腸-微生物群-肝軸與代謝相關脂肪性肝病的研究進展

楊小雄, 楊 帆, 魏小果

(1. 甘肅中醫藥大學 第一臨床醫學院,甘肅 蘭州 730000;2. 甘肅省人民醫院干部消化科,甘肅 蘭州 730000)

非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)是指除外酒精和其他明確肝損害因素的,以肝臟脂肪變性為特征的病理綜合征,其疾病譜包括非酒精性肝脂肪變、非酒精性脂肪性肝炎、肝硬化和肝細胞癌。目前關于NAFLD患者過量飲酒的定義尚不明確,2020年經亞太肝病學會研究決定將NAFLD重命名為代謝相關脂肪性肝病(metabolic associated fatty liver disease, MAFLD)[1]。關于MAFLD發病機制尚不明確,目前比較認可的是多重打擊學說,即胰島素抵抗、線粒體功能障礙、氧化應激、腸道菌群失調等多種因素共同作用于遺傳易感者。主要表現為當機體能量攝入和消耗間出現不平衡時,會使各組織產生胰島素抵抗和腸道微生物群的改變,進而加速肝臟中的脂肪堆積,導致肝細胞損傷、肝臟炎癥、纖維化和癌變等。據統計,MAFLD的患病率已累及全球約25%的人口[2]。研究發現,腸-肝軸紊亂、腸道微生物群失調與MAFLD發病密切相關,包括腸黏膜屏障破壞、腸道細菌移位、膽汁酸(bile acids,BAs)代謝紊亂、肝臟炎性反應等[3]。因此,本文基于腸-肝軸,對腸-微生物群-肝軸在MAFLD患者的發病機制及疾病防治中的重要作用展開綜述。

1 腸-微生物群-肝軸基本概念

腸-肝軸是指腸道和肝臟之間的一條經膽管、門靜脈和體循環進行雙向交流的通路。肝臟可將BAs和許多生物活性介質通過門靜脈釋放體循環中,或通過膽道與腸道相通[4]。同時腸道將消化吸收的營養物質、腸道細菌及其產物、內毒素和炎性介質等多種腸源性因子通過門靜脈系統轉移到肝臟。近年來,隨著對腸道微生物群的不斷深入研究發現,腸道微生物群作為一個新的概念,被當作一個“虛擬的代謝器官”,與腸-肝軸有著密切的聯系,二者共同參與機體的多項病理生理過程,其結構和功能的穩定對維持腸道和肝臟的正常功能至關重要[5]。腸-微生物群-肝軸失衡引起MAFLD,主要表現為微生物群落之間的不平衡、腸道與宿主之間共生關系的破壞,以及腸道通透性增加和肝臟炎癥的發生等[6]。因此,在腸道、微生物群和肝臟之間建立穩定的聯系是很有必要的,維持腸道內穩態及肝臟代謝的平衡,可防止腸道通透性的增加、微生物及其產物的易位,從而延緩MAFLD的進展。

2 腸-微生物群-肝軸與MAFLD的相關性肝損害

2.1腸-微生物群-肝軸與腸道屏障功能的變化 腸道屏障主要包括物理屏障、生化屏障和免疫屏障,是機體外環境和宿主內部環境之間的界面[4]。而腸道微生物群在維持上皮屏障完整性方面具有重要意義,腸道屏障中的一種或多種成分的分解會破壞其完整性,導致腸道通透性增加。促使腸道通透性增加的主要驅動因素包括腸道炎癥和微生物群失調[7],這與高脂肪飲食、長期飲酒、長期使用抗生素[8],以及免疫介導的炎癥性疾病[9],如MAFLD、炎癥性腸病等有關。在MAFLD中,腸道微生物群失調和腸道通透性增加導致微生物及其產物易位,主要包括由細胞壁成分脂多糖和細菌DNA等組成的病原體相關分子模式,它們通過門靜脈系統轉移到肝臟后,可特異性與肝Kupffer細胞和星狀細胞上的模式識別受體相結合從而誘導局部炎癥,最終導致肝臟炎癥和損傷,同時促進肝臟纖維化的發生[10]。因此,由微生物群代謝產物介導的炎癥細胞因子的表達以及肝臟炎癥反應與MAFLD的發生發展密切相關[11],所以維持腸道屏障的完整性,減少微生物群及其代謝產物易位對于MAFLD的診治具有重要的意義。

2.2腸道微生物群代謝產物的變化

2.2.1膽堿和膽堿相關代謝物 膽堿主要從飲食中獲得,肝臟也可少量產生。臨床研究已證實,膽堿是人體所必需的營養素,它的缺乏是導致機體發生MAFLD的主要原因,因為膽堿在維持肝功能的同時參與機體的新陳代謝[12]。其中磷脂酰膽堿通過促進極低密度脂蛋白(very low density lipoprotein,VLDL)從肝臟中排泄和膽鹽的溶解、分泌,從而減少甘油三酯在肝臟中積累及肝臟脂肪變性的發生[13-15]。研究表明,異常VLDL介導的甘油三酯分泌是MAFLD發生的主要機制[16]。因此,肝細胞中VLDL排泄的減少可降低體內的膽堿水平從而導致MAFLD的發生[17]。另外,膽堿在腸道細菌相關酶的作用下轉化為三甲胺,經門靜脈循環到達肝臟后轉化為氧化三甲胺,大量氧化三甲胺的產生導致機體產生的磷脂酰膽堿水平降低,加劇甘油三酯在肝臟中的累積,導致MAFLD等肝損傷相關性疾病的發生[18]。

2.2.2BAs BAs是以肝細胞中的膽固醇為原料合成的兩親性類固醇分子,經腸道細菌相關酶代謝,對于維持腸道微生物群穩態、脂質代謝、胰島素敏感性和機體固有免疫至關重要,在腸-微生物群-肝軸的調節中發揮了重要的作用。當BAs通過十二指腸到達小腸時,可結合膽道中的其他成分促進甘油三脂、膽固醇和脂溶性維生素等的乳化和吸收,大約95%的BAs在回腸末端被重吸收并運回肝臟,其余5%被腸道微生物群分解形成次級BAs,經被動運輸進入門靜脈循環最后到達肝臟,肝臟回收BAs并將其分泌到膽道,完成BAs的“肝腸循環”[19]。BAs除了具有維持腸上皮屏障完整性從而防止腸道細菌過度生長的抗菌特性,還可與相應受體結合,如法尼醇X受體(farnesoid X receptor,FXR)和G蛋白偶聯受體(g -protein-coupled receptor,GPCR),作為信號分子來調節糖脂代謝和能量穩態[20]。BAs與腸細胞中表達的FXR結合,促進成纖維細胞生長因子19的轉錄,成纖維細胞生長因子19通過門靜脈到達肝臟,抑制肝細胞中膽固醇轉化為BAs的限速酶(膽固醇7α羥化酶)的表達,從而導致肝細胞內膽固醇和血清低密度脂蛋白水平升高,形成調節BAs產生的反饋系統[21-22]。當BAs代謝紊亂則無法抑制腸道細菌的過度生長,從而加重肝臟的炎癥免疫反應,最終導致肝臟的脂肪變性向炎癥和纖維化方向進展。雖然BAs激活受體被視為治療代謝紊亂性疾病的潛在治療靶點,但具體機制尚不清楚[23]。腸道微生物群與腸-肝軸通過復雜的相互作用及嚴格的調控機制維持BAs代謝的平衡,但二者在體內如何相互影響及其在MAFLD致病過程中的具體機制尚不明確,可能與FXR的激活有關,仍需進一步探索。

2.2.3短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFA) SCFA是飲食與腸道微生物群間相互作用的產物,是宿主的主要能量來源,可通過調節腸上皮細胞的增殖、分化以及內分泌等功能,從而影響腸道運動,加強腸道屏障功能和宿主代謝。目前關于腸道微生物群與MAFLD之間的研究多涉及腸道產生的SCFA的變化,最常見的如丙酸鹽和丁酸鹽[24]。丙酸鹽可與GPCR43結合,維持機體的免疫防御系統[25]。丁酸鹽具有雙重作用,又稱“丁酸鹽悖論”,它既可誘導結腸細胞增殖,影響結腸上皮再生,從而調節腸道屏障的完整性,也可通過調節腸內神經元直接影響腸道運動[26-27]。最新研究發現,循環中SCFA的增加與脂肪細胞脂解增加和脂肪生成的減少有關[28],如單獨使用丙酸鹽可減少肝臟脂肪的增加[29]。SCFA通過與游離脂肪酸受體2結合從而抑制胰島素刺激脂肪細胞的脂質積累,導致脂肪細胞的敏感性增高,從而減少脂肪細胞的炎癥浸潤[30]。SCFA也可特異性結合在脂肪組織和肝臟中表達GPCR,如GPCR41和GPCR43,從而抑制脂肪細胞中的胰島素信號傳導,減少脂肪組織中的脂肪堆積并促進其他組織中的糖脂代謝[31]。SCFA通過作用于腸道,促進腸L細胞分泌更多的胰高血糖素樣肽-1,從而誘導胰腺β細胞分泌胰島素,改善胰島素抵抗及全身葡萄糖代謝,降低肝臟脂質堆積的風險,并改善全身慢性炎癥[32]。另外,SCFA除了可上調緊密連接蛋白的表達,還可加速緊密連接的形成,從而阻止細菌或其細胞壁成分的易位,降低肥胖和胰島素抵抗相關的代謝性疾病的炎癥級聯反應[33]。綜上,腸道微生物群失調促使腸道SCFA含量進一步減少,從而加速代謝相關性疾病的進展。然而有研究發現,大量SCFA的產生加速機體從食物殘渣中吸收更多的能量,導致肥胖的發生[34]。關于大量SCFA的產生對于MAFLD的預后是否有益,目前尚無定論。

2.2.4乙醇 乙醇在腸道表達的酒精代謝酶如醇脫氫酶、醛脫氫酶等的作用下,代謝為乙醛及乙酸鹽,肝臟可通過調節乙醇代謝途徑影響機體乙醇的循環水平[35]。大多數MAFLD患者伴有內源性乙醇及其代謝物如乙醛和乙酸鹽循環水平的增加,這些代謝物獨立地與肝損傷性疾病有關[36]。其中乙醛除了與腸道屏障的破壞及微生物產物易位有關,還與下調腸道中抗菌肽的表達有關[37],從而引發全身炎癥和適應性宿主免疫反應,加速代謝相關性疾病的進展[38]。乙酸在MAFLD中具有刺激和抑制食欲的雙重作用,但二者如何在體內保持動態平衡及參與代謝性疾病的相關機制,我們目前尚不清楚。通過無菌小鼠的實驗發現,乙醇代謝相關基因在肝臟中的表達增加,從而使肝臟脂肪變性加劇。因此推測腸道微生物群及其代謝產物乙醇等在MAFLD中的扮演重要角色[39]。

3 MAFLD基于腸-微生物群-肝軸的治療

3.1鐵代謝及鐵死亡抑制劑 鐵死亡是指鐵過度積累和脂質過氧化,其特征是鐵依賴性脂質過氧化引起的細胞程序性死亡的一種新形式。研究表明,鐵超載在MAFLD患者中普遍存在,鐵誘導的脂質過氧化是MAFLD的主要誘因之一[40]。在MAFLD中,肝細胞中蓄積的大量脂質誘導肝細胞中的鐵以細胞外囊泡的形式排出,然后進入鄰近的肝星形細胞,最終使肝細胞缺鐵和肝星狀細胞鐵超載。缺鐵的肝細胞沿缺氧誘導因子-2α(hypoxia inducible factors-2α,HIF-2α)-ATF4信號傳導,增強肝細胞脂肪生成和胰島素抵抗。在肝星形細胞中,鐵超載引起活性氧水平升高和氧化應激,從而促進鐵死亡和肝纖維化的進程[41]。Das等[42]通過小鼠實驗發現,腸道微生物群可通過抑制HIF-2α的表達來限制鐵的吸收。因為鐵的吸收主要受HIF-2α的調節[43]。此外,腸道微生物群也可以通過抑制HIF2α-ATF4信號傳導減輕肝細胞脂肪生成和胰島素抵抗。而鐵超載會改變腸道微生物群多樣性,使其抑制HIF2α的能力減弱。到目前為止,鐵死亡在MAFLD中的作用尚未完全闡明。Tong等[44]通過研究鐵死亡抑制劑利普他汀-1在 MAFLD小鼠模型中的治療效果,發現利普他汀-1可降低MAFLD小鼠模型的肝脂肪變性、線粒體參與的氧化應激,減輕肝損傷和纖維化的程度。一些以鐵死亡為靶標的藥物,如索拉非尼、柳氮磺吡啶等也被廣泛報道,這使得鐵死亡可能成為治療MAFLD的關鍵靶點[45]。這些證據表明,鐵死亡在MAFLD的病理進展中起關鍵作用,抑制鐵死亡可能有助于維持腸-微生物群-肝軸的穩定以及延緩MAFLD的進展。

3.2微生態制劑 腸道微生物群失衡和腸源性內毒素可改變腸道通透性,進而使腸源性內毒素通過肝腸循環吸收入血,最終導致肝臟炎癥和MAFLD。益生菌、益生元及合生元等相互作用,共同參與腸道微生物群穩態的調節,為MAFLD提供了一個可能的治療靶點。目前最常用的是傳統益生菌,包括雙歧桿菌屬和乳酸桿菌屬。周響等[46]通過臨床研究發現,與對照組相比,加用益生菌輔助治療2個月的MAFLD人群肝功能和炎癥因子水平明顯改善,肝脂肪變程度下降。這與鐘明月等[47]的研究結果相一致,外源性補充益生菌可能起到輔助治療MAFLD的作用。薈萃分析發現,益生菌與谷丙轉氨酶、谷草轉氨酶和谷氨酰轉肽酶水平的降低密切相關,這表明益生菌補充劑可能通過調節腸道微生物群的組成和代謝對肝功能起保護作用[48]。在最近的小鼠實驗中發現,人工益生菌如表達人ADH1B的益生菌,可減少腸道對酒精的吸收,減輕酒精引起的肝損害[49]。有關小鼠血清的非靶向代謝組學分析表明,羅伊乳桿菌作為一種腸道益生菌,可以顯著增加腸道微生物衍生的代謝產物,如吲哚及其衍生物,從而調節cGMP/cAMP信號軸的作用途徑,在減輕肝臟炎癥、調節機體免疫和抑制肥胖方面發揮的重要作用[49]。此外,益生菌還可以通過產生SCFA來改善MAFLD[50]。最新研究發現,一類名為NGPs新型益生菌在治療MAFLD方面顯示出巨大的治療潛力,但還需要大量的臨床實驗去證實[51]。

3.3抗T細胞介導的免疫炎癥反應 目前,除了胰島素抵抗、氧化應激和脂肪毒性等常見致病因素外,免疫細胞,特別是T細胞介導的免疫反應在MAFLD中的作用越來越受到重視。MAFLD和T細胞介導的免疫反應之間的這種相互作用也與肝-腸免疫串擾和腸道微生物群失衡有關。臨床試驗表明,益生菌可減輕腸道CD8+T細胞對肝臟的影響,進而改善輕度、中度、重度MAFLD患者的肝脂肪變性[52]。動物實驗中,益生菌表面的脂質抗原促進了小鼠肝臟自然殺傷細胞的增殖,進而改善小鼠肝臟脂質積累和胰島素抵抗[53]。綜上,說明通過T細胞介導的免疫反應調控腸道微生物群是治療MAFLD的潛在靶點。

4 小結與展望

腸道微生物群參與機體多種生命活動,如腸道屏障的形成、糖脂代謝及全身抗炎免疫的調節。它不僅向鄰近的器官和組織發出信號,而且向機體遠處的器官和組織發出信號,并干擾例如腦-腸軸、肝-腸軸以及宿主的免疫系統。宿主和腸道微生物群之間的共同代謝產物,如膽堿、BAs、SCFA 、乙醇等的肝腸循環參與許多腸-肝軸疾病的發病機制,最典型的如MAFLD。因此,應用抗生素選擇性地消耗不同的微生物群或使用鐵死亡抑制劑、微生態制劑,甚至糞菌移植來調節腸道微生物群將可能成為預防和治療MAFLD的潛在新靶點。腸道微生物群作為導致MAFLD患者腸道和肝臟損害的核心因素,試圖通過腸-微生物群-肝軸的這樣一個較為全面的概念,使我們對腸道微生物群在MAFLD患者肝損害致病過程中的重要作用有了新的認識,并為理解MAFLD的發病機制和防治措施提供新思路。