肝性脑病发病机制的研究进展*

李梦羽 周希乔

南京医科大学第一附属医院消化内科(210029)

肝性脑病(hepatic encephalopathy, HE)是一种由急、慢性肝功能障碍或门体分流异常所引起，基于代谢紊乱的轻、重程度不等的神经精神异常综合征，是各种终末期肝病的常见并发症和死亡原因之一[1]。其临床表现可从性格改变、行为异常到意识障碍、昏迷。根据基础疾病不同，HE可分为三型：A型为急性肝衰竭相关；B型为门体分流相关；C型为肝硬化相关[2]。流行病学研究显示，40%的住院肝硬化患者有轻微HE(MHE)，30%～45%的肝硬化患者和10%～50%的经颈静脉肝内门体分流术(TIPS)术后患者曾发生显性HE(OHE)[3]。HE的发病机制十分复杂，至今尚未完全阐明。目前，经典的氨中毒学说、神经递质改变已被普遍接受，近年提出的炎症反应、肠道菌群、星形胶质细胞早衰、脑血流改变、半通道功能障碍、胆汁酸等学说也日益受到重视。本文就HE发病机制的研究进展进行综述，以期为其临床治疗研究提供新思路。

一、氨中毒学说

氨中毒学说是最早被提出且广为接受的HE的主要发病机制。肠道细菌对蛋白质的分解和肠道细胞对谷氨酰胺的转化是人体内氨的主要来源。正常情况下，肝脏是氨的主要代谢部位，肝功能障碍或存在门体分流时，血氨浓度升高，弥散入脑的氨随之增加。此外，研究[4]发现HE患者的谷氨酰胺酶基因发生突变，启动子区出现重复碱基对，导致基因转录活性增强，因此能比正常人产生更多的氨。

氨中毒学说主要包括以下五方面的内容：①血氨弥散入脑，在星形胶质细胞胞质内谷氨酰胺合成酶(GS)的催化下生成谷氨酰胺，后者作为高渗性物质可使星形胶质细胞发生肿胀，血脑屏障通透性增加，引发脑水肿。星形胶质细胞肿胀和脑水肿是HE的重要特征，与神经功能障碍有关。有研究表明，GS抑制剂蛋氨酸亚砜亚胺(MSO)可降低星形胶质细胞内的谷氨酰胺水平，减轻细胞肿胀和脑水肿[5]。然而，亦有研究显示脑内谷氨酰胺水平本身及其合成速率与HE严重程度和脑水肿无明显相关性，较之合成增加，细胞内谷氨酰胺转出受限可能更能解释其引起的细胞肿胀和脑水肿[6]。谷氨酰胺转运至邻近的谷氨酸能神经受限，导致兴奋性传递减少和神经抑制过度的HE相关表现。②“特洛伊木马”假说为另一氨中毒学说观点。新合成的谷氨酰胺作为氨的载体即“木马”从细胞质进入线粒体，经谷氨酰胺酶分解产生氨，氨继而促进活性氧-氮簇释放，触发氧化/氮化应激反应，导致线粒体通透性改变、功能受损、能量代谢障碍和星形胶质细胞水肿[7]。氧化/氮化应激还可激活MAPK信号通路和转录因子NF-κB，引发一系列下游反应，导致炎症因子表达增加和炎症反应发生[8]。③研究发现氨可引起三羧酸循环障碍即能量代谢障碍，糖酵解增加导致脑内乳酸堆积。Bosoi等[9]的研究表明，脑内乳酸而非谷氨酰胺增加是慢性肝病脑水肿发生的关键因素，乳酸合成抑制剂对HE可能具有潜在治疗价值。④氨能改变胶质纤维酸性蛋白(GFAP)表达，诱导蛋白质发生酪氨酸硝化[10]，从而改变星形胶质细胞的结构和功能，加重脑水肿。⑤氨可引起兴奋性与抑制性神经递质失衡，干扰正常脑活动。

二、神经递质改变

1.γ-氨基丁酸(GABA)假说：GABA通过与GABA/苯二氮卓(BZ)复合受体结合，激活离子通道，引起氯离子内流而产生抑制效应，是脑内主要的抑制性神经递质。HE时血GABA水平升高，内源性BZ增多，中枢BZ受体数量亦明显增加[11]，BZ与其受体结合能增强GABA的抑制效应。神经甾体是脑组织以胆固醇及其前体物质为原料通过一系列反应合成的甾体类激素，其中胆固醇经由活化的转运蛋白(TSPO)进入线粒体内膜为其合成的关键步骤。研究发现HE患者和动物模型中TSPO基因表达上调，从而刺激神经甾体合成，神经甾体对GABA-A 受体复合物具有正向变构调节作用，由此增加GABA的抑制效应[12]。

2.谷氨酸：谷氨酸是神经系统内主要的兴奋性神经递质，其改变与HE患者的神经精神异常有关。作为一种毒性物质，谷氨酸能引起星形胶质细胞水肿和神经元功能障碍。研究发现，急性高氨血症可激活离子型谷氨酸受体N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体，引发一系列下游反应，最终导致兴奋性毒性细胞死亡[13]。在高氨血症动物模型中，NMDA受体拮抗剂可阻止氨诱导的动物死亡，表明NMDA受体过度激活在氨诱导的死亡中发挥重要作用。慢性高氨血症和HE时脑内谷氨酸-一氧化氮(NO)-环磷鸟苷(cGMP)信号通路功能受损，细胞外cGMP水平降低可能是导致认知障碍的原因。予慢性高氨血症或HE模型大鼠连续服用磷酸二酯酶(具有降解cGMP的作用)抑制剂或脑内给予cGMP，可恢复其cGMP 水平和学习能力[14]。

3.假性神经递质：饮食中的芳香族氨基酸经肠道菌群作用转化为酪胺和苯乙胺，肝功能障碍时，肝脏对其清除能力下降，胺进入脑内，经β-羟化酶作用生成β-羟酪胺和β-羟乙醇胺，即假性神经递质。假性神经递质蓄积于突触部位，与正常神经递质多巴胺和去甲肾上腺素竞争干扰神经冲动的传递，导致脑功能障碍[15]。

4.5-羟色胺(5-HT)系统：研究显示HE患者脑内5-HT能神经元的5-HT合成增加。5-HT参与睡眠、生理节律和运动的调节，被认为与HE患者的精神意识障碍和行为异常有关。动物实验发现，5-HT受体拮抗剂可减轻HE模型大鼠的脑组织损伤，降低其死亡率[16]。然而大量研究表明HE患者脑内5-HT含量并无明显变化，可能是由于单胺氧化酶(MAO)活性升高使5-HT代谢增加，抵消了5-HT的合成增加[17]。5-HT系统对HE的作用仍需进一步研究。

5.胆碱能系统：研究发现肝硬化肝昏迷患者和肝衰竭模型大鼠大脑皮质乙酰胆碱酯酶(AChE)活性增强，乙酰胆碱水解增加，且此种变化与脑内氨水平无关；经AChE抑制剂治疗后，模型大鼠的记忆缺陷明显改善，提示胆碱能系统失衡可能与HE有关[18]。

三、炎症反应

有研究发现，部分重症HE患者的病情严重程度与血氨水平并无明显相关性，而是与感染和全身性炎症反应综合征(SIRS)有关，患者促炎细胞因子如白细胞介素-1β(IL-1β)、IL-6、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)水平明显升高[19]。高氨血症可与炎症反应协同作用，诱导HE发生、发展。氨能诱导中性粒细胞功能障碍，释放活性氧，产生氧化应激和炎症反应。在高氨血症大鼠模型中，氨可诱导海马区星形胶质细胞和小胶质细胞活化，释放一氧化氮合酶(NOS)、IL-1β、TNF-α等脑源性炎症因子，引发神经炎症，进而通过改变相应受体表达引起谷氨酸能、GABA能神经递质异常，导致认知功能损害[20]。炎症反应还可破坏血脑屏障，使其通透性增加，氨等毒性物质和炎症因子进入脑内，进一步加重毒性作用。Balzano等[21]进一步提出了高氨血症通过诱导外周炎症引发神经炎症和认知功能损害的假说，并通过对慢性高氨血症大鼠模型的研究证实模型动物外周血前列腺素E2(PGE2)、TNF-α、IL-6等炎症因子水平明显升高，而外周抗TNF-α治疗不仅可减轻外周炎症，还可抑制海马区小胶质细胞活化，但并不改变高氨血症状态，由此提出认知功能损害可通过减轻外周炎症加以预防。

四、肠道菌群

肠道菌群参与HE的发病机制主要是通过菌群比例失调、产氨增多和介导炎症反应两个方面。肝硬化HE患者存在肠道菌群紊乱，有益菌和原住菌丰度相对降低，含尿素酶细菌增多，产氨增加[22]。肠黏膜屏障功能损害致肠道菌群移位，产生内毒素，引发肠道和全身性炎症反应，破坏血脑屏障，导致脑水肿。对随机对照试验的meta分析结果支持予MHE患者益生菌治疗可降低血氨，改善临床症状，防止其向OHE进展[23]。一项针对复发性HE的临床研究[24]证明，粪菌移植可改善此类患者的菌群失调和认知功能。

五、星形胶质细胞早衰

Görg等[25]的研究发现，氨可通过MSO、氧化应激和p38 MAPK依赖性p53激活和细胞周期抑制基因GADD45α、p21转录活性增强抑制星形胶质细胞增殖。经氨处理的大鼠星形胶质细胞和HE患者大脑皮层衰老相关物质β-半乳糖苷酶活性增强，非HE患者则未观察到上述改变。由此可知，氨毒性和HE与星形胶质细胞早衰有关。最新研究[26]发现，肝硬化和HE患者脑组织中血红蛋白加氧酶1(HO1)和O-GlcNAcylation糖基化修饰增强并存在内质网应激，此种糖基化修饰可上调HO1和NADPH氧化酶4(NOX4)表达，触发氧化应激、内质网应激以及星形胶质细胞衰老。由此证明星形胶质细胞早衰是氧化应激的下游事件，进而影响神经递质传导，导致OHE患者认知障碍持续存在。

六、脑血流改变

脑血流灌注对维持正常脑功能至关重要。研究发现HE患者的脑血管自动调节功能发生紊乱，A、C型HE患者常出现脑血流量降低，B型患者则多表现为脑血流量增加[27]。近年研究[28]显示，高氨血症引起的脑微循环调节障碍与腺苷释放增加有关，氨暴露能明显升高健康大鼠脑表面外周小动脉的腺苷水平，引起微循环血管舒张，局部给予腺苷受体拮抗剂可使实验动物的微循环调节恢复正常。上述发现表明腺苷可能是高氨血症引起脑功能障碍的关键介质之一。

七、半通道功能障碍

星形胶质细胞之间存在由连接蛋白形成的广泛的缝隙连接，此类连接蛋白亦作为功能性半通道存在，允许细胞质与细胞外环境之间的物质交换。半通道可作为乳酸盐跨膜转运的通道[29]，星胶质细胞通过其释放乳酸，为临近的神经元提供能量。近年研究[30]表明，HE动物模型血氨升高，引起中枢神经系统半通道功能障碍，星形胶质细胞与神经元之间由半通道介导的乳酸转运受损导致的神经元能量缺失可能是HE潜在的发病机制之一。

八、胆汁酸

近年关于胆汁酸的研究表明，肝功能受损时，循环中胆汁酸水平升高，可通过损伤血管内皮细胞间的紧密连接破坏血脑屏障，导致其通透性增加[31]。胆汁酸经胆汁酸转运蛋白进入脑内，通过结合并激活胞膜和胞核上的受体参与细胞内信号转导，也可与神经传递受体相互作用，参与神经传递系统损害，可能与HE的认知和运动功能障碍有关[32]。胆汁酸可激活核受体法尼酯X受体(FXR)并上调其靶基因表达，研究[33]发现以消胆胺降低急性肝衰竭模型小鼠的血清胆汁酸水平或阻断FXR信号可使其HE相关神经功能障碍减轻，提示HE的发生与胆汁酸-FXR信号通路的下游事件有关。进一步的研究[34]发现，胆汁酸-FXR信号通路可通过调节细胞色素P450 46A1(Cyp46A1)介导的胆固醇清除途径改变胆固醇稳态，Cyp46A1表达下调致脑内胆固醇蓄积，抑制FXR信号通路则可防止上述改变发生，动物模型的认知缺陷和神经肌肉功能障碍因此得到改善，提示胆汁酸介导的脑内胆固醇蓄积可能参与了HE的发生。

九、其他

有研究[35]发现HE患者的血锰水平明显升高，并与病情严重程度和复发相关。锰的神经毒性机制主要包括：沉积于并损伤苍白球，导致认知功能障碍；对基底神经节多巴胺能神经元具有毒性作用，可引发震颤、强直、运动障碍等锥体外系症状；锰蓄积于线粒体内被氧化成高价态，产生大量自由基，损伤溶酶体和线粒体膜，导致溶酶体酶逸出、细胞死亡和线粒体能量代谢障碍，诱导神经细胞凋亡。

肝硬化患者常因水潴留出现低钠血症，后者可致有机渗透剂肌醇减少，使渗透调节机制受损，从而加重星形胶质细胞肿胀和脑水肿。研究[36]显示，在可测量范围内，血清钠每降低1 mmol/L，肝硬化患者的HE发生风险增加8%。

幽门螺杆菌(Hp)含有尿素酶，能分解尿素产生氨，导致血氨升高。一些研究者提出Hp感染与HE有关，然而其相关性有待进一步研究[37]。

与健康人相比，肝硬化患者常存在镁缺乏。最近一项随机对照试验显示，镁缺乏(细胞内镁和血镁水平降低)与代偿性肝硬化患者的认知功能障碍之间存在联系，提示了镁在HE发生中的可能作用[38]。

十、结语

综上所述，氨中毒学说在HE的发病机制中仍处于中心地位，炎症反应、星形胶质细胞早衰、半通道功能障碍、胆汁酸等诸多因素同样参与了HE的发病，可能为HE的治疗提供新的靶点。Hp感染、电解质紊乱等亦被认为在HE中发挥一定作用。HE的发生是多种因素相互影响、相互促进的结果，对其发病机制的深入研究有助于更好地认识和治疗HE，使患者获益。