肠道菌群在肝性脑病中的作用机制

姬晓彤， 贺韵涵， 戚莹媛， 杨晓航

陕西中医药大学医学技术学院， 陕西 咸阳 712046

1 肝性脑病(hepatic encepathalopathy, HE)

HE是由肝功能不全和(或)门静脉系统分流引起的脑功能障碍，存在从亚临床改变到昏迷等不同程度的神经精神改变[1]。HE的病理生理机制主要取决于其并发症，如炎症、氧化应激、血脑屏障通透性受损、神经毒素以及脑能量代谢等多方面的因素。近年来研究[2]发现肠道菌群组成与HE患者的中枢神经系统改变有关，包括小肠细菌过度生长、肠道菌群结构与功能的改变，病理性菌群移位等，这与肝硬化患者肠道菌群、血脑屏障和肝脏免疫之间的微生态平衡被打破有密切联系[3]。

2 肠道微生物及其作用

人类肠道中微生物总量多达100万亿甚至更多，早在幼儿时期就已经稳定了,这主要取决于饮食模式,如西方以高动物脂肪和糖类饮食为主,东方以植物蔬菜饮食为主[4]。 研究[5]表明,短期食用完全由动植物产品组成的饮食可改变微生物群落结构；Graf等[6]也证明了纯素食者拟杆菌、双歧杆菌、大肠杆菌和肠杆菌科细菌总数明显低于对照组。

肠道微生物在机体中发挥至关重要的作用,他们可以通过调节内皮组织中紧密连接蛋白的表达来影响血脑屏障的通透性，肠道屏障的改变在肝损伤的发病机制和进展中起着重要作用。在门静脉结扎模型中，肠道菌群定植的小鼠与无菌小鼠相比，门静脉压力明显升高[7]；另一方面，有研究[8]也证明，小鼠原发性肝硬化性胆管炎模型中，肠道微生物群的缺失加剧了肝胆疾病，也加剧了胆管细胞的衰老。

3 肠道菌群-肝-脑轴

肠道和肝脏在解剖学和生理学上以膈相连，身体75%的血液经门静脉进入体循环，营养物质及细菌化合物通过门静脉循环到达肝脏，肝脏免疫系统必须对无害菌保持耐受的同时激活致病菌，防止它们进入体循环。因此，肠腔内容物、门静脉血和肝脏之间的主要界限就是肠道屏障，肠道屏障被破坏,使大量细菌代谢产物甚至是肠道微生物本身转移到肝脏，如氨、神经递质、短链脂肪酸、胆汁酸等参与胆碱代谢,将其转化为二甲基胺、三甲胺、二甲基甘氨酸等,经肝脏转化为三甲氧化胺从而引起肝损害[9-10]。与此同时，大脑胶质细胞受到炎症刺激进一步释放促炎因子，其中TNFα、IL-1损伤脑血管内皮细胞而破坏血脑屏障，与肠道来源的氨协同作用加重神经炎症和脑组织水肿，影响大脑功能[11]。 因此，肠道菌群、肝脏、神经系统和免疫系统必须建立复杂的相互作用系统来维持体内平衡,即肠道菌群-肝-脑轴[12]。

4 肠道菌群-肝-脑轴通过神经系统调控HE

4.1 神经递质的改变 随着研究的深入，肠道微生物在神经发育中的重要性成为关注的焦点,而肠道菌群-肝-脑轴的主要特征是其双向性[13-14]。 Lyte 等[15]通过改变Schaedler小鼠(ASF)肠道菌群种类,对肠道微生物进行研究，结果显示，仅定值了8种细菌的ASF小鼠与传统小鼠相比,ASF小鼠出现了明显的焦虑行为,且5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)水平明显降低,表现出更多的“冒险行为”和学习记忆方面的缺陷，当无菌小鼠体内移植了正常的菌群后,血清和结肠中的5-HT、促肾上腺皮质激素和皮质酮水平明显上升，这说明了控制微生物与肠道之间的大脑沟通能影响行为活动。

有研究者[16]通过将微生物群与大脑MRI结合起来对187例受试者(40例对照组,147例肝硬化患者)进行全身炎症评估、认知测试、粪便微生物和脑MRI分析,以此了解HE患者肠道菌群-肝-脑轴受损的情况,研究发现MRI谱显示谷氨酸/谷氨酰胺增加，肌醇和胆碱的减少与星型细胞的改变有关。星形胶质细胞是脑中完成血氨代谢的唯一细胞，慢性肝病时,脑组织中过多的氨在星形胶质细胞转化成谷氨酸和谷氨酰胺,谷氨酰胺堆积导致星形胶质细胞内渗透压增加,引起星形胶质细胞肿胀,出现低度脑水肿，而谷氨酸兴奋性神经递质,可引起烦躁、癫痫发作甚至昏迷等HE 的临床表现。

同时，肝硬化患者肠道微生物的产氨量与γ-氨基丁酸合成量增加呈正相关，且肠道微生物产生的神经递质如吲哚、谷氨酰胺和5-HT等被认为与HE的发病有密切联系[17-18]。由此可见，微生物群对个体的影响可能是通过影响神经递质及不同的细胞类型,在最终的发病机制中介导与肝相关的认知功能障碍。

4.2 胆汁酸 胆汁酸是肠道屏障的重要组成部分，在调节膳食脂肪吸收的同时对肠道菌群的选择也起着关键作用[19]。Weiss等[20]在HE患者的脑脊液中发现了高浓度的胆汁酸，研究表明，在胆管结扎模型中[21]，循环胆汁酸显著增加，血脑屏障完整性显著降低，根据这些研究可以得出，血清胆汁酸不仅仅是胆道疾病的特征，在肝衰竭和非酒精性脂肪肝等疾病的病程发展中，胆汁酸也起了一定作用[22]，因此，胆汁酸在HE发展中的机制也需进一步明确。

5 肠道菌群-肝-脑轴通过免疫系统调控HE

免疫系统是调节细菌、胃肠道和中枢神经系统之间的关键环节[23]。微生物菌群失调，肠道屏障被破坏，导致肠道通透性增加、细菌移位，细菌产物通过门静脉到达肝脏被特异性识别受体识别，激活免疫系统，从而诱发炎症反应[24]。

5.1 脂多糖(LPS)的作用 细菌产物是由免疫系统通过识别病原体相关模式分子来识别的。LPS是研究最多的一种内毒素，主要存在于革兰阴性菌的外膜中。肝硬化患者的革兰阴性菌增加，可能与LPS- Toll样受体(TLR)4轴相关机制有关。研究[25]发现LPS诱导的TLR4信号持续促进肝硬化的发生，TLR4通过共受体CD14和MD-2激活先天免疫对LPS产生应答从而导致肝纤维化的形成。此外,有研究[26]也指出在CCL4诱导的肝硬化小鼠中,LPS-TLR4途径通过肝细胞生长因子增加肝细胞增殖和抗凋亡信号促进肝癌的发生。CD14是先天性免疫受体TLR4的辅助因子,也是LPS的一种配体,它与激活的LPS-TLR4信号在脂肪肝中上调有关。由此可见，长期暴露于低浓度的LPS可能会导致肝损伤，调节LPS-TLR4轴是否会改善HE患者病情仍需深入探索。

5.2 巨噬细胞的作用 肝巨噬细胞起着“清道夫”和吞噬的作用,消灭门静脉中的病原体、细菌和真菌。小胶质细胞是中枢神经系统的固有巨噬细胞群，在机体受到损伤或微生物感染时，除了在中枢神经系统中扮演吞噬细胞的角色外，还参与正常突触功能的发育和维持。在突触可塑性的小鼠研究[27]中，小胶质细胞通过补体级联的信号通路与神经元和突触相互作用，其中一个信号通路为神经元趋化因子CX3CL1以及其受体CX3CR1，而CX3CR1仅在小胶质细胞中表达，研究发现，敲除CX3CR1的小鼠表现出小胶质细胞吞噬功能下降，并在突触连接方面存在缺陷。这提示了细胞因子不仅在中枢神经系统中对周围免疫刺激产生应答，而且在神经回路的形成和发育中起着重要的可塑性作用。

犬尿酸是色氨酸的代谢产物之一，通常与精神分裂症及抑郁症的发生有密切联系。在啮齿动物的研究[27-28]中发现，脑中犬尿酸神经毒性代谢产物是通过犬尿酸氧化酶产生，而这种酶主要存在于胶质细胞中，犬尿酸浓度的增加会导致谷氨酸能和胆碱能的改变，并间接导致多巴胺能信号的改变，从而产生狂躁、认知障碍等精神症状。

5.3 淋巴细胞的作用 免疫细胞的转运和再循环需要严格控制淋巴器官的血液供应，而局部产生的细胞因子和交感神经纤维的相互作用有助于这种控制，换言之，体内免疫细胞功能的驱动很可能是由于细胞因子引起的淋巴器官血液供应的改变，特别是当淋巴器官没有血液循环时，如脾脏。这一观点需要重新审视交感神经末梢在控制免疫细胞运输、循环和归巢中的重要性[27]。

在感染、严重创伤及大量抗生素使用的情况下，肠道黏膜屏障遭到破坏，细菌及内毒素移位破坏黏膜免疫系统，导致炎症的产生。而小肠上皮淋巴细胞在此过程起重要作用。罗霞等[29]通过给小鼠服用头孢曲松钠导致肠道菌群失调的实验证明：肠道微生物屏障破坏导致肠道上皮淋巴细胞活化增加，释放炎症因子，其中以IL-2、IL-6、IFNγ最为显著。虽然，淋巴细胞在调节菌群稳态方面发挥巨大作用，但是，神经支配通过调节淋巴器官供血来调节免疫细胞功能的可能性有待进一步研究。

中枢神经系统的炎症有着复杂的机制，除了小胶质细胞、星形胶质细胞外，其他细胞也参与了HE的神经炎症反应，这不仅涉及到神经免疫的调控机制，神经内分泌以及激素的代谢也发挥着重要作用。但是，在神经精神疾病的背景下，免疫系统和大脑之间的确切沟通机制尚未完全阐明，这可能是HE病情进展的重要机制之一。

6 菌群移植治疗HE的前景

利福昔明是治疗HE的常用抗生素，但其副作用尚未明确；益生元、合生元、益生菌(以乳酸菌和双歧杆菌为主)等微生态制剂已广泛运用于临床，并取得了相应疗效，但其类型及作用机制还需进一步阐明。

目前，肠道菌群已被当做一种“特殊的器官”用于临床研究,菌群移植更是被作为一种新型的微生物靶向治疗方式，在改善HE方面有巨大潜力[30]。早在公元四世纪,就有报道指出健康人或者儿童的粪便可以治疗人类的某些疾病,随着研究的深入,菌群移植作为治疗人类疾病的一种新选择重新浮出水面。2015年印度肝胆科学研究所已经修订了粪苗移植协议[31]，目前尚不清楚何种给药途径在相应疾病的发展中发挥作用，但研究[32]发现直肠途径对艰难梭菌引起的腹泻、克罗恩病和溃疡性结肠炎患者有明显改善。也有研究[33]证明,菌群移植可以改善轻度HE的认知功能。在一项严重酒精肝患者接受菌群移植的实验中,Philips等[34]证明,与对照组相比,接受菌群移植治疗的患者生存率有所提高,且菌群移植治疗1年后,变形菌减少,放线菌增加,供体和受体在菌群移植治疗后的6～12个月共存。因此，菌群的选择、储存方式及给药途径是治疗神经系统相关疾病亟待解决的问题。

7 小结

综上所述，肠道菌群及其代谢产物在菌群-肝-脑轴对HE的调控中发挥了重要作用，菌群失调，肠道屏障被破坏，体循环在传送营养物质的同时也将有害物质(二甲基胺、三甲胺、二甲基甘氨酸等)输送至体内，导致免疫系统被激活，炎症信号通过不同的机制到达大脑，包括迷走神经传入通路的激活、血液中直接细胞因子和LPS信号，引起烦躁、癫狂、昏迷等一系列神经精神症状。因此,深入研究肠道菌群的作用机制对HE及神经系统类疾病的治疗非常有必要。