賈偉:肝病腸治?且看腸道細菌如何對肝病火上加油!






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賈偉:肝病腸治?且看腸道細菌如何對肝病火上加油!

各位老師,各位同道,大家好!

我是美國夏威夷大學癌症研究中心的賈偉,從事基於代謝組學的癌症代謝和生物學研究。那麼今天呢,我跟大家分享的主題是腸道菌與肝臟疾病。

賈偉:肝病腸治?且看腸道細菌如何對肝病火上加油!

說到肝臟,大家都不陌生。它是我們人體最大的一個代謝器官,承擔了我們人體非常重要的生物分子的生化合成和代謝。

這些生物分子包括糖、蛋白質、脂質、膽固醇等等,那麼還有一類物質——膽汁酸也是我們肝臟合成出來的。

那麼在幾十年以前,膽汁酸一直被認為是一類非常簡單的腸道消化液,沒有什麼大的作用,就是幫我們人體吸收和消化來自於食物的脂肪。

那麼最近10年的研究結果讓我們非常震驚,我們發現膽汁酸是一類非常非常重要的生化分子。

它不僅僅能夠幫助我們消化和吸收來自於食物的脂肪,還可以調控脂肪代謝,還可以調控我們的糖代謝,調控藥物代謝,還可以調控很多很多生物分子的腸肝循環和體內平衡。

肝臟也可以被認為是一個解毒器官,它可以分解和代謝我們體內的毒性物質,所有攝入我們人體的毒性物質。

包括藥物、藥物的代謝物,以及我們食物當中分解出來的帶有毒性的代謝產物,都會在我們肝臟代謝酶的作用下面,分多種管道進行解毒。

我們討論肝臟的代謝功能,我們不得不說一下腸道細菌,因為我們知道腸道菌群也同樣具有很重要的代謝功能。

事實上,我們可以說,腸道菌群是我們人類後天獲得的一個非常非常重要、不可或缺的代謝器官。

所有攝入我們體內的食物、營養都會在腸道接觸到腸道細菌,被我們的腸道細菌所代謝。

那麼反過來,腸道細菌如果失衡、如果紊亂,也可能會產生毒素,這些毒素會通過腸屏障和門靜脈進入腸肝循環,加重肝病的發展。

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肝臟疾病有很多種,包括脂肪肝、肝炎、肝硬化、肝性腦病、肝癌等等。

那麼肝臟的病因又比較複雜,它包括了病毒性的感染,叫病毒性肝炎;那麼還有因寄生蟲感染而得的肝炎,還有由於飲食不當、過度飲酒、過度的高脂飲食引起的脂肪性的肝炎。

那麼病毒肝炎包括了甲型病毒性肝炎,我們稱之為甲肝,還有乙肝、丙肝等等;而黃曲黴菌感染過的食物則會使我們的肝臟產生黃曲黴素中毒;大量的長期的飲酒可以誘導出酒精性的脂肪肝;那麼高脂飲食可以導致脂肪性的肝炎。

那麼在肝病當中,最為危重的疾病就是肝癌了。

最新統計呢,全世界每年約有85萬例左右的 新髮肝癌病人,其中有47萬例,就是超過一半的人在中國。中國是個肝病大國,也是肝癌大國。

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討論肝癌呢,我們有一些這個領域里面最新的一些發現可以跟大家分享。

那麼隨著我們人類對於癌症的防控手段的不斷的提升,那麼在世界範圍之內,很多大的癌種的發病率和死亡率都在緩慢的下行。

但是呢,肝癌作為一個非常惡性的腫瘤,一個5年生存期不到18%的惡性腫瘤,它的發病率其實並沒有得到有效的控制。

我們不說別的國家,在美國,肝癌的發病率不降反升,這是很重要的一個現象。

那麼第二個現象呢,臨床上有一個很重要的、也是很令人費解的觀察,就是不少患者即便是去除了病因,比如說停止飲酒,不再吃高脂飲食,肝炎病毒已經被控制住了,但是這些病人的肝臟疾病仍然可能會進展為肝纖維化、肝硬化、甚至肝癌。

也就是說,在傳統意義上幾個重要的肝癌病因之外,似乎還有一些不為我們所知的因素,它們作為推手,在推動著整個肝病的發展病程。

那麼第三個現象呢,是脂肪性肝病最終導致肝癌的比例,是遠遠低於病毒感染性肝炎。但是脂肪性肝病的人群基數是非常大的。

從現在開始說起,在不遠的將來,也許是10年,也許是15年,當我們的肝炎病毒被得到非常好的控制以後,脂肪性肝炎就可能完全超越其他的因素,成為肝癌的第一大病因。

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那麼在這兒呢,我要隆重的向大家介紹出一個觀點。從肝炎到肝癌的轉換過程中,腸道微生態的失衡,我們稱之為Dysbiosis是一個很重要的推手,這也是我們今天的主題。

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觀眾當中可能有人知道,我是做代謝組學的。我們實驗室從2003年開始,學習和開展代謝組學的研究。

那麼什麼是代謝組學呢,用一句很簡單的話來概括呢,代謝組學其實就是利用一種或者幾種高分辨率、高靈敏度的分析儀器,對一個生物樣本內所有的代謝產物進行全譜定量的分析。

那麼更重要的是,我們還要分析和檢測這些代謝物在不同的時間、不同的病理生理條件下的動態變化。

那麼在幾年前呢,我們實驗室建立了一個全自動、全定量的腸道菌代謝組的檢測方法,這個方法可以檢測200~250種菌群和宿主共代謝的產物。

我們認為這樣的方法,是基於宏基因組研究菌群代謝功能和疾病機制的一個重要的方法學上的補充。

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有了代謝組學,我們可以非常快速的檢測一些病人的血液、尿液甚至是唾液。

我們來看一看腸道細菌是否在病理生理過程當中扮演著一些重要的角色,我給大家介紹幾個案例。

那麼我們採用代謝組學,分析了177例包含了健康對照、良性肝臟腫瘤還有肝癌病人的血清和尿液的代謝組,這是全譜的代謝組學檢測。

我們發現很多跟肝癌高度相關的代謝變化,都來自於腸道細菌的代謝產物。其中最最顯著變化的6個肝癌的Biomarkers(生化標誌物),全部是膽汁酸,其中有三個還是腸道菌群代謝過的次級膽汁酸。

那麼我們又做了第二個隊列的驗證,分析了138例肝硬化患者的血清樣本,那麼這樣的驗證非常成功,我們同樣發現膽汁酸是肝硬化病人的非常顯著的生物標誌物。

那麼最後我們還用了94例肝硬化病人的尿液樣本,我們來看一看,在尿液樣本當中,膽汁酸是不是依然是顯著的變化。

結果是非常顯著,而且腸道菌群代謝過的次級膽汁酸,可以完美的區分肝硬化的三個不同的病理分期。

也就是說,膽汁酸代謝,尤其是腸道菌群的膽汁酸代謝,與肝病的發生和發展是密切相關的。

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我們後面集中火力,對一個比較大的肝病隊列進行膽汁酸的全譜分析。這個對列是包含了1006例正常對照、肝炎、肝纖維化、肝硬化的病人。

那麼我們看到,幾乎是所有的膽汁酸都非常顯著的升高,在不同的病理階段全面升高。

那麼為了要驗證它,我們又獲得了一個539例的獨立的隊列,它是肝纖維化和肝癌患者。

那麼在這個隊列里面,我們同樣也看到了幾乎是完全一致的檢測效果,那就是說膽汁酸全面升高。

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那麼既然膽汁酸如此重要,那麼我們就要看一看,它是如何與我們腸道菌發生關係。

當我們吃飯,尤其是進食帶有脂肪的食物的時候,我們的膽囊就會分泌膽汁進入小腸,這個膽汁里就是膽汁酸。

那麼它們不僅僅是幫助我們消化和吸收食物當中的脂肪,它們還會與腸道細菌進行互相作用。

它們同時也會殺滅一部分腸道細菌,因為它們還是有抑菌性的;但是反過來,它們又被腸道細菌所代謝。

那麼這個代謝主要分兩步,第一步是氨基酸的解離反應,腸道細菌把甘氨酸和牛磺酸從膽汁酸上切開來。那麼我們需要一種酶,叫膽鹽水解酶,Bile Salt Hydrolase(BSH)。

那麼另外一步也是很重要,它可以把遊離的初級膽汁酸變成遊離的次級膽汁酸,那麼這一塊需要一個酶,叫7α-Dehydroxylase,就是7α位上的脫羥酶。

所有能夠代謝膽汁酸的腸道細菌都擁有這兩個酶,或者至少是兩個酶當中的一種。

那麼我還要介紹的呢,就是大部分含有Bile Salt Hydrolase(膽鹽水解酶)的腸道菌都是革蘭氏陽性菌。

那麼革蘭氏陽性菌屬當中,含有Bile Salt Hydrolase(膽鹽水解酶)的細菌,包括了梭狀芽孢桿菌、乳桿菌、雙歧桿菌、李氏桿菌等等。

還有一個富含膽鹽水解酶的革蘭氏陰性菌也非常重要,它叫擬桿菌,大家也許非常熟悉。

為什麼說擬桿菌特別重要呢,因為它所攜帶的膽鹽水解酶的活性非常高,占了我們整個腸道宏基因組的50%以上。

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我們再介紹一個大的隊列研究,我們夏威夷大學癌症中心的癌症流行病學的一批同事們,牽頭開展了一個大型的多種族的隊列研究。

我們篩選了215,000個人,這215,000人包括了非裔美國人、拉丁美裔、白人、日裔,還有就是夏威夷本地人。我們從中精選了1794個健康的合格的個體,年齡在60~75歲。

我們針對這個人群開展了多項分析和研究,我們檢測了他們每一個人的肝臟脂肪情況,我們檢測了每一個人的血常規,我們檢測了每一個人的代謝性的指標。

更重要的是,我們檢測了糞便樣本當中的菌群序列。最終這個研究發現,與肝臟脂肪堆積程度正相關的、最顯著相關的是腸道細菌當中的次級膽汁酸的代謝功能。

另外也有幾個相關的代謝功能,包括甘氨酸代謝、牛磺酸代謝,大家都知道這跟膽汁酸都有關係。那麼還有就是Lipopolysaccharides(脂多糖)的代謝。

所以我們發現的最顯著的幾條代謝通路,或者說幾個代謝功能都是跟膽汁酸代謝有關係。也就是說,我們肝臟脂肪的高低與腸道菌群的種類和代謝功能,尤其是次級膽汁酸代謝的功能密切相關。

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那麼這張圖告訴我們,腸道菌和肝臟互相作用,其實是通過它們的代謝產物來做到的。這些代謝產物呢,包括了來自於膽鹼的三甲胺、乙醇、乙醛類的代謝產物。

那麼也許有人要問,哪來的乙醇呢?哪來的酒精?那麼我們能夠設想一下,腸道細菌在我們的體內就是一個菌群組成,腸道就是一個發酵罐。

我們食物進來,經過發酵,肯定有酒精產生。那麼酒精的下遊代謝產物,就是乙醛,醛類物質。

那麼還有短鏈脂肪酸,那麼更重要的還有次級膽汁酸,還有一類物質,也是剛才提到的LPS,Lipopolysaccharides,就是脂多糖。

那麼這些腸道細菌的代謝產物,通過腸屏障,通過門靜脈進入肝臟,可能參與推動脂肪性的肝病的發展,從慢性肝炎到纖維化、硬化和肝癌。

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介紹一個相關的研究,我們北京大學的學者薑長濤和他在美國國立衛生研究院的合作者——FrankJ. Gonzalez 一起合作研究。

他們發現了腸道菌對結合型膽汁酸的解離,也就是說產生出來的遊離的膽汁酸,尤其是次級膽汁酸可以激活腸道核受體FXR(法尼醇X受體),產生一種物質叫神經酰氨。那麼這個神經酰胺進入肝臟以後,可以促進肝臟脂肪的合成和堆積。

那麼這個是非常漂亮的一個機制性的工作。

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最近還有一篇文章發表在Science《科學》上面,我認為也是非常非常有意思的。

那麼這個故事呢,講的是從肝臟產生的初級膽汁酸,和被腸道細菌代謝過的次級膽汁酸,這兩類物質其實存在著一個平衡。

初級膽汁酸可以激活一種蛋白,叫CXCL16,這個蛋白可以激活一個很重要的免疫細胞,叫NKT免疫細胞(自然殺傷T細胞),它是可以抑制肝臟腫瘤的。

那反過來,我們的次級膽汁酸能抑制這個CXCL16蛋白,從而抑制NKT細胞的增殖和積累,當然結果是促進肝臟腫瘤的發生和發展。

所以,這就是一個非常非常重要的平衡關係。也就是說,腸道細菌可以通過對於次級膽汁酸的生成的多和少,來調控我們肝臟里面非常重要的免疫細胞,進而調控腫瘤的升還是降。

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基於前面種種種種的發現,我們現在要跟大家講,我們的科學假說是什麼。

我們認為,與肝病高度相關的腸道菌群的一個重要特徵,是含有BileSalt Hydrolase(膽鹽水解酶)和7α-Dehydroxylase(7α-脫氫酶)。

那麼這樣的一個菌群結構可以推動脂肪性肝炎往纖維化、硬化和肝癌方向發展。

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針對這樣的一個假說,我們採用了一個動物模型——高脂高糖20周這麼一個非常快速的產生肝癌表型的模型。

很重要的呢,是這個動物模型可以產生出脂肪肝、脂肪性肝炎、肝纖維化、肝癌4種表型。

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那麼經過腸道菌群測序,我們發現腸道細菌的多樣性和豐度,隨著肝病的發展是逐步下降的。

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那麼,盡管總的豐度在逐步下降,其中還是有一部分細菌的豐度是逐步上升的,而它們跟膽汁酸水平呈正相關。

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它們是什麼呢?那麼我們仔細分析下來,發現最重要的有三種革蘭氏陰性菌、兩種擬桿菌和一種脫硫弧菌顯著升高。

我們知道,這三種革蘭氏陰性菌具有膽鹽水解酶,可以降解膽汁酸產生次級膽汁酸;我們也知道,它們因為是革蘭氏陰性菌,他們會產生LPS脂多糖。

那麼果然,我們在肝病的這個模型組當中,我們發現肝臟、血清以及糞便樣品中,我們都能夠檢測到逐步升高的細菌內毒素,以及逐步升高的次級膽汁酸水平。

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那麼我們還知道,肝纖維化的發生要有一個非常非常重要的步驟,有一個先決條件。那就是肝臟的星狀細胞需要被激活,它有大量的生成。

那麼很有意思呢,我們發現有兩個被腸道菌群代謝產生的次級膽汁酸,可以非常高效地上調肝臟星狀細胞的增殖和活性,它們能夠非常高效地誘導肝纖維化的發生。

那這也是一個非常重要的機制性的發現。

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所以針對腸道膽汁酸的代謝,我們也做了很多干預的措施。比如說,我們用了抗生素,發現它確實可以顯著降低腫瘤的發生。

但是很重要的,或者很有意思的一個措施,我們用了一種離子交換樹脂,用來吸附腸道細菌產生的次級膽汁酸。

我們發現它可以非常有效地降低腸道內的次級膽汁酸的水平,可以非常有效地改變腸道菌的結構。但是更為重要的是,它完全阻斷了肝纖維化和肝癌的發生。

當然這是一個非常驚人的實驗結果,我們重復了好幾次,發現都是這樣的。

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我們來總結一下。

腸道菌與肝臟疾病高度相關,但是沒有證據顯示腸道細菌直接導致肝癌。所以我本人並不認為有一個因和果的關係在這里,腸道細菌並不直接導致肝癌。

但是它扮演的角色呢,是一個推波助瀾的作用,它是一個推手。

在肝病的發展過程中呢,腸道菌群結構發生特徵性的改變。這些改變促進了肝病從簡單的炎症往纖維化和肝癌的方向轉化。

那麼腸道菌與肝臟的相互作用,是通過它一系列的代謝產物來做到的。這些產物包括了次級膽汁酸,包括了脂肪酸,包括了脂多糖等等,它們能夠促進肝病往纖維化硬化和肝癌的方向進展。

了解了腸肝代謝作用的機制,我們可以設計全新的疾病診斷和干預方法,來達到早期診斷、早期治療這麼一個目的。

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那麼基於我們的前期的研究結果,我們最近建立了一種快速的、無創的、精準的診斷肝臟疾病的分期的一個體外診斷試劑盒。

不需要做穿刺,只需要一滴血,借助於我們的分析儀器、質譜和我們的工作軟件,我們可以在肝臟的疾病譜當中,把病人的病理狀態準確地進行定位。

同時針對腸道菌群的膽汁酸的代謝,我們又開發了靶向性的治療藥物。那麼,這可能也是一個全新的策略,就是說肝病腸治。

這些診斷技術和治療技術,我們都已經申請了國際和國內專利,目前處於產業化的階段。

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最後我要感謝我們課題組所有參與相關研究的人員,以及我們一些重要的合作夥伴,比如英國帝國理工大學的JeremyK. Nichoson教授,美國北卡大學藥學院的Kim Brouwer教授,還有我們上海中醫藥大學的劉平教授。

最後要感謝熱心腸的科普平台,謝謝大家!


來源:熱心腸研究院

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