肠道菌群和胆汁酸通路在非酒精性脂肪性肝病发病中的作用

孙梦园， 向晓星

1 扬州大学 医学院， 江苏 扬州 225009； 2 扬州大学临床医学院 消化内科， 江苏 扬州 225001

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是除外酒精性肝病、病毒性肝炎、药物性肝损伤等可导致肝脂肪变性的明确病因、经组织病理学或影像学证实肝脂肪过度沉积的一组疾病，包括非酒精性单纯性脂肪肝、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)以及相关肝纤维化、肝硬化和肝细胞癌[1]。NALFD与肥胖、胰岛素抵抗、代谢综合征关系密切，被认为是代谢综合征的相关肝脏病变，国际上已主张更名为代谢相关脂肪性肝病(MAFLD),也有研究[2-3]证明NALFD是促进代谢综合征发生发展的始动因素。NALFD的发病机制较为复杂，除代谢相关因素外，鉴于肠道菌群失调与宿主多种疾病的发展相关，肝脏与肠道在解剖及功能上相互关联，已有多项研究证明肠道菌群可能通过多种途径参与NAFLD的病理发生，包括与胆汁酸代谢的相互作用[4]。胆汁酸不仅可以促进脂质物质的吸收，还可作为信号分子与多种受体结合调节自身合成、葡萄糖与脂质代谢、能量代谢及免疫细胞功能[5]。NALFD患者胆汁酸组成发生变化，并伴有特定菌群改变，提示胆汁酸代谢参与NALFD发生发展[6]。

1 肠道菌群与胆汁酸的相互作用

1.1 肠道菌群调节胆汁酸合成与代谢 肝细胞以胆固醇为原料通过多步复杂的酶促反应生成初级游离胆汁酸(胆酸和鹅脱氧胆酸，在小鼠体内为胆酸和β-鼠胆酸)，主要通过两种途径实现，即经典途径和替代途径，经典途径为人类肝脏合成胆汁酸的主要途径，胆固醇7α羟化酶(cholesterol 7a-hydroxylase，CYP7A1)为其限速酶，CYP7A1的水平和活性可控制胆汁酸池容量[7]。法尼醇X受体(farnesoid X receptor, FXR)主要分布于肝脏及回肠，胆汁酸可作为其内源性配体，鹅脱氧胆酸为FXR的最适配体，回肠FXR接受胆汁酸刺激后可分泌产生成纤维细胞生长因子19/15(fibroblast growth factor 19/15，FGF19/15)，随后经门静脉进入肝脏与成纤维细胞生长因子受体4结合激活细胞外信号调节激酶(ERK1/2)，抑制CYP7A1基因的转录从而减少胆汁酸的生成[5]。肠道细菌可调节回肠FXR活性，常规喂养的小鼠与无菌小鼠相比，其胆汁酸池容量明显减少，研究发现无菌小鼠体内存在较高水平的牛磺-β-鼠胆酸，其可作为FXR的抑制剂参与调控FXR-FGF15途径，且经抗生素处理后的常规喂养小鼠体内牛磺-β-胆酸水平显著升高[7]。

胆酸和鹅脱氧胆酸可分别与甘氨酸或牛磺酸结合生成相应的结合型胆汁酸，然后作为胆汁的重要成分分泌储存至胆囊中，餐后随着胆囊收缩进一步分泌入肠道，大部分结合型胆汁酸在回肠末端通过顶端钠离子依赖性胆汁酸转运体被主动重吸收经门静脉重新入肝，肠道细菌可通过刺激GATA4转录因子抑制顶端钠离子依赖性胆汁酸转运体的表达，从而减少胆汁酸的重吸收[8]。少部分结合型胆汁酸在肠道微生物产生的胆盐水解酶(bile salt hydrolase, BSH)作用下去结合为游离胆汁酸，BSH分布于肠道微生物种群所有主要门和古生菌中，主要为双歧杆菌属(Bifidobacterium)、梭菌属(Clostridium)、乳杆菌属(Lactobacillus)、李斯特菌属(Listeria)和拟杆菌属(Bacteroides)[9]。去结合的胆酸和鹅脱氧胆酸可在结肠细菌7α脱羟化酶作用下分别生成脱氧胆酸和石胆酸，研究发现具有7α脱羟化酶活性的细菌主要是梭菌属和真杆菌属(Eubacterium)，部分肠道菌群还可产生羟基类固醇脱氢酶，其可逆性氧化和差向异构化C3、C7和C12上的羟基，在体内，鹅脱氧胆酸7α羟基可经氧化和差向异构化后生成熊去氧胆酸，差向异构化作用减少了疏水性胆汁酸对肝脏的毒性损害[9-10]。脱氧胆酸和少量石胆酸在结肠部位重吸收，剩余石胆酸直接经粪便排出。

1.2 胆汁酸调节肠道菌群组成 胆汁酸对肠道菌群有双重作用，其可抑制胆汁酸敏感细菌的生长和促进胆汁酸耐受细菌的增殖，表现为特定胆汁酸菌株特异性，现认为革兰阴性菌较革兰阳性菌具有更强的胆汁耐受性。胆汁酸可破坏敏感菌细胞膜的完整性，表现为浓度依赖性[11]。含有两个羟基的胆汁酸较其他胆汁酸具有更强的细胞毒性，且α羟基型胆汁酸较其氧代衍生物和β羟基型差向异构体的杀菌活性更强[12]。胆盐可引起细菌体内氧化性DNA损伤[13]。此外，胆汁酸还可激活受体FXR诱导一氧化氮合酶和抗菌肽基因表达从而产生间接抑菌作用[14]。

胆汁酸可参与胆汁酸耐受细菌的生长过程和增强其生物学功能，牛磺胆酸含有丰富的有机硫，其可促进沃氏嗜胆菌(Bilophilawadsworthia)的大量增殖[15]。胆汁酸可促进沙门氏菌(Salmonella)、单核细胞增生李斯特菌(Listeriamonocytogenes)等致病菌生物膜的形成，从而有助于其抵抗机体防御系统或抗生素的作用，另外胆汁酸也可刺激肠道共生菌乳杆菌和双歧杆菌菌株生物膜的生成[16]。口服牛磺胆酸和甘氨胆酸使得拟杆菌门(Bacteroidetes)丰度下降和厚壁菌门(Firmicutes)丰度升高，其与高脂饮食诱导的肠道菌群的变化具有相似性，高脂饮食可促进胆汁酸释放，以初级结合胆汁酸升高为主，高脂饮食通过诱导特定胆汁酸的生成改变肠道菌群的组成，而耐受细菌对胆汁酸的耐受能力也存在差异，某些细菌(如拟杆菌属)表现为短期或低浓度耐受，长期或高浓度敏感[17]。

2 肠道菌群在NAFLD中的作用

部分研究发现NASH患者小肠细菌过度生长，以革兰阴性菌为主，伴有肠道通透性增加，导致细菌及其代谢产物脂多糖经门静脉进入肝脏，脂多糖通过识别Kupffer细胞、肝星状细胞表面的Toll样受体以及细胞内NOD样受体促进炎症细胞因子的释放，诱导炎症反应、胰岛素抵抗和肝纤维化，NAFLD患者肠道内可产生内源性乙醇的细菌增多，如埃希氏菌属(Escherichia)，内源性乙醇可能通过破坏肠道屏障和促进氧化应激引起肝损伤[18]。 厚壁菌门和变形菌门(Proteobacteria)在NAFLD中的丰度升高，这两种菌门具有代谢胆碱产生三甲胺的作用，随后经肝脏氧化生成氧化三甲胺，引起的胆碱生物利用度降低可减少极低密度脂蛋白的合成和释放，而增加的氧化三甲胺可增加胰岛素抵抗及促进肝脏对外部脂肪酸的摄取[18-19]。NAFLD患者肠道菌群组成改变、多样性降低，大部分研究显示其中拟杆菌门与厚壁菌门的丰度比值降低，目前研究发现NAFLD中埃希菌属、Dysgonomonas和嗜胆菌属(Bilophila)丰度升高，这些肠道条件致病菌调节NAFLD的机制包括增加内毒素血症、产生内源性乙醇、促进炎症反应和胰岛素抵抗等，而普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzii)、Alistipes、双歧杆菌、Akkermansiamuciniphila在NAFLD中的丰度下降，它们通过促进短链脂肪酸的生成或尚未明确的机制维持肠道黏膜的完整性、抑制病原菌的生长和抗炎症反应来改善NAFLD，而普氏菌属(Prevotella)也可促进短链脂肪酸的生成从而增加能量摄入和保护肠上皮屏障，但普氏菌属在成年和儿童NAFLD患者中分别表现出降低和增加风险的作用，考虑年龄可影响其功能变化[20-23]。肠道菌群对多种因素敏感，因此，在今后的研究中需要考虑种族、年龄、服用药物、并发疾病等混杂因素的影响。

3 胆汁酸代谢调节NAFLD的机制

胆汁酸池容量及胆汁酸组成受到催化酶活性、胆汁酸受体、肠肝循环次数及肠道菌群等的影响，在肝脏中，胆汁酸激活FXR诱导小异源二聚体伴侣转录，进一步抑制CYP7A1有效转录因子肝脏同系物1的转录活性，从而引起CYP7A1活性降低，减少胆汁酸合成，另外，小异源二聚体伴侣还可作用于肝细胞核因子4α从而抑制胆酸合成分支酶，即甾醇12α羟化酶的表达[24]。有研究发现，NAFLD患者粪便、血清及肝脏内总胆汁酸水平升高，但也有研究显示NAFLD患者与非NAFLD对照之间的血浆总胆汁酸水平无明显差异，可能与疾病诊断和分期的评估方法不一致有关，部分研究缺乏病理学证据，一致的是随着肝纤维化程度的加重，血清胆汁酸水平逐步升高[25-26]。因此，NAFLD胆汁酸池容量的变化可能与NAFLD严重程度呈正相关。胆汁酸通过激活FXR参与脂质及葡萄糖代谢，在肝脏中，激活FXR可通过诱导过氧化物酶体增殖物激活受体α和肉碱棕榈酰转移酶的表达以促进脂肪酸氧化，促进小异源二聚体伴侣表达可抑制甾醇调节元件结合蛋白1c和脂肪合成关键基因的表达从而抑制脂肪从头合成，抑制炎症反应，此外，FXR还可调节脂蛋白脂肪酶调节剂的表达促进甘油三酯清除，并可能通过促进FGF21的释放调节能量、物质代谢[24,27]。肠道FXR激活促进FGF19释放，FGF19进入肝脏后可减少脂质生成、脂质凋亡和内质网应激，分泌至外周脂肪组织中可增强其生热作用[24]。高血糖和胰岛素抵抗为NAFLD的危险因素，高水平葡萄糖通过激活碳水化合物反应元件结合蛋白上调肝脏中脂肪合成基因的表达，研究发现，FXR诱导产生的FGF15/19可促进肝糖原的生成以及抑制糖异生基因调节因子cAMP反应元件结合蛋白的活性从而抑制糖异生，空腹血糖受损及2型糖尿病患者血浆中FGF19明显下降，证明其在肝脏葡萄糖代谢中具有重要作用[27-28]。鹅脱氧胆酸激活FXR可逆转抗炎症脂肪因子和促炎症因子之间的失衡状态来改善胰岛素敏感性，减少肝脏异常脂肪沉积[29]。G蛋白偶联受体5(G protein-coupled receptor5，TGR-5)为胆汁酸另一受体，其分布于肠道及肠外多种组织，石胆酸具有最强的激活能力。TGR-5可增强脂肪组织的生热作用增加能量代谢，促进肠道内分泌L细胞释放胰高血糖素样肽-1改善胰岛素抵抗以及抑制细菌产物诱导的巨噬细胞激活[5]。

4 肠道菌群与胆汁酸相互作用对NAFLD的影响

研究发现，NASH患者血清脱氧胆酸相对含量明显升高，而鹅脱氧胆酸相对含量明显下降，伴有甘氨酸和牛磺酸代谢细菌丰度增加以及FGF19水平下降，细菌代谢产物脱氧胆酸的增加可能通过抑制肝脏FXR信号加重肝内脂质代谢紊乱[30]。NAFLD患者血清甘氨胆酸和甘氨脱氧胆酸的相对含量增高，且与进展期肝纤维化独立相关，伴随毛螺旋菌科(Lachnospiraceae)的丰度增高，梭菌簇XIVa中的某些菌群属于毛螺旋菌科，其可代谢初级胆汁酸为次级胆汁酸，异常增多的脱氧胆酸可增加肠道通透性及促进炎症因子的释放从而引起肝损伤[31]。血浆总胆酸与总鹅脱氧胆酸的比值在NASH患者中明显升高，且具有较高水平的脱氧胆酸，结合型胆酸水平与肝脂肪变性、小叶炎症、肝纤维化严重程度呈正相关，胆酸激活FXR的能力较鹅脱氧胆酸弱，FXR信号通路表达受到抑制[32]。肠道菌群代谢产物氧化三甲胺可增加高脂饮食小鼠血清牛磺胆酸的水平，其通过抑制肝脏FXR信号促进肝脏脂肪变性[33]。沉默甾醇12α羟化酶使胆酸水平下降，可减少高脂饮食小鼠肠道脂质的吸收以及促进胆固醇的清除分解，从而减少肝脏脂肪从头合成[34]。合生元可降低肝脏中胆酸和脱氧胆酸水平，增加FXR和TGR5最适配体鹅脱氧胆酸和石胆酸水平，增加西方饮食喂养的FXR敲除小鼠胰岛素敏感性，减少肝脏脂肪沉积和炎症反应[35]。肠道特异性FXR激动剂可增加肠道中Acetatifactor和拟杆菌属的丰度，二者可通过水解和脱羟基化反应促进石胆酸的生成，进一步激活TGR5/cAMP信号促进能量代谢及白色脂肪组织棕色化，胰高血糖素样肽-1的释放增加有利于改善肝脏胰岛素敏感性和脂质代谢[36]。

不同肠道菌群所具有的胆盐水解酶和7α脱羟化酶的活性不同，代谢胆汁酸的能力存在差别，且可能对结合胆酸及结合鹅脱氧胆酸的敏感性存在差异，特定菌群丰度的变化引起其敏感胆汁酸转化生成的终产物水平发生改变，最终导致胆汁酸组成失衡，并可能通过抑制FXR和TGR5信号通路、增加肠道通透性促进内毒素血症加重肝脂肪变性和纤维化。因此，需要进一步研究不同菌群酶解活性和对不同胆汁酸的敏感性，以更准确的阐述肠道菌群调节各级胆汁酸作用于NAFLD的机制。

胆汁酸改变同样可影响肠道菌群组成及功能从而参与NAFLD发生发展，胆汁淤积可引起小肠细菌过度生长，予以牛磺胆酸和甘氨胆酸喂食的小鼠嗜胆菌属和变形菌门等机会致病菌的丰度升高，而部分有益菌(如Akkermansiamuciniphila)的丰度降低[17]。牛磺胆酸促进沃氏嗜胆菌生长，沃氏嗜胆菌可加重高脂饮食小鼠葡萄糖代谢紊乱、诱导肠道黏膜及全身炎症反应并损害肠道屏障，肝组织表现为脂肪含量增加[37]。NASH患者肠血管屏障破坏，且早于肝脂肪变性，FXR激动剂可激活WNT/β-catenin信号通路修复损害的肠道屏障从而减少细菌及其毒性产物的移位[38]。

5 小结

NAFLD已成为慢性肝病的主要病因，其发病机制尚未完全阐明，近年来肠道菌群、胆汁酸及二者相互作用对NAFLD的影响受到关注，肠道菌群通过调节胆汁酸组成及其受体功能促进脂质、葡萄糖、能量代谢紊乱和促炎症状态，继发的胆汁酸变化进一步促进机会致病菌的生长及损害肠道屏障引发内毒素血症(图1)，但具体作用机制仍需进一步探讨，靶向肠道菌群及胆汁酸治疗具有潜在的临床价值。

作者贡献声明：孙梦园负责撰写论文；向晓星负责指导撰写文章、修改论文、经费支持。