肠道菌群代谢产物影响非酒精性脂肪肝的研究进展

刘云娜，李帅广，刘 飞，邵华荣,，徐 巍,

（1. 山东大学 药学院，山东 济南 250012；2. 山东省药学科学院，山东 济南 250101；3. 厦门大学深圳研究院，广东 深圳 518057；4. 山东第一医科大学第一附属医院 药学部，山东 济南 250014）

非酒精性脂肪肝（nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD）是一种除饮酒及其他已知的肝损伤因素外，以肝细胞内脂肪过度积聚为主要特征的复杂性肝病。目前，NAFLD为全球范围内最常见的慢性肝病，预计到2030年，将成为肝移植的主要原因之一[1]。NAFLD一旦继续恶化，将逐步发展为非酒精性脂肪肝炎（non-alcoholic steatohepatitis，NASH）、肝纤维化及肝硬化，严重者会发展成肝癌，危及人类健康[2]。研究证明，肠道菌群稳态失衡对肝脏炎症的发生和纤维化进程具有重要影响。一些人为因素，如高脂饮食和过度饮酒，引起机体肠道菌群紊乱，进而导致肠道炎症、肠黏膜屏障被破坏和菌群代谢物易位[3-4]。肠道菌群代谢产物在NAFLD病变进程中发挥的作用受到关注，探究菌群代谢产物对NAFLD的影响将为NAFLD的预防和诊治提供重要的科学依据。本文就菌群代谢物对NAFLD的致病机制进行综述，旨在为NAFLD提供新的治疗策略。

1 NAFLD中肠道菌群失调特征

肠道菌群结构失调是NAFLD发生和发展的重要影响因素[5]。针对NAFLD和NASH患者及健康志愿者的菌群样本高通量测序结果显示，拟杆菌门（Bacteroidetes）和瘤胃球菌属（Ruminococcaceae）与NAFLD的炎症反应和肝纤维化有关，与健康个体比较，NAFLD患者的拟杆菌门/厚壁菌门比例较高，瘤胃球菌（Ruminococcaceae）比例显著低于健康志愿者。NASH患者肠道中球状芽孢杆菌（Clostridium coccoides）比例显著高于NAFLD患者[5]。肝纤维化患者体内粪球菌（Enterococcus faecalis）和普拉梭菌（F. prausnitzii）数量下降，这两种菌群均可通过产生丁酸盐来维持肠道屏障功能完整性，影响肠黏膜渗透性[6]。

研究发现，NAFLD患者的肠道黏膜通透性与肝脏脂肪变性程度有关[7-8]。正常肠黏膜屏障可有效防止有害物质和细菌的侵入，肠道菌群紊乱可使肠黏膜表面连接蛋白表达降低[8]，破坏肠黏膜屏障的完整性，有害物质或代谢物则容易透过肠黏膜通过血液循环进入肝脏，加重肝脏炎症和脂肪变性。现在诸多研究证明肠道菌群代谢物可通过多种途径影响NAFLD进展。

2 肠道菌群代谢物与NAFLD

图1简要介绍了与NAFLD相关的肠道菌群代谢物及其所影响的信号分子。肠道菌群结构的改变会影响短链脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）、胆汁酸（bile acid，BA）、炎症因子、硫化氢等菌群代谢产物的水平，进而通过影响肠道营养成分吸收、肠道黏膜完整性、发挥抗炎效应及调节脂质代谢等方面影响NAFLD进程。

图1 肠道菌群代谢物对NAFLD疾病的影响

2.1 SCFA与NAFLD

SCFA是肠道菌群发酵膳食纤维的主要代谢产物。大部分SCFA（丁酸盐、乙酸盐、丙酸盐）在结肠中被宿主肠上皮细胞摄取发挥不同作用。其中丁酸盐可保护肠道黏膜，调节免疫平衡，促进脂肪氧化，具有抗炎作用[9-10]。有研究表明，丁酸盐可激活肠上皮细胞的激活蛋白1（activator protein-1，AP-1）信号，增加凋亡相关因子（factor related apoptosis，Fas）的表达水平，还可抑制促炎因子白细胞介素6（interleukin-6，IL-6）表达，通过组蛋白去乙酰化酶抑制剂（histone deacetylase inhibitor，HDACi）促进T细胞向调节性T细胞（regulatory cell，Treg）的增殖和分化[11-13]。此外，动物体内研究表明，丁酸盐能通过激活过氧化物酶体增殖物激活受体α（peroxisome proliferatorsactivated receptor α，PPARα）、抑制肝脏炎症和增强胰高糖素样肽1受体（glucagon-like peptide-1 receptor，GLP-1R）的表达来改善高脂饮食诱导的NAFLD 和NASH进程[14-15]。此外，SCFA还可激活G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，GPCR），诱导胰高血糖素样肽1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）和肽YY（PYY）的释放，形成代谢平衡的反馈调节途径[16-18]。

总之，SCFA不仅可调控糖脂代谢，抑制脂肪合成，降低肝脏内的脂肪含量，还可增强肠道屏障功能，减轻不良因素对肝脏炎症及纤维化的诱导作用，改善NAFLD[19]。

血清代谢组学显示NAFLD患者血清中丁酸盐和丙酸盐水平降低[20-21]。对NAFLD大鼠给予产丁酸盐的益生菌，能促进腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）及苏氨酸蛋白激酶（serine-threonine kinase，AKT）等因子的表达，减少肝脏脂质积累和炎症反应，并改善肝脏胰岛素抵抗[13]。通过向HFD小鼠喂养产丙酸盐的活性益生菌Parabacteroides goldsteinii，可保护肠道黏膜完整性、促进肝脏脂肪代谢，降低胰岛素抵抗，发挥NAFLD治疗作用[22]。

2.2 硫化氢（H2S）与NAFLD

H2S作为体内一种重要的气体分子，参与调控机体多种生理或病理过程，在脂质代谢、氧化应激反应、炎症反应等方面均有重要调控作用。Liu等[23]研究结果发现，外源性H2S可以剂量依赖的方式调节氧化应激，保护大鼠免受百草枯引起的急性肝损伤。H2S可抑制NOD样受体蛋白3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）炎症体的激活，抑制IL-1β和活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生，降低丙二醛水平，还可升高几种特定抗氧化酶，如超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、醌氧化还原酶1[NAD(P)H-quinone oxidoreductase-1，NQO-1]、血红素氧合酶1（heme oxygenase 1，HO-1）的表达水平[24]。因此，H2S可能通过调控肝脏氧化应激反应，发挥对肝细胞的保护作用，预防和改善NAFLD的发生发展。

甲硫氨酸是体内H2S的主要来源，参与转化的酶如胱硫醚-β-合成酶（cystathionase-β-synthase，CBS）及胱硫醚-γ-分解酶（cystathionase-γ-lyase，CSE）等存在于肠道菌群及肝脏中[25-26]。动物实验证明高脂饮食可降低小鼠肝脏能量消耗，诱发脂肪变性和氧化应激，并减少小鼠肝脏中H2S产生[27]。HFD小鼠给予甲硫氨酸，可上调肝脏中CBS及CSE基因和蛋白表达，促进H2S的产生，降低肝脏脂肪百分比，增加能量代谢，降低体重，增强肝脏抗氧化能力，降低氧化损伤产物和嘌呤代谢水平[28-29]。

2.3 氧化三甲胺与NAFLD

食物中的胆碱被肠道菌群（厌氧孢杆菌anaerobic bacteria、拟杆菌Bacteroidetes、厚壁菌门Phylum Firmicutes等）中的三甲胺（trimethylamin，TMA）裂解酶分解成TMA，TMA由门静脉进入肝脏，在肝脏中被氧化形成三甲胺N-氧化物（trimetlylamine oxide，TMAO）。TMAO可上调固醇调节元件结合蛋白1c（sterol regulatory element binding protein-1c，SREBP-1c）的表达，SREBP-1c是调控肝脏脂质代谢的重要转录因子，可促进甘油三酯（triacylglycerol，TG）合成，加重肝脏脂肪变性[30]。通过对TMAO饮食组小鼠血浆检测，发现泡沫细胞生成增加、胆固醇逆向转运（reverse cholesterol transport，RCT）减弱，小鼠出现明显肝损伤，且小鼠肝脏内TG积聚和脂肪合成明显增加[31]。TMAO在HFD小鼠中可上调葡萄糖代谢、增加血清炎性因子来促进胰岛素抵抗[32]，还可通过减少胆固醇转化为胆汁酸来影响脂质代谢和胆固醇稳态，说明肠道胆碱代谢生成的TMAO可通过不同途径促进NAFLD的发展[33]。3, 3-二甲基-1-丁醇作为胆碱的结构类似物，可阻断TMA裂解酶的活性，抑制TMA的形成，降低TMAO水平，缓解NAFLD的发展[34]。因此，减少高胆碱食物摄入、抑制TMA的产生均能抑制或改善NAFLD。

2.4 胆汁酸信号通路与NAFLD

胆汁酸（bile acid，BA）是胆固醇分解代谢的可溶性产物，哺乳动物中存在两大类BA：初级BA和次级BA。BA介导的法尼酯受体（farnesoid X receptor, FXR）激活是其参与脂质和糖代谢的重要途径[35]。在FXR表达水平最高的回肠中，BA能激活FXR从而诱导成纤维细胞生长因子19（recombinant fibroblast growth factor 19，FGF19）的产生和分泌。而血清中FGF19的减少是NAFLD疾病中由FXR和成纤维细胞生长因子受体4（recombinant fibroblast growth factor 4, FGFR4）介导的信号转导受损的主要特征[36]。FXR激活后通过小异源二聚体伴侣（small heterodimer partner，SHP）负向调控减轻肝细胞损伤和氧化应激，降低肝脏低密度脂蛋白水平，降低血清胆固醇表达[35]。同时其还能抑制胆固醇7α羟化酶（cholesterol 7α-hydroxylase，CYP7A1）的转录表达，该酶作为肝脏中促进胆汁酸生成的限速酶，在维持胆固醇稳态和胆汁酸合成中发挥重要作用。CYP7A1表达降低时可改善胆固醇代谢障碍，减少肝脏脂肪沉积，调节肝功能异常等情况[37]。

肠道菌群通过BA受体如FXR和G蛋白偶联受体5（G protein-coupled receptor 5，GPR5）调节BA代谢，参与BA合成、代谢和再吸收，从而间接影响NAFLD的发生和发展。大量动物实验表明，紊乱的肠道环境下，肠道菌群、胆汁酸和NAFLD三者之间形成了相互影响的反馈调节。随着对肠道菌群和胆汁酸受体在NAFLD中作用机制的明确，如何正确使用抗生素、益生菌或胆汁酸受体相应配体将是未来需重点解决的问题。

2.5 炎症因子与NAFLD

肠道菌群也可产生对宿主有危害的成分，如脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），其位于革兰阴性杆菌的细胞膜表面，LPS可引起肠源性内毒素血症，其产生的炎症反应可能损害人体免疫系统，加重NAFLD的病程发展。有研究分别对NAFLD患者及高脂饮食诱导的NASH小鼠进行肝脏活检和血清检测，结果发现实验组的血清及肝组织的LPS和炎症因子（IL-1、IL-6、TNF-α）水平均高于正常对照组[38]。

在HFD诱导的NASH小鼠模型中，高水平的LPS和TNF-α还可激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），PKC通过磷酸化作用显著抑制下游基因微粒体TG转运蛋白（microsomal triglycefide transfer protein，MTTP）和载脂蛋白B（apolipoprotein，ApoB）转录活性，进而妨碍肝脏TG的外排，使得过多的TG无法正常代谢清除而滞留在肝脏中，进一步加剧脂肪肝的形成和发展[39]。肝细胞中的Toll样受体4（toll-like recepter 4，TLR-4）作为LPS的受体能迅速诱导炎症因子产生，这些炎症因子可诱导巨噬细胞中核转录因子κB（nuclear factor kappa-B, NF-κB）、p38丝裂原活化蛋白激酶（p38-mitogen activated protein kinases, p38-MAPK）、NLRP3的激活加重肝损伤，并可导致胰岛素受体底物1（insulin receptor substrate，IRS-1）丝氨酸磷酸化，降低葡萄糖转运体（GLUT4）的水平，引起肝脏的胰岛素抵抗[40-42]，增加肝脏脂肪形成。对NASH小鼠模型给予TLR-4拮抗剂，发现小鼠的肝脏炎症程度明显缓解[41]。

2.6 色氨酸代谢通路与NAFLD

临床研究与小鼠NAFLD模型中的证据表明，色氨酸（tryptophan，Trp）代谢与 NAFLD 进展有关。色氨酸进入肠道后主要通过三条途径被肠道菌群分解代谢：（1）肠道菌群可将少量Trp直接代谢为吲哚和各种吲哚衍生物；（2）约95 %的色氨酸由吲哚胺2, 3-双加氧酶1（indoleamine 2, 3-dioxygenase，IDO1）催化转化为犬尿氨酸（Kyn），酶的活性受肠道菌群调节；（3）其余部分由肠道噬铬细胞通过Trp羟化酶1（TpH1）催化产生5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）途径[43-44]。

肠道菌群直接代谢Trp，代谢产物包括吲哚丙酸（indole propionic acid，IPA），吲哚乙酸（indole acetic acid，IAA），吲哚醛（indole aldehyde，IAld）[45]。 IAA、IPA、IAld均可作为芳烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AHR）的配体。在健康的肠道中，乳酸杆菌通过IAld介导AHR配体促进IL-22产生，进而控制上皮细胞增殖及AMP的产生，并参与黏蛋白基因的表达，调节黏膜稳态[46]。此外，吲哚可减轻炎症，降低 TNF-α 和IL-8 水平，并增加人肠上皮细胞系中抗炎因子的表达水平[47]。Venkatesh 等[48]发现，IPA 通过激活孕烷 X 受体（pregnane X receptor，PXR）上调紧密连接蛋白（ZO-1）、闭合蛋白（occludin）和上皮型钙黏素（E-cadherin）的表达，促进肠道屏障完整性，对维持肠道稳态具有重要作用。血清IPA还可促进IL-6分泌激活AMPK，AMPK激活后一方面抑制脂肪合成酶的活性，降低肝脏TG合成，另一方面还可增加肝脏脂肪酸氧化和细胞摄取葡萄糖，减少脂肪在肝细胞内聚集[49]。

人体90 %以上的5-HT是由肠嗜铬细胞中的TpH1酶催化产生。PPARγ在调节葡萄糖和脂质稳态及组织炎症等方面发挥重要作用[50]，5-HT作为PPARγ的内源性激动剂，可通过直接结合PPARγ的H12螺旋结构调节巨噬细胞功能和脂肪生成[51]。与对照组比较，5-HT处理过的肝细胞TG合成明显增加，此外经5-HT受体拮抗剂处理过的肥胖小鼠体内PPARγ表达下降，肝脏脂肪沉积显著减少[52-53]。益生菌可通过减少血清与结肠5-HT水平保护肠黏膜屏障功能，使有害物质无法通过肠肝循环进入肝脏，改善肝脏炎症、纤维化的发生[54]。因此，调节5-HT水平可能有助于改善脂质代谢紊乱相关疾病如NAFLD。

3 小结

综上，肠道菌群代谢产物在NAFLD的发生发展中具有重要作用，挖掘更多与NAFLD有关的肠道菌群代谢物，对建立以肠道菌群或其代谢物为靶点的NAFLD治疗策略具有重要意义。有必要结合肠道基因组学、代谢组学和蛋白质组学等对肠道微生物、菌群代谢产物和影响疾病的分子机制之间的关系进行深入研究，为阐释NAFLD的发展机制提供理论依据。