肠道菌群与脂肪性肝病研究新进展

李 莹, 侯俊杰, 王 欣, 苏 帅, 王玉明, 张 洁

0 引言

脂肪性肝病(fatty liver disease, FLD)是指各种原因引起的以肝细胞中脂肪过度贮积和脂肪变性为特征的临床病理综合征, 可能进一步引起肝的正常结构、生理及生化功能受损, 最终出现临床症状. 根据有无长期过量饮酒的病因, 一般将FLD分为非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)和酒精性肝病(alcoholic liver disease, ALD)两大类. NAFLD涉及肝脏中过量的脂质积累, 其包括非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty, NAFL)和脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis, NASH)[1]两类. 目前有专家建议将代谢相关脂肪性肝病 (metabolic associated fatty liver disease, MAFLD)作为一个其更合适的总体术语[1]. 由于肥胖症的流行传播, NAFLD是世界范围内成人和儿童最重要的肝脏疾病之一, 其全球患病率估计为24%, 南美洲和中东的发病率最高, 其次是亚洲、美国和欧洲[2]. 肥胖症是导致NAFLD负担加重的罪魁祸首[2]. 单纯性肥胖时, 肠道菌群紊乱和肠道屏障损伤可能是促使肠道中革兰氏阴性菌的脂多糖或内毒素(lipopolysaccharide, LPS)升高, 进而进展为NAFLD的始动因素[3]. ALD是由于大量饮酒所致的肝脏疾病, 其涵盖了一系列疾病: 从酒精性脂肪肝(alcoholic fatty liver disease, AFLD)开始, 有时会发展为酒精性肝炎(alcoholic hepatitis, AH), 并最终导致酒精性肝硬化, 甚至肝细胞性肝癌. 酒精性肝硬化和肝细胞性肝癌是与饮酒有关的最严重和不可逆的肝损伤形式[4]. 诸多研究表明, 肠道菌群通过肠-肝轴在FLD的发生发展中起重要作用, 并可将控制肠道菌群作为治疗FLD治疗的作用靶点. 本文就肠-肝轴与FLD的关系、FLD进展过程中肠道菌群和代谢产物的变化以及益生菌等在FLD治疗中的应用进展进行综述, 为FLD的预防和治疗提供理论依据.

1 肠-肝轴与FLD

肠道功能、肠道微生物群和肝脏之间的分子解剖和功能联系构成了“肠-肝轴”[5]. 肠道菌群失调和肠道通透性增加导致微生物和包括细菌DNA和细胞壁成分, 如革兰氏阴性菌的LPS、肽聚糖以及真菌的β-葡聚糖在内的微生物产物的移位, 统称为微生物相关分子模式(microbial associated molecular patterns, MAMPs)或病原体相关分子模式(pathogen associated molecular patterns, PAMPs)[6]. 这些模式可被肝脏先天免疫细胞(Kupffer细胞、树突细胞、自然杀伤细胞、自然杀伤T细胞以及肝星状细胞)和固有层(肠上皮细胞下面的一种富含免疫细胞的组织)上的免疫受体识别[7]. 这些受体包括TOLL样受体(toll-like receptors, TLRs)和NOD样受体(nod-like receptors, NLRs), MAMPs或PAMPs通过TLRs和NLRs激活核因子κB(nuclear factor kappa-B, NF-κB), 从而导致进入门静脉循环的炎性细胞因子和趋化因子的产生, 引发并维持炎症级联反应[7,8], 进而影响包括FLD在内的多种慢性肝病的发病机制. 最近研究发现, NAFLD患者的肠道通透性(intestinal permeability, IP)似乎增加, 并且与肝脂肪变性的程度呈正相关, 但IP与肝脏炎症或纤维化的程度无关[9]. 对于ALD, 除了酒精对肝实质细胞的直接毒性作用外, 肠道菌群失调、肠道屏障功能丧失以及肝脏先天免疫细胞TLRs的激活也有助于ALD的发病, 并且可在实验小鼠模型中促进肝细胞性肝癌的进展[10].

另外, “肠-肝轴”在肠道微生物群、肠道和肝脏之间作用是双向的[11]: 一方面, 肝脏将初级胆汁酸(bile acids, BAs)和抗菌分子(免疫球蛋白A和血管生成素)分泌到胆道, 进入肠腔后影响肠道微生物群的组成和功能并调节肠道屏障; 另一方面, 肠道微生物群及其代谢产物可调节胆汁酸合成、肝脏葡萄糖代谢、脂质代谢以及影响膳食能量利用. 肝脏的变化也可能影响暴露于肠道细菌产物(LPS和代谢物, 如乙醇和三甲胺)的先天免疫细胞, 进一步导致肝脏炎症[5,12]. 肠-肝轴的外部(如环境和饮食)或内在因素(如肠道微生物群的改变、肠道通透性增加和管腔中胆汁酸水平的变化)破坏了体内平衡, 导致局部和全身炎症的发生[5]. 肠-肝轴参与包括NAFLD和ALD在内的许多肝脏疾病的发病机制, 从而为多种慢性肝病的发生和发展铺平了道路.

2 肠道菌群与NAFLD

2.1 肠道菌群及其代谢产物与NAFLD发病机制研究 虽然NAFLD的病理生理机制尚不清楚, 但肠道菌群及其代谢产物和遗传因素被认为是重要的因素. 肠道菌群失调经常通过肠-肝轴对NAFLD患者的肝脏造成有害影响. 肠道菌群及其代谢产物在NAFLD中的作用机制包括: (1)肠道来源的MAMPs或PAMPs被肝脏先天免疫细胞识别, 炎症的激活和长期维持会导致NAFLD; (2)肠道中的特定菌群可以将胆碱转化为三甲胺, 降低了胆碱的肝脏生物利用度, 降低了极低密度脂蛋白(very low density lipoprotein, VLDL)从肝脏中的输出率, 导致脂质积聚和肝脏炎症; (3)肠道菌群来源的代谢物包括胆碱代谢物三甲胺(trimethylamine, TMA)、三甲胺-氮-氧化物(trimethylamine-N-oxide, TMAO)、次级胆汁酸脱氧胆酸(the secondary bile acids deoxycholic acid, DCA)和石胆酸(lithocholic acid, LCA)以及短链脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFA)直接对肝脏造成损伤, 引起肝脏脂肪变性; (4)肠道菌群可以产生乙醇, 乙醇及其代谢物乙醛通过刺激炎症细胞因子的产生和破坏紧密连接来增加肠道渗透性, 同时肠道微生物群也能代谢乙醇, 保护肝脏免受乙醇损伤, 肠道菌群的缺乏导致肝脏暴露于乙醇的增加, 乙醇代谢酶的表达增加以及肝脏脂肪变性的恶化, 即肠道菌群可以根据乙醇的组成和功能设定增加或减少宿主对乙醇的暴露[12-14]. 同时, 研究表明肠道细菌产生的内源性乙醇可诱导NAFLD的线粒体功能障碍[15], 进一步加重肝脂肪变性. 另外, 胰岛素抵抗(insulin resistance, IR)也参与NAFLD的发病[16], 含patatin样磷脂酶域3(PNPLA3)是NAFLD的最强遗传因素之一[17]. 这些机制共同作用导致了NAFLD的发生和发展. 其中, 肠道屏障的损伤导致细菌LPS移位增强是导致NAFLD的主要机制, 肠道运动性和渗透性的变化有助于NAFLD的发展[18]. 反之, 长期大量饱和脂肪或高果糖饮食导致肠道微生物群失调, 并由于紧密连接的破坏而增加肠屏障通透性, 导致细菌易位(bacterial translocation, BT)及细菌代谢物通过门静脉进入肝脏, 最终导致肝损伤[19].

2.2 肠道菌群变化与NAFLD NAFLD患者和健康人相比具有不同的肠道菌群组成. 先前研究表明[20], 布劳特氏菌、毛螺旋菌、大肠埃希氏菌和肠杆菌的水平升高可能是导致NAFLD进展的主要因素. 另有研究表明[21], 与不患NAFLD的受试者相比, NAFLD患者的粪便中细菌α多样性降低, 厚壁菌/拟杆菌比值升高, 而拟杆菌、普雷沃氏菌、芽殖菌、颤螺旋菌的丰度降低. 当控制群体变异时, 厚壁菌/拟杆菌比值、拟杆菌、普雷沃氏菌、芽殖菌及颤螺旋菌与肝脏脂肪分数(hepatic fat fraction, HFF)相关; 同时发现PNPLA3 rs738409和芽殖菌、PNPLA3 rs738409和颤螺旋菌均对HFF有累加作用[21]. 高脂肪高胆固醇饮食可依次引起脂肪肝、脂肪性肝炎、肝纤维和NAFLD相关性肝细胞性肝癌(NAFDL-hepatocellular carcinoma, NAFLD-HCC). Behar等[22]研究表明, NAFLD-HCC患者的肠道菌群具有独特的微生物组/代谢组学特征, 可以引发调节性T细胞的增殖和CD8+T细胞的衰减, 进而调节外周免疫反应. Zhang等[23]研究表明胆固醇诱发的NAFDLHCC与肠道菌群失调有关: 在NAFLD-HCC的形成中, 粘螺旋菌, 脱硫弧菌, 厌氧棍状菌和脱硫弧菌是增加的; 而双歧杆菌和拟杆菌是减少的.

2.3 肠道菌群代谢产物与NAFLD NAFLD患者肠道中肠道菌群的代谢产物与正常人相比也有显著差异. Coker等[23]研究还发现, NAFLD-HCC小鼠中肠道细菌代谢物也发生改变, 包括血清中牛磺胆酸(taurocholic acid, TCA)增加和3-吲哚丙酸(3-indolepropionic acid, IPA)减少[23]. IPA抑制胆固醇诱导的脂质积累和细胞增殖, 而TCA增加胆固醇诱导的甘油三酯在人正常永生化肝细胞系中的积累[23]. 抗胆固醇治疗恢复了饮食中胆固醇诱导的肠道微生物群失调, 并完全防止了NAFLD-HCC形成[23]. 色氨酸可通过肠道菌群代谢成吲哚衍生物, 吲哚衍生物属于芳香烃受体(aryl hydrocarbon receptor, AhR)配体, 可以激活AhR, 促进白细胞介素(interleukin, IL)-22的产生[24]. Natividad等[25]研究发现, 代谢综合征患者肠道菌群分泌AhR配体, 如吲哚乙酸(indole acetic acid, IAA)减少. 补充AhR激动剂(如IAA)或具有高AhR配体生产能力的乳杆菌菌株可通过肠道屏障功能的改善和胰高血糖素样肽1(glucagon-like peptide 1, GLP1)的分泌来改善饮食和遗传诱导的代谢障碍, 特别是葡萄糖代谢紊乱和肝脏脂肪变性. 色氨酸的肠道菌群代谢产物IAA通过作用于巨噬细胞和肝细胞, 对 NAFLD具有保护作用[25].

2.4 肠道菌群调节与NAFLD的治疗一项临床研究表明[26], 口服高效多菌株益生菌(每天6750亿个细菌)治疗的NAFLD患者在肝脏组织学、谷丙转氨酶(Alanine aminotransferase, ALT)和细胞因子方面有显著改善. 另外, 乳双歧杆菌V9作为一种高效益生菌也可以通过腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine 5’-monophosphate (AMP)-activated protein kinase, AMPK)和TLR-NF-κB途径抑制炎症及通过调节从头脂质合成来改善NAFLD[27]. Liang等[28]研究表明, 乳酸杆菌和双歧杆菌的益生菌混合物通过Gpr109a和共生代谢物丁酸盐减轻非酒精性脂肪肝大鼠的全身性肥胖和炎症. 以前有研究表明[29], 与对照组相比, VSL#3益生菌组的甘油三酯稳态模型评估(homoeostasis model assessment, HOMA)和ALT未检测到组间差异, 而体重指数(body mass index, BMI)降低, GLP1和活化GLP1(aGLP1)增加, 说明VSL#3益生菌可能通过增加GLP1来显著改善儿童的NAFL. 这与最近Chong等[30]的研究发现, 即VSL#3®益生菌并没有显著改善NAFLD患者的心血管风险和肝损伤标志物是相一致的. 另外, Craven等[31]研究发现, 对NAFLD患者进行同种异体或自体粪菌移植(fecal microbiota transplantation, FMT)没有改善其通过HOMA-IR测定的IR或肝脏质子密度脂肪分数(proton density fat fraction, PDFF)测量的IR, 但确实有可能降低NAFLD患者的小肠通透性. 因此, 多项研究表明, 通过使用益生菌或通过FMT实现对肠道微生物群的控制可能是预防和治疗NAFLD的有效策略.

3 肠道菌群与ALD

3.1 乙醇和肠道菌群与ALD发病机制研究乙醇介导的和肠道菌群参与的肝损伤的发病机制包括[32]: (1)肠道通透性增加: 酒精破坏远端上皮紧密连接的完整性, 导致肠道通透性增加; (2)肝循环中LPS增加: 肠道通透性增加导致肠静脉循环中细菌LPS水平增加, 这些血液最终通过门静脉进入肝循环; (3)星状细胞活化: LPS与肝脏巨噬细胞(称为肝星状细胞)上的LPS结合蛋白结合, 导致下游促炎细胞因子和嗜中性粒细胞募集趋化因子激活, 同时活化的肝星状细胞增殖并承担促纤维化作用; (4)纤维化和肝硬化: 活化的肝星状细胞形成纤维化的细胞外基质(由Ⅰ型和Ⅲ型胶原、糖蛋白和蛋白聚糖组成); (5)乙醇滥用一方面引发肠道菌群分类组成的定性和定量改变、粘膜炎症和肠道屏障破坏, 另一方面引起肠道通透性增加, 导致活的病原菌、革兰氏阴性细菌产物和促炎性腔内代谢物转移到血液中, 进一步加重了酒精引起的肝损伤[33]. 这些机制共同作用导致ALD的发生和发展.

3.2 肠道菌群变化与ALD先前研究表明[34], ALD患者主要表现为益生菌含量减少, 以双歧杆菌减少最显著, 而肠球菌、粪肠球菌和大肠埃希氏菌等有害菌含量增加. Bluemel等[35]首次对乙醇喂养小鼠的整个肠道和肝脏中进行了全面的微生物组分析. 他们的研究表明[35], 长期服用乙醇会改变回肠和肝脏的细菌α多样性, 并导致成分变化, 尤其是回肠, 这在很大程度上是由革兰氏阴性菌的增加所驱动的; 此外, 回肠粘液层和肝脏中的革兰氏阴性菌普雷沃氏菌均增多, 表明在乙醇诱导的肝病中, 细菌移位可能发生在远端胃肠道[35]. Gu等[36]研究表明, 在ALD小鼠模型中, 乳酸杆菌和双歧杆菌的数量下降, 回肠中产气荚膜梭菌的数量成比例增加, 盲肠中革兰氏阴性菌变形杆菌、弯曲杆菌和螺杆菌的数量增加. 通过补充鼠李糖乳杆菌颗粒可以减少革兰氏阴性菌的数量, 改善酒精性肝损伤[36]. Ciocan等[37]研究表明, 在门水平上, 与非重度AH肝硬化患者相比, 重度AH肝硬化患者粪便中放线菌的丰度更高, 而拟杆菌的丰度更低. 由此可见, 肠道微生物群组成的变化在ALD的病理生理机制中有重中之重的作用.

3.3 肠道菌群及胆汁酸代谢与ALD胆汁酸对于促进膳食中脂质和脂溶性维生素在肠道中的吸收至关重要, 参与ALD的发病[38]. 高浓度的胆汁酸可以损伤细胞, 诱导细胞凋亡, 促进肿瘤发生. 胆汁酸的代谢需要肠道菌群的参与, 胆汁酸作用可能是ALD中肠-肝轴变化的重要因素. 胆汁酸作为信号分子并激活特定的核受体如法尼类X受体(farnesoid X receptor, FXR)和膜受体如G蛋白偶联胆汁酸受体1(G protein-coupled bile acid receptor 1, TGR5)从而发挥相应作用[38]. 肠道FXR缺乏会增加肠道通透性, 加重肝脂肪变性并改变胆汁酸池组成, 导致肝毒性恶化[38]. 另有研究表明[39], TGR5缺乏加重了酒精引起的肝损伤, 并引起菌群失调和胆汁酸池重塑. Ciocan等[37]研究表明, 与非重度AH肝硬化患者相比, 重度AH肝硬化患者的血浆总胆汁酸和总熊去氧胆酸水平较高, 而粪便中含量较低. 另外, 重度AH肝硬化患者显示胆汁酸池的特定变化, 转向更疏水和有毒的胆汁酸种类, 这可能是造成特定微生物群变化的原因[37]. 反过来, 微生物群也可能通过将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸来改变胆汁酸库, 减少胆汁酸的排泄并损害胆汁酸在肠道中的转化, 导致恶性循环[37]. 由此可见, 胆汁酸特定受体TGR5、FXR和肠道微生物群胆汁酸代谢都可能是人类酒精诱导肝损伤的靶点, 也可能为ALD治疗的作用靶点.

3.4 肠道菌群调节与ALD的治疗已经证明在ALD中存在肠道微生物群的改变, 但它们在很大程度上仅仅是结果或原因尚不清楚. 个体对ALD的易感性主要是由肠道菌群驱动的, 特定的肠道微生物群与小鼠和人类对ALD的易感性或抵抗力有关, 因此可以通过调节肠道菌群来预防和管理ALD[40]. Fan等[41]研究表明, 蓝莓汁和益生菌(富含婴儿型比菲德氏菌、动物双歧杆菌和嗜酸乳杆菌)联合摄入可通过激活sirtuin 1(SIRT1) 改善AFLD的线粒体功能障碍. 益生元是一种微生态制剂, 可作为底物为益生菌提供养料. Wrzosek等[42]研究发现, 使用益生元果胶治疗人类微生物群相关的酒精喂养小鼠可引起细菌色氨酸代谢产物增加, 这与肝脏损伤的改善有关. 色氨酸代谢产物是AhR的配体, 使用AhR激动剂Ficz[6-formylindolo (3, 2-b) carbazole]也减轻了肝脏病变, 此作用类似于益生元治疗[42]. Ferrere等[43]研究发现, 乙醇抵抗小鼠和乙醇敏感小鼠的肠道菌群聚集是不同的: 拟杆菌比例在乙醇敏感小鼠中较低. 在乙醇敏感小鼠中, 果胶治疗以及以乙醇抵抗小鼠为供体进行FMT都可防止脂肪变性和减轻肝脏炎症, 同时恢复肠道稳态. 因此应用益生菌、益生元、FMT通过靶向肠道微生物群来改善酒精性肝病ALD涉及的AhR通路和SIRT1抗炎机制可被视为ALD的治疗新靶点.

另外, Duan等[44]研究发现溶细胞素(cytolysin), 一种由粪肠球菌分泌的外毒素, 可导致肝细胞死亡和肝损伤. 他们发现, AH患者粪便中粪肠球菌的数量增加, 且溶细胞素阳性粪肠球菌的存在与AH患者的肝病严重程度和死亡率相关. 粪肠球菌噬菌体可以特异性靶向溶细胞素阳性粪肠球菌, 减轻ALD症状, 这也为ALD的治疗提供了一种精确编辑肠道微生物群的方法[44].

4 结论

ALD是以肝细胞脂肪过度贮积和脂肪变性为特征的临床病理综合征, 主要包括NAFLD和ALD, 两者可能病因及发病机制有所不同, 但肠道菌群失调和肠道通透性增加导致肠道细菌结构成分及细菌产物通过肠-肝轴作用于肝脏而在FLD的发生发展中起重要作用. 肠道菌群与FLD的关系是双向的, 不同类型FLD都有肠道微生物组/代谢组的变化, 同时肠道菌群可以通过产生有毒的代谢物或影响胆汁酸代谢而进一步影响FLD的进展.

目前, NAFLD和ALD日益加重的疾病负担正在成为威胁全人类的公共卫生问题. 肠道菌群已成为一个当今研究的热点问题之一, 随着对肠道菌群研究的深入, 在未来FLD的预防和治疗中可以通过胆汁酸特定受体FXR、膜受体如TGR5、AhR通路, 应用益生菌和FMT, 补充益生元以及应用细菌噬菌体靶向消除有害菌等对肠道微生物群进行调控, 以此作为FLD治疗的靶点, 可能为FLD的发病机制研究和临床治疗提供新思路. 同时, 基于肠道菌群和FLD的重要关系, 未来也需要更加深入的研究.