肠-肝互作在感染性肠/肝损伤中的作用及机制
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肠-肝互作在感染性肠/肝损伤中的作用及机制
持续性感染会增加医院感染发生率，延长患者住院时间，威胁患者生命。过度的炎症反应可诱导脓毒症的发生，导致多器官衰竭，且目前临床尚无有效的治疗手段。肝脏与肠道有着紧密联系，在严重感染中肠道屏障的破坏及肠道微生物组的失调导致肠道病原体相关分子模式和损伤相关分子模式迁移到肝脏与体循环中。肝脏通过细菌清除、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）解毒、细胞因子和急性期蛋白释放以及炎症代谢调节等机制调节全身感染期间的免疫防御。当肝脏由于过度的炎症或免疫反应引发病原体清除受损和肝脏代谢紊乱，可导致肠道屏障受损，破坏肠道微生物的组成和多样性。脓毒症诱发的肝损伤也是重症监护病房（ICU）患者病死率的独立预测指标，严重影响脓毒症患者的预后 [ 1 ]。因此，肠道与肝脏之间的相互作用是一个潜在的治疗靶点 [ 2 ]，深入了解肠-肝互作在感染性肠/肝损伤中的作用及机制，能为临床感染治疗提供新的思路 [ 3 ]。
1 肠道对感染性肝损伤的影响
人体肠道有多道防线，可以防止微生物及其产物通过门静脉转移到肝脏中，引起肝脏感染。肠道屏障包括化学屏障、免疫屏障、机械屏障和生物屏障 [ 4 ]。①化学屏障由正常菌群分泌的抑菌物质、肠上皮细胞所分泌的黏液、消化液构成。黏液覆盖于整个肠道表面，小肠由单一的黏液层覆盖，而大肠包含了两个主要的黏液层，黏液层为共生细菌提供碳循环，抑制上皮细胞凋亡，并通过作为抗菌肽和免疫球蛋白的黏性陷阱，增加免疫细胞成分的释放 [ 5 , 6 ]。②肠道黏膜免疫屏障主要由肠道相关淋巴细胞组织和弥散免疫细胞组成。③机械屏障由肠上皮细胞通过紧密连接、黏附连接和桥粒组装而成，能阻挡细菌、病毒及内毒素的进入。④生物屏障由肠道菌群组成。正常情况下肠道微生物数量、分布基本恒定，微生物菌群相对稳定，但肠道的菌群数量、活性或移位会因各种因素的变化而变化。肠上皮细胞及其紧密连接组成的机械屏障的破坏和肠道菌群的改变是肝脏感染的重要原因。目前有很多文献报道了肠-肝轴在感染中的作用，现总结感染情况下肠道机械屏障和生物屏障在感染性肝损伤中的作用机制。
1.1 肠道机械屏障与感染性肝损伤：
肠道屏障结构是一种半渗透结构，既能吸收营养物质又能避免内部环境受微生物和病理分子的渗透。在感染的情况下肠道上皮细胞及其紧密连接、肠道黏膜层组成的机械屏障会被破坏 [ 7 ]，进而导致细菌移位，促发肝脏感染和过度炎症反应。例如，小鼠经口低剂量感染弓形虫后，肠道通透性增加，肝脏在肠道感染10 d后天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶3（caspase-3） +细胞、F4/80 +、T和B淋巴细胞的数量都有所增加，同时伴随促炎因子分泌增加 [ 8 ]。在盲肠结扎穿孔术（cecal ligation and puncture，CLP）模型中，铁超负荷的地中海贫血小鼠因肠紧密连接分子闭合蛋白-1（occludin-1）、封闭蛋白-1（claudin-1）和闭锁小带蛋白-1（zonula occluden-1，ZO-1）减少，肠黏膜损伤，导致肠道LPS及（1-3）-β-D葡聚糖〔（1-3）-β-D-glucan，BG〕移位至血清，从而使肝脏病理学损伤评分更高 [ 9 ]。而改善肠道屏障功能也可减轻肝损伤。短肠综合征易造成细菌移位引起脓毒症，嗜酸乳杆菌和果胶可作为潜在的合生元化合物改善小鼠肠道屏障，减少细菌到肝脏的移位 [ 10 ]。肠碱性磷酸酶在烧伤脓毒症中可通过提高紧密连接蛋白水平保持肠道屏障完整性，从而降低门静脉血清中LPS水平和肝脏炎症因子白细胞介素-6（IL-6）的表达 [ 11 ]。香菇多糖可通过抑制核转录因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）信号通路激活介导的肠上皮细胞凋亡，从而减轻脓毒症肠损伤继发的肝功能障碍，主要表现为抑制细菌移位至肝脏，血清中肝功能指标丙氨酸转氨酶（ALT）、天冬氨酸转氨酶（AST）和总胆红素（TBil）水平降低，肝脏促氧化指标髓过氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）和丙二醛（malondialdehyde，MDA）表达下调，抗氧化指标超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）水平升高，氧化损伤减轻 [ 12 ]。因此，维持肠道机械屏障功能可减轻感染性肝损伤。
1.2 肠道生物屏障与感染性肝损伤：
肠道微生物为生物屏障，肠道微生物的组成变化称为肠道生态失调，包括3个部分：有致病作用的共生微生物的生长（病理学）、微生物群正常成员的丰度降低或丧失（共生体的丧失）和微生物多样性的降低（丰富度的丧失） [ 13 ]。人类主要的肠道微生物门是梭杆菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、变形杆菌门、放线菌门和疣微球菌门，其中厚壁菌和拟杆菌占90%。厚壁菌门包括乳酸杆菌、芽孢杆菌和梭菌（占所有物种的95%）；拟杆菌门主要由拟杆菌属和普雷沃菌属组成；而双歧杆菌属主要代表放线菌门。来源于肠道的微生物菌群组成易受各种因素的影响，而病原微生物含量丰富的肠型会导致小鼠全身炎症和肝损伤加重。有研究人员分别用阿奇霉素、阿莫西林、甲硝唑和左氧氟沙星4种抗菌药物预处理CLP模型小鼠，使之形成不同的肠型，其中阿莫西林处理的小鼠因肠道富含病原微生物导致肝损伤最为严重，表现为血清ALT和AST水平、肝MDA水平升高。同时，肝脏碳代谢、初级胆汁酸生物合成、色氨酸代谢、抗坏血酸和醛酸代谢途径受到抑制。另外，相关性分析表明，阿莫西林处理的小鼠富集的肠道细菌如埃希菌、志贺菌和副萨特氏菌，与肝功能指标和免疫应答相关基因的表达呈正相关，与肝脏代谢相关基因的表达呈负相关 [ 14 ]。小鼠巨噬细胞耗竭使CLP模型小鼠肠道真菌和一些致病细菌增加，肠道屏障损伤，门静脉中的LPS和BG增加，从而刺激肝脏库普弗细胞（Kupffer细胞）和肝窦内皮细胞，诱发炎症因子表达 [ 15 ]。有研究者发现，甲基饮食降低了肠道中阿克曼菌和毛螺菌的丰度，导致脓毒症的炎症反应和病死率增加，肝脏的中性粒细胞水平上调 [ 16 ]。肠道微生物缺失导致CLP模型小鼠肝脏产生IL-17A的γδ T细胞减少，血清ALT水平升高，肝损伤加重 [ 17 ]。上述研究表明，肠道微生物是肝脏感染期间的重要调节者。
此外，调控肠道菌群可减轻感染性肝损伤，一些药理学或天然化合物能通过改善肠道菌群的方式减轻脓毒症肝损伤。川芷素可通过提高唾液联合乳杆菌、阿克曼菌和乳杆菌的丰度，以及降低杜氏杆菌属和拟杆菌的丰度，降低肝损伤标志物ALT、AST及炎症因子肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、IL-1β和IL-6的表达，同时通过核因子E2相关因子2/谷胱甘肽过氧化物酶4（nuclear factor-erythroid 2-related factor 2/glutathione peroxidase 4，Nrf2/GPX4）信号通路改善肝组织细胞铁死亡 [ 18 ]。八味败毒散可通过调节肠道约氏乳杆菌的丰度从而调节小鼠巨噬细胞抗炎活性，增加M2巨噬细胞的数量和增强肠道完整性来显著减轻脓毒症肝损伤，主要表现为肝脏炎症因子IL-6，TNF-α和IL-1β及趋化因子CCL2、CCL3、CCL7等mRNA水平降低，组织病理学损伤减轻，肝脏中M1巨噬细胞的比例降低 [ 19 ]。二甲双胍可以通过调节老年脓毒症大鼠的肠道微生物群和增加结肠紧密连接的表达，从而减少肠漏，进而导致脓毒症诱导的肝细胞凋亡及肝脏炎症因子和趋化因子的降低，这可能是脓毒症肝损伤的有效治疗方法 [ 20 ]。另外，粪便移植也是通过调控肠道菌群减轻感染性肝损伤，例如，来自CLP模型小鼠粪便的病毒颗粒能够减轻脓毒症肝损伤 [ 21 ]。粪便移植可能有助于抗病毒治疗无效的慢性携带者清除乙型肝炎病毒e抗原。然而，由于样本量小、缺乏受试者随机化，因此目前很难就粪便移植在慢性乙型肝炎感染中是否起作用得出任何明确的结论 [ 22 ]。
1.3 肠道菌群代谢物与感染性损伤：
肠道菌群可能通过代谢物调控感染性肝损伤，3-吲哚丙酸（3-indole propionic acid，IPA）是一种色氨酸脱氨产物，来源于罗伊乳杆菌、阿克曼菌和梭菌属，其介导细胞内信号转导活性。业已报道，IPA可以改善肠道屏障功能障碍，减少炎症反应并调节免疫功能。粪便中较低的IPA与脓毒症患者较高的序贯器官衰竭评分（SOFA）、降钙素原水平和中性粒细胞计数等不良临床指标有关，IPA联合SOFA评分有助于预测脓毒症患者28 d病死率。同时，粪便中肠道微生物群代谢物IPA水平在脓毒症相关急性肝损伤（sepsis-related acute liver injury，SALI）患者中更低，且IPA与脓毒症患者血清ALT、AST和胆红素水平呈显著负相关。粪菌移植、补充IPA和受体敲除等实验显示，IPA不仅可以通过激活肝脏孕烷X受体缓解脓毒症肝损伤 [ 23 ]，还可通过巨噬细胞的芳烃受体AhR促进其吞噬作用来控制宿主感染，从而缓解脓毒症造成的肝脏等器官的损伤 [ 24 ]。肠道菌群代谢物还可作用于肝脏相关的中性粒细胞和巨噬细胞，以缓解细菌介导的感染损伤。一方面，肠道乳酸杆菌等产生的D-乳酸可以上调肝窦内皮细胞中的黏附分子，促进全身性细菌感染后中性粒细胞募集到肝脏微循环中，从而减轻金黄色葡萄球菌引起的脓毒症 [ 25 ]；另一方面，D-乳酸还能通过门静脉到达肝脏，调控肝脏Kupffer细胞重编程并促进其对细菌的捕获和清除作用，防止细菌通过血液造成肝脏等全身性组织器官感染损伤 [ 26 ]。肠道代谢物格拉司琼也可通过拮抗5-羟色胺3受体，抑制脓毒症小鼠巨噬细胞中炎症因子的表达，从而减轻CLP诱导的脓毒症肝损伤 [ 27 ]；脓毒症患者格拉司琼水平与ALT、AST水平亦呈显著负相关。上述研究表明，各类肠道菌群代谢物可以通过不同的机制调控肝实质或相关免疫细胞的功能，进而缓解感染性肝损伤。
2 肝脏对感染性肠损伤的影响
肝脏在严重感染的免疫调节中起着核心作用，细胞因子的产生、胆汁酸的分泌、细菌的清除等功能发挥免疫防御的作用，而过度的炎症反应会导致肝脏发生代谢紊乱，无法发挥正常功能，导致肠道屏障功能被破坏，增强肠道的感染 [ 28 ]。胆汁酸作为肝脏的重要代谢物，在肠-肝循环中发挥了关键作用。肝脏分泌的胆汁酸可通过胆管系统直接进入肠道，胆汁酸的循环在肠-肝轴中的作用尤为重要。从肝组织中的胆固醇合成后，初级胆汁酸和鹅去氧胆酸（chenodeoxycholic acid，CDCA）与甘氨酸或牛磺酸结合，电离后形成胆盐，分泌到肠腔中。原胆酸与胆汁一起进入肠道。在肠道上部，胆汁酸可以调节脂质的消化吸收；初级胆汁酸可以在肠道下部（回肠和近端结肠）肠道细菌的作用下去除羟基，转化为次级胆汁酸，包括脱氧胆酸（deoxycholic acid，DCA）、石胆酸（lithocholic acid，LCA）、熊去氧胆酸（ursodeoxycholic acid，UDCA），同时胆汁酸也能调节肠道菌群，某些胆汁酸也会被重吸收到肝脏中。胆汁酸与肠道的相互作用调节许多生理过程，包括宿主的脂质、碳水化合物和能量代谢等。此外，越来越多的证据表明，胆汁酸肠-肝循环在各种肠道感染中发挥了重要作用 [ 29 ]，现主要总结胆汁酸与肠道感染的关系。
2.1 胆汁酸对感染性肠损伤的改善作用：
胆汁酸可通过破坏细菌细胞膜、损伤DNA、改变蛋白质构象等多种方式抑制细菌的生长 [ 30 ]。次级胆汁酸LCA及其差向异构体异石胆酸（isolithocholic acid，iLCA）和异别石胆酸（isoallolithocholic acid，iaLCA）是艰难梭菌的有效抑制剂，能影响艰难梭菌关键的毒力因子，包括生长、毒素表达和活性 [ 31 ]。胆盐水解酶通过分解肠道中的结合胆汁酸，从而抑制艰难梭菌的毒力 [ 32 ]。在来自人类的毒性分离株中，单核细胞增生李斯特菌在酸性pH值下对胆汁的抵抗力降低。此外，某些胆汁酸也能抑制胃肠道病毒的复制或降低其感染力。胆汁酸LCA和CDCA在体外抑制猪δ冠状病毒复制 [ 33 ]。共生细菌修饰胆汁酸引发Ⅲ型干扰素反应，随后抑制诺如病毒在近端小肠的感染能力 [ 34 ]。除单独作用外，最近有研究报道，LCA联合庆大霉素对单核细胞增生李斯特菌、金黄色葡萄球菌和猪链球菌具有协同杀菌作用，表明LCA处理可以提高革兰阳性菌对庆大霉素的敏感性 [ 35 ]。另外，补充和调控胆汁酸可改善感染引起的肠道损伤。牛磺酸去氧胆酸（taurine deoxycholic acid，TUDCA）是一种常用于肝胆疾病治疗的胆汁酸，牛磺酸结合TUDCA能有效改善艰难梭菌感染和大肠杆菌诱导的上皮屏障损伤 [ 36 , 37 ]。补充咖啡酸可以通过改变胆汁酸及其他肠道菌群代谢产物改善LPS引起的肠道损伤 [ 38 ]。姜黄素（一种从姜黄中分离出的多酚化合物）可能通过改变微生物组和调节胆汁酸代谢来减轻LPS诱导的肠紧密连接损伤，并缓解黏膜急性炎症 [ 39 ]。给小鼠补充CDCA可以逆转LPS诱导的肠道通透性升高和紧密连接蛋白表达降低 [ 40 ]。以上研究表明，胆汁酸可抑制感染性肠损伤的进程。
2.2 胆汁酸对感染性肠损伤的促进作用：
低水平的胆汁酸有利于增强革兰阴性菌在肠道内的适应性 [ 30 ]。胆汁酸也可调节单核细胞增生李斯特菌、志贺菌和弧菌的毒力因子表达 [ 41 , 42 ]。胆汁酸可使肠道沙门菌对肠上皮细胞的侵袭增强 [ 43 ]。胆汁酸还能增强产肠毒素性大肠杆菌、肠出血性大肠杆菌、肠致病性大肠杆菌对肠道的感染力 [ 42 ]。此外，胆汁酸能增强肠道病毒感染。人类沙波病毒（HuSaVs）在肠道复制时需要胆汁酸 [ 44 ]。当小鼠诺如病毒进入肠道和高浓度胆汁中时，胆盐增加了P结构域与受体之间的内在亲和力，有助于增强其对靶细胞的附着 [ 45 ]。猪肠道冠状病毒可利用微生物组衍生的代谢物胆汁酸来迅速建立感染并加速其在肠道微环境中的复制 [ 46 ]。总体来说，胆汁酸对某些细菌或病毒引起的肠道损伤有促进作用。
3 总结与展望
肠道与肝脏的相互作用在调控感染性疾病肠/肝损伤中扮演着关键角色。在严重感染时，肠道机械屏障、生物屏障破坏会导致细菌及其细菌产物移位，加重肝脏的感染；同时胆汁酸既可以通过抑制病原体改善肠道感染性损伤，也可通过增强病原体感染力促进肠道损伤。然而，目前对肠-肝轴紊乱在严重感染病理过程中的具体作用机制仍未阐明，需进一步探索和研究。
引用：肖红艳,梁华平,朱俊宇. 肠-肝互作在感染性肠/肝损伤中的作用及机制[J]. 中华危重病急救医学,2024,36:(06)：656-659.