胆汁酸-微生态轴在肝硬化进展中的调节作用

王海强 郑淑丹 石璠 赵梅 郑丽红

健康的肝脏是体循环和肠道之间的屏障,当肝硬化发展及演变时,导致屏障功能失调,而胆汁酸(bile acids,BA)与肠道微生态的平衡在维持人体健康方面发挥重要作用[1]。BA是介导肝脏和肠道微生态的信号分子,会影响脂质平衡、炎症反应、纤维化、肠道屏障功能,最终影响肝硬化患者病情的严重程度[2]。胆汁酸与肠道微生物群的复杂关系在一些临床试验已经被发现,血清胆汁酸水平升高与肝硬化和慢性肝病中神经功能降低密切相关。本文对胆汁酸及肠道微生物群特征性变化影响肝硬化疾病过程进行综述,提示胆汁酸及肠道微生物在肝硬化及其并发症中的临床应用前景。

一、胆汁酸的合成与功能

胆汁酸是从肝脏中的胆固醇合成的有效的代谢和免疫信号分子,主要通过两种途径合成:经典途径和替代途径。经典途径主要合成胆酸(cholic acid,CA)和鹅去氧胆酸(chenodeoxycholic acid,CDCA),约占人类总胆汁酸池的90%以上,因此经典途径被认为是胆汁酸合成的主要途径[3]。胆固醇7α-羟化酶(cytochrome P450 7A1,CYP7A1)作为胆汁酸经典途径的启动因子, 通过7α-羟基胆固醇转化为7α-羟基-4-胆甾烯-3-酮(C4),C4是反映肝脏BA合成速率的血清标志物,在细胞色素P450 8B1(Cytochrome P450 8B1,CYP8B1)的进一步作用下形成了CA,或经线粒体甾醇27-羟化酶(Mitochondrial sterol 27-hydroxylase,CYP27A1)修饰转化为CDCA[4,5]。此外,胆汁酸合成的总体速率受CYP7A1调节,CYP8B1可以调节胆汁酸池中的CA/CDCA[3]。这些初级胆汁酸与过氧化物酶体中的甘氨酸和牛磺酸结合以减少毒性并增加溶解度[6]。随后这些初级胆汁酸,通过小管膜随胆汁储存在胆囊中,进食后十二指肠分泌胆囊收缩素刺激胆囊收缩,继而使胆汁输入到肠道,最终转换为次级胆汁酸[7]。在回肠远端,BA被顶端钠依赖性胆汁酸共转运蛋白(apical sodium-dependent bile acid transporter,ASBT)重新吸收进入肠细胞中,经有机溶质转运蛋白α和β(organic solute transporter-α and -β,OSTα/β)基底外侧膜输出到门静脉循环中[8]。每天,大部分BA分子(约95%)被重新吸收进入循环BA池,只有一小部分(约5%)被排泄到粪便中[9]。因此,肠道微生物群在BA修饰和随后的组成中发挥重大作用。在肝细胞基底膜上,钠-牛磺胆酸共转运多肽(sodium/taurocholate cotransporting polypeptide,NTCP)是主要的BA转运体,从门静脉循环中摄取BA进入肝细胞[10]。从肠道释放入门静脉循环中的BA被重新吸收回肝脏再循环的整个过程称为“肠肝循环”。多重耐药相关蛋白虽不直接参与肠肝循环,但负责将重要的磷脂分泌到胆汁中,若多重耐药蛋白2信号中断,可能会引起游离BA增加,促进胆汁上皮的损伤[11]。

二、肠道菌微生物组

人类肠道像一个厌氧生物反应器,成为我们肠道大部分微生物的栖息地。这些微生物包括各类细菌、古细菌和真核生物[12],它们与机体存在共生或对抗作用。人类肠道细菌群由数万亿的微生物组成,它们属于4个主要的门:厚壁菌门占60%,拟杆菌门占22%,放线菌门占17%,变形菌门占1%[13]。最近的研究表明,处于慢性疾病状态下的患者,与健康人相比肠道微生物群比例与多样性存在明显差异。肠道微生物菌群的稳态受BA、酒精、饮食、某些药物(如益生菌、抗生素)和疾病的影响,微生态的失调会对宿主代谢产生负面影响,从而导致酒精性或非酒精性脂肪肝、肝硬化、肝性脑病、原发性胆汁性胆管炎、肝细胞癌、炎症性肠病等疾病,微生态失调程度也会随肝病严重程度强化和持续[14]。

三、胆汁酸与肠道微生物群的双向调节作用

肠道微生物群参与BA的合成及其生物信号的循环,反之,BA也从根本上塑造了肠道微生物群。细菌胆盐水解酶(bacterial bile salt hydrolase,BSH)和7α-脱氢酶对调节BA的代谢和平衡至关重要,几乎所有的初级BA都要通过7α-脱羟基化作用转化为次级BA,包括石胆酸(lithocholic acid,LCA)和脱氧胆酸(deoxycholic acid,DCA)。次级BA会导致细菌生物膜不稳定及肠道通透性增加,并具有直接的抗菌作用[15]。BSH和胆汁酸7α-脱羟基反应似乎仅限于数量有限的肠道厌氧菌,占结肠总菌群的一小部分[11]。梭菌属表现出7α-脱羟反应活性,肠道中大部分革兰阳性菌均具有BSH活性,但革兰阴性菌中只存在于拟杆菌属[16]。BA在调节宿主代谢方面的主要受体是核受体法尼醇X受体(farnesoid X receptor,FXR)和武田G蛋白偶联受体5(G protein-coupled receptor,TGR5)。BA作为一种重要的信号分子,与受体结合以调节炎症反应并维持免疫稳态,并影响肠道微生态结构。

事实上,一项通过比较无菌小鼠和常规饲养的FXR敲除小鼠的研究表明,在肠道菌群存在的情况下,小鼠BA池的减少可能也反映了回肠远端胆汁酸重吸收的减少和粪便中BA排泄量的增加[17]。益生菌鼠李糖乳杆菌GG属于乳杆菌属,在应用该药治疗胆管结扎和多重耐药蛋白2基因敲除诱导肝纤维化小鼠的研究中表明,该益生菌的治疗作用是通过上调肠道FXR-FGF19信号转导抑制BA的从头合成,并增强具有BSH活性的厚壁菌门和放线菌门水平,从而增加BA从粪便排泄[18]。肠道微生物受BA池大小和组成的影响,并且BA可以作为肝脏疾病严重程度的指标[1]。综上所述,胆汁酸-肠道微生态轴系的稳态在肝脏炎症、纤维化及肝硬化中发挥重要作用。

四、肝硬化、胆汁酸、肠道微生物的三角关系

BA作为调节肠道微生态的重要因素,肠腔内BA浓度的升高有利于进行7α-脱羟基的细菌生长,防止生态失调和炎性标志物释放。而较低的肠腔BA水平有利于革兰阴性菌的生长,会引起致病菌过度繁殖,诱导炎症标志物的释放及肝脏炎症反应增加。在肝硬化时,生态失调是胆汁盐进入肠腔浓度较低的结果[19],提示肠道微生物群、胆汁酸水平与肝硬化发展之间存在联系。

(一)BA与肝硬化 研究表明,随着慢性肝病或肝硬化的进展,总胆汁酸浓度显著降低和次级BA /初级BA的降低,血清BA浓度显著低于粪便水平,血清中结合BA和非结合初级BA水平较高。饮酒是肝硬化发病原因之一,在伴有酒精性肝炎的重度酒精性肝硬化的血清中CDCA相对增加,并溢出到体循环,而DCA相对减少[20]。Genta等提出[21],与戒酒性肝硬化和其他慢性肝病及不饮酒的健康对照组相比,肝硬化伴有长期饮酒的患者总粪便和继发性粪便BA浓度显著增加。一项对酒精性肝炎患者BA的分析发现,血清总BA、结合BA和血清FGF19水平增加,但是从头合成BA受到抑制。重要的是,这与酒精相关性终末期肝病模型呈正相关[22]。

BA信号可能通过FXR和TGR5途径介导的抗菌防御肠道屏障完整性,最终影响肝硬化、全身炎症。抑制BSH活性会增加肠道结合BA丰度,并防止胆碱缺乏l-氨基酸定义的高脂饲料喂养的大鼠发生肠道通透性增加,以及肝脂肪变性和肝脏炎症的发展[23]。肠腔内源性BA的释放和TGR5激动剂促进肠道类器官的生长,改善结肠炎小鼠的上皮损伤[24]。此外,LCA的衍生物,通过增加FoxP3表达诱导外周Tregs细胞,还能抑制表达IL-17a。LCA已被证明可以通过TGR5减少脂多糖诱导的促炎细胞因子的释放和巨噬细胞的吞噬活性,从而抑制肝脏炎症[1][25]。

(二)BA与肝性脑病 失代偿期主要的并发症为肝性脑病,是一种以高氨血症为特征的神经精神并发症,先前被证明与血液中氨和BA水平升高有关[26]。氨主要来源于肠道,肠道细菌产生过多的氨可能导致循环中氨含量增加,同时肝脏受损导致尿素循环障碍,对氨清除不足,也能引起循环中氨浓度异常升高,氨容易透过血脑屏障进入大脑[27]。肝硬化患者血清结合胆汁酸升高,在肝性脑病期间血液中的BA进一步升高会导致大脑胆汁酸升高,由于BA可以作为洗涤剂,诱导血脑屏障的通透性,从而导致脑损伤[28]。慢性肝病小鼠模型和偶氮甲烷诱导的急性肝衰竭小鼠模型研究中,ASBT介导BA重吸收,使肠腔pH升高,氨量增多,促进肠氨转化为血氨,导致血液和大脑中神经毒性氨和细胞毒性BA水平异常高水平,最终损伤神经。相反,通过SC-435(ASBT抑制剂)阻断肠道胆汁酸再吸收,降低循环BA和氨浓度,从而减轻肝脏和大脑损伤[29]。因此,ASBT类抑制剂可能成为一种新的治疗方法,主要针对因BA和氨调节障碍为主的慢性神经疾病,如肝性脑病。

DCA是控制肠道细菌生长和肠道微生物最有效的杀菌剂,肝性脑病患者的认知功能和内毒素血症的改善也是DCA/CA降低的结果[19]。肠杆菌科与人类粪便中CDCA呈正相关,并与肝性脑病的发生密切相关,而瘤胃球菌属与DCA呈正相关,但在生化指标方面瘤胃球菌属与总胆汁酸、总胆红素水平显著负相关[20][30]。

(三)肠道微生态与肝硬化 术语“肝硬化生态失调比率”是微生态失衡与肝硬化进展相关的指标[31],与健康对照组相比,观察到肝硬化中微生物群的比例变化,潜在致病菌如肠杆菌科和链球菌科在家族水平的肝硬化患者中普遍存在,变形杆菌和梭杆菌相对过度生长和有益的拟杆菌、乳酸杆菌和双歧杆菌比例明显降低。这些变化随着肝硬化的进展变得更加严重,当发展到肝性脑病时,可能会发生菌群的生态失调[32]。

在一项观察肝硬化患者粪便微生物群落特征变化的研究中已阐明,肝硬化的微生物组与乳酸杆菌科和拟杆菌科的减少,可能与蛋白杆菌和梭杆菌(大多数蛋白菌序列属于类变形菌)的增加有关。该研究还证明了Child-Turcotte-Pugh(CTP)评分与链球菌科呈正相关,梭菌显著减少导致促炎反应,并与CTP评分呈负相关[32,33]。肠道屏障功能障碍是肠道菌群失衡和细菌易位的重要表现,使病原体细菌定植于内层黏膜,病原体相关分子模式的渗透性增加,导致细菌转移至肠外部位,从而推动肝脏的炎症与纤维化[34]。肝硬化患者门静脉血中与肠黏膜相似的菌群成分,肠杆菌科的普遍存在,正好可以解释大肠埃希菌是肝硬化患者门静脉炎症的主要原因[35]。因此,恢复肠道屏障生态是肝硬化及肝病治疗的一个重要方向。

(四)肠道微生态与肝性脑病 肠道微生物组和肠道通透性改变可能会发生相关大脑和肠道的双向作用功能障碍。肝性脑病临床分类从轻度或隐性肝性脑病到显性肝性脑病,患者认知能力逐渐下降[36],其病理生理机制推测可能与氨的积累和肠道微生物的活性有关。在肝硬化患者中,含有脲酶的微生物是人体氨的重要来源,通常是革兰阴性菌(如克雷伯菌和变形杆菌),它们可以催化尿素转化为氨,然而肝脏清除受损导致氨累积,并与炎症的协同作用下加剧神经损伤而引发肝性脑病[37]。这说明了肠道微生物群在人类肝性脑病发病中的中心作用,并表现出神经炎症、全身炎症、高氨血症和脑水肿的证据。

通过利福昔明证实了肝性脑病患者肠道微生物群功能的改变很可能在机制上与认知障碍有关系。利福昔明是一种治疗肝性脑病有效的抗生素,具有广谱抗菌活性,在其治疗的肝硬化和隐性肝性脑病患者中内毒素血症减少,认知功能改善,伴有有害代谢物减少,以及BA组成和肠道微生态的改变[38]。利福昔通过增加轻度肝性脑病患者的血清长链脂肪酸和碳水化合物代谢中间水平,降低产氨细菌(如梭状芽胞杆菌和链球菌)的多样性和丰度,进而影响血清促炎细胞因子和次级胆汁酸,以改善肠道微生物群的结构和肠道免疫功能[39]。

以下几项研究更具体地描述了微生态失调和肝性脑病的联系。在隐性肝性脑病患者中肠道微生态群明显紊乱,潜在致病性大肠埃希菌和葡萄球菌属过度生长[40]。Sung及其同事进行了健康个体和肝硬化患者的对比分析发现,在急性肝性脑病患者中,拟杆菌的相对丰度降低,而厚壁菌、变形杆菌、放线杆菌和小韦荣球菌的相对丰度增加。此外,也证实了肝性脑病复发与特定菌群存活时间之间的联系[41]。其他研究表明,有益菌属中的毛螺菌属、罗氏菌属、粪球菌属均与肠内氨浓度、相关炎症因子表达和内皮激活呈负相关,但与肠道IgA浓度和肠道免疫功能呈正相关,有助于抑制肝性脑病的疾病进展,改善患者认知功能[42]。这些研究表明,炎症、认知功能和微生物群变化之间相互作用在肝性脑病中发挥作用,并可预测肝性脑病的进展。

五、结论

越来越多的证据表明,BA作为调节肠道-肝脏-大脑轴系中的关键因子,在一定程度上对微生物群产生有利影响,但同时也会影响肠道屏障及血脑屏障的通透性,从而诱发肝硬化炎症及肝性脑病等并发症。在肠道中,肠道微生物群和BA之间的双向调节作用有助于疾病的发展。有必要进一步研究BA-肠道微生态轴,以探索肝硬化的致病机制。总之,更深入地了解BA信号转导和微生态的复杂关系,有助于我们在未来更好地治疗和管理肝硬化。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。