腸道菌群和色氨酸代謝在非酒精性脂肪性肝病中的作用

鐘慶玲， 李良平

1 電子科技大學(xué) 醫(yī)學(xué)院， 成都 610054； 2 電子科技大學(xué)附屬醫(yī)院·四川省人民醫(yī)院 消化內(nèi)科， 成都 610072

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)發(fā)病率逐年升高，全球約1/4人口患病，我國(guó)患病率高達(dá)29.2%[1]。NAFLD已成為全球慢性肝病的主要病因，到2030年，全球15歲以上人群的NAFLD患病率約為33.5%[2]。2020年2月，NAFLD和非酒精性脂肪性肝炎(NASH)更名為代謝相關(guān)脂肪性肝病(metabolic-associated fatty liver disease，MAFLD)和代謝相關(guān)脂肪性肝炎(metabolic-associated steatohepatitis，MASH)，與肥胖、2型糖尿病密切相關(guān)。其發(fā)生發(fā)展機(jī)制較復(fù)雜，未充分闡明。目前包括遺傳因素和表觀遺傳因素、飲食因素、胰島素抵抗(IR)、脂毒性、促炎因子以及腸道微生物組在內(nèi)的“多重打擊”學(xué)說被廣泛接受用于解釋NAFLD的代謝及分子機(jī)制[3]。本文總結(jié)腸道菌群及色氨酸代謝物與NAFLD之間復(fù)雜的作用機(jī)制，旨在為NAFLD的治療提供理論依據(jù)。

1 腸道菌群失調(diào)與NAFLD的關(guān)系

使用抗生素抑制小腸細(xì)菌過度生長(zhǎng)可減輕肝臟脂肪變性，這為腸道菌群對(duì)NAFLD的重要性提供了早期證據(jù)[4]。目前研究發(fā)現(xiàn)健康人群與NAFLD患者腸道微生物群有著顯著差異。腸道菌群參與了從單純脂肪肝、脂肪性肝炎到纖維化的進(jìn)程，在NAFLD不同階段，腸道菌群特征也明顯不同[5]。多項(xiàng)研究[6-9]發(fā)現(xiàn)擬桿菌門的過度生長(zhǎng)可能在NAFLD的發(fā)生中起著關(guān)鍵作用。NASH兒童與肥胖者或健康者大腸桿菌存在明顯差異[10]。Wong等[7]發(fā)現(xiàn)腸道厚壁菌門減少和擬桿菌門增加的NAFLD患者，肝內(nèi)甘油三酯水平降低。肝脂肪變性的改善與梭狀芽孢桿菌類、梭狀芽孢桿菌目和糞桿菌屬的降低有關(guān)。Loomba等[11]通過宏基因組測(cè)序發(fā)現(xiàn)，在輕中度NAFLD患者中，普通擬桿菌和真桿菌豐度最高，而在肝纖維化中普通擬桿菌和大腸桿菌豐度最高。總體而言，NAFLD患者中腸道菌群多樣性降低，肝-微生物組軸的破壞，對(duì)NAFLD的進(jìn)展有重要影響[12]。腸道菌群失調(diào)使腸屏障功能及免疫穩(wěn)態(tài)破壞，源自于腸道菌群的代謝產(chǎn)物或細(xì)菌透過腸屏障進(jìn)入肝臟，啟動(dòng)氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，引起肝細(xì)胞變性壞死及凋亡[13]。糞菌移植對(duì)恢復(fù)腸道屏障完整性、減輕肝脂肪變性、內(nèi)毒素血癥和肝細(xì)胞氣球樣變具有有益作用[14]。但目前的研究未能闡明腸道菌群失調(diào)影響NAFLD的具體機(jī)制以及二者間的因果關(guān)系。

2 色氨酸代謝與NAFLD的關(guān)系

腸道微生物群及其細(xì)菌產(chǎn)物通過腸-肝軸對(duì)NAFLD起調(diào)節(jié)作用。既往研究發(fā)現(xiàn)，添加色氨酸可增加大鼠肝臟脂肪酸合成，誘發(fā)肝臟脂肪變性，然而，Ritze等[15]研究表明，口服色氨酸補(bǔ)充劑可減輕小鼠的NAFLD。NAFLD相關(guān)肝細(xì)胞癌小鼠糞便中色氨酸代謝物吲哚丙酸(indolepopionic acid，IPA)明顯降低[16]。5-羥色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)由色氨酸衍生而來，選擇性5-羥色胺再攝取抑制劑(selective serotonin reuptake inhibitors，SSRI)是治療抑郁癥最廣泛的處方藥物[17]。研究[18]發(fā)現(xiàn)使用SSRI較未用藥者肝癌風(fēng)險(xiǎn)降低，且隨著SSRI劑量增加，發(fā)生肝癌風(fēng)險(xiǎn)降低。另一項(xiàng)研究[19]發(fā)現(xiàn)血清吲哚濃度與BMI呈負(fù)相關(guān)(R=-0.45，P<0.01)，吲哚水平低者，肝臟中脂肪沉積量較高。上述研究提示色氨酸及其代謝物對(duì)于調(diào)節(jié)NAFLD可能具有潛在的保護(hù)作用[20]。

3 腸道微生物與色氨酸代謝相互作用

3.1 色氨酸的代謝途徑 色氨酸是一種必需氨基酸，多數(shù)從飲食營(yíng)養(yǎng)攝入，僅部分來源于內(nèi)源性蛋白質(zhì)降解[21]，在小腸吸收，絕大部分在結(jié)腸轉(zhuǎn)化為多種代謝產(chǎn)物，乳酸桿菌在小鼠的胃和回腸中也可分解色氨酸[20]。目前色氨酸主要通過3條途徑產(chǎn)生代謝物影響宿主的新陳代謝：(1)色氨酸被分解為吲哚及芳香烴受體(aryl hydrocarbon receptor，AHR)配體的代謝物；(2)在免疫細(xì)胞和胃腸上皮細(xì)胞中通過犬尿氨酸途徑代謝，該途徑的關(guān)鍵限速酶吲哚胺2，3-雙加氧酶(indoleamine 2, 3-dioxygenase，IDO)，其活性受腸道菌群的調(diào)節(jié)；(3)通過腸嗜鉻細(xì)胞中的色氨酸羥化酶(tryptophan hydroxylase，TPH1)產(chǎn)生5-HT。詳見圖1。

注：黑色箭頭線表示宿主途徑，藍(lán)色虛線箭頭線表示微生物途徑。TDO，色氨酸2，3-雙加氧酶；KYNU，犬尿氨酸酶；KMO，犬尿酸-3-單加氧酶；KAT，犬尿氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶；KYNA，犬尿喹啉酸；3H-KYN，3-羥基犬尿氨酸；Xa，黃尿酸；3-HAA，3-羥基-2-氨基苯甲酸；NAD，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸；TNA，色氨酸酶；ArAT，芳香族氨基酸轉(zhuǎn)氨酶；IPYA，吲哚-3-丙酮酸；fldH，苯醛酸脫氫酶；ILA，吲哚乳酸；fldBC，苯乳酸脫水酶；IA，吲哚丙烯酸；IPA，吲哚丙酸；TMO，色氨酸2-單加氧酶；IAM，吲哚乙酰胺；IAA，吲哚-3-乙酸；IAld，吲哚-3-甲醛；IAAld，吲哚-3-乙醛；5-HTP，5-羥色氨酸；AAAD，芳香族氨基酸脫羧酶；AANAT，芳基烷基胺N-乙?；D(zhuǎn)移酶；ASMT，乙酰血清素O-甲基轉(zhuǎn)移酶；MAO，單胺類氧化酶；5-HIAA，5-羥基吲哚乙酸。

3.2 腸道菌群調(diào)節(jié)色氨酸代謝 1897年色氨酸就被發(fā)現(xiàn)由大腸桿菌和霍亂弧菌轉(zhuǎn)化為吲哚[22]。色氨酸通過TNA分解為吲哚，該酶在多種細(xì)菌中表達(dá)[20]。腸道菌群也可調(diào)節(jié)5-HT水平[23]。Laurans等[24]發(fā)現(xiàn)腸道微生物群通過調(diào)節(jié)IDO的活性，影響色氨酸代謝。高脂飲食誘導(dǎo)的IDO-/-小鼠較野生型小鼠腸中IAA較高，表明IDO依賴的微生物群變化在IAA產(chǎn)生中的重要性。雙歧桿菌可以產(chǎn)生ILA、IPA和IAA等，同時(shí)不同菌株產(chǎn)生ILA的能力不同[25]。上述研究提示腸道菌群可以調(diào)節(jié)色氨酸的代謝。

3.3 色氨酸代謝產(chǎn)物在腸道微生物群落中的調(diào)節(jié)作用 吲哚影響孢子形成、質(zhì)粒穩(wěn)定性及耐藥性、生物膜形成、毒性，作為一種細(xì)胞間信號(hào)分子可能在微生物群落中發(fā)揮重要作用[26]。吲哚乙醇在真菌中被認(rèn)為是群體感應(yīng)分子[27]，對(duì)金黃色葡萄球菌、腸沙門菌具有抗菌活性；ILA對(duì)大腸桿菌具有抑菌活性[20]。上述研究表明吲哚對(duì)細(xì)菌、真菌和病毒在內(nèi)的腸道微生物群落起調(diào)節(jié)作用。

4 腸道菌群、色氨酸代謝調(diào)節(jié)NAFLD的分子機(jī)制

許多研究集中于腸-肝軸的組成，腸道屏障和腸道微生物群這兩大主要組成在肝脂質(zhì)代謝、炎癥發(fā)展中起著重要作用[28]。不同器官和組織之間的串?dāng)_導(dǎo)致了肝臟、脂肪組織和腸道的代謝功能障礙。IR被認(rèn)為是NAFLD發(fā)生的始動(dòng)環(huán)節(jié)，IR使組織細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取利用受阻，導(dǎo)致脂肪分解供能，促進(jìn)甘油三脂在肝臟堆積，進(jìn)而誘發(fā)脂肪變性。在此基礎(chǔ)上源自于腸道菌群的代謝產(chǎn)物或細(xì)菌透過腸屏障進(jìn)入肝臟，啟動(dòng)氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，引起肝細(xì)胞變性壞死及凋亡。然而，腸道菌群產(chǎn)生的色氨酸代謝產(chǎn)物是微生物群落和宿主-微生物之間溝通的重要信號(hào)分子，可能有助于維持腸道和全身穩(wěn)態(tài)。

4.1 色氨酸及其代謝物調(diào)節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)

4.1.1 AHR配體 AHR是一種廣泛表達(dá)于免疫細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄因子，其激活改變了配體特異性的先天和適應(yīng)性免疫反應(yīng)。IA、IAld、色胺、3-甲基吲哚、IAA、和ILA，可作為AHR的配體。

乳酸桿菌通過IAld介導(dǎo)AHR激活，促進(jìn)IL-22分泌，從而調(diào)節(jié)黏膜穩(wěn)態(tài)[29]。保加利亞乳酸桿菌OLL1181激活A(yù)HR途徑，抑制結(jié)腸炎癥并誘導(dǎo)細(xì)胞色素CYP1A1的基因表達(dá)[30]。羅伊乳酸桿菌通過IAld和ILA激活A(yù)HR，促進(jìn)CD4+CD8αα+雙陽性上皮內(nèi)T淋巴細(xì)胞的增殖，從而發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[31]。研究[32]發(fā)現(xiàn)NASH小鼠中變形菌門增加與結(jié)腸中黏膜地址素細(xì)胞黏附分子(mucosal address cell adhesion molecule，MAdCAM-1)表達(dá)相關(guān)，而MAdCAM-1可介導(dǎo)小鼠肝臟和腸道α4β7+CD4+T淋巴細(xì)胞的歸巢。此外，ILA還能抑制輔助性T淋巴細(xì)胞(Th)17在體外的極化[33]。腸道微生物群影響中性粒細(xì)胞的遷移和功能，促進(jìn)T淋巴細(xì)胞群分化為Th17細(xì)胞和調(diào)節(jié)性T淋巴細(xì)胞(Treg)[34]。腸道Th17/Treg平衡對(duì)維持腸道免疫穩(wěn)定至關(guān)重要。5-HT的釋放增多影響上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞、CD4+/CD8+T淋巴細(xì)胞、B和T淋巴細(xì)胞的增殖、細(xì)胞因子的分泌，從而干擾腸道內(nèi)免疫系統(tǒng)的平衡[35]。

4.1.2 改善腸道屏障 腸上皮屏障和腸血管屏障的破壞是NASH發(fā)病機(jī)制中的早期事件。研究[36-37]證明吲哚、IAA是維持腸道屏障的有益信號(hào)。IPA可以通過孕烷X受體調(diào)節(jié)小鼠腸屏障功能，尤其是在吲哚存在的情況下。IA一方面通過孕烷X受體介導(dǎo)腸道通透性的降低而影響?zhàn)つし€(wěn)態(tài)；另一方面可能通過介導(dǎo)AHR活化促進(jìn)杯狀細(xì)胞的分化、黏液產(chǎn)生，保護(hù)小鼠腸上皮屏障功能、減輕炎癥反應(yīng)[38]。此外IAld通過刺激IL-22的分泌，誘導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3磷酸化，促進(jìn)腸上皮細(xì)胞增殖，恢復(fù)屏障功能[39]。在細(xì)胞模型上，研究[40]發(fā)現(xiàn)吲哚可誘導(dǎo)腸上皮緊密連接組織基因的表達(dá)，改善屏障功能。

4.2 色氨酸及其代謝物調(diào)節(jié)全身穩(wěn)態(tài)

4.2.1 調(diào)節(jié)肝臟脂質(zhì)代謝、減輕IR，改善NAFLD 腺苷酸活化蛋白激酶(AMP activated protein kinase，AMPK)是細(xì)胞內(nèi)糖脂代謝的關(guān)鍵酶，在肝臟、骨骼肌中分布較多，AMPK的生物學(xué)效應(yīng)和NAFLD的發(fā)生密切相關(guān)[41]。血清IPA通過促進(jìn)IL-6分泌激活A(yù)MPK，AMPK激活后，一方面抑制脂肪合成酶的活性，使肝內(nèi)甘油三酯和脂質(zhì)合成減少；另一方面啟動(dòng)分解代謝，增加肝臟脂肪酸氧化和細(xì)胞攝取葡萄糖，避免脂肪在肝細(xì)胞內(nèi)聚集[42]。升高的IPA可以促進(jìn)胰島素分泌，并且減輕IR，減少2型糖尿病的患病率[40]。

胰高血糖素樣肽1(glucagon-like peptide，GLP-1)能加快肝臟脂肪酸氧化分解，減少脂肪生成，改善肝臟的糖代謝[43]，并刺激胰腺β細(xì)胞分泌胰島素，提高組織細(xì)胞對(duì)胰島素的親和力。吲哚可誘導(dǎo)腸內(nèi)分泌L細(xì)胞中GLP-1釋放，腸道內(nèi)的吲哚水平增加會(huì)減少脂肪生成，并且會(huì)降低食欲，使脂肪攝入減少，肝臟脂質(zhì)沉積減少，改善糖代謝[44]。還有研究[45]顯示，GLP-1上調(diào)脂肪細(xì)胞表面胰島素受體及胞內(nèi)胰島素底物的數(shù)量，促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4(glucosetransporters 4，GLUT4)的表達(dá)，進(jìn)而改善由TNFα介導(dǎo)的IR。

色胺是一種由產(chǎn)孢梭菌和胃瘤球菌產(chǎn)生的β-芳胺神經(jīng)遞質(zhì)，可誘導(dǎo)嗜鉻細(xì)胞釋放神經(jīng)遞質(zhì)5-HT[19]，5-HT促進(jìn)胃排空并增加飽腹感，可調(diào)節(jié)食欲、進(jìn)食量及能量平衡[46]。miR-181具有控制代謝適應(yīng)性、脂肪細(xì)胞功能和胰島素信號(hào)相關(guān)基因表達(dá)等功能[47]。腸道菌群-miR軸失調(diào)導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)肥胖、IR、白色脂肪組織炎癥。吲哚會(huì)下調(diào)白色脂肪組織中miR-181的表達(dá)，減輕IR，增加能量消耗，避免肥胖的發(fā)生[47]。GLUT4是參與細(xì)胞糖代謝的關(guān)鍵分子，肥胖患者常伴有IR，可能是由于GLUT4基因表達(dá)下降，影響組織細(xì)胞對(duì)葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)[40]。

綜上，色氨酸代謝產(chǎn)物可通過激發(fā)AMPK對(duì)脂肪的雙向調(diào)節(jié)作用、增加GLP-1釋放，調(diào)節(jié)肝臟脂質(zhì)代謝、減少肥胖的發(fā)生、改善IR，降低NAFLD發(fā)生。

4.2.2 減少炎癥因子的表達(dá)、腸源性內(nèi)毒素入肝，干預(yù)NAFLD的發(fā)生 TNFα是調(diào)控肝臟脂質(zhì)合成的一種細(xì)胞因子。肥胖時(shí)脂肪組織和肌肉組織釋放出大量的TNFα并伴有IR[40]。TNFα通過激活脂肪分解的限速酶激素敏感性脂肪酶，使游離脂肪酸生成增加，導(dǎo)致肝臟內(nèi)脂質(zhì)沉積，為NAFLD的發(fā)生奠定了病理基礎(chǔ)[48]。IPA作為AHR激動(dòng)劑，促進(jìn)IL-10和IL-10受體表達(dá)，使IL-6、TNFα的表達(dá)降低[32]，明顯改善嚙齒類動(dòng)物和NAFLD患者的肝臟炎癥及脂質(zhì)沉積[48]。

脂多糖(LPS)是一種位于革蘭陰性細(xì)菌細(xì)胞壁中具有生物活性的內(nèi)毒素，當(dāng)細(xì)菌壞死后，LPS隨血液循環(huán)入肝。LPS與肝組織Toll樣受體(TLR)結(jié)合，誘發(fā)內(nèi)毒素血癥和肝臟炎癥[49]。LPS-TLR軸誘導(dǎo)肝巨噬細(xì)胞過度激活在NAFLD過程中起關(guān)鍵作用。NAFLD患者存在內(nèi)毒素血癥[50]。一項(xiàng)體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在LPS刺激前給予吲哚可減輕肝臟炎癥并改善膽固醇代謝，表明吲哚不僅能夠維持腸屏障完整性，防止腸道內(nèi)毒素進(jìn)入肝臟[36]，同時(shí)減輕肝臟內(nèi)LPS的有害作用[51]。TLR4的激活可觸發(fā)下游氨基末端激酶和核因子-κB (NF-κB)通路，促進(jìn)TNFα、IL-6、IL-1β等促炎因子的分泌，在嚙齒動(dòng)物模型中加速轉(zhuǎn)化為NASH[19]。肝臟慢性炎癥導(dǎo)致肝細(xì)胞處理脂質(zhì)的能力減弱，出現(xiàn)脂質(zhì)堆積、過氧化和肝脂肪變性，加重NAFLD。

此外，色氨酸代謝物能調(diào)節(jié)肝巨噬細(xì)胞的免疫狀態(tài)。肝臟巨噬細(xì)胞對(duì)LPS敏感性的增加可能通過增強(qiáng)促炎因子的釋放、免疫細(xì)胞的募集和活性氧的激活介導(dǎo)。IAA通過減輕氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、F4/80+巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)和肝臟活性氧的釋放，對(duì)肝損傷產(chǎn)生保護(hù)作用[51]。色胺和吲哚-3-乙酸激活A(yù)HR或上調(diào)果糖-2，6-雙磷酸酶3可降低巨噬細(xì)胞炎癥指標(biāo)，減少由脂肪酸和LPS刺激生成的促炎性細(xì)胞因子，抑制細(xì)胞向趨化因子遷移，從而減輕炎癥反應(yīng)[19]。

綜上，色氨酸代謝產(chǎn)物可通過降低TNFα、NF-κB的水平、減少腸源性內(nèi)毒素、調(diào)節(jié)肝巨噬細(xì)胞的免疫，抑制炎癥反應(yīng)，從而避免肝臟受到多種因素攻擊，有效預(yù)防NAFLD的發(fā)生。

5 小結(jié)與展望

NAFLD是慢性且復(fù)雜的疾病，腸道細(xì)菌數(shù)量及種類的變化、不同類群的相對(duì)豐度、其代謝功能差異及上述因素的綜合效應(yīng)在NAFLD發(fā)生發(fā)展中的作用未完全闡明；遺傳背景、基因易感性對(duì)腸道菌群的影響及在NAFLD中的機(jī)制需進(jìn)一步探索。腸道微生物-代謝產(chǎn)物-肝軸領(lǐng)域的大部分證據(jù)都來自動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞模型，具體作用機(jī)制仍在探討。不同研究中色氨酸及其代謝物在人糞便、血液和尿液中的變化存在差異，靶向腸道菌群、色氨酸代謝物治療具有潛在的臨床價(jià)值，有望成為NAFLD相關(guān)的無創(chuàng)生物標(biāo)志物及治療靶點(diǎn)，未來需要更多的動(dòng)物及臨床研究進(jìn)行探討。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：鐘慶玲負(fù)責(zé)撰寫論文；李良平負(fù)責(zé)指導(dǎo)撰寫文章并最后定稿。