Cell Metabolism重磅综述 | 肠-肝轴的病理生理学概念和临床意义（下）

胆汁酸:与肠道菌群相互作用的重要代谢物

除了作为胆汁流动的主要渗透驱动力和脂质消化/吸收的辅助因子外，BAs还具有调节肝脏代谢、塑造肠道菌群和维持肠道完整性的重要信号功能。BA信号通过核激素受体(NRs)，如法尼醇X受体FXR，G蛋白偶联受体GPCRs，其中的一个重要的成员胆汁酸偶联受体 (TGR5介导BA、脂质和葡萄糖稳态，并控制先天/适应性免疫。BAs在肝脏中通过多个酶的途径由胆固醇合成，随后与牛磺酸或甘氨酸结合(人类的主要模式)，排泄到胆汁中，并被肠道菌群部分代谢成次级BAs。初级和次级BAs在小肠和大肠中被重新吸收，并通过门脉血返回肝脏，完成一天发生几次(4-12次)的肠肝循环（图1)。肝肠循环中共轭BAs的贮存是通过专门的吸收和排泄运输系统有效介导的(图1A和1B)，只有3%-5%的BAs在粪便中丢失，被BA合成所取代(0.5 g/天)。少部分未结合的BAs在肠道中也通过被动扩散吸收。

在接触肠道菌群时，肝源性初级BAs (CA，胆酸;CDCA，脱氧胆酸)经过菌群代谢(去氧化后)形成次级BAs (DCA，脱氧胆酸;LCA，石胆酸)(图1C)。在肝脏中再摄取后，BAs在被重新排泄到胆汁之前经历一定程度的酶修复(与再偶联、再羟基化)。因此，菌群和肝脏的BA代谢之间存在广泛的相互关系。一些细菌类群，如厚壁菌门、拟杆菌门、真杆菌门和梭状芽胞杆菌门表达胆盐水解酶(BSHs)，负责(初级)BAs的解偶联。这种代谢酶基因库是细菌代谢次级BAs的先决条件，包括羟基类固醇脱氢酶(HSDH)酶，允许脱氢、氧化或差向异构化，其中，最常见的次级BAs ——DCA和LCA分别是CA和CDCA的7-去羟基化产物。通过肠道菌群差向异构化形成iso-，allo- 类胆汁酸，而通过菌群氧化则形成oxo-类胆汁酸。与结肠相比，对小肠中的菌群BA代谢尚不清楚。

特定的胆汁酸优先激活宿主受体，如TGR5和FXR。而且，BAs通过促进BA代谢菌（''''嗜胆菌''''）的生长来塑造肠道菌群的结构和功能，同时反过来抑制对胆汁敏感的细菌的生长。后者包括主要见于小肠近端部分的直接抑菌作用和间接的BA信号机制，主要是FXR依赖性的诱导小肠远端肠细胞中与抗菌防御和保护肠道损伤有关的基因（如抗菌肽，防御素、血管生成素-1[ANG1]、iNOS和IL-18）（图1D）。相比之下，BAs可以帮助一些共生菌满足其能量和底物需求(例如，从牛磺酸共轭BAs中产生破坏细胞的硫化氢)，并促进它们的生长。有研究报道，牛奶脂肪饮食的小鼠中牛胆酸(TCA)升高，促进了与炎症性肠病(IBD)有关的沃氏嗜胆菌 (Bilophila wadsworthia)的生长，而在对照饮食的小鼠中则未发现。此外，在小肠运输过程中暴露于BAs可能增强肠出血性大肠杆菌对防御素的抵抗力或改变艰难梭菌的毒力因子(例如，鞭毛表达、宿主细胞粘附和毒素合成)。

胆汁酸信号能改善肠道屏障

尽管高浓度的细胞毒性BAs可能在体外损伤肠细胞和肠道屏障功能，但体内BA浓度在多个层面控制着肠道屏障。BA信号是维持黏液层、紧密连接完整性和GVB的关键(图1d)。与这些研究结果一致，FXR激动剂在胆汁淤积性肝损伤大鼠模型中稳定肠道屏障功能，并改善肝硬化大鼠的门静脉高压症。最后，BAs通过FXR和TGR5介导对先天和适应性免疫细胞发挥抗炎和免疫调节作用。例如，菌群代谢物iso-和oxo-BAs抑制Th17并增加调节型T细胞数量。

胆汁酸可防止肝硬化中的细菌易位

胆汁淤积或晚期慢性肝病导致的胆汁分泌减少导致生理性“肠道BAs”降低，从而促进细菌过度生长和细菌易位，因为胆汁可以抑制细菌生长并防止细菌过度生长。肝硬化患者中胆汁酸的合成和胆固醇-7a-羟化酶(CYP7A1)水平的降低与BSH菌群基因的减少和粪便中初级胆汁酸到次级胆汁酸的转化相对应。在健康的人和小鼠中，FXR激动剂——奥贝胆酸(Obeticholic acid)抑制内源性BA合成，导致革兰氏阳性细菌的可逆性诱导，小肠中厚壁菌门的比例增加。在肝硬化大鼠中，口服BA补充剂可减少细菌过度生长、易位和内毒素血症。最近，FXR激动剂已被证明通过多种作用改善胆汁淤积和肝硬化大鼠的肠道屏障功能障碍和细菌易位，GVB也有类似报道。

胆汁酸及其衍生物作为各种肝脏疾病的潜在疗法

针对FXR和下游信号通路(FGF19)的BA衍生物和信号模拟物已成为治疗胆汁淤积性和代谢性肝病的重要策略。亲水性BA——熊去氧胆酸(UDCA)被视为第一个“肠肝”药物，促进胆汁分泌并抵抗内源性BAs毒性。尽管UDCA在体外具有较弱的FXR激动作用，但在体内对人体发挥拮抗FXR的活性。类固醇和非类固醇的FXR配体具有不同的药代动力学特征。虽然类固醇FXR配体，如奥贝胆酸（CDCA的6-乙基衍生物）经过肠肝循环并具有全身效应，但非类固醇FXR配体的作用方式仅限于肠道。而且，肠道激动作用和拮抗作用对小鼠的肥胖和脂肪肝都具有保护作用。因此，通过降低菌群BSH的活性，增加了FXR拮抗剂牛磺酸-b-鼠胆酸(T-b-MCA)的水平，从而抑制了FXR依赖的神经酰胺合成和相关的不良代谢作用。FXR拮抗剂GUDCA和HCA改善了小鼠、猪和人类的葡萄糖稳态。最后，通过特异性的Na+-牛磺胆酸共转运多肽(NTCP)和回肠BA转运体(IBAT)抑制剂或BA结合树脂可以调节肝细胞和肠道BA摄取，改变小鼠体内BA的菌群代谢和信号传递，对人类具有潜在的治疗意义。

ALD：肠道菌群和肠道屏障紊乱

大量研究表明，肠道菌群、肠道屏障改变、内毒素/病原体相关分子模式PAMPs和肠-肝轴的改变促进酒精性肝病（ALD）。一项研究发现，在酗酒患者的血清中检测到越来越多不同大小的聚乙二醇，验证了肠道屏障受损。ALD是第一个假定内毒素等肠道产物驱动发病机制的疾病，表明该疾病是一种真正的炎症性肝病，由肠道菌群紊乱、肠道炎症和肠道屏障受损引发。过去10年的大量临床前和临床研究表明，在过度摄入乙醇期间，肠道菌群会发生显著改变，而且CD14和TLR4敲除小鼠对酒精诱导的肝损伤高度易感也验证了这一作用。与此一致，在人的ALD中，共生AKK菌（嗜黏蛋白阿克曼菌）的丰度下降，补充该菌则改善乙醇诱导的小鼠肠道黏膜损伤和肝损伤。在一项具有里程碑意义的研究中，Bernd Schnabl团队揭示了粪肠球菌在ALD中的重要性。细胞溶解素阳性的粪肠杆菌的存在与酒精性肝炎等肝脏疾病的严重程度相关，用噬菌体靶向这些细菌可以消除人源化小鼠的肝病严重程度，将ALD的严重程度与某些肠道菌株联系起来。乙醇不仅会影响肠道菌群，还会通过降低肝脏免疫球蛋白超家族补体受体(CRIg)的表达，损害某些病原体的肝脏清除。此外，肠道菌群也与实验性ALD的病理生理学有关；肠道菌群环境（细菌、真菌和病毒）与重症ALD的30天和90天死亡率有关。

NAFLD：一种受多个因素影响的复杂代谢紊乱

在过去的几年里，大量的研究支持肠-肝轴在非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）中的关键作用。该病影响世界人口的30%，可表现为单纯脂肪变性、NASH、肝纤维化、肝硬化或肝细胞癌。T2D患者的肠道屏障受损，通常与NAFLD相关，NAFLD患者的研究也证实了这一观点。一些研究表明内毒素血症的特征是NAFLD。此外，脂质代谢(例如神经酰胺)和脂毒性在NAFLD的发病机制中至关重要，特别是脂肪变性。例如，神经酰胺在转基因小鼠中的降解可防止肝脏脂肪变性和胰岛素抵抗，而拟杆菌等共生菌可控制肠道神经酰胺合成。NAFLD患者的肠道细菌特征可以区分早期和晚期肝纤维化患者，其特征是变形菌和大肠杆菌丰度增加，而厚壁菌和普鲁氏粪杆菌丰度降低。肠道菌群特征还可区分肝硬化与非肝硬化受试者。肝脏脂肪变性与较低的菌群多样性以及葡萄球菌和瘤胃球菌的存在有关。但是，在NAFLD中观察到的菌群紊乱究竟只是与该疾病相关的饮食变化的结果，还是与疾病相关，仍有待进一步探究。

来自德国的一项大型菌群研究表明，肠杆菌和大肠杆菌/志贺氏菌占主导地位的5年时间内长期的肠道菌群不稳定与NAFLD和T2D的发生有关，表明菌群的变化与NAFLD的发病有关。除肠道细菌外，还发现NAFLD中霉菌的改变。NASH患者表现出更高的毛霉菌/酿酒酵母菌比值，特别是瘦型NASH显示出不同的真菌菌群模式，而抗真菌处理则改善小鼠实验性脂肪性肝炎。在寻找抗肥胖和代谢有益的肠道细菌的过程中，AKK菌成为最有潜力的菌株之一。在肥胖的人类中补充AKK菌可改善代谢，其中，膜蛋白Amuc-110可能具有生物学意义；AKK菌可以预防小鼠的实验性NAFLD，其分泌一种GLP1诱导蛋白，可能有助于其有益的代谢功能。未来需要进行更大规模的临床试验，以建立肥胖和相关疾病的益生菌疗法。

饮食干预和热量限制在诱导肥胖和NAFLD患者体重减轻方面的重要性已得到证实，这也受到肠-肝轴的调控。减肥手术可显著改善长期NASH甚至肝纤维化，并显著影响人类肠道菌群组成，影响粪菌移植后小鼠的脂肪沉积。然而，人类热量限制也可能导致肠道菌群的破坏，使艰难梭菌等致病菌富集。热量限制通过多种途径起到消炎作用，并能够减少循环中的单核细胞的数量。热量限制是降低小鼠体内内毒素水平的有效方法，内毒素/TLR4通路的遗传和药理抑制也可改善脂肪肝病，这突出了饮食、菌群和免疫之间的相互作用。与小鼠实验结果一致，限时饮食可能是一种更有效的减肥方法。Chaudhari等在一项小鼠研究中观察到，袖状胃切除术后门静脉LCA浓度增加，激活了肝脏维生素D受体和7-硫酸- CA (CA7S)合成。CA7S无毒、不吸收，具有高亲和力，是一种具有抗糖尿病作用的TGR5激动剂。这项研究反映了代谢障碍中肠道-肝脏双向交互。

另外几项研究将紊乱的BA内稳态与血清BA水平的逐渐升高以及其组成的变化与NASH和纤维化的严重程度联系起来。这种关联可以部分解释为NAFLD/ NASH相关的菌群失调对菌群BA代谢的影响，以及胆汁淤积和胰岛素抵抗导致的BA合成增加。而且，在早期临床试验中，去甲熊去氧胆酸 (Nor-UDCA)通过肝胆分流逃离肠肝循环，且FXR敲除或TGR5激活，显示出对NAFLD有良好的治疗效果。

PSC：一种典型的肠-肝轴疾病

原发性硬化性胆管炎（PSC）通常与IBD相关，特别是溃疡性结肠炎(UC)，约70%的病例存在显著的地理差异。在高达8%的病例中，PSC可能在结肠切除术后出现，且PSC的肝移植后可能出现IBD。PSC诊断前的结肠切除术与降低肝移植或死亡的风险相关，而肝移植前的结肠切除术降低复发PSC的风险。临床观察表明，肠道和肝脏之间的免疫交互作用可能在PSC的发展中发挥关键作用。然而，为什么只有3%-8%的IBD患者发展为PSC尚不清楚。已发现PSC患者的胆汁含有激活粘膜相关恒定T细胞(MAIT)的抗原，可由胆管细胞呈递。

PSC患者的肠道菌群失调与非PSC的IBD患者和健康对照组不同。PSC患者的肠道菌群在必要营养物质的菌群代谢方面表现出功能差异，与维生素B6和支链氨基酸浓度降低有关，且与肝脏非移植的生存率降低密切相关。在PSC患者的菌群中发现的肺炎克雷伯氏菌会破坏肠道屏障，引发细菌易位和Th17细胞驱动的肝胆损伤，这种损伤可以通过抗生素治疗得到改善。同时，在PSC小鼠模型中，肠道失调还通过内毒素易位和随后的NLRP3炎症小体激活加剧疾病进展。肠道屏障功能障碍和细菌易位的生物标志物在PSC中升高，并与临床不良预后相关。

据报道PSC患者在无明显细菌性胆管炎的情况下胆汁的菌群发生改变，其他胆汁淤积性肝病也有类似报道。然而，肠道菌群可能不仅是肝损伤的触发因素，还可能具有保护作用。例如，无菌小鼠在PSC小鼠模型中表现出加重的肝损伤。肠道菌群耗竭则通过失去控制BA合成所需的FXR信号，加重胆汁淤积性肝损伤。据此，益生菌鼠李糖乳杆菌GG通过恢复肠道FXR-FGF15信号，在PSC小鼠模型中预防BA诱导的肝损伤。目前已报道不可吸收抗生素在PSC中的有益作用，但很少有系统性的临床试验。一项粪菌移植(FMT)试点研究表明，在一组患者中显示了良好的安全性和一些初步疗效信号，改善了细菌多样性和碱性磷酸酶。这种疾病严重时通常以肝移植，现在利用肠-肝轴信号调控的新发现可能发展出治疗这种疾病的新方法。

肝硬化：肠-肝轴驱动晚期肝病

晚期肝病(即肝硬化)是由肠-肝轴改变驱动的疾病，其特征是肠道屏障受损，内毒素和其他PAMPs充斥肝脏。大量研究调查了肝硬化中的肠道屏障、肠道菌群、全系统炎症和相关PAMPs。肝硬化急性肝失代偿的特征是高度炎症和渗透性肠道屏障，粪便细胞因子浓度升高也证明了这一点。而且，检测粪便细胞因子在急性肝失代偿方面甚至比评估循环中的各种标记物更可靠，表明肠道屏障和相关肠道炎症在该疾病中的重要性。肝硬化的程度与内毒素血症和相关系统性炎症相关，这支持了在肝硬化和相关的门静脉高压症中观察到的更明显的肠道屏障损伤加重内毒素血症的观点。肝硬化与在不同腔室中检测到菌群变化有关。

最近的一项研究也支持了肠-肝轴在肝硬化严重程度和预后中的重要性，该研究表明，肠道菌群的改变大大影响慢加急肝衰竭(ACLF)的发生率。TLR4途径很早就被认为是重要的参与途径，因为肝脏中许多类型的细胞使用该途径介导内毒素诱导的细胞激活。内毒素驱动的TLR4激活介导TGF-β信号和肝纤维化，因此构成最晚期的肝病的一个重要机制。肝脏TLR4表达和循环TLR4配体在肝硬化中增加，在严重肝损伤的小鼠模型中，一种特定的TRL4拮抗剂可以缓解晚期肝病。ACLF患者表现出大量的全身炎症，通常是由细菌感染引起的，尽管在大量患者中病原体不能被识别。猜测在这些患者中，由于肠道的细菌易位，从而由“病原体”或不同的细菌群落感染发挥了关键作用。期待新的细菌培养技术能够更好地表征这种“内源性”感染。为了证明内源性细菌触发器和内毒素等相关分子在控制晚期肝病疾病活性中的重要性，需要进行相应的抗生素介入研究。例如，抗生素利福昔明可有效治疗失代偿性肝硬化患者的肝性脑病。同样，粪菌移植与抗生素结合也有望治疗这种疾病。

在过去的几年里，越来越多的临床证据表明，肠-肝轴的紊乱存在于肝脏疾病和肝脏以外的疾病(如动脉粥样硬化)中，同时肠-肝轴已经被认定为实验性肝病的关键调控因子。完整的肠道屏障、膳食成分、肠道菌群及其相关代谢产物(如BAs)的损伤传递了维持健康或促进疾病的复杂宿主-菌群互作机制。从概念上讲，沿肠-肝轴的双向串扰在NAFLD、ALD、PSC和肝硬化以及相关疾病并发症如动脉粥样硬化和心血管并发症(如NAFLD)中起重要作用。但疾病的发展轨迹仍未得到充分探索。最近的证据表明肝脏来源的BAs作为代谢健康的守门人，并调节肠道微生物组。BAs的发展不仅是影响肠道微生物组至关重要的因素，甚至可能有助于生物体的长寿。过去几年获得的知识增加了新的治疗方法的希望，以肠-肝轴为靶点，治疗以前无法治疗的常见和罕见的肝病将是有效的。总的来说，健康的生活方式仍然是今天疾病预防的关键策略。在某种程度上，“你吃什么就是什么”，通过肠道-肝脏的双向轴发挥作用。

Gut-liver axis: Pathophysiological concepts and clinical implications. Cell Metabolism. 2022.

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