肠道菌群与肝硬化研究进展*

张绍全,林炳亮

肝硬化是一种慢性进行性肝病,其起病隐匿,对患者的生存和预后带来极大的威胁。肝硬化的患病危险因素包括饮酒、代谢综合征、慢性病毒感染、遗传易感性疾病和自身免疫性肝病等。不同病因导致的长期肝组织炎症和弥漫性肝损伤可导致纤维化,并最终发展为肝硬化。肠道菌群与人类的健康与疾病密切相关。肠道菌群基因组包含超过300万个基因,而人类基因组则由大约2万多个基因组成,表明对肠道菌群的探索空间仍很大[1]。肠道菌群是维持肠黏膜屏障的核心。肠道和肝脏通过门静脉系统和胆道进行直接的双向交流,并通过体循环进行间接的交流。其中,细菌、细菌产物和代谢物从肠腔进入体循环,成为各种肝脏疾病和门脉高压并发症发病的重要因素。在肝硬化患者,免疫、血管和炎症变化都与肠道菌群功能和肠黏膜完整性降低有关。除此之外,肠道屏障功能失调引起的“肠漏”被认为是肝硬化的启动和进展的重要因素。肝硬化患者充血、水肿的肠壁使肠道的菌群生存受到影响,从而导致肝硬化宿主的肠道菌群紊乱。本文从肝硬化患者肠道菌群特征出发,描述在各影响因素下菌群特征的变化,并总结了目前针对肝硬化患者的微生物疗法,为治疗肝硬化提供参考。

1 肝硬化患者肠道菌群特征

20%～75%肝硬化患者会出现肠道菌群紊乱,共生菌如Firmicutes的Lachnospiraceae、Ruminococcaceae和Clostridia相对丰度减少,而致病菌如Enterobacteriaceae、Veillonellaceae和Streptococcaceae的相对丰度则增加[2]。与健康人比,肝硬化患者Streptococcaceae相对丰度增加和Lachnospiraceae相对丰度减少,两个菌科的丰度变化与Child-Pugh评分和不良预后相关[3]。肝硬化患者肠道菌群中的的Lachnospiraceae、Ruminococcaceae和Blautia相对丰度减少,而这些细菌与胆汁酸羟基化相关[4]。小肠细菌过度生长在慢性肝病患者病情进展过程中也发挥了重要的作用。在伴有小肠细菌过度生长或肝性脑病(hepatic encephalopathy,HE)的肝硬化患者,较低水平的Firmicutes和较高水平的Bacteroidetes与内毒素血症呈正相关[5]。有所不同的是,酒精性肝硬化患者肠道菌群呈现为Bacteroidetes/Firmicutes比值下降的特点,在其他病因的肝硬化患者则呈相反的趋势[6]。有研究应用部分特征菌的丰度计算肝硬化患者肠道菌群失调程度,有一定的应用价值[7]。肝硬化患者入院时肠道菌群紊乱与肝外器官衰竭、慢加急性肝衰竭和死亡的风险增加相关。通过高通量分析发现肝硬化进展与肠道菌群的物种丰富度显著降低相关,且与Enterococcus和Peptostreptococcus相对丰度显著增加相关。此外,研究结果还发现肝硬化患者肠道Ruminococcaceae和Lachnospiraceae等益生菌相对丰度降低,而Enterobacteriaceae、Staphylococcaceae和Enterococcaceae等致病菌过度生长[8]。

1.1 HEHE的确切发病机制仍然不清楚 在几个假说中,氨中毒理论是最公认的主要发病机制。血氨水平升高可促进疾病的发生并加重脑水肿,这个过程与肠道菌群紊乱密切相关。氨是由细菌代谢的尿素和蛋白质、饮食中的含氮产物和谷氨酰胺的脱氨作用而产生的。在正常情况下,肝脏会将所有这些氨转化为尿素。但肝硬化患者对其代谢能力下降,从而导致氨在血液中积累,并穿过血脑屏障,导致脑水肿。一系列的研究揭示脑-肠轴间的交互作用,肠道菌群可以通过神经元、内分泌和免疫调节等途径向大脑发送信号。同样地,肠道菌群紊乱也可以通过脑-肠轴损害大脑功能。在合并或不合并HE的肝硬化患者,发现粪便Veillonellaceae、Fusobacteriaceae和Enterobacteriaceae相对丰度与炎症进展有关,而某些细菌科,如Alcaligeneceae和Porphyromonadaceae相对丰度增加被认为与认知障碍相关[9]。Alcaligeneceae可将尿素降解为氨,是机会性感染的病因之一。Enterobacteriaceae具有脲酶活性,并有助于增加氨的产量。Porphyromonadaceae与脑白质间质水肿有关[10]。此外,产短链脂肪酸的Lachnospiraceae相对丰度减少,将提高结肠pH值,从而导致氨的产生和吸收增加,进一步介导了HE的发生。在肝硬化并发HE患者,肠道菌群紊乱程度降低,但Bacteroidetes细菌种类增加。在轻微肝性脑病(minimal hepatic encephalopathy,MHE)患者,粪便Streptococcussalivarius相对丰度与血氨水平成正比。进一步的研究表明Proteobacteria与肝硬化患者内毒素血症和认知能力相关。Enterococcaaceae、Staphlyococcaceae和Lactobacillaceae等菌科丰度与磁共振检查发现的对称性分布的基底节、脑桥和大脑脚等异常信号相关[11, 12]。除此之外,一项纳入51例失代偿期肝硬化患者的研究发现肠道菌群紊乱与代谢紊乱和败血症的发生相关。Moraxella、Neisseria和Lautropia等与免疫功能衰竭相关的致病菌属在肝硬化患者占主导地位。硫代谢Gammaproteobacteria与严重的脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)相关的高炎症应激反应相关。同时,Megamonas与入院生存相关。在随访期间死亡患者肠道Kingella和Neisseria显著增加[13]。总的来说,肝硬化患者肠道菌群变化可能诱导肝脏疾病发生、发展,或可引起特定的并发症。

1.2 口腔菌入侵 肝硬化进展的一个独特性特征是口腔优势细菌的入侵,即在口腔起源的物种迁徙到患者的肠腔。具体体现在口腔富集的病原菌Porphyromonadaceae及口腔主要病原体Porphyromonas在HE患者肠道富集,并且与LPS引起的炎症状态有关。胆汁酸减少也被认为是导致口腔共生细菌入侵肠道的原因之一。除此之外,Streptococcussalivarius是一种口腔共生菌,在患有MHE的肝硬化患者增加;肝硬化患者十二指肠黏膜口腔共生菌Veillonella相对丰度增加。这两种细菌都是产生脲酶的生物体,所以其向肠道的移位可能导致了肝硬化患者的内毒素血症[14]。

1.3 药物影响 肝硬化患者肠道菌群变化也可能与长期的用药有关。一项研究发现,在使用质子泵抑制剂的患者,Veillonella和Streptococcus相对丰度随着肝硬化病情加重而增多[15]。此外,粪便菌群测序结果显示,肝硬化患者在接受抗生素治疗后存在真菌紊乱[16],而复发性感染和住院将导致肠道病原菌异常增殖,从而导致耐药菌形成、多药耐药菌感染以及随后的肝和肝外器官衰竭,促进如慢加急性肝衰竭这样的严重后果发生。

2 菌群疗法治疗肝硬化

2.1饮食调整 在肝硬化患者,饮食调整、抗生素、益生菌和粪菌移植(fecal microbiota transplantation,FMT)已被用于调节肠道菌群治疗。在一项针对土耳其和美国肝硬化患者的研究发现,饮食习惯在决定临床结局方面具有重要的意义,其中,地中海式饮食尤其有益。具体表现为土耳其队列患者肠道菌群物种多样性显著高于美国患者,而在美国队列患者,失代偿肝硬化患者菌群多样性最低。咖啡、茶、蔬菜、巧克力和酸奶对肠道菌群物种多样性的提高有一定的帮助,接受地中海饮食的土耳其队列患者90 d住院的风险较美国队列低[17]。

2.2 抗生素 抗生素已被用于调节肝硬化和原发性肝癌患者的肠道菌群。利福昔明作为一种不可吸收的抗生素,通过影响肠道菌群代谢减少氨的产生。但有研究也发现利福昔明降低了肝硬化患者Veillonellaceae和次级/初级胆汁酸比率。此外,肝硬化患者药物代谢能力会发生改变,而一些抗生素已被证明会导致肾功能衰竭、胃肠出血、自发性细菌性腹膜炎和脑病。因此,在处理肝硬化感染患者时,需要考虑的因素包括药物药代动力学、药效学、肝毒性的可能,所给予的药物剂量应根据患者的营养状况、肝肾功能和药物相互作用进行调整。总的来说,在处理肝硬化患者时,最重要的考虑因素是早期诊断感染,并开始使用适当的抗生素治疗方案[18]。

2.3 益生菌 在一项随机对照试验中,给予患者服用益生菌6个月可丰富代偿期肝硬化患者肠道微生物群,并改善其肠道屏障功能,据信与Alistipesshahii介导的抗菌分子新蝶呤增加有关[19]。同时,使用LactobacillusrhamnosusGG治疗的肝硬化并发MHE患者,可能通过减少Enterobacteriaceae、增加Clostridiales和Lachnospiraceae发挥缓解疾病作用。Clostridiumbutyricum联合Bifidobacteriuminfantis可以降低Enterococcus、Enterobacteriaceae和乙型肝炎肝硬化患者血氨水平。相比常规方案治疗酒精相关性肝病患者,联用Bifidobacteriumbifidum和Lactobacillusplantarum8PA3可以改善患者更多的肝功能指标,两者联合应用可能通过上调Lactobacillus和Bifidobacteria发挥作用。使用培养的Lactobacillussubtilis和Streptococcusfaecium治疗酒精性肝炎患者,结果发现内毒素血症降低和肝脏指标改善与Escherichia减少相关[20, 21]。

2.4 FMT FMT被用于治疗肝硬化,以提高HE患者的认知能力。FMT治疗HE患者提高了认知能力。供体样本Lachnospiraceae和Ruminococcaceae相对丰度较高,后者与一些疗效指标改善有关,包括血清IL-6和LPS水平降低,而丁酸和异丁酸水平升高。此外,富含Lachnospiraceae和Ruminococcaceae的FMT治疗能降低酒精依赖患者对酒精的渴望,减少不良事件的发生[22]。来自健康供体的FMT改善了肝硬化的HE症状。同时,FMT纠正了接受抗生素治疗患者Proteobacteria过度增殖[23]。后续的研究结果也证实了在肝硬化患者,接受FMT可预防HE复发和肝脏相关住院。此外,在接受FMT组,Burkholderiaceae相对丰度增加,而Acidaminoccocaceae相对丰度下降[24]。在一项I期临床研究中,口服FMT胶囊改善了十二指肠黏膜多样性,具体体现为患者粪便Ruminococcaceae和Bifidobacteriaceae相对丰度增加,而Streptococcaceae和Veillonellaceae丰度减少。同时,在FMT治疗后,患者肠道菌群紊乱改善,抗菌肽增加,脂多糖降低,其认知评分也得到显著的改善[25]。来自印度的队列研究表明,肝硬化患者在接受结肠镜途径的FMT治疗后第20周仍保持应答,Child-Pugh评分也得到改善[26]。FMT可以恢复肝硬化患者因应用抗生素导致的肠道菌群组成和功能的破坏,恢复了Lachnospiraceae和Ruminococcaceae等益生菌数量[27]。此外,一项分析FMT后抗生素耐药基因的研究发现,与应用安慰剂组比,接受FMT治疗后患者体内万古霉素、β-内酰胺酶和利福平抗生素耐药基因表达降低[28]。对8例不符合激素治疗条件的重症酒精性肝炎患者进行了多供体FMT治疗和为期一年的随访,结果发现与未接受FMT治疗患者比,接受FMT治疗患者总体生存率有所改善(87.5%对33.3%)[29]。在FMT治疗后一年,患者肠道Proteobacteria水平显著降低,而Firmicutes水平显著增加。另一项关于重症酒精性肝炎的研究比较了FMT、营养、激素或己酮可可碱治疗的疗效,结果发现与其他方法相比,FMT治疗能提高90 d生存率,改善了菌群紊乱和代谢功能指标[30]。在早中期慢加急性肝衰竭患者,FMT治疗后一年半仍生存的患者比例分别为72.7%和58.3%[31]。最近的一项I期临床试验表明,FMT对于酒精性肝硬化是安全的,并且能有效提高肠道菌群的物种多样性,Ruminococcaceae和产短链脂肪酸菌相对丰度增加[32]。总的来说,FMT治疗肝硬化具有良好的前景。

3 局限性和展望

肠道菌群被认为是人类的“新器官”之一。稳态的肠道菌群有参与机体消化、能量代谢、维生素合成、防止病原菌定植和免疫调节等作用。肠-肝轴是肠道菌群与肝脏之间的重要联系之一。当肠屏障受损严重时,肠道毒性物质从肠系膜上下静脉汇入门静脉流入肝脏,而肝脏则通过分泌胆汁酸循环等影响肠道微生态。肝硬化作为重要的慢性肝病,无论是给家庭还是社会都带来了沉重的负担。目前,临床上对于肝硬化的治疗方法有限,寻找有效的治疗靶点刻不容缓。随着对肠道菌群研究的不断发展,越来越多的研究对于健康和疾病状态的肠道菌群和功能也逐渐深入,证明了肠道菌群对于肝硬化病情发展和治疗的重要性。了解肝硬化患者肠道菌群特征,以及在出现并发症和各种因素影响下的菌群特征变化,将对肝硬化患者病情判断和预后预测带来很大的帮助。此外,基于微生物的治疗也有望成为治疗肝硬化的新方法。通过靶向肠-肝轴的生理和病理学特点,通过微生物干预可能对肝硬化的治疗和预防发挥重要的作用。不过,目前对于肝硬化患者菌群研究大多仍处于基础研究阶段,未来仍需要大规模和多中心的前瞻性临床研究证明微生态治疗的有效性和安全性。总的来说,肠道菌群与肝硬化的发生和发展具有密切的联系,未来针对肠道菌群的新疗法研究值得期待和验证。