨基丁酸合成量增加呈正相關，且腸道微生物產生的神經遞質如吲哚、谷氨酰胺和5-HT等被認為與HE的發病有密切聯系[17-18]。由此可見，微生物群對個體的影響可能是通過影響神經遞質及不同的細胞類型,在最終的發病機制中介導與肝相關的認知功能障礙。

4.2 膽汁酸 膽汁酸是腸道屏障的重要組成部分，在調節膳食脂肪吸收的同時對腸道菌群的選擇也起著關鍵作用[19]。Weiss等[20]在HE患者的腦脊液中發現了高濃度的膽汁酸，研究表明，在膽管結扎模型中[21]，循環膽汁酸顯著增加，血腦屏障完整性顯著降低，根據這些研究可以得出，血清膽汁酸不僅僅是膽道疾病的特征，在肝衰竭和非酒精性脂肪肝等疾病的病程發展中，膽汁酸也起了一定作用[22]，因此，膽汁酸在HE發展中的機制也需進一步明確。

5 腸道菌群-肝-腦軸通過免疫系統調控HE

免疫系統是調節細菌、胃腸道和中樞神經系統之間的關鍵環節[23]。微生物菌群失調，腸道屏障被破壞，導致腸道通透性增加、細菌移位，細菌產物通過門靜脈到達肝臟被特異性識別受體識別，激活免疫系統，從而誘發炎癥反應[24]。

5.1 脂多糖(LPS)的作用 細菌產物是由免疫系統通過識別病原體相關模式分子來識別的。LPS是研究最多的一種內毒素，主要存在于革蘭陰性菌的外膜中。肝硬化患者的革蘭陰性菌增加，可能與LPS- Toll樣受體(TLR)4軸相關機制有關。研究[25]發現LPS誘導的TLR4信號持續促進肝硬化的發生，TLR4通過共受體CD14和MD-2激活先天免疫對LPS產生應答從而導致肝纖維化的形成。此外,有研究[26]也指出在CCL4誘導的肝硬化小鼠中,LPS-TLR4途徑通過肝細胞生長因子增加肝細胞增殖和抗凋亡信號促進肝癌的發生。CD14是先天性免疫受體TLR4的輔助因子,也是LPS的一種配體,它與激活的LPS-TLR4信號在脂肪肝中上調有關。由此可見，長期暴露于低濃度的LPS可能會導致肝損傷，調節LPS-TLR4軸是否會改善HE患者病情仍需深入探索。

5.2 巨噬細胞的作用 肝巨噬細胞起著“清道夫”和吞噬的作用,消滅門靜脈中的病原體、細菌和真菌。小膠質細胞是中樞神經系統的固有巨噬細胞群，在機體受到損傷或微生物感染時，除了在中樞神經系統中扮演吞噬細胞的角色外，還參與正常突觸功能的發育和維持。在突觸可塑性的小鼠研究[27]中，小膠質細胞通過補體級聯的信號通路與神經元和突觸相互作用，其中一個信號通路為神經元趨化因子CX3CL1以及其受體CX3CR1，而CX3CR1僅在小膠質細胞中表達，研究發現，敲除CX3CR1的小鼠表現出小膠質細胞吞噬功能下降，并在突觸連接方面存在缺陷。這提示了細胞因子不僅在中樞神經系統中對周圍免疫刺激產生應答，而且在神經回路的形成和發育中起著重要的可塑性作用。

犬尿酸是色氨酸的代謝產物之一，通常與精神分裂癥及抑郁癥的發生有密切聯系。在嚙齒動物的研究[27-28]中發現，腦中犬尿酸神經毒性代謝產物是通過犬尿酸氧化酶產生，而這種酶主要存在于膠質細胞中，犬尿酸濃度的增加會導致谷氨酸能和膽堿能的改變，并間接導致多巴胺能信號的改變，從而產生狂躁、認知障礙等精神癥狀。

5.3 淋巴細胞的作用 免疫細胞的轉運和再循環需要嚴格控制淋巴器官的血液供應，而局部產生的細胞因子和交感神經纖維的相互作用有助于這種控制，換言之，體內免疫細胞功能的驅動很可能是由于細胞因子引起的淋巴器官血液供應的改變，特別是當淋巴器官沒有血液循環時，如脾臟。這一觀點需要重新審視交感神經末梢在控制免疫細胞運輸、循環和歸巢中的重要性[27]。

在感染、嚴重創傷及大量抗生素使用的情況下，腸道黏膜屏障遭到破壞，細菌及內毒素移位破壞黏膜免疫系統，導致炎癥的產生。而小腸上皮淋巴細胞在此過程起重要作用。羅霞等[29]通過給小鼠服用頭孢曲松鈉導致腸道菌群失調的實驗證明：腸道微生物屏障破壞導致腸道上皮淋巴細胞活化增加，釋放炎癥因子，其中以IL-2、IL-6、IFNγ最為顯著。雖然，淋巴細胞在調節菌群穩態方面發揮巨大作用，但是，神經支配通過調節淋巴器官供血來調節免疫細胞功能的可能性有待進一步研究。

中樞神經系統的炎癥有著復雜的機制，除了小膠質細胞、星形膠質細胞外，其他細胞也參與了HE的神經炎癥反應，這不僅涉及到神經免疫的調控機制，神經內分泌以及激素的代謝也發揮著重要作用。但是，在神經精神疾病的背景下，免疫系統和大腦之間的確切溝通機制尚未完全闡明，這可能是HE病情進展的重要機制之一。

6 菌群移植治療HE的前景

利福昔明是治療HE的常用抗生素，但其副作用尚未明確；益生元、合生元、益生菌(以乳酸菌和雙歧桿菌為主)等微生態制劑已廣泛運用于臨床，并取得了相應療效，但其類型及作用機制還需進一步闡明。

目前，腸道菌群已被當做一種“特殊的器官”用于臨床研究,菌群移植更是被作為一種新型的微生物靶向治療方式，在改善HE方面有巨大潛力[30]。早在公元四世紀,就有報道指出健康人或者兒童的糞便可以治療人類的某些疾病,隨著研究的深入,菌群移植作為治療人類疾病的一種新選擇重新浮出水面。2015年印度肝膽科學研究所已經修訂了糞苗移植協議[31]，目前尚不清楚何種給藥途徑在相應疾病的發展中發揮作用，但研究[32]發現直腸途徑對艱難梭菌引起的腹瀉、克羅恩病和潰瘍性結腸炎患者有明顯改善。也有研究[33]證明,菌群移植可以改善輕度HE的認知功能。在一項嚴重酒精肝患者接受菌群移植的實驗中,Philips等[34]證明,與對照組相比,接受菌群移植治療的患者生存率有所提高,且菌群移植治療1年后,變形菌減少,放線菌增加,供體和受體在菌群移植治療后的6～12個月共存。因此，菌群的選擇、儲存方式及給藥途徑是治療神經系統相關疾病亟待解決的問題。

7 小結

綜上所述，腸道菌群及其代謝產物在菌群-肝-腦軸對HE的調控中發揮了重要作用，菌群失調，腸道屏障被破壞，體循環在傳送營養物質的同時也將有害物質(二甲基胺、三甲胺、二甲基甘氨酸等)輸送至體內，導致免疫系統被激活，炎癥信號通過不同的機制到達大腦，包括迷走神經傳入通路的激活、血液中直接細胞因子和LPS信號，引起煩躁、癲狂、昏迷等一系列神經精神癥狀。因此,深入研究腸道菌群的作用機制對HE及神經系統類疾病的治療非常有必要。