肠道菌群代谢物与非酒精性脂肪性肝病相关研究进展

李惠 马臻棋 王学红 马文霞 杨丽萍

非酒精性脂肪性肝病（Nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD）是脂肪代谢异常综合征的一种肝功能表现，常见于合并肥胖、血脂异常及胰岛素抵抗（Insulin resistance，IR）[1]。疾病谱包括非酒精性单纯性脂肪肝（NAFL）、非酒精性脂肪性肝炎（NASH）及其相关肝硬化和肝细胞癌[2]。NAFLD 也是西方国家最常见的慢性肝病病因，预计到2030年NAFLD将成为肝器官移植最常见的病因适应证[3]。为了有效诊断及治疗，相关医学专家将NAFLD 重新更名为代谢相关脂肪性肝病（Metabolic associated fatty liver disease，MAFLD），其临床诊断治疗标准已经达成一致意见[4]。由于相关参考文献仍引用NAFLD，故以下仍以NAFLD 进行阐述。相关研究显示肠道菌群失调与NAFLD 的发展密切相关，并且已经确定了肠道微生物区系中的几个高度可变的种类。肠道微生物群通过肝-肠轴、肠道微生物成分和微生物代谢产物的异常调节直接参与NAFLD 发生、发展，并直接影响肠道胆汁酸的异常分泌。由于这类肠道微生物在NAFLD 治疗中的重要作用，它被广泛认为是用于NAFLD 的临床药理研究和临床药物治疗的潜在重要靶点。肠道内的菌群及其代谢物如短链脂肪酸（Short-chain fatty acids，SCFAs）、内源性乙醇、胆汁酸（Bile acids，BAs）、氧化三甲胺（Trimethylamine N-oxide，TMAO）等微生物代谢产物在NAFLD 发病中均具有一定作用。

1 肠道菌群与NAFLD

人类的微生物群有相同数量的细胞和大约100倍于人体的基因[5]。这些生物基因可以编码广泛的代谢途径，产生从人类饮食或生物代谢活动前体液中衍生的各种生物活性物质分子[6]。虽然人体肠道中的微生物群具有许多有益的营养功能，如从其他难以直接消化的主要膳食食物纤维中可以提取到的能量，但越来越多的科学证据已经表明，肠道中的微生物及其主要代谢物与某些慢性疾病的早期发展过程有关，包括肥胖、代谢不良综合征和NAFLD[7]。人体肠道内常常存在着大量的兼性需氧菌和厌氧菌，彼此之间寄生、共生，是机体适应肠道内环境不可或缺的一部分，受人体宿主细胞基因型及体内环境双重因素调节，共同维持机体稳定[8]。细菌菌门数量庞大，主要由拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门、变形菌门、疣微菌门等构成，以前两种为主(数量约占细菌总体的90%)[9]，在较大程度上直接影响着整个机体菌群的生理功能和细菌宿主的正常生长发育、免疫调节系统功能和基本生理能量新陈代谢，对机体各项正常生理过程和病理康复过程都发挥重要的调节作用[10]。为了解释肠道微生物在NAFLD 中的作用，相关学者提出了几种机制[11，12]：一种可能是微生物区系的失调获得更多能量进而促进肝脏脂肪的沉积，或微生物组成的变化可能导致产生更多的有毒代谢副产物(例如乙醇)，从而增加肝脏的化学负担，另一种可能是菌群失调促进炎症发生，导致肠道屏障功能减弱，细菌内毒素移位，以及全身免疫反应[13，14]。

2 SCFAs 与NAFLD

SCFAs 是人类肠道中菌群分解出的碳水化合物或其他氨基酸的一种代谢化合产物，包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、异丁酸、异戊酸、异己酸等，其中乙酸、丙酸、丁酸的含量相对较高。正常原生菌群每日摄入可同时产生50～100mmol/L 的SCFAs，为肠道上皮细胞提供能量[15]。SCFAs 可通过降低结肠pH、抑制病原体生长、促进水钠吸收等途径参与肠道免疫稳态的调控。虽然临床研究结果表明SCFAs影响了NAFLD 的进展[15]，但其具体机制尚不清楚。也有证据表明，SCFAs 在维持肠道功能和代谢方面发挥着重要作用[8]。目前研究认为，人体肠道内的SCFAs 影响NAFLD 发生表现在以下几个方面：①调节人体脂肪和白细胞的生理能量新陈代谢。与正常脂肪饮食小鼠相比，在高脂饮食肥胖小鼠的乳白色中性脂肪细胞组织中，GPCR43 表达明显增加。GPCR109A 能有效激活体内脂肪组织细胞中的巨噬细胞，抑制脂肪三酰甘油的大量蓄积，发挥调节体内脂质水平稳态的作用。②保护胃肠道及黏膜再生屏障。产丁酸菌(MIYAIRI588)可有效促进胃与肠道紧密连接相关蛋白的正常表达，降低肠道内毒素分泌水平。③调节胃肠道运动。SCFAs 通过与位于肠道的细胞内膜表面受体GPCR41 或受体GPCR43作用，促进人体肠道激素大量分泌，如5-羟色胺(5-HT)、胰高血糖素样肽(GLP-1)和酪酪肽(PYY)等，从而有效改善NAFLD[16]。乙酸盐可用于减轻NASH 并使小鼠的肺脏和肝脏粘膜脂肪细胞变性和炎性细胞浸润，并可以降低小鼠血清中TG、游离反式脂肪酸和游离胆固醇的浓度水平；氨基丙酸盐也可通过酯酶抑制β细胞大量凋亡，增强对葡萄糖酶的刺激，进而促进胰岛素大量释放[17]；另外补充氨基丁酸钠可促进胃与肠道紧密连接蛋白的表达，减轻肝损伤，抑制小鼠NASH 的进展[18]。一项临床研究表明，丙酸能显著抑制体重增加和减少肝内脂肪含量，防止胰岛素敏感性恶化[19]。基础研究表明，丁酸产生的益生菌能纠正高脂饮食引起的小鼠肠肝免疫失调和减轻脂肪性肝炎，这是通过SCFAs 介导的[20～22]。已有动物研究表明，丁酸钠可以减轻高脂饮食引起的NASH，其机制可能与纠正肠道微生物群的失调和改善胃肠屏障有关，从而抑制肠源性内毒素进入肝脏[23]。最近的研究发现，NAFLD 患者肝GLP-1 受体的表达明显下调，补充丁酸钠可通过抑制组蛋白去乙酰化酶-2 和激活AMP 激活蛋白激酶(AMPK)增强NASH 小鼠肝脏GLP-1 受体的表达。这些研究表明丁酸盐可能是一种GLP-1敏化剂，并能阻止NAFL 向NASH 进展[24]。

3 内源性乙醇与NAFLD

众所周知，乙醇是一种可导致肝脏脂肪变性和炎症并增加肝纤维化和肝癌风险的物质[25]。目前有研究已经发现可能存在产生乙醇的各类毒性细菌，主要有脆弱类杆菌、青春双歧杆菌等[26]。细菌发酵产生的内源性乙醇刺激NAFLD 的氧化应激，加重肝脏炎症，动物实验证实了这一点[27]。一项研究表明，NAFLD 患者乙醇水平的升高可能是由于胰岛素依赖的肝脏乙醇脱氢酶活性的损害，而不是内源性乙醇合成的增加[28]。虽然这些研究并没有产生一致的结果，但内源性乙醇可能在NASH 的发病机制中起着关键作用。Engstler 等[28]比较了49 例儿童，其中包括具有NAFLD 特征的20 例儿童和29名健康儿童，结果发现前者的空腹时血液中乙醇升高水平与胰岛素过度抵抗的主要标志物呈显著正相关，且显著不同于后者，但前者饮食营养类型和小肠内的细菌过度生长抑制情况与后者却基本无明显差异。这或许提示了在NAFLD 发展的不同时期，内源性乙醇可能起着不同的抑制作用。在体外培养的肝细胞中，乙醇本身对细胞凋亡无明显影响，但能使肝细胞对TGF-b 诱导的细胞凋亡产生敏化作用[29]。除了对小鼠肝脏细胞有潜在的细胞毒性抑制作用外，肠道细菌产生的乙醇还能通过增加肠道的通透性和肝脏门静脉中的脂多糖抗体水平，激活小鼠肝脏细胞TLR 和肝脏炎症小鼠抗体级联，从而可能导致严重肝脏慢性损伤[30]。关于这种内源性乙醇与NAFLD 发生、发展的相互关系还需要更多更深入的研究。

4 BAs 与NAFLD

BAs 是由位于肝脏细胞中的两种胆固醇分子合成的两亲性脂质分子，是胆汁的一种成分。胆汁主要储存在人的胆囊中，进食后胆囊中的收缩素（CCK）输送到十二指肠，CCK 是在十二指肠内分泌并在细胞中转化合成的一种多肽类激素。BAs 有助于饱和脂肪酸的乳化和固体脂肪及其他脂溶性维生素的消化吸收。BAs 首先与BAs 受体结合并激活核激素分子受体（NHR），而后调节其他受体途径，如法尼醇X 分子受体（FXR）、维生素D 受体（VDR）和孕烷X 受体（PXR）。BAs 作为FXR 的配体，明显有助于调节BAs 池和脂质代谢。与野生型（WT）小鼠相比，FXR-KO 小鼠表现出血清BAs 增加、BAs 池增加和血脂谱增加[31]。最近一项针对人类的研究发现，与NAFLD 患者相比，NASH 患者中FXR、SHP 和NTCP 的蛋白水平降低，这表明FXR在NAFLD 向NASH 的进展中起到保护作用[32]。使用小鼠模型的研究也证明了这种保护作用，与野生型小鼠相比，FXR-KO 小鼠更瘦，更能抵抗体重增加，具有更好的糖耐量，但也具有更高的肝脏重量、血清总BAs、ALT 以及肝脏脂肪变性和炎症增加[33]。因此，虽然FXR 似乎介导体重增加，但它也表现出肝脏保护作用，FXR 激动剂可能在延缓NAFLD 进展中发挥作用。然而，一项评估GW4064（一种合成FXR 激动剂）作用的研究显示，喂食高脂的小鼠体重增加和胰岛素抵抗增加，但当饮食中添加BA 时，这些作用会逆转[34]。一项研究显示，在NAFLD 的小鼠模型中，与对照组相比，肠特异性FXR 破坏的动物肠道微生物群发生变化，与高脂饮食引起的甘油三酯积累减少有关。在用此类抗生素进行治疗的肝病小鼠中，小鼠结合胆汁酸的代谢物增加，抑制小鼠肠道内的FXR 信号[35]。GPBAR1 信号通路也被认为是持续减重和改善袖状胃切除术小鼠脂肪肝所必需的[36]。表明FXR 激动剂实际上可能不是保护性的，如上所述，增加的BAs 反而对NASH的发展起到保护作用。

5 TMAO 与NAFLD

许多临床研究结果表明，TMAO 是一种存在于肠道中对菌群高度依赖的乙酰胆碱毒性代谢物,可能会增加心血管疾病的死亡风险。研究显示NAFLD 的严重程度与TMAO 升高有关，在医院和社区的中国成年人中，TMAO 循环水平与NAFLD 的严重程度有关[37]。胆碱能被进入肠道中的微生物群转化生成为三甲胺(TMA),然后被肝脏的单加氧酶系氧化,在人体肝脏中水解生成三甲胺N-氧化物(TMAO)，TMAO 随后被释放到循环中[38]。在高脂喂养的129S6 小鼠中，微生物群将较高水平的胆碱转化为TMAO，从而降低了胆碱的生物利用度[39]。TMAO 还可能直接作用于肝脏，并有助于NAFLD的发展。肠道微生物可以将饮食中的L-肉碱转化为TMAO，从而减少胆固醇在肠腔和肝脏中的吸收。饮食中添加TMAO 还可降低胆汁酸合成酶，从而减少胆固醇的清除[40]。临床研究表明，NAFLD 患者血清TMAO 水平高于健康人，且与脂肪变性水平呈正相关[37]。另一项研究发现，T2DM 患者血清TMAO水平升高与NASH 显著相关[41]。然而，目前尚不清楚血清TMAO 是否可作为NAFLD 或其他类型代谢疾病的生物标志物[42]。一项研究显示，TMAO 可调节肠道微生物，抑制肠道胆固醇吸收，减轻胆固醇超载时肝脏氧化应激和细胞死亡，从而减轻高脂高胆固醇（HFHC）饮食诱导的脂肪性肝炎[43]。

6 小结

越来越多的研究表明，肠道微生物群的组成、功能和（或）代谢产物的变化与NAFLD 有关[39，40]。 动物模型和人类研究都支持肠道微生物群与NAFLD 的发生发展相关。通过影响胃肠道内壁屏障膜的功能、胆碱酸的代谢、胆汁酸的合成、SCFAs等，肠道微生物群在NAFLD 的进展中起着重要的多因素作用。但是，尽管在技术和生物信息学分析方面取得了进展，但具体的机制尚未清楚。未来需要进行大规模、纵向、前瞻性的研究，以更好地确定脂肪肝发病过程中的多因素宿主-微生物群关系。明确肠道菌群代谢物在NAFLD 中的作用不仅有助于了解其发生发展，而且有助于发现NAFLD 更加有效的治疗措施。