脓毒症所致肝损伤中的肠-肝交互作用

肝胆相照  2020-11-13

摘要


脓毒症的特点是对感染的免疫反应失调,导致危及生命的器官功能障碍。脓毒症所致的肝损伤被认为是ICU死亡率的一个强有力的独立预测因子。在感染时,肝脏通过对细菌清除、急性时相蛋白(APPs)和细胞因子的产生以及对炎症的代谢来调节免疫防御。炎症细胞因子水平的增加和细菌清除能力的受损和代谢产物的破坏可引起肠道菌群失调和肠粘膜屏障的破坏。肠道菌群的变化在脓毒症所致肝损伤中起着至关重要的作用。细菌移位和肠道炎症导致全身炎症反应和急性肝损伤。肠-肝交互作用是治疗干预的潜在靶点。

 

导言


脓毒症是由宿主对感染反应失调引起的危及生命的疾病。失控的炎症会导致细胞和器官功能丧失、多器官功能障碍综合征(MODS)和死亡。每年,美国有150多万患者患有脓毒症,估计全球死亡率为25%。

在全身感染中,肝脏通过细菌清除、急性时相蛋白(APPs)和细胞因子的产生以及对炎症的适应性改变来调节免疫防御。肝损伤对脓毒症的严重程度和预后有重要影响。脓毒症肝衰竭的发生率低于其他器官衰竭的发生率。因为肝脏具有较高的再生能力和抵御攻击的能力。但肝功能障碍和衰竭与脓毒症并发症有关。

脓毒症肝功能障碍或衰竭的死亡率在54%至68%之间,高于脓毒症肺功能障碍或衰竭的死亡率(脓毒症最常见的器官)。虽然脓毒症所致肝损伤的病理生理学复杂,但炎症反应在这一过程中起着重要作用。此外,在脓毒症中,全身炎症引起的的线粒体和内质网功能障碍可导致肝衰竭。临床表现为缺氧性肝炎、脓毒症引起的胆汁淤积和继发性硬化性胆管炎

肠道屏障失调伴菌群移位是MODS病理生理学的主要理论。病原菌经常从肠腔转运到血液中,并通过门静脉进入肝脏。脓毒症诱导的上皮凋亡使肠道通透性增加,导致肠道菌群移位。细菌及其代谢物通过与乳糜微粒的协同运输进入淋巴系统。膳食脂肪促进肠道对细菌产生的脂多糖(LPS)的吸收。这些现象可能加剧炎症,导致肝衰竭和死亡。肝功能障碍、炎症细胞因子水平升高、细菌清除能力受损和代谢紊乱引起肠道失调和肠屏障破坏(图1)。由于肝功能障碍而引起的肠道上皮细胞紧密连接和相关蛋白的变化可能增加肠道通透性,损害远隔器官。因此,更好地理解脓毒症所致肝损伤中的肠-肝交互作用可能有助于阐明这些复杂的疾病,并为新的治疗奠定基础。

 

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肝功能障碍对肠道的影响


肝脏是调节免疫和炎症反应的主要部位。在脓毒症期间,炎症细胞因子,主要是IL-6和IL-1,触发肝细胞产生急性时相蛋白(APPs)。活化的巨噬细胞或库普弗细胞(KCs)和自然杀伤T细胞(NKT)细胞可产生炎症介质,包括干扰素(IFNs)、IL-1杀伤细胞(IL-8)和肿瘤坏死因子(TNF)。中性粒细胞和单核细胞在肝脏中积聚,促进抗菌防御(通过中性粒细胞胞外陷阱形成或吞噬作用)和免疫介导的肝细胞损伤(通过TNF诱导的凋亡)。

在脓毒症期间,肝损伤从活动性肝细胞功能障碍到危及生命的暴发性肝衰竭,并在其他器官中引起严重炎症反应。肝脏功能障碍伴有炎症细胞因子的增加,细菌清除下降和胆汁酸排泄受阻,导致肠道菌群失调和肠道屏障的破坏。

 

脓毒症时细胞因子对肠道屏障的影响


肠道的单层上皮细胞作为选择性屏障,允许细胞旁途径运输水、溶质和免疫因子,同时防止潜在的有害病原体、毒素和抗原从管腔转移到循环系统和肠系膜淋巴。肠上皮细胞紧密连接维持肠屏障功能,并通过膜内蛋白家族(claudin , occludin,tricellulin,连接粘附分子[JAM])和细胞内连接蛋白(肌球蛋白轻链ZO)与细胞骨架相连,有助于连接细胞间隙。在脓毒症期间,细胞因子水平的升高可通过调节claudin 2、claudin 5、JAM-A、occludin和ZO-1蛋白的表达来调节肠道通透性。肌球蛋白轻链激酶(MLCK)的激活可提高白细胞介素(IL)-6、肿瘤坏死因子α(TNF-α)和IL-1β水平。通过MLCK磷酸化肌球蛋白调节轻链可以增加细胞通透性,导致顶端紧密连接的收缩或开放,从而前馈机制下导致MLCK的激活,部分通过改变 ZO-1和闭合蛋白(图2),肠道通透性增加通过正反馈使全身炎症增加。

在烧伤小鼠模型中,抑制MLCK可提高了脓毒症小鼠模型的存活率,并改善了烧伤小鼠模型的肠道屏障功能和紧密连接蛋白,这些结果表明,抑制MLCK是脓毒症的一种潜在治疗方式,也是逆转严重烧伤后肠上皮屏障破坏的关键靶点。

Toll样受体4(TLR4)调节肠道干细胞的增殖和凋亡。脓毒症期间细胞因子水平的增加抑制肠道细胞再生,并以TLR4依赖的方式刺激细胞凋亡。在细胞水平上,隐窝细胞增殖减少,而隐窝和绒毛细胞凋亡加快。脓毒症降低肠细胞增殖,增加肠上皮凋亡,降低绒毛高度。绒毛高度的降低与肠通透性增加、肠上皮细胞凋亡增加以及存活率降低有关。此外,细胞因子诱导粘液层(厚度减少,管腔覆盖减少,粘附不良)和肠道屏障功能的改变。炎症细胞因子水平的增加导致肠道凋亡和渗透增加、细菌移位和炎症反应的扩大。此外,全身炎症增加导致肝脏损伤。

 

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细菌清除和肠道失调在肠-肝轴中的作用


肝脏是把细菌从血液中吞噬并清除的重要部位。库普弗细胞、肝窦内皮细胞(LSECs)和星状细胞是抵御细菌的第一道防线。库普弗细胞通过模式识别受体清除细菌和细菌代谢产物,库普弗细胞分泌趋化因子,导致中性粒细胞迁移和积聚在肝窦。中性粒细胞和血小板相互作用,并通过中性粒细胞胞外陷阱捕获和杀死细菌。肝B细胞也吞噬细菌。肝细胞吞噬穿过窦状细胞层的病原体。肝细胞利用脂蛋白清除LPS。LPS结合蛋白将LPS转移到CD14,并促进吞噬细胞表面LPS与TLR4的相互作用,以去除LPS并启动促炎级联。炎性细胞因子水平升高导致肠道屏障功能障碍。

肠道和免疫系统共同防止肠道细菌移位进入门静脉。在肠道上皮屏障之后,肝脏构成了消除入侵细菌和细菌产物的第二道防线, 抑制了细菌向体内的传播。在肝脏损伤过程中,网状内皮系统的损伤、中性粒细胞吞噬和消灭细菌的能力、补体的产生和抗原提呈下降导致了对细菌的清除能力下降。因此,由于细菌的肠道移位,肝硬化患者的细菌感染风险增加。肠道菌群的改变在肠-肝轴中起着重要的作用。肠道失调可能破坏肠道屏障,增加通透性。Schnabl的研究表明,肠道失调似乎导致了肠上皮紧密连接的破坏和IECs增殖和凋亡的失衡。最近的研究发现,在盲肠结扎穿孔术后,肠道菌群生长异常会导致小鼠严重的肝损伤。有几种机制可以解释这种表现。首先,在解剖结构中肝脏与肠道近,营养物质和微生物产物有助于维持新陈代谢和肝脏内稳态。其次通过门静脉循环,肠道产物输送到肝脏。因此,肠道失调直接加重脓毒症引起的肝损伤。

肠道失调的另一个临床相关的后果是是肠道细菌转移到腹腔和体循环而引起炎症并导致血流动力学紊乱。

总之,肠道菌群的改变以及细菌和毒素的移位增加了全身炎症反应,并导致多器官衰竭和死亡。肠道和肝脏之间的交互作用可能放大炎症反应,导致脓毒症和MODS的加重。

 

胆汁酸在肠-肝轴中的作用


肝脏是一个内分泌腺,分泌胆汁酸(BAs)进入肠道,调节肠道微生物菌群的组成。胆汁酸由肝脏中的胆固醇合成,并经小肠末端和结肠中的肠道微生物菌群进行化学修饰(图3)。95%的胆汁酸在回肠远端被重新吸收,并通过门静脉循环返回肝脏,这一过程称为肠肝循环。在肝功能障碍期间,胆汁酸水平升高会激活炎症和氧化应激,导致细胞凋亡或坏死、纤维化和肝硬化。胆汁酸是关键信号分子。Farnesoid X受体(FXR)和G蛋白偶联受体(如TGR5)介导胆汁酸的调节作用。微生物通过受体对BAs胆汁酸的代谢来调节信号通路。胆汁酸激活肠道FXR,诱导成纤维细胞生长因子15(FGF15)的表达。FGF15通过抑制肝脏中胆固醇7 -羟化酶(CYP7A1)的表达,通过内脏-微生物-肝脏反馈回路降低胆汁酸水平,这是胆汁酸合成的限速步骤。此外,FXR的激活控制肝脏脂肪生成、通过极低密度脂蛋白(VLDL)途径甘油三酯(TG)转运和糖异生。次级胆汁酸激活TGR5,通过诱导肠内分泌L细胞释放肠胰高血糖素样肽-1(GLP-1)来改善糖耐量和肝功能。因 此,胆汁酸调节肝脏的脂质和葡萄糖稳态。

在肠道中受细菌作用通过亲水性基团的7个羟化或者去羟化使胆汁酸代谢为疏水性,从而形成次级脱氧胆酸和石胆酸。此外,胆汁酸具有杀菌活性,降低肠道对内毒素的通透性。粪便中未结合的初级胆汁酸与肠道失调有关。肠道失调可破坏肠上皮紧密连接,导致肠上皮细胞增殖和凋亡失衡。

总之,肝脏可能通过接受微生物转入并通胆汁酸影响肠道微生物菌群,在控制细菌方面发挥重要的调节作用。肠道微生物通过改变胆汁酸代谢及其信号通路,参与脓毒症所致肝损伤的发病机制。在肠-肝轴,胆汁酸代谢的变化导致肠道微生物菌群失衡和肝脏炎症。肠道微生物菌群与肝脏之间胆汁酸的相互作用可能加重脓毒症期间器官炎症和损伤。

 

脓毒症相关肠道损失对肝脏的影响


肠道含有70-80%的人体免疫细胞和100多万亿微生物。炎症和低灌注在脓毒症所致肠道损伤的病理生理学中起着重要作用。脓毒症增加细胞凋亡,减少增殖和上皮的迁移。此外,紧密连接的改变导致肠道通透性增高和肠道屏障功能障碍。由于外在因素(抗生素和肠外因素)和内在因素(全身炎症)的作用,脓毒症患者的肠道生理发生了一些其他变化,可能促进脓毒症期间器官炎症和损伤。这些变化反过来影响肠道菌群的组成。肠道屏障破坏导致细菌和毒素从肠腔向肠系膜淋巴结和体循环移位。细菌移位可能增加全身炎症,导致多器官衰竭和死亡。

单核/巨噬细胞在炎症性疾病的发生或进展中起着至关重要的作用,库普弗细胞为清除病原体的守门人,参与肝脏稳态的再生,通过清除 70%-80%的血液中细菌,库普弗细胞对宿主防御菌血症至关重要。

肠道损伤后,细菌及其产物经门静脉循环和淋巴系统从胃肠道进入肝脏。证据表明细菌移位的主要途径是淋巴系统。

病原体相关分子模式(PAMPs)暴露于肝脏,并被模式识别受体(PRRs)识别,属于TLR和NOD样受体家族。PAMPs与库普弗细胞或星状细胞结合,诱导编码为的促炎基因的转录上调。细胞因子,如IL6,IL-1β和TNFα。当肝脏从耐受性向免疫性反应转变时,APPs的产生就开始了。许多APPs通过充当蛋白,通过PRR激活中性粒细胞或巨噬细胞,以及补体系统的抗菌功能来促进全身免疫。

由于库普弗细胞极化在肝损伤中起着重要的作用,调节库普弗细胞功能对于保护脓毒症时所致肝损伤至关重要。库普弗细胞极化成不同的表型,M1(促炎)和M2(替代),这取决于局部的微环境。在脓毒症期间,随着肠道屏障功能受损,细菌移位和炎症改变了免疫微环境,KCS被极化为M1表型。研究表明,增强巨噬细胞M2极化可保护肝脏免受损伤。然而,需要进一步的研究来确定参与抑制巨噬细胞M1表型的信号通路。

短链脂肪酸(SCFAs)等细菌代谢物维持免疫稳态增强肠道屏障功能,促进调节性T(Treg)细胞的成熟。最近的一项研究发现,产生SCFA的细菌提高了对动物和人类肠道病原体的定植抵抗性。尽管如此,还需要额外的对照研究来评估膳食纤维是否能调节肠道微生物群,并使重症监护病房的患者受益。

肝脏免疫反应有助于清除细菌,但由于过度的全身炎症反应可能导致器官损伤。线粒体功能障碍和ER应激相关炎症在急性期反应最终导肝功能衰竭。

 

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未来的前景


由于肠道在脓毒症所致肝损伤的进展中起着重要作用,靶向微生物菌群在肝功能障碍中具有预防和治疗潜力。一些观察表明,微生物群菌减少与抗生素暴露和随后的脓毒症之间的关系相关。此外,在脓毒症发病前对病情严重患者的微生物菌群进行调节可以降低脓毒症的发病率。粪便微生物移植和微生物靶向代谢物,包括丁酸盐或其他短链脂肪酸,可用于治疗脓毒症期间的失调。但粪便微生物移植好处应该与相关的风险相平衡,如感染性并发症。基于这些发现,益生菌和益生菌制剂可以降低ICU感染的发生率。

 

结论


本文就支持肠道和肝脏在脓毒症中的交互作用可能性的大量文献进行了综述。细菌或代谢物的移位和由此产生的肠道炎症导致肝功能障碍。此外,脓毒症所致的肝损伤可导致肠道失调,增加肠道通透性。肠系膜血管通透性增加导致肠水肿和肠屏障功能障碍,导致全身炎症和急性肝损伤。长期的炎症会导致严重后果。进一步了解肠-肝交互作用可能为脓毒症的稳态调节提供思路,并有助于开发有效的治疗方法,以预防脓毒症所致的肝损伤。

 

本文转载自重症医学 作者:河北医科大学第四医院重症医学科 翟羽佳 朱桂军。

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