腸道菌群代謝物與非酒精性脂肪性肝病相關研究進展

李惠 馬臻棋 王學紅 馬文霞 楊麗萍

非酒精性脂肪性肝病（Nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD）是脂肪代謝異常綜合征的一種肝功能表現，常見于合并肥胖、血脂異常及胰島素抵抗（Insulin resistance，IR）[1]。疾病譜包括非酒精性單純性脂肪肝（NAFL）、非酒精性脂肪性肝炎（NASH）及其相關肝硬化和肝細胞癌[2]。NAFLD 也是西方國家最常見的慢性肝病病因，預計到2030年NAFLD將成為肝器官移植最常見的病因適應證[3]。為了有效診斷及治療，相關醫學專家將NAFLD 重新更名為代謝相關脂肪性肝病（Metabolic associated fatty liver disease，MAFLD），其臨床診斷治療標準已經達成一致意見[4]。由于相關參考文獻仍引用NAFLD，故以下仍以NAFLD 進行闡述。相關研究顯示腸道菌群失調與NAFLD 的發展密切相關，并且已經確定了腸道微生物區系中的幾個高度可變的種類。腸道微生物群通過肝-腸軸、腸道微生物成分和微生物代謝產物的異常調節直接參與NAFLD 發生、發展，并直接影響腸道膽汁酸的異常分泌。由于這類腸道微生物在NAFLD 治療中的重要作用，它被廣泛認為是用于NAFLD 的臨床藥理研究和臨床藥物治療的潛在重要靶點。腸道內的菌群及其代謝物如短鏈脂肪酸（Short-chain fatty acids，SCFAs）、內源性乙醇、膽汁酸（Bile acids，BAs）、氧化三甲胺（Trimethylamine N-oxide，TMAO）等微生物代謝產物在NAFLD 發病中均具有一定作用。

1 腸道菌群與NAFLD

人類的微生物群有相同數量的細胞和大約100倍于人體的基因[5]。這些生物基因可以編碼廣泛的代謝途徑，產生從人類飲食或生物代謝活動前體液中衍生的各種生物活性物質分子[6]。雖然人體腸道中的微生物群具有許多有益的營養功能，如從其他難以直接消化的主要膳食食物纖維中可以提取到的能量，但越來越多的科學證據已經表明，腸道中的微生物及其主要代謝物與某些慢性疾病的早期發展過程有關，包括肥胖、代謝不良綜合征和NAFLD[7]。人體腸道內常常存在著大量的兼性需氧菌和厭氧菌，彼此之間寄生、共生，是機體適應腸道內環境不可或缺的一部分，受人體宿主細胞基因型及體內環境雙重因素調節，共同維持機體穩定[8]。細菌菌門數量龐大，主要由擬桿菌門、厚壁菌門、放線菌門、變形菌門、疣微菌門等構成，以前兩種為主(數量約占細菌總體的90%)[9]，在較大程度上直接影響著整個機體菌群的生理功能和細菌宿主的正常生長發育、免疫調節系統功能和基本生理能量新陳代謝，對機體各項正常生理過程和病理康復過程都發揮重要的調節作用[10]。為了解釋腸道微生物在NAFLD 中的作用，相關學者提出了幾種機制[11，12]：一種可能是微生物區系的失調獲得更多能量進而促進肝臟脂肪的沉積，或微生物組成的變化可能導致產生更多的有毒代謝副產物(例如乙醇)，從而增加肝臟的化學負擔，另一種可能是菌群失調促進炎癥發生，導致腸道屏障功能減弱，細菌內毒素移位，以及全身免疫反應[13，14]。

2 SCFAs 與NAFLD

SCFAs 是人類腸道中菌群分解出的碳水化合物或其他氨基酸的一種代謝化合產物，包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、異丁酸、異戊酸、異己酸等，其中乙酸、丙酸、丁酸的含量相對較高。正常原生菌群每日攝入可同時產生50～100mmol/L 的SCFAs，為腸道上皮細胞提供能量[15]。SCFAs 可通過降低結腸pH、抑制病原體生長、促進水鈉吸收等途徑參與腸道免疫穩態的調控。雖然臨床研究結果表明SCFAs影響了NAFLD 的進展[15]，但其具體機制尚不清楚。也有證據表明，SCFAs 在維持腸道功能和代謝方面發揮著重要作用[8]。目前研究認為，人體腸道內的SCFAs 影響NAFLD 發生表現在以下幾個方面：①調節人體脂肪和白細胞的生理能量新陳代謝。與正常脂肪飲食小鼠相比，在高脂飲食肥胖小鼠的乳白色中性脂肪細胞組織中，GPCR43 表達明顯增加。GPCR109A 能有效激活體內脂肪組織細胞中的巨噬細胞，抑制脂肪三酰甘油的大量蓄積，發揮調節體內脂質水平穩態的作用。②保護胃腸道及黏膜再生屏障。產丁酸菌(MIYAIRI588)可有效促進胃與腸道緊密連接相關蛋白的正常表達，降低腸道內毒素分泌水平。③調節胃腸道運動。SCFAs 通過與位于腸道的細胞內膜表面受體GPCR41 或受體GPCR43作用，促進人體腸道激素大量分泌，如5-羥色胺(5-HT)、胰高血糖素樣肽(GLP-1)和酪酪肽(PYY)等，從而有效改善NAFLD[16]。乙酸鹽可用于減輕NASH 并使小鼠的肺臟和肝臟粘膜脂肪細胞變性和炎性細胞浸潤，并可以降低小鼠血清中TG、游離反式脂肪酸和游離膽固醇的濃度水平；氨基丙酸鹽也可通過酯酶抑制β細胞大量凋亡，增強對葡萄糖酶的刺激，進而促進胰島素大量釋放[17]；另外補充氨基丁酸鈉可促進胃與腸道緊密連接蛋白的表達，減輕肝損傷，抑制小鼠NASH 的進展[18]。一項臨床研究表明，丙酸能顯著抑制體重增加和減少肝內脂肪含量，防止胰島素敏感性惡化[19]。基礎研究表明，丁酸產生的益生菌能糾正高脂飲食引起的小鼠腸肝免疫失調和減輕脂肪性肝炎，這是通過SCFAs 介導的[20～22]。已有動物研究表明，丁酸鈉可以減輕高脂飲食引起的NASH，其機制可能與糾正腸道微生物群的失調和改善胃腸屏障有關，從而抑制腸源性內毒素進入肝臟[23]。最近的研究發現，NAFLD 患者肝GLP-1 受體的表達明顯下調，補充丁酸鈉可通過抑制組蛋白去乙酰化酶-2 和激活AMP 激活蛋白激酶(AMPK)增強NASH 小鼠肝臟GLP-1 受體的表達。這些研究表明丁酸鹽可能是一種GLP-1敏化劑，并能阻止NAFL 向NASH 進展[24]。

3 內源性乙醇與NAFLD

眾所周知，乙醇是一種可導致肝臟脂肪變性和炎癥并增加肝纖維化和肝癌風險的物質[25]。目前有研究已經發現可能存在產生乙醇的各類毒性細菌，主要有脆弱類桿菌、青春雙歧桿菌等[26]。細菌發酵產生的內源性乙醇刺激NAFLD 的氧化應激，加重肝臟炎癥，動物實驗證實了這一點[27]。一項研究表明，NAFLD 患者乙醇水平的升高可能是由于胰島素依賴的肝臟乙醇脫氫酶活性的損害，而不是內源性乙醇合成的增加[28]。雖然這些研究并沒有產生一致的結果，但內源性乙醇可能在NASH 的發病機制中起著關鍵作用。Engstler 等[28]比較了49 例兒童，其中包括具有NAFLD 特征的20 例兒童和29名健康兒童，結果發現前者的空腹時血液中乙醇升高水平與胰島素過度抵抗的主要標志物呈顯著正相關，且顯著不同于后者，但前者飲食營養類型和小腸內的細菌過度生長抑制情況與后者卻基本無明顯差異。這或許提示了在NAFLD 發展的不同時期，內源性乙醇可能起著不同的抑制作用。在體外培養的肝細胞中，乙醇本身對細胞凋亡無明顯影響，但能使肝細胞對TGF-b 誘導的細胞凋亡產生敏化作用[29]。除了對小鼠肝臟細胞有潛在的細胞毒性抑制作用外，腸道細菌產生的乙醇還能通過增加腸道的通透性和肝臟門靜脈中的脂多糖抗體水平，激活小鼠肝臟細胞TLR 和肝臟炎癥小鼠抗體級聯，從而可能導致嚴重肝臟慢性損傷[30]。關于這種內源性乙醇與NAFLD 發生、發展的相互關系還需要更多更深入的研究。

4 BAs 與NAFLD

BAs 是由位于肝臟細胞中的兩種膽固醇分子合成的兩親性脂質分子，是膽汁的一種成分。膽汁主要儲存在人的膽囊中，進食后膽囊中的收縮素（CCK）輸送到十二指腸，CCK 是在十二指腸內分泌并在細胞中轉化合成的一種多肽類激素。BAs 有助于飽和脂肪酸的乳化和固體脂肪及其他脂溶性維生素的消化吸收。BAs 首先與BAs 受體結合并激活核激素分子受體（NHR），而后調節其他受體途徑，如法尼醇X 分子受體（FXR）、維生素D 受體（VDR）和孕烷X 受體（PXR）。BAs 作為FXR 的配體，明顯有助于調節BAs 池和脂質代謝。與野生型（WT）小鼠相比，FXR-KO 小鼠表現出血清BAs 增加、BAs 池增加和血脂譜增加[31]。最近一項針對人類的研究發現，與NAFLD 患者相比，NASH 患者中FXR、SHP 和NTCP 的蛋白水平降低，這表明FXR在NAFLD 向NASH 的進展中起到保護作用[32]。使用小鼠模型的研究也證明了這種保護作用，與野生型小鼠相比，FXR-KO 小鼠更瘦，更能抵抗體重增加，具有更好的糖耐量，但也具有更高的肝臟重量、血清總BAs、ALT 以及肝臟脂肪變性和炎癥增加[33]。因此，雖然FXR 似乎介導體重增加，但它也表現出肝臟保護作用，FXR 激動劑可能在延緩NAFLD 進展中發揮作用。然而，一項評估GW4064（一種合成FXR 激動劑）作用的研究顯示，喂食高脂的小鼠體重增加和胰島素抵抗增加，但當飲食中添加BA 時，這些作用會逆轉[34]。一項研究顯示，在NAFLD 的小鼠模型中，與對照組相比，腸特異性FXR 破壞的動物腸道微生物群發生變化，與高脂飲食引起的甘油三酯積累減少有關。在用此類抗生素進行治療的肝病小鼠中，小鼠結合膽汁酸的代謝物增加，抑制小鼠腸道內的FXR 信號[35]。GPBAR1 信號通路也被認為是持續減重和改善袖狀胃切除術小鼠脂肪肝所必需的[36]。表明FXR 激動劑實際上可能不是保護性的，如上所述，增加的BAs 反而對NASH的發展起到保護作用。

5 TMAO 與NAFLD

許多臨床研究結果表明，TMAO 是一種存在于腸道中對菌群高度依賴的乙酰膽堿毒性代謝物,可能會增加心血管疾病的死亡風險。研究顯示NAFLD 的嚴重程度與TMAO 升高有關，在醫院和社區的中國成年人中，TMAO 循環水平與NAFLD 的嚴重程度有關[37]。膽堿能被進入腸道中的微生物群轉化生成為三甲胺(TMA),然后被肝臟的單加氧酶系氧化,在人體肝臟中水解生成三甲胺N-氧化物(TMAO)，TMAO 隨后被釋放到循環中[38]。在高脂喂養的129S6 小鼠中，微生物群將較高水平的膽堿轉化為TMAO，從而降低了膽堿的生物利用度[39]。TMAO 還可能直接作用于肝臟，并有助于NAFLD的發展。腸道微生物可以將飲食中的L-肉堿轉化為TMAO，從而減少膽固醇在腸腔和肝臟中的吸收。飲食中添加TMAO 還可降低膽汁酸合成酶，從而減少膽固醇的清除[40]。臨床研究表明，NAFLD 患者血清TMAO 水平高于健康人，且與脂肪變性水平呈正相關[37]。另一項研究發現，T2DM 患者血清TMAO水平升高與NASH 顯著相關[41]。然而，目前尚不清楚血清TMAO 是否可作為NAFLD 或其他類型代謝疾病的生物標志物[42]。一項研究顯示，TMAO 可調節腸道微生物，抑制腸道膽固醇吸收，減輕膽固醇超載時肝臟氧化應激和細胞死亡，從而減輕高脂高膽固醇（HFHC）飲食誘導的脂肪性肝炎[43]。

6 小結

越來越多的研究表明，腸道微生物群的組成、功能和（或）代謝產物的變化與NAFLD 有關[39，40]。 動物模型和人類研究都支持腸道微生物群與NAFLD 的發生發展相關。通過影響胃腸道內壁屏障膜的功能、膽堿酸的代謝、膽汁酸的合成、SCFAs等，腸道微生物群在NAFLD 的進展中起著重要的多因素作用。但是，盡管在技術和生物信息學分析方面取得了進展，但具體的機制尚未清楚。未來需要進行大規模、縱向、前瞻性的研究，以更好地確定脂肪肝發病過程中的多因素宿主-微生物群關系。明確腸道菌群代謝物在NAFLD 中的作用不僅有助于了解其發生發展，而且有助于發現NAFLD 更加有效的治療措施。