人的肠道中生活着几千亿个细胞(10
13数量级),它们与人体处于共生状态,在维持肠上皮细胞的功能、保持肠黏膜屏障的完整性、抑制致病菌的生长、以及营养物质的消化吸收方面起到重要的作用。肝脏约70%的血液供应来自于门静脉系统,肠道内的细菌及其产物,如细菌脂多糖(LPS)、非甲基化的CpG DNA片段等,可随着门静脉血流进入肝脏。在正常的情况下,由于肠道黏膜屏障的作用,进入肝脏的细菌及产物只有痕量,肝脏能很快地予以清除。在肠黏膜屏障功能受损、肠道通透性增加以及肠菌群过度生长的情况下,这些细菌及产物会大量通过门静脉系统进入肝脏,称为细菌移位。这些肠源性的细菌及产物能激活肝脏的非特异性免疫系统,主要是通过Toll-like受体(TLR)。TLR主要表达在肝脏枯否细胞、内皮细胞、树突状细胞、星状细胞(HSC)等的细胞膜上。TLR激活这些细胞后,产生大量的炎症性细胞因子和趋化因子,引起或加重肝脏的炎症反应,甚至导致
肝硬化、
肝癌的发生。
酒精性肝病包括包括酒精性脂肪肝、酒精性脂肪性
肝炎、酒精性肝硬化。除了乙醇及其代谢物对肝细胞的直接损伤外,肠道来源的LPS在酒精性肝病的进展中起着重要作用。
过量的酒精摄入能引起肠道菌群比例失调及过度生长。乙醇的代谢产物乙醛还会破坏肠黏膜细胞间的紧密连接,导致肠黏膜屏障的通透性增加,引起肠道细菌移位。慢性酒精摄入的患者及动物的血清LPS水平明显升高,进入肝脏的LPS能激活肝脏枯否细胞及HSC膜上的TLR-4受体,引起MCP-1、MIP-1α、MIP-1β、RANTES等趋化因子的产生。这些细胞及因子的激活在肝脏炎症、脂肪变及纤维化的进程中起到重要促进作用。TLR突变的小鼠能够抵抗酒精介导的肝脏损害,应用抑制肠道细菌的抗生素能降低酒精引起的LPS升高及肝脏炎症程度。
非酒精性脂肪性肝炎
非酒精性脂肪性肝炎(NASH)是代谢综合征在肝脏中的表现。在组织学上表现为肝细胞的脂肪变、空泡样改变,炎症细胞浸润以及纤维化,可进展为肝硬化。
肥胖和胰岛素抵抗是NASH的重要危险因素。多项动物实验表明,肠道菌群与肥胖相关。将肥胖小鼠和消瘦小鼠的肠道细菌分别植入野生型无菌小鼠的肠道内,都给予常规饮食,结果表明植入了肥胖小鼠肠道细菌的小鼠的肥胖程度高于植入消瘦小鼠肠道细菌的小鼠。其机制可能是肠道菌群能影响营养物质的代谢吸收及肠道黏膜屏障的功能。
在NASH患者中,可见到小肠细菌过度生长(SIBO)、肠黏膜细胞间的紧密连接被破坏及通透性增加,并且与肝脏脂肪变的炎症程度相关。
在NASH的发病中,除了LPS激活TLR-4相关的信号转导通路外,细菌的DNA片段还能激活TLR-9信号通路,刺激枯否细胞产生IL-1β,继而导致脂质在肝细胞的沉积和细胞坏死,IL-1β还能刺激HSC引起
肝纤维化。
肝纤维化及肝硬化
在长期反复的炎症刺激与细胞损害下,肝脏的组织修复的同事激活免疫系统,使肝内细胞外基质过度增生与异常沉积,引起肝脏结构和功能的改变,轻者称为肝纤维化,重者使肝小叶结构重建、假小叶及结节形成,称为肝硬化。肝硬化是多种肝脏疾病的终末阶段,,主要表现为门脉高压及肝功能不全两大症候群。
肝硬化时易引起细菌移位,主要原因是肝硬化时胆汁分泌减少,胃肠道动力减弱,肠道菌群会过度生长及比例失调。门静脉系统的淤血及氧化应激会引起肠上皮细胞的水肿、坏死,从而增加肠黏膜屏障通透性。细菌移位及LPS引起免疫细胞活化,产生一氧化氮和TNF-α等炎症因子,进一步加重门脉高压及肝硬化程度。研究发现,肝硬化患者血液中的LPS明星增高,TLR-4及其辅助受体基因突变的小鼠能抵抗四氯化碳及胆汁淤积引起的肝纤维化。可见,肠道菌群移位与肝硬化之间存在恶性循环。
肝硬化的患者发生感染的风险增加,病原菌以格兰阴性杆菌为主。主要感染类型包括自发性细菌性腹膜炎(SBpR)、泌尿系感染、肺炎和自发性菌血症。SBP的发生与SIBO密切相关。发生SBP的肝硬化患者中SIBO的几率高于无SBP患者,相应地,有SIBO的肝硬化患者发生SBP的几率高于无SIBO的患者。
肝细胞肝癌
肝细胞肝癌(HCC)是在环境与遗传因素的共同作用下发生的,与80%的HCC发生于肝脏慢性损伤导致的肝纤维化和肝硬化基础上。
亚硝酸盐、有机氯化合物、黄曲霉素是已知能诱发HCC的肝毒性物质。有报道称肠道细菌能将肠道中的硝酸盐转换为亚硝酸盐和亚硝酸胺而诱发
结直肠癌,提示肠道菌群在亚硝酸盐代谢中扮演了一定角色。
肝螺旋杆菌是新近分离的螺旋杆菌亚种,动物研究显示它能增加黄曲霉素诱发肝癌的风险,而肝螺旋杆菌同时存在于患者的肝脏和肠道中。
另外,动物研究表明,肠源性LPS能通过TLR-4途径加快小鼠HCC的发展,TLR-4突变或肠道灭菌能延缓小鼠HCC的进展,提示TLR-4和肠道菌群可能是延缓HCC进展的治疗靶点之一。
结论
由于肝脏和肠道直接存在紧密的解剖及病理生理联系,学者们常使用“肝肠轴”、“肝肠对话”来描述这种关系,这为肝脏疾病的发病机制和治疗研究提供了一个全新的视野。肠道菌群的组成有着相当发杂性,受食谱及遗传因素的影响,个体间肠道菌群的差异非常大,目前还缺乏很好的手段分离和鉴定所以的菌种,所以目前的研究尚未完全阐明特定菌株在肝肠轴中的作用,未来的研究还依赖于微生物鉴定技术的发展。细菌移位在肝脏疾病中的分子生物学机制也需进一步研究。
鉴于肠道菌群及TLR香港信号通路在肝脏炎症及纤维化中的重要作用,益生菌正成为治疗肝脏疾病的新途径。益生菌能加强肠道黏膜屏障功能,抑制致病菌的生长,从而减少细菌移位,其在酒精性肝病、NASH、肝硬化、HCC等肝病中的作用有待进一步研究。
肝脏与肠道微生态具有密切的联系。正常情况下,二者保持默契的配合状态。在病理状况下二者也相互影响,甚至形成恶性循环。肝脏疾病与肠道微生态之间的关系也是本届EASL的热点之一,大会特设分会讨论了“肠道微生物、代谢絮乱和肝脏脂肪变”、“以肠道菌群为靶向的抗炎与抗代谢絮乱治疗”和“肝脏肠道菌群易位:脂肪肝的新方向”等多个话题。这里摘选一些最新报告供大家学习,开拓视野,其中一些研究甚至揭示了肠道微生态与肝脏疾病,如脂肪性肝病之间的因果关系。
转移肠道微生物,转移肝脏对酒精的敏感性
在重度酗酒者中,只有15%~30%会发展为重度酒精性肝病(ALD),这说明除了酒精以为,还有其他因素影响着ALD的发生。通过肠道微生物植入的方法,法国学者Marta Llopis等成功地再无菌小鼠身上复制出了人体肝脏对酒精的敏感性差异,提示了肠道微生物与ALD发生之间的因果关系。
该研究中的典型肠道微生物分别来自两例患者,一例为重度酒精性肝炎(AH)患者,另一例为摄入酒精量相似但无AH的患者,研究者将来自这两例患者的粪便中的微生物分别转移至2组C57BL/6J无菌小鼠体内(sAH组和nonAH组)。待微生物稳定生长后,以改良液体Lieber de Carli含酒精饮食(酒精含量3%)饲养5周。
结果发现,sAH组小鼠出现了人类ALD的特征:体重大幅度下降,肝脏重量增加,肝内CD45+细胞核CD4+效应性淋巴细胞浸润,血浆ALT浓度升高。另外,sAH组小鼠的肠道通透性显著下降,肠系膜淋巴结和内脏脂肪中以大量淋巴细胞募集,主要为CD3+细胞、CD4+细胞、CD4+效应T细胞、NDT细胞和CD8+细胞毒T细胞。
肝硬化患者肠道微生态对于粪便胆汁酸的调节作用
初级胆汁酸(BA)、鹅去氧胆酸(CDCA)和胆酸(CA)经过7α-脱羟基化分别生成次级BA、石胆酸(LCA)和脱氧胆酸(DCA),这一过程是肠道微生物的一个重要功能。BA可能与肝硬化的进展有一定的关系,美国乔治梅森大学微生物分析中心学者对之进行了研究,认为肝硬化,尤其是晚期肝硬化存在初级BA向次级BA转化下降的问题,这可能与关键的肠道微生物家族丰度变化有关系。
结果显示,与对照组相比,肝硬化患者的粪便中CA比例较高(48% vs 14%,P<0.01),但CDCA的比例相当(70% vs 57%,P<0.4)。再对照组患者粪便中均能测到次级BA,但肝硬化患者只能见于部分患者:34%的肝硬化患者未检测到LCA,37%的肝硬化患者未检测到DCA(与对照组相比,P值均<0.001)。对照组、早期肝硬化组和晚期肝硬化组的粪便总BA浓度相似(分别为508、597和438 µmol/g,P=0.21),但晚期肝硬化患者组的次级BA浓度低于对照组(LAC:83.2 µmol/g vs 12.7 µmol/g,P<0.01;DCA:110.7 µmol/g vs 8.3 µmol/g,P<0.002)。DCA/CA比值和LCA/CDCA比值从对照组到早期肝硬化、晚期肝硬化呈进行性下降。三组的DCA/CA比值依次为:6.3、5.2、和0.9µmol/g(P=0.05),LCA/CDCA比值依次为:50.1、22.0和8.7µmol/g(P=0.05)。相比之下,粪便初级BA的浓度再对照组中最低,在晚期肝硬化患者中最高。
与对照组相比,肝硬化患者的肠杆菌丰富较高,但Lachonospiraceae、Ruminococcaceae和Blautia的丰度均较低。胆汁酸浓度与不同肠道细菌的相关性不同。
肥胖人群容易罹患如糖尿病、非酒精性脂肪性肝病等疾病,二者与胰岛素抵抗和肝脏炎症有关。而法国学者Philippe Gerard等通过将常规小鼠的肠道微生物移植给无菌小鼠的策略,发现了特定肠道细菌在这两种疾病的发生发展中的致病作用,而且这一作用与肥胖无关。
研究者们用高脂餐饲养常规小鼠16周。其中12只小鼠对高脂餐的反映截然不同,它们体重相同,但一只小鼠的快速血糖值较低、肝脂肪变较轻(无反应小鼠);另一只小鼠出现胰岛素抵抗和显著的肝脂肪变(有反应小鼠)。研究者将来自这两只小鼠的肠道微生物分别植入无菌小鼠的肠道,同样给予高脂餐饲养16周。
结果发现,植入有反应小鼠肠道微生物的小鼠(RR组)同样出现血糖升高和胰岛素抵抗,而植入无反应小鼠肠道微生物的小鼠(NRR组)仍维持正常血糖,对胰岛素敏感。RR组还出现大泡性肝脂肪变,肝内甘油三酯含量增加,与原发脂肪形成香港的基因表达增加。NRR组则没有发生这些变化。原位荧光杂交显示,RR组小鼠粪便细菌中乳酸菌-肠球菌、拟杆菌、Atopobium和Akkermansia muciniphila 的比例较低。研究人员还在所以RR小鼠的菌落黏液中均发现了一种Lachnospiraceae,提示这类细菌与RR小鼠对高脂饮食的病理反应有关。
非酒精性脂肪性肝病患者存在肠道微生态失调
非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是西方国家最常见的慢性肝病,越来越多的证据提示,肠道微生物参与了该病的发生发展。我国浙江大学第一附属医院李兰娟院士领导的一项研究率先揭示:NAFLD患者存在肠道微生态失调,这一失调与常规生化学有关。
与对照组相比,NAFLD患者的肠道细菌中的拟杆菌更多(66% vs 48%,P=0.007),相应地,硬壁菌门细菌更少(27% vs 50%,P=0.001)。患者肠道内的Faecalibacterium、Dorea、Shuttleworthia、粪球菌和乳酸杆菌含量显著下降,双歧杆菌、假丁酸弧菌和Alistipe也减少。潜在致病菌,如小杆菌、大肠杆菌和链球菌增加。此外,患者粪便细菌中的革兰阴性菌比例更高(87.56% vs 74.10%,P=0.002)。
研究还发现,尽管所有这些患者的生化学指标处于正常范围,但血清高尿酸、高ALT/AST比值和高快速血糖值是肠道微生物发生改变的主要相关因素。
以上来源:王江源,刘玉兰。《肠道菌群与肝脏疾病》。《国际肝病》。2012年5月第5期