腸道微生物及其代謝產(chǎn)物與肝病的研究進(jìn)展

朱宏偉，肖鵬翔，劉其雨

(1.昆明醫(yī)科大學(xué)附屬甘美醫(yī)院普外科，昆明 650000； 2.昆明市第一人民醫(yī)院普外科，昆明 650000)

據(jù)世界衛(wèi)生組織第三輪全球健康評(píng)估統(tǒng)計(jì)顯示，全球每年約有200萬(wàn)人死于肝病[1]。我國(guó)作為肝病大國(guó)，每年約有50萬(wàn)人因終末期肝病而死亡[2]，肝病嚴(yán)重威脅人類(lèi)生命健康。既往由于菌群培養(yǎng)和檢測(cè)技術(shù)落后，腸道微生物相關(guān)的研究進(jìn)展緩慢，近年來(lái)隨著16SrRNA測(cè)序技術(shù)[3]、宏基因組學(xué)[4]、代謝組學(xué)等[5]微生物檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展及其在肝病研究中的廣泛應(yīng)用，腸道微生物與肝病的關(guān)系逐漸明確。正常情況下，腸道微生物與肝臟間處于一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，肝臟與腸道微生物通過(guò)“腸肝軸”在機(jī)體免疫應(yīng)答、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝、有害物質(zhì)分解、膽紅素腸肝循環(huán)以及必需維生素和微量元素的合成中發(fā)揮重要作用[6]。腸道微生物及其代謝產(chǎn)物種類(lèi)、數(shù)量或代謝活性發(fā)生改變可影響肝臟的正常生理功能，導(dǎo)致一系列肝病的發(fā)生[7]。腸道微生物主要通過(guò)其自身成分的作用以及其代謝產(chǎn)物對(duì)機(jī)體的調(diào)控，導(dǎo)致肝病的發(fā)生并影響肝病的進(jìn)展[8]。現(xiàn)就腸道微生物及其代謝產(chǎn)物與肝病的研究進(jìn)展予以綜述。

1 腸道微生物及其代謝產(chǎn)物

人體腸道內(nèi)的微生物總數(shù)接近1013～1014菌落形成單位，重1～1.5 kg，其種類(lèi)超過(guò)1 000種，人體腸道內(nèi)微生物的數(shù)量是人類(lèi)生殖細(xì)胞和體細(xì)胞的10倍[9]。腸道微生物菌群編碼約330萬(wàn)個(gè)基因，是人類(lèi)基因總數(shù)的100～150倍[10]，因此也被稱為人類(lèi)“第二指紋”或“第二基因組”[11]。數(shù)以萬(wàn)億的腸道微生物構(gòu)成了機(jī)體腸道內(nèi)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)體的健康起重要作用。腸道內(nèi)的正常菌群定植在腸黏膜表面和腸腔內(nèi)，與宿主之間相互作用達(dá)到平衡，形成一道維護(hù)機(jī)體健康的生物屏障，該生物屏障一方面通過(guò)腸道內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌種的定植抗力作用競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或阻止致病菌吸附、定植，進(jìn)而抑制致病菌或機(jī)會(huì)致病菌的生長(zhǎng)，防止或減少細(xì)菌移位，發(fā)揮占位性保護(hù)的作用[12]；另一方面，腸道內(nèi)的益生菌在生長(zhǎng)代謝過(guò)程中產(chǎn)生大量酸性物質(zhì)，導(dǎo)致腸道內(nèi)局部pH值降低，從而抑制其他潛在致病菌的生長(zhǎng)；同時(shí)，腸道內(nèi)的益生菌還可抑制并分解致病菌產(chǎn)生的毒素或刺激機(jī)體產(chǎn)生抗體和干擾素，增強(qiáng)局部和全身的免疫力[13]，維持腸道內(nèi)的微生態(tài)平衡。當(dāng)生物屏障被破壞時(shí)，腸道內(nèi)的益生菌數(shù)量減少，導(dǎo)致致病菌和機(jī)會(huì)致病菌不斷繁殖，并通過(guò)改變腸道的滲透性，造成腸道菌群異位至腸道外其他組織和器官，導(dǎo)致肝臟病變和全身感染[14]。腸道微生物還可參與機(jī)體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化以及物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)，同時(shí)產(chǎn)生短鏈脂肪酸、長(zhǎng)鏈脂肪酸、乙醇、膽堿、色氨酸代謝產(chǎn)物、膽汁酸等代謝產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物與機(jī)體作用形成腸道菌群——宿主共代謝產(chǎn)物，腸道微生物代謝產(chǎn)物在肝病的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中具有重要作用；同時(shí)，伴隨發(fā)酵產(chǎn)生的酚類(lèi)、胺類(lèi)、氨類(lèi)、內(nèi)毒素等有害物質(zhì)也被吸收入肝，加重肝臟解毒負(fù)荷，當(dāng)這些有害物質(zhì)達(dá)到一定水平時(shí)即可對(duì)肝臟功能造成損害[15]。

2 腸道微生物自身成分在肝病發(fā)生過(guò)程中的作用

微生物病原相關(guān)分子模式是細(xì)菌與其他微生物共有的組成部分，主要包括：①細(xì)菌的胞核成分；②脂多糖、肽聚糖、鞭毛素、脂蛋白等細(xì)菌胞壁成分；③單、雙鏈RNA等病毒產(chǎn)物。微生物病原相關(guān)分子模式的分子結(jié)構(gòu)恒定且進(jìn)化保守，是微生物生存或致病性所必需，但不會(huì)由人體宿主產(chǎn)生。病原相關(guān)分子模式可與免疫細(xì)胞上的病原體識(shí)別受體結(jié)合，產(chǎn)生炎癥反應(yīng)或直接引起肝細(xì)胞死亡。脂多糖是由腸道革蘭陰性菌產(chǎn)生的一種炎癥信號(hào)，脂多糖水平可隨著腸道滲透性的增加和細(xì)菌的過(guò)度生長(zhǎng)而升高，脂多糖與CD14、Toll樣受體4及脂溶性糖結(jié)合蛋白結(jié)合，可激活庫(kù)普弗細(xì)胞和肝前體細(xì)胞、肝細(xì)胞、膽管細(xì)胞中的Toll樣受體4[16-17]，觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致大量炎癥細(xì)胞因子釋放，進(jìn)而導(dǎo)致酒精性肝病中炎癥的產(chǎn)生[18]。研究發(fā)現(xiàn)，由酒精依賴受試者腸腔轉(zhuǎn)運(yùn)至門(mén)靜脈、體循環(huán)的細(xì)菌衍生產(chǎn)物脂多糖和肽聚糖水平升高，同時(shí)血液中的腫瘤壞死因子、白細(xì)胞介素-1β、白細(xì)胞介素-6、白細(xì)胞介素-8、白細(xì)胞介素-10和C反應(yīng)蛋白水平也均升高[19]。

3 腸道微生物代謝產(chǎn)物在肝病發(fā)生過(guò)程中的作用

3.1短鏈脂肪酸 短鏈脂肪酸是飲食中不易消化的碳水化合物、氨基酸或肽等物質(zhì)在腸道微生物的作用下發(fā)酵產(chǎn)生的細(xì)菌代謝產(chǎn)物。短鏈脂肪酸一方面作為宿主的重要能源營(yíng)養(yǎng)腸壁細(xì)胞，另一方面通過(guò)結(jié)合機(jī)體組織內(nèi)的G蛋白偶聯(lián)受體調(diào)節(jié)機(jī)體能量消耗[20]。研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物所致的短鏈脂肪酸合成異常與脂肪肝代謝異常有關(guān)[21]。此外，短鏈脂肪酸還可保護(hù)腸黏膜屏障，維持腸道的正常功能，同時(shí)抑制炎癥反應(yīng)、調(diào)控腸上皮細(xì)胞的生長(zhǎng)[22-23]。乙酸、丙酸和丁酸是短鏈脂肪酸中最主要的3種類(lèi)型[24]。乙酸鹽是乙醇代謝的產(chǎn)物，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期乙醇喂養(yǎng)的酒精性肝病大鼠腸腔內(nèi)乙酸鹽水平顯著升高[25]。丙酸作為一種重要的調(diào)節(jié)因子，可影響腸黏膜細(xì)胞的增殖和功能，在預(yù)防全身性自身免疫反應(yīng)中發(fā)揮作用。丁酸不僅可誘導(dǎo)腸黏蛋白的合成增加、鞏固緊密連接、降低腸道屏障的通透性、減少穿過(guò)腸道上皮的細(xì)菌數(shù)量[26]，還可通過(guò)促進(jìn)外周調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的胸腺外分化，抑制促炎細(xì)胞因子和核因子κB的轉(zhuǎn)錄，發(fā)揮抗炎作用[24]。研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期攝入酒精可導(dǎo)致酒精性肝病患者胃腸道中的丁酸鹽和丙酸鹽水平降低[27]，表明胃腸道內(nèi)丙酸鹽和丁酸鹽水平與酒精性肝病的形成有關(guān)。另有研究表明，甘油三丁酸酯可防止乙醇誘導(dǎo)破壞小鼠腸道的緊密連接，還可修復(fù)腸道絨毛，從而抑制腸道內(nèi)有害細(xì)菌的生長(zhǎng)[28]。

3.2飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸 飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸中的十五烷酸和十七烷酸是在腸道微生物菌群的作用下產(chǎn)生的[29]。長(zhǎng)期乙醇灌胃小鼠的腸道內(nèi)十五烷酸和十七烷酸水平顯著降低，表明乙醇可抑制產(chǎn)飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸細(xì)菌的生長(zhǎng)，導(dǎo)致相應(yīng)飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸水平降低；通過(guò)代謝組學(xué)方法研究發(fā)現(xiàn)，乳酸桿菌在體內(nèi)可代謝飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸，腸道飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸合成減少的同時(shí)也伴隨著乳酸桿菌數(shù)量的減少，而膳食補(bǔ)充飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸可預(yù)防乙醇喂養(yǎng)小鼠的生態(tài)失調(diào)[30]。益生菌鼠李糖乳桿菌GG補(bǔ)充劑可恢復(fù)受抑制小鼠腸道內(nèi)長(zhǎng)鏈脂肪酸的水平，表明乳酸桿菌具有代謝飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸、促進(jìn)腸腔中合成長(zhǎng)鏈脂肪酸微生物恢復(fù)的雙重作用[31]。由此可見(jiàn)，飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸對(duì)酒精性肝損傷具有保護(hù)作用，其缺失可導(dǎo)致酒精性肝病的發(fā)生。因此，恢復(fù)飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸水平可作為酒精性肝病的靶向治療方法。

3.3乙醇與乙醛 目前，酒精致肝病發(fā)生的機(jī)制主要包括酒精代謝假說(shuō)和免疫反應(yīng)假說(shuō)[32]。部分需氧菌可產(chǎn)生乙醇脫氫酶，促進(jìn)內(nèi)、外源性乙醇代謝，導(dǎo)致門(mén)靜脈血中和腸腔內(nèi)的乙醛水平升高，從而破壞腸黏膜屏障功能，加重肝臟損傷。有研究顯示，乙醇與乙醛等可通過(guò)一氧化氮介導(dǎo)的氧化應(yīng)激直接損傷腸黏膜上皮細(xì)胞，破壞腸道機(jī)械屏障中的腸上皮細(xì)胞層[33]。同時(shí)，細(xì)胞培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn)，乙醇和乙醛也可通過(guò)抑制腸道緊密連接蛋白的表達(dá)，破壞上皮緊密連接分子的完整性，改變腸道超微結(jié)構(gòu)，破壞腸機(jī)械屏障中的緊密連接層[34]。此外，乙醇及其代謝產(chǎn)物還可破壞機(jī)械屏障的黏液層以及化學(xué)屏障和免疫屏障。研究表明，長(zhǎng)期酗酒可導(dǎo)致人腸上皮再生胰島素衍生物-3凝集素水平降低，且乙醇攝入小鼠腸壁細(xì)胞的黏蛋白2表達(dá)減少[12]。此外，與普通飼料喂養(yǎng)的分泌性免疫球蛋白A基因敲除小鼠相比，長(zhǎng)期乙醇喂養(yǎng)的小鼠血漿分泌性免疫球蛋白A水平升高，但腸道中的分泌性免疫球蛋白A水平降低，同時(shí)乙醇喂養(yǎng)小鼠腸道內(nèi)的細(xì)菌轉(zhuǎn)移較普通飼料喂養(yǎng)的小鼠增強(qiáng)[35]。腸道屏障受損后其通透性增加，導(dǎo)致細(xì)菌及有害物質(zhì)易位至肝臟，誘發(fā)炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生，進(jìn)一步加重酒精性肝損傷。

3.4膽堿 膽堿作為細(xì)胞膜的組成部分，主要通過(guò)膳食攝取[36]。膽堿在腸道內(nèi)被微生物加工成小分子代謝物三甲胺，三甲胺經(jīng)腸道吸收入肝后在酶的作用下轉(zhuǎn)化為氧化三甲胺，氧化三甲胺主要通過(guò)下調(diào)肝臟膽汁酸合成關(guān)鍵酶膽固醇27α-羥化酶和膽固醇7α-羥化酶的表達(dá)，調(diào)節(jié)機(jī)體膽固醇和膽汁酸的代謝[37]。氧化三甲胺也可被宿主吸收并轉(zhuǎn)化為磷脂酰膽堿，而磷脂酰膽堿水平降低可導(dǎo)致極低密度脂蛋白的組裝和分泌減少，進(jìn)而導(dǎo)致三酰甘油在肝細(xì)胞中積累；而大腸埃希菌和脫硫脫硫弧菌等細(xì)菌則可以將膽堿轉(zhuǎn)化為甲胺[38]。人類(lèi)長(zhǎng)期低膽堿飲食可導(dǎo)致脂肪肝的發(fā)生，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，飲食中膽堿-甲硫氨酸缺乏的嚙齒動(dòng)物不僅會(huì)發(fā)展為脂肪肝，還會(huì)進(jìn)一步發(fā)展為肝纖維化和肝癌[39]。低膽堿和甲硫氨酸飲食導(dǎo)致肝纖維化和肝癌發(fā)生的具體機(jī)制目前尚不明確。

3.5色氨酸代謝物 食物中1%～2%的色氨酸在色氨酸羥化酶的作用下轉(zhuǎn)化為5-羥色胺[40]，5-羥色胺可通過(guò)下調(diào)緊密連接蛋白的表達(dá)改變腸道通透性，同時(shí)還可作為一種強(qiáng)促炎介質(zhì)促進(jìn)炎癥的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)表明，高熱量飲食可引起小鼠體內(nèi)5-羥色胺水平升高、小腸緊密連接蛋白水平降低，進(jìn)而造成胃腸道黏膜屏障損傷，導(dǎo)致其通透性增加[41]。機(jī)體胃腸道黏膜屏障被腸道內(nèi)細(xì)菌破壞后，細(xì)胞免疫與炎癥反應(yīng)立即被激活，導(dǎo)致腸道微生物代謝產(chǎn)物進(jìn)入肝臟，引起肝細(xì)胞損傷、變性和纖維化[40]。食物中其他大部分色氨酸在色氨酸酶的作用下由腸道內(nèi)共生菌分解為吲哚或其衍生物。吲哚衍生物具有預(yù)防肝病發(fā)生的作用，其潛在機(jī)制主要包括：①吲哚作為芳烴受體的配體，可特異性激活芳烴受體，導(dǎo)致杯狀細(xì)胞產(chǎn)生黏液；②吲哚通過(guò)激活孕烷X受體上調(diào)細(xì)胞連接相關(guān)分子的表達(dá)，加強(qiáng)腸上皮的緊密連接，強(qiáng)化腸道的屏障功能；③吲哚還可由腸腔轉(zhuǎn)運(yùn)至肝臟，直接作用于肝臟中的肝細(xì)胞和免疫細(xì)胞，影響肝臟的脂質(zhì)代謝并產(chǎn)生抗炎、抗氧化作用，從而達(dá)到保護(hù)機(jī)體、預(yù)防肝病的目的[42]。

3.6膽汁酸 肝臟內(nèi)的膽鹽和膽紅素水平過(guò)高可持續(xù)刺激肝臟庫(kù)普弗細(xì)胞、激活炎癥通路，導(dǎo)致炎癥細(xì)胞因子大量分泌，破壞腸黏膜屏障和肝功能。應(yīng)用外源性膽汁酸可促進(jìn)大鼠體內(nèi)脫氧膽酸的生成，導(dǎo)致腸道內(nèi)的菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變(如厚壁菌門(mén)/擬桿菌門(mén)比例顯著升高)[43]；同時(shí)，也可導(dǎo)致產(chǎn)芽孢菌和病原性梭狀芽孢桿菌的數(shù)量增加，從而引發(fā)結(jié)腸炎和肝硬化[44]。膽汁酸生成的途徑主要包括經(jīng)典(或中性)途徑和替代(或酸性)途徑。腸道微生物群通過(guò)調(diào)節(jié)膽汁酸生成途徑中限速酶甾醇-27-羥化酶、25-羥基膽固醇7α-羥化酶和膽固醇7α-羥化酶的表達(dá)，調(diào)控膽汁酸的生成[45]。親水性膽鹽具有細(xì)胞保護(hù)作用，初級(jí)膽汁酸結(jié)合甘氨酸(少部分?；撬?后形成結(jié)合型膽汁酸，其水溶性增加，不易透過(guò)腸道上皮，從而防止其從腸道中流失[46]。具有膽汁鹽水解酶效應(yīng)的細(xì)菌(雙歧桿菌、乳酸桿菌、擬桿菌和梭菌等)可主導(dǎo)膽汁酸去結(jié)合(去除甘氨酸、?；撬峋Y合物)過(guò)程，再次將結(jié)合膽汁酸水解為游離膽汁酸。約95%的膽汁酸在回腸末端經(jīng)腸細(xì)胞頂膜鈉依賴性膽鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體被重吸收，而剩余的約5%初級(jí)膽汁酸則進(jìn)入結(jié)腸被代謝為次級(jí)膽汁酸[47]。此外，未被重吸收的膽汁酸還可被氧化生成氧-(或酮-)膽汁酸，此過(guò)程需要具有羥基類(lèi)固醇脫氫酶活性的細(xì)菌參與，其屬于變形菌門(mén)、放線菌門(mén)、厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)[48]。石膽酸、脫氧膽酸、熊去氧膽酸等次級(jí)膽汁酸屬于疏水性膽鹽，具有細(xì)胞毒性。實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)菌或經(jīng)抗生素處理的小鼠甘氨酸共軛膽汁酸和次級(jí)膽汁酸水平顯著降低，而?；撬峁曹椖懼崴絼t顯著升高[45]。有研究表明，腸道內(nèi)產(chǎn)7α-脫羥基酶細(xì)菌的數(shù)量顯著減少[49]。此外，抗生素治療可通過(guò)抑制成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子15的表達(dá)，上調(diào)膽固醇7α-羥化酶的表達(dá)[50]。以上實(shí)驗(yàn)均表明，腸道微生物對(duì)膽汁酸的合成具有調(diào)控作用。膽汁酸在多種肝病的發(fā)病機(jī)制中具有重要作用，因此未來(lái)通過(guò)靶向移植相關(guān)腸道微生物，對(duì)膽汁酸的合成進(jìn)行調(diào)控，將有助于相關(guān)肝病的治療。

4 小 結(jié)

人體腸道微生物菌群是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，腸道內(nèi)的菌群種類(lèi)與數(shù)量繁多，菌群本身的復(fù)雜性和多樣性導(dǎo)致該領(lǐng)域臨床精準(zhǔn)研究的難度較大。腸道內(nèi)微生物及其代謝產(chǎn)物與多種肝病均密切相關(guān)，但具體機(jī)制目前尚未明確，且研究成果也有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證、完善，同時(shí)還應(yīng)在更高水平和層次上進(jìn)行探索、創(chuàng)新，最終明確其相互作用的具體機(jī)制。未來(lái)，對(duì)腸道微生物菌群及其代謝產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，有利于明確肝病的診斷、了解疾病的進(jìn)程，同時(shí)還可通過(guò)靶向干預(yù)腸道微生物及其代謝產(chǎn)物水平，恢復(fù)腸道微生物穩(wěn)態(tài)，從而達(dá)到治療肝病的目的。