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Cell Metabolism重磅綜述 | 腸-肝軸的病理生理學概念和臨床意義（上）

麥特繪譜

2022.12.08

過去幾年中，腸道和肝臟之間的雙向交互作用已經成為實驗性肝病的關鍵影響因素，越來越多的臨床證據表明，在肝病和肝病以外的疾病中都出現了腸-肝軸的紊亂。來自奧地利因斯布魯克醫科大學的Herbert Tilg教授團隊，討論了腸道和肝臟之間雙向交互的實驗和臨床結果，綜述了健康和肝病中的特定介質變化；闡述了腸道和肝臟在健康和疾病中復雜的代謝相互作用，對未來靶向治療肝臟疾病提供理論基礎，該綜述發表于Cell Metabolism 。

腸道屏障受損是腸-肝軸改變的先決條件

腸道屏障保護身體免受潛在的有毒代謝物、細菌及其抗原的影響。因此，對腸道屏障和共生菌群的免疫控制至關重要。多種因素促進了這種多層面和動態的宿主-菌群共生關系。例如，菌群間的互作決定了成熟的腸道菌群的發展，免疫反應必須由宿主的細胞和體液免疫系統很好地平衡。近年來，飲食成為哺乳動物腸道屏障的一個關鍵調控因素（圖1）。

圖1. 腸道屏障：腸-肝軸的守門員

飲食與腸道屏障

受損的腸道屏障反映了腸-肝軸的“第一擊”，這可能是由飲食應激和相關的菌群失調引起的。過去幾年，飲食，特別是高脂肪飲食(HFD)已成為損害健康志愿者腸道屏障和內毒素血癥的最重要的誘因。與這一概念相一致的是非洲人生活方式的城市化(即從農村向城市生活方式和飲食的轉變)引發了機體對炎癥的易感性。由內毒素等細菌成分引起的代謝性內毒素血癥已被認為是一個將腸道屏障損傷與全身炎癥聯系起來的疾病。HFD還利用乳糜微粒通過腸道屏障運輸內毒素。此外，攝入過多果糖會導致十二指腸道屏障功能受損，并可導致內毒素血癥和非酒精性脂肪性肝?。∟AFLD）。西方飲食中富含的膳食乳化劑也會破壞腸道屏障，并在小鼠中引發輕度全身炎癥和腸道菌群失調。還發現，宿主的調控機制也會影響腸道屏障，例如在T2D（2型糖尿病)）和NAFLD中，血糖濃度調控著腸道屏障功能障礙。

菌群與腸道屏障

與現在的糞便相比，1000 - 2000年前的古糞便表現出明顯的菌群基因集富集。因此，腸道菌群被認為是控制腸道屏障和代謝性疾病的關鍵因子。例如，抗生素處理和在ob/ob小鼠中敲除CD14(一種Tolllike受體4 [TLR4]微生物感應的輔助受體)可以消除代謝功能障礙和全身炎癥。共生菌通過多種機制有助于維持健康的腸道屏障，如粘液的維持和抗菌肽及短鏈脂肪酸(SCFAs)的產生。厚壁菌和擬桿菌被認為發揮有益的作用，但變形菌在粘膜表面卻具有炎癥作用，破壞腸道屏障。例如，補充普氏棲糞桿菌Fecalibacterium prausnitzii和嗜黏蛋白阿克曼菌Akkermansia muciniphilia（AKK菌）會影響小鼠的腸道菌群，并修復腸道屏障。AKK菌可增加肥胖小鼠和人類的粘液厚度，增加緊密鏈接表達，并改善代謝功能。同時粘膜真菌通過從小鼠的CD4+T細胞中產生白細胞介素22 (IL-22)來加強腸道屏障。

免疫介質與腸道屏障

20多年來，細胞因子已經被證實可以控制腸道屏障功能。例如，TNF、IFNg和IL-1b、內毒素、趨化因子成為損害腸道屏障的關鍵介質。反過來，IL-22可維持腸道穩態和腸道屏障功能；IL-18、IL-21等也有類似報道。維持腸道屏障的免疫細胞主要是特異性自我維持的巨噬細胞，它們緊密定位于血管，這種特化巨噬細胞的成熟高度依賴于腸道菌群，也強調了腸道屏障的維持需要腸道菌群的相互作用。

腸道-血管屏障

腸道-血管屏障(GVB)可防止細菌從腸道傳播。GVB主要由內皮細胞組成，周圍是周細胞和腸道膠質細胞，受損的GVB伴隨著質膜膜泡關聯蛋白(PV1)水平的升高。β-catenin（β-連環蛋白）信號通路控制血管通透性，β-catenin的的過量表達可保護小鼠免受沙門氏菌感染。在高脂誘導的NAFLD模型中，GVB受損，隨后細菌轉移至肝臟。HFD誘導的菌群失調導致了GVB的破壞，因為將HFD喂養的小鼠糞便轉移至對照喂養的小鼠后，發現其也會破壞GVB。還發現，乙醇喂養小鼠可使PV1表達增加，而口服AKK菌可降低PV1的表達。然而，β-catenin的過表達并不能預防乙醇誘導的肝損傷，這表明GVB的特定功能?？傊c道屏障包含復雜的生理和功能結構，從完整的粘液層到上皮緊密連接、宿主-菌群互作和GVB，它們共同維持健康，并影響多種肝臟疾病(圖1)。

飲食信號干擾腸-肝軸穩態

飲食中的蛋白質和碳水化合物在腸道中被宿主及其共生菌群加工，然后通過門靜脈進入肝臟。盡管這些產物或代謝物中大多數是生命所必需的，例如能量代謝，但許多產物或代謝物有可能引發或惡化炎癥性疾病，特別是在過量攝入時。接下來主要探討在腸-肝軸中起作用并導致肝臟疾病的促炎和抗炎飲食成分/代謝物。更重要的是，飲食對這種腸-肝軸的影響很少能脫離菌群而單獨存在。

飲食是腸道菌群的主要調節器

營養和膳食成分是調節胃腸道菌群結構和功能的關鍵因素之一。早期的一項研究表明，與典型西方飲食的意大利兒童相比，非洲兒童表現出普雷沃氏菌豐度增加，而潛在致病菌厚壁菌和腸桿菌的數量減少。同樣，HFD對腸道菌群的組成也產生了顯著影響。另外的幾項研究表明，飲食干預也會在短期內影響腸道菌群。通常存在于加工食品中的膳食乳化劑不僅會改變腸道屏障，還會嚴重改變腸道菌群，減少多樣性和SCFAs。使用諸如植物纖維等健康食品的膳食干預，則對腸道菌群和相關血漿蛋白質產生有益影響。目前，大量的臨床研究已經證明了飲食和腸道菌群之間的重要相互作用。例如，來自美國和土耳其的晚期肝病患者中，富含咖啡、谷物、茶、蔬菜和發酵乳品的飲食與較高的微生物多樣性有關，飲食還會影響住院風險等。

生物節律控制腸道菌群共生和能量代謝

生物節律因素對宿主生理和代謝產生關鍵的影響。在過去的幾年里，腸道菌群在過去幾年被認為是傳遞晝夜節律飲食信號的一個重要因素。例如，膳食成分，特別是菌群代謝物，如SCFAs和BAs（膽汁酸），可以調控腸道菌群和晝夜節律通路之間的聯系，而西方飲食則會擾亂小鼠腸道菌群的晝夜節律。膳食種類和節律性影響小鼠的腸道菌群和上皮轉錄反應。還發現，飲食誘導的肥胖會損害回腸菌群組成和轉錄組的晝夜變化，而時間限制的喂養可以改善這種變化。但是目前大多數人類研究沒有考慮到晝夜節律的影響，未來的研究需要注意這個方面。

促炎的飲食

飲食中的飽和長鏈脂肪酸進入上皮來源的乳糜微粒中，通過淋巴系統吸收(由腸道菌群促進)，經由血液進入肝臟。這些飽和脂肪酸是強效促炎營養物質，通過炎癥小體信號通路激活炎癥級聯反應。HFD處理導致小鼠腸內產生IL-17的T細胞增加，同時調節型T細胞減少，而抗炎飲食則恢復了腸通透性和內毒素血癥。西方飲食通常富含多不飽和脂肪酸，如n-6多不飽和脂肪酸，這樣的飲食則引發老年小鼠的免疫細胞積累和腸道失調。喂食14個月以上的高脂/高膽固醇(HFHC)飲食導致小鼠的肝臟脂肪變性、肝臟炎癥、纖維化和肝細胞癌(HCC)，且將飲食誘導的腸道菌群失調轉移到無菌小鼠中重現這種表型。因此，NAFLD中肝臟脂肪變性和肝臟炎癥的演變是飲食誘導炎癥的典型路徑，表明營養物質過剩會沿腸-肝軸傳播疾病。

除了脂類外，單糖也會導致腸-肝軸的病理。例如，果糖過量導致新生脂肪生成、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)和HCC，這與腸道屏障受損、內毒素血癥和激活MyD88介導的炎癥有關。果糖誘導的肝臟脂肪生成還涉及其他菌群代謝物，如乙酸。膳食果糖通過增加小鼠內毒素刺激后的循環IL-1b發揮炎癥作用，可能是由果糖依賴性誘導mTORC1介導的。盡管一些臨床前研究表明膳食果糖會改變腸道菌群，在10名健康志愿者中進行的小規模人類試點研究卻無法建立此關聯。

另一個重要的促炎、破壞腸道屏障和影響腸道菌群的飲食成分是酒精。酒精已被確定為擾亂腸道菌群和促進腸-肝軸炎癥反應的最關鍵宿主變量之一。后文會詳細展開討論。

氧化三甲胺 (TMAO)是飲食促進腸-肝軸的另一個例子。腸道細菌將膳食中的膽堿或肉堿(肉類和奶酪中含有)轉化為TMA, TMA在肝臟中通過黃素單加氧酶(FMO3)進一步代謝為TMAO。研究表明，這一關鍵的腸-肝軸生物標志物與系統性疾病，特別是心血管疾病有關聯。在活檢鑒定的NAFLD中，肝病的嚴重程度與較高的TMAO水平相關，TMAO水平與T2D中NASH的嚴重程度相關。盡管許多研究已經揭示了TMAO與疾病預后的密切聯系，但其潛在機制尚不清楚。臨床前研究表明，TMAO影響胰島素和葡萄糖耐量，并促進脂肪組織炎癥。在此概念下，促炎飲食在肝臟中代謝，相關代謝物控制肝臟內外的免疫，被稱為免疫代謝。

抗炎的飲食

健康的生活方式和營養有利于產生抗炎代謝物，然而對于這樣的飲食應該是怎樣的，仍存在著相當大的爭論(部分原因是對營養的異質反應)。盡管脂肪、單糖和大多數蛋白質在小腸中被消化，但復雜的碳水化合物(即纖維)在結腸中被共生菌發酵成SCFAs，以促進機體健康。這些SCFAs與宿主的特定受體結合，例如G蛋白偶聯受體(GPCRs)，諸如 GPCR41和GPCR43，從而在能量代謝和免疫耐受中發揮有益功能。SCFAs調控調節型T細胞的占比和生物學功能，從而有助于腸道內穩態和預防結腸炎。SCFAs改善脂肪變性和肝臟炎癥，并進一步延緩乙肝病毒HBx轉基因小鼠慢性肝病向HCC的進展。因此，膳食纖維不僅可以影響腸道菌群落和功能，還可以有效改善實驗性代謝性疾病。

目前，已發現的有益的菌群代謝物數量正在增加，芳香烴受體(AhR)配體就是一個突出的例子。許多天然的AhR配體存在，從膳食成分到菌群衍生的代謝物，如色氨酸，與特定受體結合轉移至細胞核，并與AhR核轉位器結合。這種相互作用影響許多可能抑制炎癥活性的基因的表達。還發現，與對照組小鼠相比，AhR腸上皮缺失小鼠在乙醇暴露后表現出更嚴重的肝損傷，提示了沿腸-肝軸的AhR信號通路的作用。AhR配體在代謝綜合征和肝臟脂肪變性的臨床前和臨床環境中也顯示出多效性，可能是通過改善腸道屏障完整性發揮作用。

腸-肝軸中的微生物信號

1. 病原體相關的分子模式

受損的腸道屏障是潛在有害菌及其效應分子(被稱為病原體相關分子模式(PAMPs))轉移到肝臟的重要前提。內毒素是一種典型的PAMP，是共生菌革蘭氏陰性菌細胞壁的組成部分。內毒素反映了腸-肝交流中的一個關鍵的腸源媒介，能有效地誘導促炎細胞因子的釋放，特別是結合TOLL樣受體4(TLR4)后巨噬細胞釋放的促炎細胞因子。在早期的研究中，觀察到ALD和NAFLD中內毒素濃度的增加。在諸如T2D、肥胖或NAFLD等代謝性疾病中，內毒素血癥已成為全身炎癥的重要因素。內毒素血癥與肝病嚴重程度相關；且與單純脂肪變性相比，NASH患者的循環內毒素水平更高。

除了內毒素，許多其他PAMP，如脂磷壁酸、肽聚糖、脂肽類或來自病毒和細菌的DNA，都可能進入門靜脈，到達肝臟甚至膽汁。健康的肝臟有對抗和清除內毒素的機制。最近，Han等報告腸道衍生的高密度脂蛋白HDL3使內毒素失活，證實了膽固醇的一種新作用。腸源性HDL3可以中和門靜脈中的內毒素，防止肝臟巨噬細胞的激活和肝臟炎癥，這一點也在手術、飲食或酒精性腸道損傷的動物模型中得到證實，其中腸道HDL3的耗竭會加重肝臟損傷。該研究表明，腸源性因子——HDL3，可以保護肝臟免受炎癥的損害，臨床慢性肝病可能與此有關。

膽汁淤積實驗模型小鼠表現出從竇性血液中清除時間的延遲，管腔內毒素的分泌量減少，這表明BA代謝在調控肝細胞PAMP清除方面的作用。慢性內毒素暴露對慢性肝病內毒素耐受性和/或訓練免疫的作用目前尚不清楚。也有報道，防御素等抗菌肽在正常肝臟中顯著表達，且在膽汁淤積條件下被BAs和膽紅素進一步誘導。

2. 影響腸-肝軸的菌群代謝物

只有少數臨床研究闡述了代謝性肝病中的門靜脈血、菌群和衍生代謝物。Koh等報道T2D患者門靜脈血液中菌群代謝物丙酸咪唑濃度增加，影響胰島素信號傳導，其中丙酸咪唑通過激活p38 MAPK和p62的磷酸化導致mTOR活性增強，從而損害胰島素信號。McDonald等研究了共代謝物D-乳酸，它能夠清除肝細胞中的病原體，在抗生素處理后逆轉。因此，菌群代謝物可以調控肝臟免疫反應。

在實驗性NAFLD中，共代謝物苯乙酸引起肝臟脂肪變性，將肥胖婦女的糞便轉移到小鼠中導致肝臟脂肪變性加重。同樣，菌群代謝物N,N,N-三甲基-5-氨基戊酸(TMAVA)可能在腸-肝軸上發揮作用，因為NAFLD患者血清中，TMAVA水平升高?？偟膩碚f，還需要更多的機制研究來了解門靜脈代謝物如何影響小鼠和人類的代謝性肝病。

腸粘膜激素：FGF15/19和GLP1

除了飲食和微生物信號外，宿主衍生的介質也參與腸-肝軸。例如，“腸因子”，如小鼠中的成纖維細胞生長因子15 (FGF15)(對應人類中的FGF19)，主要由回腸的腸道上皮細胞產生，而不是由肝臟產生。FGF15/19在回腸中的表達主要受膽汁酸激活的法尼醇X受體(FXR)的轉錄控制，構成肝-腸軸。FGF15調控BA合成和肝臟糖脂代謝，因此，FGF15參與了沿腸-肝軸的雙向交流。而且，FGF15/19也是一種關鍵的餐后葡萄糖和能量代謝調節劑，通過抑制CREB-PGC-1a（環磷酸腺苷- (cAMP)反應元件結合過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1- α）信號通路影響糖異生，而FGF15轉基因小鼠表現出更高的代謝率和更低的葡萄糖和胰島素濃度。盡管已報道其對脂肪組織和大腦的影響，肝臟仍是FGF15/19的關鍵靶器官。FGF15/19臨床應用的主要難點是其在肝臟上的有絲分裂和潛在的致癌活性。這可以通過構建工程突變體FGF19-M70來克服，該變體影響BA代謝，但缺乏有絲分裂活性。FGF19-M70 (NGM282)的臨床試驗目前已在原發性膽道膽管炎（PBC）、原發性硬化性膽管炎（PSC）和NAFLD等肝臟疾病中進行。特別是，在一項II期臨床試驗中，這種化合物能夠減少NAFLD的肝臟脂肪和纖維化，提示回腸激素可能改善肝臟疾病。

胰高血糖素樣肽1 (GLP1)是回腸和結腸中的特化上皮細胞分泌的一種腸道激素，控制肝臟中的葡萄糖代謝和胃排空和飽腹感。GLP1受體激動劑用于T2D患者的高血糖治療，并可改善心血管預后。目前，GLP1激動劑被探索用于治療人類肝病(在有效的階段性臨床試驗中)，因此，利用腸-肝軸進行治療干預可能成為未來NAFLD患者的主要治療方法。GLP1激動劑的有益作用可能是通過減輕體重和控制糖代謝介導的。