腸道微生物與肝硬化及相關併發症

魯冰潔, 趙亞紅, 安泳潼, 葉冠, 孫明瑜

腸道微生物(gut microbiota, GM)是人體重要的 「器官」，與人體存在互惠共生、相互製約的關係。

◆ GM與腸肝軸學說

GM是一個高度多樣化的生態系統，它們能夠為宿主提供營養，參與機體代謝與免疫防禦。GM種類達1000種以上，數量鋼彈1014~1015個，其包含的基因數目約是人類基因組的150倍。當宿主處於健康狀態時，腸道菌群結構表現為多樣性，以厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)為主要優勢菌群，腸道微生態保持平衡。

術語「腸-肝軸」的概念是由Marshal等於1998年提出，意指源於同一胚層的腸道與肝臟在結構及功能上存在的密切聯繫。來自腸系膜靜脈的門靜脈供血構成肝總血流量的約75％，門靜脈在攜帶營養物質的同時，也可以轉移微生物和細菌，為肝臟提供廣譜抗原。肝臟獨特的解剖位置和血管系統，使其容易暴露於GM的產物［如脂多糖（LPS）］中。雖然大量的微生物定植於腸道，腸屏障功能和肝臟解毒功能可以防止GM移位，但在肝硬化等病理狀態下，此種防禦機制被破壞，腸-肝軸功能失調，腸道通透性增加，LPS進入肝臟和全身血液循環誘導疾病。

◆ GM與肝硬化及相關併發症的關係

在肝硬化等病理狀態下，GM可發生定量和定性變化，菌群多樣性下降，條件致病菌如葡萄球菌科（Staphylococcaceae）、腸桿菌科（Enterobacteriaceae）和腸球菌科（Enterococcaceae）過度生長，而益生菌雙歧桿菌(Bifidobacterium)、乳桿菌 (Lactobacilus)等明顯減少，擬桿菌屬與厚壁菌門的比例隨之增加，腸道微生態平衡被打破。在肝硬化疾病進展過程中，菌群結構亦隨之變化。與代償期肝硬化患者相比，腸桿菌科在失代償期肝硬化患者中的豐度更高。此外研究還發現，肝硬化MELD評分與條件致病菌豐度呈正相關，與隸屬於厚壁菌門的毛螺菌科（Lachnospiraceae）、瘤胃菌科(Ruminococcaceae)呈負相關。

門靜脈高壓(PH)

PH的主要發病機制為外周血管擴張、肝內血管收縮、門靜脈血流增加引起的高動力循環狀態和血液系統紊亂。一項動物實驗比較了GM定植小鼠與無菌小鼠在門靜脈結紮後門靜脈壓力（portal pressure, PP）水準的變化，發現與無菌小鼠相比，GM定植小鼠具有明顯高水準的PP，更易發生PH，初步表明GM對PH的發生具有直接影響。來自Nature的一項臨床研究發現肝硬化患者體內具有維持腸道完整性的糞球菌屬（Coprococcus）豐度明顯降低，進一步揭示出GM構成改變與PH之間的關係。近期研究證實普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）能夠分泌具有抗炎特性的15 kD蛋白質，反映肝硬化患者的血清內毒素水準，並與PH程度明顯相關。

肝性腦病（HE）

氨是肝硬化患者發生HE的關鍵因素。腸道尿素酶水解尿素產氨是HE發病的重要機制。Kang等發現與肝硬化無菌小鼠相比，肝硬化普通小鼠的血清氨水準更高，神經和系統炎症也更為明顯。其中，共生菌與炎症、血氨水準呈負相關，而腸桿菌科與血清炎性細胞因子呈正相關，認為GM變化可以驅動肝硬化小鼠發生HE。在一項包括147例肝硬化患者和40例健康對照者的臨床研究中，發現與健康對照者和肝硬化不伴HE患者相比，肝硬化伴HE患者的葡萄球菌科、腸球菌科、紫單胞菌科（Porphyromonadaceae）和乳桿菌科的豐度更高，且特異的微生物群(共生菌，腸桿菌)與磁共振波譜的改變（谷氨酸和谷氨醯胺增加，肌醇與膽鹼減少）以及高血氨相關的星形細胞變化均呈現相關性。另一方面，紫單胞菌科僅與神經元變化相關，而與氨水準無關，首次證實了GM改變與HE患者大腦特定神經元和星形細胞改變具有相關性。此外，HE患者常發生細菌移位（bacterial translocation，BT），如口腔微生物唾液鏈球菌可在腸道下段過表達，並與HE疾病進程和嚴重程度相關。色氨酸經腸道和肝臟作用，代謝為吲哚及羥吲哚，Riggio等發現HE患者血清吲哚與羥吲哚水準升高，Montagnese等證實其與氨水準具有明顯相關性，共同揭示出腸-肝-腦軸在HE發病機制中的作用。

自發性細菌性腹膜炎（SBP）

SBP是指在沒有明確腹腔內直接細菌感染來源的情況下，原本無菌的腹水發生感染，常見於失代償期肝硬化患者，病死率高。其發生機制與PH側支循環建立、腸道BT以及肝臟Kupffer細胞吞噬能力下降有關。在GM進入腹水誘發SBP的過程中，BT是其核心環節。來自腸道革蘭陰性菌，尤其是大腸桿菌和肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumo年e）的移位，導致LPS釋放增加，造成內毒素血症。加之失代償期肝硬化患者免疫功能降低，大量LPS入血，機體分泌一系列炎性細胞因子，促進腸道BT，加劇感染及SBP，形成惡性循環。

肝細胞癌（HCC）

肝臟炎症纖維化微環境是導致HCC發生的重要機制之一。腸道中革蘭陰性菌產生大量LPS，通過Toll樣受體（TLR）4介導的胞內信號轉導途徑激活核因子NF-κB，增加促炎因子(TNFα、IL-6)釋放，刺激腫瘤生長因子活化，表明GM-LPS-TLR4軸引起的肝細胞損傷和炎症反應能夠促進HCC發生。此外，小鼠HCC模型中GM代謝產物脫氧膽酸增多，和肥胖誘導的革蘭陽性菌成分磷脂壁酸協同增強肝星狀細胞（HSC）的衰老相關分泌表型，並通過TLR2途徑上調COX2表達，介導攝護腺素E2抑製抗腫瘤免疫，誘導HCC發生。國內一項臨床試驗發現，與單純肝硬化患者相比，肝硬化合併HCC患者的GM發生顯著變化。其中雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)和梭菌屬(Clostridium)所佔比例顯著降低，理研菌科(Rikenellaceae)豐度明顯增加。

◆ GM失調導致肝硬化及相關併發症的機制

肝硬化患者腸蠕動減弱，對細菌的機械排空作用下降，膽汁分泌減少，加之低蛋白血症等因素，在一定程度上影響腸道微環境，使得腸系膜缺血水腫、腸道通透性增加，引起BT以及各種併發症的產生，如內毒素血症、細菌感染等，加重肝損傷。在肝硬化小鼠模型中，BT引起肝臟中的IFN表達上調，導致髓樣細胞產生IL-10增多，破壞小鼠抗菌免疫系統。在肝硬化患者中亦是如此。肝硬化患者常伴血清因子Ⅷ水準升高，門靜脈和體循環血栓形成，近期研究表明正是來源於大腸桿菌的LPS有助於內皮細胞釋放因子Ⅷ。

腸道屏障功能破壞

腸道屏障構築人體的第一道防線，例如腸道緊密連接的上皮細胞形成腸道機械屏障，能夠阻止細菌、毒素及一些大分子進入人體；腸道化學屏障的主要組成成分膽汁酸(bile acids, BA)可以抑製BT；腸道生物屏障中，GM通過分泌抗菌肽物質或通過營養競爭來抑製外源致病菌的生長。在正常情況下，只有少量細菌產物（如LPS）能夠通過腸道屏障進入肝臟，且LPS迅速被免疫細胞清除，有效防止炎症損傷。而肝硬化患者由於腸道屏障已被破壞，大量LPS到達肝臟，並通過與模式識別受體，如TLR和NOD樣受體(nucleotide binding oligomerization domain-like receptors,NLR)結合，激活肝臟免疫細胞，尤其Kupffer細胞，誘導促炎細胞因子（如TNFα和IL-6）釋放和內毒素血症。LPS也可與HSC表面TLR4結合促進細胞外基質合成，促進肝纖維化。動物實驗證實腹腔內注射LPS能夠顯著增加PP，機制與LPS誘導KCs活化併產生縮血管物質半胱氨醯白三烯和血栓素有關。

肝臟免疫功能受損

肝臟固有免疫系統則為人體提供第二道防線。肝血竇中含有多種免疫活性細胞，通過表達LPS受體清除LPS，保護機體免受內毒素血症的影響。正常情況下，肝臟的TLR和NLR信號通路處於抑製狀態，當病原微生物及其產物到達肝臟時，通路可被激活，若通路被持續強烈地激活可能造成肝臟炎症損傷。如革蘭陰性桿菌的外毒素LPS通過藉助受體CD14或髓樣分化2因子與TLR4結合，激活TLR4下遊骨髓分化因子88依賴和非依賴兩信號軸，促進炎症因子釋放。革蘭陽性細菌壁成分如肽多糖、脂磷等主要通過TLR2介導機體炎性反應。TLR9可被細菌DNA激活，介導KCs產生IL-1，促進肝臟炎症和纖維化。NLR信號激活促使炎症因子（如IL-1β和IL-18）表達上調。發表於《Cell》的一項研究發現微生物群相關代謝物牛磺酸、組胺和精胺均能調節Nod樣受體蛋白6炎症小體信號。因此，GM能夠通過調節TLR/NLR信號通路，從而在必要時激活宿主防禦，同時又避免過度的炎症損傷。

細菌移位(BT)

生理性BT見於正常人群，與宿主免疫相關；而肝硬化患者常發生病理性BT，誘發局部與全身感染。BT是炎症和全身血管功能障礙的主要原因。作為BT的替代指標，血清細菌DNA水準和促炎因子與肝硬化患者的全身循環異常及肝內皮功能障礙有關。有研究者觀察到肝硬化患者的小腸中常常定植髮生BT並造成感染的大腸菌群。據統計，病理性BT在終末期肝硬化患者中的發生率鋼彈40%，其中Child C級患者的病理性BT發生率是Child A和Child B級患者的5~6倍。研究還發現由Paneth細胞防禦素缺陷介導的腸道屏障破壞容易導致小腸細菌過度生長並促進BT發生。

3.4BA的作用由膽汁酸介導的腸肝軸對調節基礎代謝、腸道激素釋放及免疫反應是必不可少的，主要通過法尼烯X受體（farnesoid X receptor , FXR）和跨膜G蛋白偶聯受體、發揮作用，其中FXR軸起關鍵調節作用。膽汁酸通過FXR軸誘導產生抗菌肽物質，抑製細菌增殖，保持上皮完整性。而肝硬化患者由於膽汁酸分泌減少，則容易誘發BT和慢性炎症。一些關於無菌和FXR缺陷小鼠的研究表明，膽汁酸的組成和生物轉化很大程度上受GM調控，GM改變通過FXR軸對膽汁酸的合成產生直接或間接影響。

◆ 以調節GM為靶標的治療方法

目前臨床通過調節GM防治肝硬化及相關併發症的方法主要有抗生素、益生元、益生菌、糞菌移植以及FXR激動劑等。此外，非選擇性β受體阻滯劑已被證明有益於肝硬化患者增加腸蠕動，減少腸道細菌過度生長，降低BT發生率。

抗生素

利福昔明是利福黴素的半合成衍生物，對腸源性毒素有效，有助於控制GM失調。事實上，利福昔明可以通過抑製脫氧膽酸產生和調節GM來降低血清內毒素的水準。動物實驗揭示利福昔明減輕肝臟炎症和PH的機制與LPS-TLR4通路下調，革蘭陰性菌群減少有關。一項回顧性研究顯示，利福昔明通過控制小腸細菌過度生長降低HE發病風險，延長肝硬化患者的總體生存率。3代頭孢菌素類抗生素（頭孢噻肟）和喹諾酮類抗生素（諾氟沙星）用於控制SBP感染，糾正GM失衡，取得一定臨床療效，但長期應用可增加細菌耐葯和二重感染風險。

益生菌

主要包括乳酸桿菌和雙歧桿菌，可通過競爭營養素、競爭性抑製對上皮細胞的黏附、降低腸道pH、分泌抗菌化合物抑製有害病原微生物生長，同時提高腸道黏膜屏障功能。此外，含有細菌糖脂抗原的益生菌具有直接調節肝臟自然殺傷T淋巴細胞的功能。有研究報導益生菌製劑VSL＃3(含8種益生菌，3種雙歧桿菌和5種乳桿菌)）能夠減少BT，有效預防HE的發生，但有待更大樣本的隨機對照臨床試驗加以驗證。

益生元

益生元能選擇性地促進腸道有益菌的生長並提高其定植力，抑製潛在致病菌產生，從而減少腸源性內毒素。作為臨床廣泛使用的益生元，乳果糖通過增加糞便體積，酸化和修飾結腸菌群，促進腸蠕動，加快腸道細菌及其毒素排出等機制防治HE。然而，研究並未表明乳果糖能夠引起GM組成和功能發生顯著變化。

糞菌移植

糞菌移植是近年來較為熱門的治療胃腸道疾病以及部分腸道外疾病的新型方法，尤其適用於治療艱難梭狀芽胞桿菌感染，比萬古黴素更有效，且對於老年人的治療依然有效，已於2013年列入美國治療艱難梭狀芽胞桿菌感染的臨床指南中。一項動物實驗通過糞菌移植重建PH大鼠腸道正常菌群，發現PH程度因此得到改善。然而目前尚缺乏關於糞菌移植治療肝硬化及PH的大樣本前瞻性臨床研究。

FXR激動劑

在正常肝臟和腸道中高度表達的FXR，在維持BA穩態，改善肝臟和腸道炎症，以及肝纖維化和心血管疾病的治療中發揮作用。FXR激動劑可以阻止HSC活化並改善血管內皮舒張功能。奧貝膽酸已被證明可通過降低膽汁淤積性肝硬化動物模型的肝內血管阻力來糾正肝內血流動力學紊亂和PH。

引證本文：魯冰潔, 趙亞紅, 安泳潼, 等. 腸道微生物在肝硬化及相關併發症中的研究進展[J]. 臨床肝膽病雜誌, 2018, 34(11): 2433-2437.