肠道微生物及其代谢产物与肝病的研究进展

朱宏伟，肖鹏翔，刘其雨

(1.昆明医科大学附属甘美医院普外科，昆明 650000； 2.昆明市第一人民医院普外科，昆明 650000)

据世界卫生组织第三轮全球健康评估统计显示，全球每年约有200万人死于肝病[1]。我国作为肝病大国，每年约有50万人因终末期肝病而死亡[2]，肝病严重威胁人类生命健康。既往由于菌群培养和检测技术落后，肠道微生物相关的研究进展缓慢，近年来随着16SrRNA测序技术[3]、宏基因组学[4]、代谢组学等[5]微生物检测技术的快速发展及其在肝病研究中的广泛应用，肠道微生物与肝病的关系逐渐明确。正常情况下，肠道微生物与肝脏间处于一种相对稳定的状态，肝脏与肠道微生物通过“肠肝轴”在机体免疫应答、营养物质代谢、有害物质分解、胆红素肠肝循环以及必需维生素和微量元素的合成中发挥重要作用[6]。肠道微生物及其代谢产物种类、数量或代谢活性发生改变可影响肝脏的正常生理功能，导致一系列肝病的发生[7]。肠道微生物主要通过其自身成分的作用以及其代谢产物对机体的调控，导致肝病的发生并影响肝病的进展[8]。现就肠道微生物及其代谢产物与肝病的研究进展予以综述。

1 肠道微生物及其代谢产物

人体肠道内的微生物总数接近1013～1014菌落形成单位，重1～1.5 kg，其种类超过1 000种，人体肠道内微生物的数量是人类生殖细胞和体细胞的10倍[9]。肠道微生物菌群编码约330万个基因，是人类基因总数的100～150倍[10]，因此也被称为人类“第二指纹”或“第二基因组”[11]。数以万亿的肠道微生物构成了机体肠道内复杂的生态系统，对机体的健康起重要作用。肠道内的正常菌群定植在肠黏膜表面和肠腔内，与宿主之间相互作用达到平衡，形成一道维护机体健康的生物屏障，该生物屏障一方面通过肠道内优势菌种的定植抗力作用竞争营养物质或阻止致病菌吸附、定植，进而抑制致病菌或机会致病菌的生长，防止或减少细菌移位，发挥占位性保护的作用[12]；另一方面，肠道内的益生菌在生长代谢过程中产生大量酸性物质，导致肠道内局部pH值降低，从而抑制其他潜在致病菌的生长；同时，肠道内的益生菌还可抑制并分解致病菌产生的毒素或刺激机体产生抗体和干扰素，增强局部和全身的免疫力[13]，维持肠道内的微生态平衡。当生物屏障被破坏时，肠道内的益生菌数量减少，导致致病菌和机会致病菌不断繁殖，并通过改变肠道的渗透性，造成肠道菌群异位至肠道外其他组织和器官，导致肝脏病变和全身感染[14]。肠道微生物还可参与机体内营养物质的消化以及物质代谢的调节，同时产生短链脂肪酸、长链脂肪酸、乙醇、胆碱、色氨酸代谢产物、胆汁酸等代谢产物，这些代谢产物与机体作用形成肠道菌群——宿主共代谢产物，肠道微生物代谢产物在肝病的发生、发展过程中具有重要作用；同时，伴随发酵产生的酚类、胺类、氨类、内毒素等有害物质也被吸收入肝，加重肝脏解毒负荷，当这些有害物质达到一定水平时即可对肝脏功能造成损害[15]。

2 肠道微生物自身成分在肝病发生过程中的作用

微生物病原相关分子模式是细菌与其他微生物共有的组成部分，主要包括：①细菌的胞核成分；②脂多糖、肽聚糖、鞭毛素、脂蛋白等细菌胞壁成分；③单、双链RNA等病毒产物。微生物病原相关分子模式的分子结构恒定且进化保守，是微生物生存或致病性所必需，但不会由人体宿主产生。病原相关分子模式可与免疫细胞上的病原体识别受体结合，产生炎症反应或直接引起肝细胞死亡。脂多糖是由肠道革兰阴性菌产生的一种炎症信号，脂多糖水平可随着肠道渗透性的增加和细菌的过度生长而升高，脂多糖与CD14、Toll样受体4及脂溶性糖结合蛋白结合，可激活库普弗细胞和肝前体细胞、肝细胞、胆管细胞中的Toll样受体4[16-17]，触发信号转导级联反应，导致大量炎症细胞因子释放，进而导致酒精性肝病中炎症的产生[18]。研究发现，由酒精依赖受试者肠腔转运至门静脉、体循环的细菌衍生产物脂多糖和肽聚糖水平升高，同时血液中的肿瘤坏死因子、白细胞介素-1β、白细胞介素-6、白细胞介素-8、白细胞介素-10和C反应蛋白水平也均升高[19]。

3 肠道微生物代谢产物在肝病发生过程中的作用

3.1短链脂肪酸 短链脂肪酸是饮食中不易消化的碳水化合物、氨基酸或肽等物质在肠道微生物的作用下发酵产生的细菌代谢产物。短链脂肪酸一方面作为宿主的重要能源营养肠壁细胞，另一方面通过结合机体组织内的G蛋白偶联受体调节机体能量消耗[20]。研究发现，肠道微生物所致的短链脂肪酸合成异常与脂肪肝代谢异常有关[21]。此外，短链脂肪酸还可保护肠黏膜屏障，维持肠道的正常功能，同时抑制炎症反应、调控肠上皮细胞的生长[22-23]。乙酸、丙酸和丁酸是短链脂肪酸中最主要的3种类型[24]。乙酸盐是乙醇代谢的产物，动物实验发现，长期乙醇喂养的酒精性肝病大鼠肠腔内乙酸盐水平显著升高[25]。丙酸作为一种重要的调节因子，可影响肠黏膜细胞的增殖和功能，在预防全身性自身免疫反应中发挥作用。丁酸不仅可诱导肠黏蛋白的合成增加、巩固紧密连接、降低肠道屏障的通透性、减少穿过肠道上皮的细菌数量[26]，还可通过促进外周调节性T细胞的胸腺外分化，抑制促炎细胞因子和核因子κB的转录，发挥抗炎作用[24]。研究发现，长期摄入酒精可导致酒精性肝病患者胃肠道中的丁酸盐和丙酸盐水平降低[27]，表明胃肠道内丙酸盐和丁酸盐水平与酒精性肝病的形成有关。另有研究表明，甘油三丁酸酯可防止乙醇诱导破坏小鼠肠道的紧密连接，还可修复肠道绒毛，从而抑制肠道内有害细菌的生长[28]。

3.2饱和长链脂肪酸 饱和长链脂肪酸中的十五烷酸和十七烷酸是在肠道微生物菌群的作用下产生的[29]。长期乙醇灌胃小鼠的肠道内十五烷酸和十七烷酸水平显著降低，表明乙醇可抑制产饱和长链脂肪酸细菌的生长，导致相应饱和长链脂肪酸水平降低；通过代谢组学方法研究发现，乳酸杆菌在体内可代谢饱和长链脂肪酸，肠道饱和长链脂肪酸合成减少的同时也伴随着乳酸杆菌数量的减少，而膳食补充饱和长链脂肪酸可预防乙醇喂养小鼠的生态失调[30]。益生菌鼠李糖乳杆菌GG补充剂可恢复受抑制小鼠肠道内长链脂肪酸的水平，表明乳酸杆菌具有代谢饱和长链脂肪酸、促进肠腔中合成长链脂肪酸微生物恢复的双重作用[31]。由此可见，饱和长链脂肪酸对酒精性肝损伤具有保护作用，其缺失可导致酒精性肝病的发生。因此，恢复饱和长链脂肪酸水平可作为酒精性肝病的靶向治疗方法。

3.3乙醇与乙醛 目前，酒精致肝病发生的机制主要包括酒精代谢假说和免疫反应假说[32]。部分需氧菌可产生乙醇脱氢酶，促进内、外源性乙醇代谢，导致门静脉血中和肠腔内的乙醛水平升高，从而破坏肠黏膜屏障功能，加重肝脏损伤。有研究显示，乙醇与乙醛等可通过一氧化氮介导的氧化应激直接损伤肠黏膜上皮细胞，破坏肠道机械屏障中的肠上皮细胞层[33]。同时，细胞培养研究发现，乙醇和乙醛也可通过抑制肠道紧密连接蛋白的表达，破坏上皮紧密连接分子的完整性，改变肠道超微结构，破坏肠机械屏障中的紧密连接层[34]。此外，乙醇及其代谢产物还可破坏机械屏障的黏液层以及化学屏障和免疫屏障。研究表明，长期酗酒可导致人肠上皮再生胰岛素衍生物-3凝集素水平降低，且乙醇摄入小鼠肠壁细胞的黏蛋白2表达减少[12]。此外，与普通饲料喂养的分泌性免疫球蛋白A基因敲除小鼠相比，长期乙醇喂养的小鼠血浆分泌性免疫球蛋白A水平升高，但肠道中的分泌性免疫球蛋白A水平降低，同时乙醇喂养小鼠肠道内的细菌转移较普通饲料喂养的小鼠增强[35]。肠道屏障受损后其通透性增加，导致细菌及有害物质易位至肝脏，诱发炎症细胞因子的产生，进一步加重酒精性肝损伤。

3.4胆碱 胆碱作为细胞膜的组成部分，主要通过膳食摄取[36]。胆碱在肠道内被微生物加工成小分子代谢物三甲胺，三甲胺经肠道吸收入肝后在酶的作用下转化为氧化三甲胺，氧化三甲胺主要通过下调肝脏胆汁酸合成关键酶胆固醇27α-羟化酶和胆固醇7α-羟化酶的表达，调节机体胆固醇和胆汁酸的代谢[37]。氧化三甲胺也可被宿主吸收并转化为磷脂酰胆碱，而磷脂酰胆碱水平降低可导致极低密度脂蛋白的组装和分泌减少，进而导致三酰甘油在肝细胞中积累；而大肠埃希菌和脱硫脱硫弧菌等细菌则可以将胆碱转化为甲胺[38]。人类长期低胆碱饮食可导致脂肪肝的发生，动物实验发现，饮食中胆碱-甲硫氨酸缺乏的啮齿动物不仅会发展为脂肪肝，还会进一步发展为肝纤维化和肝癌[39]。低胆碱和甲硫氨酸饮食导致肝纤维化和肝癌发生的具体机制目前尚不明确。

3.5色氨酸代谢物 食物中1%～2%的色氨酸在色氨酸羟化酶的作用下转化为5-羟色胺[40]，5-羟色胺可通过下调紧密连接蛋白的表达改变肠道通透性，同时还可作为一种强促炎介质促进炎症的发生。实验表明，高热量饮食可引起小鼠体内5-羟色胺水平升高、小肠紧密连接蛋白水平降低，进而造成胃肠道黏膜屏障损伤，导致其通透性增加[41]。机体胃肠道黏膜屏障被肠道内细菌破坏后，细胞免疫与炎症反应立即被激活，导致肠道微生物代谢产物进入肝脏，引起肝细胞损伤、变性和纤维化[40]。食物中其他大部分色氨酸在色氨酸酶的作用下由肠道内共生菌分解为吲哚或其衍生物。吲哚衍生物具有预防肝病发生的作用，其潜在机制主要包括：①吲哚作为芳烃受体的配体，可特异性激活芳烃受体，导致杯状细胞产生黏液；②吲哚通过激活孕烷X受体上调细胞连接相关分子的表达，加强肠上皮的紧密连接，强化肠道的屏障功能；③吲哚还可由肠腔转运至肝脏，直接作用于肝脏中的肝细胞和免疫细胞，影响肝脏的脂质代谢并产生抗炎、抗氧化作用，从而达到保护机体、预防肝病的目的[42]。

3.6胆汁酸 肝脏内的胆盐和胆红素水平过高可持续刺激肝脏库普弗细胞、激活炎症通路，导致炎症细胞因子大量分泌，破坏肠黏膜屏障和肝功能。应用外源性胆汁酸可促进大鼠体内脱氧胆酸的生成，导致肠道内的菌群结构发生改变(如厚壁菌门/拟杆菌门比例显著升高)[43]；同时，也可导致产芽孢菌和病原性梭状芽孢杆菌的数量增加，从而引发结肠炎和肝硬化[44]。胆汁酸生成的途径主要包括经典(或中性)途径和替代(或酸性)途径。肠道微生物群通过调节胆汁酸生成途径中限速酶甾醇-27-羟化酶、25-羟基胆固醇7α-羟化酶和胆固醇7α-羟化酶的表达，调控胆汁酸的生成[45]。亲水性胆盐具有细胞保护作用，初级胆汁酸结合甘氨酸(少部分牛磺酸)后形成结合型胆汁酸，其水溶性增加，不易透过肠道上皮，从而防止其从肠道中流失[46]。具有胆汁盐水解酶效应的细菌(双歧杆菌、乳酸杆菌、拟杆菌和梭菌等)可主导胆汁酸去结合(去除甘氨酸、牛磺酸缀合物)过程，再次将结合胆汁酸水解为游离胆汁酸。约95%的胆汁酸在回肠末端经肠细胞顶膜钠依赖性胆盐转运体被重吸收，而剩余的约5%初级胆汁酸则进入结肠被代谢为次级胆汁酸[47]。此外，未被重吸收的胆汁酸还可被氧化生成氧-(或酮-)胆汁酸，此过程需要具有羟基类固醇脱氢酶活性的细菌参与，其属于变形菌门、放线菌门、厚壁菌门和拟杆菌门[48]。石胆酸、脱氧胆酸、熊去氧胆酸等次级胆汁酸属于疏水性胆盐，具有细胞毒性。实验表明，无菌或经抗生素处理的小鼠甘氨酸共轭胆汁酸和次级胆汁酸水平显著降低，而牛磺酸共轭胆汁酸水平则显著升高[45]。有研究表明，肠道内产7α-脱羟基酶细菌的数量显著减少[49]。此外，抗生素治疗可通过抑制成纤维细胞生长因子15的表达，上调胆固醇7α-羟化酶的表达[50]。以上实验均表明，肠道微生物对胆汁酸的合成具有调控作用。胆汁酸在多种肝病的发病机制中具有重要作用，因此未来通过靶向移植相关肠道微生物，对胆汁酸的合成进行调控，将有助于相关肝病的治疗。

4 小 结

人体肠道微生物菌群是一个复杂的系统，肠道内的菌群种类与数量繁多，菌群本身的复杂性和多样性导致该领域临床精准研究的难度较大。肠道内微生物及其代谢产物与多种肝病均密切相关，但具体机制目前尚未明确，且研究成果也有待进一步研究验证、完善，同时还应在更高水平和层次上进行探索、创新，最终明确其相互作用的具体机制。未来，对肠道微生物菌群及其代谢产物进行检测及动态监测，有利于明确肝病的诊断、了解疾病的进程，同时还可通过靶向干预肠道微生物及其代谢产物水平，恢复肠道微生物稳态，从而达到治疗肝病的目的。