腸道菌群代謝產(chǎn)物影響非酒精性脂肪肝的研究進(jìn)展

劉云娜，李帥廣，劉 飛，邵華榮,，徐 巍,

（1. 山東大學(xué) 藥學(xué)院，山東 濟(jì)南 250012；2. 山東省藥學(xué)科學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；3. 廈門大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳 518057；4. 山東第一醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 藥學(xué)部，山東 濟(jì)南 250014）

非酒精性脂肪肝（nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD）是一種除飲酒及其他已知的肝損傷因素外，以肝細(xì)胞內(nèi)脂肪過度積聚為主要特征的復(fù)雜性肝病。目前，NAFLD為全球范圍內(nèi)最常見的慢性肝病，預(yù)計到2030年，將成為肝移植的主要原因之一[1]。NAFLD一旦繼續(xù)惡化，將逐步發(fā)展為非酒精性脂肪肝炎（non-alcoholic steatohepatitis，NASH）、肝纖維化及肝硬化，嚴(yán)重者會發(fā)展成肝癌，危及人類健康[2]。研究證明，腸道菌群穩(wěn)態(tài)失衡對肝臟炎癥的發(fā)生和纖維化進(jìn)程具有重要影響。一些人為因素，如高脂飲食和過度飲酒，引起機(jī)體腸道菌群紊亂，進(jìn)而導(dǎo)致腸道炎癥、腸黏膜屏障被破壞和菌群代謝物易位[3-4]。腸道菌群代謝產(chǎn)物在NAFLD病變進(jìn)程中發(fā)揮的作用受到關(guān)注，探究菌群代謝產(chǎn)物對NAFLD的影響將為NAFLD的預(yù)防和診治提供重要的科學(xué)依據(jù)。本文就菌群代謝物對NAFLD的致病機(jī)制進(jìn)行綜述，旨在為NAFLD提供新的治療策略。

1 NAFLD中腸道菌群失調(diào)特征

腸道菌群結(jié)構(gòu)失調(diào)是NAFLD發(fā)生和發(fā)展的重要影響因素[5]。針對NAFLD和NASH患者及健康志愿者的菌群樣本高通量測序結(jié)果顯示，擬桿菌門（Bacteroidetes）和瘤胃球菌屬（Ruminococcaceae）與NAFLD的炎癥反應(yīng)和肝纖維化有關(guān)，與健康個體比較，NAFLD患者的擬桿菌門/厚壁菌門比例較高，瘤胃球菌（Ruminococcaceae）比例顯著低于健康志愿者。NASH患者腸道中球狀芽孢桿菌（Clostridium coccoides）比例顯著高于NAFLD患者[5]。肝纖維化患者體內(nèi)糞球菌（Enterococcus faecalis）和普拉梭菌（F. prausnitzii）數(shù)量下降，這兩種菌群均可通過產(chǎn)生丁酸鹽來維持腸道屏障功能完整性，影響腸黏膜滲透性[6]。

研究發(fā)現(xiàn)，NAFLD患者的腸道黏膜通透性與肝臟脂肪變性程度有關(guān)[7-8]。正常腸黏膜屏障可有效防止有害物質(zhì)和細(xì)菌的侵入，腸道菌群紊亂可使腸黏膜表面連接蛋白表達(dá)降低[8]，破壞腸黏膜屏障的完整性，有害物質(zhì)或代謝物則容易透過腸黏膜通過血液循環(huán)進(jìn)入肝臟，加重肝臟炎癥和脂肪變性。現(xiàn)在諸多研究證明腸道菌群代謝物可通過多種途徑影響NAFLD進(jìn)展。

2 腸道菌群代謝物與NAFLD

圖1簡要介紹了與NAFLD相關(guān)的腸道菌群代謝物及其所影響的信號分子。腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變會影響短鏈脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）、膽汁酸（bile acid，BA）、炎癥因子、硫化氫等菌群代謝產(chǎn)物的水平，進(jìn)而通過影響腸道營養(yǎng)成分吸收、腸道黏膜完整性、發(fā)揮抗炎效應(yīng)及調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝等方面影響NAFLD進(jìn)程。

圖1 腸道菌群代謝物對NAFLD疾病的影響

2.1 SCFA與NAFLD

SCFA是腸道菌群發(fā)酵膳食纖維的主要代謝產(chǎn)物。大部分SCFA（丁酸鹽、乙酸鹽、丙酸鹽）在結(jié)腸中被宿主腸上皮細(xì)胞攝取發(fā)揮不同作用。其中丁酸鹽可保護(hù)腸道黏膜，調(diào)節(jié)免疫平衡，促進(jìn)脂肪氧化，具有抗炎作用[9-10]。有研究表明，丁酸鹽可激活腸上皮細(xì)胞的激活蛋白1（activator protein-1，AP-1）信號，增加凋亡相關(guān)因子（factor related apoptosis，F(xiàn)as）的表達(dá)水平，還可抑制促炎因子白細(xì)胞介素6（interleukin-6，IL-6）表達(dá)，通過組蛋白去乙?；敢种苿╤istone deacetylase inhibitor，HDACi）促進(jìn)T細(xì)胞向調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（regulatory cell，Treg）的增殖和分化[11-13]。此外，動物體內(nèi)研究表明，丁酸鹽能通過激活過氧化物酶體增殖物激活受體α（peroxisome proliferatorsactivated receptor α，PPARα）、抑制肝臟炎癥和增強(qiáng)胰高糖素樣肽1受體（glucagon-like peptide-1 receptor，GLP-1R）的表達(dá)來改善高脂飲食誘導(dǎo)的NAFLD 和NASH進(jìn)程[14-15]。此外，SCFA還可激活G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptor，GPCR），誘導(dǎo)胰高血糖素樣肽1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）和肽YY（PYY）的釋放，形成代謝平衡的反饋調(diào)節(jié)途徑[16-18]。

總之，SCFA不僅可調(diào)控糖脂代謝，抑制脂肪合成，降低肝臟內(nèi)的脂肪含量，還可增強(qiáng)腸道屏障功能，減輕不良因素對肝臟炎癥及纖維化的誘導(dǎo)作用，改善NAFLD[19]。

血清代謝組學(xué)顯示NAFLD患者血清中丁酸鹽和丙酸鹽水平降低[20-21]。對NAFLD大鼠給予產(chǎn)丁酸鹽的益生菌，能促進(jìn)腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）及蘇氨酸蛋白激酶（serine-threonine kinase，AKT）等因子的表達(dá)，減少肝臟脂質(zhì)積累和炎癥反應(yīng)，并改善肝臟胰島素抵抗[13]。通過向HFD小鼠喂養(yǎng)產(chǎn)丙酸鹽的活性益生菌Parabacteroides goldsteinii，可保護(hù)腸道黏膜完整性、促進(jìn)肝臟脂肪代謝，降低胰島素抵抗，發(fā)揮NAFLD治療作用[22]。

2.2 硫化氫（H2S）與NAFLD

H2S作為體內(nèi)一種重要的氣體分子，參與調(diào)控機(jī)體多種生理或病理過程，在脂質(zhì)代謝、氧化應(yīng)激反應(yīng)、炎癥反應(yīng)等方面均有重要調(diào)控作用。Liu等[23]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外源性H2S可以劑量依賴的方式調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激，保護(hù)大鼠免受百草枯引起的急性肝損傷。H2S可抑制NOD樣受體蛋白3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）炎癥體的激活，抑制IL-1β和活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生，降低丙二醛水平，還可升高幾種特定抗氧化酶，如超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、醌氧化還原酶1[NAD(P)H-quinone oxidoreductase-1，NQO-1]、血紅素氧合酶1（heme oxygenase 1，HO-1）的表達(dá)水平[24]。因此，H2S可能通過調(diào)控肝臟氧化應(yīng)激反應(yīng)，發(fā)揮對肝細(xì)胞的保護(hù)作用，預(yù)防和改善NAFLD的發(fā)生發(fā)展。

甲硫氨酸是體內(nèi)H2S的主要來源，參與轉(zhuǎn)化的酶如胱硫醚-β-合成酶（cystathionase-β-synthase，CBS）及胱硫醚-γ-分解酶（cystathionase-γ-lyase，CSE）等存在于腸道菌群及肝臟中[25-26]。動物實驗證明高脂飲食可降低小鼠肝臟能量消耗，誘發(fā)脂肪變性和氧化應(yīng)激，并減少小鼠肝臟中H2S產(chǎn)生[27]。HFD小鼠給予甲硫氨酸，可上調(diào)肝臟中CBS及CSE基因和蛋白表達(dá)，促進(jìn)H2S的產(chǎn)生，降低肝臟脂肪百分比，增加能量代謝，降低體重，增強(qiáng)肝臟抗氧化能力，降低氧化損傷產(chǎn)物和嘌呤代謝水平[28-29]。

2.3 氧化三甲胺與NAFLD

食物中的膽堿被腸道菌群（厭氧孢桿菌anaerobic bacteria、擬桿菌Bacteroidetes、厚壁菌門Phylum Firmicutes等）中的三甲胺（trimethylamin，TMA）裂解酶分解成TMA，TMA由門靜脈進(jìn)入肝臟，在肝臟中被氧化形成三甲胺N-氧化物（trimetlylamine oxide，TMAO）。TMAO可上調(diào)固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1c（sterol regulatory element binding protein-1c，SREBP-1c）的表達(dá)，SREBP-1c是調(diào)控肝臟脂質(zhì)代謝的重要轉(zhuǎn)錄因子，可促進(jìn)甘油三酯（triacylglycerol，TG）合成，加重肝臟脂肪變性[30]。通過對TMAO飲食組小鼠血漿檢測，發(fā)現(xiàn)泡沫細(xì)胞生成增加、膽固醇逆向轉(zhuǎn)運（reverse cholesterol transport，RCT）減弱，小鼠出現(xiàn)明顯肝損傷，且小鼠肝臟內(nèi)TG積聚和脂肪合成明顯增加[31]。TMAO在HFD小鼠中可上調(diào)葡萄糖代謝、增加血清炎性因子來促進(jìn)胰島素抵抗[32]，還可通過減少膽固醇轉(zhuǎn)化為膽汁酸來影響脂質(zhì)代謝和膽固醇穩(wěn)態(tài)，說明腸道膽堿代謝生成的TMAO可通過不同途徑促進(jìn)NAFLD的發(fā)展[33]。3, 3-二甲基-1-丁醇作為膽堿的結(jié)構(gòu)類似物，可阻斷TMA裂解酶的活性，抑制TMA的形成，降低TMAO水平，緩解NAFLD的發(fā)展[34]。因此，減少高膽堿食物攝入、抑制TMA的產(chǎn)生均能抑制或改善NAFLD。

2.4 膽汁酸信號通路與NAFLD

膽汁酸（bile acid，BA）是膽固醇分解代謝的可溶性產(chǎn)物，哺乳動物中存在兩大類BA：初級BA和次級BA。BA介導(dǎo)的法尼酯受體（farnesoid X receptor, FXR）激活是其參與脂質(zhì)和糖代謝的重要途徑[35]。在FXR表達(dá)水平最高的回腸中，BA能激活FXR從而誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞生長因子19（recombinant fibroblast growth factor 19，F(xiàn)GF19）的產(chǎn)生和分泌。而血清中FGF19的減少是NAFLD疾病中由FXR和成纖維細(xì)胞生長因子受體4（recombinant fibroblast growth factor 4, FGFR4）介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)受損的主要特征[36]。FXR激活后通過小異源二聚體伴侶（small heterodimer partner，SHP）負(fù)向調(diào)控減輕肝細(xì)胞損傷和氧化應(yīng)激，降低肝臟低密度脂蛋白水平，降低血清膽固醇表達(dá)[35]。同時其還能抑制膽固醇7α羥化酶（cholesterol 7α-hydroxylase，CYP7A1）的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，該酶作為肝臟中促進(jìn)膽汁酸生成的限速酶，在維持膽固醇穩(wěn)態(tài)和膽汁酸合成中發(fā)揮重要作用。CYP7A1表達(dá)降低時可改善膽固醇代謝障礙，減少肝臟脂肪沉積，調(diào)節(jié)肝功能異常等情況[37]。

腸道菌群通過BA受體如FXR和G蛋白偶聯(lián)受體5（G protein-coupled receptor 5，GPR5）調(diào)節(jié)BA代謝，參與BA合成、代謝和再吸收，從而間接影響NAFLD的發(fā)生和發(fā)展。大量動物實驗表明，紊亂的腸道環(huán)境下，腸道菌群、膽汁酸和NAFLD三者之間形成了相互影響的反饋調(diào)節(jié)。隨著對腸道菌群和膽汁酸受體在NAFLD中作用機(jī)制的明確，如何正確使用抗生素、益生菌或膽汁酸受體相應(yīng)配體將是未來需重點解決的問題。

2.5 炎癥因子與NAFLD

腸道菌群也可產(chǎn)生對宿主有危害的成分，如脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），其位于革蘭陰性桿菌的細(xì)胞膜表面，LPS可引起腸源性內(nèi)毒素血癥，其產(chǎn)生的炎癥反應(yīng)可能損害人體免疫系統(tǒng)，加重NAFLD的病程發(fā)展。有研究分別對NAFLD患者及高脂飲食誘導(dǎo)的NASH小鼠進(jìn)行肝臟活檢和血清檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實驗組的血清及肝組織的LPS和炎癥因子（IL-1、IL-6、TNF-α）水平均高于正常對照組[38]。

在HFD誘導(dǎo)的NASH小鼠模型中，高水平的LPS和TNF-α還可激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），PKC通過磷酸化作用顯著抑制下游基因微粒體TG轉(zhuǎn)運蛋白（microsomal triglycefide transfer protein，MTTP）和載脂蛋白B（apolipoprotein，ApoB）轉(zhuǎn)錄活性，進(jìn)而妨礙肝臟TG的外排，使得過多的TG無法正常代謝清除而滯留在肝臟中，進(jìn)一步加劇脂肪肝的形成和發(fā)展[39]。肝細(xì)胞中的Toll樣受體4（toll-like recepter 4，TLR-4）作為LPS的受體能迅速誘導(dǎo)炎癥因子產(chǎn)生，這些炎癥因子可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞中核轉(zhuǎn)錄因子κB（nuclear factor kappa-B, NF-κB）、p38絲裂原活化蛋白激酶（p38-mitogen activated protein kinases, p38-MAPK）、NLRP3的激活加重肝損傷，并可導(dǎo)致胰島素受體底物1（insulin receptor substrate，IRS-1）絲氨酸磷酸化，降低葡萄糖轉(zhuǎn)運體（GLUT4）的水平，引起肝臟的胰島素抵抗[40-42]，增加肝臟脂肪形成。對NASH小鼠模型給予TLR-4拮抗劑，發(fā)現(xiàn)小鼠的肝臟炎癥程度明顯緩解[41]。

2.6 色氨酸代謝通路與NAFLD

臨床研究與小鼠NAFLD模型中的證據(jù)表明，色氨酸（tryptophan，Trp）代謝與 NAFLD 進(jìn)展有關(guān)。色氨酸進(jìn)入腸道后主要通過三條途徑被腸道菌群分解代謝：（1）腸道菌群可將少量Trp直接代謝為吲哚和各種吲哚衍生物；（2）約95 %的色氨酸由吲哚胺2, 3-雙加氧酶1（indoleamine 2, 3-dioxygenase，IDO1）催化轉(zhuǎn)化為犬尿氨酸（Kyn），酶的活性受腸道菌群調(diào)節(jié)；（3）其余部分由腸道噬鉻細(xì)胞通過Trp羥化酶1（TpH1）催化產(chǎn)生5-羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）途徑[43-44]。

腸道菌群直接代謝Trp，代謝產(chǎn)物包括吲哚丙酸（indole propionic acid，IPA），吲哚乙酸（indole acetic acid，IAA），吲哚醛（indole aldehyde，IAld）[45]。 IAA、IPA、IAld均可作為芳烴受體（aryl hydrocarbon receptor，AHR）的配體。在健康的腸道中，乳酸桿菌通過IAld介導(dǎo)AHR配體促進(jìn)IL-22產(chǎn)生，進(jìn)而控制上皮細(xì)胞增殖及AMP的產(chǎn)生，并參與黏蛋白基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)黏膜穩(wěn)態(tài)[46]。此外，吲哚可減輕炎癥，降低 TNF-α 和IL-8 水平，并增加人腸上皮細(xì)胞系中抗炎因子的表達(dá)水平[47]。Venkatesh 等[48]發(fā)現(xiàn)，IPA 通過激活孕烷 X 受體（pregnane X receptor，PXR）上調(diào)緊密連接蛋白（ZO-1）、閉合蛋白（occludin）和上皮型鈣黏素（E-cadherin）的表達(dá)，促進(jìn)腸道屏障完整性，對維持腸道穩(wěn)態(tài)具有重要作用。血清IPA還可促進(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，降低肝臟TG合成，另一方面還可增加肝臟脂肪酸氧化和細(xì)胞攝取葡萄糖，減少脂肪在肝細(xì)胞內(nèi)聚集[49]。

人體90 %以上的5-HT是由腸嗜鉻細(xì)胞中的TpH1酶催化產(chǎn)生。PPARγ在調(diào)節(jié)葡萄糖和脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)及組織炎癥等方面發(fā)揮重要作用[50]，5-HT作為PPARγ的內(nèi)源性激動劑，可通過直接結(jié)合PPARγ的H12螺旋結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞功能和脂肪生成[51]。與對照組比較，5-HT處理過的肝細(xì)胞TG合成明顯增加，此外經(jīng)5-HT受體拮抗劑處理過的肥胖小鼠體內(nèi)PPARγ表達(dá)下降，肝臟脂肪沉積顯著減少[52-53]。益生菌可通過減少血清與結(jié)腸5-HT水平保護(hù)腸黏膜屏障功能，使有害物質(zhì)無法通過腸肝循環(huán)進(jìn)入肝臟，改善肝臟炎癥、纖維化的發(fā)生[54]。因此，調(diào)節(jié)5-HT水平可能有助于改善脂質(zhì)代謝紊亂相關(guān)疾病如NAFLD。

3 小結(jié)

綜上，腸道菌群代謝產(chǎn)物在NAFLD的發(fā)生發(fā)展中具有重要作用，挖掘更多與NAFLD有關(guān)的腸道菌群代謝物，對建立以腸道菌群或其代謝物為靶點的NAFLD治療策略具有重要意義。有必要結(jié)合腸道基因組學(xué)、代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等對腸道微生物、菌群代謝產(chǎn)物和影響疾病的分子機(jī)制之間的關(guān)系進(jìn)行深入研究，為闡釋NAFLD的發(fā)展機(jī)制提供理論依據(jù)。