腸道菌群在代謝相關(guān)脂肪性肝病中的作用

2021-12-23 03:24:30楊禮丹安振梅

臨床肝膽病雜志 2021年9期

楊禮丹，何訸，安振梅

四川大學(xué)華西醫(yī)院 a.實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)科， b.內(nèi)分泌代謝科，成都 610041

非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)全球患病率高達(dá)25%，嚴(yán)重危害人類健康，并對(duì)社會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]。NAFLD患者肝脂肪變性向脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis, NASH)的轉(zhuǎn)變是引起肝硬化、肝細(xì)胞癌和肝移植的主要原因之一[2]。2020年初，國際專家小組發(fā)布共識(shí)聲明[3]，將NAFLD更名為代謝相關(guān)脂肪性肝病(metabolism-related fatty liver disease, MAFLD)。這一更名有利于將其他慢性肝病患者(合并或不合并代謝異常)進(jìn)行明確區(qū)分，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了代謝因素在慢性肝病診斷和治療過程中的重要性。以下關(guān)于NAFLD的論述均替換為MAFLD。MAFLD是由多種代謝、環(huán)境、遺傳和微生物機(jī)制介導(dǎo)的復(fù)雜疾病，與之相關(guān)的致病因素包括遺傳(如PNPLA3基因多態(tài)性)、飲食(如果糖)、胰島素抵抗(insulin resistance, IR)和脂肪因子[4-5]。其他可能與MAFLD相關(guān)但還需要進(jìn)一步研究的致病因素，目前關(guān)注較多的是內(nèi)分泌干擾物和腸道菌群[6]。本文就腸道菌群在MAFLD中的作用及機(jī)制的研究進(jìn)展作一綜述。

1 腸肝軸

腸肝軸是指胃腸道和肝臟之間緊密的解剖學(xué)和功能關(guān)系。在包括NASH和肝硬化在內(nèi)的多種臨床相關(guān)疾病中，腸道通透性和微生物組組成及代謝的變化，均可能導(dǎo)致腸道菌群-腸屏障-肝臟這一軸線發(fā)生變化[7]。人類腸道菌群主要由擬桿菌門和厚壁菌門組成。變形桿菌門、疣微菌門、放線菌門、梭桿菌門和藍(lán)細(xì)菌比例較少。從空腸到結(jié)腸，細(xì)菌的數(shù)量和多樣性增加，并且主要細(xì)菌種類發(fā)生了變化[8]。在食道和近端小腸，鏈球菌屬占優(yōu)勢(shì)，而在結(jié)腸中，厚壁菌門和擬桿菌門最為普遍[9]。腸道菌群受外源性(飲食習(xí)慣、食物纖維、不易消化的碳水化合物、生活方式、藥物等)和內(nèi)源性(細(xì)菌黏膜受體及其相互作用、腸道pH、免疫應(yīng)答等)因素的影響[10]。細(xì)菌和病原體相關(guān)分子模式易位是肝病發(fā)生的重要病理生理過程[11]。大量研究表明，患有酒精性肝病或肝硬化的患者其腸道通透性增加，這可能是引起疾病進(jìn)展的重要因素[12]。

2 MAFLD中腸道菌群種類的變化

MAFLD的危險(xiǎn)因素(如飲食、肥胖和IR)均與腸道微生物有關(guān)[13-14]。將MAFLD小鼠的腸道菌群移植到無菌小鼠，發(fā)現(xiàn)腸道菌群在MAFLD的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用[15]。Zhu等[16]通過16S核糖體RNA基因測(cè)序的方法比較了NASH、肥胖和健康兒童腸道菌群在門、科和屬水平上的差異情況，結(jié)果顯示健康受試者與肥胖患者(有或沒有NASH)之間腸道菌群種屬差異較大，而肥胖組和NASH組患者腸道菌群組成差異較小；與健康組相比，肥胖組和NASH組擬桿菌門比例增加，厚壁菌門比例減少；變形菌門的比例在健康組、肥胖組和NASH組中依次增加，而放線菌門的豐富度則依次減低；變形桿菌、腸桿菌科和埃希氏菌是在肥胖組和NASH組之間表現(xiàn)出顯著差異的門、科和屬類型，三者在NASH組中比例明顯升高。Boursier等[17]對(duì)57例活檢證實(shí)為MAFLD患者的糞便樣本進(jìn)行16S核糖體RNA基因測(cè)序，發(fā)現(xiàn)NASH與擬桿菌屬增多有關(guān)，而瘤胃球菌增多則與晚期纖維化(≥F2纖維化期)有關(guān)。Tomas等[18]研究發(fā)現(xiàn)高脂飲食(high-fat diet, HFD)誘導(dǎo)的肥胖小鼠腸道厚壁菌門、變形菌門比例增高，而擬桿菌門比例降低，抗菌肽分泌減少，腸道通透性增加，回腸分泌黏液減少，這一系列變化引起腸道黏膜免疫防御功能減低。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這一改變主要通過HFD下調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)γ表達(dá)實(shí)現(xiàn)，而加入PPARγ的特異性激動(dòng)劑(羅格列酮)后，腸道黏膜防御功能得到改善。Turnbaugh等[19]通過將人類糞便移植到小鼠體內(nèi)使小鼠的腸道菌群人源化，然后以高脂、高糖飲食(“西方飲食”)或植物性低脂飲食喂養(yǎng)小鼠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與飼喂植物性飲食的小鼠相比，飼喂高脂肪飲食的小鼠腸道菌群中擬桿菌門比例減低，而厚壁菌門比例增高。目前已有的研究均顯示在超重或肥胖的人群或小鼠中，厚壁菌門與擬桿菌門比值增加，體質(zhì)量減輕時(shí)伴隨厚壁菌門與擬桿菌門比值降低。

3 腸道菌群代謝產(chǎn)物與MAFLD

3.1 短鏈脂肪酸(SCFA) 腸道細(xì)菌對(duì)膳食纖維的發(fā)酵是SCFA的主要來源，包括瘤胃球菌屬、沙門氏菌屬、鮑氏菌屬、真桿菌屬、無氣溶膠菌屬、糞球菌屬、糞桿菌屬等。SCFA通過門靜脈吸收并輸送至肝后，參與MAFLD的發(fā)生與發(fā)展。SCFA包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽等，丁酸鹽是結(jié)腸細(xì)胞營養(yǎng)的主要來源。有研究[20]表明丁酸酯可參與調(diào)節(jié)腸屏障的完整性及增強(qiáng)屏障功能；丙酸酯補(bǔ)充劑可顯著減輕體質(zhì)量和減少肝內(nèi)脂質(zhì)含量，防止胰島素敏感性進(jìn)一步減低，并刺激人結(jié)腸細(xì)胞釋放多肽-YY和胰高血糖素樣肽1(glucagon-like peptide 1, GLP-1)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[21]表明，產(chǎn)丁酸鹽的益生菌糾正了小鼠HFD引起的腸肝免疫失調(diào)和NASH，這一作用由SCFA所介導(dǎo)。SCFA主要通過激活G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptor, GPR)41/43或通過抑制組蛋白脫乙酰基酶(histone deacetylase, HDAC)發(fā)揮其生物學(xué)功能。GPR41和GPR43的激活可以防止HFD誘發(fā)的肥胖、IR和血脂異常，部分與其促進(jìn)GLP-1的產(chǎn)生并增加能量消耗有關(guān)[22]。補(bǔ)充丁酸酯(SCFA中HDAC的有效抑制劑)可以減輕HFD誘導(dǎo)的NASH，其潛在機(jī)制與改善腸道菌群失調(diào)和改善胃腸道屏障有關(guān)，進(jìn)而抑制了腸道來源的內(nèi)毒素向肝臟的輸送[23]。

3.2 支鏈氨基酸(BCAA) BCAA由結(jié)腸中的細(xì)菌水解發(fā)酵蛋白產(chǎn)生，包括梭菌屬、擬桿菌屬、放線菌屬、丙酸桿菌屬和鏈球菌屬等[24]。MAFLD患者血液和尿液中的BCAA(包括亮氨酸、纈氨酸和異亮氨酸)水平升高[25]。BCAA水平的增加與BMI的增加相關(guān)[26]。BCAA可降低機(jī)體對(duì)病原體的敏感性，改善免疫功能，促進(jìn)腸道有益細(xì)菌生長和增強(qiáng)腸道屏障功能[27]。血液循環(huán)中的BCAA水平與肝胰島素敏感性呈負(fù)相關(guān)，研究[28]認(rèn)為基線纈氨酸水平可預(yù)測(cè)肝脂肪堆積。進(jìn)一步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[29]表明，補(bǔ)充BCAA可以減輕HFD引起的超重，但其對(duì)HFD小鼠造成明顯的肝損害，這可能與脂解異常有關(guān)。另有一些研究[30-31]表明，BCAA干預(yù)可減輕動(dòng)物模型中的NASH。這提示關(guān)于BCAA在代謝性疾病中的確切作用有待進(jìn)一步研究。

3.3 膽汁酸膽汁酸不是由腸道菌群直接產(chǎn)生，但其可被腸道菌群代謝(解偶聯(lián)和去羥基化)，是肝臟與腸道之間關(guān)聯(lián)的重要物質(zhì)。膽汁酸的腸肝循環(huán)對(duì)脂質(zhì)和葡萄糖代謝具有一定的生物學(xué)功能，并與NASH的發(fā)病機(jī)理和治療有關(guān)。特定膽汁酸與NASH的組織學(xué)特征之間有一定關(guān)系，例如共軛膽酸和?；悄懰岬暮颗cNAFLD活性評(píng)分(NAFLD activity score, NAS)呈負(fù)相關(guān)[32]。在應(yīng)用丹寧片(調(diào)節(jié)膽汁酸代謝的中藥)治療MAFLD的早期臨床試驗(yàn)[33]中，服藥3個(gè)月后，患者的臨床癥狀、血清ALT水平、血脂狀況和超聲下的脂肪肝嚴(yán)重程度均得到了明顯改善。膽汁酸可通過表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)的激活誘導(dǎo)肝星狀細(xì)胞(hepatic stellate cell, HSC)增殖而出現(xiàn)纖維化，而HSC可排出膽汁酸，進(jìn)而抑制由膽汁酸誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[34]。某些膽汁酸也可通過激活EGFR來調(diào)節(jié)人腸道單層上皮細(xì)胞的緊密連接結(jié)構(gòu)和屏障功能，進(jìn)而增加腸道通透性，促進(jìn)肝纖維化的發(fā)生[35]。此外，膽汁酸是法尼酯衍生物X受體(farnesoid X receptor, FXR)的配體，F(xiàn)XR介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)對(duì)肝脂質(zhì)和碳水化合物的代謝具有有益作用，并且該信號(hào)傳導(dǎo)途徑還調(diào)節(jié)肝臟中主要的膽汁酸合成。親脂性膽汁酸與FXR結(jié)合后，促進(jìn)胰島素敏感性，并減少肝糖異生和循環(huán)甘油三酯[36]。值得注意的是，HFD飼喂的MAFLD小鼠模型中，F(xiàn)XR通過調(diào)控腸道微生物群的腸道拮抗作用引起肝脂肪生成減少[37]。

3.4 內(nèi)毒素和乙醇 IR是MAFLD發(fā)病的重要因素，且全身低炎癥狀態(tài)與IR有關(guān)。革蘭陰性菌源性內(nèi)毒素如脂多糖(lipopolysaccharides, LPS)可刺激和加重肝壞死性炎癥。當(dāng)肝臟Kupffer細(xì)胞暴露于細(xì)菌LPS時(shí)，將通過激活Toll樣受體、髓樣分化因子88和核因子-κB的途徑釋放促炎細(xì)胞因子，其可激活HSC和纖維形成[38]。

乙醇是可導(dǎo)致肝脂肪變性和炎癥發(fā)生并增加肝纖維化、肝細(xì)胞癌風(fēng)險(xiǎn)的物質(zhì)。細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的內(nèi)源性乙醇(主要是瘤胃球菌屬)刺激MAFLD的氧化應(yīng)激并加劇肝臟炎癥，這在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)[39]。部分臨床研究中內(nèi)源性乙醇的作用并未得到一致結(jié)果，但其可能在NASH的發(fā)病機(jī)理中起著關(guān)鍵作用。

3.5 細(xì)菌膽堿代謝產(chǎn)物——三甲胺(TMA) 膽堿因其在預(yù)防MAFLD中的生理作用被列為必需營養(yǎng)素，膽堿缺乏飲食廣泛應(yīng)用于NASH動(dòng)物模型[40]。機(jī)體主要從飲食中獲得膽堿，膽堿可被腸道菌群(包括彭氏變形桿菌、大腸埃希氏菌、奇異變形桿菌等)切斷碳氮鍵代謝為TMA[41]。TMA通過門靜脈進(jìn)入肝臟，并被肝臟含黃素的單氧化酶氧化成三甲胺-N-氧化物(trimethylamine-N-oxide, TMAO)。一項(xiàng)臨床研究[13]發(fā)現(xiàn)，血液循環(huán)中的TMAO水平與MAFLD的嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)。血清TMAO水平隨BMI升高而升高，并與脂肪肝指數(shù)密切相關(guān)[42]。給HFD喂養(yǎng)的小鼠補(bǔ)充TMAO可以減輕糖耐量受損情況，增加胰島素分泌，因此，TMAO對(duì)MAFLD的影響可能是一把雙刃劍。此外，TMAO可以通過影響膽固醇的轉(zhuǎn)運(yùn)而降低膽汁酸的合成，從而減少極低密度脂蛋白的產(chǎn)生[43]。

4 腸道菌群聯(lián)合多組學(xué)分析

鑒于全球范圍內(nèi)MAFLD的高發(fā)病率及其與腸道菌群的緊密聯(lián)系，針對(duì)微生物組的研究為MAFLD發(fā)病機(jī)理及診斷和治療提供了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。之前的大多數(shù)研究都采用16S rRNA測(cè)序技術(shù)，該技術(shù)只能提供微生物組成信息，因此必須使用高精度的宏基因組學(xué)測(cè)序技術(shù)在菌株水平上鑒定與MAFLD相關(guān)的微生物，該技術(shù)還可以提供腸道微生物組的功能信息。此外，隨著高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等也已經(jīng)成為人們發(fā)現(xiàn)生命化學(xué)物質(zhì)的基礎(chǔ)和深入了解其分子機(jī)制的新方向。通過對(duì)多組學(xué)數(shù)據(jù)的整合分析，利用組學(xué)間的交叉互補(bǔ)，能更系統(tǒng)地在分子層面幫助研究腸道菌群與MAFLD之間的相互作用及機(jī)制。

多組學(xué)聯(lián)合分析，不僅被用于研究MAFLD的分子機(jī)制，也已用于篩選非侵入性診斷標(biāo)志物，預(yù)測(cè)疾病嚴(yán)重程度，甚至用于新藥的評(píng)估等[27,44]。例如，基因集富集分析為基因組數(shù)據(jù)領(lǐng)域提供了關(guān)于酒精性和非酒精性肝病之間共享疾病通路的新知識(shí)[45]。同樣，基因組數(shù)據(jù)的整合也強(qiáng)調(diào)了代謝綜合征和MAFLD的共同遺傳基礎(chǔ)[46]。代謝物集富集分析是基因富集的代謝組學(xué)對(duì)應(yīng)物,該分析可通過商業(yè)軟件或免費(fèi)軟件運(yùn)行，已被應(yīng)用于證明MAFLD相關(guān)代謝途徑的改變[47]。Del Chierico等[48]使用宏基因組學(xué)和代謝組學(xué)分析證明了顫螺旋菌屬的減少伴隨著2-丁酮水平上調(diào)，以及瘤胃球菌屬的增加是MAFLD發(fā)病和MAFLD向NASH進(jìn)展的標(biāo)志。Lovric等[49]通過炎癥相關(guān)的蛋白質(zhì)組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)聯(lián)合分析，確定了一系列參數(shù)的獨(dú)立作用，包括MAFLD男性患者心肌脂肪、心外膜脂肪、心包脂肪和肝脂肪中與炎癥相關(guān)的血漿蛋白以及血漿脂質(zhì)和代謝物的特征。Hoyles等[25]將糞便宏基因組學(xué)和肝轉(zhuǎn)錄組學(xué)、血漿和尿液代謝組學(xué)結(jié)合起來，揭示了非糖尿病肥胖女性中連接腸道微生物組和宿主表型與肝脂肪變性的分子網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)脂肪變性患者的微生物組基因豐富度較低，并且在以下幾個(gè)方面表現(xiàn)出遺傳潛力增加：膳食脂肪處理、內(nèi)毒素生物合成(特別是變形桿菌)以及出現(xiàn)芳香族和BCAA的代謝紊亂等。研究者進(jìn)一步通過細(xì)胞及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明了糞便微生物菌群移植和長期苯乙酸(芳香族氨基酸的微生物產(chǎn)物)治療可以引起脂肪變性和觸發(fā)BCAA代謝。此外，研究者通過整合宏基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)的信息建立并驗(yàn)證了一個(gè)預(yù)測(cè)肝脂肪變性的多元模型(AUC=87%)，與腸道微生物對(duì)脂肪變性的影響相一致，進(jìn)一步提示微生物移植療法的可行性。預(yù)計(jì)在不久的將來，MAFLD患者可以根據(jù)其“分子特征”進(jìn)行診斷和治療。

5 小結(jié)

MAFLD的發(fā)生、發(fā)展原理雖然已被廣泛研究，但其機(jī)制尚未完全闡明。由腸道菌群失調(diào)、腸道屏障改變、腸道代謝產(chǎn)物紊亂和細(xì)菌易位引起的腸肝軸改變，可觸發(fā)肝臟炎癥和形成原纖維，最終導(dǎo)致MAFLD向NASH、肝硬化發(fā)展。此外，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物也有望成為MAFLD的非侵入性診斷標(biāo)志物，用于疾病早期診斷和對(duì)疾病嚴(yán)重程度的評(píng)估。無論是作為診斷標(biāo)志物還是治療靶點(diǎn)，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物在MAFLD中的作用都值得更深一步研究，以期在精準(zhǔn)醫(yī)療體制下更全面地了解影響人類代謝疾病的微生物因素，從而為腸道菌群靶向移植治療和肝臟代謝穩(wěn)態(tài)藥物研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。