腸道菌群在肝性腦病中的作用機(jī)制

姬曉彤， 賀韻涵， 戚瑩媛， 楊曉航

陜西中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院， 陜西 咸陽(yáng) 712046

1 肝性腦病(hepatic encepathalopathy, HE)

HE是由肝功能不全和(或)門靜脈系統(tǒng)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(jīng)精神改變[1]。HE的病理生理機(jī)制主要取決于其并發(fā)癥，如炎癥、氧化應(yīng)激、血腦屏障通透性受損、神經(jīng)毒素以及腦能量代謝等多方面的因素。近年來研究[2]發(fā)現(xiàn)腸道菌群組成與HE患者的中樞神經(jīng)系統(tǒng)改變有關(guān)，包括小腸細(xì)菌過度生長(zhǎng)、腸道菌群結(jié)構(gòu)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(tài)平衡被打破有密切聯(lián)系[3]。

2 腸道微生物及其作用

人類腸道中微生物總量多達(dá)100萬億甚至更多，早在幼兒時(shí)期就已經(jīng)穩(wěn)定了,這主要取決于飲食模式,如西方以高動(dòng)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(dòng)植物產(chǎn)品組成的飲食可改變微生物群落結(jié)構(gòu)；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(xì)菌總數(shù)明顯低于對(duì)照組。

腸道微生物在機(jī)體中發(fā)揮至關(guān)重要的作用,他們可以通過調(diào)節(jié)內(nèi)皮組織中緊密連接蛋白的表達(dá)來影響血腦屏障的通透性，腸道屏障的改變?cè)诟螕p傷的發(fā)病機(jī)制和進(jìn)展中起著重要作用。在門靜脈結(jié)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(fā)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(xì)胞的衰老。

3 腸道菌群-肝-腦軸

腸道和肝臟在解剖學(xué)和生理學(xué)上以膈相連，身體75%的血液經(jīng)門靜脈進(jìn)入體循環(huán)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及細(xì)菌化合物通過門靜脈循環(huán)到達(dá)肝臟，肝臟免疫系統(tǒng)必須對(duì)無害菌保持耐受的同時(shí)激活致病菌，防止它們進(jìn)入體循環(huán)。因此，腸腔內(nèi)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(xì)菌代謝產(chǎn)物甚至是腸道微生物本身轉(zhuǎn)移到肝臟，如氨、神經(jīng)遞質(zhì)、短鏈脂肪酸、膽汁酸等參與膽堿代謝,將其轉(zhuǎn)化為二甲基胺、三甲胺、二甲基甘氨酸等,經(jīng)肝臟轉(zhuǎn)化為三甲氧化胺從而引起肝損害[9-10]。與此同時(shí)，大腦膠質(zhì)細(xì)胞受到炎癥刺激進(jìn)一步釋放促炎因子，其中TNFα、IL-1損傷腦血管內(nèi)皮細(xì)胞而破壞血腦屏障，與腸道來源的氨協(xié)同作用加重神經(jīng)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(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)必須建立復(fù)雜的相互作用系統(tǒng)來維持體內(nèi)平衡,即腸道菌群-肝-腦軸[12]。

4 腸道菌群-肝-腦軸通過神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控HE

4.1 神經(jīng)遞質(zhì)的改變 隨著研究的深入，腸道微生物在神經(jīng)發(fā)育中的重要性成為關(guān)注的焦點(diǎn),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(duì)腸道微生物進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，僅定值了8種細(xì)菌的ASF小鼠與傳統(tǒng)小鼠相比,ASF小鼠出現(xiàn)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(xiàn)出更多的“冒險(xiǎn)行為”和學(xué)習(xí)記憶方面的缺陷，當(dāng)無菌小鼠體內(nèi)移植了正常的菌群后,血清和結(jié)腸中的5-HT、促腎上腺皮質(zhì)激素和皮質(zhì)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(dòng)。

有研究者[16]通過將微生物群與大腦MRI結(jié)合起來對(duì)187例受試者(40例對(duì)照組,147例肝硬化患者)進(jìn)行全身炎癥評(píng)估、認(rèn)知測(cè)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(fā)現(xiàn)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(xì)胞的改變有關(guān)。星形膠質(zhì)細(xì)胞是腦中完成血氨代謝的唯一細(xì)胞，慢性肝病時(shí),腦組織中過多的氨在星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化成谷氨酸和谷氨酰胺,谷氨酰胺堆積導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)滲透壓增加,引起星形膠質(zhì)細(xì)胞腫脹,出現(xiàn)低度腦水腫，而谷氨酸興奮性神經(jīng)遞質(zhì),可引起煩躁、癲癇發(fā)作甚至昏迷等HE 的臨床表現(xiàn)。

同時(shí)，肝硬化患者腸道微生物的產(chǎn)氨量與γ-氨基丁酸合成量增加呈正相關(guān)，且腸道微生物產(chǎn)生的神經(jīng)遞質(zhì)如吲哚、谷氨酰胺和5-HT等被認(rèn)為與HE的發(fā)病有密切聯(lián)系[17-18]。由此可見，微生物群對(duì)個(gè)體的影響可能是通過影響神經(jīng)遞質(zhì)及不同的細(xì)胞類型,在最終的發(fā)病機(jī)制中介導(dǎo)與肝相關(guān)的認(rèn)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(diào)節(jié)膳食脂肪吸收的同時(shí)對(duì)腸道菌群的選擇也起著關(guān)鍵作用[19]。Weiss等[20]在HE患者的腦脊液中發(fā)現(xiàn)了高濃度的膽汁酸，研究表明，在膽管結(jié)扎模型中[21]，循環(huán)膽汁酸顯著增加，血腦屏障完整性顯著降低，根據(jù)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(fā)展中，膽汁酸也起了一定作用[22]，因此，膽汁酸在HE發(fā)展中的機(jī)制也需進(jìn)一步明確。

5 腸道菌群-肝-腦軸通過免疫系統(tǒng)調(diào)控HE

免疫系統(tǒng)是調(diào)節(jié)細(xì)菌、胃腸道和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[23]。微生物菌群失調(diào)，腸道屏障被破壞，導(dǎo)致腸道通透性增加、細(xì)菌移位，細(xì)菌產(chǎn)物通過門靜脈到達(dá)肝臟被特異性識(shí)別受體識(shí)別，激活免疫系統(tǒng)，從而誘發(fā)炎癥反應(yīng)[24]。

5.1 脂多糖(LPS)的作用 細(xì)菌產(chǎn)物是由免疫系統(tǒng)通過識(shí)別病原體相關(guān)模式分子來識(shí)別的。LPS是研究最多的一種內(nèi)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(guān)機(jī)制有關(guān)。研究[25]發(fā)現(xiàn)LPS誘導(dǎo)的TLR4信號(hào)持續(xù)促進(jìn)肝硬化的發(fā)生，TLR4通過共受體CD14和MD-2激活先天免疫對(duì)LPS產(chǎn)生應(yīng)答從而導(dǎo)致肝纖維化的形成。此外,有研究[26]也指出在CCL4誘導(dǎo)的肝硬化小鼠中,LPS-TLR4途徑通過肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子增加肝細(xì)胞增殖和抗凋亡信號(hào)促進(jìn)肝癌的發(fā)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(hào)在脂肪肝中上調(diào)有關(guān)。由此可見，長(zhǎng)期暴露于低濃度的LPS可能會(huì)導(dǎo)致肝損傷，調(diào)節(jié)LPS-TLR4軸是否會(huì)改善HE患者病情仍需深入探索。

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

犬尿酸是色氨酸的代謝產(chǎn)物之一，通常與精神分裂癥及抑郁癥的發(fā)生有密切聯(lián)系。在嚙齒動(dòng)物的研究[27-28]中發(fā)現(xiàn)，腦中犬尿酸神經(jīng)毒性代謝產(chǎn)物是通過犬尿酸氧化酶產(chǎn)生，而這種酶主要存在于膠質(zhì)細(xì)胞中，犬尿酸濃度的增加會(huì)導(dǎo)致谷氨酸能和膽堿能的改變，并間接導(dǎo)致多巴胺能信號(hào)的改變，從而產(chǎn)生狂躁、認(rèn)知障礙等精神癥狀。

5.3 淋巴細(xì)胞的作用 免疫細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)和再循環(huán)需要嚴(yán)格控制淋巴器官的血液供應(yīng)，而局部產(chǎn)生的細(xì)胞因子和交感神經(jīng)纖維的相互作用有助于這種控制，換言之，體內(nèi)免疫細(xì)胞功能的驅(qū)動(dòng)很可能是由于細(xì)胞因子引起的淋巴器官血液供應(yīng)的改變，特別是當(dāng)淋巴器官?zèng)]有血液循環(huán)時(shí)，如脾臟。這一觀點(diǎn)需要重新審視交感神經(jīng)末梢在控制免疫細(xì)胞運(yùn)輸、循環(huán)和歸巢中的重要性[27]。

在感染、嚴(yán)重創(chuàng)傷及大量抗生素使用的情況下，腸道黏膜屏障遭到破壞，細(xì)菌及內(nèi)毒素移位破壞黏膜免疫系統(tǒng)，導(dǎo)致炎癥的產(chǎn)生。而小腸上皮淋巴細(xì)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(dǎo)致腸道菌群失調(diào)的實(shí)驗(yàn)證明：腸道微生物屏障破壞導(dǎo)致腸道上皮淋巴細(xì)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(xì)胞在調(diào)節(jié)菌群穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮巨大作用，但是，神經(jīng)支配通過調(diào)節(jié)淋巴器官供血來調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞功能的可能性有待進(jìn)一步研究。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)的炎癥有著復(fù)雜的機(jī)制，除了小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞外，其他細(xì)胞也參與了HE的神經(jīng)炎癥反應(yīng)，這不僅涉及到神經(jīng)免疫的調(diào)控機(jī)制，神經(jīng)內(nèi)分泌以及激素的代謝也發(fā)揮著重要作用。但是，在神經(jīng)精神疾病的背景下，免疫系統(tǒng)和大腦之間的確切溝通機(jī)制尚未完全闡明，這可能是HE病情進(jìn)展的重要機(jī)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(tài)制劑已廣泛運(yùn)用于臨床，并取得了相應(yīng)療效，但其類型及作用機(jī)制還需進(jìn)一步闡明。

目前，腸道菌群已被當(dāng)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(jì),就有報(bào)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(xué)研究所已經(jīng)修訂了糞苗移植協(xié)議[31]，目前尚不清楚何種給藥途徑在相應(yīng)疾病的發(fā)展中發(fā)揮作用，但研究[32]發(fā)現(xiàn)直腸途徑對(duì)艱難梭菌引起的腹瀉、克羅恩病和潰瘍性結(jié)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(rèn)知功能。在一項(xiàng)嚴(yán)重酒精肝患者接受菌群移植的實(shí)驗(yàn)中,Philips等[34]證明,與對(duì)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(gè)月共存。因此，菌群的選擇、儲(chǔ)存方式及給藥途徑是治療神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病亟待解決的問題。

7 小結(jié)

綜上所述，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物在菌群-肝-腦軸對(duì)HE的調(diào)控中發(fā)揮了重要作用，菌群失調(diào)，腸道屏障被破壞，體循環(huán)在傳送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)也將有害物質(zhì)(二甲基胺、三甲胺、二甲基甘氨酸等)輸送至體內(nèi)，導(dǎo)致免疫系統(tǒng)被激活，炎癥信號(hào)通過不同的機(jī)制到達(dá)大腦，包括迷走神經(jīng)傳入通路的激活、血液中直接細(xì)胞因子和LPS信號(hào)，引起煩躁、癲狂、昏迷等一系列神經(jīng)精神癥狀。因此,深入研究腸道菌群的作用機(jī)制對(duì)HE及神經(jīng)系統(tǒng)類疾病的治療非常有必要。