膽汁酸代謝及腸道微生態(tài)對慢性肝臟疾病的影響*

牙程玉 張榮臻 王秀峰 王挺帥 趙慶瑞 陳瑋鈺 毛德文△

1.廣西中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院肝病一區(qū) (廣西 南寧, 530023) 2.廣西中醫(yī)藥大學(xué)

膽汁酸(BAs)的代謝異常及腸道菌群的紊亂,均可導(dǎo)致不同程度的肝臟疾病或由肝臟疾病引發(fā)的相關(guān)并發(fā)癥。肝臟可通過門靜脈系統(tǒng)接觸腸道靜脈,故肝臟容易受到腸腔經(jīng)門靜脈轉(zhuǎn)運的細菌產(chǎn)物的影響。另外,肝臟可以通過膽道系統(tǒng)和BAs的相互作用來調(diào)節(jié)腸道菌群的平衡,腸道菌群移位也可能損害肝臟穩(wěn)態(tài)[1],由此可見,BAs及腸道菌群在肝臟疾病中占據(jù)重要地位。

1 BAs的合成與代謝

BAs是由肝臟中的膽固醇合成的內(nèi)源性分子,是膽汁的主要成分。肝細胞分泌BAs和其他膽汁性化合物會產(chǎn)生膽汁流動,并有助于消除例如膽紅素和激素等內(nèi)源性化合物和代謝產(chǎn)物[2]。肝臟是唯一具有BAs合成所需所有酶的器官,BAs的合成分為兩種途徑:經(jīng)典途徑及替代途徑[3]。正常情況下,經(jīng)典途徑是由膽固醇7α-羥化酶(CYP7A1)催化膽固醇7α位羥化作用引發(fā)的,CYP7A1是限速酶,可控制BAs的產(chǎn)量,由經(jīng)典途徑產(chǎn)生的BAs約占BAs總產(chǎn)量的75%,主要產(chǎn)生初級膽酸,即膽酸(CA)和鵝脫氧膽酸(CDCA);替代途徑則由甾醇27-羥化酶(CYP27A1)催化產(chǎn)生[4],主要產(chǎn)生CDCA。CA與CDCA分別通過BAs-CoA合酶(BACS)和BAs-氨基酸轉(zhuǎn)移酶(BAT)與甘氨酸、?；撬峤Y(jié)合形成結(jié)合型BAs,也就是二級膽酸,是正常膽汁的主要存在形式,正常情況下,結(jié)合型BAs經(jīng)膽管進入腸道,在7α脫氫酶的作用下分解成脫氧膽酸(DCA)和石膽酸(LCA)。

2 BAs的腸肝循環(huán)

BAs儲存在膽囊中,人體在攝入食物后,膽囊在胰酶分泌素作用下收縮,將BAs分泌至小腸中,BAs是兩親性類固醇酸,被認為是不可缺少的“清潔劑”,它通過小腸形成膠束來促進膳食脂質(zhì)和親脂性維生素的消化吸收[5],初級BAs進入小腸后,在腸道菌群作用下將初級BAs轉(zhuǎn)化成次級BAs,約95%的BAs通過彌散作用在回腸中重吸收,少部分結(jié)合型BAs被BAs鹽水解酶(BSH)催化成游離的BAs,再經(jīng)腸道菌群以脫羥基形式,轉(zhuǎn)化為次級BAs后被重新吸收[6],其余則由糞便排出,重吸收的BAs由門靜脈回流至肝臟,再在肝臟內(nèi)合成,并與新生成的初級BAs一同排入腸道,不斷循環(huán),這一過程便構(gòu)成了BAs的腸肝循環(huán)[7],而未被吸收的BAs可以作為微生物代謝的底物,并發(fā)生生物轉(zhuǎn)化。BAs從門靜脈循環(huán)到肝細胞的轉(zhuǎn)運可分為兩種機制,一是通過Na+依賴性途徑,二是通過Na+非依賴性途徑進行的,Na+依賴途徑過程中,需要鈉離子-牛磺膽酸共轉(zhuǎn)運蛋白(NTCP)的參與,NTCP通常在人肝細胞表面表達,并負責(zé)運送BAs,是BAs及膽鹽腸肝循環(huán)中最重要的轉(zhuǎn)運體,而Na+非依賴途徑則是通過有機陰離子轉(zhuǎn)運多肽(OATP)進行的,OATP可調(diào)節(jié)肝細胞對底物的攝取,同時也包含了對BAs的轉(zhuǎn)運[8]。

3 腸道微生態(tài)

人類機體最龐大及重要的微生態(tài)系統(tǒng)為腸道的微生態(tài)系統(tǒng),正常情況下,人體為某些定植于腸道的微生物提供適宜的環(huán)境和營養(yǎng),另一方面,這些微生物及其代謝產(chǎn)物也在人體內(nèi)發(fā)揮生物屏障功能,參與免疫系統(tǒng)成熟和免疫應(yīng)答的調(diào)節(jié),并對機體內(nèi)多種生理代謝起著重要作用[9]。腸道菌群是一個由細菌、原生動物、古細菌、真菌和病毒組成的多樣化生態(tài)系統(tǒng),它們之間以特定的共生關(guān)系與人體共存,腸道菌群現(xiàn)已發(fā)展成為許多腸道和腸道外疾病的病理生理學(xué)中的重要新角色。目前可知,腸道菌群在人類機體內(nèi)參與消化、維生素B的合成、免疫調(diào)節(jié)以及促進血管生成和神經(jīng)功能等[10]。人體腸道內(nèi)寄生著近10萬億個細菌,肝臟是與腸道最緊密接觸的器官,并暴露于大量細菌成分和代謝產(chǎn)物中,各種肝臟疾病,例如酒精性肝病、非酒精性肝病、原發(fā)性硬化性膽管炎以及肝癌等,都與腸道微生物組的改變有關(guān)[11]。

4 BAs代謝與腸道菌群

BAs池的組成是由腸道中的細菌代謝介導(dǎo)的,并與宿主存在內(nèi)在聯(lián)系[12],是宿主新陳代謝的中央調(diào)節(jié)器。腸道菌群將腸道BAs生物轉(zhuǎn)化為未結(jié)合形式的能力是胃腸道代謝穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵,與BAs代謝有關(guān)的腸道菌群的主要細菌屬包括:BAs結(jié)合的擬桿菌、梭菌、乳桿菌、雙歧桿菌和李斯特菌;真桿菌、梭狀芽孢桿菌、大腸桿菌等[13]。其中,雙歧桿菌和擬桿菌是參與BAs代謝的腸道微生物群的主要細菌屬。腸道菌群的組成和功能是動態(tài)的,并受飲食特性(如脂質(zhì)的數(shù)量和組成)的影響,因此,飲食中的脂質(zhì)可能通過與腸道菌群相互作用而影響宿主生理。脂質(zhì)既作為細菌代謝過程的底物,又通過毒性作用抑制細菌的生長,從而影響腸道菌群[14]。此外,腸道微生物中存在三種不同的微生物羥基甾類脫氫酶(HSDH),3α-HSDH、7α-HSDH和12α-,它們導(dǎo)致BAs上特定羥基的氧化和差向異構(gòu)化,HSDH可單獨從宿主衍生的BAs中形成20多種代謝產(chǎn)物[15]。Ridlon等[16]推測這些BAs代謝物是作為微生物與其他腸道微生物(通過微生物-微生物相互作用)和/或改變宿主生理(通過微生物-宿主相互作用)的信號分子而進化的;腸道菌群可通過法尼酯衍生物X受體(FXR)和跨膜G蛋白偶聯(lián)受體5(TGR 5)參與BAs的代謝,改變膽汁的成分[17],這兩種受體都位于宿主免疫系統(tǒng)與腸道菌群的界面,并在先天免疫細胞(如腸道和肝臟巨噬細胞、樹突狀細胞和自然殺傷性T細胞)中高度表達。FXR是肝臟中BAs合成的主要調(diào)節(jié)劑,BAs(如CA、CDCA)通過激活FXR受體和表皮生長因子受體信號傳導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)腸道細胞的增殖[18],腸道FXR的激活誘導(dǎo)成纖維細胞生長因子15(FGF15)激活肝FGF受體4/β-Klotho信號傳導(dǎo),從而抑制BAs的合成[19]。通常,CA和CDCA在上消化道中含量最高,FXR活化后又可通過抑制膽CYP7A1的活性來調(diào)節(jié)肝臟脂肪的從頭合成和血漿甘油三酯的運輸、合成和利用;Parseus等[20]通過給有或沒有細菌的野生型和FXR基因敲除小鼠喂食高脂飲食,表明微生物群引起的體重增加、脂肪變性和炎癥取決于FXR信號傳導(dǎo),因此,BAs的微生物加工可能會通過與FXR相互作用來影響脂質(zhì)代謝。TGR 5在肝組織中的Kupffer細胞和內(nèi)皮細胞中表達,并起調(diào)節(jié)肝臟炎癥和葡萄糖代謝以及改善胰島素敏感性的作用[21],有研究表明,TGR 5信號傳導(dǎo)誘導(dǎo)腸內(nèi)分泌L細胞釋放GLP-1,從而改善肥胖小鼠的肝臟和胰腺功能,對脂質(zhì)合成和儲存具有潛在影響,此外,TGR 5還可通過抑制巨噬細胞中的NF-κB信號傳導(dǎo)和細胞因子生成來減輕炎癥反應(yīng);另外,DCA和LCA是TGR 5的優(yōu)先配體,在回腸末端和結(jié)腸中含量最高,由腸道菌群操作的7α-脫羥基作用的效果是減少了BAs CA和CDCA的量,同時增加了BAs DCA和LCA的濃度[22]。BAs中,主要是DCA,其通過對細菌細胞膜的去污作用來完成抗菌特性,并且能夠影響腸道菌群的種類,這會破壞細菌的完整性并調(diào)節(jié)微生物種群。膽汁流動受阻是細菌過度生長和腸道易位的主要因素[23]。研究發(fā)現(xiàn),在小鼠模型中,口服BAs可逆轉(zhuǎn)這種情況,FXR誘導(dǎo)的基因表達也可調(diào)節(jié)這種作用,該表達與腸保護和抑制細菌對腸黏膜的損害有關(guān)。

5 BAs與慢性肝病

脂肪性肝病是以肝細胞脂肪過度貯積和脂肪變性為特征的臨床病理綜合征,根據(jù)有無長期過量飲酒分為非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)和酒精性脂肪性肝病(ALD)。NAFLD是代謝綜合征在肝臟的表現(xiàn),有研究表明,飲食中結(jié)合初級BAs的減少、非結(jié)合及次級BAs增加和腸道菌群改變相關(guān),可能與脂肪組織活化及能量消耗增加有關(guān),進而預(yù)防肥胖和代謝綜合征進展[24]。肝臟通過核受體調(diào)節(jié)的復(fù)雜通路網(wǎng)絡(luò)控制BAs穩(wěn)態(tài),一個重要的調(diào)節(jié)因子是成纖維細胞生長因子19(FGF19),它是一種在腸道中分泌并通過門靜脈循環(huán)到達肝臟的激素,是肝臟調(diào)節(jié)BAs穩(wěn)態(tài)的一個重要的調(diào)節(jié)因子,酒精性肝炎患者的總BAs和結(jié)合BAs顯著增加,在酒精性肝炎患者的膽管上皮細胞和膽管細胞中,血清FGF19水平顯著升高,并誘導(dǎo)FGF19基因表達[25]。

在早期肝硬化患者中,與沒有肝細胞癌(HCC)的患者相比,同時患有HCC的患者的總BAs和原發(fā)性結(jié)合 BAs 的濃度顯著更高,這表明在早期肝硬化和高水平總和原發(fā)性結(jié)合 BAs 患者中,應(yīng)考慮HCC的發(fā)生?？侭As和主要結(jié)合BAs可能是早期肝硬化患者早期診斷HCC的潛在生物標(biāo)志物[26]。另外,有研究表明,結(jié)合型初級BAs與HBV和HCV相關(guān)HCC的風(fēng)險增加有關(guān)。然而,較高水平的次級BAs與 HCC 風(fēng)險增加無關(guān);事實上,DCA可能與降低HBV相關(guān)HCC的風(fēng)險有關(guān)[27]。

BAs在癌癥發(fā)展中發(fā)揮著不同的作用,BAs信號也參與各種代謝、炎癥和免疫相關(guān)的過程,一項前瞻性研究發(fā)現(xiàn),循環(huán)中BAs水平的升高,尤其是甘氨膽酸(GCA)和?；撬峤Y(jié)合的BAs,與HCC的發(fā)生密切相關(guān)[28]。FXR信號是BAs介導(dǎo)HCC發(fā)展的最重要途徑,除FXR外,BAs介導(dǎo)的肝癌發(fā)生還涉及TGR 5和多種炎癥信號,這意味著BAs參與了肝癌的免疫治療過程,親水性BA-UDCA通過下調(diào)膜內(nèi)信號傳導(dǎo)對肝癌也有治療作用[29]。FXR在免疫微環(huán)境中發(fā)揮關(guān)鍵作用,不僅通過調(diào)節(jié)HCC細胞中PD-L1的水平,而且通過影響腫瘤衍生的外泌體來調(diào)節(jié)CD4+T細胞免疫共刺激靶點[30]。

在PBC和PSC中,免疫和BAs代謝紊亂都很明顯。在這兩種疾病中,膽管中的強烈炎癥反應(yīng)會導(dǎo)致進行性膽道纖維化,從而導(dǎo)致上行性膽汁淤積。PBC和PSC中免疫細胞的激活導(dǎo)致免疫平衡傾向于炎癥表型,這兩種疾病的患者肝臟中細胞毒性,特別是疏水性BAs的積累進一步加劇了免疫反應(yīng),促進了纖維化的發(fā)展,并可能發(fā)展為惡性腫瘤[31]。此外,還有研究表明肝衰竭患者血液中積累的BAs會激活單核細胞中的TGR 5,從而損害單核細胞功能,激活TGR 5的血清BAs與肝衰竭死亡率增加有關(guān)[32]。

6 腸道菌群與慢性肝病

小腸細菌過度生長(SIBO)又稱小腸淤積綜合征,指的是小腸內(nèi)菌群數(shù)量或菌群種類改變,達到一定程度后,臨床引起腹痛、腹脹、腹瀉或吸收不良的表現(xiàn),可進一步體現(xiàn)為體重下降、貧血或營養(yǎng)不良。許多患有慢性肝病的患者都伴有SIBO,且SIBO與肝病的嚴(yán)重程度有直接關(guān)系,由于腸蠕動降低和BAs生成降低,SIBO在腸道通透性增加及NAFLD發(fā)展進程中起作用,SIBO還可以增加脂多糖(LPS)的分泌、Toll樣受體4(TLR4)的表達以及IL-8的釋放[33],這些都促進了炎癥的產(chǎn)生,而炎癥又可以抑制肝臟中BAs的合成。腸細胞具有Toll樣受體(TLR)和NOD樣識別細菌LPS受體(NLR)、細菌DNA和肽聚糖。通過它的受體導(dǎo)致炎癥遞質(zhì)TNF-α上調(diào)的細菌產(chǎn)物的識別。在此過程中,另一個不可或缺的因素是門靜脈,它是LPS和其他細菌產(chǎn)物從腸到肝臟傳輸?shù)闹饕艿?。這條鏈的最后一步是代謝物通過肝TLR和NLR與肝細胞和Kupffer細胞相互作用,從而導(dǎo)致促進肝硬化形態(tài)的變化。肝硬化一旦發(fā)生,微生物組變化通常是由于其他機制在促進營養(yǎng)不良中起更大作用[34]。這些可以具有臨床相關(guān)的結(jié)果如HE,感染如SBP、慢加急性肝衰竭(ACLF)。

微生物可以通過多種方式誘發(fā)慢性炎癥:粘附于上皮,通過與TLR結(jié)合和/或Treg細胞激活免疫應(yīng)答,細胞毒性生物分子或代謝產(chǎn)物的合成和分泌,或易位到身體[35]。有研究表明,NAFLD人群的血清中含有更高的LPS水平,而肝組織中TNF-α基因表達增加,證實了與這些病理相關(guān)的促炎狀態(tài)。不管腸屏障的功能如何,已經(jīng)證明細菌LPS與高脂飲食期間形成的乳糜微粒一起經(jīng)由門靜脈從腸中轉(zhuǎn)運到達肝臟。這是幫助促炎性細菌產(chǎn)物通過腸道屏障到達肝臟的關(guān)鍵步驟,這些產(chǎn)物與相應(yīng)的TLR相互作用并誘導(dǎo)TNF-α等促炎性遞質(zhì)的產(chǎn)生,然后誘導(dǎo)肝硬化。研究表明,腸道微生物組是導(dǎo)致NAFLD發(fā)展及其進展為NAFLD-HCC的環(huán)境因素,微生物衍生的代謝物,如BAs、短鏈脂肪酸和三甲胺以及它們影響的信號通路可能有助于NAFLD的發(fā)展,特別是3-(4-羥基苯基) 乳酸——一種源自腸道微生物組的代謝物,與肝脂肪變性和肝纖維化具有共同的基因效應(yīng)[36]。

腸道菌群促進腸黏膜的完整性,提供維生素和酶等必需營養(yǎng)素,保護身體免受病原體侵害,并產(chǎn)生抗微生物肽,腸道微生物菌群在丁酸、丙酸和乙酸等短鏈脂肪酸的合成中發(fā)揮著積極作用[37]。短鏈脂肪酸(SCFA)是揮發(fā)性脂肪酸,主要通過大腸中的腸道微生物發(fā)酵可溶性膳食纖維和不易消化的碳水化合物而產(chǎn)生,其中,丁酸鹽通過調(diào)節(jié)腸道微生物群、腸道屏障功能、上調(diào)胰高血糖素樣肽-1受體(GLP-1R)表達和下調(diào)炎癥信號傳導(dǎo)來減輕脂肪性肝炎以及肝臟的氧化損傷[38];腸道菌群在肝硬化和HCC的發(fā)病機制中發(fā)揮著重要作用,肝硬化相關(guān)的腸道營養(yǎng)不良伴有擬桿菌、腸桿菌科減少,門菌體水平的增加,腸桿菌科的潛在致病性過度生長與肝硬化的嚴(yán)重程度及其并發(fā)癥有關(guān)[33]。腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致TNF-α和IL-8等炎癥細胞因子分泌增加,它們誘導(dǎo)和促進了NAFLD向NASH和肝硬化進展;其次,腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致TLR-4 和TLR-9的激活,導(dǎo)致Kupffer細胞產(chǎn)生促進肝細胞中的脂質(zhì)積累和細胞死亡的IL-1β,引起脂肪變性和炎癥,并刺激HSC產(chǎn)生纖維化介質(zhì),從而促進纖維化。另外,腸道菌群組成的改變可導(dǎo)致更高水平的DCA,從而引發(fā)HSC中的衰老相關(guān)分泌表型(SASP),進而在肝臟中分泌各種炎癥和促腫瘤因子,促進HCC的發(fā)展;總之,腸道微生物群可能通過增加炎性細胞因子分泌、激活TLR-4和 TLR-9以及改變BAs代謝來促進NAFLD相關(guān)肝硬化和HCC的發(fā)展[39]。研究表明[40],IL-25與HCC患者的不良預(yù)后相關(guān),并且可以間接促進HCC的進展,而腸道菌群失調(diào)可誘導(dǎo)結(jié)腸上皮簇細胞的增生和IL-25的分泌,從而促進HCC的發(fā)展。腸道微生物群的改變、腸道損傷增加和細菌易位與HCC進展有關(guān)。HCC的腸道菌群失調(diào)的特征是腸球菌科和腸桿菌科的豐度增加,雙歧桿菌科和產(chǎn)生SCFA的細菌的豐度降低。微生物產(chǎn)物誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)升高和T細胞免疫抑制可能是HCC進展的機制之一[41]。

綜上,BAs與腸道菌群在慢性肝病的發(fā)生發(fā)展中都扮演著至關(guān)重要的角色,并且二者可在一定程度上交織融合,其機制錯綜復(fù)雜。BAs可作為重要的信號分子,激活多種多樣的信號通路,涉及多種炎癥遞質(zhì),可引起肝臟的炎癥反應(yīng)、免疫反應(yīng)等,另外,BAs不僅具有細胞毒性,而且在肝損傷和體內(nèi)平衡中起著復(fù)雜的調(diào)節(jié)作用,今后可更深入研究這些細胞特異性作用及其機制;此外,腸道菌群中致病菌與有益菌的失調(diào),也是導(dǎo)致肝臟疾病發(fā)生發(fā)展的原因,雖然目前已研究出針對調(diào)節(jié)腸道菌群的各種策略及方法,但未來應(yīng)更進一步研究腸道菌群與肝病發(fā)生發(fā)展的作用機制及針對慢性肝病中腸道菌群的治療方案。