胆汁酸代谢及肠道微生态对慢性肝脏疾病的影响*

牙程玉 张荣臻 王秀峰 王挺帅 赵庆瑞 陈玮钰 毛德文△

1.广西中医药大学第一附属医院肝病一区 (广西 南宁, 530023) 2.广西中医药大学

胆汁酸(BAs)的代谢异常及肠道菌群的紊乱,均可导致不同程度的肝脏疾病或由肝脏疾病引发的相关并发症。肝脏可通过门静脉系统接触肠道静脉,故肝脏容易受到肠腔经门静脉转运的细菌产物的影响。另外,肝脏可以通过胆道系统和BAs的相互作用来调节肠道菌群的平衡,肠道菌群移位也可能损害肝脏稳态[1],由此可见,BAs及肠道菌群在肝脏疾病中占据重要地位。

1 BAs的合成与代谢

BAs是由肝脏中的胆固醇合成的内源性分子,是胆汁的主要成分。肝细胞分泌BAs和其他胆汁性化合物会产生胆汁流动,并有助于消除例如胆红素和激素等内源性化合物和代谢产物[2]。肝脏是唯一具有BAs合成所需所有酶的器官,BAs的合成分为两种途径:经典途径及替代途径[3]。正常情况下,经典途径是由胆固醇7α-羟化酶(CYP7A1)催化胆固醇7α位羟化作用引发的,CYP7A1是限速酶,可控制BAs的产量,由经典途径产生的BAs约占BAs总产量的75%,主要产生初级胆酸,即胆酸(CA)和鹅脱氧胆酸(CDCA);替代途径则由甾醇27-羟化酶(CYP27A1)催化产生[4],主要产生CDCA。CA与CDCA分别通过BAs-CoA合酶(BACS)和BAs-氨基酸转移酶(BAT)与甘氨酸、牛磺酸结合形成结合型BAs,也就是二级胆酸,是正常胆汁的主要存在形式,正常情况下,结合型BAs经胆管进入肠道,在7α脱氢酶的作用下分解成脱氧胆酸(DCA)和石胆酸(LCA)。

2 BAs的肠肝循环

BAs储存在胆囊中,人体在摄入食物后,胆囊在胰酶分泌素作用下收缩,将BAs分泌至小肠中,BAs是两亲性类固醇酸,被认为是不可缺少的“清洁剂”,它通过小肠形成胶束来促进膳食脂质和亲脂性维生素的消化吸收[5],初级BAs进入小肠后,在肠道菌群作用下将初级BAs转化成次级BAs,约95%的BAs通过弥散作用在回肠中重吸收,少部分结合型BAs被BAs盐水解酶(BSH)催化成游离的BAs,再经肠道菌群以脱羟基形式,转化为次级BAs后被重新吸收[6],其余则由粪便排出,重吸收的BAs由门静脉回流至肝脏,再在肝脏内合成,并与新生成的初级BAs一同排入肠道,不断循环,这一过程便构成了BAs的肠肝循环[7],而未被吸收的BAs可以作为微生物代谢的底物,并发生生物转化。BAs从门静脉循环到肝细胞的转运可分为两种机制,一是通过Na+依赖性途径,二是通过Na+非依赖性途径进行的,Na+依赖途径过程中,需要钠离子-牛磺胆酸共转运蛋白(NTCP)的参与,NTCP通常在人肝细胞表面表达,并负责运送BAs,是BAs及胆盐肠肝循环中最重要的转运体,而Na+非依赖途径则是通过有机阴离子转运多肽(OATP)进行的,OATP可调节肝细胞对底物的摄取,同时也包含了对BAs的转运[8]。

3 肠道微生态

人类机体最庞大及重要的微生态系统为肠道的微生态系统,正常情况下,人体为某些定植于肠道的微生物提供适宜的环境和营养,另一方面,这些微生物及其代谢产物也在人体内发挥生物屏障功能,参与免疫系统成熟和免疫应答的调节,并对机体内多种生理代谢起着重要作用[9]。肠道菌群是一个由细菌、原生动物、古细菌、真菌和病毒组成的多样化生态系统,它们之间以特定的共生关系与人体共存,肠道菌群现已发展成为许多肠道和肠道外疾病的病理生理学中的重要新角色。目前可知,肠道菌群在人类机体内参与消化、维生素B的合成、免疫调节以及促进血管生成和神经功能等[10]。人体肠道内寄生着近10万亿个细菌,肝脏是与肠道最紧密接触的器官,并暴露于大量细菌成分和代谢产物中,各种肝脏疾病,例如酒精性肝病、非酒精性肝病、原发性硬化性胆管炎以及肝癌等,都与肠道微生物组的改变有关[11]。

4 BAs代谢与肠道菌群

BAs池的组成是由肠道中的细菌代谢介导的,并与宿主存在内在联系[12],是宿主新陈代谢的中央调节器。肠道菌群将肠道BAs生物转化为未结合形式的能力是胃肠道代谢稳态的关键,与BAs代谢有关的肠道菌群的主要细菌属包括:BAs结合的拟杆菌、梭菌、乳杆菌、双歧杆菌和李斯特菌;真杆菌、梭状芽孢杆菌、大肠杆菌等[13]。其中,双歧杆菌和拟杆菌是参与BAs代谢的肠道微生物群的主要细菌属。肠道菌群的组成和功能是动态的,并受饮食特性(如脂质的数量和组成)的影响,因此,饮食中的脂质可能通过与肠道菌群相互作用而影响宿主生理。脂质既作为细菌代谢过程的底物,又通过毒性作用抑制细菌的生长,从而影响肠道菌群[14]。此外,肠道微生物中存在三种不同的微生物羟基甾类脱氢酶(HSDH),3α-HSDH、7α-HSDH和12α-,它们导致BAs上特定羟基的氧化和差向异构化,HSDH可单独从宿主衍生的BAs中形成20多种代谢产物[15]。Ridlon等[16]推测这些BAs代谢物是作为微生物与其他肠道微生物(通过微生物-微生物相互作用)和/或改变宿主生理(通过微生物-宿主相互作用)的信号分子而进化的;肠道菌群可通过法尼酯衍生物X受体(FXR)和跨膜G蛋白偶联受体5(TGR 5)参与BAs的代谢,改变胆汁的成分[17],这两种受体都位于宿主免疫系统与肠道菌群的界面,并在先天免疫细胞(如肠道和肝脏巨噬细胞、树突状细胞和自然杀伤性T细胞)中高度表达。FXR是肝脏中BAs合成的主要调节剂,BAs(如CA、CDCA)通过激活FXR受体和表皮生长因子受体信号传导途径调节肠道细胞的增殖[18],肠道FXR的激活诱导成纤维细胞生长因子15(FGF15)激活肝FGF受体4/β-Klotho信号传导,从而抑制BAs的合成[19]。通常,CA和CDCA在上消化道中含量最高,FXR活化后又可通过抑制胆CYP7A1的活性来调节肝脏脂肪的从头合成和血浆甘油三酯的运输、合成和利用;Parseus等[20]通过给有或没有细菌的野生型和FXR基因敲除小鼠喂食高脂饮食,表明微生物群引起的体重增加、脂肪变性和炎症取决于FXR信号传导,因此,BAs的微生物加工可能会通过与FXR相互作用来影响脂质代谢。TGR 5在肝组织中的Kupffer细胞和内皮细胞中表达,并起调节肝脏炎症和葡萄糖代谢以及改善胰岛素敏感性的作用[21],有研究表明,TGR 5信号传导诱导肠内分泌L细胞释放GLP-1,从而改善肥胖小鼠的肝脏和胰腺功能,对脂质合成和储存具有潜在影响,此外,TGR 5还可通过抑制巨噬细胞中的NF-κB信号传导和细胞因子生成来减轻炎症反应;另外,DCA和LCA是TGR 5的优先配体,在回肠末端和结肠中含量最高,由肠道菌群操作的7α-脱羟基作用的效果是减少了BAs CA和CDCA的量,同时增加了BAs DCA和LCA的浓度[22]。BAs中,主要是DCA,其通过对细菌细胞膜的去污作用来完成抗菌特性,并且能够影响肠道菌群的种类,这会破坏细菌的完整性并调节微生物种群。胆汁流动受阻是细菌过度生长和肠道易位的主要因素[23]。研究发现,在小鼠模型中,口服BAs可逆转这种情况,FXR诱导的基因表达也可调节这种作用,该表达与肠保护和抑制细菌对肠黏膜的损害有关。

5 BAs与慢性肝病

脂肪性肝病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,根据有无长期过量饮酒分为非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)和酒精性脂肪性肝病(ALD)。NAFLD是代谢综合征在肝脏的表现,有研究表明,饮食中结合初级BAs的减少、非结合及次级BAs增加和肠道菌群改变相关,可能与脂肪组织活化及能量消耗增加有关,进而预防肥胖和代谢综合征进展[24]。肝脏通过核受体调节的复杂通路网络控制BAs稳态,一个重要的调节因子是成纤维细胞生长因子19(FGF19),它是一种在肠道中分泌并通过门静脉循环到达肝脏的激素,是肝脏调节BAs稳态的一个重要的调节因子,酒精性肝炎患者的总BAs和结合BAs显著增加,在酒精性肝炎患者的胆管上皮细胞和胆管细胞中,血清FGF19水平显著升高,并诱导FGF19基因表达[25]。

在早期肝硬化患者中,与没有肝细胞癌(HCC)的患者相比,同时患有HCC的患者的总BAs和原发性结合 BAs 的浓度显著更高,这表明在早期肝硬化和高水平总和原发性结合 BAs 患者中,应考虑HCC的发生。总BAs和主要结合BAs可能是早期肝硬化患者早期诊断HCC的潜在生物标志物[26]。另外,有研究表明,结合型初级BAs与HBV和HCV相关HCC的风险增加有关。然而,较高水平的次级BAs与 HCC 风险增加无关;事实上,DCA可能与降低HBV相关HCC的风险有关[27]。

BAs在癌症发展中发挥着不同的作用,BAs信号也参与各种代谢、炎症和免疫相关的过程,一项前瞻性研究发现,循环中BAs水平的升高,尤其是甘氨胆酸(GCA)和牛磺酸结合的BAs,与HCC的发生密切相关[28]。FXR信号是BAs介导HCC发展的最重要途径,除FXR外,BAs介导的肝癌发生还涉及TGR 5和多种炎症信号,这意味着BAs参与了肝癌的免疫治疗过程,亲水性BA-UDCA通过下调膜内信号传导对肝癌也有治疗作用[29]。FXR在免疫微环境中发挥关键作用,不仅通过调节HCC细胞中PD-L1的水平,而且通过影响肿瘤衍生的外泌体来调节CD4+T细胞免疫共刺激靶点[30]。

在PBC和PSC中,免疫和BAs代谢紊乱都很明显。在这两种疾病中,胆管中的强烈炎症反应会导致进行性胆道纤维化,从而导致上行性胆汁淤积。PBC和PSC中免疫细胞的激活导致免疫平衡倾向于炎症表型,这两种疾病的患者肝脏中细胞毒性,特别是疏水性BAs的积累进一步加剧了免疫反应,促进了纤维化的发展,并可能发展为恶性肿瘤[31]。此外,还有研究表明肝衰竭患者血液中积累的BAs会激活单核细胞中的TGR 5,从而损害单核细胞功能,激活TGR 5的血清BAs与肝衰竭死亡率增加有关[32]。

6 肠道菌群与慢性肝病

小肠细菌过度生长(SIBO)又称小肠淤积综合征,指的是小肠内菌群数量或菌群种类改变,达到一定程度后,临床引起腹痛、腹胀、腹泻或吸收不良的表现,可进一步体现为体重下降、贫血或营养不良。许多患有慢性肝病的患者都伴有SIBO,且SIBO与肝病的严重程度有直接关系,由于肠蠕动降低和BAs生成降低,SIBO在肠道通透性增加及NAFLD发展进程中起作用,SIBO还可以增加脂多糖(LPS)的分泌、Toll样受体4(TLR4)的表达以及IL-8的释放[33],这些都促进了炎症的产生,而炎症又可以抑制肝脏中BAs的合成。肠细胞具有Toll样受体(TLR)和NOD样识别细菌LPS受体(NLR)、细菌DNA和肽聚糖。通过它的受体导致炎症递质TNF-α上调的细菌产物的识别。在此过程中,另一个不可或缺的因素是门静脉,它是LPS和其他细菌产物从肠到肝脏传输的主要管道。这条链的最后一步是代谢物通过肝TLR和NLR与肝细胞和Kupffer细胞相互作用,从而导致促进肝硬化形态的变化。肝硬化一旦发生,微生物组变化通常是由于其他机制在促进营养不良中起更大作用[34]。这些可以具有临床相关的结果如HE,感染如SBP、慢加急性肝衰竭(ACLF)。

微生物可以通过多种方式诱发慢性炎症:粘附于上皮,通过与TLR结合和/或Treg细胞激活免疫应答,细胞毒性生物分子或代谢产物的合成和分泌,或易位到身体[35]。有研究表明,NAFLD人群的血清中含有更高的LPS水平,而肝组织中TNF-α基因表达增加,证实了与这些病理相关的促炎状态。不管肠屏障的功能如何,已经证明细菌LPS与高脂饮食期间形成的乳糜微粒一起经由门静脉从肠中转运到达肝脏。这是帮助促炎性细菌产物通过肠道屏障到达肝脏的关键步骤,这些产物与相应的TLR相互作用并诱导TNF-α等促炎性递质的产生,然后诱导肝硬化。研究表明,肠道微生物组是导致NAFLD发展及其进展为NAFLD-HCC的环境因素,微生物衍生的代谢物,如BAs、短链脂肪酸和三甲胺以及它们影响的信号通路可能有助于NAFLD的发展,特别是3-(4-羟基苯基) 乳酸——一种源自肠道微生物组的代谢物,与肝脂肪变性和肝纤维化具有共同的基因效应[36]。

肠道菌群促进肠黏膜的完整性,提供维生素和酶等必需营养素,保护身体免受病原体侵害,并产生抗微生物肽,肠道微生物菌群在丁酸、丙酸和乙酸等短链脂肪酸的合成中发挥着积极作用[37]。短链脂肪酸(SCFA)是挥发性脂肪酸,主要通过大肠中的肠道微生物发酵可溶性膳食纤维和不易消化的碳水化合物而产生,其中,丁酸盐通过调节肠道微生物群、肠道屏障功能、上调胰高血糖素样肽-1受体(GLP-1R)表达和下调炎症信号传导来减轻脂肪性肝炎以及肝脏的氧化损伤[38];肠道菌群在肝硬化和HCC的发病机制中发挥着重要作用,肝硬化相关的肠道营养不良伴有拟杆菌、肠杆菌科减少,门菌体水平的增加,肠杆菌科的潜在致病性过度生长与肝硬化的严重程度及其并发症有关[33]。肠道菌群失调导致TNF-α和IL-8等炎症细胞因子分泌增加,它们诱导和促进了NAFLD向NASH和肝硬化进展;其次,肠道菌群失调导致TLR-4 和TLR-9的激活,导致Kupffer细胞产生促进肝细胞中的脂质积累和细胞死亡的IL-1β,引起脂肪变性和炎症,并刺激HSC产生纤维化介质,从而促进纤维化。另外,肠道菌群组成的改变可导致更高水平的DCA,从而引发HSC中的衰老相关分泌表型(SASP),进而在肝脏中分泌各种炎症和促肿瘤因子,促进HCC的发展;总之,肠道微生物群可能通过增加炎性细胞因子分泌、激活TLR-4和 TLR-9以及改变BAs代谢来促进NAFLD相关肝硬化和HCC的发展[39]。研究表明[40],IL-25与HCC患者的不良预后相关,并且可以间接促进HCC的进展,而肠道菌群失调可诱导结肠上皮簇细胞的增生和IL-25的分泌,从而促进HCC的发展。肠道微生物群的改变、肠道损伤增加和细菌易位与HCC进展有关。HCC的肠道菌群失调的特征是肠球菌科和肠杆菌科的丰度增加,双歧杆菌科和产生SCFA的细菌的丰度降低。微生物产物诱导的炎症反应升高和T细胞免疫抑制可能是HCC进展的机制之一[41]。

综上,BAs与肠道菌群在慢性肝病的发生发展中都扮演着至关重要的角色,并且二者可在一定程度上交织融合,其机制错综复杂。BAs可作为重要的信号分子,激活多种多样的信号通路,涉及多种炎症递质,可引起肝脏的炎症反应、免疫反应等,另外,BAs不仅具有细胞毒性,而且在肝损伤和体内平衡中起着复杂的调节作用,今后可更深入研究这些细胞特异性作用及其机制;此外,肠道菌群中致病菌与有益菌的失调,也是导致肝脏疾病发生发展的原因,虽然目前已研究出针对调节肠道菌群的各种策略及方法,但未来应更进一步研究肠道菌群与肝病发生发展的作用机制及针对慢性肝病中肠道菌群的治疗方案。