膽汁酸-微生態(tài)軸在肝硬化進(jìn)展中的調(diào)節(jié)作用

王海強(qiáng) 鄭淑丹 石璠 趙梅 鄭麗紅

健康的肝臟是體循環(huán)和腸道之間的屏障,當(dāng)肝硬化發(fā)展及演變時(shí),導(dǎo)致屏障功能失調(diào),而膽汁酸(bile acids,BA)與腸道微生態(tài)的平衡在維持人體健康方面發(fā)揮重要作用[1]。BA是介導(dǎo)肝臟和腸道微生態(tài)的信號(hào)分子,會(huì)影響脂質(zhì)平衡、炎癥反應(yīng)、纖維化、腸道屏障功能,最終影響肝硬化患者病情的嚴(yán)重程度[2]。膽汁酸與腸道微生物群的復(fù)雜關(guān)系在一些臨床試驗(yàn)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn),血清膽汁酸水平升高與肝硬化和慢性肝病中神經(jīng)功能降低密切相關(guān)。本文對(duì)膽汁酸及腸道微生物群特征性變化影響肝硬化疾病過程進(jìn)行綜述,提示膽汁酸及腸道微生物在肝硬化及其并發(fā)癥中的臨床應(yīng)用前景。

一、膽汁酸的合成與功能

膽汁酸是從肝臟中的膽固醇合成的有效的代謝和免疫信號(hào)分子,主要通過兩種途徑合成:經(jīng)典途徑和替代途徑。經(jīng)典途徑主要合成膽酸(cholic acid,CA)和鵝去氧膽酸(chenodeoxycholic acid,CDCA),約占人類總膽汁酸池的90%以上,因此經(jīng)典途徑被認(rèn)為是膽汁酸合成的主要途徑[3]。膽固醇7α-羥化酶(cytochrome P450 7A1,CYP7A1)作為膽汁酸經(jīng)典途徑的啟動(dòng)因子, 通過7α-羥基膽固醇轉(zhuǎn)化為7α-羥基-4-膽甾烯-3-酮(C4),C4是反映肝臟BA合成速率的血清標(biāo)志物,在細(xì)胞色素P450 8B1(Cytochrome P450 8B1,CYP8B1)的進(jìn)一步作用下形成了CA,或經(jīng)線粒體甾醇27-羥化酶(Mitochondrial sterol 27-hydroxylase,CYP27A1)修飾轉(zhuǎn)化為CDCA[4,5]。此外,膽汁酸合成的總體速率受CYP7A1調(diào)節(jié),CYP8B1可以調(diào)節(jié)膽汁酸池中的CA/CDCA[3]。這些初級(jí)膽汁酸與過氧化物酶體中的甘氨酸和牛磺酸結(jié)合以減少毒性并增加溶解度[6]。隨后這些初級(jí)膽汁酸,通過小管膜隨膽汁儲(chǔ)存在膽囊中,進(jìn)食后十二指腸分泌膽囊收縮素刺激膽囊收縮,繼而使膽汁輸入到腸道,最終轉(zhuǎn)換為次級(jí)膽汁酸[7]。在回腸遠(yuǎn)端,BA被頂端鈉依賴性膽汁酸共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(apical sodium-dependent bile acid transporter,ASBT)重新吸收進(jìn)入腸細(xì)胞中,經(jīng)有機(jī)溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白α和β(organic solute transporter-α and -β,OSTα/β)基底外側(cè)膜輸出到門靜脈循環(huán)中[8]。每天,大部分BA分子(約95%)被重新吸收進(jìn)入循環(huán)BA池,只有一小部分(約5%)被排泄到糞便中[9]。因此,腸道微生物群在BA修飾和隨后的組成中發(fā)揮重大作用。在肝細(xì)胞基底膜上,鈉-牛磺膽酸共轉(zhuǎn)運(yùn)多肽(sodium/taurocholate cotransporting polypeptide,NTCP)是主要的BA轉(zhuǎn)運(yùn)體,從門靜脈循環(huán)中攝取BA進(jìn)入肝細(xì)胞[10]。從腸道釋放入門靜脈循環(huán)中的BA被重新吸收回肝臟再循環(huán)的整個(gè)過程稱為“腸肝循環(huán)”。多重耐藥相關(guān)蛋白雖不直接參與腸肝循環(huán),但負(fù)責(zé)將重要的磷脂分泌到膽汁中,若多重耐藥蛋白2信號(hào)中斷,可能會(huì)引起游離BA增加,促進(jìn)膽汁上皮的損傷[11]。

二、腸道菌微生物組

人類腸道像一個(gè)厭氧生物反應(yīng)器,成為我們腸道大部分微生物的棲息地。這些微生物包括各類細(xì)菌、古細(xì)菌和真核生物[12],它們與機(jī)體存在共生或?qū)棺饔谩Ｈ祟惸c道細(xì)菌群由數(shù)萬億的微生物組成,它們屬于4個(gè)主要的門:厚壁菌門占60%,擬桿菌門占22%,放線菌門占17%,變形菌門占1%[13]。最近的研究表明,處于慢性疾病狀態(tài)下的患者,與健康人相比腸道微生物群比例與多樣性存在明顯差異。腸道微生物菌群的穩(wěn)態(tài)受BA、酒精、飲食、某些藥物(如益生菌、抗生素)和疾病的影響,微生態(tài)的失調(diào)會(huì)對(duì)宿主代謝產(chǎn)生負(fù)面影響,從而導(dǎo)致酒精性或非酒精性脂肪肝、肝硬化、肝性腦病、原發(fā)性膽汁性膽管炎、肝細(xì)胞癌、炎癥性腸病等疾病,微生態(tài)失調(diào)程度也會(huì)隨肝病嚴(yán)重程度強(qiáng)化和持續(xù)[14]。

三、膽汁酸與腸道微生物群的雙向調(diào)節(jié)作用

腸道微生物群參與BA的合成及其生物信號(hào)的循環(huán),反之,BA也從根本上塑造了腸道微生物群。細(xì)菌膽鹽水解酶(bacterial bile salt hydrolase,BSH)和7α-脫氫酶對(duì)調(diào)節(jié)BA的代謝和平衡至關(guān)重要,幾乎所有的初級(jí)BA都要通過7α-脫羥基化作用轉(zhuǎn)化為次級(jí)BA,包括石膽酸(lithocholic acid,LCA)和脫氧膽酸(deoxycholic acid,DCA)。次級(jí)BA會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌生物膜不穩(wěn)定及腸道通透性增加,并具有直接的抗菌作用[15]。BSH和膽汁酸7α-脫羥基反應(yīng)似乎僅限于數(shù)量有限的腸道厭氧菌,占結(jié)腸總菌群的一小部分[11]。梭菌屬表現(xiàn)出7α-脫羥反應(yīng)活性,腸道中大部分革蘭陽性菌均具有BSH活性,但革蘭陰性菌中只存在于擬桿菌屬[16]。BA在調(diào)節(jié)宿主代謝方面的主要受體是核受體法尼醇X受體(farnesoid X receptor,FXR)和武田G蛋白偶聯(lián)受體5(G protein-coupled receptor,TGR5)。BA作為一種重要的信號(hào)分子,與受體結(jié)合以調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)并維持免疫穩(wěn)態(tài),并影響腸道微生態(tài)結(jié)構(gòu)。

事實(shí)上,一項(xiàng)通過比較無菌小鼠和常規(guī)飼養(yǎng)的FXR敲除小鼠的研究表明,在腸道菌群存在的情況下,小鼠BA池的減少可能也反映了回腸遠(yuǎn)端膽汁酸重吸收的減少和糞便中BA排泄量的增加[17]。益生菌鼠李糖乳桿菌GG屬于乳桿菌屬,在應(yīng)用該藥治療膽管結(jié)扎和多重耐藥蛋白2基因敲除誘導(dǎo)肝纖維化小鼠的研究中表明,該益生菌的治療作用是通過上調(diào)腸道FXR-FGF19信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制BA的從頭合成,并增強(qiáng)具有BSH活性的厚壁菌門和放線菌門水平,從而增加BA從糞便排泄[18]。腸道微生物受BA池大小和組成的影響,并且BA可以作為肝臟疾病嚴(yán)重程度的指標(biāo)[1]。綜上所述,膽汁酸-腸道微生態(tài)軸系的穩(wěn)態(tài)在肝臟炎癥、纖維化及肝硬化中發(fā)揮重要作用。

四、肝硬化、膽汁酸、腸道微生物的三角關(guān)系

BA作為調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)的重要因素,腸腔內(nèi)BA濃度的升高有利于進(jìn)行7α-脫羥基的細(xì)菌生長,防止生態(tài)失調(diào)和炎性標(biāo)志物釋放。而較低的腸腔BA水平有利于革蘭陰性菌的生長,會(huì)引起致病菌過度繁殖,誘導(dǎo)炎癥標(biāo)志物的釋放及肝臟炎癥反應(yīng)增加。在肝硬化時(shí),生態(tài)失調(diào)是膽汁鹽進(jìn)入腸腔濃度較低的結(jié)果[19],提示腸道微生物群、膽汁酸水平與肝硬化發(fā)展之間存在聯(lián)系。

(一)BA與肝硬化 研究表明,隨著慢性肝病或肝硬化的進(jìn)展,總膽汁酸濃度顯著降低和次級(jí)BA /初級(jí)BA的降低,血清BA濃度顯著低于糞便水平,血清中結(jié)合BA和非結(jié)合初級(jí)BA水平較高。飲酒是肝硬化發(fā)病原因之一,在伴有酒精性肝炎的重度酒精性肝硬化的血清中CDCA相對(duì)增加,并溢出到體循環(huán),而DCA相對(duì)減少[20]。Genta等提出[21],與戒酒性肝硬化和其他慢性肝病及不飲酒的健康對(duì)照組相比,肝硬化伴有長期飲酒的患者總糞便和繼發(fā)性糞便BA濃度顯著增加。一項(xiàng)對(duì)酒精性肝炎患者BA的分析發(fā)現(xiàn),血清總BA、結(jié)合BA和血清FGF19水平增加,但是從頭合成BA受到抑制。重要的是,這與酒精相關(guān)性終末期肝病模型呈正相關(guān)[22]。

BA信號(hào)可能通過FXR和TGR5途徑介導(dǎo)的抗菌防御腸道屏障完整性,最終影響肝硬化、全身炎癥。抑制BSH活性會(huì)增加腸道結(jié)合BA豐度,并防止膽堿缺乏l-氨基酸定義的高脂飼料喂養(yǎng)的大鼠發(fā)生腸道通透性增加,以及肝脂肪變性和肝臟炎癥的發(fā)展[23]。腸腔內(nèi)源性BA的釋放和TGR5激動(dòng)劑促進(jìn)腸道類器官的生長,改善結(jié)腸炎小鼠的上皮損傷[24]。此外,LCA的衍生物,通過增加FoxP3表達(dá)誘導(dǎo)外周Tregs細(xì)胞,還能抑制表達(dá)IL-17a。LCA已被證明可以通過TGR5減少脂多糖誘導(dǎo)的促炎細(xì)胞因子的釋放和巨噬細(xì)胞的吞噬活性,從而抑制肝臟炎癥[1][25]。

(二)BA與肝性腦病 失代償期主要的并發(fā)癥為肝性腦病,是一種以高氨血癥為特征的神經(jīng)精神并發(fā)癥,先前被證明與血液中氨和BA水平升高有關(guān)[26]。氨主要來源于腸道,腸道細(xì)菌產(chǎn)生過多的氨可能導(dǎo)致循環(huán)中氨含量增加,同時(shí)肝臟受損導(dǎo)致尿素循環(huán)障礙,對(duì)氨清除不足,也能引起循環(huán)中氨濃度異常升高,氨容易透過血腦屏障進(jìn)入大腦[27]。肝硬化患者血清結(jié)合膽汁酸升高,在肝性腦病期間血液中的BA進(jìn)一步升高會(huì)導(dǎo)致大腦膽汁酸升高,由于BA可以作為洗滌劑,誘導(dǎo)血腦屏障的通透性,從而導(dǎo)致腦損傷[28]。慢性肝病小鼠模型和偶氮甲烷誘導(dǎo)的急性肝衰竭小鼠模型研究中,ASBT介導(dǎo)BA重吸收,使腸腔pH升高,氨量增多,促進(jìn)腸氨轉(zhuǎn)化為血氨,導(dǎo)致血液和大腦中神經(jīng)毒性氨和細(xì)胞毒性BA水平異常高水平,最終損傷神經(jīng)。相反,通過SC-435(ASBT抑制劑)阻斷腸道膽汁酸再吸收,降低循環(huán)BA和氨濃度,從而減輕肝臟和大腦損傷[29]。因此,ASBT類抑制劑可能成為一種新的治療方法,主要針對(duì)因BA和氨調(diào)節(jié)障礙為主的慢性神經(jīng)疾病,如肝性腦病。

DCA是控制腸道細(xì)菌生長和腸道微生物最有效的殺菌劑,肝性腦病患者的認(rèn)知功能和內(nèi)毒素血癥的改善也是DCA/CA降低的結(jié)果[19]。腸桿菌科與人類糞便中CDCA呈正相關(guān),并與肝性腦病的發(fā)生密切相關(guān),而瘤胃球菌屬與DCA呈正相關(guān),但在生化指標(biāo)方面瘤胃球菌屬與總膽汁酸、總膽紅素水平顯著負(fù)相關(guān)[20][30]。

(三)腸道微生態(tài)與肝硬化 術(shù)語“肝硬化生態(tài)失調(diào)比率”是微生態(tài)失衡與肝硬化進(jìn)展相關(guān)的指標(biāo)[31],與健康對(duì)照組相比,觀察到肝硬化中微生物群的比例變化,潛在致病菌如腸桿菌科和鏈球菌科在家族水平的肝硬化患者中普遍存在,變形桿菌和梭桿菌相對(duì)過度生長和有益的擬桿菌、乳酸桿菌和雙歧桿菌比例明顯降低。這些變化隨著肝硬化的進(jìn)展變得更加嚴(yán)重,當(dāng)發(fā)展到肝性腦病時(shí),可能會(huì)發(fā)生菌群的生態(tài)失調(diào)[32]。

在一項(xiàng)觀察肝硬化患者糞便微生物群落特征變化的研究中已闡明,肝硬化的微生物組與乳酸桿菌科和擬桿菌科的減少,可能與蛋白桿菌和梭桿菌(大多數(shù)蛋白菌序列屬于類變形菌)的增加有關(guān)。該研究還證明了Child-Turcotte-Pugh(CTP)評(píng)分與鏈球菌科呈正相關(guān),梭菌顯著減少導(dǎo)致促炎反應(yīng),并與CTP評(píng)分呈負(fù)相關(guān)[32,33]。腸道屏障功能障礙是腸道菌群失衡和細(xì)菌易位的重要表現(xiàn),使病原體細(xì)菌定植于內(nèi)層黏膜,病原體相關(guān)分子模式的滲透性增加,導(dǎo)致細(xì)菌轉(zhuǎn)移至腸外部位,從而推動(dòng)肝臟的炎癥與纖維化[34]。肝硬化患者門靜脈血中與腸黏膜相似的菌群成分,腸桿菌科的普遍存在,正好可以解釋大腸埃希菌是肝硬化患者門靜脈炎癥的主要原因[35]。因此,恢復(fù)腸道屏障生態(tài)是肝硬化及肝病治療的一個(gè)重要方向。

(四)腸道微生態(tài)與肝性腦病 腸道微生物組和腸道通透性改變可能會(huì)發(fā)生相關(guān)大腦和腸道的雙向作用功能障礙。肝性腦病臨床分類從輕度或隱性肝性腦病到顯性肝性腦病,患者認(rèn)知能力逐漸下降[36],其病理生理機(jī)制推測可能與氨的積累和腸道微生物的活性有關(guān)。在肝硬化患者中,含有脲酶的微生物是人體氨的重要來源,通常是革蘭陰性菌(如克雷伯菌和變形桿菌),它們可以催化尿素轉(zhuǎn)化為氨,然而肝臟清除受損導(dǎo)致氨累積,并與炎癥的協(xié)同作用下加劇神經(jīng)損傷而引發(fā)肝性腦病[37]。這說明了腸道微生物群在人類肝性腦病發(fā)病中的中心作用,并表現(xiàn)出神經(jīng)炎癥、全身炎癥、高氨血癥和腦水腫的證據(jù)。

通過利福昔明證實(shí)了肝性腦病患者腸道微生物群功能的改變很可能在機(jī)制上與認(rèn)知障礙有關(guān)系。利福昔明是一種治療肝性腦病有效的抗生素,具有廣譜抗菌活性,在其治療的肝硬化和隱性肝性腦病患者中內(nèi)毒素血癥減少,認(rèn)知功能改善,伴有有害代謝物減少,以及BA組成和腸道微生態(tài)的改變[38]。利福昔通過增加輕度肝性腦病患者的血清長鏈脂肪酸和碳水化合物代謝中間水平,降低產(chǎn)氨細(xì)菌(如梭狀芽胞桿菌和鏈球菌)的多樣性和豐度,進(jìn)而影響血清促炎細(xì)胞因子和次級(jí)膽汁酸,以改善腸道微生物群的結(jié)構(gòu)和腸道免疫功能[39]。

以下幾項(xiàng)研究更具體地描述了微生態(tài)失調(diào)和肝性腦病的聯(lián)系。在隱性肝性腦病患者中腸道微生態(tài)群明顯紊亂,潛在致病性大腸埃希菌和葡萄球菌屬過度生長[40]。Sung及其同事進(jìn)行了健康個(gè)體和肝硬化患者的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),在急性肝性腦病患者中,擬桿菌的相對(duì)豐度降低,而厚壁菌、變形桿菌、放線桿菌和小韋榮球菌的相對(duì)豐度增加。此外,也證實(shí)了肝性腦病復(fù)發(fā)與特定菌群存活時(shí)間之間的聯(lián)系[41]。其他研究表明,有益菌屬中的毛螺菌屬、羅氏菌屬、糞球菌屬均與腸內(nèi)氨濃度、相關(guān)炎癥因子表達(dá)和內(nèi)皮激活呈負(fù)相關(guān),但與腸道IgA濃度和腸道免疫功能呈正相關(guān),有助于抑制肝性腦病的疾病進(jìn)展,改善患者認(rèn)知功能[42]。這些研究表明,炎癥、認(rèn)知功能和微生物群變化之間相互作用在肝性腦病中發(fā)揮作用,并可預(yù)測肝性腦病的進(jìn)展。

五、結(jié)論

越來越多的證據(jù)表明,BA作為調(diào)節(jié)腸道-肝臟-大腦軸系中的關(guān)鍵因子,在一定程度上對(duì)微生物群產(chǎn)生有利影響,但同時(shí)也會(huì)影響腸道屏障及血腦屏障的通透性,從而誘發(fā)肝硬化炎癥及肝性腦病等并發(fā)癥。在腸道中,腸道微生物群和BA之間的雙向調(diào)節(jié)作用有助于疾病的發(fā)展。有必要進(jìn)一步研究BA-腸道微生態(tài)軸,以探索肝硬化的致病機(jī)制。總之,更深入地了解BA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和微生態(tài)的復(fù)雜關(guān)系,有助于我們在未來更好地治療和管理肝硬化。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。