肠道菌群在门静脉高压发病机制中的作用

张 群， 王宪波

首都医科大学附属北京地坛医院 中西医结合中心， 北京 100015

肝硬化门静脉高压(portal hypertension，PHT)是指由各种原因的肝硬化导致门静脉系统压力升高而引起的一组临床综合征，其基本病理生理特征是门静脉系统血流受阻和(或)血流量增加，从而导致门静脉压力升高，表现为腹水、食管胃静脉曲张、食管胃静脉曲张破裂出血、肝性脑病等，是目前肝硬化最严重的临床问题和死亡原因[1]。由于肝脏和肠道之间紧密的解剖和功能关系，使得肝脏易于受到肠道细菌及其代谢产物的影响。近年来的研究表明，肠道菌群在肝硬化PHT的发生、发展过程中发挥着重要作用[2]。了解肠道菌群在PHT进展过程中的作用机制，有助于从宿主-微生物途径为PHT提供新的靶向治疗策略。

1 肠道菌群

据估计，人体内的微生物共聚合100万亿个细胞，是人类细胞数量的10倍，其中95%以上的共生菌寄居在人体的肠道，含有1000多种不同的细菌菌种，并且人肠道菌群基因数目是人体基因数目的150倍[3]。通过不依赖培养的方法对粪便宏基因组学进行综合分析表明，栖居在人体肠道的微生物中99.9%以上为专性厌氧菌，大多数肠道细菌属于6种门：厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、放线菌门、疣微菌门和梭杆菌门，其中厚壁菌门和拟杆菌门约占序列总数的85%，是肠道菌群中的绝对优势菌[2]。它们彼此之间以及与人体之间存在特定的共生关系，依赖于人体内的营养物质，同时又对人体肠道微生态的稳定发挥重要的作用，主要有：加工难以消化的物质，产生必须的代谢产物；加强胃肠道黏膜的屏障功能，形成所谓的“肠道定植抗力”；塑造体内的适应性免疫，防止病原微生物的定植与入侵[4]。如果这种互利关系被打破进而造成生态失调，则定义为微生物组成和功能丧失，并与疾病表型相关[5]。

2 肠-肝轴

肝脏和肠道在解剖学和生物学功能上既密切相关又紧密相连，构成“肠-肝轴”。一方面肠道菌群可辅助消化吸收，提供维生素K等促进肝脏凝血因子的合成，在促进肠道免疫功能成熟的同时，提高了肝脏Kupffer细胞数量及功能；另一方面肝脏通过分泌型免疫球蛋白A、胆汁酸等维持肠道菌群的生态平衡[5-6]。肠道菌群和肝脏之间的通信发生通过一个复杂的系统包括：肠道屏障、门静脉和内脏动脉循环以及肝窦的细胞和血管成分[2]。

2.1 肠道屏障 肠道微生物和宿主之间通过肠屏障进行物理分离，肠屏障由上皮(黏膜)和内皮(血管)成分组成。肠上皮细胞及其细胞间紧密连接是肠上皮屏障最重要的组成部分，并有保护性黏膜层覆盖，其主要成分是黏液素，可阻止大颗粒物质以及细菌与上皮细胞接触[7]。紧密连接蛋白，主要包括密封蛋白、闭合蛋白、闭锁小带蛋白，可调节细胞旁转运和封闭细胞间的空隙，由于这种复杂的“防火墙”的完整性可防止各种微生物代谢物、结构成分如内毒素和脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)以及各种活菌进入门静脉循环并到达肝脏，保护机体免受食物抗原、微生物及其产生的有害代谢产物的损害，保持机体内环境的稳定。正常条件下，肠道屏障可阻止大多数细菌的移位，只有少量细菌产物通过门静脉循环进入肝脏，一旦到达肝脏，他们就会被免疫细胞清除，尤其是被称为Kupffer细胞的肝巨噬细胞，这对于维系肝脏网状内皮系统处于激活状态有一定的意义[8]。

2.2 门静脉循环与肝窦 作为人体最大的器官，肝脏从门静脉接受约2/3的血液供应，其中约有75%来自于肠系膜静脉，因此肝脏除了接收肠道吸收的营养物质外，还经常受到细菌产物、食物抗原和环境毒素等的刺激[9]。它们大多数是无害的饮食以及共生产物，但是来自胃肠道的病原体或细菌源性因子也可以通过肠肝循环到达肝脏，宿主与微生物之间的双向沟通主要通过门静脉循环、内脏动脉和胆道系统进行[10]。高通透性的肝窦是肝内特殊的毛细血管，其正常的形态及功能对维持肝脏的生理功能具有重要作用，共生微生物的多样性以及上皮和内皮肠屏障的完整性是肝窦稳态的重要保障，独特的肝窦毛细管系统的低压是通过血管调节气体递质和其他生物活性物质维持的，这些物质来自于宿主-微生物代谢的相互作用[2]。

3 肠道菌群与PHT相互作用

随着肝硬化进展为临床显著的PHT，肠道菌群与肝脏之间发生一系列相互作用，一方面PHT与较低的微生物多样性和弱肠屏障有关，使宿主暴露于细菌成分并激活免疫系统，导致促炎反应；此外，破坏的宿主-微生物代谢相互作用改变了胆汁酸信号传导和血管调节性气体递质的释放，进而又加速PHT进展，导致“鸡和蛋”的关系[8]。

3.1 细菌移位 随着肝硬化的进展，PHT时由于紧密连接的松解、较高的胞吞转运以及限制细菌与肠道微绒毛接触的生物中介物质的减少导致患者肠道通透性增加[11]。另外，肝硬化PHT导致患者胃肠道淤血、肠道运动减慢、胃酸分泌减少、初级胆汁酸向次级胆汁酸转换减少等因素，使肠腔需氧菌增多，结肠的细菌移行至空肠和十二指肠，引起小肠细菌过度生长[12]。小肠细菌过度生长及肠道通透性的改变可促进细菌移位的发生，使得大量细菌涌入肝脏[8]，一旦细菌产物到达肝脏，他们通过模式识别受体，如膜结合Toll样受体(TLR)和细胞质核苷酸结合寡聚域样受体来激活免疫细胞并激活免疫反应，以防止肠道细菌移位及感染播散。肠道屏障的这种“渗漏”导致肝脏免疫细胞的激活和促炎细胞因子的释放进而促进组织损伤和肝纤维化的进展，增加门静脉压力，形成恶性循环。另外肝硬化PHT患者肝脏合成能力下降、补体生成不足、补体介导的免疫调节作用减弱，吞噬细胞吞噬和灭活功能降低，引起肝脏“过滤”细菌的功能减弱，以致细菌得以从肠道经门静脉进入体循环[8]。

3.2 胆汁酸代谢 胆汁酸代表了微生物代谢和宿主生理学之间的重要联系。一方面肠道菌群组成和功能的改变与胆汁酸代谢的显著改变有关，并可能影响肝硬化PHT的进展[13]。研究[14]表明，与年龄匹配的健康对照组相比，晚期肝硬化患者中粪便胆汁酸的总量显著减少，初级胆汁酸与次级胆汁酸的比例增加，并且具有较高丰度的肠杆菌科(具有潜在致病性)和较低丰度的毛螺菌科、疣微菌科和布劳特氏菌。另一方面胆汁酸可以通过激活法尼醇X受体(farnesoyl-X-receptor，FXR)和G蛋白偶联受体5(takeda G protein coupled receptor 5，TGR5)来调节肝脏代谢。肠道细菌对结合型胆汁酸的解离可激活FXR，可诱导产生抗菌肽直接发挥抗菌作用，并且在选择肠道微生物群方面发挥关键作用[15]。因此，胆汁酸通过调节宿主细胞抗菌基因的表达直接或间接的抑制细菌增殖[16]，有效防止细菌过度生长，维持上皮细胞的完整性[17]。对无菌和FXR缺陷的小鼠研究[18]表明，肠道微生物群能够调节胆汁酸谱并影响FXR信号。另外，在炎症性肠病和胆汁淤积性肝损伤大鼠模型中，有研究[19]表明，FXR活化可显著抑制炎症反应并保留肠道屏障功能，减少细菌移位。TGR5是另一种主要的胆汁酸传感器受体，由次级胆汁酸优先激活并且在许多细胞的表面表达[20]。Keitel等[21]的研究数据表明，TGR5减少促炎巨噬细胞的反应，抑制核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3激活，并在肝窦内皮细胞中调控内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)活性，TGR5对肝窦内皮细胞中eNOS的调节作用将胆盐与肝脏血流动力学联系起来。

3.3 其他微生物代谢对PHT的影响

破坏的宿主-微生物代谢相互作用不仅改变了胆汁酸信号传导，还影响血管调节性递质的释放和肠上皮细胞功能。

3.3.1 影响气体信号分子 PHT的产生与机体内血管活性物质的代谢紊乱密切相关，主要包括：一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)等[2]。细菌移位包括活菌及其产物，如内毒素及细胞因子等，这些物质均可诱导血管壁诱导型eNOS的表达，使NO持续性产生，导致血管扩张及肝硬化高动力循环状态。碳水化合物和蛋白质发酵也产生气态分子，如NO和H2S，充当气体传递物并影响各种生物功能，如炎症和血管调节[2]。

3.3.2 影响肠上皮功能 肠道上皮功能的维持主要依赖紧密连接，其主要功能是调节营养物质吸收，抑制有害物质进入机体。紧密连接主要由一系列穿膜蛋白构成，如密封蛋白、闭合蛋白、闭锁小带蛋白，而肠道菌群及其代谢产物对紧密连接有直接或间接的调控作用，如IL-17可诱导claudin的表达而降低肠道通透性，IL-10对肠道屏障也有保护作用，短链脂肪酸之一的丁酸可促进紧密连接蛋白的表达进而减少菌群移位[22-23]。LPS是革兰阴性菌菌壁成分之一，其可与CD14、TLR4结合而激活MyD88-TNFα通路，促进炎症、氧化应激等级联反应。脂磷壁酸是革兰阳性菌细胞壁成分之一，同样也是TLR2配体，具有维持肠道屏障完整的作用，其功能缺陷与LPS入血循环增多、胰岛素抵抗的出现密切相关[24]。PHT以及增加的内毒素促使NOS被大量激活，NO合成增加，在扩张血管和缓解PHT的同时也导致组织紧密连接松弛，细胞骨架损伤，从而引起肠黏膜完整性改变，其通透性增加[25]。另外，肠道菌群紊乱，非优势菌群如肠杆菌等大量繁殖并产生内毒素，直接或通过炎症介质及细胞因子的介导，加重炎症浸润及肠黏膜水肿，进一步破坏肠壁完整性[26]。除此之外，肠-肝轴相互作用还涉及许多其他的微生物代谢物，如短链脂肪酸中丙酸和丁酸均是由细菌碳水化合物发酵产生，可以协助维持肠道屏障的完整性[27]。

4 肠道菌群作为PHT的治疗靶点

目前批准的治疗临床显著PHT的药物仅限于非选择性β受体阻滞剂(non-selective beta-blockers，NSBBs)。近年来的研究结果显示，恢复肠道菌群平衡及维持肠道屏障功能对于PHT的治疗具有重要意义，可更好的了解宿主微生物相互作用；日后对PHT的预防和管理的潜在药理战略可能越来越多的集中于涉及肠道微生物的分子机制。

4.1 非选择性β受体阻滞剂(NSBBs) NSBBs被公认是降低PHT的有效药物，Baveno Ⅵ会议指出，长期应用NSBBs治疗后，肝静脉压力梯度(hepatic venous pressure gradient，HVPG)值较基线值下降≥10%或降至≤12 mm Hg[28]。研究[29]证实，其主要是通过阻断β-1肾上腺素受体降低心排血量，通过阻断β-2肾上腺素受体增加内脏血管收缩，减少交感神经张力，降低门静脉压力；但也有研究[30]表明，NSBBs可有效增加肠道转运，减少肠道细菌过度生长，降低肠道通透性，减少细菌移位。Reiberger等[31]研究发现，NSBBs可显著改善肝硬化PHT患者的肠道通透性，并且可减少肠道细菌移位。

4.2 抗生素和益生菌 由于肝硬化PHT与显著的微生态失调有关，因此最初通过使用益生菌或抗生素来操控肠道菌群并监测其对门静脉压力的影响来研究宿主-微生物相互作用在PHT治疗中的作用。益生菌，特别是乳酸菌和双歧杆菌，促进黏膜屏障功能，调节肠道菌群，抑制病原菌生长[32]。一些研究[33-34]探讨了VSL-3的效果，VSL-3是一种口服8种益生菌菌株，联合普萘洛尔时，VSL-3能够显著提高晚期肝硬化患者的HVPG应答(降至低12 mm Hg以下或较基线水平下降≥20%)，并且降低了促炎细胞因子，如INFα的水平。黄晓宇等[35]通过给予肝硬化患者益生菌治疗14 d后，发现益生菌可改善患者的生化指标、降低血氨、提高肠道双歧杆菌数量并可改善肝硬化患者肝功能。

利福昔明，一种具有广谱抗微生物活性的不可吸收的抗生素。研究[36]发现，当其作为单一疗法治疗PHT时是无效的，但有研究[37]表明，当其联合普萘洛尔时可以显著提高HVPG的应答率(56.2% vs 87.5%，P=0.034)，并且联合治疗后细菌移位相关标志物显著降低(P<0.05)。另有研究[38]表明，利福昔明治疗可增加血清脂肪酸代谢产物，改变胆汁酸的组成并促进抗炎状态，改变细菌和代谢物之间的相关网络。然而目前仍需要进一步的研究来探讨利福昔明对微生物的组成和功能的影响。

4.3 益生元 目前，乳果糖被广泛的应用于临床，但是没有研究清楚地表明乳果糖会导致肠道微生物群的组成和功能发生显著的变化[39]。有研究[40-41]提出，乳果糖的作用机制是作为一种泻药，增加粪便的体积，酸化和修改结肠菌群。这种对微生物群的潜在修饰可能导致产生脲酶的细菌被不产生脲酶的乳酸菌取代，从而减少潜在有毒短链脂肪酸(如丙酸、丁酸和戊酸)的形成。临床研究[42]发现，植物乳酸杆菌活菌制剂合用益生元可显著降低肝移植患者术后感染的发生率(13%)。

5 总结

肠道菌群在肝硬化和PHT的发生和发展过程中发挥着重要作用，他们之间相互影响，互为因果。肠道细菌移位到肝脏会增加门静脉压力，另外PHT导致肠道水肿，破坏上皮的完整性进而造成更多的细菌移位，从而激活炎症反应。此外，胆汁酸在肠道屏障和门静脉压力中也发挥着重要作用。临床已证明肠道微生态制剂能够降低内毒素的产生，减少细菌移位，恢复肠黏膜通透性，成为治疗PHT的一种治疗手段，但目前其作用机制尚未完全明确，迫切需要大量的基础实验和临床试验进行更深入的研究。