腸道微生物失衡在肝性腦病中的研究進展

魯冰潔 趙亞紅 安泳潼 葉冠 孫明瑜

肝性腦病(hepatic encephalopathy, HE)是臨床上常見的一種以代謝紊亂為基礎(chǔ)的神經(jīng)精神異常綜合征，其臨床表現(xiàn)可從亞臨床改變，如輕微肝性腦病(minimal hepatic encephalopathy, MHE)，進展到明顯昏迷。研究證實，腸道微生物(gut microbiota, GM)及有害副產(chǎn)物如氨、吲哚、羥吲哚和內(nèi)毒素參與HE的發(fā)生發(fā)展，尤其腸-肝-腦軸功能失調(diào)在HE的疾病進展中處于核心環(huán)節(jié)。本文就GM在HE發(fā)病中的作用，以GM為靶標的治療策略和現(xiàn)存問題進行綜述，以期為HE的臨床診治提供新思路。

一、GM與腸-肝-腦軸

GM是一個高度多樣化的生態(tài)系統(tǒng)，參與機體代謝與免疫防御，其包含的基因數(shù)目約是人類基因組的150倍。其中，到達大腦的GM種類和數(shù)量很大程度上受其寄居的腸道環(huán)境、腸道上皮屏障和血腦屏障的通透性以及GM被肝臟清除情況的影響。

(一)GM與腸-腦軸 機體內(nèi)存在一條能將腸道與大腦功能整合的雙向信息交流系統(tǒng)，即為腸-腦軸。一系列無菌動物實驗表明，GM對動物腸-腦軸功能，下丘腦/垂體/腎上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal, HPA)軸功能、情緒行為、壓力和情緒調(diào)節(jié)以及代謝等方面均有影響。一方面，GM可通過神經(jīng)、內(nèi)分泌和免疫等多種機制參與腸道與大腦之間的雙向信號傳導(dǎo)，另一方面，大腦也能夠通過自主神經(jīng)系統(tǒng)(autonomic nervous system, ANS)影響GM的組成和功能。

(二)GM與腸-肝軸 術(shù)語“腸-肝軸”的概念是由Marshal于1998年提出，意指源于同一胚層的腸道與肝臟在結(jié)構(gòu)及功能上存在的密切聯(lián)系。來自腸系膜靜脈的門靜脈供血約占肝臟總血流量的75%，門靜脈在攜帶營養(yǎng)物質(zhì)的同時，也轉(zhuǎn)移微生物和細菌，為肝臟提供廣譜抗原。肝臟獨特的解剖位置和血管系統(tǒng)，使其容易暴露于GM的產(chǎn)物(如脂多糖LPS)中。雖然大量的微生物定植于腸道，腸屏障和肝臟解毒功能可以防止GM移位，但在肝硬化等病理狀態(tài)下，此種防御機制容易被破壞，腸-肝軸功能失調(diào)，腸道通透性增加，LPS進入肝臟和全身血液循環(huán)誘導(dǎo)疾病。

二、GM與HE之間的關(guān)系

Kang等[1]發(fā)現(xiàn)與肝硬化無菌小鼠相比，肝硬化普通小鼠的血清氨水平更高，神經(jīng)和系統(tǒng)炎癥也更為明顯。其中，共生菌與炎癥、血氨水平負相關(guān)，而腸桿菌科(Enterobacteriaceae)與血清炎性細胞因子呈正相關(guān)，認為GM變化可以驅(qū)動小鼠發(fā)生HE。臨床研究發(fā)現(xiàn)，與健康患者和肝硬化不伴HE患者相比，肝硬化伴有HE患者的葡萄球菌科(Staphylococcaceae)、腸球菌(Enterococcaceae)、紫單胞菌科(Porphyromonadaceae)和乳桿菌科(Lactobacillaceae)的豐度更高，且特異的微生物群(共生菌，腸桿菌)與磁共振波譜(MRS)的改變(谷氨酸和谷氨酰胺增加，肌醇與膽堿減少)以及高血氨相關(guān)的星形細胞變化均有相關(guān)性。另一方面，紫單胞菌科僅與神經(jīng)元變化相關(guān)，而與氨水平無關(guān)，首次證實了GM改變與HE患者大腦特定神經(jīng)元和星形細胞改變相關(guān)[2]。與單純肝硬化患者比較，肝硬化伴有HE患者的乙狀結(jié)腸黏膜微生物組成發(fā)生變化，其中，羅斯氏菌屬(Roseburia)豐度降低，而潛在致病菌腸球菌屬(Enterococcus)、巨球型菌屬(Megasphaera)、韋榮球菌屬(Veillonella)和伯克氏菌屬(Burkholderia)豐度增加，并與HE患者認知能力下降和炎癥反應(yīng)相關(guān)。此外，HE患者常發(fā)生細菌易位(bacterial translocation, BT)，如口腔微生物唾液鏈球菌可在腸道下段過表達，并與HE疾病進程和嚴重程度相關(guān)。色氨酸經(jīng)腸道和肝臟作用，代謝為吲哚及羥吲哚，Riggio等[3]發(fā)現(xiàn)HE患者血清吲哚與羥吲哚水平升高，Montagnese等[4]證實其與氨水平明顯相關(guān)，共同揭示出腸-肝-腦軸在HE發(fā)病機制中的作用。

三、GM-腸-肝-腦軸失調(diào)導(dǎo)致HE

100多年來，增加的氨水平及其對大腦的毒性仍然是肝硬化患者發(fā)生HE的重要機制。研究觀察到肝硬化患者常伴有腸蠕動減弱、膽汁分泌減少，在一定程度上影響腸道微環(huán)境，使得腸系膜缺血水腫、通透性增加，導(dǎo)致小腸細菌過度生長(small intestine bacterial overgrowth, SIBO)，促進BT，誘導(dǎo)炎性因子釋放，加重肝損傷；同時腦中小膠質(zhì)細胞活化，氨、乳酸鹽和錳積累以及血腦屏障通透性改變，最終誘導(dǎo)HE。由此可見，GM介導(dǎo)的腸-肝-腦軸信號傳導(dǎo)異常在HE的發(fā)病中起關(guān)鍵作用。

(一) 氨與炎癥 肝硬化患者，一方面致病菌腸桿菌增多，產(chǎn)生大量尿素酶，水解尿素產(chǎn)氨增加；另一方面，肝臟清除氨的能力下降，過量的氨入體循環(huán)，可使血中氨濃度增加2～5倍，產(chǎn)生自由基誘導(dǎo)氧化應(yīng)激損傷；同時腦中星形膠質(zhì)細胞對氨的攝取增加，腦內(nèi)氨水平隨之增加。也有研究表明HE患者的動脈氨水平與其臨床表現(xiàn)不完全相關(guān)，氨的神經(jīng)毒性作用并非直接產(chǎn)生，而由代謝介導(dǎo)[5]。氨能釋放活性氧誘導(dǎo)中性粒細胞功能障礙，與炎癥因子具有協(xié)同作用[6]。動物實驗發(fā)現(xiàn)編碼TNF或IL-1β的基因缺失可延遲HE發(fā)作并減輕腦細胞水腫，肯定了炎癥因子與HE發(fā)病相關(guān)[7]。這種炎癥環(huán)境可干擾肝-腦信號傳導(dǎo)，加劇腦水腫，最終導(dǎo)致高氨血癥的神經(jīng)元功能障礙。此外，小膠質(zhì)細胞活化程度和大腦皮質(zhì)的iNOS和COX-2的mRNA水平升高程度可預(yù)測腦水腫及HE的嚴重程度。近期發(fā)表于Nature的研究，在動物實驗和臨床試驗中均發(fā)現(xiàn)GM能夠調(diào)控小膠質(zhì)細胞產(chǎn)生TGF-α/VEGF-β，通過芳香烴受體反饋性調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細胞和CNS炎癥的轉(zhuǎn)錄程序[8]，為論證GM-腸-肝-腦軸失調(diào)導(dǎo)致HE提供有力依據(jù)。

(二)SIBO與BT SIBO在既往合并自發(fā)性細菌性腹膜炎(spontaneous bacterial peritonitis, SBP)或HE的肝硬化患者中尤為常見，其發(fā)病率可達30%～70%[9]。事實上，SIBO主要由革蘭陰性腸桿菌誘導(dǎo)，如大腸桿菌(Escherichia coli)和肺炎克雷伯桿菌(Klebsiella pneumoniae)，二者均能誘導(dǎo)HE[10]。生理性BT可見于正常人群，而病理性BT在肝硬化患者較為常見，尤其終末期肝硬化患者的BT發(fā)生率可高達40%，其中Child C級患者的病理性BT發(fā)生率是Child A和Child B級患者的5～6倍[11]。需氧革蘭陰性細菌容易穿過腸道屏障發(fā)生移位；部分兼性細菌，如沙門菌(Salmonella)和李斯特菌(Listeria)能夠抵抗吞噬殺傷而發(fā)生移位。研究表明[12]SIBO可增加內(nèi)毒素和循環(huán)促炎細胞因子的水平，改變膽汁成分和肝膽轉(zhuǎn)運蛋白，有助于BT發(fā)生。由Paneth細胞防御素缺陷介導(dǎo)的腸道屏障破壞易導(dǎo)致SIBO并促進BT[13]。故SIBO是BT發(fā)生的先決條件，二者與HE發(fā)病密切相關(guān)。

(三)膽汁酸(bile acids, BAs)的作用 BAs主要通過法尼烯X受體(farnesoid X receptor , FXR)[14]介導(dǎo)，細胞色素P450酶(cytochrome P450, CYP)——膽固醇7α-羥化酶(cholesterol 7α-hydroxylase, CYP7A1)催化。大腦內(nèi)70%～80%的膽固醇存在于髓鞘和星形膠質(zhì)細胞以及神經(jīng)元細胞中。McMillin等[15]研究表明，BAs合成減少，可誘發(fā)腦功能障礙，并首次證實BAs介導(dǎo)的鞘氨醇-1-磷酸受體2信號(sphingosine-1-phosphate receptor 2, S1PR2)能夠誘導(dǎo)HE小鼠發(fā)生神經(jīng)炎癥。此外，BAs通過FXR軸誘導(dǎo)產(chǎn)生抗菌肽物質(zhì)，抑制細菌增殖。一些關(guān)于無菌和FXR缺陷小鼠的實驗表明，BAs組成和生物轉(zhuǎn)化很大程度上受GM調(diào)控[16]，GM改變通過FXR軸對BAs的合成產(chǎn)生直接或間接影響[17]。

四、以GM為靶標治療HE

目前臨床尚無治療HE的統(tǒng)一方案。圍繞“調(diào)節(jié)GM、減少氨、抑制腸道神經(jīng)毒素”等目標，HE的治療藥物主要有益生元、益生菌、抗生素等。其他療法，如口服支鏈氨基酸(branched-chain amino acids, BCAAs)、靜脈注射L-鳥氨酸L-天冬氨酸(L-ornithine L-aspartate, LOLA)以及膳食療法等在HE的個案治療中也有報道。口服BCAAs能夠促進骨骼肌中的氨解毒為谷氨酰胺。靜脈注射LOLA的HE患者，其神經(jīng)認知、血氨和臨床癥狀方面均有改善。此外，對于一線治療藥物不耐受或療效不顯著的患者進行營養(yǎng)干預(yù)，以保持穩(wěn)定的葡萄糖輸出，對HE患者尤為重要。

(一)益生元 自1966年以來，乳果糖一直是臨床治療HE的“基石”，也是目前指南中推薦治療HE的一線藥物。乳果糖的作用機制主要與增加糞便體積、酸化和修飾結(jié)腸菌、促進腸蠕動并加快腸道細菌排出有關(guān)。盡管2004年版的Cochrane系統(tǒng)評價并未發(fā)現(xiàn)足夠證據(jù)推薦其應(yīng)用于HE治療，但是近期發(fā)表于hepatology的Meta分析，通過對包含1 828例患者的38項隨機對照試驗分析，表明乳果糖和乳糖醇在HE的治療和預(yù)防中均發(fā)揮有益作用，能夠減少肝病相關(guān)不良事件發(fā)生[18]。然而，研究并未表明乳果糖能夠引起GM組成和功能發(fā)生顯著變化。EASL與AASLD制定的2014版HE防治指南推薦乳果糖用于預(yù)防HE初次發(fā)作后的復(fù)發(fā)；與利福昔明聯(lián)用，以降低HE二次發(fā)作后的復(fù)發(fā)率[19]。

(二)益生菌 益生菌，主要有乳酸桿菌和雙歧桿菌，可通過競爭營養(yǎng)素、改善腸道上皮細胞營養(yǎng)狀態(tài)，提高腸道黏膜屏障功能；酸化腸道、分泌抗菌化合物，抑制氨與有害病原微生物的生長與吸收。有研究報道益生菌制劑VSL#3((含8種益生菌，3種雙歧桿菌和5種乳桿菌))能夠減少BT，有效預(yù)防HE，但有待更大樣本的隨機對照臨床試驗加以驗證[20]。

(三)抗生素 抗生素可用于治療乳糖不耐受的HE患者。利福昔明可抑制腸道產(chǎn)尿素酶類細菌生長和調(diào)節(jié)GM來降低內(nèi)毒素水平，2010年經(jīng)美國FDA批準，已在全球41個國家用于治療HE。此外，利福昔明能夠控制SIBO降低HE復(fù)發(fā)風(fēng)險，延長總體生存率[21]。Meta分析表明利福昔明調(diào)節(jié)GM治療HE的具體作用機制與其改善GM代謝功能有關(guān)，而在改變GM組成與豐度方面尚未得出一致結(jié)論[22]。該藥用于治療HE，需密切監(jiān)測下使用，且不宜長期使用。

五、小結(jié)

綜上所述，GM主要通過腸-肝-腦軸影響HE的發(fā)生發(fā)展。GM失調(diào)、SIBO、BT以及腸道屏障功能受損等誘導(dǎo)高血氨、系統(tǒng)神經(jīng)炎癥，最終引發(fā)HE。以GM為靶標的治療方法，如服用益生元、益生菌、抗生素等在防治HE方面已取得一些進展。但鑒于GM自身結(jié)構(gòu)和組成的復(fù)雜性，其與宿主相互作用的機制尚未充分闡明，且臨床尚缺乏大樣本前瞻性隨機對照試驗加以驗證。因此，我們應(yīng)當充分利用高速發(fā)展的基因測序技術(shù)更加深入地探索GM與HE等各種疾病之間的關(guān)系，這不僅有助于提供一種靶向治療的方法，有助于新型益生菌及益生元制劑的研發(fā)，也將為精準醫(yī)學(xué)的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。