肠道菌群代谢产物在非酒精性脂肪性肝病发病中的作用机制研究进展

刘印聪，罗金波，张玉亭，马秀英，王文学，耿嘉蔚

1 昆明理工大学附属医院感染性疾病及肝病科，昆明 650032；2 云南省第一人民医院感染性疾病及肝病科

非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）是一种代谢相关的肝脏疾病，包括非酒精性脂肪肝（NAFL）及非酒精性脂肪性肝炎（NASH），主要特征是在没有过量饮酒的情况下，肝脏脂质积聚超过5%［1］。肠道菌群是人体内微生物群的重要组成部分，可通过一系列生理功能为宿主提供多种益处，如增强肠道完整性或塑造肠上皮细胞屏障，收获能量，抵御病原体和调节宿主免疫力等［2］。由于肝脏和肠道密切的解剖和生理关系，肠道的代谢产物和免疫因子可以通过门静脉进入肝脏进行一系列复杂的生理过程，这种联系通过肠肝轴（GLA）进行［3］。肠道菌群可以通过GLA参与NAFLD的发病过程，其机制主要表现为影响营养物质吸收；改变肠黏膜通透性使有毒物质进入肝脏，增加肝脏负担；产生有毒物质间接影响代谢等［4］。而肠道菌群代谢产物作为这一系列宿主—微生物相互作用的关键因素，发挥着不同的生理功能［2］。与NAFLD相关的代谢产物包括短链脂肪酸（SCFA）、胆汁酸、细菌成分、内源性乙醇、胆碱等。近年来有报道表明，肠道菌群分泌的代谢产物在NAFLD发病过程中发挥重要作用。现就肠道菌群代谢产物在非酒精性脂肪性肝病发病中的作用机制作一综述，以期为NAFLD的治疗提供新的靶点及策略。

1 SCFA在NAFLD发病中的作用机制

SCFA是肠道菌群发酵膳食纤维所产生的一类重要的信号分子，包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐等［5］。大多数SCFA在肠道中被利用（尤其是丁酸盐），可为肠上皮细胞提供大约70%的能量。少量SCFA通过单羧酸转运蛋白1和钠偶联单羧酸转运蛋白1受体进入门静脉，随后浸润肝脏，触发三羧酸循环，进一步促进肝脏糖异生，影响脂质合成的过程［6］。

SCFA能够通过激活G蛋白偶联受体（GPCR）中GPR41和GPR43的表达促进NAFLD发生发展。SAMUEL等［7］通过比较GPR41-/-小鼠和无菌野生型小鼠，发现SCFA结合GPR41-/-可能通过调节肠道菌群对宿主肥胖产生影响。SCFA通过激活GPR41-/-和GPR43-/-亚型进而刺激肽酪氨酸分泌，后者会抑制肠道蠕动并减慢肠道中物质运输，从而导致从饮食中获取的营养和能量增加，最终促进肝脏脂肪生成。激活GPCR会促进胰高血糖素样肽1的分泌，后者能够激活肝细胞中调节脂肪酸β氧化和胰岛素敏感性相关基因，从而促进NAFLD的发生［8］。

SCFA对肠道屏障的改善是目前研究的热点，多项研究表明，SCFA有益于维持肠道屏障的完整性，能够防止肠道毒素侵入肝脏，进而减轻肝脏炎症水平。在结肠上皮细胞中，SCFA通过与GPR43结合激活NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）炎症小体，导致含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶1（Caspase-1）激活和白细胞介素18（IL-18）释放，促进上皮炎症修复［9］。丁酸盐可通过降低Toll样受体4（TLR4）的表达改善肠道生态失调和肠道屏障功能，进而降低内毒素水平和肝脏炎症［1O］。丁酸盐还能通过抑制组蛋白脱乙酰酶来调节肠道巨噬细胞的功能，下调炎症介质如一氧化碳、IL-6、IL-12的生成［11］。因此，SCFA对NAFLD的发展既有促进作用也有抑制作用，这可能取决于SCFA激活的信号通路有所不同。

2 胆汁酸在NAFLD发病中的作用机制

胆汁酸是胆汁的重要组成部分，参与脂肪代谢过程，包括初级胆汁酸和次级胆汁酸。肠道菌群可以通过其生物转化作用将初级胆汁酸（胆酸及鹅去氧胆酸）代谢为次级胆汁酸来影响胆汁酸池的稳态，参与NAFLD形成过程中的脂质调节和能量代谢［12］。其中，初级胆汁酸参与胆固醇代谢，促进膳食脂肪和脂溶性小分子的吸收；次级胆汁酸不仅调节胆固醇、甘油三酯和脂溶性维生素的消化和吸收，而且可通过激活肝脏、肠道、肌肉和棕色脂肪组织中的法尼醇X受体（FXR）和胆汁酸G蛋白偶联受体5（TGR5）在调节脂质和葡萄糖代谢中发挥关键的信号分子作用［13］。

除了调节糖脂代谢，FXR信号通路的激活还可抑制脂肪生成，促进脂肪酸氧化，同时影响胆固醇的运输。在肝脏中，FXR能够激活小异二聚体伴侣（SHP），与肝脏受体同源物1（LRH-1）形成多聚体，从而抑制胆固醇7α羟基化酶（CYP7A1）的活性［14］。在肠道中，FXR促进成纤维细胞生长因子15/19（FGF15/19）的表达，并进一步激活肝细胞中的成纤维细胞生长因子受体4（FGFR4）和β-klotho蛋白表达，从而抑制胆汁酸合成，降低肝脂肪变性和胰岛素抵抗［15］。此外，FXR还可以通过激活过氧化物增殖激活受体α（PPARα）抑制固醇调节元件结合蛋白SREBP-1c的表达来抑制肝脏脂肪生成［16］。TGR5存在于肝脏非实质肝细胞、棕色脂肪组织、白色脂肪组织等部位中，具有调节肝脏炎症的作用。胆汁酸可以通过TGR5/cAMP依赖性途径抑制脂多糖诱导的肝脏Kupffer细胞产生IL-1α、IL-1β、IL-6和肿瘤坏死因子等细胞因子［17］。

肠道菌群失调会导致胆汁酸代谢紊乱，进而导致FXR和TGR5激活不足，最终导致脂肪生成和炎症发生。FUNABASHI等［12］研究发现，给予小鼠TGR5或FXR激动剂可抑制脂质生成，改善高胆固醇血症，诱导能量消耗和减少肝脏炎症，从而降低NAFLD的发生发展。肠道菌群失调还可导致胆汁酸组成成分发生改变，如脱氧胆酸与鹅去氧胆酸的比值升高可以抑制FXR的激活过程，从而通过降低FGF15/19的表达水平促进CYP7A1表达［18］。肠道菌群参与胆汁酸代谢具有双向性，这取决于所生成的次级胆汁酸的形式和数量。肠道菌群影响胆汁酸的产生、胆汁酸池的大小和结构以及胆汁酸的肠肝循环，而胆汁酸则影响肠道菌群的丰度和生物多样性。综上所述，胆汁酸与肠道菌群之间的相互关系影响着宿主的代谢以及NAFLD进程。因此，胆汁酸及其衍生物的代谢组学研究可以被用作评价NAFLD病情和治疗患者预后的非侵入性标志物。

3 细菌成分在NAFLD发病中的作用机制

肠道屏障功能的破坏促进细菌过度生长及其产物移位到黏膜和循环系统，从而引发或增强肝脏炎症。在NAFLD患者中，肠道通透性和小肠细菌过度生长导致的患病率与脂肪变性的严重程度有关。相关的细菌成分包括脂多糖（LPS）、DNA、RNA等，这种肠源性潜在有害物质被称为病原相关分子模式（PAMP），是引起组织炎症的诱因［19］。

目前，研究最广泛的PAMP是LPS。有研究显示，NAFLD患者肠道中沃氏嗜胆菌、奇异菌属、耳蜗形梭菌的增加和双歧杆菌、拟杆菌属和真杆菌的减少可以导致血清LPS浓度增加［20］。目前认为这是由于肠道菌群失调导致肠道通透性改变，从而促进PAMP、损伤相关分子模式（DAMP）和LPS进入门静脉循环，通过TLR4信号传导导致NLRP3的激活和肝脏炎症。肠源性LPS的水平增加可以激活肝Kupffer细胞和星状细胞上的TLR4及NLRP3表达，进一步参与炎症反应过程［22］。TLR4活化过程可以激活髓样分化因子88（MyD88）及下游的MyD88依赖性信号通路激活核转录因子κB（NF-κB），从而导致促炎症细胞因子如肿瘤坏死因子α（TNF-α）、IL-6、IL-8和IL-12及单核细胞趋化蛋白1（MCP-1）的表达，加剧炎症发展［21］。由于肠道菌群失调而导致的TLR信号转导还可导致外周血和实质细胞中产生炎症小体，其中NLRP3和NLRP6与肠道菌群失调引起的NASH密切相关。此外，由于活性氧（ROS）过度产生和内源性抗氧化剂分子的缺乏，NAFLD中的氧化应激增加，LPS和TLR4之间的相互作用促进了氧化应激反应，促进NASH发病进程［22］。

由于肠道菌群失调导致的肠道通透性增加，包括LPS在内的各种有害细菌成分能够通过肠道屏障进入体内循环，并进一步激活各类促炎症细胞因子，产生氧化应激物质、炎症小体等，从而加剧NAFLD的炎症发展和肝损伤。

4 内源性乙醇在NAFLD发病中的作用机制

微生物组成特征的改变，尤其是大肠杆菌和其他肠杆菌科所引起的肠道菌群失调会增加其代谢产物内源性乙醇的产生［23］。内源性乙醇的增加能够影响肠道通透性并破坏肠道紧密连接，使LPS和乙醇活化炎症小体触发TLR信号，从而进一步刺激肝组织的炎症反应并导致肝脏损伤［23］。内源性乙醇还能通过形成ROS和活性氮引起氧化损伤和肝细胞坏死，并且对三羧酸循环产生抑制，从而增加乙酸盐水平，促进肝细胞甘油三酯的累积并加重肝损伤。在肝脏中，乙醇脱氢酶将乙醇代谢为有毒的乙醛，对肝脏产生不良作用［24］。

NAFLD引发的肠道菌群失调与埃希菌、拟杆菌、双歧杆菌和肺炎克雷伯菌等可产生酒精的细菌有关［25］。ZHU等［26］研究了NAFLD患者肠道内内源性乙醇的产生，并观察到与健康受试者或肥胖的非NASH患者相比，NASH患者的乙醇水平大幅增加。临床研究表明，患有NAFLD的儿童血清中乙醇含量显著升高，这与γ-变形菌和普雷沃菌丰度增加有关［27］。此外，由于乙醛的亲电子特性，其易与细胞中蛋白质和其他分子形成加合物，导致其结构和功能丧失。比如，细胞色素P450（CYP2E1）能够代谢多种分子，将乙醇代谢的乙醛转化为乙酸，积累有毒中间体，与肝脏中氧化应激反应水平密切相关［28］。

5 胆碱在NAFLD发病中的作用机制

胆碱是构成细胞膜的重要组成成分，对维持人体生长发育和行使代谢功能十分重要。胆碱参与肝脏脂质和胆固醇代谢以及胆汁酸肠肝循环中的信号转导，可以通过促进极低密度脂蛋白向肝脏外转运，进一步促进内源性甘油三酯的运输，而胆碱的缺乏导致肝脏中脂质的积累［29］。通过肠道菌群的作用，可以将胆碱转化为三甲胺（TMA），促进NAFLD进程。在胆碱缺乏时，TMA通过降低胆汁酸池的大小影响脂质代谢和胆固醇稳态，可以诱发NAFLD［30］。

TMA通过门静脉循环在肝脏中与加单氧酶（FMOs）发生氧化反应生成三甲胺-N-氧化物（TMAO）［31］。TMAO能够通过增加血清炎症细胞因子C-C基序趋化因子配体2（CCL2）的水平，促进胰岛素抵抗和脂肪组织炎症［32］。有研究发现，TMAO能够通过抑制胆汁酸介导的肝脏FXR信号通路，调控从头脂肪生成基因SREBP-1c，加重NAFLD脂肪变性［33］。而TMAO也可以通过抑制参与胆汁酸代谢的两种关键酶CYP7A1、细胞色素P450家族成员27A1诱导总胆汁酸池减少，从而进一步加重NAFLD［34］。因此，肠道菌群失调导致的胆碱缺乏会影响脂质代谢，主要通过TMA和TMAO进一步影响NAFLD进程。

综上所述，肠道菌群代谢产物SCFA、胆汁酸、细菌成分、内源性乙醇、胆碱在NAFLD的发病过程中均起到重要作用。随着RNA测序和宏基因组学等技术的飞速发展，更多的代谢产物调节NAFLD的机制将被挖掘出来，这对于通过调控肠道菌群代谢产物的方式改善NAFLD的进展过程至关重要。但遗憾的是目前肠道菌群代谢产物与NAFLD相关的基础性和临床研究仍然不足够，今后仍然需要更多基础性和临床性研究获得更多的证据及结果来验证在啮齿动物模型上进行的实验结果，为研究调控肠道菌群改善NAFLD病情提供更多研究基础和理论依据。