陳月橋,劉家玲

陳月橋,劉家玲,廣西中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院肝病科 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530200

0 引言

肝衰竭(liver failure,LF)是各種損傷因素多重打擊下使肝臟合成、代謝、解毒功能障礙所致的危重癥候群.肝腸軸理論的出現表明肝腸之間存在著緊密的生理病理關系,腸道菌群數量龐大,結構復雜,眾多菌群之間形成腸道微生態(tài)系統(tǒng),通過肝腸軸對肝衰竭的發(fā)生發(fā)展產生顯著影響.越來越多研究表明[1,2],腸道微生態(tài)失衡程度與肝衰竭嚴重程度有顯著相關性,因此,微生態(tài)調節(jié)治療或可成為肝衰竭患者極具潛力的治療方法.

1 腸道菌群與腸道微生態(tài)

人體腸道菌群多樣,總量在400-1500之間變化[3],不同菌門、綱、目、科、屬的腸道微生物之間形成了結構及組成復雜的腸道微生態(tài)系統(tǒng),其中,包括以雙歧桿菌、乳酸桿菌、枯草桿菌、地衣芽孢菌為主的有益菌和腸球菌、腸桿菌、大腸埃希菌等中間菌及銅綠假單胞菌、艱難梭菌等有害菌.正常情況下,腸道微生態(tài)系統(tǒng)隨著年齡、飲食、生活環(huán)境等因素的變化而變化[1,4],各菌群之間及菌群與宿主之間維持動態(tài)平衡,發(fā)揮營養(yǎng)、代謝、免疫、屏障保護等作用.但在各種疾病及致病因素作用下,腸道菌群的穩(wěn)態(tài)被打破,正常菌群也可轉變成致病因素,通過各種機制作用于人體,導致各類疾病的發(fā)生.基于腸道微生態(tài)系統(tǒng),肝腸軸、腸心軸、腸肺軸、腸腦軸及肝-腸-腦軸、腸-腎-腦軸等概念的提出,表明了腸道微生態(tài)系統(tǒng)與機體器官的密切關系.

2 肝衰竭與腸道微生態(tài)

肝臟與大腸通過門靜脈系統(tǒng)及腸系膜上下靜脈形成解剖及生理聯系.傳統(tǒng)醫(yī)學即有“心與膽相通,肝與大腸相通”、“肝寄腑于大腸”的記載,這與現代醫(yī)學“肝-腸軸”概念相吻合.腸道微生態(tài)紊亂時,各種病原體、毒性物質等致病因素對肝功能造成直接損傷,在肝細胞損傷基礎上,由腸道微生態(tài)紊亂產生過度持久的內毒素血癥/炎癥反應、微循環(huán)障礙使免疫細胞激活及細胞因子大量釋放導致免疫平衡紊亂及炎癥反應造成肝臟的“二次打擊”,加劇了肝細胞的凋亡、自噬、壞死.可見“免疫失衡”“炎癥打擊”作為核心機制貫穿肝衰竭發(fā)生、發(fā)展的全過程.肝衰竭患者肝功能嚴重受損,使腸蠕動減弱、腸上皮細胞破壞,腸道屏障受損、肝固有免疫功能減弱等,導致腸道菌群組成及結構改變,腸道微生態(tài)系統(tǒng)失衡;而微生態(tài)系統(tǒng)失衡可通過內毒素及有毒代謝產物增加、細菌易位等產生“瀑布樣效應”,促進了病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)和天然免疫系統(tǒng)的激活,造成“炎癥二次打擊”加劇肝損傷及內環(huán)境紊亂,進一步影響肝衰竭進程.因此,腸道微生態(tài)失衡與肝衰竭之間互為因果,且相互影響,惡性循環(huán),從而加快疾病進程.肝衰竭患者腸道微生態(tài)失衡主要表現為有益菌減少,有害菌過度生長及條件致病菌轉為致病菌,加快疾病進展.多個研究表明[2,5],腸道微生態(tài)失衡程度與肝衰竭嚴重程度有顯著相關.在一項前瞻性研究顯示,肝衰竭的發(fā)展及死亡率與腸道菌群組成有關,預后較差患者的變形桿菌普遍較高[6];另有研究表明[6-8],鏈球菌科、腸球菌科等致病菌分類的增加與肝衰竭患者死亡率高度相關,巴氏桿菌科增加是慢加急性肝衰竭患者短期內死亡的重要危險因素.

3 腸道微生態(tài)的作用

3.1 穩(wěn)定腸道屏障作用

腸道通過腸黏膜上皮屏障、免疫屏障、生物屏障保護機體免受有害微生物及病原體侵害,其中,腸粘膜上皮屏障是最重要的一道屏障.腸道內有益菌可誘導杯狀細胞分泌Occludin、Claudins、ZO1、MUC2等緊密連接蛋白(tight junction proteins,TJPs)與腸上皮細胞緊密連接,構成了腸黏膜上皮屏障;同時,TJPs為有益菌提供生態(tài)位點,協助有益菌在腸道黏附定植,形成“腸道定植抗力”,發(fā)揮生物屏障作用[9,10];有益菌還可通過分泌融菌酶C、C型凝集素、磷脂酶等抗菌肽,抑制有害菌過度生長、提高腸上皮再生能力、調節(jié)免疫功能、為腸上皮供能、分泌粘液素等維持腸道穩(wěn)態(tài)及腸道屏障的完整性[11].肝衰竭時,有益菌減少,腸桿菌及大腸埃希菌等致病菌過度生長,不僅改變腸道菌群的組成及結構,還可通過干擾腸粘膜生化反應,干擾密連接蛋白的合成,損害腸上皮細胞等改變腸道通透性,導致腸道屏障破壞[11,12].

3.2 調節(jié)免疫 胃腸道可容納體內70%淋巴細胞群,被認為是體內最大的免疫器官[13],在調節(jié)體內免疫穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮其核心作用.腸道免疫由IEC、淋巴細胞、腸道漿細胞分泌型免疫球蛋白A(secretory immunoglobulin A,SIgA)等構成,SIgA等與腸道內革蘭氏陰性菌結合形成抗原抗體復合物,不僅能阻止有害菌與腸粘膜粘附,還可中和已潛入細胞內的病毒.研究發(fā)現[14,15],腸道菌群的適當定植,可刺激模式識別受體在腸粘膜上皮細胞或免疫細胞上的表達,誘導腸粘膜相關淋巴組織成熟.如果良好的腸道菌群環(huán)境在生命早期未完全構建,則會導致腸粘膜相關淋巴組織發(fā)育不全,免疫細胞和細胞因子數量減少,模式識別受體表達下調.另外,在一項無菌小鼠中進行的實驗表明[16,17],由于腸道菌群的缺失,導致小鼠功能性CD4、CD25及Tregs降低,免疫細胞數量減少及淋巴結縮小等免疫發(fā)育不全、抗菌能力減弱表現,這都表明腸道菌群在免疫系統(tǒng)的發(fā)育及免疫功能的正常發(fā)揮中起重要作用.上皮層的固有層含有樹突狀細胞,這是重要的抗原呈遞細胞,可調節(jié)體液和細胞腸道免疫[18].腸道中的乳酸桿菌可刺激樹突狀細胞啟動免疫應答,防治細菌移位,減低內毒素及腫瘤壞死因子-α(tumour necrosis factor α,TNF-α)水平,從而調節(jié)免疫.可見,腸道菌群在免疫功能的發(fā)育及完善,免疫功能的正常發(fā)揮方面都起著重要作用.

3.3 改善肝功能 肝功能的受損是由病原體及毒性物質直接損害及免疫平衡失衡、炎癥反應造成肝臟的“二次打擊”引起的.腸道微生態(tài)失衡導致“腸道定植抗力”下降,腸粘膜通透性增加,物理及生物屏障遭到破壞,過度生長的腸球菌及酵母菌等有害菌的過度生長、腸黏膜通透性增加及腸道免疫功能受損等因素可導致病原體、毒性代謝產于通過門靜脈進入肝臟,導致肝臟直接損害[19].革蘭氏陰性菌細胞壁上的脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)可與模式識別受體Toll樣受體4(toll-like receptor 4,TLR4)結合,LPS-TLR軸使巨噬細胞過度活化,導致就巨噬細胞對LPS易感性增加,持續(xù)的炎癥反應促進了PAMPs釋放并刺激細胞內信號級聯反應導致肝臟“炎癥二次打擊”;反過來,巨噬細胞還可通過激活核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3,NLRP3)來增加腸道通透性,加劇了內毒素血癥,形成惡性循環(huán),最終導致肝功能的急劇惡化,最終走向衰竭.腸道內有益菌可通過調節(jié)免疫改善肝功能.研究發(fā)現[20,21],乳酸菌和雙歧桿菌可減輕TLR4炎癥瀑布反應,氧化應激和內毒素血癥.Granisetron可通過拮抗5-羥基色胺3抑制LPS后巨噬細胞釋放促炎因子,緩解膿毒癥誘導的小鼠肝損傷.

3.4 抑菌作用 腸道菌群通過維持腸道屏障穩(wěn)定性、調節(jié)膽汁酸分泌與代謝、調節(jié)腸道pH值等達到抑菌作用.如前文所述,腸道菌群可通過各種途徑維持腸道屏障的穩(wěn)定性抑制致病菌的過度生長及侵害腸外機體.腸道菌群不僅可以調節(jié)膽汁酸的分泌與代謝,還可與膽汁酸合成的法尼醇衍生物X受體(farnesoid X receptor,FXR)促進血管生成素1(angiopoietin 1,ANG1)及RNAse家族成員4(RNase A family 4,RNASE4)等抗菌肽生成,保護機體不受有害菌的侵害,此外,膽汁酸的分泌與代謝與腸道PH值相關,通過維持腸道酸性環(huán)境抑制細菌過度生長.

3.5 營養(yǎng)作用 腸道營養(yǎng)是肝臟營養(yǎng)代謝的主要來源,對肝臟儲備和再生能力起著重要作用.腸道中99%-99.9%為厭氧菌,需氧菌僅占0.1%-1%,腸道菌群的平衡除了能使葡萄糖在腸道中充分吸收外,還能合成維生素K及大部分水溶性B族維生素,為機體提供能量及必要維生素,此外,食物在消化道通過棘皮動物門厭氧發(fā)酵產生乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)是腸上皮細胞及腸道微生物的主要能量來源[22,23].研究發(fā)現[24-28],腸道菌群失衡可導致棘皮動物科和苜?？频犬a生SCFAs微生物減少,SCFAs生成不足,影響腸道供能,腸道調節(jié)或可為肝衰竭患者營養(yǎng)支持治療提供新思路.

3.6 調節(jié)脂質代謝 腸道菌群可通過增加腸道SCFAs的產生、調節(jié)腸道微生物群及其代謝產物、調節(jié)膽汁酸代謝等途徑調節(jié)脂質代謝.研究表明[29],肥胖小鼠較無菌小鼠腸道內SCFAs顯著增加,這可能與SCFAs可導致脂肪堆積有關.此外,在構建高脂肪/高膽固醇小鼠模型中,小鼠腸道粘螺旋體,脫硫弧菌和脫硫弧菌科依次增加,而雙歧桿菌和擬桿菌減少,腸道細菌代謝物牛磺膽酸[(taurocholate acid,TCA),可抑制膽固醇誘導的脂質堆積及細胞增殖]減少,3-吲哚丙酸[(indole-3-propionic acid,IPA),可加重膽固醇誘導的甘油三脂堆積]增加,導致肝臟炎癥及脂肪變性,驅動非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD)形成,這種微生物及其代謝產物改變情況與高膽固醇血癥患者腸道微生物改變相一致[30],表明膳食膽固醇通過調節(jié)腸道微生物群及其代謝物在驅動NAFLD發(fā)生及發(fā)展.另外,腸道菌群可通過調節(jié)膽汁酸代謝,影響FXR和G蛋白偶聯膽汁酸受體(takeda G-protein-coupled receptor 5,TGR5)等受體激活,影響脂類吸收代謝,而研究表明[31,32],這些受體的激活可特異性地降低了單不飽和脂肪酸(monounsaturated fatty acid,MUFA)和多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)的肝臟水平.

4 肝衰竭微生態(tài)調節(jié)治療的研究進展

研究表明[33],腸道菌群失衡與脂肪肝、肝纖維化、肝硬化、肝性腦病、肝衰竭等肝臟疾病密切相關.因而腸道微生態(tài)制劑在肝臟病的應用中具有廣大的前景.腸道微生態(tài)制劑主要包括益生菌、益生元、合生元、抗菌素、糞便移植(fecal microbiota transplantation,FMT)等.

益生菌是使用一定劑量后能對機體健康帶來益處的活的微生物制劑[34-36],主要包括乳桿菌屬、雙歧桿菌屬、腸球菌屬、芽孢桿菌屬等七個菌屬為主的上百個菌種[37],益生菌可通過產生抗菌物質拮抗細菌生長、與病原體競爭黏膜上皮黏附和營養(yǎng),調節(jié)免疫及抑制毒素生長等途徑改善宿主健康[38,39].鄧桃枝等人[12,40]使用雙歧桿菌三聯活菌治療肝衰竭患者的臨床觀察研究顯示,治療組口服益生菌后,雙歧桿菌、腸球菌、乳桿菌等腸道內優(yōu)勢菌群較對照組明顯增加,且治療組TBIL、PT等肝功能生化指標較前改善,血漿內毒素及白介素-1(interleukin-1,IL-1)、白介素-6(interleukin-6,IL-6)、TNFα等細胞因子水平下降,CD4+百分率、CD4+/CD8+值顯著上升.可見,益生菌可通過調節(jié)腸道菌群結構及免疫功能,減輕內毒素血癥及過度炎癥反應延緩肝衰竭進展.此外,張月曉等人[41,42]使用地衣芽孢桿菌活菌膠囊及酪酸梭菌活菌片等治療肝衰竭也能不同程度的改善腸道菌群失調,減輕內毒素血癥,改善肝功能.雖然益生菌的使用對肝衰竭患者的治療有一定作用,但在使用過程中,益生菌菌株的選擇、劑量與療程、益生菌的安全性及功能性問題目前尚未有統(tǒng)一標準,長期使用益生菌的療效及安全性尚缺乏證據支持.

益生元是一種不可存活的食物成分,可通過刺激腸道內微生物的生長及活性從而改變腸道微生物活性及構成,達到改善宿主健康的目的[36,37].益生元主要為營養(yǎng)結腸的有益菌群提供碳水化合物,可作為益生菌的替代產品或作為益生菌的額外支持;包括乳果糖、低聚半乳糖、低聚果糖等低聚糖類,種類多達數百種,其中,菊粉、低聚果糖等果聚糖最常用有效.研究發(fā)現[43],乳果糖可抑制細菌發(fā)酵從而誘導內源性氫產生達到抑制氧化應激及炎癥,促進肝細胞再生及功能恢復作用.一項肝衰竭神經炎癥作用機制的研究顯示[44],乳果糖可通過調節(jié)腸道菌群,抑制全身炎癥反應及小膠質細胞的活化,降低腦內氨水平達到抑制肝衰竭肝性腦病患者神經炎癥反應,改善認知功能.

合生元是益生菌及益生元結合的復合制劑,既可發(fā)揮益生菌的生理性細菌活性,又可選擇性的增加這種細菌的數量使益生菌作用更持久.因此,合理選擇適合的益生菌及益生元組合是發(fā)揮聯合作用的關鍵.目前,以雙歧桿菌和乳酸桿菌屬益生菌與低聚果糖組合的合生元最為常用.一項益生菌和益生元對急性肝損傷有效性的薈萃分析顯示[45],使用益生元及益生菌后,回腸末端腸球菌等有害菌豐度減少,內毒素水平降低,緊密連接蛋白表達增加,這表明益生菌和益生元的使用對腸道屏障的增強及內環(huán)境的穩(wěn)態(tài)有改善作用.研究發(fā)現[46],補充干酪乳桿菌、雙歧桿菌及嗜酸乳桿菌等益生菌聯合低聚果糖組合的益生元后,可抑制核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)并減少TNF-α的產生,可見,合生元的正確選擇可減輕肝臟炎癥反應及內毒素血癥,改善肝功能.合生元產品同時具備益生菌及益生元的特性,既克服了益生菌在腸道內難以存活問題,還可更大限度發(fā)揮益生元作用.但在肝衰竭患者中由于腸道菌群的個體差異及合生元種類的多樣性,如何正確選擇合適的合生元產品精準及個體化治療仍然是一大難題.

抗生素能夠清除腸道致病菌、抑制細菌移位、減少促炎細胞因子和內毒素釋放.由于肝衰竭患者腸道微生態(tài)系統(tǒng)紊亂,細菌易位及免疫功能紊亂等原因,導致肝衰竭患者自發(fā)性腹膜炎、膽道感染,肺部感染等感染幾率增加,與肝衰竭嚴重程度成正相關,并直接影響肝衰竭患者的預后[47].因此,合理的抗感染方案在肝衰竭患者中顯得尤為重要.在一項抗生素預處理的肝移植小鼠實驗中發(fā)現[48],抗生素預處理的小鼠,通過改變腸道微生物群,增加腸道衍生物前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)水平(一種肝細胞保護因子),并降低內質網(endoplasmic reticulum,ER)應激相關蛋白CHOP蛋白的水平,降低ER應激,從而減少移植后肝細胞死亡,重建缺血再灌注損傷,減輕肝損傷,這與抗生素預處理肝衰竭肝移植患者的結果一致[49-51].雖然抗生素的使用對于肝衰竭患者細菌感染及肝移植方面有一定益處,但是,其廣泛的副作用和細菌耐藥性,以及在殺滅病菌的同時,也會殺滅有益菌,使腸道菌群結構更加紊亂等問題,需要我們嚴格把握適應癥及禁忌癥,對抗生素種類的選擇、劑量、療程等制定合理方案,并通過聯合益生菌、益生元、糞便移植等適當補充腸道微生物,維護腸道微生態(tài)平衡,避免惡性循環(huán).

FMT是指將健康人糞便中的菌群移植到患者腸道內,從而達到改善腸道微生態(tài)平衡.由于不同疾病的FMT治療方案差異巨大,為提高移植成功率,捐贈者需經過嚴格的供體篩查.糞便移植可經過內窺鏡、膠囊、結腸鏡、灌腸等方式輸送到腸道內.在一項通過四氯化碳構建急性肝衰竭(acute hepatic failure,ALF)大鼠模型研究中[52],經過FMT治療,ALF大鼠白介素1β(interleukin-1β,IL-1β),TNF-α,Toll樣受體9(toll-like receptor 9,TLR9)等炎癥介質及谷丙轉氨酶、谷草轉氨酶、總膽紅素、直接膽紅素、堿性磷酸酶等指標下降,且腸道通透性及血氨水平下降.另外一項關于酒精相關性急性肝衰竭患者FMT療效對比顯示[53,54],治療組的短期及中期生存率明顯高于對照組,且治療組炎癥指標較前下降.可見,FMT可通過改善腸黏膜通透性,降低炎癥反應及血氨水平來減輕肝損傷,改善預后.

腸道菌群在肝衰竭的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用,但由于腸道菌群結構極易受飲食、生活環(huán)境、疾病等因素的影響以及腸道微生態(tài)制劑的多樣性等,使得微生態(tài)制劑種類、劑量、劑型的正確選擇及個體化治療方案的制定帶來一定難度.現在越來越多研究者致力于研究腸道微生物的組成及其在人類健康和疾病中的作用,旨在建立健康的腸道微生物群,但腸道微生物組成、結構及其對疾病作用機制的極其復雜,至今尚未能對健康的腸道微生物群有比較準確的定義.有賴于多學科、多機制的綜合研究.

5 結論

基于腸道與肝臟之間解剖和生理的緊密關系,腸道菌群可通過穩(wěn)定腸道屏障、調節(jié)免疫、改善肝功能、抑制有害菌過度生長、營養(yǎng)及調節(jié)脂質代謝等對肝衰竭的發(fā)生發(fā)展起重要作用.腸道微生態(tài)制劑在肝衰竭的治療方面具有巨大潛力,隨著腸道菌群及其參與肝衰竭發(fā)生發(fā)展的作用機制、腸道微生態(tài)治療研究的不斷深入,腸道微生態(tài)調節(jié)治療或可成為肝衰竭治療的一種很有前景的療法.