腸道菌群在門靜脈高壓發病機制中的作用

張 群， 王憲波

首都醫科大學附屬北京地壇醫院 中西醫結合中心， 北京 100015

肝硬化門靜脈高壓(portal hypertension，PHT)是指由各種原因的肝硬化導致門靜脈系統壓力升高而引起的一組臨床綜合征，其基本病理生理特征是門靜脈系統血流受阻和(或)血流量增加，從而導致門靜脈壓力升高，表現為腹水、食管胃靜脈曲張、食管胃靜脈曲張破裂出血、肝性腦病等，是目前肝硬化最嚴重的臨床問題和死亡原因[1]。由于肝臟和腸道之間緊密的解剖和功能關系，使得肝臟易于受到腸道細菌及其代謝產物的影響。近年來的研究表明，腸道菌群在肝硬化PHT的發生、發展過程中發揮著重要作用[2]。了解腸道菌群在PHT進展過程中的作用機制，有助于從宿主-微生物途徑為PHT提供新的靶向治療策略。

1 腸道菌群

據估計，人體內的微生物共聚合100萬億個細胞，是人類細胞數量的10倍，其中95%以上的共生菌寄居在人體的腸道，含有1000多種不同的細菌菌種，并且人腸道菌群基因數目是人體基因數目的150倍[3]。通過不依賴培養的方法對糞便宏基因組學進行綜合分析表明，棲居在人體腸道的微生物中99.9%以上為專性厭氧菌，大多數腸道細菌屬于6種門：厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、放線菌門、疣微菌門和梭桿菌門，其中厚壁菌門和擬桿菌門約占序列總數的85%，是腸道菌群中的絕對優勢菌[2]。它們彼此之間以及與人體之間存在特定的共生關系，依賴于人體內的營養物質，同時又對人體腸道微生態的穩定發揮重要的作用，主要有：加工難以消化的物質，產生必須的代謝產物；加強胃腸道黏膜的屏障功能，形成所謂的“腸道定植抗力”；塑造體內的適應性免疫，防止病原微生物的定植與入侵[4]。如果這種互利關系被打破進而造成生態失調，則定義為微生物組成和功能喪失，并與疾病表型相關[5]。

2 腸-肝軸

肝臟和腸道在解剖學和生物學功能上既密切相關又緊密相連，構成“腸-肝軸”。一方面腸道菌群可輔助消化吸收，提供維生素K等促進肝臟凝血因子的合成，在促進腸道免疫功能成熟的同時，提高了肝臟Kupffer細胞數量及功能；另一方面肝臟通過分泌型免疫球蛋白A、膽汁酸等維持腸道菌群的生態平衡[5-6]。腸道菌群和肝臟之間的通信發生通過一個復雜的系統包括：腸道屏障、門靜脈和內臟動脈循環以及肝竇的細胞和血管成分[2]。

2.1 腸道屏障 腸道微生物和宿主之間通過腸屏障進行物理分離，腸屏障由上皮(黏膜)和內皮(血管)成分組成。腸上皮細胞及其細胞間緊密連接是腸上皮屏障最重要的組成部分，并有保護性黏膜層覆蓋，其主要成分是黏液素，可阻止大顆粒物質以及細菌與上皮細胞接觸[7]。緊密連接蛋白，主要包括密封蛋白、閉合蛋白、閉鎖小帶蛋白，可調節細胞旁轉運和封閉細胞間的空隙，由于這種復雜的“防火墻”的完整性可防止各種微生物代謝物、結構成分如內毒素和脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)以及各種活菌進入門靜脈循環并到達肝臟，保護機體免受食物抗原、微生物及其產生的有害代謝產物的損害，保持機體內環境的穩定。正常條件下，腸道屏障可阻止大多數細菌的移位，只有少量細菌產物通過門靜脈循環進入肝臟，一旦到達肝臟，他們就會被免疫細胞清除，尤其是被稱為Kupffer細胞的肝巨噬細胞，這對于維系肝臟網狀內皮系統處于激活狀態有一定的意義[8]。

2.2 門靜脈循環與肝竇 作為人體最大的器官，肝臟從門靜脈接受約2/3的血液供應，其中約有75%來自于腸系膜靜脈，因此肝臟除了接收腸道吸收的營養物質外，還經常受到細菌產物、食物抗原和環境毒素等的刺激[9]。它們大多數是無害的飲食以及共生產物，但是來自胃腸道的病原體或細菌源性因子也可以通過腸肝循環到達肝臟，宿主與微生物之間的雙向溝通主要通過門靜脈循環、內臟動脈和膽道系統進行[10]。高通透性的肝竇是肝內特殊的毛細血管，其正常的形態及功能對維持肝臟的生理功能具有重要作用，共生微生物的多樣性以及上皮和內皮腸屏障的完整性是肝竇穩態的重要保障，獨特的肝竇毛細管系統的低壓是通過血管調節氣體遞質和其他生物活性物質維持的，這些物質來自于宿主-微生物代謝的相互作用[2]。

3 腸道菌群與PHT相互作用

隨著肝硬化進展為臨床顯著的PHT，腸道菌群與肝臟之間發生一系列相互作用，一方面PHT與較低的微生物多樣性和弱腸屏障有關，使宿主暴露于細菌成分并激活免疫系統，導致促炎反應；此外，破壞的宿主-微生物代謝相互作用改變了膽汁酸信號傳導和血管調節性氣體遞質的釋放，進而又加速PHT進展，導致“雞和蛋”的關系[8]。

3.1 細菌移位 隨著肝硬化的進展，PHT時由于緊密連接的松解、較高的胞吞轉運以及限制細菌與腸道微絨毛接觸的生物中介物質的減少導致患者腸道通透性增加[11]。另外，肝硬化PHT導致患者胃腸道淤血、腸道運動減慢、胃酸分泌減少、初級膽汁酸向次級膽汁酸轉換減少等因素，使腸腔需氧菌增多，結腸的細菌移行至空腸和十二指腸，引起小腸細菌過度生長[12]。小腸細菌過度生長及腸道通透性的改變可促進細菌移位的發生，使得大量細菌涌入肝臟[8]，一旦細菌產物到達肝臟，他們通過模式識別受體，如膜結合Toll樣受體(TLR)和細胞質核苷酸結合寡聚域樣受體來激活免疫細胞并激活免疫反應，以防止腸道細菌移位及感染播散。腸道屏障的這種“滲漏”導致肝臟免疫細胞的激活和促炎細胞因子的釋放進而促進組織損傷和肝纖維化的進展，增加門靜脈壓力，形成惡性循環。另外肝硬化PHT患者肝臟合成能力下降、補體生成不足、補體介導的免疫調節作用減弱，吞噬細胞吞噬和滅活功能降低，引起肝臟“過濾”細菌的功能減弱，以致細菌得以從腸道經門靜脈進入體循環[8]。

3.2 膽汁酸代謝 膽汁酸代表了微生物代謝和宿主生理學之間的重要聯系。一方面腸道菌群組成和功能的改變與膽汁酸代謝的顯著改變有關，并可能影響肝硬化PHT的進展[13]。研究[14]表明，與年齡匹配的健康對照組相比，晚期肝硬化患者中糞便膽汁酸的總量顯著減少，初級膽汁酸與次級膽汁酸的比例增加，并且具有較高豐度的腸桿菌科(具有潛在致病性)和較低豐度的毛螺菌科、疣微菌科和布勞特氏菌。另一方面膽汁酸可以通過激活法尼醇X受體(farnesoyl-X-receptor，FXR)和G蛋白偶聯受體5(takeda G protein coupled receptor 5，TGR5)來調節肝臟代謝。腸道細菌對結合型膽汁酸的解離可激活FXR，可誘導產生抗菌肽直接發揮抗菌作用，并且在選擇腸道微生物群方面發揮關鍵作用[15]。因此，膽汁酸通過調節宿主細胞抗菌基因的表達直接或間接的抑制細菌增殖[16]，有效防止細菌過度生長，維持上皮細胞的完整性[17]。對無菌和FXR缺陷的小鼠研究[18]表明，腸道微生物群能夠調節膽汁酸譜并影響FXR信號。另外，在炎癥性腸病和膽汁淤積性肝損傷大鼠模型中，有研究[19]表明，FXR活化可顯著抑制炎癥反應并保留腸道屏障功能，減少細菌移位。TGR5是另一種主要的膽汁酸傳感器受體，由次級膽汁酸優先激活并且在許多細胞的表面表達[20]。Keitel等[21]的研究數據表明，TGR5減少促炎巨噬細胞的反應，抑制核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3激活，并在肝竇內皮細胞中調控內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)活性，TGR5對肝竇內皮細胞中eNOS的調節作用將膽鹽與肝臟血流動力學聯系起來。

3.3 其他微生物代謝對PHT的影響

破壞的宿主-微生物代謝相互作用不僅改變了膽汁酸信號傳導，還影響血管調節性遞質的釋放和腸上皮細胞功能。

3.3.1 影響氣體信號分子 PHT的產生與機體內血管活性物質的代謝紊亂密切相關，主要包括：一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)、硫化氫(H2S)等[2]。細菌移位包括活菌及其產物，如內毒素及細胞因子等，這些物質均可誘導血管壁誘導型eNOS的表達，使NO持續性產生，導致血管擴張及肝硬化高動力循環狀態。碳水化合物和蛋白質發酵也產生氣態分子，如NO和H2S，充當氣體傳遞物并影響各種生物功能，如炎癥和血管調節[2]。

3.3.2 影響腸上皮功能 腸道上皮功能的維持主要依賴緊密連接，其主要功能是調節營養物質吸收，抑制有害物質進入機體。緊密連接主要由一系列穿膜蛋白構成，如密封蛋白、閉合蛋白、閉鎖小帶蛋白，而腸道菌群及其代謝產物對緊密連接有直接或間接的調控作用，如IL-17可誘導claudin的表達而降低腸道通透性，IL-10對腸道屏障也有保護作用，短鏈脂肪酸之一的丁酸可促進緊密連接蛋白的表達進而減少菌群移位[22-23]。LPS是革蘭陰性菌菌壁成分之一，其可與CD14、TLR4結合而激活MyD88-TNFα通路，促進炎癥、氧化應激等級聯反應。脂磷壁酸是革蘭陽性菌細胞壁成分之一，同樣也是TLR2配體，具有維持腸道屏障完整的作用，其功能缺陷與LPS入血循環增多、胰島素抵抗的出現密切相關[24]。PHT以及增加的內毒素促使NOS被大量激活，NO合成增加，在擴張血管和緩解PHT的同時也導致組織緊密連接松弛，細胞骨架損傷，從而引起腸黏膜完整性改變，其通透性增加[25]。另外，腸道菌群紊亂，非優勢菌群如腸桿菌等大量繁殖并產生內毒素，直接或通過炎癥介質及細胞因子的介導，加重炎癥浸潤及腸黏膜水腫，進一步破壞腸壁完整性[26]。除此之外，腸-肝軸相互作用還涉及許多其他的微生物代謝物，如短鏈脂肪酸中丙酸和丁酸均是由細菌碳水化合物發酵產生，可以協助維持腸道屏障的完整性[27]。

4 腸道菌群作為PHT的治療靶點

目前批準的治療臨床顯著PHT的藥物僅限于非選擇性β受體阻滯劑(non-selective beta-blockers，NSBBs)。近年來的研究結果顯示，恢復腸道菌群平衡及維持腸道屏障功能對于PHT的治療具有重要意義，可更好的了解宿主微生物相互作用；日后對PHT的預防和管理的潛在藥理戰略可能越來越多的集中于涉及腸道微生物的分子機制。

4.1 非選擇性β受體阻滯劑(NSBBs) NSBBs被公認是降低PHT的有效藥物，Baveno Ⅵ會議指出，長期應用NSBBs治療后，肝靜脈壓力梯度(hepatic venous pressure gradient，HVPG)值較基線值下降≥10%或降至≤12 mm Hg[28]。研究[29]證實，其主要是通過阻斷β-1腎上腺素受體降低心排血量，通過阻斷β-2腎上腺素受體增加內臟血管收縮，減少交感神經張力，降低門靜脈壓力；但也有研究[30]表明，NSBBs可有效增加腸道轉運，減少腸道細菌過度生長，降低腸道通透性，減少細菌移位。Reiberger等[31]研究發現，NSBBs可顯著改善肝硬化PHT患者的腸道通透性，并且可減少腸道細菌移位。

4.2 抗生素和益生菌 由于肝硬化PHT與顯著的微生態失調有關，因此最初通過使用益生菌或抗生素來操控腸道菌群并監測其對門靜脈壓力的影響來研究宿主-微生物相互作用在PHT治療中的作用。益生菌，特別是乳酸菌和雙歧桿菌，促進黏膜屏障功能，調節腸道菌群，抑制病原菌生長[32]。一些研究[33-34]探討了VSL-3的效果，VSL-3是一種口服8種益生菌菌株，聯合普萘洛爾時，VSL-3能夠顯著提高晚期肝硬化患者的HVPG應答(降至低12 mm Hg以下或較基線水平下降≥20%)，并且降低了促炎細胞因子，如INFα的水平。黃曉宇等[35]通過給予肝硬化患者益生菌治療14 d后，發現益生菌可改善患者的生化指標、降低血氨、提高腸道雙歧桿菌數量并可改善肝硬化患者肝功能。

利福昔明，一種具有廣譜抗微生物活性的不可吸收的抗生素。研究[36]發現，當其作為單一療法治療PHT時是無效的，但有研究[37]表明，當其聯合普萘洛爾時可以顯著提高HVPG的應答率(56.2% vs 87.5%，P=0.034)，并且聯合治療后細菌移位相關標志物顯著降低(P<0.05)。另有研究[38]表明，利福昔明治療可增加血清脂肪酸代謝產物，改變膽汁酸的組成并促進抗炎狀態，改變細菌和代謝物之間的相關網絡。然而目前仍需要進一步的研究來探討利福昔明對微生物的組成和功能的影響。

4.3 益生元 目前，乳果糖被廣泛的應用于臨床，但是沒有研究清楚地表明乳果糖會導致腸道微生物群的組成和功能發生顯著的變化[39]。有研究[40-41]提出，乳果糖的作用機制是作為一種瀉藥，增加糞便的體積，酸化和修改結腸菌群。這種對微生物群的潛在修飾可能導致產生脲酶的細菌被不產生脲酶的乳酸菌取代，從而減少潛在有毒短鏈脂肪酸(如丙酸、丁酸和戊酸)的形成。臨床研究[42]發現，植物乳酸桿菌活菌制劑合用益生元可顯著降低肝移植患者術后感染的發生率(13%)。

5 總結

腸道菌群在肝硬化和PHT的發生和發展過程中發揮著重要作用，他們之間相互影響，互為因果。腸道細菌移位到肝臟會增加門靜脈壓力，另外PHT導致腸道水腫，破壞上皮的完整性進而造成更多的細菌移位，從而激活炎癥反應。此外，膽汁酸在腸道屏障和門靜脈壓力中也發揮著重要作用。臨床已證明腸道微生態制劑能夠降低內毒素的產生，減少細菌移位，恢復腸黏膜通透性，成為治療PHT的一種治療手段，但目前其作用機制尚未完全明確，迫切需要大量的基礎實驗和臨床試驗進行更深入的研究。