肠道微环境与肝脏疾病①

马洪第 廉哲雄 (中国科学技术大学肝脏免疫学实验室，合肥 230026)

肝脏和肠道作为消化系统中两个最为重要的组成部分，其解剖结构紧密相连，并且在行使生理功能方面密切相关。肝脏中四分之三的血供来自于肠道的回流血，其中包含有肠道中的细菌产物、环境毒素和食物抗原等。通常生理状态下，肝脏会组建一系列天然的免疫耐受机制，保持免疫平衡状态［1］。然而在非正常生理状态下，肝脏的免疫耐受将被打破，这些来自肠道的微生物以及食物抗原会引发剧烈的免疫反应，造成肝脏的病变和损伤。越来越多的报道指出，肠道微环境在肝脏多种疾病的发病过程中发挥了重要的作用。

肠道中存在大量的共生菌，它们不仅参与肠道中的代谢活动，同时也塑造了肠道的免疫微环境。肠道共生菌群的改变，例如菌群丰度或菌群组成的改变都会影响肠道中的免疫微环境，进而引发剧烈的免疫反应［2］。近年来，关于肠道微生物菌群参与各类疾病的发生发展的报道日益增多，而肠道微生物菌群的变化影响肠炎的报道最多。随着“肝肠对话”概念的提出和研究的逐步深入，肠道微生物菌群在多种肝脏相关病变过程中所发挥的作用也越来越受到关注。

肝脏疾病的发病率在全世界范围内呈逐年上升的趋势，与代谢相关的肝脏疾病如脂肪肝，病毒感染导致的乙型肝炎或者丙型肝炎，以及与免疫调控密切相关的自身免疫性肝病等多种类型的肝脏疾病极大地影响着人类的生存质量，由多种因素导致的肝脏纤维化、肝硬化甚至最终形成的肝癌严重威胁着人类的生命健康。从肠道微环境影响肝脏疾病的角度对多种肝脏疾病的发生发展过程深入探究，无疑为揭示肝脏相关疾病的发病机制和组建更有针对性、有效性的治疗平台提供了新的契机，具有重要的研究意义和广阔的应用前景。

本文综述近几年来肠道微环境影响肝脏疾病作用机制的相关报道，探讨肝脏代谢相关疾病、病毒性肝炎、自身免疫性肝脏疾病、肝脏纤维化-肝硬化-肝癌等几种肝脏疾病类型及发展阶段中肠道微环境变化的影响，在综述的基础上，对这些最新研究成果进行总结和讨论，希望能为肝脏相关疾病的研究和治疗提供一些有利线索。

1 肠道微环境与肝脏代谢相关疾病

非酒精性脂肪肝(NAFLD)是常见的肝脏代谢功能紊乱导致的疾病。NAFLD 的发病原因多种多样，其中高脂饮食、肝脏功能性损伤以及遗传背景等因素被认为是导致该疾病的重要因素。其中约有二成的NAFLD 患者会发展为长期的肝脏炎症，即非酒精性脂肪性肝炎(NASH)，最终演变为肝硬化、门脉高压以及肝癌等。NAFLD 的发生常常伴随着其他的代谢异常，包括肥胖、Ⅱ型糖尿病以及高血脂等。虽然NAFLD 的发病机制尚未完全阐明，但是现有的报道指出，NAFLD 的发生主要包括两个阶段的病理改变:第一阶段，肝脏中脂肪酸代谢失衡造成脂肪堆积;第二阶段，在氧化代谢压力的刺激下，肝细胞损伤并促进炎性细胞因子分泌，由此引发肝脏内长期慢性的炎症，最终发展为NASH［3］。

肠道中大量存在的微生物在脂肪代谢、吸收以及体重调控中发挥着至关重要的作用。无菌级小鼠比SPF 级(无特定病原菌)小鼠体重减轻，并且如果将SPF 级小鼠的肠道共生菌植入无菌级小鼠体内，会明显增加无菌级小鼠体内脂肪的积累［4］。进一步的研究发现，肠道微生态的平衡尤其是肠道共生菌群的组成及丰度极大影响着脂肪代谢和体重增长。例如:在肥胖模型的小鼠肠道中，拟杆菌门与厚壁菌门比例明显上升，这种区别于正常小鼠肠道菌群的组成导致小鼠对于能量及脂肪的摄入更快，体重增长也更加迅速。同样的，肥胖人群肠道中拟杆菌门也有明显的增多，而且拟杆菌门中细菌的减少与人体重下降有着紧密的联系［5］。

值得注意的是，在高脂饲料(HFD)诱导的小鼠NAFLD 模型中以及在NAFLD/NASH 患者中，均有证据显示肠道共生菌通过不同的机制参与了该疾病的发生发展。在接受不同的菌群移植后，受体鼠NAFLD 的发生发展程度有明显的不同，通过高通量的16SrRNA 测序发现，特定的菌群组成对于NAFLD的发病有重大影响［6］。那么肠道共生菌群对NAFLD 的发病是如何产生作用的呢?一方面，肠道中大量存在的共生菌群参与了机体的代谢，肝脏和肠道在行使消化功能过程中密切相关，由此肠道菌群组成的改变会影响脂肪的摄入以及代谢。此外，许多报道认为，肠道微生物菌群失衡或者易位会使与其有大量血液交换的肝脏中的模式识别受体如Toll 样受体或者炎性小体相关的信号通路活化，并导致肝脏耐受被打破，从而产生一系列免疫反应释放大量的炎性细胞因子，在NAFLD 发展为NASH 的阶段发挥重要的作用。例如:给予炎性小体缺失的小鼠甲硫氨酸/胆碱缺失的饲料是一种常见的诱发NAFLD 的模型。在这个模型中，Porphynom-onadaceae 科的肠道菌大量增多，并且有很多TLR4 和TLR9 的配体进入门脉循环中［7］。这些细菌产物随着血液循环进入肝脏后活化了肝脏中的模式识别受体TLR4 以及TLR9，并激活下游NF-κB 相关的信号通路，导致炎性细胞因子的大量分泌，尤其是TNF-α这种在NASH 中发挥重要作用的细胞因子大量产生，促进该肝脏代谢紊乱相关疾病的发展。很显然，接受这种NAFLD 模型小鼠肠道微生物移植的受体鼠诱发NASH 的易感性大大增加。同时，给予抗生素清除肠道菌后，该模型NASH 发病的严重性明显减轻，并且不再产生由于肠道微生物移植而诱发的NASH。

通过这些研究报道我们可以得出如下结论:肠道微生态的破坏包括肠道菌群组成的改变以及菌群易位(或者细菌代谢产物异常增多等)等都会导致肝脏脂肪代谢的异常以及肝脏的炎症和损伤。它们通过影响代谢过程或者通过激活模式识别受体促进天然免疫应答，使肝脏免疫耐受打破，炎症反应加强，最终导致肝脏功能损伤、脂肪堆积，使肝脏处于长期慢性炎症中。

2 肠道微环境与病毒性肝炎

病毒性肝炎是世界范围内发病率极高的传染性肝脏疾病，丙型肝炎(HCV)和乙型肝炎(HBV)最为常见，尤其我国是乙肝大国，HBV 的感染率约为60%，慢性携带者人数高达1.2 亿(约占总人口的10%)。有报道指出乙肝病人以及丙肝病人血液中LPS(细菌代谢产物)，Ⅰ-FABP (肠上皮细胞死亡的标志)，炎性因子sCD14 和IL-6 水平均较高［8］。一方面，肝炎病毒感染所导致的炎症会波及全身的脏器，可能导致肠道通透性的改变以及肠道菌群的紊乱，使肠道中的免疫平衡被打破，当更多的肠道菌及其代谢产物经血液循环到达肝脏，便会引发肝脏的免疫反应，加重病毒性肝炎。另一方面，由于病毒感染令肝脏中的Kupffer 细胞清除细菌及其代谢产物的能力降低，使来自肠道的微生物及其代谢产物在进入肝脏后得不到有效控制，从而会加剧肝脏的炎性反应，促进病毒性肝炎的发展。

此外，在病毒诱导的小鼠肝炎模型中，无菌级小鼠发病明显减轻，并且抗生素处理或者TLR4 信号通路的缺失/阻断可以抑制疾病的发生发展［9］。这些实验结果说明，肠道中的共生菌在病毒感染引发的肝炎中发挥着重要的促进作用。虽然对于肠道微环境与病毒感染引发的肝炎之间相互影响关系的报道较少，并且缺乏更加直接和丰富的证据以阐明其作用机制，但已引发研究界越来越多的关注。不容置疑，肠道共生菌在病毒感染所引发的肝炎中作用机制的阐明将有助于病毒性肝炎治疗方案的提出和改进。

3 肠道微环境与自身免疫性肝脏疾病

虽然目前我们对自身免疫性肝脏疾病的发病机制还缺乏深入了解，但是遗传和环境被普遍认为是引发该疾病的两大重要因素。那么，与肝脏紧密相连，密切相关的肠道微环境究竟对肝脏机能有否影响、有着怎样的影响，它们之间如何勾连、彼此支持，又如何变化，形成牵制?这些必然是我们要深入思考的问题，是自身免疫性肝脏疾病研究的重要课题方向。

自身免疫性肝脏疾病是一种自身免疫系统攻击肝脏所导致的慢性肝脏疾病，它主要包括自身免疫性肝炎(AIH)、原发性胆汁性肝硬化(PBC)以及原发性硬化性胆管炎(PSC)等［10］。自身免疫性肝脏疾病的共同特点是患者血清中有高滴度的抗自身抗原的抗体和高水平的炎性细胞因子，并且在肝脏中有大量的免疫细胞浸润，包括T、B 淋巴细胞、NK 细胞、巨噬细胞、树突状细胞等等。这些浸润的免疫细胞在炎症环境下不断攻击肝脏中自身抗原，造成肝脏的慢性炎症反应，长此以往，便会导致肝脏的纤维化、肝硬化。

自身免疫性肝脏疾病诊断的重要指标之一就是病人血清中存在大量的抗自身抗原的抗体。原发性胆汁性肝硬化(PBC)患者血清中存在抗线粒体的抗体AMA［11］，其所针对的抗原是存在于线粒体中的丙酮酸脱氢酶E2 亚基(PDC-E2)、同戊二酸脱氢酶复合体(2-OADC)、支链α 酮酸脱氢酶复合体(BCOADC-E2)［12］。其中PDC-E2 在进化过程中十分保守，其与自身抗体以及自身反应性免疫细胞相互作用的硫辛酸结合位点在多种物种中最为保守［13］。由于这种进化上的保守性，PBC 患者的血清不仅能与自身的PDC-E2 反应，还可以与大肠杆菌的PDCE2 产生交叉反应［14］。我们知道，自身免疫反应的发生是由于免疫系统错误地将自身抗原当作“非我”成分进行攻击而导致的。免疫系统在对来自肠道的大肠杆菌产生反应的同时，会引发免疫系统对自身PDC-E2 的攻击，从而引发自身免疫反应。这正是PBC 发病过程中“分子模拟机制”理论提出的重要依据。

与前述两种类型的肝脏疾病相同，TLR 信号通路的过度活化在自身免疫性肝脏疾病发病的早期起着至关重要的作用。例如，在PBC 患者的肝脏中能够检测到异常增高的TLR4 的表达，且患者肝脏中胆管上皮细胞上TLR4 表达的升高尤为明显［15］。众所周知，肝内小胆管是PBC 发病过程中受到攻击的靶点，而胆管是在肝脏和肠道之间运输胆汁液的重要通道，也是肠道与肝脏之间联系的重要桥梁，因此，胆管便成为肠道共生菌及其代谢产物进入肝脏入口之一。来自肠道的微生物及其代谢产物刺激肝脏中的胆管上皮细胞，使其高表达模式识别受体TLR4 并激活其相关的信号通路，促进胆管上皮细胞分泌大量的炎性细胞因子和趋化因子。此外，PBC患者中的单核细胞对于LPS-TLR4 配体的应答也更加敏感，这些单核细胞被循环中的肠道菌群产物活化后也产生大量的炎性细胞因子如TNF-α 等［16］，这些炎性细胞因子同样刺激胆管上皮细胞产生大量趋化因子。在肠道微生物代谢产物以及炎性细胞因子的共同作用下，胆管上皮细胞所释放的趋化因子会招募大量活化的免疫细胞到达胆管周围，产生炎症反应，对胆管造成损伤。

除了天然免疫反应，T 细胞介导的适应性免疫应答在自身免疫性肝脏疾病的发病过程中同样起着重要作用。值得注意的是，PSC 患者除了肝脏中存在渐进性的胆管损伤外，大部分患者还伴随有肠炎(IBD)［17］。那么，肠道中的炎症与肝脏中的自身免疫性反应是否相关?在实验数据支持的基础上，有报道提出PSC 发病的假说:最初在肠道中被致敏的长寿命的记忆性T 细胞由于异常的归巢到达肝脏中，在肝脏中引发炎症，并造成胆管损伤［18］。这一现象的产生是由于PSC 患者肠道中致敏的T 细胞表达趋化因子受体CCR9 以及整合素α4β7。这些T 细胞通过CCR9 和α4β7 识别趋化因子CCL25 以及黏附分子MAdCAM-1。在PSC 患者肝脏中有高浓度的CCL25 并且高表达MAdCAM-1，因此肠道中致敏的T 细胞被它们招募到肝脏中引发一系列的炎症反应。最新的研究揭示，在肝脏中致病的CD8T 细胞不能迁移到肠道，而在肠道中致敏的T细胞却有明显的向肝脏迁移的倾向，这说明CD8T细胞的肝肠循环实际上是单向从肠道到肝脏的［19］。肠道中的共生菌通过致敏T 细胞使其更倾向于迁移到肝脏，从而影响自身免疫性肝脏疾病的发病。

4 肠道微环境与肝脏纤维化-肝硬化-肝癌

无论是NAFLD/NASH，HBV/HCV 还是PBC/PSC 等肝脏疾病，在长期慢性炎症发展的后期，都会演变为更为严重的肝脏疾病即肝脏的纤维化，而纤维化的继续发展会造成肝硬化，甚至肝癌，导致肝脏功能的完全丧失。而越来越多的研究报告指出，肠道微环境在肝脏纤维化-肝硬化-肝癌发生发展过程中发挥着显著的作用。

在胆管结扎(BDL)诱导的小鼠肝脏纤维化模型中，肠道共生菌通过激活肝脏中的TLR4 信号通路明显促进了肝脏纤维化的发展［20］。同样的这个模型中，TLR4 敲除的小鼠肝脏纤维化的程度明显低于野生型小鼠。使用多种抗生素水喂养野生型小鼠，清除大部分的肠道共生菌后，BDL 所诱导的肝脏纤维化程度显著降低。这些现象说明，BDL 造成的肝脏损伤同时导致肝脏和肠道之间保护屏的破坏，从而使肝脏暴露在众多的肠道微生物及其代谢产物中。肝脏纤维化过程中最为重要的效应细胞肝脏是星形细胞(HSC)，TGF-β 信号可以使星形细胞活化，发生上皮基质转换(EMT)，并分泌大量胶原，而胶原沉积最终导致肝脏纤维化。需要我们重视的是，肠道微生物代谢产物中的LPS 能够活化HSC 中的TLR4 信号通路，不仅使其分泌大量的炎性细胞因子和趋化因子，招募分泌TGF-β 信号的Kupffer 细胞，而且能够下调TGF-β 假受体Bambi 的表达，使HSC对于Kupffer 细胞分泌的TGF-β 更加敏感，从而发生过度活化，加速肝脏纤维化的过程。

最新的一项研究通过对比98 个肝硬化患者和83 个健康人的肠道微生物组成以及丰富度，发现肝硬化患者肠道中微生物菌群的组成和丰富度发生了极大的改变［21］。作者进一步对肠道菌群进行测序和分析，最终确定了肝硬化患者所特有的15 个以肠道共生菌为靶向的生物标志，并可以此为据对肝硬化进行诊断。

肝脏疾病的发展过程由最初的肝脏长期炎症到肝脏纤维化，然后发展为肝硬化进而导致肝癌。肝细胞癌症(HCC)一般被认为是炎症相关的癌症，因为大部分的HCC 病例都有不间断的炎症过程［22］。鉴于肝脏与肠道之间的特殊关联，肠道中的微生物代谢产物包括一些内毒素如LPS 等会随着血液流通从门静脉进入肝脏，打破肝脏的免疫耐受，引发炎症反应。肝硬化以及HCC 患者的血清中有很高水平的内毒素特别是LPS，说明刺激肝脏炎症反应的因素一直存在，导致肝脏由慢性炎症发展为肝脏纤维化甚至肝硬化以及肝癌。因此，来自肠道的内毒素通过引发促炎性反应在HCC 的发病过程中发挥作用［23］。LPS 能够活化肝细胞中的TLR4 信号通路，促进它们的增殖以及肝细胞有丝分裂调节素的表达，同时抑制其凋亡，最终加速HCC 的发展［24］。在DEN 诱导的大鼠肝癌模型中，其肠道菌群的组成发生了明显变化。如果用DSS 诱导肠炎破坏肠道的免疫平衡，或者用青霉素处理破坏肠道共生菌的生态平衡会极大地促进大鼠肝癌的发生［25］。反之，利用抗生素清除肠道菌后，该大鼠模型肝癌发病率则大大降低，即便在肝硬化发生后再给予抗生素清菌，也能够明显抑制肝脏从肝硬化向肝癌的发展。肠道微环境与肝脏疾病发生发展关系见图1。

综上所述，本文分别从不同类型的肝脏疾病，包括代谢相关的肝脏疾病、病毒性肝炎和自身免疫性肝脏疾病的角度，以及从肝脏疾病的后期发展过程，包括肝脏纤维化-肝硬化-肝癌的角度，总结论述了近年来关于肠道微环境与肝脏疾病发生发展之间重要关联与影响的最新研究成果。来自肠道的富含微生物抗原以及代谢产物的回流血通过门静脉进入肝脏，通常情况下，肝脏会产生耐受，保持免疫平衡状态;但是当某些因素打破该平衡后，这些来自肠道的微生物抗原会在肝脏的各类细胞中引发炎性相关的信号通路的激活，导致肝脏中炎症反应的起始以及持续。长期慢性炎症造成的反复损伤-修复以及肠道微生物抗原对于肝脏星形细胞的活化则会使肝脏发生病理性改变发生纤维化。而如果刺激因素一直存在，肝脏纤维化就会继续演变为肝硬化甚至肝癌，最终导致功能丧失，肝脏衰竭。这些研究着眼于肝脏疾病发生发展过程中肠道微环境发生了怎样的变化以及肠道微环境的变化如何影响了肝脏疾病的发生发展这两类问题上。很显然，若能完美地解答这些问题，就能帮助我们深入了解肝脏疾病的发病机制，并且为肝脏疾病诊断方案的改进和治疗手段的完善提供新方向。

图1 肠道微环境与肝脏疾病的发生发展Fig.1 Relationship between intestinal micro-environment and progression of liver diseases

［1］Mehal WZ.The gut-liver axis:a busy two-way street［J］.Hepatology，2012，55(6):1647-1649.

［2］Szabo G，Bala S，Petrasek J，et al.Gut-liver axis and sensing microbes［J］.Dig Dis，2010，28(6):737-744.

［3］Martel C，Esposti DD，Bouchet A，et al.Non-alcoholic steatohepatitis:new insights from OMICS studies［J］.Curr Pharm Biotechnol，2012，13(5):726-735.

［4］Turnbaugh PJ，Ley RE，Mahowald MA，et al.An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest［J］.Nature，2006，444(7122):1027-1031.

［5］Ley RE，Turnbaugh PJ，Klein S，et al.Microbial ecology:human gut microbes associated with obesity［J］.Nature，2006，444(7122):1022-1023.

［6］Le Roy T，Llopis M，Leapage P，et al.Intestinal microbiota determines development of non-alcoholic fatty liver disease in mice［J］.Gut，2013，62(12):1787-1794.

［7］Henao-Mejia J，Elinav E，Jin C，et al.Inflammasome-mediated dysbiosis regulates progression of NAFLD and obesity［J］.Nature，2012，482(7384):179-185.

［8］Sandler NG，Koh C，Rogue A，et al.Host response to translocated microbial products predicts outcomes of patients with HBV or HCV infection［J］.Gastroenterology，2011，141(4):1220-1230，1230 e1-3.

［9］Gut JP，Schmitt S，Bingen A，et al.Probable role of endogenous endotoxins in hepatocytolysis during murine hepatitis caused by frog virus 3［J］.J Infect Dis，1984，149(4):621-629.

［10］McFarlane IG.Autoimmune liver diseases［J］.Scand J Clin Lab Invest Suppl，2001，235:53-60.

［11］Talwalkar JA，Souto E，Jorgensen RA，et al.Natural history of pruritus in primary biliary cirrhosis［J］.Clin Gastroenterol Hepatol，2003，1(4):297-302.

［12］Gershwin ME，Mackay IR，Sturgess A，et al.Identification and specificity of a cDNA encoding the 70 kd mitochondrial antigen recognized in primary biliary cirrhosis［J］.J Immunol，1987，138(10):3525-3531.

［13］Kita H，Matsumura S，He XS，et al.Quantitative and functional analysis of PDC-E2-specific autoreactive cytotoxic T lymphocytes in primary biliary cirrhosis［J］.J Clin Invest，2002，109(9):1231-1240.

［14］Fussey SP，Ali ST，Guest JR，et al.Reactivity of primary biliary cirrhosis sera with Escherichia coli dihydrolipoamide acetyltransferase (E2p):characterization of the main immunogenic region［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1990，87(10):3987-3991.

［15］Wang AP，Migita K，Ito M，et al.Hepatic expression of toll-like receptor 4 in primary biliary cirrhosis［J］.J Autoimmun，2005，25(1):85-91.

［16］Honda Y，Yamagiwa S，Matsuda Y，et al.Altered expression of TLR homolog RP105 on monocytes hypersensitive to LPS in patients with primary biliary cirrhosis［J］.J Hepatol，2007，47(3):404-411.

［17］Chapman R，Aetiology W.natural history of primary sclerosing cholangitis—a decade of progress?［J］.Gut，1991，32(12):1433-1435.

［18］Eksteen B，Grant AJ，Miles A，et al.Hepatic endothelial CCL25 mediates the recruitment of CCR9+gut-homing lymphocytes to the liver in primary sclerosing cholangitis［J］.J Exp Med，2004，200(11):1511-1517.

［19］Eickmeier I，Seidel D，Grün JR，et al.Influence of CD8 T cell priming in liver and gut on the enterohepatic circulation［J］.J Hepatol，2014，60(6):1143-1150.

［20］Seki E，De Minicis S，Osterreicher CH，et al.TLR4 enhances TGF-beta signaling and hepatic fibrosis［J］.Nat Med，2007，13(11):1324-1332.

［21］Qin N，Yang F，Li A，et al.Alterations of the human gut microbiome in liver cirrhosis［J］.Nature，2014，513(7516):59-64.

［22］Grivennikov SI，Greten FRM.Karin，Immunity，inflammation，and cancer［J］.Cell，2010，140(6):883-899.

［23］Yu LX，Yan HX，Liu Q，et al.Endotoxin accumulation prevents carcinogen-induced apoptosis and promotes liver tumorigenesis in rodents［J］.Hepatology，2010，52(4):1322-1333.

［24］Dapito DH，Mencin A，Gwak GY，et al.Promotion of hepatocellular carcinoma by the intestinal microbiota and TLR4［J］.Cancer Cell，2012，21(4):504-516.

［25］Zhang HL，Yu LX，Yang W，et al.Profound impact of gut homeostasis on chemically-induced pro-tumorigenic inflammation and hepatocarcinogenesis in rats［J］.J Hepatol，2012，57 (4):803-812.