文獻分享丨腸道菌群與肝臟疾病
腸道在調節人體各器官生理機能中的重要作用日益得到重視，腸道和肝臟之間的雙向交流也不例外。肝臟健康受腸-肝軸的不同關鍵因子影響。腸道衍生產物主要來源于膳食成分、微生物代謝物、毒素或其他抗原被感知并通過門靜脈運送到肝臟，肝臟進而響應分泌膽汁酸和抗體。因此，保持健康的腸道微生物可以通過調節腸道屏障來促進腸-肝軸的穩態功能和減少抗原分子。相反，肝臟分泌物也能調節腸道微生物組成。體內平衡紊亂會使腸腔內抗原到達肝臟，導致肝臟功能受損而引起肝臟疾病。腸道微生物、滲透性和膽汁酸的擾動已被證實與幾種肝臟疾病有關，盡管精確的機制在很大程度上仍未解決。發表在Life Sciences的這篇綜述作者討論了健康的腸-肝軸的功能指紋，同時考慮從機制上理解肝臟疾病的病理生理和腸道失調在肝臟不同病變狀態中的作用。此外，還討論了預防肝臟疾病嚴重程度的新治療方法。
美國佛羅里達州立大學Ravinder Nagpal團隊于2023年5月在Life Sciences期刊上發表題為“Gut microbiome as a therapeutic target for liver diseases”的文章，對常見肝病與腸道菌群的機制進行了探索。原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.lfs.2023.121685。
01 前言
腸道可以被認為是除大腦之外我們身體的第二個調控單元，因為腸道內發生的活動可以影響我們的生理，而這些活動都是由腸道微生物驅動的，因此腸道菌群常常被稱為人體的“第二大腦”。對無菌動物進行的研究表明，腸道微生物組控制新陳代謝和食欲信號，腸上皮屏障的功能的完整性，以及協調宿主免疫系統的功能。腸道可能同時攜帶有益和有害的微生物，但最終由它們的比例決定個人的整體健康狀況。新證據表明腸道生態失調通過比如腸-骨軸，腸-腦軸，腸-血管軸和腸-肝軸與各種胃腸道以及非胃腸道感染相關。
腸肝軸描繪了腸肝之間的雙向交流，由門靜脈維持，允許運輸腸源性信號分子傳遞給肝臟和通過抗體和膽汁分泌到十二指腸小腸部分進行肝臟反饋。腸道菌群、黏膜、腸上皮、微生物代謝物、抗原運輸、飲食成分、免疫系統狀態和氧化應激是調節腸肝軸的功能的幾個關鍵因素。腸腔攜帶大量微生物、抗原、未消化或未吸收食物成分，代謝終產物以及從腸上皮層脫落的上皮細胞。腸粘膜、腸上皮和血管內皮層共同形成一個動態而又選擇性的屏障系統防止腸道微生物群和抗原進入血液。然而，腸道菌群組成紊亂（生態失調）或其他一些因素可能會使這種結構性腸道屏障惡化，導致不局限于腸道的疾病。新出現的證據表明，腸道滲漏（高滲透性）使抗原，微生物和它們的代謝物到肝臟最終導致肝臟炎癥和疾病。雖然腸道微生物在慢性肝病中的作用早已為人所知，但對腸-肝軸在肝臟病中的作用機制和重要性的認識尚不明確。
02 體內平衡環境下的腸-肝軸
我們的門靜脈作為一個橋梁，允許腸道和肝臟之間進行雙向信號傳遞。粘膜、腸道上皮內層、下層粘膜免疫系統和內皮血管內膜是隔離管腔含有來自肝臟的有毒抗原內容物的關鍵成分，只允許選擇性分子進入腸肝循環。腸-肝軸的組成如圖1所示。
圖1. 腸-肝軸不同構成部分的相互作用圖示。
允許宿主和不引起炎癥反應的菌群共生的兩大原則有：（i）限制細菌與上皮細胞的相互作用；（ii）免疫系統的有效性。細菌和宿主的物理分離是基于粘液分泌進入腸腔創造抵御微生物入侵的第一防線。大腸和胃有相對明確而有組織的兩層粘膜層。而小腸的粘膜層是不連續的。在小腸中，粘液會在小腸底部分泌隱窩的頂部分泌，然后在絨毛之間向上移動。因此，絨毛的尖端并不總是被粘液覆蓋。
2.1粘液
粘液，由特殊的腸上皮細胞杯狀細胞分泌，是一種巨大且帶高度負電荷的糖蛋白，被稱為粘蛋白。分泌型和膜相關型粘蛋白通常以組織和細胞特異性的方式表達。在鑒定的20種不同類型的粘蛋白中，MUC-2是主要的在腸道組織上皮表面黏液層分泌黏液型糖蛋白。粘蛋白的產生是至關重要的，報告顯示MUC-2缺陷小鼠結腸炎的發生幾率和患炎癥性結直腸癌的風險增加。
與無菌的內黏液層不同，外黏液層被共生細菌定殖。Muc2富含半胱氨酸的蛋白裂解的部分促進了擴張，并允許微生物穿透基質層。一旦共生細菌進入粘液凝膠，它們會從粘蛋白聚糖中去除單糖，從而暫時維持外粘液層的厚度。此外，粘蛋白單糖被特定的共生菌用作為能量來源，從而回收一些能量用于產生粘蛋白。共生菌的聚糖降解能力也有助于從不可消化的纖維中獲取額外的能量。此外，最終產品 （短鏈脂肪酸；SCFAs）可以很容易地擴散通過粘液層，被結腸腸細胞作為能量來源。SCFAs介導的結腸腸細胞上表達的G蛋白偶聯受體的激活 （GPR41和GPR43）表明微生物 代謝產物可以為細菌和宿主提供一個緊密的耦合。粘液的動態變化由粘蛋白的持續產生和降解來維持，這使得微生物和脫落的粘液一起被清除。黏液降解機制，如蛋白酶活性(銅綠假單胞菌，白色念珠菌和溶組織內阿米巴)，二硫鍵還原(幽門螺桿菌)和糖苷活性(混合口服和腸道微生物群落)，這為它們提供了優勢侵入并在黏液層存活。
2.2宿主抗菌成分
黏液中含有杯狀細胞分泌的多種生物分子，以及由腸粘膜中的漿細胞產生的分泌型免疫球蛋白A（SIgA）。這些分子有助于防御屏障的功能完整性。SIgA 執行免疫排斥功能，即通過一系列逐步發生的事件，包括凝集、粘液包裹、 和/或通過蠕動清除阻止病原體和毒素進入腸上皮細胞。此外，特定的自然母乳喂養獲得的SIgA選擇性地與微生物相互作用，并促進新生兒無菌腸道逐步轉化 為高度殖民化的環境。建立的微生物群反過來刺激腸道相關淋巴組織產生IgA。因此，黏液層是一個多功能的環境，因為它提供了特定的生態、能量和屏障之間廣泛交流的平臺。
2.3小腸上皮細胞
黏液層下的單層腸上皮細胞提供了另一個強大的物理屏障，阻止進入腸腔有害抗原進入門靜脈。這個腸上皮表面有絨毛和隱窩組成，并由位于隱窩基部的腸上皮多能性干細胞不斷更新。雖然大多數腸上皮細胞是吸收性細胞，但它們作為屏障將底層組織與腸腔內容物分開。這個防御屏障的力量依賴于細胞-細胞連接復合物中蛋白質的協調行為，包括縫隙連接、黏附連接、緊密連接和細胞橋粒。沿隱窩-絨毛軸上皮細胞間散布的是專門的腸上皮細胞（IEC）譜系，主要是分泌型IEC，即杯狀細胞、潘氏細胞和腸內分泌細胞，它們構成了腸道防御系統的結構部位，被稱為“腸上皮屏障功能”。腸內分泌細胞分泌調節神經內分泌系統的激素，而杯狀細胞和潘氏細胞分泌的黏蛋白、抗微生物蛋白和其他生物分子限制了微生物與上皮表面和底層免疫細胞的相互作用。這一屏障功能受損，主要是在腸漏的情況下或通過一些活動微生物入侵可能導致抗原和微生物的易位進入下層的黏膜層。
2.4免疫系統對微生物群的控制
免疫細胞包括上皮內和固有層細胞有助于加強腸道屏障。上皮內淋巴細胞對腸上皮細胞釋放的刺激性細胞因子作出反應，或與NK細胞受體激活配體相互作用。上皮內單核吞噬細胞的突起直接將抗原分子從管腔中篩選并轉移到樹突狀細胞。因此，細胞內淋巴細胞和單核細胞細胞在一起就像對抗食物或微生物抗原的前線戰士。然而，另一條保護線是由免疫系統固有層中的細胞提供的。淋巴細胞(主要是CD4+ T細胞，包括Th17細胞和Treg細胞)、抗原特異性不變型NKT細胞和黏膜相關恒定T細胞(識別MR1呈現的核黃素代謝產物)是固有層中的關鍵角細胞。由Th17分泌的白細胞介素增強緊密連接蛋白和刺激腸上皮細胞再生。腸道上皮與分節絲狀細菌的相互作用可誘導Th17細胞促進IgA和聚合免疫球蛋白受體(pIgR)在腸腔內的分泌。在T-reg細胞中胸腺源性細胞識別自身抗原并管理功能自身反應性T細胞，而外周細胞識別和提供對腔內非自身抗原的耐受性。腸道的淋巴細胞對感染的反應也很快，它們甚至會先于T細胞的刺激產生細胞因子。腸道微生物群紊亂，特別是微生物多樣性降低，腸桿菌科、γ變形菌門、厚壁菌門、擬桿菌、乳酸菌、梭狀芽孢桿菌、瘤胃球菌科的豐度減少與炎癥性腸病（IBD）的病理狀況有關。研究表明小腸內皮細胞上的Toll樣受體(TLRs)和NOD樣受體(NLRs)可以感知微生物組的衍生抗原和代謝物變化(微生物相關分子模式，MAMPs)，在生態失調期間可能導致IBD。改變的MAMPs和受體的相互作用觸發了多種途徑導致腸道屏障被破壞，粘液變薄，腸道抗菌蛋白分泌減少。腸道生態失調也是通過上調Th17, Th1和Th2型細胞，下調Treg細胞，抑制IgA分泌進一步惡化。因此，腸道屏障包括協調的物理(粘液、上皮細胞)、生化(IgA、抗菌肽)和免疫成分(上皮內層和自體免疫細胞)功能，其中的任何變化都會導致生態失調。
2.5 膽汁酸的微生物調控
膽汁酸(BAs)，以前被認為是通過膠束形成在脂肪和脂溶性維生素的乳化中起特殊作用，現在被認為是代謝整合劑，在腸-肝軸的功能中起關鍵作用。BAs通常來源于肝細胞中的膽固醇，并以甘氨酸和牛磺酸的偶聯鹽的形式分泌到膽汁中。產生膽汁酸的組成和多少取決于從腸道到肝臟的主動反饋回路，稱為腸肝循環。95%的BA在小腸刷狀邊界被重吸收，并通過門靜脈循環運回肝臟循環。剩下的5%到達結腸，這是微生物和BAs之間的相互作用點，在那里被微生物代謝成疏水的次級BAs。有研究表明，糞膽汁酸濃度、腸道微生物組成和肝臟健康密切相關，BA量的多少和組成可能調節個體腸道微生物組成。也有研究表明，腸道菌群的代謝活性決定了BA的組成，因為它們具有去結合和7α-去羥基化初級BA的能力。有研究報道，與傳統動物相比，無菌小鼠的膽汁酸池顯著增寬，這可能是由于核受體法尼醇X受體(FXR)控制的頂端鈉依賴性膽汁酸轉運體(ASBT)的下調。此外，這些研究還觀察到，在無菌小鼠中，與傳統小鼠相似，微生物群恢復后，BA池降低，表明小鼠的主要膽鹽牛磺酸-β-鼠膽酸作為一種有效的FXR拮抗劑，促進膽汁酸合成。有研究表明，抗生素干預和膳食成分可以調節FXR激動劑和拮抗劑的比例，因此也可以影響BA池的大小，進而影響厚壁菌門:擬桿菌門的比例。報告還表明西方飲食可以將BA池從甘氨酸轉變為牛磺酸配合物，這有利于人類腸道細菌屬Bilophila 的生長。總之，飲食干預和/或抗生素調節的宿主分子決定不同腸道微生物的種群水平。在被上皮細胞重吸收后，BA的變化被FXR和TGR5受體感知，進而控制BA等代謝過程、炎癥反應和胰島素活性的分子信號級聯反應。
03 腸道失調在肝臟疾病病理生理中的作用
近年來新出現的證據表明腸道生態失調、腸漏和疾病狀況是高度關聯的。因此，腸和肝之間的交互作用也不例外。許多肝臟疾病也與腸道微生物群紊亂和腸道屏障功能障礙有關，從而導致有害抗原、微生物或微生物代謝物進入全身/門靜脈循環系統。肝臟疾病的進展進一步加劇了腸道屏障功能和微生物組穩態的惡化。本文討論了包括酒精性肝(ALD)、非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)和肝硬化在內的肝臟疾病的病理生理學，以及它們與腸道微生物群和腸-肝軸腸道屏障完整性的關系。
3.1 酒精代謝與酒精相關的脂肪肝疾病
肝細胞占肝質量的70%，主要通過氧化酶細胞醇脫氫酶(ADH)和光滑內質網相關細胞色素P450 2E1 (CYP2E1)參與乙醇/酒精的氧化代謝。肝過氧化氫酶使用H2O2將酒精氧化為乙醛中的作用也已被確定。ADH將乙醇氧化為乙醛，乙醛通過線粒體酶醛脫氫酶的活性進一步代謝為乙酸。這兩個過程都促進了NADH的生成，從而擾亂了NAD+/NADH(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的氧化和還原形式)平衡，導致代謝轉向還原性合成(脂肪合成)，并導致酒精相關的脂肪肝疾病。肝酶CYP2E1是一種誘導酶，對乙醇的催化速度較慢，但結合親和力較強。這種酶負責代謝耐受性的發展，即重度飲酒者需要更高的酒精劑量才能達到中毒水平。此外，除了產生較高的乙醛外，CYP2E1還產生各種活性氧，在肝細胞中產生氧化應激狀態。同時，飲酒降低肝細胞抗氧化酶的活性和濃度。在與蛋白質和脂質發生二次反應后，ROS的增加進一步加劇了應激。此外，通過ADH和CYP2E1催化反應氧化乙醇產生的乙醛與脂質過氧化物和蛋白質相互作用，形成體積較大的醛加合物，具有免疫原性作用。
研究表明NAD+/NADH改變本身并不是肝臟脂肪堆積的主要原因。有證據表明脂質合成受兩種轉錄因子—固醇反應元件結合蛋白- 1c (SREBP-1C)和早期生長反應-1 (Egr-1)調控的基因表達控制。乙醇氧化觸發內質網相關的無活性SREBP-1C易位到高爾基體，在那里它經歷成熟為轉錄活性核因子，并上調脂質基因的表達。此外，Erg-1上調脂肪生成細胞因子(如TNF- α)和SREBP-1C的表達。研究人員還觀察到狂飲酒精會促進脂肪細胞的脂肪分解。所產生的游離脂肪酸被轉運到肝臟，在那里它們被酯化成甘油三酯，從而使肝臟的脂肪含量過重。除了酒精對肝臟脂肪生成的加速作用外，酒精還被注意到其對脂質氧化和輸出的減速作用。酒精的大量消耗已被觀察到減少脂肪細胞產生的脂聯素(激素)，這可能與肝細胞β-氧化率下降有關。此外，研究表明飲酒通過影響VLDL的合成和分泌來減少甘油三酯的輸出，其機制尚不清楚。酒精代謝和ALD病理生理機制的總結如圖2所示。
圖2. 酒精代謝與ALD的病理生理。
在肝臟纖維化的實際癥狀出現之前，飲酒就會導致腸道微生物群失調。宏基因組研究報道了大量飲酒的患者/動物腸道微生物多樣性的急劇變化，變形菌門細菌的優勢增加，厚壁菌門和擬桿菌門的比例減少。一些研究者認為嚴重的酒精性肝炎與患者腸道中雙歧桿菌和鏈球菌的豐富以及乳酸桿菌的減少有關。此外，對慢性酒精濫用的研究表明真菌病原體念珠菌屬在腸道內過度生長，并通過體循環易位。在酒精相關性肝病患者中，漏腸狀況或腸道通透性異常增加是公認的狀況。已知酒精會降解天然防御蛋白，如Reg3a，從而導致生態失調并增加微生物與腸上皮細胞的相互作用，從而進一步誘導腸道炎癥。腸道炎癥導致單核細胞和巨噬細胞在固有層聚集，產生TNF-α，導致屏障功能受損，腸道通透性增加。這種漏腸有利于抗原、代謝物和微生物的易位進入門靜脈循環并到達肝臟。酒精引起的腸道生態失調也改變了膽汁酸穩態，使肝臟暴露在有毒的膽汁酸中。膽汁酸去結合還會擾亂腸細胞中的FXR激活途徑，從而降低血漿中FGF-15的水平，從而增加肝細胞中Cyp7a1的活性。
通常情況下，無數抗原通過門靜脈循環到達肝臟，在那里這些抗原被庫普弗細胞(KCs，常駐巨噬細胞)篩選。已知這些KCs具有耐受性，因為它們并不對每種抗原都有反應。根據微環境的不同，這些KCs可以成熟為促炎表型(M1)或抗炎表型(M2)。過量酒精和繼發性損傷(如內毒素、營養因子、細菌或病毒感染)的存在可觸發KCs成熟為M1表型，釋放細胞因子、白細胞介素和趨化因子，從循環中吸引巨噬細胞。此外，KCs大量產生ROS，進一步加劇肝細胞的氧化應激。生成的ROS可使參與β -氧化的酶(酰基輔酶a脫氫酶、肉毒堿棕櫚酰轉移酶-1)過氧化，導致脂肪酸沉積，從而導致肝脂肪變性。
3.2非酒精性脂肪肝
NAFLD的進展階段包括脂肪積累(脂肪變性)到非酒精性脂肪性肝炎(NASH)的肝炎和肝硬化。NAFLD通常被認為是代謝綜合征的肝臟表型，因為它與代謝疾病如肥胖、2型糖尿病和血脂異常具有共同的機制。迄今為止，NAFLD的確切機制仍不清楚。然而，NAFLD與ALD有一些共同的病理生理機制。圖3總結了NAFLD的可能機制及其與腸道菌群失調的關系。研究還提出了多重撞擊假說。根據該理論，肝臟(第一次撞擊)中的脂肪積累導致生理改變，并影響肝臟胰島素致敏，當暴露于第二次撞擊時進展為NASH。第二種可能是暴露于內毒素、趨化因子、細胞因子或任何其他有害分子。研究表明腸道生態失調不僅與NAFLD的發展有關，而且具有病因學作用。在NAFLD患者的腸道微生物組組成中，微生物組多樣性的減少已經被普遍注意到。不同的研究比較了NAFLD和正常人之間不同細菌門、綱、科或屬的變異性。不同的報道認為瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)的減少、變形菌門(Proteobacteria)和梭菌門(Fusobacteria)的富集與NAFLD的發生有關。盡管觀察到微生物多樣性減少，但一些報道將擬桿菌門的豐度和厚壁菌門的減少與NAFLD的發展聯系起來。然而，采用擬桿菌門:厚壁菌門比例增加作為NAFLD表征的益生不良標志物仍存在爭議。
圖3. NAFLD發展的機制。
肥胖，特別是肥胖引起的腸道生態失調，已被認為是NAFLD發展的主要因素。然而，不同體重指數的肥胖患者的生態失調模式各不相同。此外，腸道微生物群失調也闡明了非肥胖患者NAFLD的發展。與NAFLD患者糞便微生物群移植、亞治療劑量抗生素治療或抗體相關的益生菌群糞便移植相關的研究證實，腸道生態失調而非抗生素是NAFLD發展的原因。
考慮到生態失調的重要性，認為多種生活方式因素(高脂肪或低纖維飲食、體育活動、吸煙、飲酒等)可能導致生態失調并促進NAFLD的發展是合理的。西方飲食(高脂肪或低纖維飲食)的攝入、不規律的飲食模式、嗜睡的生活方式和抗生素的使用是導致代謝綜合征(肥胖、糖尿病等)發生的α-多樣性降低和腸道生態失調的關鍵因素。飲食可以直接調節腸道的標志性微生物群模式、代謝模式和代謝物池，最終削弱腸道血管屏障功能，使代謝物、毒素、趨化因子或細胞因子通過門靜脈循環轉運到肝臟。研究表明，在高脂飲食喂養的小鼠模型中，生態失調相關的腸道血管屏障紊亂可增強LPS吸收，提高血清中LPS結合蛋白水平，上調肝細胞中TLR-4和TNF- α的表達，從而引發肝臟炎癥。同樣，在NASH患者中也觀察到不規則的腸道屏障、漏腸體征、血漿LPS水平升高和TLR-4的高表達。一些研究表明Oscillospira種群數量下降與Dorea優勢以及擬桿菌門:厚壁菌門數量減少與NAFLD和NASH相關。此外，一些研究人員試圖將生態失調模式與進展聯系起來，并估計NAFLD和NASH的嚴重程度。然而，這些相關研究需要仔細的數據解釋，因為微生物模式也依賴于宿主的背景。
代謝途徑的改變，如乙醇生成的增強、短鏈脂肪酸生成的降低、膽堿代謝和膽汁酸穩態的紊亂也被認為與NAFL的發生有關。據報道，在患有NASH的肥胖兒童中，由于紊亂腸道中埃希氏菌的過度生長，血液中乙醇濃度升高。被吸收的內源性乙醇通過門靜脈轉運到肝臟，加劇了氧化應激。人類和動物研究證實，SCFAs水平下降與代謝綜合征和NAFLD的發展有關。這種SCFAs的降低與NAFLD受試者中引起膳食纖維消化不良的變形菌群的大量生長和擬桿菌群的減少有關。現有證據表明，SCFAs對NAFLD具有預防作用，因為醋酸鹽給藥可恢復脂肪變性，改善肝線粒體活性和整體肝功能。研究表明，SCFAs(丙酸鹽)下調肝臟糖異生酶的表達。此外，SCFAs通過激活GPR43抑制脂肪組織中的胰島素信號，從而減少脂肪細胞中的脂肪積累。SCFAs(丁酸鹽)作為能量底物，減輕腸道炎癥，調節飽腹感。丁酸鹽通過加強腸道屏障功能，防止毒素或抗原穿過腸道防御屏障來維持腸道內穩態。有證據表明，SCFAs的減少也是肝臟脂肪積累和腸道屏障紊亂的原因，從而誘導NAFLD的發展。研究表明代謝中間體，特別是琥珀酸鹽，在NASH/肝纖維化的進展中具有重要的調節作用。據報道，由于脂肪毒性和氧化應激導致線粒體功能受損，導致肝細胞將TCA循環中間體(琥珀酸)分泌到細胞外空間。琥珀酸鹽的連續積累觸發HSC中的跨膜信號分子(GPR91)激活，從而誘導炎癥導致NASH/肝纖維化。多種藥物(白藜蘆醇、紫檀芪、檀香醇、Scoparone等)靶向琥珀酸GPR91信號通路治療NASH的研究已經被回顧，這為治療肝臟疾病創造了新的可能性。
膽堿是人體所必需的營養物質，肝臟產生非常少量的膽堿。因此，主要需求由富含膽堿的膳食來源來滿足。已知有四種不同的代謝途徑可以將膽堿轉化為乙酰膽堿、甜菜堿、磷脂或三甲胺(TMA)。膽堿攝入不足和微生物將膽堿轉化為TMA導致的生物利用度降低是與幾種疾病相關的不同因素。現有文獻表明，低膽堿攝入量會破壞腸道血管屏障功能，使抗原、毒素和病原體浸潤到肝臟，引發肝臟脂肪變性和炎癥。此外，高脂肪飲食誘導的腸道生態失調導致厚壁菌門和變形菌門占主導地位，它們能夠產生膽堿-TMA裂解酶，將飲食中的膽堿轉化為TMA。被吸收的TMA到達肝臟，在那里它進一步被肝臟酶，單加氧酶代謝成三甲胺-N-氧化物(TMAO)。血清氧化三甲胺水平已被用作確定健康狀況或不同器官功能的標志。TMAO水平升高與心血管疾病和慢性腎臟疾病有關，而許多研究人員認為TMAO水平降低與NASH的發展有關。如前所述，已知生態失調會影響膽汁酸穩態和BA池，因為不同的微生物代謝活動會增加次級BAs的濃度并損害FXR-FGF19信號。研究表明，BA譜紊亂和BA信號通路受損可能與NAFLD的生態失調和發展有關，然而，BA譜與NAFLD狀態之間的相關性迄今尚未完全闡明。
3.3肝硬化
無論損害的病因(ALD、NAFLD、NASH或其他感染)如何，肝硬化都是肝損害的最終進行性途徑。肝細胞衰退、纖維化和再生結節進展以及肝功能受損是肝硬化的常見病理特征。根據明顯的癥狀和肝功能，肝硬化通常分為代償型(無癥狀)和失代償型(有癥狀)。與先前討論的肝臟疾病一樣，由于腸道屏障功能惡化或腸道滲漏，細菌或其代謝物向肝臟的易位也在肝硬化患者中被注意到。此外，一些報道將肝硬化的發展與LPS轉運到肝臟和TLR-4介導的信號通路的誘導聯系起來。TLR-4在肝臟實質細胞和非實質細胞上均有表達，對病原體相關分子模式(PAMPs)和危險相關分子模式(DAMPs)有反應。然而，肝星狀細胞(hepatic stellate cells, HSCs)通常存在于椎間盤間隙，對肝硬化的發展起著至關重要的作用。HSC TLRs和共受體與LPS的相互作用觸發信號級聯，激活促炎細胞因子(IL-6、IL-8、TNF-α)、趨化因子(MCP-1、MIP-2、ICAM-1)和抗凋亡蛋白(bcl-2)的釋放。激活的造血干細胞釋放的趨化因子和細胞因子有助于白細胞的浸潤，白細胞破壞肝細胞，并通過激活靜止的造血干細胞進一步加劇纖維化反應。此外，TLR-4激活通過TLR4-MyD88-NF-kB依賴機制下調TGF- β1假受體BAMBI (Bone Morphogenetic Protein and Activin Membrane-Bound Inhibitor，骨形態發生蛋白和激活素膜結合抑制劑)，從而促進HSC對TGF-β1刺激的敏化。發病機制如圖4所示。宏基因組研究表明，α-多樣性降低和β-多樣性變化通常與肝硬化有關。研究人員觀察到腸桿菌科、腸球菌科、葡萄球菌科的肝硬化模型占主導地位，而Ruminococcaceae和Lachnospiraceae的肝硬化模型則減少。
圖4. 肝硬化發生的機制。
04 調節腸-肝軸的策略
根據現有的知識和理解，管腔含量、腸道微生物群、腸上皮內膜、血管屏障等分子相互作用都是相互關聯的單元，共同構成了腸-肝軸的有組織結構。正如在疾病發生時每個單位都有變化一樣，在任何單位進行類似的干預都可以成功地預防疾病。與控制肝臟疾病的干預措施相關的獨特研究可以根據是否以腸道內容物、腸道微生物群、腸道屏障或非腸道單位為目標進行分類。圖5概述了針對腸-肝軸的不同治療干預措施。
4.1.膽汁酸信號
肝臟疾病與膽池大小擴大和組成改變有關。此外，近年來，BAs已被確定為通過激活FXR和TGR5介導的途徑來調節碳水化合物、脂質和能量代謝的信號分子。因此，BAs或FXR和TGR5激動劑可作為治療藥物，緩解肝臟及肝臟相關代謝紊亂，如NAFLD、糖尿病和肥胖癥。膽汁淤積是一種病理狀態，由于膽汁流動中斷導致肝內膽汁酸積聚而引起肝臟炎癥。FDA批準的UDCA (Ursodeoxycholic acid，又稱Ursodiol™)是一種FXR激動劑，可誘導膽鹽輸出泵(BSEP)、多藥耐藥蛋白2/3 (MDR /3)和多藥耐藥相關蛋白2 (MRP2)分別將膽汁酸、磷脂酰膽堿(PC)和有機陰離子釋放到膽汁中。UDCA在原發性膽道性膽管炎(PBC)患者中顯示出積極作用，而在原發性硬化性膽管炎(PSC)患者中仍然無效。然而，norUDCA(去熊脫氧膽酸)在PSC病例中也顯示出令人鼓舞的結果，因為它可以增加膽汁和HCO3-的分泌。奧貝膽酸(OCA)是FDA批準的另一種FXR激動劑，已被探索作為治療PSC患者的有希望的藥物。研究人員注意到，在給予OCA后，PBC患者的肝功能得到改善，血清堿性磷酸酶、丙氨酸轉氨酶和γ-谷氨酰轉移酶的活性降低。III期研究數據顯示，OCA對NASH患者纖維化的治療效果良好。腸內分泌L細胞中二級膽汁酸激活TGR5促進cAMP合成，刺激胰高血糖素樣肽-1 (GLP-1)，進一步促進胰腺胰島素分泌。此外，TGR5激活與抗炎反應有關，因為它可以拮抗腸道和肝臟中TNFα和NF-κB介導的促炎細胞因子的誘導。膽汁酸衍生物、TGR5激動劑INT-777 (6α-乙基-23(S)-甲基-CA)在動物實驗中可有效改善糖耐量，減少動脈粥樣硬化病變，對糖尿病、結腸炎、炎癥性腸病(IBD)和動脈粥樣硬化具有預防作用。
圖5. 針對腸-肝軸的不同治療干預措施。
4.2.靶向螯合劑
對于糖尿病和肥胖患者，一般的做法是控制飲食攝入，抑制食欲，維持體重，改善血糖指數。餐前口服水凝膠已成為控制代謝紊亂患者飲食攝入的一種策略。從化學上講，水凝膠是一種聚合物，其中羧甲基纖維素(改性纖維素)與檸檬酸交聯，形成一種模仿天然膳食纖維的3D基質。一旦攝入，水凝膠膠囊迅速吸收水分，膨脹并填滿胃體積的四分之一，從而在不增加卡路里的情況下提高飽腹感。膨脹后的水凝膠保持其結構和機械性能，直到到達大腸，在那里它被部分消化，從而失去了保持水分的能力。釋放出來的水分在大腸中被重新吸收，而纖維基質則隨糞便排出體外。在體外試驗中，水凝膠的效果優于常見的纖維補充劑，如車前草、瓜爾膠和葡甘露聚糖。對肥胖患者的臨床研究表明，水凝膠是治療代謝綜合征的一種很有前景的治療方法。到目前為止，還沒有研究表明水凝膠療法對肝臟疾病的療效，但其效果如體重減輕和胰島素敏感性的改善可能與NAFLD的改善有關。還可以探索和利用聚合物螯合劑結合目標實體的能力。這種聚合物一旦被攝入，將結合目標實體，并且結合的顆粒將隨著聚合物在糞便中被去除。例如，膽甾肽、膽胺和膽甾醇因其螯合膽汁酸的能力而被利用，這表明它們有可能減輕人類的高脂血癥和膽結石的形成。研究人員認為，這些聚合物結合膽汁酸，阻礙腸肝循環，從而促進膽汁酸合成，降低血清膽固醇水平。動物試驗也報道了膽汁酸螯合劑減輕肝損傷和NASH發展可能性的功效。Colesevilam聯合他汀類藥物和降糖藥物在2型糖尿病模型中顯示出降糖作用。FDA批準WELCHOL (colesevam hydrochloride)作為膳食輔助用藥，無論是片劑還是口服混懸劑，單獨用藥或與其他藥物聯合用藥，均有報道稱可降低2型糖尿病患者血清LDL水平，改善血糖指數。然而，其機制尚不清楚，但已經提出了幾種假說，如通過FXR和TGR5介導的信號通路調節和膽汁酸池疏水性降低。聚合物單元與靶標實體之間的選擇性相互作用使聚合物能夠使靶標失活，從而防止宿主受到不良影響。
另一種治療肝病的創新方法是利用不可吸收的碳納米顆粒，這種納米顆粒可以結合微生物毒素并阻礙肝臟疾病患者進入腸肝循環。例如，Yaq-001是一種新的合成的不可吸收碳，對內毒素具有很強的親和力，可以顯著改善NASH小鼠模型的肝功能修復性肝損傷。有報道表明，在繼發性膽汁性肝硬化和膽管結腸炎動物模型中，Yaq-001可降低Bacteroidetes:Firmicutes比例，并減弱LPS誘導的ROS產生。這些證據表明，這種治療方法有望減輕肝臟疾病。體外和體內試驗證實了Yaq-001在肝硬化患者中的安全性和耐受性。然而，與Yaq-001的有效性、安全性和耐受性相關的人體試驗仍在進行中。
4.3藥物及其遞送系統
針對腸道微生物失調(抗生素)、炎癥(糖皮質激素、類固醇、粒細胞集落刺激因子、抗腫瘤壞死因子(TNF)、白細胞介素(IL)-22、IL- 1R抑制劑)、纖維化(PPAR激動劑、磷酸二酯酶抑制劑、轉化生長因子-β抑制劑)、氧化應激(甜菜堿、Sadenosylmethionine、天然抗氧化劑)和戒酒(阿坎普羅酸、托吡酯、巴氯芬)的不同藥物已被測試用于治療肝臟疾病。然而，由于部位特異性遞送效率低下、靶點藥物濃度積累不足、耐藥性產生、藥代動力學差以及與脫靶相互作用相關的不良反應，全身給藥的治療成功受到限制。肝臟作為藥物代謝的主要部位，有時也會受到藥物代謝不良反應的影響，導致藥物性肝損傷(DILI)。DILI可能是遺傳易感性或已有肝臟疾病的結果。此外，由于肝臟血流改變、表達改變以及靶受體暴露，普遍的疾病狀況進一步阻礙了藥物在患者體內的藥代動力學特征。這些限制可以通過設計具有改進藥物藥代動力學的靶向藥物遞送系統來克服。在過去的幾十年里，不同的載體被用于制造脂質基(膠束、脂質體、外泌體)、非脂質基(聚合物/陶瓷/金屬納米顆粒)和生物工程(細菌或病毒衣殼)藥物傳遞系統。所選擇的給藥系統必須能夠穿越腸道屏障，進入血流，避免與血漿蛋白結合和網狀內皮系統(RES)的清除，避免庫普弗細胞的吞噬，穿過肝竇窗，在靶部位積聚和釋放足夠濃度的藥物，并使藥物與靶受體相互作用產生必要的作用。限制該方法臨床轉化的挑戰包括以下方面：a)在動物研究中觀察到的結果在人體試驗中不可重復；b)溫度、離子強度、血液中的生物分子和pH等因素；c)未能到達目標肝細胞；d)藥物的刺激依賴性釋放；e)安全性評估記錄不足。
4.4.腸道菌群調節
腸道菌群是決定個體整體功能和健康狀態的關鍵因素。標志性的腸道微生物組組成可作為患病或健康狀況的標志，而不受身體器官感染的影響。針對腸道菌群調節的策略在控制胃腸道和非胃腸道感染方面最有希望。糞便微生物群移植(FMT)最初被用于恢復與艱難梭菌感染相關的腸道生態失調，但在IBD、代謝綜合征和肝性腦病病例中也顯示出有希望的結果。一般情況下，抗生素治療后口服膠囊給藥，以移植糞便微生物群。抗生素擾亂了現有的有害成分，使健康供體攝入的微生物群定植，恢復健康腸道微生物多樣性。這種做法已顯示可改善肝硬化和肝性腦病患者。有證據表明，在喂食高果糖高脂肪飲食的大鼠進行糞便移植后，肝臟功能在胰島素敏感性、門靜脈高壓降低和肝內內皮功能改善等方面得到恢復。確定導致特定健康狀態的微生物為利用噬菌體療法創造了機會。噬菌體具有高度的宿主特異性，可殺死目標細菌而不影響有益菌群。利用噬菌體成功控制病危患者的多重耐藥銅綠假單胞菌和鮑曼不動桿菌，為探索噬菌體的治療目的創造了可能。同樣，使用不可吸收的抗生素也有助于調節腸道微生物群的組成。例如，在慢性肝病模型中使用利福昔明調節腸道微生物組進行了臨床試驗。在多中心、雙盲、隨機、安慰劑對照的III期臨床試驗中，利福昔明聯合辛伐他汀治療失代償期肝硬化顯示出良好的效果。這些抗生素除了具有抗菌特性外，還具有抗炎和降低內毒素的作用。然而，無論是噬菌體療法還是不可吸收性抗生素都尚未得到充分的評價。
在過去的幾十年里，益生菌作為一種神奇的子彈出現，它們的補充在動物和人類模型中都顯示出促進健康的作用，如增強腸道屏障、抗炎、抗高脂血癥、抗氧化等。因此，益生菌干預由于其抑制病原體、改善屏障功能、代謝或結合毒素和維持腸道穩態的能力，足以維持腸肝軸的功能。然而，與共生菌有關的知識不斷豐富，可以解決健康問題，這可能是益生菌時代的新變化。這些共生體可以作為預后的生物標志物，也可以預測治療的結果。這種有益的共生菌被稱為定義為下一代益生菌(NGPs)，其對健康的影響需要進行詳細的鑒定和研究。很少有研究表明特定的共生菌群對健康的促進作用，盡管對肝臟疾病和特定共生菌的了解非常有限。通過創新技術，可以很容易地進行基因操作，以提高療效、存活率、代謝物的產生，并在表面顯示抗原以引起免疫。然而，在鑒定、分離、培養、技術特性、擴大規模、安全和監管方面存在各種限制，這些都需要考慮。
05結論和展望
腸-肝軸描繪了腸和肝之間的雙向交流。腸道來源的信號通過門靜脈輸送到肝臟，肝臟通過分泌膽汁酸和抗體到小腸十二指腸來對抗這些信號。腸-肝軸的行為受腸微生物組、腸上皮屏障、血管內皮和肝臟等獨立關鍵參與者的相互作用調節。由管腔粘液、腸上皮和血管系統內皮層形成的動態而選擇性的屏障將有害的管腔內容物與腸肝循環隔離開來。該軸的破壞已被發現與肝功能障礙和肝臟疾病的進展有關。ALD、NAFLD和肝硬化的幾個基本病理生理機制是相同的。新出現的證據表明，腸道微生物群紊亂(生態失調)、腸道高通透性、膽汁酸池大小和組成隨肝臟疾病進展階段的變化。人們正在探索針對腸-肝軸的不同方法來預防或恢復肝臟疾病，例如操縱膽汁酸信號，使用設計聚合物修飾腸道內容物，以及通過糞便微生物群移植或益生菌/后益生菌/NGPs改變腸道微生物組。盡管不同的策略取得了成就，但存在一些與策略相關的主要問題，這些問題限制了它們的實際應用。例如，BA及其衍生物與嚴重的皮膚瘙癢(瘙癢癥)有關，已經確定的特異性毒素結合聚合物很少，靶向遞送納米顆粒系統的命運仍然不清楚。
此外，在動物研究中獲得的結果在人體試驗中是不可重復的。就腸道調節策略而言，噬菌體治療的應用由于其作用譜窄、溶原可能性大和政策不相關而受到一些限制。FMT和益生菌為基礎的策略是有希望的，但在得出任何結論之前需要進行包括人體試驗在內的廣泛調查。NGP在未來具有巨大的潛力，但由于無法在人工條件下分離和培養腸道微生物，以及相關的安全性和監管問題，它仍處于開拓階段。考慮腸道微生物群的重要性及其對腸-肝軸影響的累積證據正在推動對基于腸道微生物群的預后，診斷和治療方法的發展的興趣，這些方法有望在未來幾年為肝臟疾病的預防，改善和管理提供新的途徑。
