腸道菌群與脂肪性肝病研究新進(jìn)展

2021-11-30 04:59侯俊杰王玉明

世界華人消化雜志 2021年23期

李瑩, 侯俊杰, 王欣, 蘇帥, 王玉明, 張潔

0 引言

脂肪性肝病(fatty liver disease, FLD)是指各種原因引起的以肝細(xì)胞中脂肪過度貯積和脂肪變性為特征的臨床病理綜合征, 可能進(jìn)一步引起肝的正常結(jié)構(gòu)、生理及生化功能受損, 最終出現(xiàn)臨床癥狀. 根據(jù)有無長期過量飲酒的病因, 一般將FLD分為非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)和酒精性肝病(alcoholic liver disease, ALD)兩大類. NAFLD涉及肝臟中過量的脂質(zhì)積累, 其包括非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty, NAFL)和脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis, NASH)[1]兩類. 目前有專家建議將代謝相關(guān)脂肪性肝病 (metabolic associated fatty liver disease, MAFLD)作為一個其更合適的總體術(shù)語[1]. 由于肥胖癥的流行傳播, NAFLD是世界范圍內(nèi)成人和兒童最重要的肝臟疾病之一, 其全球患病率估計為24%, 南美洲和中東的發(fā)病率最高, 其次是亞洲、美國和歐洲[2]. 肥胖癥是導(dǎo)致NAFLD負(fù)擔(dān)加重的罪魁禍?zhǔn)譡2]. 單純性肥胖時, 腸道菌群紊亂和腸道屏障損傷可能是促使腸道中革蘭氏陰性菌的脂多糖或內(nèi)毒素(lipopolysaccharide, LPS)升高, 進(jìn)而進(jìn)展為NAFLD的始動因素[3]. ALD是由于大量飲酒所致的肝臟疾病, 其涵蓋了一系列疾病: 從酒精性脂肪肝(alcoholic fatty liver disease, AFLD)開始, 有時會發(fā)展為酒精性肝炎(alcoholic hepatitis, AH), 并最終導(dǎo)致酒精性肝硬化, 甚至肝細(xì)胞性肝癌. 酒精性肝硬化和肝細(xì)胞性肝癌是與飲酒有關(guān)的最嚴(yán)重和不可逆的肝損傷形式[4]. 諸多研究表明, 腸道菌群通過腸-肝軸在FLD的發(fā)生發(fā)展中起重要作用, 并可將控制腸道菌群作為治療FLD治療的作用靶點. 本文就腸-肝軸與FLD的關(guān)系、FLD進(jìn)展過程中腸道菌群和代謝產(chǎn)物的變化以及益生菌等在FLD治療中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述, 為FLD的預(yù)防和治療提供理論依據(jù).

1 腸-肝軸與FLD

腸道功能、腸道微生物群和肝臟之間的分子解剖和功能聯(lián)系構(gòu)成了“腸-肝軸”[5]. 腸道菌群失調(diào)和腸道通透性增加導(dǎo)致微生物和包括細(xì)菌DNA和細(xì)胞壁成分, 如革蘭氏陰性菌的LPS、肽聚糖以及真菌的β-葡聚糖在內(nèi)的微生物產(chǎn)物的移位, 統(tǒng)稱為微生物相關(guān)分子模式(microbial associated molecular patterns, MAMPs)或病原體相關(guān)分子模式(pathogen associated molecular patterns, PAMPs)[6]. 這些模式可被肝臟先天免疫細(xì)胞(Kupffer細(xì)胞、樹突細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞、自然殺傷T細(xì)胞以及肝星狀細(xì)胞)和固有層(腸上皮細(xì)胞下面的一種富含免疫細(xì)胞的組織)上的免疫受體識別[7]. 這些受體包括TOLL樣受體(toll-like receptors, TLRs)和NOD樣受體(nod-like receptors, NLRs), MAMPs或PAMPs通過TLRs和NLRs激活核因子κB(nuclear factor kappa-B, NF-κB), 從而導(dǎo)致進(jìn)入門靜脈循環(huán)的炎性細(xì)胞因子和趨化因子的產(chǎn)生, 引發(fā)并維持炎癥級聯(lián)反應(yīng)[7,8], 進(jìn)而影響包括FLD在內(nèi)的多種慢性肝病的發(fā)病機制. 最近研究發(fā)現(xiàn), NAFLD患者的腸道通透性(intestinal permeability, IP)似乎增加, 并且與肝脂肪變性的程度呈正相關(guān), 但I(xiàn)P與肝臟炎癥或纖維化的程度無關(guān)[9]. 對于ALD, 除了酒精對肝實質(zhì)細(xì)胞的直接毒性作用外, 腸道菌群失調(diào)、腸道屏障功能喪失以及肝臟先天免疫細(xì)胞TLRs的激活也有助于ALD的發(fā)病, 并且可在實驗小鼠模型中促進(jìn)肝細(xì)胞性肝癌的進(jìn)展[10].

另外, “腸-肝軸”在腸道微生物群、腸道和肝臟之間作用是雙向的[11]: 一方面, 肝臟將初級膽汁酸(bile acids, BAs)和抗菌分子(免疫球蛋白A和血管生成素)分泌到膽道, 進(jìn)入腸腔后影響腸道微生物群的組成和功能并調(diào)節(jié)腸道屏障; 另一方面, 腸道微生物群及其代謝產(chǎn)物可調(diào)節(jié)膽汁酸合成、肝臟葡萄糖代謝、脂質(zhì)代謝以及影響膳食能量利用. 肝臟的變化也可能影響暴露于腸道細(xì)菌產(chǎn)物(LPS和代謝物, 如乙醇和三甲胺)的先天免疫細(xì)胞, 進(jìn)一步導(dǎo)致肝臟炎癥[5,12]. 腸-肝軸的外部(如環(huán)境和飲食)或內(nèi)在因素(如腸道微生物群的改變、腸道通透性增加和管腔中膽汁酸水平的變化)破壞了體內(nèi)平衡, 導(dǎo)致局部和全身炎癥的發(fā)生[5]. 腸-肝軸參與包括NAFLD和ALD在內(nèi)的許多肝臟疾病的發(fā)病機制, 從而為多種慢性肝病的發(fā)生和發(fā)展鋪平了道路.

2 腸道菌群與NAFLD

2.1 腸道菌群及其代謝產(chǎn)物與NAFLD發(fā)病機制研究雖然NAFLD的病理生理機制尚不清楚, 但腸道菌群及其代謝產(chǎn)物和遺傳因素被認(rèn)為是重要的因素. 腸道菌群失調(diào)經(jīng)常通過腸-肝軸對NAFLD患者的肝臟造成有害影響. 腸道菌群及其代謝產(chǎn)物在NAFLD中的作用機制包括: (1)腸道來源的MAMPs或PAMPs被肝臟先天免疫細(xì)胞識別, 炎癥的激活和長期維持會導(dǎo)致NAFLD; (2)腸道中的特定菌群可以將膽堿轉(zhuǎn)化為三甲胺, 降低了膽堿的肝臟生物利用度, 降低了極低密度脂蛋白(very low density lipoprotein, VLDL)從肝臟中的輸出率, 導(dǎo)致脂質(zhì)積聚和肝臟炎癥; (3)腸道菌群來源的代謝物包括膽堿代謝物三甲胺(trimethylamine, TMA)、三甲胺-氮-氧化物(trimethylamine-N-oxide, TMAO)、次級膽汁酸脫氧膽酸(the secondary bile acids deoxycholic acid, DCA)和石膽酸(lithocholic acid, LCA)以及短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFA)直接對肝臟造成損傷, 引起肝臟脂肪變性; (4)腸道菌群可以產(chǎn)生乙醇, 乙醇及其代謝物乙醛通過刺激炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生和破壞緊密連接來增加腸道滲透性, 同時腸道微生物群也能代謝乙醇, 保護(hù)肝臟免受乙醇損傷, 腸道菌群的缺乏導(dǎo)致肝臟暴露于乙醇的增加, 乙醇代謝酶的表達(dá)增加以及肝臟脂肪變性的惡化, 即腸道菌群可以根據(jù)乙醇的組成和功能設(shè)定增加或減少宿主對乙醇的暴露[12-14]. 同時, 研究表明腸道細(xì)菌產(chǎn)生的內(nèi)源性乙醇可誘導(dǎo)NAFLD的線粒體功能障礙[15], 進(jìn)一步加重肝脂肪變性. 另外, 胰島素抵抗(insulin resistance, IR)也參與NAFLD的發(fā)病[16], 含patatin樣磷脂酶域3(PNPLA3)是NAFLD的最強遺傳因素之一[17]. 這些機制共同作用導(dǎo)致了NAFLD的發(fā)生和發(fā)展. 其中, 腸道屏障的損傷導(dǎo)致細(xì)菌LPS移位增強是導(dǎo)致NAFLD的主要機制, 腸道運動性和滲透性的變化有助于NAFLD的發(fā)展[18]. 反之, 長期大量飽和脂肪或高果糖飲食導(dǎo)致腸道微生物群失調(diào), 并由于緊密連接的破壞而增加腸屏障通透性, 導(dǎo)致細(xì)菌易位(bacterial translocation, BT)及細(xì)菌代謝物通過門靜脈進(jìn)入肝臟, 最終導(dǎo)致肝損傷[19].

2.2 腸道菌群變化與NAFLD NAFLD患者和健康人相比具有不同的腸道菌群組成. 先前研究表明[20], 布勞特氏菌、毛螺旋菌、大腸埃希氏菌和腸桿菌的水平升高可能是導(dǎo)致NAFLD進(jìn)展的主要因素. 另有研究表明[21], 與不患NAFLD的受試者相比, NAFLD患者的糞便中細(xì)菌α多樣性降低, 厚壁菌/擬桿菌比值升高, 而擬桿菌、普雷沃氏菌、芽殖菌、顫螺旋菌的豐度降低. 當(dāng)控制群體變異時, 厚壁菌/擬桿菌比值、擬桿菌、普雷沃氏菌、芽殖菌及顫螺旋菌與肝臟脂肪分?jǐn)?shù)(hepatic fat fraction, HFF)相關(guān); 同時發(fā)現(xiàn)PNPLA3 rs738409和芽殖菌、PNPLA3 rs738409和顫螺旋菌均對HFF有累加作用[21]. 高脂肪高膽固醇飲食可依次引起脂肪肝、脂肪性肝炎、肝纖維和NAFLD相關(guān)性肝細(xì)胞性肝癌(NAFDL-hepatocellular carcinoma, NAFLD-HCC). Behar等[22]研究表明, NAFLD-HCC患者的腸道菌群具有獨特的微生物組/代謝組學(xué)特征, 可以引發(fā)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的增殖和CD8+T細(xì)胞的衰減, 進(jìn)而調(diào)節(jié)外周免疫反應(yīng). Zhang等[23]研究表明膽固醇誘發(fā)的NAFDLHCC與腸道菌群失調(diào)有關(guān): 在NAFLD-HCC的形成中, 粘螺旋菌, 脫硫弧菌, 厭氧棍狀菌和脫硫弧菌是增加的; 而雙歧桿菌和擬桿菌是減少的.

2.3 腸道菌群代謝產(chǎn)物與NAFLD NAFLD患者腸道中腸道菌群的代謝產(chǎn)物與正常人相比也有顯著差異. Coker等[23]研究還發(fā)現(xiàn), NAFLD-HCC小鼠中腸道細(xì)菌代謝物也發(fā)生改變, 包括血清中?；悄懰?taurocholic acid, TCA)增加和3-吲哚丙酸(3-indolepropionic acid, IPA)減少[23]. IPA抑制膽固醇誘導(dǎo)的脂質(zhì)積累和細(xì)胞增殖, 而TCA增加膽固醇誘導(dǎo)的甘油三酯在人正常永生化肝細(xì)胞系中的積累[23]. 抗膽固醇治療恢復(fù)了飲食中膽固醇誘導(dǎo)的腸道微生物群失調(diào), 并完全防止了NAFLD-HCC形成[23]. 色氨酸可通過腸道菌群代謝成吲哚衍生物, 吲哚衍生物屬于芳香烴受體(aryl hydrocarbon receptor, AhR)配體, 可以激活A(yù)hR, 促進(jìn)白細(xì)胞介素(interleukin, IL)-22的產(chǎn)生[24]. Natividad等[25]研究發(fā)現(xiàn), 代謝綜合征患者腸道菌群分泌AhR配體, 如吲哚乙酸(indole acetic acid, IAA)減少. 補充AhR激動劑(如IAA)或具有高AhR配體生產(chǎn)能力的乳桿菌菌株可通過腸道屏障功能的改善和胰高血糖素樣肽1(glucagon-like peptide 1, GLP1)的分泌來改善飲食和遺傳誘導(dǎo)的代謝障礙, 特別是葡萄糖代謝紊亂和肝臟脂肪變性. 色氨酸的腸道菌群代謝產(chǎn)物IAA通過作用于巨噬細(xì)胞和肝細(xì)胞, 對 NAFLD具有保護(hù)作用[25].

2.4 腸道菌群調(diào)節(jié)與NAFLD的治療一項臨床研究表明[26], 口服高效多菌株益生菌(每天6750億個細(xì)菌)治療的NAFLD患者在肝臟組織學(xué)、谷丙轉(zhuǎn)氨酶(Alanine aminotransferase, ALT)和細(xì)胞因子方面有顯著改善. 另外, 乳雙歧桿菌V9作為一種高效益生菌也可以通過腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine 5’-monophosphate (AMP)-activated protein kinase, AMPK)和TLR-NF-κB途徑抑制炎癥及通過調(diào)節(jié)從頭脂質(zhì)合成來改善NAFLD[27]. Liang等[28]研究表明, 乳酸桿菌和雙歧桿菌的益生菌混合物通過Gpr109a和共生代謝物丁酸鹽減輕非酒精性脂肪肝大鼠的全身性肥胖和炎癥. 以前有研究表明[29], 與對照組相比, VSL#3益生菌組的甘油三酯穩(wěn)態(tài)模型評估(homoeostasis model assessment, HOMA)和ALT未檢測到組間差異, 而體重指數(shù)(body mass index, BMI)降低, GLP1和活化GLP1(aGLP1)增加, 說明VSL#3益生菌可能通過增加GLP1來顯著改善兒童的NAFL. 這與最近Chong等[30]的研究發(fā)現(xiàn), 即VSL#3?益生菌并沒有顯著改善NAFLD患者的心血管風(fēng)險和肝損傷標(biāo)志物是相一致的. 另外, Craven等[31]研究發(fā)現(xiàn), 對NAFLD患者進(jìn)行同種異體或自體糞菌移植(fecal microbiota transplantation, FMT)沒有改善其通過HOMA-IR測定的IR或肝臟質(zhì)子密度脂肪分?jǐn)?shù)(proton density fat fraction, PDFF)測量的IR, 但確實有可能降低NAFLD患者的小腸通透性. 因此, 多項研究表明, 通過使用益生菌或通過FMT實現(xiàn)對腸道微生物群的控制可能是預(yù)防和治療NAFLD的有效策略.

3 腸道菌群與ALD

3.1 乙醇和腸道菌群與ALD發(fā)病機制研究乙醇介導(dǎo)的和腸道菌群參與的肝損傷的發(fā)病機制包括[32]: (1)腸道通透性增加: 酒精破壞遠(yuǎn)端上皮緊密連接的完整性, 導(dǎo)致腸道通透性增加; (2)肝循環(huán)中LPS增加: 腸道通透性增加導(dǎo)致腸靜脈循環(huán)中細(xì)菌LPS水平增加, 這些血液最終通過門靜脈進(jìn)入肝循環(huán); (3)星狀細(xì)胞活化: LPS與肝臟巨噬細(xì)胞(稱為肝星狀細(xì)胞)上的LPS結(jié)合蛋白結(jié)合, 導(dǎo)致下游促炎細(xì)胞因子和嗜中性粒細(xì)胞募集趨化因子激活, 同時活化的肝星狀細(xì)胞增殖并承擔(dān)促纖維化作用; (4)纖維化和肝硬化: 活化的肝星狀細(xì)胞形成纖維化的細(xì)胞外基質(zhì)(由Ⅰ型和Ⅲ型膠原、糖蛋白和蛋白聚糖組成); (5)乙醇濫用一方面引發(fā)腸道菌群分類組成的定性和定量改變、粘膜炎癥和腸道屏障破壞, 另一方面引起腸道通透性增加, 導(dǎo)致活的病原菌、革蘭氏陰性細(xì)菌產(chǎn)物和促炎性腔內(nèi)代謝物轉(zhuǎn)移到血液中, 進(jìn)一步加重了酒精引起的肝損傷[33]. 這些機制共同作用導(dǎo)致ALD的發(fā)生和發(fā)展.

3.2 腸道菌群變化與ALD先前研究表明[34], ALD患者主要表現(xiàn)為益生菌含量減少, 以雙歧桿菌減少最顯著, 而腸球菌、糞腸球菌和大腸埃希氏菌等有害菌含量增加. Bluemel等[35]首次對乙醇喂養(yǎng)小鼠的整個腸道和肝臟中進(jìn)行了全面的微生物組分析. 他們的研究表明[35], 長期服用乙醇會改變回腸和肝臟的細(xì)菌α多樣性, 并導(dǎo)致成分變化, 尤其是回腸, 這在很大程度上是由革蘭氏陰性菌的增加所驅(qū)動的; 此外, 回腸粘液層和肝臟中的革蘭氏陰性菌普雷沃氏菌均增多, 表明在乙醇誘導(dǎo)的肝病中, 細(xì)菌移位可能發(fā)生在遠(yuǎn)端胃腸道[35]. Gu等[36]研究表明, 在ALD小鼠模型中, 乳酸桿菌和雙歧桿菌的數(shù)量下降, 回腸中產(chǎn)氣莢膜梭菌的數(shù)量成比例增加, 盲腸中革蘭氏陰性菌變形桿菌、彎曲桿菌和螺桿菌的數(shù)量增加. 通過補充鼠李糖乳桿菌顆粒可以減少革蘭氏陰性菌的數(shù)量, 改善酒精性肝損傷[36]. Ciocan等[37]研究表明, 在門水平上, 與非重度AH肝硬化患者相比, 重度AH肝硬化患者糞便中放線菌的豐度更高, 而擬桿菌的豐度更低. 由此可見, 腸道微生物群組成的變化在ALD的病理生理機制中有重中之重的作用.

3.3 腸道菌群及膽汁酸代謝與ALD膽汁酸對于促進(jìn)膳食中脂質(zhì)和脂溶性維生素在腸道中的吸收至關(guān)重要, 參與ALD的發(fā)病[38]. 高濃度的膽汁酸可以損傷細(xì)胞, 誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡, 促進(jìn)腫瘤發(fā)生. 膽汁酸的代謝需要腸道菌群的參與, 膽汁酸作用可能是ALD中腸-肝軸變化的重要因素. 膽汁酸作為信號分子并激活特定的核受體如法尼類X受體(farnesoid X receptor, FXR)和膜受體如G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1(G protein-coupled bile acid receptor 1, TGR5)從而發(fā)揮相應(yīng)作用[38]. 腸道FXR缺乏會增加腸道通透性, 加重肝脂肪變性并改變膽汁酸池組成, 導(dǎo)致肝毒性惡化[38]. 另有研究表明[39], TGR5缺乏加重了酒精引起的肝損傷, 并引起菌群失調(diào)和膽汁酸池重塑. Ciocan等[37]研究表明, 與非重度AH肝硬化患者相比, 重度AH肝硬化患者的血漿總膽汁酸和總熊去氧膽酸水平較高, 而糞便中含量較低. 另外, 重度AH肝硬化患者顯示膽汁酸池的特定變化, 轉(zhuǎn)向更疏水和有毒的膽汁酸種類, 這可能是造成特定微生物群變化的原因[37]. 反過來, 微生物群也可能通過將初級膽汁酸轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸來改變膽汁酸庫, 減少膽汁酸的排泄并損害膽汁酸在腸道中的轉(zhuǎn)化, 導(dǎo)致惡性循環(huán)[37]. 由此可見, 膽汁酸特定受體TGR5、FXR和腸道微生物群膽汁酸代謝都可能是人類酒精誘導(dǎo)肝損傷的靶點, 也可能為ALD治療的作用靶點.

3.4 腸道菌群調(diào)節(jié)與ALD的治療已經(jīng)證明在ALD中存在腸道微生物群的改變, 但它們在很大程度上僅僅是結(jié)果或原因尚不清楚. 個體對ALD的易感性主要是由腸道菌群驅(qū)動的, 特定的腸道微生物群與小鼠和人類對ALD的易感性或抵抗力有關(guān), 因此可以通過調(diào)節(jié)腸道菌群來預(yù)防和管理ALD[40]. Fan等[41]研究表明, 藍(lán)莓汁和益生菌(富含嬰兒型比菲德氏菌、動物雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌)聯(lián)合攝入可通過激活sirtuin 1(SIRT1) 改善AFLD的線粒體功能障礙. 益生元是一種微生態(tài)制劑, 可作為底物為益生菌提供養(yǎng)料. Wrzosek等[42]研究發(fā)現(xiàn), 使用益生元果膠治療人類微生物群相關(guān)的酒精喂養(yǎng)小鼠可引起細(xì)菌色氨酸代謝產(chǎn)物增加, 這與肝臟損傷的改善有關(guān). 色氨酸代謝產(chǎn)物是AhR的配體, 使用AhR激動劑Ficz[6-formylindolo (3, 2-b) carbazole]也減輕了肝臟病變, 此作用類似于益生元治療[42]. Ferrere等[43]研究發(fā)現(xiàn), 乙醇抵抗小鼠和乙醇敏感小鼠的腸道菌群聚集是不同的: 擬桿菌比例在乙醇敏感小鼠中較低. 在乙醇敏感小鼠中, 果膠治療以及以乙醇抵抗小鼠為供體進(jìn)行FMT都可防止脂肪變性和減輕肝臟炎癥, 同時恢復(fù)腸道穩(wěn)態(tài). 因此應(yīng)用益生菌、益生元、FMT通過靶向腸道微生物群來改善酒精性肝病ALD涉及的AhR通路和SIRT1抗炎機制可被視為ALD的治療新靶點.

另外, Duan等[44]研究發(fā)現(xiàn)溶細(xì)胞素(cytolysin), 一種由糞腸球菌分泌的外毒素, 可導(dǎo)致肝細(xì)胞死亡和肝損傷. 他們發(fā)現(xiàn), AH患者糞便中糞腸球菌的數(shù)量增加, 且溶細(xì)胞素陽性糞腸球菌的存在與AH患者的肝病嚴(yán)重程度和死亡率相關(guān). 糞腸球菌噬菌體可以特異性靶向溶細(xì)胞素陽性糞腸球菌, 減輕ALD癥狀, 這也為ALD的治療提供了一種精確編輯腸道微生物群的方法[44].

4 結(jié)論

ALD是以肝細(xì)胞脂肪過度貯積和脂肪變性為特征的臨床病理綜合征, 主要包括NAFLD和ALD, 兩者可能病因及發(fā)病機制有所不同, 但腸道菌群失調(diào)和腸道通透性增加導(dǎo)致腸道細(xì)菌結(jié)構(gòu)成分及細(xì)菌產(chǎn)物通過腸-肝軸作用于肝臟而在FLD的發(fā)生發(fā)展中起重要作用. 腸道菌群與FLD的關(guān)系是雙向的, 不同類型FLD都有腸道微生物組/代謝組的變化, 同時腸道菌群可以通過產(chǎn)生有毒的代謝物或影響膽汁酸代謝而進(jìn)一步影響FLD的進(jìn)展.