肝硬化是全球高發(fā)病率和死亡率的重大疾病，50%-70%的患者會(huì)并發(fā)肝性腦病（HE），經(jīng)歷令人困惑的”腦內(nèi)系統(tǒng)崩潰”：認(rèn)知障礙、行為異常甚至昏迷，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量。傳統(tǒng)認(rèn)為代謝廢物——氨的過度積累是HE發(fā)生的主要致病機(jī)制，但臨床發(fā)現(xiàn)氨水平與HE發(fā)作（嚴(yán)重程度）并不總是相關(guān)，且部分治療效果與氨無關(guān)，這表明還有其他因素參與HE的發(fā)病。近年來，研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群及其代謝產(chǎn)物可影響大腦功能，肝臟通過門靜脈接收并代謝腸道來源的神經(jīng)毒素，“腸-肝-腦”軸在HE發(fā)生中起重要作用。
基于這個(gè)背景，南方醫(yī)科大學(xué)周宏偉、廣州醫(yī)科大學(xué)高杰、東南大學(xué)祁小龍及南方醫(yī)科大學(xué)陳金軍共同通訊在Nature Medicine在線發(fā)表題為“The gut–brain axis underlying hepatic encephalopathy in liver cirrhosis”的研究論文，通過構(gòu)建腸-腦模塊分析肝硬化宏基因組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)特定腸道菌群基因（如PDC基因）增加與HE相關(guān)，結(jié)合多組學(xué)數(shù)據(jù)并通過動(dòng)物模型和臨床樣本驗(yàn)證了其機(jī)制，為尋找HE的治療靶點(diǎn)和預(yù)測(cè)標(biāo)志物提供了新思路。
技術(shù)路線
研究結(jié)果
1. 聚焦單胺合成與R.gnavus菌
為了探索微生物與大腦的相互作用，研究首先構(gòu)建了112個(gè)“腸道-大腦模塊”（GBM），每個(gè)GBM對(duì)應(yīng)于一種特定的神經(jīng)活性化合物的合成或降解過程。基于肝性腦病（HE）的慢性發(fā)病機(jī)制，研究將這些預(yù)測(cè)的GBM應(yīng)用于四個(gè)肝硬化宏基因組數(shù)據(jù)集。結(jié)合單變量統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及隨機(jī)效應(yīng)薈萃分析，發(fā)現(xiàn)單胺合成模塊的效應(yīng)最為顯著。
芳香族L-酸脫羧酶（AADC）是單胺合成關(guān)鍵酶。AADC在腸道微生物中主要存在于Ruminococcus gnavus等細(xì)菌中。研究人員為篩選腸道微生物中的AADC，發(fā)現(xiàn)有20種酶可把芳香族氨基酸轉(zhuǎn)化為單胺。新鑒定的AADC序列擴(kuò)展了PDC存在范圍。而肝硬化患者宏基因組數(shù)據(jù)顯示，PDC基因顯著增加，特別是Ruminococcus gnavus和Tyzzerella nexilis的苯丙氨酸脫羧酶（Phenylalanine Decarboxylase，PDC）。這表明Ruminococcus gnavus來源的PDC可能是肝硬化中單胺合成增加的關(guān)鍵酶。
圖1. 在各國(guó)肝硬化患者中，R.gnavus衍生的PDC基因豐度增加
2. R.gnavus驅(qū)動(dòng)肝硬化患者腦內(nèi)苯乙胺（PEA）的積累
研究者將R. gnavus引入無菌小鼠腸道，用PDC基因突變株（Rg-Mu）作對(duì)照。確認(rèn)R. gnavus通過PDC活性誘導(dǎo)單胺合成。
分析血清樣本發(fā)現(xiàn)，Rg-WT使門靜脈單胺水平升高，經(jīng)肝臟后PEA水平大幅降低，顯示肝臟有強(qiáng)PEA代謝能力。下腔靜脈PEA水平高于無菌小鼠，但大腦中無差異，推測(cè)肝臟和血清中的MAO-B活性防止PEA在大腦過度積累。
肝硬化小鼠中，肝臟和血清MAO-B活性顯著降低，致使PEA在大腦病理性積累，肝硬化患者也存在MAO-B活性下降的情況。這些結(jié)果揭示了“腸道-肝硬化-大腦” 軸的存在，表明肝硬化時(shí)R. gnavus增加會(huì)使PEA在大腦積累，可能引發(fā)神經(jīng)毒性。
圖2. 當(dāng)肝硬化導(dǎo)致MAO-B活性降低時(shí)，R.gnavus會(huì)導(dǎo)致腦中PEA的病理性積聚
3. R.gnavus誘導(dǎo)肝硬化小鼠HE樣行為
研究者繼續(xù)在肝硬化模型中研究R. gnavus的神經(jīng)毒性作用（圖3a）。使用曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和莫里斯水迷宮實(shí)驗(yàn)評(píng)估小鼠行為，結(jié)果顯示，僅R. gnavus定植小鼠出現(xiàn)撲翼樣震顫和更高昏迷比例，表明其引發(fā)類似HE癥狀。
進(jìn)一步分析R. gnavus定植后大腦皮層和海馬的神經(jīng)表型，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞病理變化與HE患者大腦特征相似，表明R. gnavus誘導(dǎo)了神經(jīng)毒性和類似HE的癥狀。
圖3. R.gnavus通過PDC在肝硬化小鼠中誘導(dǎo)HE樣綜合征
4. PDC和PEA介導(dǎo)肝硬化中的R.gnavus神經(jīng)毒性
研究團(tuán)隊(duì)將突變菌株Rg-Mu單一定植到肝硬化小鼠中，發(fā)現(xiàn)其無法誘導(dǎo)大腦PEA積累、焦慮樣行為、記憶障礙、昏迷及神經(jīng)病理學(xué)變化，由此確定PDC酶活性對(duì)R. gnavus的神經(jīng)毒性至關(guān)重要。研究從22240種分子中篩選出77種潛在的PDC抑制劑，其中(S)-α-FMT（PDCI）抑制效率最高，在動(dòng)物模型中，PDCI顯著減輕了R. gnavus引起的大腦PEA積累和神經(jīng)毒性。研究還發(fā)現(xiàn)R. gnavus通過提升大腦PEA水平誘導(dǎo)神經(jīng)毒性，PEA單克隆抗體可阻斷該作用，灌胃PEA給肝硬化小鼠證實(shí)其具有劑量依賴性神經(jīng)毒性。綜上，PEA是R. gnavus誘導(dǎo)神經(jīng)毒性的關(guān)鍵代謝產(chǎn)物，PDC及其產(chǎn)物PEA是潛在治療靶點(diǎn)。
圖4. 靶向PDC減輕了HE患者糞便微生物群引起的神經(jīng)毒性
5. 靶向PDC或PEA可降低HE微生物群神經(jīng)毒性
研究團(tuán)隊(duì)將健康對(duì)照（HC）和HE供體的糞便微生物群移植到肝硬化無菌（GF）小鼠中。結(jié)果顯示，HE供體的微生物群可誘導(dǎo)小鼠大腦中苯乙胺（PEA）積累，并表現(xiàn)出焦慮樣行為和記憶障礙。神經(jīng)病理學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)，HE供體微生物群誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞腫脹和小膠質(zhì)細(xì)胞激活。此外，通過PDC抑制劑或PEA抗體處理，可顯著減輕HE微生物群的神經(jīng)毒性。這些結(jié)果表明，HE患者的糞便微生物群可通過PDC-PEA通路誘導(dǎo)神經(jīng)毒性，且PDC和PEA是潛在的治療靶點(diǎn)。
6. HE糞便微生物群誘導(dǎo)皮質(zhì)特異性神經(jīng)元損傷
研究者對(duì)接受健康對(duì)照、HE及PDCI處理的HE糞便微生物群的肝硬化小鼠的大腦皮層、海馬和紋狀體進(jìn)行mRNA測(cè)序。結(jié)果顯示，HE患者微生物群主要影響大腦皮層基因表達(dá)，PDCI治療可使異常基因恢復(fù)正常。功能分析表明，miceHE中神經(jīng)炎癥相關(guān)基因上調(diào)，其可復(fù)制人類HE患者轉(zhuǎn)錄特征。細(xì)胞特異性分析揭示了HE患者微生物群誘導(dǎo)的皮層特異性神經(jīng)元損傷是典型病理特征。
圖5. 皮質(zhì)特異性神經(jīng)元損傷是HE糞微生物誘導(dǎo)神經(jīng)毒性的標(biāo)志
7. TIPS后高血清PEA水平與HE風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)
收集103名參與者（40名HE患者、41名無HE的肝硬化患者、22名健康個(gè)體）的糞便和血清樣本。結(jié)果顯示，肝硬化患者與對(duì)照組腸道微生物組成差異顯著，HE患者中R. gnavus顯著富集，PDC基因豐度從健康個(gè)體到HE患者線性增加，HE患者血清PEA水平顯著升高。相關(guān)性分析表明，HE發(fā)生、血清白蛋白水平與PEA水平顯著相關(guān)，R. gnavus來源的PDC基因豐度與PEA水平強(qiáng)正相關(guān)。
前瞻性隊(duì)列研究納入60名接受經(jīng)頸靜脈肝內(nèi)門腔靜脈分流術(shù)（transjugular intrahepatic portosystemic shunt, TIPS）的患者，發(fā)現(xiàn)基線血清PEA水平與TIPS后3個(gè)月內(nèi)HE發(fā)作顯著相關(guān)，高PEA水平使HE發(fā)作風(fēng)險(xiǎn)增7倍。綜上，R. gnavus的PDC是HE患者PEA水平升高的關(guān)鍵因素，血清PEA水平可能是TIPS術(shù)后HE發(fā)作的預(yù)警標(biāo)志物。
圖6. 血清PEA水平與糞便PDC編碼基因豐度相關(guān)，基線PEA水平高與TIPS后HE風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)
總結(jié)
本研究發(fā)現(xiàn)肝硬化患者腸道微生物群中，瘤胃球菌（Ruminococcus gnavus）的苯丙氨酸脫羧酶（PDC）基因顯著增加，在肝性腦病（HE）患者中更高。腸菌R. gnavus可使肝硬化小鼠大腦積累苯乙胺（PEA），引發(fā)焦慮、記憶障礙等類似HE的癥狀，且PDC在這一神經(jīng)毒性過程中起關(guān)鍵作用，代謝物PEA是重要介質(zhì)。臨床研究證實(shí)HE患者糞便中R. gnavus富集，血清PEA水平升高，接受經(jīng)頸靜脈肝內(nèi)門體分流術(shù)（TIPS）的患者中，基線血清PEA水平高的人群術(shù)后3個(gè)月內(nèi)發(fā)生HE的風(fēng)險(xiǎn)增加7倍。研究結(jié)果揭示了R. gnavus及PDC-PEA途徑在HE發(fā)病機(jī)制中的重要作用，為其防治提供潛在靶點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
The gut–brain axis underlying hepatic encephalopathy in liver cirrhosis. Nature Medicine. 2025
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