撰文 | Qi
責編 | 兮
腸道微生物群落是一個由數萬億細菌、真菌、病毒、古生菌和原生生物組成的多樣性微生物群落，其編碼的功能基因比人類基因組多幾個數量級。腸道微生物群與人類宿主相互作用，通過交換信號分子和底物，可以調節宿主的細胞生理學和免疫反應。儘管在正常情況下，人類宿主和腸道微生物群之間的關係是互利的，但腸道微生物群的擾動與許多慢性疾病有關。
非酒精性脂肪肝（Nonalcoholic fatty liver disease, NALFD）目前是全球慢性肝病的主要病因，是肝硬化、肝細胞癌和肝相關死亡率的主要危險因素。NALFD是指一系列繼發於肝臟脂肪過度積聚的疾病，這些患者很少飲酒或不飲酒，並且沒有引起肝脂肪變性的繼發原因，如病毒性肝炎、脂肪營養不良或暴露於已知可誘發這種情況的藥物。越來越多的證據支持腸道微生物群-肝軸（gut microbiome-liver axis）在NAFLD進展中的作用，例如，缺乏腸道菌群的小鼠對飲食誘導的肥胖和肝臟脂肪變性具有抵抗力，而接受來自代謝症候群供體小鼠糞便微生物群移植的小鼠，其肝臟脂肪變性獨立於飲食攝入，證明NAFLD是一個潛在的傳播過程。因此，將腸道微生物組納入NAFLD治療，以及其他與之相關的代謝性疾病，如肥胖、糖尿病和心血管疾病等，將有助於為這類疾病開發新的預防策略和精確的治療靶點。
2020年12月8日，來自美國加州大學的R. Loomba課題組在Cell Metabolism雜誌上發表了一篇題為Current Concepts, Opportunities, and Challenges of Gut Microbiome-Based Personalized Medicine in Nonalcoholic Fatty Liver Disease 的綜述，在這篇文章中，作者依據疾病進展過程中腸道微生物組的最新研究成果，強調腸道微生物組作為NAFLD診斷和分期的非侵入性生物標記物、治療調節的靶點以及藥物反應的標記物的潛力，並探討當前這些臨床應用的局限性和挑戰性。
01腸道微生物群作為NAFLD的非侵入性生物標誌物
截至目前，肝活檢仍然是NAFLD診斷和分期的金標準，可以評估纖維化並確定炎症程度。充分評估纖維化對NAFLD患者的治療至關重要，因為纖維化是肝硬化和肝細胞癌發生風險的關鍵決定因素。然而，肝活檢除了取樣誤差的潛在局限性外，還存在出血、腹腔臟器穿透、氣胸甚至死亡等程序性風險。
許多橫斷面人體研究表明，在兒童和成人患者群體中，腸道微生物群組成的擾動與NAFLD嚴重程度的臨床表型，包括單純脂肪變性（NAFL）、脂肪性肝炎（NASH）和NAFLD相關的晚期纖維化之間存在關聯，例如，有研究表明晚期纖維化與革蘭氏陰性菌富集引起的微生物多樣性總體下降有關，且多項研究已經確定類桿菌和大腸桿菌與NAFLD的晚期纖維化之間的關聯。因此，考慮到腸道微生物群失調和NAFLD之間的聯繫，是否可以將其作為疾病表型的非侵入性生物標記物和在進展為肝硬化和肝失代償包括隨後發展為肝細胞癌的風險方面提供預後價值。
然而，使用腸道微生物群作為生物標誌物存在一定的局限性。腸道微生物群的基線由許多因素決定，包括年齡、性別、地理位置和生活方式因素（如酒精、吸菸和體育活動）。與人類基因組不同，腸道微生物群是動態的，大量研究表明，內源性和外源性因素影響腸道微生物群落的短期和長期時間動態，包括激素周期、飲食、抗菌藥物等。此外，暴露於這些因素可能會在腸道微生物群落中留下持久的變化，從而改變對外源性刺激的後續反應。雖然基於DNA的腸道微生物組學測量可能會產生關於分類組成和基因含量的可靠信息，但轉錄組以及隨後的代謝組會顯示出最大的波動，這意味著縱向取樣可能更能代表腸道微生物群。
02NAFLD患者腸道微生物群的治療操作
制定合理的NAFLD治療方案是十分必要的。雖然有多個正在進行的用於評估NAFLD治療方案的第2期和第3期試驗，但目前還沒有確定的FDA批准的藥物療法。通過改變生活方式來實現減肥，包括飲食調整和定期的體育活動，仍然是NAFLD管理的基石。
NAFLD是一種異質性和多因素的疾病，其致病機制多種多樣，包括新生肝脂肪生成、氧化應激、胰島素抵抗、炎症小體激活和纖維化等。然而，建立微生物-宿主相互作用的因果關係仍然是一個挑戰。值得注意的是，橫截面人體研究僅產生相關數據，需要進一步在臨床前模型中進行評估，以確認因果關係。一旦腸道微生物群與NAFLD疾病發病機制之間的因果關係被很好地確立，就會相繼出現一系列不同的潛在治療策略。
2.1 調節腸屏障功能障礙和內毒素血症
腸道上皮屏障是抵禦病原體的第一道防線，腸道微生物群在維持腸道屏障功能中發揮重要作用。腸道屏障的損害，主要是由於細胞間緊密連接的破壞，可以發生在成人非酒精性脂肪肝中，甚至可以出現在轉變為高脂肪飲食的健康個體中。這種破壞導致微生物群-宿主相互作用，細胞相關配體如脂多糖會釋放到門靜脈循環中，從而影響微生物傳感和反應系統，如擔當「免疫守門人」的TLRs。肝臟中內毒素的轉位和TLRs的誘導，尤其是TLR4，會引起轉錄因子下遊激活，從而誘導炎症反應。
臨床前數據表明，TLR4抑制可通過降低IL-6和IL-12、抑制肝星狀細胞增殖和膠原表達等機制減輕脂肪性肝炎。儘管如此，使用TLR4拮抗劑（JKB-121）的2期試驗顯示，與24周安慰劑相比，其肝臟脂肪含量沒有差異。這些陰性結果可能表明，非酒精性脂肪肝的發病機制並不是由所有患者的腸道菌群共同驅動的，meta分析也進一步證實這一點，數據顯示只有39.1%的NAFLD患者腸道通透性增加。
多項研究表明，腸道微生物群影響中性粒細胞的遷移和功能，並促進T細胞群分化為各種類型的輔助性T細胞和調節性T細胞。最近的一項研究發現，與對照組相比，患有NASH的小鼠肝臟和腸道α4β7+CD4+ T細胞增加。這種CD4+ T細胞的增加是由結腸黏膜中MAdCAM-1表達促使，而MAdCAM-1與變形菌門的增加高度相關。
2.2 靶向腸道微生物群失調——抗生素、益生元、益生菌和合生元
目前大多數可用策略旨在通過外源性施用抗菌劑（如抗生素和抗真菌藥）、活微生物（如益生菌）、刺激微生物生長和存活的不可消化發酵膳食纖維（如益生元）來改變微生物組成，或其組合（如合生元）。這類微生物群靶向治療慢性肝病的研究中最為深入的是對肝硬化引起的高氨血症的治療。
類似的微生物群靶向治療NAFLD還未有明確報導，最近的一項研究指出益生菌或合生元的使用與肝炎特異性標誌物，肝臟硬度（通過彈性成像）和脂肪變性（通過超聲成像）的改善有關。然而，由於多種因素，包括肝臟疾病表型的不同嚴重程度、患者水平的其他因素（包括人群年齡）和幹預水平因素（包括微生物群靶向治療的選擇和持續時間），這些受檢試驗存在顯著的異質性。
2.3 糞便微生物群移植（Fecal Microbiota Transplantation, FMT）
FMT是一種潛在的針對NAFLD的微生物群治療策略。然而迄今為止，對患有代謝性疾病的人類受試者進行的FMT試驗僅限於患有代謝症候群但未明確界定NAFLD的肥胖成人。值得注意的是，FMT可能與受體風險相關，包括無意中移植與受體現有腸道微生物群存在有害相互作用的微生物等。最近一項報導提出，在一個臨床試驗環境中接受FMT的兩名成年人出現了產超廣譜β-內醯胺酶（ESBL）的大腸桿菌菌血症，其中一名患者死於菌血症，這強調了FMT引起不良感染事件的可能性。
此外，當前人們對腸道微生物群對FMT反應的機制理解是有限的。例如，在艱難梭菌介導性結腸炎患者的試驗中，受試者的α多樣性增加，且腸道微生物成分向供體靠近。然而，在其他FMT試驗中，特別是那些包括代謝症候群和炎症性腸病患者的試驗中，FMT後受體的微生物群落與供體的微生物群落並沒有密切聯繫。雖然FMT研究中關於供體微生物群移植的研究結果不一致，在一定程度上可以歸因於研究方法上的差異，但需要更好地理解FMT植入微生物的決定因素。
2.4 噬菌體介導的腸道微生物群調控
當前一個更具針對性的策略是使用噬菌體病毒，這些病毒在人類腸道中無處不在，在細菌內感染和複製，通常具有物種水平上的特異性。雖然這種方法尚未在NAFLD中得到評估，但臨床前數據支持其在酒精相關性肝病中的應用。噬菌體治療已經在酒精性肝炎的小鼠模型中進行了檢測，顯示出潛在的治療前景，人源化小鼠用針對溶血性糞腸球菌的噬菌體治療，導致酒精性肝病的減輕，而不會改變肝臟乙醇代謝或腸道的整體成分微生物群落。然而，針對肝臟疾病腸道微生物群的噬菌體治療尚未在小鼠模型之外進行研究，不僅需要對療效進行進一步評估，而且還需要對人類的臨床安全性進行評估。
2.5 調節腸道微生物代謝
越來越多的證據顯示腸道微生物群通過微生物代謝和產生具有生物活性代謝物來促進宿主疾病的發生和進展。微生物代謝物是由膳食輸入和外源性物質的代謝以及宿主衍生分子（如膽汁酸）的調節合成的。這些小分子進入門靜脈循環，促進腸肝串擾。考慮到腸道微生物群產生數以萬計的生物活性小分子，其中一些分子的濃度與臨床用藥相當，這一機制尤其令人感興趣。總而言之，腸道微生物群的功能和生化輸出比潛在的組成更重要，已有大量研究報導腸道微生物代謝物現與多種疾病狀態相關，包括心血管疾病、自閉症譜系障礙、帕金森氏症、糖尿病和結腸癌。
2.6 後生元（Postbiotics）、小分子抑制劑和工程微生物
靶向下遊信號通路以及緩解微生物衍生代謝物過量或不足造成的影響是潛在藥物靶點的一個非常有前景的研究方向，可以通過不同方式來實現，例如施用後生元，細菌酶的小分子抑制劑，或通過基因工程使細菌發揮特定功能。最近一項研究開發了工程大腸桿菌菌株，該菌株能夠將小鼠模型中全身氨轉化為L-精氨酸，提示更精確的基於微生物群的治療慢性肝病和其他高氨血症疾病患者的高氨血症的可能性。
此外，最新證據表明，微生物代謝產物甲胺、支鏈胺基酸代謝和碳水化合物發酵可能在NAFLD的發病機制中具有重要意義。一項研究針對一組無糖尿病的肥胖女性進行了腸道基因組、肝臟轉錄組和血清代謝組的綜合分析，發現了富含於NAFLD患者的微生物衍生代謝物苯乙酸。隨後的實驗證明苯乙酸在體外（即在人肝細胞的原代培養中）和在體內（在小鼠模型中）均可誘導肝脂肪變性。
值得注意的是，需要在特徵良好的NAFLD隊列中進行進一步的探索性研究，以確定目標微生物代謝物。然而，人們對微生物代謝組的理解目前還處於初級階段，需要努力擴大現有資料庫，以推進代謝物鑑定工作。其次，描述代謝組的另一個挑戰是微生物代謝是動態的和底物驅動的，代謝產物的組成在餐後狀態經常發生變化，這表明代謝組學不應僅應用於空腹樣本。最後，微生物代謝物可能對人體宿主具有多效性效應。例如，短鏈脂肪酸（SCFA）可能對T細胞介導的免疫反應產生不同的影響，這取決於短鏈脂肪酸的濃度和免疫環境。綜上所述，儘管目前存在這些局限性，但是基於代謝物的治療方案依然是值得期待的。
2.7 膽汁酸-微生物群串擾
初級膽汁酸由肝臟分泌，由腸道微生物群代謝成次生膽汁酸。膽汁酸作為FXR和G蛋白偶聯受體（TGR5）的配體，對脂質、葡萄糖和能量代謝產生影響。除宿主效應外，膽汁酸還通過膜損傷效應和間接誘導抗菌蛋白表達對腸道微生物群產生反饋。研究表明NAFLD患者的血清初級和次級膽汁酸濃度增加，膽汁酸可以通過膜損傷效應直接地或通過抗菌蛋白的產生間接地破壞細菌的生長。此外，有報導提出成纖維細胞生長因子19（fibroblast growth factor 19, FGF19）的工程類似物，一種通過影響膽固醇-7-α-羥化酶（CYP7A1）抑制膽汁酸合成的激素，能夠改善活檢證實的NAFLD患者的組織學特徵。
2.8 利用腸道微生物群-飲食交互作用指導個性化營養
飲食-微生物群串擾可能會影響代謝性疾病的發展和進展，包括NAFLD，這導致了「個性化營養（Personalized Nutrition）」概念的出現。日常微生物波動受到食物攝入時間和類型的強烈影響，因此個性化營養方法旨在識別預測對飲食反應的關鍵微生物群特徵，從而為疾病預防和管理的飲食幹預措施的個體化定製提供依據。
流行病學研究和隨機試驗表明，與單糖攝入量增加相關的西方飲食與非酒精性脂肪肝的嚴重程度相關。通過比較活檢證實的NAFLD患者和對照組的飲食史，發現NAFLD患者的果糖消耗量高出2-3倍，這與脂肪生成的酶活性增加有關。地中海飲食的特點是減少碳水化合物的攝入，被認為是有效的NAFLD管理。一項隊列研究發現NAFLD嚴重程度與堅持地中海飲食呈反比關係。此外，地中海飲食已被證明可以降低心血管疾病和糖尿病的風險，這些疾病與NAFLD患者高度相關。總而言之，迄今為止的證據表明飲食攝入是NAFLD發生的重要因素。
然而，最近的證據表明在代謝性疾病管理中採用「一刀切」的飲食幹預方法可能是不夠的。一項研究在17天內對34名健康成人的每日糞便樣本進行了基因組學研究，發現微生物反應與食物選擇相關，但具有高度個性化；類似地，另一項隊列研究發現800名受試者對同餐的血糖反應具有很高的可變性。
除了飲食選擇外，受晝夜節律和間歇性禁食影響的飲食時間通過影響腸道微生物組成和功能影響代謝風險。眾所周知，晝夜節律和腸道微生物群之間存在著錯綜複雜的聯繫，並表現出雙向串擾，在小鼠模型中的研究表明，晝夜節律和餵養模式的破壞會導致生物異常狀態，相反，抗生素引起的微生物群變化會導致生物鐘基因失調。晝夜節律和攝食模式的改變會產生代謝效應。
這些發現引起了人們對改變斷續禁食的餵養方式作為肥胖和相關代謝疾病的管理策略的興趣。在最近幾項具有適度樣本量的隨機試驗中，間歇性禁食幹預具有可接受的依從性，並導致體重減輕和多項代謝參數改善。總的來說，越來越多的證據表明個性化飲食管理的在治療NAFLD方面的潛力。
03非酒精性肝病的個體化藥物選擇
個體對藥物治療的反應在療效和藥物不良反應風險方面各不相同。雖然遺傳的基因組變異可能導致異種代謝的差異，但長期以來人們認識到，藥物療效和毒性的差異並不能單憑遺傳學來解釋。早在20世紀30年代，人們就注意到了腸道微生物代謝在藥物反應中的作用，當時柳氮磺胺吡啶被開發出來，需要腸道微生物群裂解才能進行體內活性。最近人們認識到，腸道微生物群和外源物質之間的相互作用實際上是雙向的。腸道微生物群可能以不同於肝臟代謝的方式促進外源物質的代謝，但反過來，微生物群的組成可被外源物質改變。事實上，腸道微生物群的個體間差異可能部分與藥物使用有關。
藥物微生物組學是一個新興的研究領域，它包括研究微生物群變化對藥物配置、作用和毒性的影響，可以擴大個性化藥物選擇的範圍。此外，微生物群-外源物質相互作用可以引起免疫治療的不同反應，這些反應差異可以部分歸因於不同個體在惡性腫瘤中的基線腸道微生物群。例如，在一項對112名患有黑色素瘤的成人進行的隊列研究中，治療應答者的腸道微生物群顯示出瘤胃球菌科更高的α多樣性和豐富性，這與改善的T細胞功能相關，突出了接受免疫治療的人的「有利」微生物群。
截至目前，許多針對NAFLD的2期和3期研究正在進行，評估針對不同通路的藥物，包括肝脂肪積聚、胰島素增敏、氧化應激和凋亡以及肝纖維化等。腸道微生物群是否可以作為藥物反應的標誌物，以及是否具備使個體療效增高的能力目前尚不清楚。
04結 論
越來越多的研究正在擴展人們對NAFLD表型受腸道微生物組影響的機制的理解，未來需要進一步結合臨床前模型並設計完善的前瞻性人體研究，以確定NAFLD發病機制中的微生物群-宿主的相互作用關係。重要的是，糞便微生物特徵可作為非侵入性診斷工具或提供預後價值，在治療層面上，靶向腸道微生物群既可以作為單一療法，也可以與其他治療手段聯合使用。對微生物代謝的個性化認識，最終可能導致對藥物代謝的更廣泛理解。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.11.010