肝性脑病中肠道菌群的作用机制及治疗方法

曾胜澜， 吕 超， 肖伟松， 覃小宾， 吴 聪， 毛德文

1 广西中医药大学第一临床医学院， 南宁 530001； 2 广西中医药大学第一附属医院 肝病一区， 南宁 530023

肝性脑病(HE)是指由肝功能不全或门体分流引起的脑功能障碍，表现为从亚临床改变到昏迷等不同程度的神经精神改变。在近年的研究中，肠道微生物组已被证明是HE病理生理学变化的基础。HE患者和晚期肝硬化患者出现肠道功能障碍、小肠菌落过度生长，菌落的组成结构和代谢等产生变化，进而细菌及其产物跨过受损的肠黏膜屏障进行转运。肝脏中的巨噬细胞感知到细菌降解产物之后，会引发肝脏的促炎反应，并将TNFα和IL-8等细胞因子释放到体循环中。这样产生的内毒素血症和全身性炎症反应一方面会促进感染，另一方面也容易诱发HE[1]。用于治疗HE的药物有许多，如乳果糖、利福昔明等[2]，另外口服富含支链氨基酸的制剂可以改善HE患者的症状[3]。

肠道菌群和HE关系的研究还在逐渐深入，虽然现在证明两者相关性的研究成果不断被提出，但存在临床试验样本数量不多，不具有普遍性，且两者之间作用的直接机理尚未完全明确等问题，还需进一步研究。

1 人体肠道菌群

肠道菌落是指定植于胃肠道的所有微生物包括细菌、病毒和真核生物。人类肠道中有100万亿个微生物，基因多达300万到500万个，超过人体基因组百倍以上[4-5]。肠道菌群可能以不同方式影响中枢神经系统和大脑健康：(1)刺激先天和适应性免疫系统(通过肠道通透性的变化)；(2)产生神经活性代谢物；(3)产生人体的相关激素和神经递质；(4)刺激向大脑发送信号的肠神经系统的各种神经元[6]。尽管目前对肠道菌群的认识取得了巨大进步，但其与宿主复杂的相互作用还不是很清楚。

2 细菌丰度变化与HE

相关研究[7-9]表明，HE的发病与肠道菌群密切相关，大多数HE患者出现肠道菌群紊乱(表1)。肠道中菌群种类和数量的变化与氨和其他神经毒素的水平有着十分密切的关系。在Bajaj等[12]的研究中发现HE患者肠道中的一些特定细菌较正常人丰度高，如产碱杆菌科、卟啉单胞菌科、肠杆菌科，这些细菌的增多与HE患者的认知能力和炎症反应密切相关。但对比分析MHE患者和HE患者的粪便细菌丰度时，发现两组患者在上述特定细菌的丰度方面不存在统计学上的差别，但在认知能力和内毒素血症的严重程度上存在很大差异。Ahluwalia等[13]对研究对象的粪便微生物群和脑MRI进行了分析，在脑MRI分析中，主要关注神经元和星形细胞的变化。星形细胞和血氨症相关，神经元和患者的认知能力有关。在HE患者和正常人对比中，某些微生物群丰度改变，如肠杆菌群的丰度增加，而毛螺菌科和瘤胃菌科的丰度减小，这些微生物群与星形细胞变化有关。与神经元功能相关的细菌如卟啉单胞菌科的丰度增加。因此HE的高血氨症和认知能力与肠道中细菌的变化有密切的关系。

表1 HE患者中肠道菌群的改变及与HE的关系

Dasani等[15]认为幽门螺杆菌感染与HE呈正相关，尤其在失代偿性肝病的年轻患者中。而Huber等[16]认为HE与幽门螺杆菌感染没有直接联系。不同实验可能存在着不确定性，后续的研究可增大实验样本，细致分类，考虑其他变量对结果的影响。

3 肠道菌群的作用机制

3.1 肠道细菌活性与产物 HE可能和肠道细菌的活性及产物有很大关系。在HE的发病过程中，不但肠道菌群的丰度发生变化，肠道菌群的活性和代谢产物也发生了改变，这些代谢产物直接或者间接地影响了几种化学物质的分泌，包括神经递质等。碳水化合物在肠内细菌的代谢下产生短链脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFA)。人体肠道的酸性环境与SCFA相关，对人体内有益细菌的生长起积极作用，可改善肠道菌群失调、肠道黏膜屏障功能和免疫调节功能。在一项小鼠实验[17]中，对小鼠升结肠的细菌种群采取16S rRNA测序技术分析，表明升结肠富集毛螺菌科和瘤胃球菌科，这两种细菌能产生大量的SCFA。另外益生菌对相关激素，如胰高血糖素、肽YY、葛瑞林和瘦素的产生也有很大的影响。有些细菌能调节血浆中色氨酸的浓度，色氨酸是血清素的前体，而血清素是肠内和中枢神经系统的关键神经递质。肠道菌群通过未知的机制对下丘脑-垂体-肾上腺轴进行调控，从而影响了患者的认知功能[18]。在另一项研究[19]中，某些肠道细菌产生去甲肾上腺素、多巴胺和5-羟色胺的神经递质，乳酸杆菌生成γ-氨基丁酸，另外发现SCFA调节血清素和肽酪氨酸的分泌，这在肠-脑轴中起主要作用。

氨中毒学说是HE发生的作用机制之一。肠道中某些细菌可产生脲酶，经代谢转化为含氮化合物，氮的代谢紊乱和氨中毒有着十分密切的关系。Zhang等[11]认为MHE患者的唾液链球菌增多和脲酶活性增强会促使氨的产生，这与血氨测试和认知能力有十分密切的关系。但是在另外一项研究中，研究人员发现幽门螺旋杆菌在胃中产氨，但氨水平和HE患病率与是否感染幽门螺旋杆菌无明显关联。在大多数肝硬化患者中，幽门螺旋杆菌和脲酶在胃中产生的氨似乎不足以在临床上产生影响[20]。因此肠道细菌脲酶的代谢对血氨浓度的影响还需进一步的探讨。

胆汁酸作为脂质和葡萄糖代谢的调节因子可调节肝脏和其他组织的炎症。胆酸和鹅脱氧胆酸等初级胆汁酸在肝脏中产生，并被肠道菌群转化为脱氧胆酸和石胆酸等次级胆汁酸[21]。肠道细菌对胆汁酸进行的代谢转化可能调节了肠道菌群的结构和宿主生理状况，次级胆汁酸水平升高与胃肠系统的特定疾病相关。胆汁酸可以使肝脏、胆囊和结肠相关疾病减少[22]。

3.2 肠道菌群移位 肠道细菌丰度变化后，肠道微生态平衡被逐渐打破，在多种因素作用下，肠黏膜屏障被破坏，细菌与其代谢产物可通过受损的肠道黏膜从肠道内部转移到其他器官，这样就发生了细菌的移位[23]。肠屏障是环境与生物体内部之间的物理和功能隔离，它是由肠上皮细胞分泌的黏液和其自身形成的，是允许物质选择性通过的细胞间连接层[24]。在肠上皮固有层内，存在内皮细胞组成的肠血管屏障和肠淋巴屏障，这些内皮细胞紧密连接或黏附连接，可限制细菌向门静脉循环转运[25]。

不同细菌会有不同方法通过肠道屏障[26]。在肠道中，一些细菌不被免疫细胞发现，因而它们能顺利通过肠道屏障。稳态时，M细胞、CXCR3R1+巨噬细胞和CD103+树突状细胞延伸突起，对肠腔内容物进行取样，使一些共生菌和病原体能获得通路[27-29]。如阴沟肠杆菌被M细胞带入派伊尔结，并被树突状细胞携带进入肠系膜淋巴结，引发IgA反应。共生菌需要与IgA结合获取生长所需营养物质，淋巴组织内的其他共生菌分别通过树突状细胞和3型先天淋巴细胞诱导IL-10和IL-22促进耐受，共同抑制辅助性T淋巴细胞反应并促进细菌定植[30]。另一方面，病原体已经发展出利用这些采样细胞并促进其侵袭的机制，包括介导黏附的菌毛和将效应蛋白注入宿主细胞的Ⅲ型和Ⅳ型分泌系统。如鼠伤寒沙门氏菌靶向M细胞，利用M细胞进入肠黏膜固有层[31]。

一些细菌还可以通过破坏肠血管屏障或肠淋巴屏障，然后转移至肠系膜淋巴结。一项小鼠研究[32]发现黏质沙雷氏菌只在淋巴中存在，和噬菌体的移位一致。细菌及其代谢产物通过肠道屏障后，引起外周循环肠源性内毒素增加，系统炎症加重，一方面加重肝损伤，另一方面破坏血脑屏障，导致HE患者病情加重。一项研究[33]发现MHE和HE患者的肠道黏膜和粪便上的细菌种群及丰度有显著差异。随着MHE患者病情加重，肠道中菌群的位置发生改变，一些细菌从肠道中转移至肠道黏膜，HE患者几个重要的病理学变化可能发生在肠道黏膜上，而不是肠道内部，并且和肠系膜淋巴结有相互作用。在另一项研究[34]中，对照了两组患者的细菌DNA移位水平和认知能力，经药物治疗的一组，其细菌DNA移位水平较另一组低，并且认知能力好，所以细菌的移位和MHE密切相关，移位恶化了患者病情。

3.3 肠道细菌免疫介导反应 细菌移位使得肠道成为细胞因子释放器官，肠道中储存了大量的细菌及其产物如内毒素等，细菌移位发生时这些细菌及其产物穿透肠壁，诱导机体巨噬细胞合成并释放大量细胞因子如TNFα、IL-2、IL-6、IL-12等，肠源性内毒素及随之增加的细胞因子可增加NO合成[35]。在肠道黏膜上，肠黏膜上皮细胞Toll样受体(TLR)与肠道炎症反应密切相关。TLR4是脂多糖的受体，脂多糖是革兰阴性菌细胞壁的重要组成成分，脂多糖通过刺激肠黏膜上皮细胞的TLR4，激活核转录因子NF-κB途径，启动一系列参与免疫炎症反应的细胞因子的表达[36]。在另外一组研究[37]中，使用内毒素诱导一组小猪患全身性炎症反应综合征，在接受同等数量细菌注射液以后，患全身性炎症反应综合征小猪的细菌杀灭和内毒素消除能力大幅降低，对细菌输入的炎症不敏感，炎症反应损害了肝脏清除细菌的能力。有假设认为，全身性炎症反应综合征可能通过促炎细胞因子跨血脑屏障的转运、脑室周围器官的相互作用、激活迷走神经传入神经元等，启动肝到大脑的促炎信号[38-39]。细胞因子破坏血管内皮细胞后，通过血脑屏障诱导各种促炎性介质释放到大脑中，并诱导小胶质细胞活化，促使额叶皮质中的TNFα、IL-6、IL-1b的表达增加，促进大脑神经炎症和脑水肿的发展[40-41]。

4 HE的治疗

HE的治疗方案包括益生菌和益生元、粪菌移植(fecal microbiota transplantation,FMT)、难吸收双糖、利福昔明、质子泵抑制剂等[42]。以减少氨的产生、促进氨的转化、调节神经递质为主。Bajaj[43]认为对显性肝性脑病(overt hepatic encephalopathy，OHE)的治疗可以采用四管齐下的方法，即治疗引起认知能力改变的其他病因、对意识障碍患者的护理、确定OHE患者的致病原因、经验性治疗。其中经验性治疗包括肠道微生态的治疗和全身性的治疗。在最近的研究[44]中，粪便或肠道菌群移植治疗HE也越来越受到认可。另外，还可采用不同药物联合治疗。有研究发现乳果糖预防OHE的长期复发有很好的效果。在乳果糖中添加利福昔明有助于降低OHE的复发和HE相关疾病的风险。而对于乳果糖治疗无效，或者耐受性差、依从性低的患者，可尝试利福昔明单药治疗[45]。

4.1 利福昔明 利福昔明属于广谱抗生素，是利福霉素的一种半合成衍生物，对革兰阳性菌及阴性菌较敏感，可以抑制细菌RNA合成，从而抑制蛋白质合成，达到灭菌目的[46]。在HE患者体循环中发现高浓度的内毒素，这和肝病严重程度呈正相关，服用利福昔明可以有效减少细菌移位和体循环中的内毒素、TNFα、IL-6和NO的水平[47]。一项研究[48]中发现利福昔明可用于预防复发性HE，在复发性HE组中，使用利福昔明后HE发病率降低，在持续性HE组中，HE发病率无明显降低。另外一项临床研究[49]中，发现利福昔明可改善MHE认知能力并改变细菌和代谢产物之间的关系。

4.2 乳果糖 乳果糖是人工合成的双糖，它的通便作用可以减少胃肠道腔中的含氮物质，还可经结肠细菌代谢产生SCFA，由此产生的酸性环境可以阻止产NH3细菌的生长，促进有益微生物的生长。酸性环境也导致NH3转变为NH4+，导致NH4+增加，而NH3弥散入血减少，氨负荷降低[50]。有临床研究[51-54]表明，停用乳果糖后，OHE复发患者的认知能力降低，炎症反应加重，并且肠道微生态发生变化，例如粪脂杆菌的丰度相对降低，胆碱代谢失调，进一步导致肝功能不全及微生物组丰度的变化。有试验[34]结果显示，接受乳果糖治疗的患者细菌移位水平降低，神经认知评分相对增高。

4.3 粪菌移植(FMT) FMT是一种治疗复发性艰难梭菌感染的疗法[55]。HE可能是由肠道微生态失调导致的，因此近年有研究人员通过FMT改变肠道微生物组，从而逆转肠道微生态失调。加拿大研究人员在对1例患者给予FMT治疗后，发现患者的反应时间、血氨和生活质量等客观指标都得到了改善[56]。另外一组研究人员对10例复发性OHE患者进行FMT治疗，治疗结果显示，6例患者出现持续临床应答，动脉血氨浓度显著降低，Child-Turcotte-Pugh评分和终末期肝病模型评分在统计学上显著降低[57]。Bajaj等[58]确定了FMT胶囊的安全性、耐受性以及对黏膜、粪便菌群和脑功能的影响。终末期肝病模型评分小于17且伴有复发性HE的患者在服用FMT胶囊后，十二指肠黏膜细菌多样性随瘤胃球菌和双歧杆菌科的升高而增加，随链球菌和韦荣球菌科的降低而多样性增加，在乙状结肠和粪便中观察到韦荣球菌减少。口服FMT胶囊在肝硬化和复发性HE患者中是安全的，耐受性良好。更多的疗效有待进一步的研究。

在一项针对大鼠的实验[59]中，使用四氯化碳对大鼠进行HE造模并采用FMT治疗，大鼠的行为和空间学习能力得到改善，阻止了肠黏膜屏障损害和肝坏死，TLR4和TLR9在大鼠肝脏中的表达显著下调，同时体循环中的促炎因子如IL-1β、IL-6和TNF水平显著降低，表明FMT能够通过降低TLR4和TLR9的表达来限制全身炎症。

5 小结

肠道菌群的变化和HE的发展密切相关，近年的一些实验资料发现，肠道中细菌群落数和丰度的变化与后续发生的细菌移位，会引发血氨的升高和内毒素血症，进而影响脑功能，肠-肝-脑轴的理论不断得到补充完善。针对这个机理治疗HE，除了传统的双糖和利福昔明等抗生素，FMT越来越受到研究人员的重视，有望为HE的治疗做出更大突破。但是目前在肠-肝-脑轴理论中还存在作用机制不明确，治疗方法在临床中存在不确定性等问题，所以还需更加深入的研究，为HE的治疗提供更多的理论和实验支撑。