肠道来源山梨醇通过肠-肝轴驱动无菌状态下的脂肪肝病变机制研究

《Science Signaling》：Intestine-derived sorbitol drives steatotic liver disease in the absence of gut bacteria

本研究针对肠道菌群缺失如何诱发脂肪肝病变这一关键问题，通过构建斑马鱼模型，发现膳食葡萄糖在肠道内转化为山梨醇(sorbitol)，后者在缺乏肠道微生物降解时进入肝脏代谢为果糖，进而激活葡糖激酶(glucokinase, GK)并促进糖酵解和新生脂肪生成(de novo lipogenesis, DNL)，最终导致肝脂肪变性。该研究揭示了肠道菌群通过降解山梨醇保护肝脏健康的新机制，为代谢相关脂肪肝病(MASLD)的微生态干预提供了潜在靶点。

　　

在现代社会，代谢相关脂肪肝病(MASLD)已成为影响全球约30%成年人的常见慢性肝病，其发病机制与肠道菌群失调密切相关。然而，肠道微生物究竟通过何种分子机制影响肝脏脂肪代谢，一直是学界亟待破解的黑箱问题。

为深入探究这一科学谜题，研究人员选择与人类代谢生理高度相似的斑马鱼作为模型 organism，通过在水环境中添加抗生素混合物（青霉素/链霉素、氨苄青霉素、卡那霉素和两性霉素B）成功构建了肠道微生物群缺失的成年斑马鱼模型。令人惊讶的是，即使饲喂标准饲料，仅7天的菌群清除就足以诱发显著的肝脂肪变性。这一现象提示，肠道菌群可能通过降解某些具有肝毒性的膳食衍生物质来发挥保护作用。

通过代谢组学分析，研究团队发现菌群缺失斑马鱼的肠道、肝脏和血清中山梨醇水平显著升高。进一步的同位素示踪实验证实，膳食中的葡萄糖（U-¹³C glucose）在肠道细胞中通过醛糖还原酶(aldose reductase)转化为山梨醇，而正常情况下降解山梨醇的肠道菌群（如气单胞菌属Aeromonas）缺失后，山梨醇得以"逃逸"至肝脏。

在肝脏中，山梨醇通过山梨醇脱氢酶(sorbitol dehydrogenase)转化为果糖，进而生成果糖-1-磷酸(fructose 1-phosphate, F1-P)。F1-P作为关键信号分子，能够与葡糖激酶(glucokinase, GK)的核调节蛋白结合，促使GK从细胞核转位至胞质，从而解除对GK的反馈抑制，大幅提升肝细胞对葡萄糖的摄取和代谢通量。这种代谢重编程的直接后果是肝糖原和脂肪的过度积累：一方面，葡萄糖-6-磷酸(glucose 6-phosphate, G6-P)作为别构激活剂促进糖原合成；另一方面，过剩的糖酵解中间产物为新生脂肪生成(DNL)提供了充足的原料，通过测定棕榈酸的 fractional synthesis rate 证实了DNL活性的显著增强。

为验证山梨醇的直接致病作用，研究人员给正常斑马鱼补充外源性山梨醇（0.1 mg/ml），结果成功复制了菌群缺失诱导的肝脂肪变性表型。相反，使用醛糖还原酶抑制剂依帕司他(epalrestat)阻断肠道内山梨醇的生成，则能有效预防菌群缺失引起的肝脂肪变性和糖原积聚。

研究的另一重要发现是确定了具有山梨醇降解能力的保护性菌株。体外实验表明，气单胞菌（Aeromonas salmonicida 和 Aeromonas hydrophila）能够通过磷酸转移酶系统将山梨醇转化为山梨醇-6-磷酸进行代谢。将这两种菌株重新定植于抗生素处理的斑马鱼肠道后，肝脂肪变性显著改善。而无法利用山梨醇的希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)则无此保护作用，证明菌株的特异性功能而非其存在本身才是关键。

主要技术方法概述

研究采用成年斑马鱼模型，通过水体给药的抗生素混合物（青霉素/链霉素、氨苄青霉素、卡那霉素和两性霉素B）构建肠道菌群缺失模型。利用16S rRNA测序验证菌群清除效果，结合非靶向代谢组学分析组织与血清代谢物变化。通过U-¹³C标记的葡萄糖和山梨醇进行体内外同位素示踪，采用液相色谱-质谱联用(LC-MS)技术检测代谢通量。使用D₂O标记结合 mass isotopomer distribution analysis (MIDA) 定量新生脂肪生成率。通过油红O染色评估肝脂质积累，免疫荧光观察GK亚细胞定位，qPCR检测代谢相关基因表达。

研究结果

抗菌药物耗竭成年斑马鱼的肠道微生物组

通过7天抗生素混合物处理，成功清除了斑马鱼肠道内的四大主要菌门（放线菌门、厚壁菌门、梭杆菌门和变形菌门），16S rRNA测序显示处理组肠道微生物计数完全消失，而鱼体重量和外观未受显著影响，建立了稳定的肠道菌群缺失模型。

肠道微生物群耗竭促进肝脏脂肪变性

油红O染色显示，与对照组相比，抗生素处理7天的斑马鱼肝脏出现明显的脂质积聚，符合脂肪变性特征。代谢组学分析揭示了菌群缺失引起的系统性代谢紊乱，包括微生物衍生物（N-乙酰化氨基酸和支链氨基酸）的减少，以及山梨醇在肠道-肝脏-血清轴上的特异性累积。

肠道山梨醇来源于葡萄糖

同位素示踪实验证实，膳食中的U-¹³C葡萄糖在肠道细胞内通过醛糖还原酶转化为U-¹³C山梨醇，且菌群缺失组肠道山梨醇标记率更高。离体肠道组织培养实验表明，肠道组织摄取山梨醇后仅极少部分转化为果糖，提示山梨醇主要以完整形式转移至肝脏。

抗菌药物不影响山梨醇代谢

对照实验证实，抗生素本身不直接影响肠道组织将葡萄糖转化为山梨醇的能力，也不改变肝脏对山梨醇的摄取和代谢，表明观察到的表型确实源于菌群缺失而非药物直接效应。

外源性山梨醇给药模拟肠道微生物群耗竭表型

补充外源性山梨醇可诱导与菌群缺失相似的肝脂肪变性。U-¹³C山梨醇示踪显示，菌群缺失使更多外源性山梨醇到达肝脏并转化为果糖，进而增强糖酵解（M+6己糖磷酸和M+3乳酸）、糖原合成（M+3尿苷二磷酸葡萄糖）和脂质合成（M+3甘油-3-磷酸）等代谢通路的碳流量。

山梨醇衍生的果糖重编程肝脏代谢

免疫荧光显示，菌群缺失或山梨醇处理组肝脏中GK的核外比例显著增加，表明F1-P介导的GK激活。这导致肝糖原含量升高以及脂肪生成相关基因（fasn、ddit3、nfkb）表达上调，D₂O-MIDA分析进一步证实新生脂肪生成速率加快。

依帕司他通过阻断山梨醇生成逆转脂肪变性

醛糖还原酶抑制剂依帕司他处理可显著降低菌群缺失斑马鱼肠道山梨醇水平，并有效防止肝脂肪变性和糖原过度积累，证明抑制肠道山梨醇生成足以预防菌群缺失相关的代谢紊乱。

气单胞菌保护免受脂肪肝病变

气单胞菌（A. salmonicida和A. hydrophila）在体外能有效摄取和代谢山梨醇。将其重新定植于菌群缺失斑马鱼肠道后，肝脂肪变性明显改善，而无法代谢山梨醇的S. putrefaciens则无此作用，凸显了特定菌株山梨醇降解功能的保护意义。

结论与展望

本研究揭示了肠道来源的山梨醇在肠道菌群缺失情况下成为驱动肝脂肪变性的关键代谢物。机制上，肠道细胞将膳食葡萄糖转化为山梨醇，正常时由肠道菌群（如气单胞菌）降解；菌群缺失时，山梨醇进入肝脏代谢为果糖和F1-P，通过激活GK促进肝糖原和脂肪合成。这一"肠道菌群-山梨醇-肝脏代谢"轴的新发现，不仅深化了对MASLD发病机制的理解，更重要的是提出了通过调控肠道菌群（如补充山梨醇降解菌）或干预山梨醇代谢（如使用醛糖还原酶抑制剂）来防治脂肪肝的新策略。

值得注意的是，作为常见甜味剂的外源性山梨醇在高摄入时同样可诱发脂肪肝，提示当前广泛使用山梨醇作为代糖的食品安全性需重新评估，尤其对于糖尿病和肥胖等MASLD高风险人群。该研究发表于《Science Signaling》，为代谢性肝病的微生态治疗提供了新的理论依据和潜在靶点。