『珍藏版』Cell Metab综述 | 非酒精性脂肪肝基于肠道微生物组的个性化医疗的最新概念，机遇和挑战

2021-01-16 13:25:47, Qi 麦特绘谱生物科技(上海)有限公司

肠道微生物群落是一个由数万亿细菌、真菌、病毒、古生菌和原生生物组成的多样性微生物群落，其编码的功能基因比人类基因组多几个数量级。肠道微生物群与人类宿主相互作用，通过交换信号分子和底物，可以调节宿主的细胞生理学和免疫反应。尽管在正常情况下，人类宿主和肠道微生物群之间的关系是互利的，但肠道微生物群的扰动与许多慢性疾病有关。

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、肝细胞癌和肝相关死亡率的主要危险因素。NALFD是指一系列继发于肝脏脂肪过度积聚的疾病，这些患者很少饮酒或不饮酒，并且没有引起肝脂肪变性的继发原因，如病毒性肝炎、脂肪营养不良或暴露于已知可诱发这种情况的药物。越来越多的证据支持肠道微生物群-肝轴（gut microbiome-liver axis）在NAFLD进展中的作用，例如，缺乏肠道菌群的小鼠对饮食诱导的肥胖和肝脏脂肪变性具有抵抗力，而接受来自代谢综合征供体小鼠粪便微生物群移植的小鼠，其肝脏脂肪变性独立于饮食摄入，证明NAFLD是一个潜在的传播过程。因此，将肠道微生物组纳入NAFLD治疗，以及其他与之相关的代谢性疾病，如肥胖、糖尿病和心血管疾病等，将有助于为这类疾病开发新的预防策略和精确的治疗靶点。

2020年12月8日，来自美国加州大学的R. Loomba课题组在Cell Metabolism杂志上发表了一篇题为Current Concepts, Opportunities, and Challenges of Gut Microbiome-Based Personalized Medicine in Nonalcoholic Fatty Liver Disease 的综述，在这篇文章中，作者依据疾病进展过程中肠道微生物组的最新研究成果，强调肠道微生物组作为NAFLD诊断和分期的非侵入性生物标记物、治疗调节的靶点以及药物反应的标记物的潜力，并探讨当前这些临床应用的局限性和挑战性。

肠道微生物群作为NAFLD的非侵入性生物标志物

截至目前，肝活检仍然是NAFLD诊断和分期的金标准，可以评估纤维化并确定炎症程度。充分评估纤维化对NAFLD患者的治疗至关重要，因为纤维化是肝硬化和肝细胞癌发生风险的关键决定因素。然而，肝活检除了取样误差的潜在局限性外，还存在出血、腹腔脏器穿透、气胸甚至死亡等程序性风险。

许多横断面人体研究表明，在儿童和成人患者群体中，肠道微生物群组成的扰动与NAFLD严重程度的临床表型，包括单纯脂肪变性（NAFL）、脂肪性肝炎（NASH）和NAFLD相关的晚期纤维化之间存在关联，例如，有研究表明晚期纤维化与革兰氏阴性菌富集引起的微生物多样性总体下降有关，且多项研究已经确定类杆菌和大肠杆菌与NAFLD的晚期纤维化之间的关联。因此，考虑到肠道微生物群失调和NAFLD之间的联系，是否可以将其作为疾病表型的非侵入性生物标记物和在进展为肝硬化和肝失代偿包括随后发展为肝细胞癌的风险方面提供预后价值。

然而，使用肠道微生物群作为生物标志物存在一定的局限性。肠道微生物群的基线由许多因素决定，包括年龄、性别、地理位置和生活方式因素（如酒精、吸烟和体育活动）。与人类基因组不同，肠道微生物群是动态的，大量研究表明，内源性和外源性因素影响肠道微生物群落的短期和长期时间动态，包括激素周期、饮食、抗菌药物等。此外，暴露于这些因素可能会在肠道微生物群落中留下持久的变化，从而改变对外源性刺激的后续反应。虽然基于DNA的肠道微生物组学测量可能会产生关于分类组成和基因含量的可靠信息，但转录组以及随后的代谢组会显示出最大的波动，这意味着纵向取样可能更能代表肠道微生物群。

NAFLD患者肠道微生物群的治疗操作

制定合理的NAFLD治疗方案是十分必要的。虽然有多个正在进行的用于评估NAFLD治疗方案的第2期和第3期试验，但目前还没有确定的FDA批准的药物疗法。通过改变生活方式来实现减肥，包括饮食调整和定期的体育活动，仍然是NAFLD管理的基石。

NAFLD是一种异质性和多因素的疾病，其致病机制多种多样，包括新生肝脂肪生成、氧化应激、胰岛素抵抗、炎症小体激活和纤维化等。然而，建立微生物-宿主相互作用的因果关系仍然是一个挑战。值得注意的是，横截面人体研究仅产生相关数据，需要进一步在临床前模型中进行评估，以确认因果关系。一旦肠道微生物群与NAFLD疾病发病机制之间的因果关系被很好地确立，就会相继出现一系列不同的潜在治疗策略。

2.1 调节肠屏障功能障碍和内毒素血症

肠道上皮屏障是抵御病原体的第一道防线，肠道微生物群在维持肠道屏障功能中发挥重要作用。肠道屏障的损害，主要是由于细胞间紧密连接的破坏，可以发生在成人非酒精性脂肪肝中，甚至可以出现在转变为高脂肪饮食的健康个体中。这种破坏导致微生物群-宿主相互作用，细胞相关配体如脂多糖会释放到门静脉循环中，从而影响微生物传感和反应系统，如担当“免疫守门人”的TLRs。肝脏中内毒素的转位和TLRs的诱导，尤其是TLR4，会引起转录因子下游激活，从而诱导炎症反应。

临床前数据表明，TLR4抑制可通过降低IL-6和IL-12、抑制肝星状细胞增殖和胶原表达等机制减轻脂肪性肝炎。尽管如此，使用TLR4拮抗剂（JKB-121）的2期试验显示，与24周安慰剂相比，其肝脏脂肪含量没有差异。这些阴性结果可能表明，非酒精性脂肪肝的发病机制并不是由所有患者的肠道菌群共同驱动的，meta分析也进一步证实这一点，数据显示只有39.1%的NAFLD患者肠道通透性增加。

多项研究表明，肠道微生物群影响中性粒细胞的迁移和功能，并促进T细胞群分化为各种类型的辅助性T细胞和调节性T细胞。最近的一项研究发现，与对照组相比，患有NASH的小鼠肝脏和肠道α₄β₇⁺CD4⁺T细胞增加。这种CD4⁺ T细胞的增加是由结肠黏膜中MAdCAM-1表达促使，而MAdCAM-1与变形菌门的增加高度相关。

2.2 靶向肠道微生物群失调——抗生素、益生元、益生菌和合生元

目前大多数可用策略旨在通过外源性施用抗菌剂（如抗生素和抗真菌药）、活微生物（如益生菌）、刺激微生物生长和存活的不可消化发酵膳食纤维（如益生元）来改变微生物组成，或其组合（如合生元）。这类微生物群靶向治疗慢性肝病的研究中最为深入的是对肝硬化引起的高氨血症的治疗。

类似的微生物群靶向治疗NAFLD还未有明确报道，最近的一项研究指出益生菌或合生元的使用与肝炎特异性标志物，肝脏硬度（通过弹性成像）和脂肪变性（通过超声成像）的改善有关。然而，由于多种因素，包括肝脏疾病表型的不同严重程度、患者水平的其他因素（包括人群年龄）和干预水平因素（包括微生物群靶向治疗的选择和持续时间），这些受检试验存在显著的异质性。

2.3 粪便微生物群移植（Fecal Microbiota Transplantation, FMT）

FMT是一种潜在的针对NAFLD的微生物群治疗策略。然而迄今为止，对患有代谢性疾病的人类受试者进行的FMT试验仅限于患有代谢综合征但未明确界定NAFLD的肥胖成人。值得注意的是，FMT可能与受体风险相关，包括无意中移植与受体现有肠道微生物群存在有害相互作用的微生物等。最近一项报道提出，在一个临床试验环境中接受FMT的两名成年人出现了产超广谱β-内酰胺酶（ESBL）的大肠杆菌菌血症，其中一名患者死于菌血症，这强调了FMT引起不良感染事件的可能性。

此外，当前人们对肠道微生物群对FMT反应的机制理解是有限的。例如，在艰难梭菌介导性结肠炎患者的试验中，受试者的α多样性增加，且肠道微生物成分向供体靠近。然而，在其他FMT试验中，特别是那些包括代谢综合征和炎症性肠病患者的试验中，FMT后受体的微生物群落与供体的微生物群落并没有密切联系。虽然FMT研究中关于供体微生物群移植的研究结果不一致，在一定程度上可以归因于研究方法上的差异，但需要更好地理解FMT植入微生物的决定因素。

2.4 噬菌体介导的肠道微生物群调控

当前一个更具针对性的策略是使用噬菌体病毒，这些病毒在人类肠道中无处不在，在细菌内感染和复制，通常具有物种水平上的特异性。虽然这种方法尚未在NAFLD中得到评估，但临床前数据支持其在酒精相关性肝病中的应用。噬菌体治疗已经在酒精性肝炎的小鼠模型中进行了检测，显示出潜在的治疗前景，人源化小鼠用针对溶血性粪肠球菌的噬菌体治疗，导致酒精性肝病的减轻，而不会改变肝脏乙醇代谢或肠道的整体成分微生物群落。然而，针对肝脏疾病肠道微生物群的噬菌体治疗尚未在小鼠模型之外进行研究，不仅需要对疗效进行进一步评估，而且还需要对人类的临床安全性进行评估。

2.5 调节肠道微生物代谢

越来越多的证据显示肠道微生物群通过微生物代谢和产生具有生物活性代谢物来促进宿主疾病的发生和进展。微生物代谢物是由膳食输入和外源性物质的代谢以及宿主衍生分子（如胆汁酸）的调节合成的。这些小分子进入门静脉循环，促进肠肝串扰。考虑到肠道微生物群产生数以万计的生物活性小分子，其中一些分子的浓度与临床用药相当，这一机制尤其令人感兴趣。总而言之，肠道微生物群的功能和生化输出比潜在的组成更重要，已有大量研究报道肠道微生物代谢物现与多种疾病状态相关，包括心血管疾病、自闭症谱系障碍、帕金森氏症、糖尿病和结肠癌。

2.6 后生元（Postbiotics）、小分子抑制剂和工程微生物

靶向下游信号通路以及缓解微生物衍生代谢物过量或不足造成的影响是潜在药物靶点的一个非常有前景的研究方向，可以通过不同方式来实现，例如施用后生元，细菌酶的小分子抑制剂，或通过基因工程使细菌发挥特定功能。最近一项研究开发了工程大肠杆菌菌株，该菌株能够将小鼠模型中全身氨转化为L-精氨酸，提示更精确的基于微生物群的治疗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，最新证据表明，微生物代谢产物甲胺、支链氨基酸代谢和碳水化合物发酵可能在NAFLD的发病机制中具有重要意义。一项研究针对一组无糖尿病的肥胖女性进行了肠道基因组、肝脏转录组和血清代谢组的综合分析，发现了富含于NAFLD患者的微生物衍生代谢物苯乙酸。随后的实验证明苯乙酸在体外（即在人肝细胞的原代培养中）和在体内（在小鼠模型中）均可诱导肝脂肪变性。

值得注意的是，需要在特征良好的NAFLD队列中进行进一步的探索性研究，以确定目标微生物代谢物。然而，人们对微生物代谢组的理解目前还处于初级阶段，需要努力扩大现有数据库，以推进代谢物鉴定工作。其次，描述代谢组的另一个挑战是微生物代谢是动态的和底物驱动的，代谢产物的组成在餐后状态经常发生变化，这表明代谢组学不应仅应用于空腹样本。最后，微生物代谢物可能对人体宿主具有多效性效应。例如，短链脂肪酸（SCFA）可能对T细胞介导的免疫反应产生不同的影响，这取决于短链脂肪酸的浓度和免疫环境。综上所述，尽管目前存在这些局限性，但是基于代谢物的治疗方案依然是值得期待的。

2.7 胆汁酸-微生物群串扰

初级胆汁酸由肝脏分泌，由肠道微生物群代谢成次生胆汁酸。胆汁酸作为FXR和G蛋白偶联受体（TGR5）的配体，对脂质、葡萄糖和能量代谢产生影响。除宿主效应外，胆汁酸还通过膜损伤效应和间接诱导抗菌蛋白表达对肠道微生物群产生反馈。研究表明NAFLD患者的血清初级和次级胆汁酸浓度增加，胆汁酸可以通过膜损伤效应直接地或通过抗菌蛋白的产生间接地破坏细菌的生长。此外，有报道提出成纤维细胞生长因子19（fibroblast growth factor 19, FGF19）的工程类似物，一种通过影响胆固醇-7-α-羟化酶（CYP7A1）抑制胆汁酸合成的激素，能够改善活检证实的NAFLD患者的组织学特征。

2.8 利用肠道微生物群-饮食交互作用指导个性化营养

饮食-微生物群串扰可能会影响代谢性疾病的发展和进展，包括NAFLD，这导致了“个性化营养（Personalized Nutrition）”概念的出现。日常微生物波动受到食物摄入时间和类型的强烈影响，因此个性化营养方法旨在识别预测对饮食反应的关键微生物群特征，从而为疾病预防和管理的饮食干预措施的个体化定制提供依据。

流行病学研究和随机试验表明，与单糖摄入量增加相关的西方饮食与非酒精性脂肪肝的严重程度相关。通过比较活检证实的NAFLD患者和对照组的饮食史，发现NAFLD患者的果糖消耗量高出2-3倍，这与脂肪生成的酶活性增加有关。地中海饮食的特点是减少碳水化合物的摄入，被认为是有效的NAFLD管理。一项队列研究发现NAFLD严重程度与坚持地中海饮食呈反比关系。此外，地中海饮食已被证明可以降低心血管疾病和糖尿病的风险，这些疾病与NAFLD患者高度相关。总而言之，迄今为止的证据表明饮食摄入是NAFLD发生的重要因素。

然而，最近的证据表明在代谢性疾病管理中采用“一刀切”的饮食干预方法可能是不够的。一项研究在17天内对34名健康成人的每日粪便样本进行了基因组学研究，发现微生物反应与食物选择相关，但具有高度个性化；类似地，另一项队列研究发现800名受试者对同餐的血糖反应具有很高的可变性。

除了饮食选择外，受昼夜节律和间歇性禁食影响的饮食时间通过影响肠道微生物组成和功能影响代谢风险。众所周知，昼夜节律和肠道微生物群之间存在着错综复杂的联系，并表现出双向串扰，在小鼠模型中的研究表明，昼夜节律和喂养模式的破坏会导致生物异常状态，相反，抗生素引起的微生物群变化会导致生物钟基因失调。昼夜节律和摄食模式的改变会产生代谢效应。

这些发现引起了人们对改变断续禁食的喂养方式作为肥胖和相关代谢疾病的管理策略的兴趣。在最近几项具有适度样本量的随机试验中，间歇性禁食干预具有可接受的依从性，并导致体重减轻和多项代谢参数改善。总的来说，越来越多的证据表明个性化饮食管理的在治疗NAFLD方面的潜力。

图1. 非酒精性脂肪肝中潜在的基于微生物组的治疗干预

非酒精性肝病的个体化药物选择

个体对药物治疗的反应在疗效和药物不良反应风险方面各不相同。虽然遗传的基因组变异可能导致异种代谢的差异，但长期以来人们认识到，药物疗效和毒性的差异并不能单凭遗传学来解释。早在20世纪30年代，人们就注意到了肠道微生物代谢在药物反应中的作用，当时柳氮磺胺吡啶被开发出来，需要肠道微生物群裂解才能进行体内活性。最近人们认识到，肠道微生物群和外源物质之间的相互作用实际上是双向的。肠道微生物群可能以不同于肝脏代谢的方式促进外源物质的代谢，但反过来，微生物群的组成可被外源物质改变。事实上，肠道微生物群的个体间差异可能部分与药物使用有关。

药物微生物组学是一个新兴的研究领域，它包括研究微生物群变化对药物配置、作用和毒性的影响，可以扩大个性化药物选择的范围。此外，微生物群-外源物质相互作用可以引起免疫治疗的不同反应，这些反应差异可以部分归因于不同个体在恶性肿瘤中的基线肠道微生物群。例如，在一项对112名患有黑色素瘤的成人进行的队列研究中，治疗应答者的肠道微生物群显示出瘤胃球菌科更高的α多样性和丰富性，这与改善的T细胞功能相关，突出了接受免疫治疗的人的“有利”微生物群。

截至目前，许多针对NAFLD的2期和3期研究正在进行，评估针对不同通路的药物，包括肝脂肪积聚、胰岛素增敏、氧化应激和凋亡以及肝纤维化等。肠道微生物群是否可以作为药物反应的标志物，以及是否具备使个体疗效增高的能力目前尚不清楚。

结论

越来越多的研究正在扩展人们对NAFLD表型受肠道微生物组影响的机制的理解，未来需要进一步结合临床前模型并设计完善的前瞻性人体研究，以确定NAFLD发病机制中的微生物群-宿主的相互作用关系。重要的是，粪便微生物特征可作为非侵入性诊断工具或提供预后价值，在治疗层面上，靶向肠道微生物群既可以作为单一疗法，也可以与其他治疗手段联合使用。对微生物代谢的个性化认识，最终可能导致对药物代谢的更广泛理解。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.11.010