肠-微生物群-肝轴与代谢相关脂肪性肝病的研究进展

杨小雄, 杨 帆, 魏小果

(1. 甘肃中医药大学 第一临床医学院,甘肃 兰州 730000;2. 甘肃省人民医院干部消化科,甘肃 兰州 730000)

非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)是指除外酒精和其他明确肝损害因素的,以肝脏脂肪变性为特征的病理综合征,其疾病谱包括非酒精性肝脂肪变、非酒精性脂肪性肝炎、肝硬化和肝细胞癌。目前关于NAFLD患者过量饮酒的定义尚不明确,2020年经亚太肝病学会研究决定将NAFLD重命名为代谢相关脂肪性肝病(metabolic associated fatty liver disease, MAFLD)[1]。关于MAFLD发病机制尚不明确,目前比较认可的是多重打击学说,即胰岛素抵抗、线粒体功能障碍、氧化应激、肠道菌群失调等多种因素共同作用于遗传易感者。主要表现为当机体能量摄入和消耗间出现不平衡时,会使各组织产生胰岛素抵抗和肠道微生物群的改变,进而加速肝脏中的脂肪堆积,导致肝细胞损伤、肝脏炎症、纤维化和癌变等。据统计,MAFLD的患病率已累及全球约25%的人口[2]。研究发现,肠-肝轴紊乱、肠道微生物群失调与MAFLD发病密切相关,包括肠黏膜屏障破坏、肠道细菌移位、胆汁酸(bile acids,BAs)代谢紊乱、肝脏炎性反应等[3]。因此,本文基于肠-肝轴,对肠-微生物群-肝轴在MAFLD患者的发病机制及疾病防治中的重要作用展开综述。

1 肠-微生物群-肝轴基本概念

肠-肝轴是指肠道和肝脏之间的一条经胆管、门静脉和体循环进行双向交流的通路。肝脏可将BAs和许多生物活性介质通过门静脉释放体循环中,或通过胆道与肠道相通[4]。同时肠道将消化吸收的营养物质、肠道细菌及其产物、内毒素和炎性介质等多种肠源性因子通过门静脉系统转移到肝脏。近年来,随着对肠道微生物群的不断深入研究发现,肠道微生物群作为一个新的概念,被当作一个“虚拟的代谢器官”,与肠-肝轴有着密切的联系,二者共同参与机体的多项病理生理过程,其结构和功能的稳定对维持肠道和肝脏的正常功能至关重要[5]。肠-微生物群-肝轴失衡引起MAFLD,主要表现为微生物群落之间的不平衡、肠道与宿主之间共生关系的破坏,以及肠道通透性增加和肝脏炎症的发生等[6]。因此,在肠道、微生物群和肝脏之间建立稳定的联系是很有必要的,维持肠道内稳态及肝脏代谢的平衡,可防止肠道通透性的增加、微生物及其产物的易位,从而延缓MAFLD的进展。

2 肠-微生物群-肝轴与MAFLD的相关性肝损害

2.1肠-微生物群-肝轴与肠道屏障功能的变化 肠道屏障主要包括物理屏障、生化屏障和免疫屏障,是机体外环境和宿主内部环境之间的界面[4]。而肠道微生物群在维持上皮屏障完整性方面具有重要意义,肠道屏障中的一种或多种成分的分解会破坏其完整性,导致肠道通透性增加。促使肠道通透性增加的主要驱动因素包括肠道炎症和微生物群失调[7],这与高脂肪饮食、长期饮酒、长期使用抗生素[8],以及免疫介导的炎症性疾病[9],如MAFLD、炎症性肠病等有关。在MAFLD中,肠道微生物群失调和肠道通透性增加导致微生物及其产物易位,主要包括由细胞壁成分脂多糖和细菌DNA等组成的病原体相关分子模式,它们通过门静脉系统转移到肝脏后,可特异性与肝Kupffer细胞和星状细胞上的模式识别受体相结合从而诱导局部炎症,最终导致肝脏炎症和损伤,同时促进肝脏纤维化的发生[10]。因此,由微生物群代谢产物介导的炎症细胞因子的表达以及肝脏炎症反应与MAFLD的发生发展密切相关[11],所以维持肠道屏障的完整性,减少微生物群及其代谢产物易位对于MAFLD的诊治具有重要的意义。

2.2肠道微生物群代谢产物的变化

2.2.1胆碱和胆碱相关代谢物 胆碱主要从饮食中获得,肝脏也可少量产生。临床研究已证实,胆碱是人体所必需的营养素,它的缺乏是导致机体发生MAFLD的主要原因,因为胆碱在维持肝功能的同时参与机体的新陈代谢[12]。其中磷脂酰胆碱通过促进极低密度脂蛋白(very low density lipoprotein,VLDL)从肝脏中排泄和胆盐的溶解、分泌,从而减少甘油三酯在肝脏中积累及肝脏脂肪变性的发生[13-15]。研究表明,异常VLDL介导的甘油三酯分泌是MAFLD发生的主要机制[16]。因此,肝细胞中VLDL排泄的减少可降低体内的胆碱水平从而导致MAFLD的发生[17]。另外,胆碱在肠道细菌相关酶的作用下转化为三甲胺,经门静脉循环到达肝脏后转化为氧化三甲胺,大量氧化三甲胺的产生导致机体产生的磷脂酰胆碱水平降低,加剧甘油三酯在肝脏中的累积,导致MAFLD等肝损伤相关性疾病的发生[18]。

2.2.2BAs BAs是以肝细胞中的胆固醇为原料合成的两亲性类固醇分子,经肠道细菌相关酶代谢,对于维持肠道微生物群稳态、脂质代谢、胰岛素敏感性和机体固有免疫至关重要,在肠-微生物群-肝轴的调节中发挥了重要的作用。当BAs通过十二指肠到达小肠时,可结合胆道中的其他成分促进甘油三脂、胆固醇和脂溶性维生素等的乳化和吸收,大约95%的BAs在回肠末端被重吸收并运回肝脏,其余5%被肠道微生物群分解形成次级BAs,经被动运输进入门静脉循环最后到达肝脏,肝脏回收BAs并将其分泌到胆道,完成BAs的“肝肠循环”[19]。BAs除了具有维持肠上皮屏障完整性从而防止肠道细菌过度生长的抗菌特性,还可与相应受体结合,如法尼醇X受体(farnesoid X receptor,FXR)和G蛋白偶联受体(g -protein-coupled receptor,GPCR),作为信号分子来调节糖脂代谢和能量稳态[20]。BAs与肠细胞中表达的FXR结合,促进成纤维细胞生长因子19的转录,成纤维细胞生长因子19通过门静脉到达肝脏,抑制肝细胞中胆固醇转化为BAs的限速酶(胆固醇7α羟化酶)的表达,从而导致肝细胞内胆固醇和血清低密度脂蛋白水平升高,形成调节BAs产生的反馈系统[21-22]。当BAs代谢紊乱则无法抑制肠道细菌的过度生长,从而加重肝脏的炎症免疫反应,最终导致肝脏的脂肪变性向炎症和纤维化方向进展。虽然BAs激活受体被视为治疗代谢紊乱性疾病的潜在治疗靶点,但具体机制尚不清楚[23]。肠道微生物群与肠-肝轴通过复杂的相互作用及严格的调控机制维持BAs代谢的平衡,但二者在体内如何相互影响及其在MAFLD致病过程中的具体机制尚不明确,可能与FXR的激活有关,仍需进一步探索。

2.2.3短链脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFA) SCFA是饮食与肠道微生物群间相互作用的产物,是宿主的主要能量来源,可通过调节肠上皮细胞的增殖、分化以及内分泌等功能,从而影响肠道运动,加强肠道屏障功能和宿主代谢。目前关于肠道微生物群与MAFLD之间的研究多涉及肠道产生的SCFA的变化,最常见的如丙酸盐和丁酸盐[24]。丙酸盐可与GPCR43结合,维持机体的免疫防御系统[25]。丁酸盐具有双重作用,又称“丁酸盐悖论”,它既可诱导结肠细胞增殖,影响结肠上皮再生,从而调节肠道屏障的完整性,也可通过调节肠内神经元直接影响肠道运动[26-27]。最新研究发现,循环中SCFA的增加与脂肪细胞脂解增加和脂肪生成的减少有关[28],如单独使用丙酸盐可减少肝脏脂肪的增加[29]。SCFA通过与游离脂肪酸受体2结合从而抑制胰岛素刺激脂肪细胞的脂质积累,导致脂肪细胞的敏感性增高,从而减少脂肪细胞的炎症浸润[30]。SCFA也可特异性结合在脂肪组织和肝脏中表达GPCR,如GPCR41和GPCR43,从而抑制脂肪细胞中的胰岛素信号传导,减少脂肪组织中的脂肪堆积并促进其他组织中的糖脂代谢[31]。SCFA通过作用于肠道,促进肠L细胞分泌更多的胰高血糖素样肽-1,从而诱导胰腺β细胞分泌胰岛素,改善胰岛素抵抗及全身葡萄糖代谢,降低肝脏脂质堆积的风险,并改善全身慢性炎症[32]。另外,SCFA除了可上调紧密连接蛋白的表达,还可加速紧密连接的形成,从而阻止细菌或其细胞壁成分的易位,降低肥胖和胰岛素抵抗相关的代谢性疾病的炎症级联反应[33]。综上,肠道微生物群失调促使肠道SCFA含量进一步减少,从而加速代谢相关性疾病的进展。然而有研究发现,大量SCFA的产生加速机体从食物残渣中吸收更多的能量,导致肥胖的发生[34]。关于大量SCFA的产生对于MAFLD的预后是否有益,目前尚无定论。

2.2.4乙醇 乙醇在肠道表达的酒精代谢酶如醇脱氢酶、醛脱氢酶等的作用下,代谢为乙醛及乙酸盐,肝脏可通过调节乙醇代谢途径影响机体乙醇的循环水平[35]。大多数MAFLD患者伴有内源性乙醇及其代谢物如乙醛和乙酸盐循环水平的增加,这些代谢物独立地与肝损伤性疾病有关[36]。其中乙醛除了与肠道屏障的破坏及微生物产物易位有关,还与下调肠道中抗菌肽的表达有关[37],从而引发全身炎症和适应性宿主免疫反应,加速代谢相关性疾病的进展[38]。乙酸在MAFLD中具有刺激和抑制食欲的双重作用,但二者如何在体内保持动态平衡及参与代谢性疾病的相关机制,我们目前尚不清楚。通过无菌小鼠的实验发现,乙醇代谢相关基因在肝脏中的表达增加,从而使肝脏脂肪变性加剧。因此推测肠道微生物群及其代谢产物乙醇等在MAFLD中的扮演重要角色[39]。

3 MAFLD基于肠-微生物群-肝轴的治疗

3.1铁代谢及铁死亡抑制剂 铁死亡是指铁过度积累和脂质过氧化,其特征是铁依赖性脂质过氧化引起的细胞程序性死亡的一种新形式。研究表明,铁超载在MAFLD患者中普遍存在,铁诱导的脂质过氧化是MAFLD的主要诱因之一[40]。在MAFLD中,肝细胞中蓄积的大量脂质诱导肝细胞中的铁以细胞外囊泡的形式排出,然后进入邻近的肝星形细胞,最终使肝细胞缺铁和肝星状细胞铁超载。缺铁的肝细胞沿缺氧诱导因子-2α(hypoxia inducible factors-2α,HIF-2α)-ATF4信号传导,增强肝细胞脂肪生成和胰岛素抵抗。在肝星形细胞中,铁超载引起活性氧水平升高和氧化应激,从而促进铁死亡和肝纤维化的进程[41]。Das等[42]通过小鼠实验发现,肠道微生物群可通过抑制HIF-2α的表达来限制铁的吸收。因为铁的吸收主要受HIF-2α的调节[43]。此外,肠道微生物群也可以通过抑制HIF2α-ATF4信号传导减轻肝细胞脂肪生成和胰岛素抵抗。而铁超载会改变肠道微生物群多样性,使其抑制HIF2α的能力减弱。到目前为止,铁死亡在MAFLD中的作用尚未完全阐明。Tong等[44]通过研究铁死亡抑制剂利普他汀-1在 MAFLD小鼠模型中的治疗效果,发现利普他汀-1可降低MAFLD小鼠模型的肝脂肪变性、线粒体参与的氧化应激,减轻肝损伤和纤维化的程度。一些以铁死亡为靶标的药物,如索拉非尼、柳氮磺吡啶等也被广泛报道,这使得铁死亡可能成为治疗MAFLD的关键靶点[45]。这些证据表明,铁死亡在MAFLD的病理进展中起关键作用,抑制铁死亡可能有助于维持肠-微生物群-肝轴的稳定以及延缓MAFLD的进展。

3.2微生态制剂 肠道微生物群失衡和肠源性内毒素可改变肠道通透性,进而使肠源性内毒素通过肝肠循环吸收入血,最终导致肝脏炎症和MAFLD。益生菌、益生元及合生元等相互作用,共同参与肠道微生物群稳态的调节,为MAFLD提供了一个可能的治疗靶点。目前最常用的是传统益生菌,包括双歧杆菌属和乳酸杆菌属。周响等[46]通过临床研究发现,与对照组相比,加用益生菌辅助治疗2个月的MAFLD人群肝功能和炎症因子水平明显改善,肝脂肪变程度下降。这与钟明月等[47]的研究结果相一致,外源性补充益生菌可能起到辅助治疗MAFLD的作用。荟萃分析发现,益生菌与谷丙转氨酶、谷草转氨酶和谷氨酰转肽酶水平的降低密切相关,这表明益生菌补充剂可能通过调节肠道微生物群的组成和代谢对肝功能起保护作用[48]。在最近的小鼠实验中发现,人工益生菌如表达人ADH1B的益生菌,可减少肠道对酒精的吸收,减轻酒精引起的肝损害[49]。有关小鼠血清的非靶向代谢组学分析表明,罗伊乳杆菌作为一种肠道益生菌,可以显著增加肠道微生物衍生的代谢产物,如吲哚及其衍生物,从而调节cGMP/cAMP信号轴的作用途径,在减轻肝脏炎症、调节机体免疫和抑制肥胖方面发挥的重要作用[49]。此外,益生菌还可以通过产生SCFA来改善MAFLD[50]。最新研究发现,一类名为NGPs新型益生菌在治疗MAFLD方面显示出巨大的治疗潜力,但还需要大量的临床实验去证实[51]。

3.3抗T细胞介导的免疫炎症反应 目前,除了胰岛素抵抗、氧化应激和脂肪毒性等常见致病因素外,免疫细胞,特别是T细胞介导的免疫反应在MAFLD中的作用越来越受到重视。MAFLD和T细胞介导的免疫反应之间的这种相互作用也与肝-肠免疫串扰和肠道微生物群失衡有关。临床试验表明,益生菌可减轻肠道CD8+T细胞对肝脏的影响,进而改善轻度、中度、重度MAFLD患者的肝脂肪变性[52]。动物实验中,益生菌表面的脂质抗原促进了小鼠肝脏自然杀伤细胞的增殖,进而改善小鼠肝脏脂质积累和胰岛素抵抗[53]。综上,说明通过T细胞介导的免疫反应调控肠道微生物群是治疗MAFLD的潜在靶点。

4 小结与展望

肠道微生物群参与机体多种生命活动,如肠道屏障的形成、糖脂代谢及全身抗炎免疫的调节。它不仅向邻近的器官和组织发出信号,而且向机体远处的器官和组织发出信号,并干扰例如脑-肠轴、肝-肠轴以及宿主的免疫系统。宿主和肠道微生物群之间的共同代谢产物,如胆碱、BAs、SCFA 、乙醇等的肝肠循环参与许多肠-肝轴疾病的发病机制,最典型的如MAFLD。因此,应用抗生素选择性地消耗不同的微生物群或使用铁死亡抑制剂、微生态制剂,甚至粪菌移植来调节肠道微生物群将可能成为预防和治疗MAFLD的潜在新靶点。肠道微生物群作为导致MAFLD患者肠道和肝脏损害的核心因素,试图通过肠-微生物群-肝轴的这样一个较为全面的概念,使我们对肠道微生物群在MAFLD患者肝损害致病过程中的重要作用有了新的认识,并为理解MAFLD的发病机制和防治措施提供新思路。