肠道微生态/胆汁酸代谢/FXR途径在NAFLD发展进程中的作用机制*

谭钦文 杜沅沁 黄鸿娜 徐 健 吴颖升 黄晶晶

1.广西中医药大学研究生院2021级硕士研究生班 (广西 南宁, 530023) 2.广西高发传染病中西医结合转化医学重点实验室3.广西中医药大学第一附属医院仙葫院区脾胃肝病科

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是指除外酒精和其他明确的肝损害因素所致的肝细胞内脂肪沉积,包括从单纯的NAFLD到非酒精性脂肪性肝炎(NASH),再严重则发展为脂肪性肝纤维化、肝硬化甚至肝癌(HCC)[1]。NAFLD是全球肝病最重要的原因之一,其流行病学和人口统计学特征在世界范围内因肥胖的流行而各不相同,并与世界各地人口、经济、文化水平等因素息息相关,发达国家患病率通常比发展中国家高。Estes等[2]根据2016年以前成人肥胖和2型糖尿病(DM)患病率的数据,建立NAFLD动态模型,指出了2016～2030年NAFLD全球病例总数将适度增长(0%～30%),其中,中国的增长率最高,平均年龄最小。NAFLD已进展为HCC的高危风险因素,且易导致肝外并发症,强化对NAFLD筛查和治疗势在必行。

NAFLD发病机制尚未明确,早期以“两次打击”假说为主,近年来关于NAFLD发病机制已向 “多次打击”假说发展。“多次打击”主要包括胰岛素抵抗、脂肪毒性和脂肪代谢紊乱等;同时,炎症反应、氧化应激及内质网应激、线粒体功能障碍及肠道菌群紊乱等多种因素参与其中,相互促进;主流研究认为胰岛素抵抗是NAFLD发病机制中的主要特征[3]。目前,国内缺乏批准用于治疗NAFLD的药物,最有效的治疗方式仍是减肥及运动,但在当代人目前的生活方式下难以实现。因此,NAFLD需要寻求有效的药物治疗。胆汁酸由肝脏中的胆固醇合成,排泄到胆汁中,以促进脂肪在肠道中的吸收,在脂质、葡萄糖和能量稳态中起重要作用。多项研究表明,NAFLD与胆固醇-胆汁酸密切相关,而胆汁酸是法尼醇X受体(FXR)的主要内源性配体,具有控制胆汁酸和脂质代谢稳态的关键作用[4]。近年来,国外较多研究从胆固醇-胆汁酸代谢途径入手,探索有效治疗NAFLD的药物。

1 胆固醇-胆汁酸代谢

1.1 游离胆固醇肝内蓄积 研究表明,NAFLD/NASH的发病机制与肝胆固醇稳态紊乱和肝游离胆固醇(FC)积累息息相关,且胆固醇体内稳态失调有助于NAFLD中游离胆固醇的积累[5]。胆固醇稳态在NAFLD中的不同水平上广泛失调,因此促进了FC的积累。NAFLD肝内FC积聚的原因是细胞内胆固醇转运的改变和细胞内胆固醇稳态的失衡,其特征是胆固醇生物合成途径的激活,胆固醇脱酯的增加,胆固醇输出和胆汁酸合成途径的减弱。FC蓄积通过激活Kupffer细胞(KCs)、星状细胞(HSCs)和肝细胞的细胞内信号通路导致肝损伤。KC和HSC的激活促进炎症和纤维化的形成[6]。此外,FC在肝线粒体的积聚导致线粒体功能障碍,导致活性氧的产生增加,并触发内质网(ER)的未折叠蛋白应答,导致ER应激和细胞凋亡[7]。NAFLD患者线粒体FC积累通过线粒体谷胱甘肽(mGSH)耗竭,可导致肝细胞对TNF和Fas敏感,从而发展为NASH[8]。

1.2 胆汁酸的合成与分泌 初级胆汁酸的合成主要分为经典途径和替代途径。在此过程中,胆固醇7α-羟化酶(CYP7A1)、甾醇12α-羟化酶(CYP8B1)和甾醇-27羟化酶(CYP27A1)等酶起重要调节作用,维持胆汁酸稳态;在经典途径中,胆固醇经CYP7A1催化生成7α-羟基胆固醇,并在CYP8B1的作用下进一步催化生成胆酸(CA),人体至少75%的胆汁酸通过该途径产生。替代途径中胆固醇通过甾醇-27-羟化酶(CYP27A1)催化生成27-羟基胆固醇,进一步被氧固醇7α-羟化酶(CYP7B1)催化生成鹅脱氧胆酸(CDCA),通过该途径可产生总胆汁酸量的9%～25%[9]。最后,初级胆汁酸与甘氨酸或牛磺酸结合,经胆汁酸辅酶A合成酶和氨基酸-N-酰基转移酶催化,形成生成牛磺胆酸(TCA)或甘氨胆酸(GCA),并在胆盐输出泵(BSEP)、多药耐药相关蛋白(MRP2)等运输下将TCA或GCA分泌到胆汁中[10]。胆汁排入肠道内,胆汁酸进入转运与重吸收阶段。

1.3 胆汁酸的转运与重吸收 胆汁酸进入肠道后分为两个代谢途径。95%的结合胆汁酸(TCA、GCA)被回肠远端肠上皮细胞刷状缘侧顶端的顶端钠依赖性胆汁酸转运蛋白(ASBT)主动重吸收至肠上皮细胞,并在胆汁酸转运蛋白(IBAT)的促进作用下,转运至基底膜,进而由基底外侧膜上的有机溶质转运蛋白(OSTα/OSTβ)重吸收至经门静脉血液循环系统[11]。胆汁酸被重吸收回肝脏过程中,经肝细胞基底外侧膜上牛磺胆酸钠共转运多肽(NTCP)和有机阴离子转运蛋白(OATP)的作用,与肝细胞内合成的结合型胆汁酸再次分泌至胆汁中,此过程又称为胆汁酸的肝肠循环[12]。NAFLD发生时一方面胆固醇-胆汁酸代谢失衡,另一方面胆汁酸肠肝循环也受到限制。

1.4 胆汁酸代谢过程中的重要蛋白 各转运蛋白在胆汁酸代谢过程中发挥着重要作用,其代谢异常与胆汁淤积相关性疾病密切相关。BSEP是一种存在于肝脏中的特异性ATP依赖性转运蛋白,是胆汁酸从肝细胞到胆道系统的主要转运器,BSEP发生突变易导致胆汁淤积症,甚至导致肝硬化或肝癌[13]。MRP2主要在肝细胞基底膜上表达,在小肠中也有表达,是ATP依赖性转运的膜蛋白,其底物是谷胱甘肽(GSH)、葡萄糖醛酸盐或硫酸盐的亲脂性物质,具有保护肝细胞,促进胆汁分泌的作用[14]。ASBT主要表达于回肠肠上皮细胞的顶膜,少量在近端肾旋涡小管细胞和胆管上皮细胞中表达,是回肠重吸收胆汁酸的重要转运体,在胆汁酸-胆固醇平衡和胆汁酸肠肝循环起关键枢纽作用[15]。OSTα/OSTβ在人体所有组织中均有表达,但在小肠、肾脏、肝脏等组织中表达较丰富,可促进胆汁酸盐与甾醇根据穿过细胞膜。在胆汁淤积时,OSTα/OSTβ可使从肝脏排泄至体循环的胆汁酸盐增加,从而减轻肝损伤[16]。 牛磺胆酸钠共转运多肽(NTCP)主要分布于肝细胞基底外侧膜上,不仅是胆汁酸盐(CDCA、GCDC等)最为重要的转运体,还是HBV和HDV的进入受体,常用于为病毒感染的细胞培养模型[17]。OATP与NTCP类似,主要分布于肝细胞基底外侧膜上,部分分布于肠道中,肝细胞内OATP主要为OATP1B1和OATP1B3,其主要底物为内源性的胆汁盐、胆红素等,参与各种药物和饮食成分的转运[18]。总之,MRP2、BESP、ASBT、OSTα/OSTβ、OATP、NTCP是胆汁酸代谢的重要靶点,这些靶点异常调节通常引起胆汁淤积相关性疾病,未来有望成为治疗NAFLD/NASH的重要靶点。

2 FXR在NAFLD/NASH中的作用

2.1 FXR介导胆汁酸代谢 法尼类X受体(FXR)是一种胆汁酸激活的转录因子,属于核激素受体超家族成员,在肝脏、胆囊、胃肠道、肾等均有高度表达,对维持胆汁酸稳态有着举足轻重的作用[19]。CYP7A1是胆汁酸合成经典通路中的重要限速酶,当体内胆汁酸过多时,则会与FXR结合,激活SHP表达,促使SHP与肝X受体α(LXRα)、肝受体类似物1(LRH-1)、肝细胞核因子4α(HNF4α)结合,并促使三者失活,间接抑制了三者对CYP7A1表达的促进作用,使胆汁酸合成减少,而FXR同样可以通下调CYP8B1基因的表达来抑制肝脏胆汁酸的合成[20]。FXR也可以通过直接调节成纤维细胞生长因子-19(FGF-19)的表达,并通过c-Jun N-末端激酶(JNK)依赖性途径,抑制人肝细胞和小鼠肝脏原代培养物中CYP7A1的表达,从而减少胆汁酸生成[21]。FXR刺激BSEP与MRP2蛋白的表达,促使胆汁酸合成增多,同时还可下调NTCP的表达,抑制胆汁酸的摄入,维持胆汁酸稳态[22]。在肠道中,胆汁酸还可以通过FXR诱导FGF19表达并从肠道释放,从而激活肝脏中的FGFR4/bKlotho受体,共同抑制肝脏CYP7A1和CYP8B1的表达,调节胆汁酸的合成[23]。

2.2 FXR调控脂代谢 NAFLD主要表现为肝细胞脂肪过量沉积,而胆汁酸是胆固醇的代谢的最终产物。实验表明,FXR可以降低小鼠肝脏和血清中的甘油三酯和胆固醇水平升高,对脂质代谢有重要调节作用[24]。Schmitt等[25]通过动物实验表明,FXR激动剂对肝脏脂代谢具有重要调节作用,一方面FXR激动剂可激活SHP的表达,下调CYP7A1,抑制胆汁酸合成,加剧使肝内胆固醇沉积;另一方面,在FXR基因敲除小鼠中,脂肪生成转录因子(LXR)被胆固醇的氧化衍生物(氧化甾醇)激活,发挥负反馈调节作用,被激活的LXR通过上调CYP7A1的表达诱导胆固醇分解代谢,增加胆汁酸的合成,维持胆固醇稳态。肝脏B族Ⅰ型清道夫受体(SR-B1)是胆固醇逆转运的调节因子,肝脏依赖SR-B1对HDL胆固醇进行清除,而FXR激动剂则可以使肝脏SR-B1缺失小鼠肝脏中ABC胆固醇转运蛋白基因的mRNA水平保持不变,同时增加回肠胆固醇转运体的表达,促进肠道胆固醇排泄[26]。过氧化物酶体增殖剂激活受体-γ(PPARγ)表达于脂肪组织中,与脂肪细胞分化及胰岛素抵抗有密切关系。研究发现,PPARγ可以通过激活FXR表达,从而增加脂肪细胞中硬脂酰辅酶A去饱和酶(SCD)基因的表达以及其对PPARγ 依赖性,促进脂肪生成,促进脂肪细胞分化[27]。众多研究认为,胆酸(CA)存在时,通过激活FXR,诱导SHP的表达,并抑制LXR的活性,同时SHP可抑制SREBP-1c基因表达,降低血清甘油三酯(TG)水平[28]。由此可见,FXR可从多途径调控脂代谢。

3 肠道微生态与NAFLD/NASH的关系

肝脏大部分的血液供应来自肠道,正常情况下,肠道屏障可阻挡细菌及其代谢产物等有害物质透过肠黏膜进入血液。肠道菌群突破肠道屏障防线时,即被树突状细胞识别,或通过调节性 T 淋巴细胞反应激活适应性免疫系统,并通过病原相关分子模式(PAMP)启动固有免疫,包括脂多糖、肽聚糖等,与 Toll 样受体(TLR) 和 NOD 样受体(NLR)结合,激活核因子-κB(NF-κB),产生相应的炎性细胞因子和趋化因子,经肠系膜上下静脉并最终汇入门静脉系统进入肝脏,这些因子可直接损伤肝细胞并且激活肝脏内 Kupffer 细胞,极化的 Kupffer 细胞会促进NAFLD 向肝脏炎症及纤维化发展[29]。在结肠中,肠道微生物将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸,通过盐水解酶(BSH)水解结合,将胆酸(CA)和鹅去氧胆酸(CDCA)分别脱羟基化形成去氧胆酸(DCA)和石胆酸(LCA),7-羟基类固醇脱氢酶(7-α-HSDH)能将CDCA异构化为熊脱氧胆酸(UDCA)[30]。抗生素改变菌群结构可改变胆汁酸谱,调节肠道FXR信号通路,而胆汁酸也具有较强的抗菌活性,可以直接调控肠道菌群多样性、调节肠道菌群的结构或通过促进胆汁酸代谢细菌的生长和抑制其他胆汁敏感菌的生长来重塑肠道微生物群落[31]。不同的胆汁酸对于肠道FXR的作用也不一样,对FXR的激动作用大小分别为CDCA>TCA>DCA=LCA,而牛磺酸-α-MCA、牛磺酸-β-MCA和熊去氧胆酸则对FXR具有拮抗作用[32]。因此,肠道微生态-胆汁酸-FXR轴在NAFLD/NASH代谢过程中发挥重要作用,可能成为未来药物治疗NAFLD/NASH的重要靶点。

4 小结与展望

目前,NAFLD的发病机制复杂且尚不明确,主流研究认为胰岛素抵抗是NAFLD发病机制中的主要特征,但目前较多研究认为胆固醇-胆汁酸代谢途径在NAFLD的发生发展中有重要意义。此代谢途径异常表现为胆固醇合成增加以及胆汁酸合成减弱引起的游离胆固醇肝内蓄积,从而通过一系列反应诱导肝脏炎症及肝细胞凋亡;在胆汁酸代谢途径中,各转运蛋白在胆汁酸合成、分泌、转运及肝肠循环中发挥关键作用,维持胆汁酸稳态。以各转运蛋白为靶点,探索NAFLD以及NASH有效治疗措施具有可行性及探究意义。肠道微生态是近年来研究热点,肠道菌群结构和功能代谢与胆汁酸代谢常相互影响,从而促进NAFLD的发生发展,且肠道微生态破坏在一定条件下可诱导炎症反应及激活免疫反应,促使疾病向NASH及肝纤维化方向发展。FXR即可以作为肠道微生态-胆汁酸作用的下游靶点,也可以负反馈调节胆汁酸合成及转运蛋白,从而调节胆汁酸的代谢。同时,FXR也能多途径调控脂质代谢,维持胆固醇-胆汁酸代谢及肝脏脂质代谢稳态。可见,肠道微生态-胆汁酸代谢-FXR途径在NAFLD发病中发挥重要作用。目前,国内尚缺乏批准用于治疗NAFLD的药物,一些药物虽然在一定程度上可以缓解症状,控制病情发展,但治疗效果有限,且药物缺乏特效性,副作用相对较大。基于肠道微生态-胆汁酸代谢-FXR途径探索NAFLD一线用药可能成为未来药物研究的方向。未来研究仍要探究NAFLD的发病机制及更多治疗靶点,并且寻求更有效的治疗措施。