肝性腦病中腸道菌群的作用機(jī)制及治療方法

曾勝瀾， 呂 超， 肖偉松， 覃小賓， 吳 聰， 毛德文

1 廣西中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院， 南寧 530001； 2 廣西中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院 肝病一區(qū)， 南寧 530023

肝性腦病(HE)是指由肝功能不全或門(mén)體分流引起的腦功能障礙，表現(xiàn)為從亞臨床改變到昏迷等不同程度的神經(jīng)精神改變。在近年的研究中，腸道微生物組已被證明是HE病理生理學(xué)變化的基礎(chǔ)。HE患者和晚期肝硬化患者出現(xiàn)腸道功能障礙、小腸菌落過(guò)度生長(zhǎng)，菌落的組成結(jié)構(gòu)和代謝等產(chǎn)生變化，進(jìn)而細(xì)菌及其產(chǎn)物跨過(guò)受損的腸黏膜屏障進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。肝臟中的巨噬細(xì)胞感知到細(xì)菌降解產(chǎn)物之后，會(huì)引發(fā)肝臟的促炎反應(yīng)，并將TNFα和IL-8等細(xì)胞因子釋放到體循環(huán)中。這樣產(chǎn)生的內(nèi)毒素血癥和全身性炎癥反應(yīng)一方面會(huì)促進(jìn)感染，另一方面也容易誘發(fā)HE[1]。用于治療HE的藥物有許多，如乳果糖、利福昔明等[2]，另外口服富含支鏈氨基酸的制劑可以改善HE患者的癥狀[3]。

腸道菌群和HE關(guān)系的研究還在逐漸深入，雖然現(xiàn)在證明兩者相關(guān)性的研究成果不斷被提出，但存在臨床試驗(yàn)樣本數(shù)量不多，不具有普遍性，且兩者之間作用的直接機(jī)理尚未完全明確等問(wèn)題，還需進(jìn)一步研究。

1 人體腸道菌群

腸道菌落是指定植于胃腸道的所有微生物包括細(xì)菌、病毒和真核生物。人類腸道中有100萬(wàn)億個(gè)微生物，基因多達(dá)300萬(wàn)到500萬(wàn)個(gè)，超過(guò)人體基因組百倍以上[4-5]。腸道菌群可能以不同方式影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)和大腦健康：(1)刺激先天和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)(通過(guò)腸道通透性的變化)；(2)產(chǎn)生神經(jīng)活性代謝物；(3)產(chǎn)生人體的相關(guān)激素和神經(jīng)遞質(zhì)；(4)刺激向大腦發(fā)送信號(hào)的腸神經(jīng)系統(tǒng)的各種神經(jīng)元[6]。盡管目前對(duì)腸道菌群的認(rèn)識(shí)取得了巨大進(jìn)步，但其與宿主復(fù)雜的相互作用還不是很清楚。

2 細(xì)菌豐度變化與HE

相關(guān)研究[7-9]表明，HE的發(fā)病與腸道菌群密切相關(guān)，大多數(shù)HE患者出現(xiàn)腸道菌群紊亂(表1)。腸道中菌群種類和數(shù)量的變化與氨和其他神經(jīng)毒素的水平有著十分密切的關(guān)系。在Bajaj等[12]的研究中發(fā)現(xiàn)HE患者腸道中的一些特定細(xì)菌較正常人豐度高，如產(chǎn)堿桿菌科、卟啉單胞菌科、腸桿菌科，這些細(xì)菌的增多與HE患者的認(rèn)知能力和炎癥反應(yīng)密切相關(guān)。但對(duì)比分析MHE患者和HE患者的糞便細(xì)菌豐度時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩組患者在上述特定細(xì)菌的豐度方面不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差別，但在認(rèn)知能力和內(nèi)毒素血癥的嚴(yán)重程度上存在很大差異。Ahluwalia等[13]對(duì)研究對(duì)象的糞便微生物群和腦MRI進(jìn)行了分析，在腦MRI分析中，主要關(guān)注神經(jīng)元和星形細(xì)胞的變化。星形細(xì)胞和血氨癥相關(guān)，神經(jīng)元和患者的認(rèn)知能力有關(guān)。在HE患者和正常人對(duì)比中，某些微生物群豐度改變，如腸桿菌群的豐度增加，而毛螺菌科和瘤胃菌科的豐度減小，這些微生物群與星形細(xì)胞變化有關(guān)。與神經(jīng)元功能相關(guān)的細(xì)菌如卟啉單胞菌科的豐度增加。因此HE的高血氨癥和認(rèn)知能力與腸道中細(xì)菌的變化有密切的關(guān)系。

表1 HE患者中腸道菌群的改變及與HE的關(guān)系

Dasani等[15]認(rèn)為幽門(mén)螺桿菌感染與HE呈正相關(guān)，尤其在失代償性肝病的年輕患者中。而Huber等[16]認(rèn)為HE與幽門(mén)螺桿菌感染沒(méi)有直接聯(lián)系。不同實(shí)驗(yàn)可能存在著不確定性，后續(xù)的研究可增大實(shí)驗(yàn)樣本，細(xì)致分類，考慮其他變量對(duì)結(jié)果的影響。

3 腸道菌群的作用機(jī)制

3.1 腸道細(xì)菌活性與產(chǎn)物 HE可能和腸道細(xì)菌的活性及產(chǎn)物有很大關(guān)系。在HE的發(fā)病過(guò)程中，不但腸道菌群的豐度發(fā)生變化，腸道菌群的活性和代謝產(chǎn)物也發(fā)生了改變，這些代謝產(chǎn)物直接或者間接地影響了幾種化學(xué)物質(zhì)的分泌，包括神經(jīng)遞質(zhì)等。碳水化合物在腸內(nèi)細(xì)菌的代謝下產(chǎn)生短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFA)。人體腸道的酸性環(huán)境與SCFA相關(guān)，對(duì)人體內(nèi)有益細(xì)菌的生長(zhǎng)起積極作用，可改善腸道菌群失調(diào)、腸道黏膜屏障功能和免疫調(diào)節(jié)功能。在一項(xiàng)小鼠實(shí)驗(yàn)[17]中，對(duì)小鼠升結(jié)腸的細(xì)菌種群采取16S rRNA測(cè)序技術(shù)分析，表明升結(jié)腸富集毛螺菌科和瘤胃球菌科，這兩種細(xì)菌能產(chǎn)生大量的SCFA。另外益生菌對(duì)相關(guān)激素，如胰高血糖素、肽YY、葛瑞林和瘦素的產(chǎn)生也有很大的影響。有些細(xì)菌能調(diào)節(jié)血漿中色氨酸的濃度，色氨酸是血清素的前體，而血清素是腸內(nèi)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵神經(jīng)遞質(zhì)。腸道菌群通過(guò)未知的機(jī)制對(duì)下丘腦-垂體-腎上腺軸進(jìn)行調(diào)控，從而影響了患者的認(rèn)知功能[18]。在另一項(xiàng)研究[19]中，某些腸道細(xì)菌產(chǎn)生去甲腎上腺素、多巴胺和5-羥色胺的神經(jīng)遞質(zhì)，乳酸桿菌生成γ-氨基丁酸，另外發(fā)現(xiàn)SCFA調(diào)節(jié)血清素和肽酪氨酸的分泌，這在腸-腦軸中起主要作用。

氨中毒學(xué)說(shuō)是HE發(fā)生的作用機(jī)制之一。腸道中某些細(xì)菌可產(chǎn)生脲酶，經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化為含氮化合物，氮的代謝紊亂和氨中毒有著十分密切的關(guān)系。Zhang等[11]認(rèn)為MHE患者的唾液鏈球菌增多和脲酶活性增強(qiáng)會(huì)促使氨的產(chǎn)生，這與血氨測(cè)試和認(rèn)知能力有十分密切的關(guān)系。但是在另外一項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)幽門(mén)螺旋桿菌在胃中產(chǎn)氨，但氨水平和HE患病率與是否感染幽門(mén)螺旋桿菌無(wú)明顯關(guān)聯(lián)。在大多數(shù)肝硬化患者中，幽門(mén)螺旋桿菌和脲酶在胃中產(chǎn)生的氨似乎不足以在臨床上產(chǎn)生影響[20]。因此腸道細(xì)菌脲酶的代謝對(duì)血氨濃度的影響還需進(jìn)一步的探討。

膽汁酸作為脂質(zhì)和葡萄糖代謝的調(diào)節(jié)因子可調(diào)節(jié)肝臟和其他組織的炎癥。膽酸和鵝脫氧膽酸等初級(jí)膽汁酸在肝臟中產(chǎn)生，并被腸道菌群轉(zhuǎn)化為脫氧膽酸和石膽酸等次級(jí)膽汁酸[21]。腸道細(xì)菌對(duì)膽汁酸進(jìn)行的代謝轉(zhuǎn)化可能調(diào)節(jié)了腸道菌群的結(jié)構(gòu)和宿主生理狀況，次級(jí)膽汁酸水平升高與胃腸系統(tǒng)的特定疾病相關(guān)。膽汁酸可以使肝臟、膽囊和結(jié)腸相關(guān)疾病減少[22]。

3.2 腸道菌群移位 腸道細(xì)菌豐度變化后，腸道微生態(tài)平衡被逐漸打破，在多種因素作用下，腸黏膜屏障被破壞，細(xì)菌與其代謝產(chǎn)物可通過(guò)受損的腸道黏膜從腸道內(nèi)部轉(zhuǎn)移到其他器官，這樣就發(fā)生了細(xì)菌的移位[23]。腸屏障是環(huán)境與生物體內(nèi)部之間的物理和功能隔離，它是由腸上皮細(xì)胞分泌的黏液和其自身形成的，是允許物質(zhì)選擇性通過(guò)的細(xì)胞間連接層[24]。在腸上皮固有層內(nèi)，存在內(nèi)皮細(xì)胞組成的腸血管屏障和腸淋巴屏障，這些內(nèi)皮細(xì)胞緊密連接或黏附連接，可限制細(xì)菌向門(mén)靜脈循環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)[25]。

不同細(xì)菌會(huì)有不同方法通過(guò)腸道屏障[26]。在腸道中，一些細(xì)菌不被免疫細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，因而它們能順利通過(guò)腸道屏障。穩(wěn)態(tài)時(shí)，M細(xì)胞、CXCR3R1+巨噬細(xì)胞和CD103+樹(shù)突狀細(xì)胞延伸突起，對(duì)腸腔內(nèi)容物進(jìn)行取樣，使一些共生菌和病原體能獲得通路[27-29]。如陰溝腸桿菌被M細(xì)胞帶入派伊爾結(jié)，并被樹(shù)突狀細(xì)胞攜帶進(jìn)入腸系膜淋巴結(jié)，引發(fā)IgA反應(yīng)。共生菌需要與IgA結(jié)合獲取生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，淋巴組織內(nèi)的其他共生菌分別通過(guò)樹(shù)突狀細(xì)胞和3型先天淋巴細(xì)胞誘導(dǎo)IL-10和IL-22促進(jìn)耐受，共同抑制輔助性T淋巴細(xì)胞反應(yīng)并促進(jìn)細(xì)菌定植[30]。另一方面，病原體已經(jīng)發(fā)展出利用這些采樣細(xì)胞并促進(jìn)其侵襲的機(jī)制，包括介導(dǎo)黏附的菌毛和將效應(yīng)蛋白注入宿主細(xì)胞的Ⅲ型和Ⅳ型分泌系統(tǒng)。如鼠傷寒沙門(mén)氏菌靶向M細(xì)胞，利用M細(xì)胞進(jìn)入腸黏膜固有層[31]。

一些細(xì)菌還可以通過(guò)破壞腸血管屏障或腸淋巴屏障，然后轉(zhuǎn)移至腸系膜淋巴結(jié)。一項(xiàng)小鼠研究[32]發(fā)現(xiàn)黏質(zhì)沙雷氏菌只在淋巴中存在，和噬菌體的移位一致。細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物通過(guò)腸道屏障后，引起外周循環(huán)腸源性內(nèi)毒素增加，系統(tǒng)炎癥加重，一方面加重肝損傷，另一方面破壞血腦屏障，導(dǎo)致HE患者病情加重。一項(xiàng)研究[33]發(fā)現(xiàn)MHE和HE患者的腸道黏膜和糞便上的細(xì)菌種群及豐度有顯著差異。隨著MHE患者病情加重，腸道中菌群的位置發(fā)生改變，一些細(xì)菌從腸道中轉(zhuǎn)移至腸道黏膜，HE患者幾個(gè)重要的病理學(xué)變化可能發(fā)生在腸道黏膜上，而不是腸道內(nèi)部，并且和腸系膜淋巴結(jié)有相互作用。在另一項(xiàng)研究[34]中，對(duì)照了兩組患者的細(xì)菌DNA移位水平和認(rèn)知能力，經(jīng)藥物治療的一組，其細(xì)菌DNA移位水平較另一組低，并且認(rèn)知能力好，所以細(xì)菌的移位和MHE密切相關(guān)，移位惡化了患者病情。

3.3 腸道細(xì)菌免疫介導(dǎo)反應(yīng) 細(xì)菌移位使得腸道成為細(xì)胞因子釋放器官，腸道中儲(chǔ)存了大量的細(xì)菌及其產(chǎn)物如內(nèi)毒素等，細(xì)菌移位發(fā)生時(shí)這些細(xì)菌及其產(chǎn)物穿透腸壁，誘導(dǎo)機(jī)體巨噬細(xì)胞合成并釋放大量細(xì)胞因子如TNFα、IL-2、IL-6、IL-12等，腸源性內(nèi)毒素及隨之增加的細(xì)胞因子可增加NO合成[35]。在腸道黏膜上，腸黏膜上皮細(xì)胞Toll樣受體(TLR)與腸道炎癥反應(yīng)密切相關(guān)。TLR4是脂多糖的受體，脂多糖是革蘭陰性菌細(xì)胞壁的重要組成成分，脂多糖通過(guò)刺激腸黏膜上皮細(xì)胞的TLR4，激活核轉(zhuǎn)錄因子NF-κB途徑，啟動(dòng)一系列參與免疫炎癥反應(yīng)的細(xì)胞因子的表達(dá)[36]。在另外一組研究[37]中，使用內(nèi)毒素誘導(dǎo)一組小豬患全身性炎癥反應(yīng)綜合征，在接受同等數(shù)量細(xì)菌注射液以后，患全身性炎癥反應(yīng)綜合征小豬的細(xì)菌殺滅和內(nèi)毒素消除能力大幅降低，對(duì)細(xì)菌輸入的炎癥不敏感，炎癥反應(yīng)損害了肝臟清除細(xì)菌的能力。有假設(shè)認(rèn)為，全身性炎癥反應(yīng)綜合征可能通過(guò)促炎細(xì)胞因子跨血腦屏障的轉(zhuǎn)運(yùn)、腦室周?chē)鞴俚南嗷プ饔?、激活迷走神?jīng)傳入神經(jīng)元等，啟動(dòng)肝到大腦的促炎信號(hào)[38-39]。細(xì)胞因子破壞血管內(nèi)皮細(xì)胞后，通過(guò)血腦屏障誘導(dǎo)各種促炎性介質(zhì)釋放到大腦中，并誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞活化，促使額葉皮質(zhì)中的TNFα、IL-6、IL-1b的表達(dá)增加，促進(jìn)大腦神經(jīng)炎癥和腦水腫的發(fā)展[40-41]。

4 HE的治療

HE的治療方案包括益生菌和益生元、糞菌移植(fecal microbiota transplantation,FMT)、難吸收雙糖、利福昔明、質(zhì)子泵抑制劑等[42]。以減少氨的產(chǎn)生、促進(jìn)氨的轉(zhuǎn)化、調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)為主。Bajaj[43]認(rèn)為對(duì)顯性肝性腦病(overt hepatic encephalopathy，OHE)的治療可以采用四管齊下的方法，即治療引起認(rèn)知能力改變的其他病因、對(duì)意識(shí)障礙患者的護(hù)理、確定OHE患者的致病原因、經(jīng)驗(yàn)性治療。其中經(jīng)驗(yàn)性治療包括腸道微生態(tài)的治療和全身性的治療。在最近的研究[44]中，糞便或腸道菌群移植治療HE也越來(lái)越受到認(rèn)可。另外，還可采用不同藥物聯(lián)合治療。有研究發(fā)現(xiàn)乳果糖預(yù)防OHE的長(zhǎng)期復(fù)發(fā)有很好的效果。在乳果糖中添加利福昔明有助于降低OHE的復(fù)發(fā)和HE相關(guān)疾病的風(fēng)險(xiǎn)。而對(duì)于乳果糖治療無(wú)效，或者耐受性差、依從性低的患者，可嘗試?yán)Ｎ裘鲉嗡幹委焄45]。

4.1 利福昔明 利福昔明屬于廣譜抗生素，是利福霉素的一種半合成衍生物，對(duì)革蘭陽(yáng)性菌及陰性菌較敏感，可以抑制細(xì)菌RNA合成，從而抑制蛋白質(zhì)合成，達(dá)到滅菌目的[46]。在HE患者體循環(huán)中發(fā)現(xiàn)高濃度的內(nèi)毒素，這和肝病嚴(yán)重程度呈正相關(guān)，服用利福昔明可以有效減少細(xì)菌移位和體循環(huán)中的內(nèi)毒素、TNFα、IL-6和NO的水平[47]。一項(xiàng)研究[48]中發(fā)現(xiàn)利福昔明可用于預(yù)防復(fù)發(fā)性HE，在復(fù)發(fā)性HE組中，使用利福昔明后HE發(fā)病率降低，在持續(xù)性HE組中，HE發(fā)病率無(wú)明顯降低。另外一項(xiàng)臨床研究[49]中，發(fā)現(xiàn)利福昔明可改善MHE認(rèn)知能力并改變細(xì)菌和代謝產(chǎn)物之間的關(guān)系。

4.2 乳果糖 乳果糖是人工合成的雙糖，它的通便作用可以減少胃腸道腔中的含氮物質(zhì)，還可經(jīng)結(jié)腸細(xì)菌代謝產(chǎn)生SCFA，由此產(chǎn)生的酸性環(huán)境可以阻止產(chǎn)NH3細(xì)菌的生長(zhǎng)，促進(jìn)有益微生物的生長(zhǎng)。酸性環(huán)境也導(dǎo)致NH3轉(zhuǎn)變?yōu)镹H4+，導(dǎo)致NH4+增加，而NH3彌散入血減少，氨負(fù)荷降低[50]。有臨床研究[51-54]表明，停用乳果糖后，OHE復(fù)發(fā)患者的認(rèn)知能力降低，炎癥反應(yīng)加重，并且腸道微生態(tài)發(fā)生變化，例如糞脂桿菌的豐度相對(duì)降低，膽堿代謝失調(diào)，進(jìn)一步導(dǎo)致肝功能不全及微生物組豐度的變化。有試驗(yàn)[34]結(jié)果顯示，接受乳果糖治療的患者細(xì)菌移位水平降低，神經(jīng)認(rèn)知評(píng)分相對(duì)增高。

4.3 糞菌移植(FMT) FMT是一種治療復(fù)發(fā)性艱難梭菌感染的療法[55]。HE可能是由腸道微生態(tài)失調(diào)導(dǎo)致的，因此近年有研究人員通過(guò)FMT改變腸道微生物組，從而逆轉(zhuǎn)腸道微生態(tài)失調(diào)。加拿大研究人員在對(duì)1例患者給予FMT治療后，發(fā)現(xiàn)患者的反應(yīng)時(shí)間、血氨和生活質(zhì)量等客觀指標(biāo)都得到了改善[56]。另外一組研究人員對(duì)10例復(fù)發(fā)性O(shè)HE患者進(jìn)行FMT治療，治療結(jié)果顯示，6例患者出現(xiàn)持續(xù)臨床應(yīng)答，動(dòng)脈血氨濃度顯著降低，Child-Turcotte-Pugh評(píng)分和終末期肝病模型評(píng)分在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著降低[57]。Bajaj等[58]確定了FMT膠囊的安全性、耐受性以及對(duì)黏膜、糞便菌群和腦功能的影響。終末期肝病模型評(píng)分小于17且伴有復(fù)發(fā)性HE的患者在服用FMT膠囊后，十二指腸黏膜細(xì)菌多樣性隨瘤胃球菌和雙歧桿菌科的升高而增加，隨鏈球菌和韋榮球菌科的降低而多樣性增加，在乙狀結(jié)腸和糞便中觀察到韋榮球菌減少?？诜﨔MT膠囊在肝硬化和復(fù)發(fā)性HE患者中是安全的，耐受性良好。更多的療效有待進(jìn)一步的研究。

在一項(xiàng)針對(duì)大鼠的實(shí)驗(yàn)[59]中，使用四氯化碳對(duì)大鼠進(jìn)行HE造模并采用FMT治療，大鼠的行為和空間學(xué)習(xí)能力得到改善，阻止了腸黏膜屏障損害和肝壞死，TLR4和TLR9在大鼠肝臟中的表達(dá)顯著下調(diào)，同時(shí)體循環(huán)中的促炎因子如IL-1β、IL-6和TNF水平顯著降低，表明FMT能夠通過(guò)降低TLR4和TLR9的表達(dá)來(lái)限制全身炎癥。

5 小結(jié)

腸道菌群的變化和HE的發(fā)展密切相關(guān)，近年的一些實(shí)驗(yàn)資料發(fā)現(xiàn)，腸道中細(xì)菌群落數(shù)和豐度的變化與后續(xù)發(fā)生的細(xì)菌移位，會(huì)引發(fā)血氨的升高和內(nèi)毒素血癥，進(jìn)而影響腦功能，腸-肝-腦軸的理論不斷得到補(bǔ)充完善。針對(duì)這個(gè)機(jī)理治療HE，除了傳統(tǒng)的雙糖和利福昔明等抗生素，F(xiàn)MT越來(lái)越受到研究人員的重視，有望為HE的治療做出更大突破。但是目前在腸-肝-腦軸理論中還存在作用機(jī)制不明確，治療方法在臨床中存在不確定性等問(wèn)題，所以還需更加深入的研究，為HE的治療提供更多的理論和實(shí)驗(yàn)支撐。