肠道菌群在原发性硬化性胆管炎发病机制中相关研究进展

2020-01-09李开锋杨均兴

中国实验诊断学 2020年5期

李开锋，杨均兴，戴东

(广东医科大学附属医院，广东湛江524001)

原发性硬化性胆管炎(PSC)是一种以特发性肝内外胆管炎症和纤维化导致多灶性胆管狭窄为特征、慢性胆汁淤积病变为主要临床表现的自身免疫性肝病，其病因不明，目前被认为是人类遗传因素与环境因素相互作用的结果，充满着复杂性，预后差异也比较大[1]。近70-80%PSC患者患有炎症性肠病(IBD)，通常是溃疡性结肠炎(UC)[2]。与普通人群相比，PSC发生恶性肿瘤(胆管癌，胆囊癌，肝细胞癌和结直肠癌)风险显著增加，有近50%PSC患者的死亡是由癌症引起的[3]。尽管熊去氧胆酸在PSC中被广泛使用，但依然没有什么治疗能够持续减缓疾病的进展[4]。最终，PSC仍然是许多国家肝移植的重要指征。PSC与IBD之间的密切联系表明肠道菌群可能在疾病发病过程中发挥关键作用，同时也引发了关于 PSC的发病机理的探究(例如，肠道粘膜损伤后导致细菌和细菌产物渗入门脉循环以及肠内活化的淋巴细胞归巢至肝脏)[5]等。本文就肠道菌群在PSC发病机制中最新研究进展进行综述。

1 肠道菌群及其功能

肠道菌群，也称为肠道微生物，是生活在人类消化道中的微生物，人体肠道内有1000多种约 100 万亿细菌，其在机体中的数量超过人体自身细胞的10倍以上，DNA容量更是人类基因组的100多倍[6]。自2007年美国国立卫生研究院人类微生物组计划和欧盟人体肠道宏基因组计划启动以来，被誉为人类的"第二基因组"的肠道菌群倍受人们关注，然而超过70%的肠道微生物却无法用传统方法分离和培养，这极大地限制了科学家对微生物的了解，宏基因组测序技术的出现让研究人员能够研究肠道内的“微生物暗物质”[7]；人源化小鼠模型的构建则使科学家能更好地模拟体内肠环境，进而揭示复杂的生态机制[8]。随着人们认识的进一步深入，肠道菌群与我们之间的共生关系远远超出想象，目前认为胃肠道中特定的微生物群对健康或者疾病有着重要影响，包括新陈代谢、免疫系统、神经系统、心血管系统以及癌症风险等。相反，当宿主体内的微生物群种类和结构遭到破坏，紊乱的微生物系统易引发糖尿病、肥胖、自身免疫性肝病、IBD[9]、肠易激综合征、痛风，抑郁症、关节炎甚至是衰老等。

人类肠道菌群的基本特征是不同个体之间存在的细菌分布差异较大，而菌群功能则非常相似[10]。疾病中整个元基因组(即存在的所有细菌基因)的确定，可以为肠道菌群改变的功能后果提供线索。迄今为止，只有极少数的研究在针对疾病的研究中应用了大规模的完整宏基因组学[11]，而在PSC中则没有，因为它们昂贵且计算量大。不少研究提出肠道菌群对人类代谢组的影响是肠道健康影响的主要途径。Wang等关于三甲胺-N-氧化物(TMAO)在心血管疾病中的研究则很好地证明了这一点[12]。

Goodrich等研究表明，肠道菌群部分是可遗传的[13]。从对诸如PSC之类的炎性疾病的遗传学研究中扩展出来，人们越来越有兴趣研究疾病易感性基因是否会影响微生物群。但是，使用独特的健康个体作为PSC中最强的遗传危险因素的纯合子，即HLA-B*08：01-DRB1*03:01单倍型，只能观察到与肠道菌群组成非常适度的关联，这表明效果很小或单倍型不会通过肠道增加疾病易感性[14]。相反，在IBD中，基于参与细菌处理的易感性基因的遗传风险评分与健康个体的肠道菌群特征相关[15]，表明IBD风险基因影响肠道微生物组成。

2 原发性硬化性胆管炎中肠道菌群变化及可能致病机制

发现PSC的病因机制是当下我们在肝病学研究中面临的主要挑战之一。在过去的几十年中，宿主-微生物相互作用研究在生物医学研究中的比例不断增加，这主要是由于人们希望更好地了解与微生物相关的人类疾病。在众多的医学疾病中，如胃肠道疾病，尤其是IBD，已在实验小鼠模型或临床研究中进行了广泛的研究，证明了其病程受肠道菌群的影响[16]。 Karlsen等指出UC发生在多达80%的PSC(PSC-IBD)患者中，但其临床表现与通过全基因组关联研究确定的遗传多态性之间的临床表现有明显差别[17]。有多项队列研究[18-20]发现，与UC和健康对照相比，PSC患者的肠道微生物谱有显著差异。在研究之间鉴定出的微生物类群差异也并不一致。这使得在PSC中探索特定的微生物介导的疾病机制具有挑战性。 Rühlemann等人提出了该领域迄今为止最大的研究，该研究由来自挪威和德国的388个人(137个人为PSC)组成[21]。他们证实，尽管UC队列中的粪便钙卫蛋白水平中位数较高，但PSC患者的肠道(粪便)微生物谱与UC和健康对照组不同，并且与药物治疗或结肠炎无关。同时他们也发现PSC和PSC-IBD之间的肠道微生物群没有差异，这表明在PSC中发现的这种营养不良与结肠炎无关。通过荟萃分析，他们确定了PSC中肠道菌群种类的已知差异和新颖差异，这可能具有潜在的病理生理学意义。此外，他们发现与对照组相比，PSC中表达韦荣球菌属的胺氧化酶和表达乳杆菌的胆汁盐水解酶的富集程度高于对照组，这提示拟议的PSC异常肠道-肝淋巴细胞运输和胆汁酸途径失调的疾病机制值得详细考虑。

Nakamoto等通过构建Mdr-/-2小鼠模型(一种原发性硬化性胆管炎的小鼠模型，其特征在于营养不良，肠屏障功能障碍和肝损害)，同时利用FMT、16SrRNA测序等技术，发现了肠道菌群在PSC-UC疾病发病机制中的作用，其中肺炎克雷伯菌直接破坏肠道上皮屏障，在肝脏和肠系膜淋巴结中启动T辅助17细胞(Th17)反应，导致细菌易位和肝炎性反应。同时也表明了抗生素治疗可改善由PSC衍生的菌群诱导的Th17免疫应答。这些结果突出了病原菌在肠屏障功能障碍和肝脏炎症中的作用，为PSC的潜在治疗策略提供了见识[8]。但是，这项研究还需要通过进一步分析肠腔和粘膜菌群，并对确定的关键病原体进行进一步的机制研究，并在更大的PSC-UC样本中证实这些结果。Liao等使用Mdr-/-2小鼠模型研究了肠道菌群在PSC发育中的功能，表明与Mdr2相关的胆汁淤积会引发肠道营养不良。反过来，内毒素易位到门静脉和随后的NLRP3炎性小体活化将会导致更严重的肝损伤[22]。早前Fickert等对硬化性胆管炎的胆管损伤的机制的探索研究表明，多药抗性蛋白2(Mdr2)的基因缺失会导致宿主缺乏磷脂酰胆碱，从而增加了胆汁中游离胆汁酸的浓度，最终导致胆管炎的发生[23]。鉴于胆汁酸代谢和肠道菌群之间的相互作用已确定会对免疫系统产生影响[24]，Wahlström等推测，与Mdr-/-2小鼠病理性胆汁成分有关的营养不良可能在疾病发展中起因果作用。这项工作为揭示PSC在人类和动物模型中宿主-微生物群的相互作用奠定了坚实的基础，也为了解PSC的发病机理开辟新的视角。