糖尿病腎臟病患者腸道菌群紊亂的發生發展機制＊

張 青 ，劉旭生 ，2，張 蕾 ，2＊＊

（1. 廣州中醫藥大學第二臨床醫學院 廣州 510000；2. 省部共建中醫濕證國家重點實驗室/廣州中醫藥大學第二附屬醫院 廣州 510120）

2 型糖尿病是由遺傳和環境共同造成的一種慢性、全身性的代謝性疾病，已經成為全球死亡的第七大原因[1]。糖尿病腎臟病（diabetic kidney disease，DKD）是指由糖尿病引起的慢性腎臟病，是糖尿病主要的微血管并發癥之一。隨著社會經濟的發展和人們生活方式的變化，20%-40%的糖尿病患者會發展為糖尿病腎病[2,3]，是終末期腎臟病、心血管事件及高死亡率的主要原因。因此糖尿病腎臟病已成為嚴重危害人類健康的公共衛生問題。隨著腸道菌群檢測技術的成熟及廣泛應用，逐漸揭示了腸道菌群在糖尿病腎臟病中的重要作用。本文結合國內外相關文獻報道，對糖尿病腎臟病患者腸道菌群紊亂的具體作用機制進行綜述，為糖尿病腎臟病的治療及研究提供依據。

1 腸道菌群概述

人類的胃腸道，特別是大腸，由數百萬億微生物定居。生理情況下：腸道微生物分類有1000 種以上，99%以上屬于厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門以及放線菌門，通常很少（0.1%）出現致病物種。碳水化合物和蛋白質是腸道細菌利用的主要營養物質，這兩種之間的比例影響了腸道物種的組成。在有足夠數量的未消化的復合碳水化合物（特別是膳食纖維）的情況下，糖分解細菌占優勢，產生甲烷、氫和短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）[4]等產物。然而，在缺乏碳水化合物的情況下，蛋白質和其他含氮化合物也可以被蛋白分解細菌分解，同時產生潛在的有毒產物，如氨、胺、硫醇、酚和吲哚[5]。腸道微生物群在機體中發揮重要作用，合成維生素、氨基酸及代謝碳水化合物、脂質和蛋白質[6]。除此之外，腸上皮屏障能夠阻斷細菌移位，并且參加腸道粘膜免疫反應[7,8]。現代研究表明，不健康飲食、缺乏運動、肥胖、高血壓、高血脂等，導致腸道環境改變，這種腸道環境的破壞和腸道菌群紊亂被稱為“腸道失調”。目前研究發現腸道失調與多種自身免疫和代謝性疾病相關，如過敏、哮喘、炎癥性腸病、腹腔疾病、系統性紅斑狼瘡、關節炎、慢性腎臟病、糖尿病、肥胖、腫瘤和心血管疾病等[9-14]。

2 糖尿病腎臟病患者腸道菌群紊亂的表現

糖尿病腎臟病患者腸道菌群紊亂，主要表現為益生菌減少，機會致病菌增加。Tao 等人[15]的研究表明，糖尿病腎臟病患者與健康人及糖尿病無腎臟病患者相比，厚壁菌門減少，變形桿菌增多。厚壁菌門通常產生丁酸[16]，保護腸道黏膜。變形桿菌促進內毒素釋放增多[17,18]。同時還發現年齡和性別匹配后的DKD 患者與糖尿病無腎臟病患者相比，腸道Prevotella_9菌群減少，Escherichia-Shigella 菌群增多。Prevotella_9 與糖化血紅蛋白和血肌酐水平呈顯著負相關，能夠減少急性腎損傷的炎癥反應[19]。Escherichia-Shigella 可通過穿透腸上皮屏障[20]，破環腸道屏障功能，產生乙醇[21]，引起脂肪酸代謝紊亂[22]。也有研究表明，幽門螺桿菌感染與糖尿病和DKD的發生發展有關[23]。

3 腸道菌群紊亂加重糖尿病腎臟病的發生發展

糖尿病腎臟病患者普遍存在腸道菌群紊亂，反之腸道菌群紊亂又進一步加重糖尿病腎臟病的發展。腸道菌群紊亂在糖尿病腎臟病發生發展中的作用機制主要有以下幾個方面：

3.1 短鏈脂肪酸減少

由于糖尿病腎臟病患者對糖和富鉀食物的攝入受到限制，尤其對水果和蔬菜的限制，加重了腸道菌群紊亂，益生菌數量減少，導致SCFA 生成減少。SCFA 是由腸道菌群代謝膳食纖維而產生，通過抑制腎小管上皮細胞氧化應激反應減輕腎臟損傷[24,25]。SCFA 包括乙酸、丙酸和丁酸。其中丁酸是腸黏膜細胞的主要能量來源[26]，可促進腸黏膜及其功能恢復，抑制炎癥細胞因子的形成，起抗炎作用[27-29]。

生理情況下SCFA 可激活腸上皮細胞上G 蛋白偶聯受體（G-protein coupled receptor，GPR）GPR41 和GPR43。GPR41 刺激肽 YY（peptideYY，PYY）的釋放增強腸道蠕動，GPR43 減輕炎癥反應，刺激胰高血糖素樣肽1（glucagon-like peptide 1，GLP1）的釋放，GLP1通過抑制食物攝取，刺激胰島素分泌，誘導β細胞增殖發揮抗糖尿病作用[30]，并能降低腎小球壓力和蛋白尿[31]，從而預防DKD 的發展[32]（圖1）。同樣有研究表明，SCFA 與腎素-血管緊張素系統（renin-angiotensin system，RAS）有關，生理情況下，SCFA 與位于腎小球旁的入球小動脈中的受體結合，可介導腎素分泌，發揮與血管相關的作用[33]。病理情況下，由于DKD 患者腸道微生物群或其代謝產物的變化，以及外源性刺激物（高糖、尿毒素等）打破腎內RAS 的ACE/Ang II/AT1R和ACE2/Ang(1-7)/MAS軸之間的平衡，從而引起一系列級聯反應，進而加大腎臟損傷，促進DKD進展[34]。

3.2 內毒素脂多糖增多

圖1 糖尿病腎臟病患者腸道失調

脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）是存在于革蘭氏陰性細菌外膜中的一種內毒素，是機體炎癥反應的啟動者，可引起與炎癥相關的慢性免疫反應。LPS 從革蘭氏陰性菌中釋放出來進入血液會導致LPS 相關毒性。越來越多的證據表明LPS與糖尿病腎臟病持續炎癥反應，胰島素抵抗密切相關[35-38]。糖尿病腎臟病患者腸道通透性增強，LPS 能夠通過滲漏的腸緊密連接或通過滲透乳糜蛋白穿過胃腸粘膜，進入全身循環，滲透到肝臟或脂肪等組織，觸發免疫反應[39]。LPS 通過Toll 樣受體（Toll-like receptors，TLR）TLR2/4 相關途徑啟動炎癥反應，激活核轉錄因子κB（nuclear transcription factor-κB，NF-κB），促進炎性細胞因子腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白細胞 介 素 -1（interleukin-1，IL-1）、白 細 胞 介 素 -6（interleukin-6，IL-6）分泌增多[32]，引發全身低度炎癥反應，加重糖尿病腎臟病的發生和發展。

3.3 腸源性尿毒素增多

糖尿病腎臟病中晚期，腎臟濾過功能障礙，導致多種尿毒素在體內蓄積，其中一些尿毒素來源于食物，由腸道菌群合成，稱之為“腸源性尿毒素”，主要包括以下幾種：

氧化三甲胺（Trimethylamine N-oxide，TMAO），TMAO 是一種小的有機化合物，在攝入膳食左旋肉堿和磷脂酰膽堿后升高，但腸道菌群失衡是導致TMAO水平升高的主要原因[40]。Gruppen 等人研究發現糖尿病患者TMAO 水平普遍升高，尤其是eGFR ＜90 mL/min/1.73 m2的受試者中更為明顯[41]，因此糖尿病腎病患者TMAO 水平升高與腸道菌群紊亂和腎功能下降密切相關。血漿TMAO 水平升高，可通過激活NF-κB磷酸化，促進炎癥因子IL-6和TNF-α水平升高[42,43]，進一步損傷內皮功能，與胰島素抵抗、腎間質纖維化密切相關[44-47]。

硫酸對甲酚（p-Cresol sulfate，PCS），PCS能與蛋白質高度結合，是腸道細菌代謝酪氨酸和苯丙氨酸的產物，與梭狀芽胞桿菌和類桿菌屬的豐度有關。在糖尿病腎病患者中，血清PCS 水平與腎功能呈負相關，并隨腎臟疾病嚴重程度逐漸升高[48]。PCS 通過激活煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶氧化酶（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）活性，增強腎小管細胞中活性氧的產生，上調與腎纖維化相關的炎性細胞因子 mRNA 水平和 TGF-β1 的分泌[49]。因此PCS可通過增強氧化應激，誘發炎癥反應，導致腎小管細胞損傷，腎小管間質炎癥和纖維化，腎小球硬化，進一步加重腎功能衰退[50]。

硫酸吲哚酚（indoxyl sulfate，IS），90%IS 能夠與血清蛋白結合，血液透析（HD）難以去除。Atoh 等人研究表明IS 在早期糖尿病腎臟病患者中明顯升高[51]，與腎功能呈負相關關系。高濃度的IS 能夠增加氧化應激，促進自由基產生，增強炎癥基因的表達。研究表明，IS與1型糖尿病患者合并腎臟病的進展相關[52]。IS和PCS 可導致腎小管細胞損傷、腎小管上皮細胞轉分化、腎小管間質炎癥和纖維化[53]。在糖尿病腎臟病動物模型中，IS 和PCS 能夠激活腎內 RAAS 和TGF/Smad途徑。增加腎素、血管緊張素原和血管緊張素1 受體表達并降低血管緊張素2 受體表達，從而引起血管收縮，加重組織缺血[54]。

糖尿病腎臟病中晚期，腎小球濾過率下降，腸道菌群紊亂，腸道機會致病菌數量增多，是導致腸源性尿毒素（IS、PCS、TMAO）增多的主要原因，腸源性尿毒素可破環腸道黏膜，導致腸腔通透性增加，腸源性尿毒素通過損傷的腸腔轉移至血液，進入循環，引起機體炎癥反應和氧化應激，加重糖尿病腎臟病的進展。

3.4 腸道上皮屏障功能受損

健康人體的結腸具有完整的粘膜屏障，腸道屏障組成復雜，主要由腸上皮細胞和細胞間的緊密連接蛋白構成，如閉合蛋白（occludin）家族、封閉蛋白（claudin）家族和閉鎖小帶蛋白（zonula occluden，ZO）家族。腸道屏障功能與多種因素有關，如腸道灌注不足、感染、毒素、藥物和不良生活方式等。近些年研究表明，血糖水平維持差的2型糖尿病患者，高糖通過誘導機體氧化應激及炎癥反應，導致腸道上皮細胞功能損傷[55,56]。Vaziri[57]等人研究證實慢性腎臟病患者結腸粘膜中緊密連接蛋白claudin-1、occludin 和ZO1 明顯減少，導致腸道通透性改變。這與致病菌和毒素水平增加引起腸道pH 的改變密切相關。但是目前關于探討DKD患者腸道屏障功能障礙機制的文獻較少，但結合既往研究，考慮糖尿病腎臟病患者腸道屏障功能受損與腸道菌群組成改變、內毒素增多、血糖增高等因素相關。

4 調控腸道菌群失調已成為治療的新靶點

目前從腸道菌群調控入手，已成為治療多種疾病的新靶點。益生菌/益生元/合生元通過調節腸道微生物群落的組成，降低腸內毒素的濃度，改善胰島素敏感性和防止腎功能惡化[58,59]。口服碳質吸附劑AST-120 通過吸附腸道氨基酸代謝產生的IS 和PCS 前體，降低慢性腎臟病患者血清尿毒癥毒素，減少氧化應激反應，延緩了大鼠腎功能衰竭和纖維化的進展[60,61]。抗性淀粉能夠調節腸道細菌種群，促進腸道有益微生物群落生成，改善腸道內環境，增加SCFA 分泌，抑制低度炎癥反應，同時減少產脲酶細菌，增加糞便氮排泄，減少尿毒癥毒素的產生[62]。中藥在調節腸道微生態方面也發揮著重要作用，柴胡多糖能夠通過調節腸道微生物，改善腸道屏障，減少腎臟和結腸炎癥反應的表達，改善糖尿病腎臟病進展[63]。目前通過調控腸道菌群失調治療2型糖尿病和慢性腎臟病的研究比較多，但是治療糖尿病腎臟病的研究不多，缺乏高質量臨床證據，因此仍需要進一步的研究證實。

5 結語與展望

近年來，隨著生物信息學和代謝組學的廣泛應用，從腸道微生態角度出發，探討糖尿病腎臟病的發生發展的研究也逐漸增多。糖尿病腎臟病患者普遍存在腸道菌群紊亂的現象，腸道菌群紊亂通過產生腸源性尿毒素，破壞腸道上皮屏障功能等機制，又進一步加重糖尿病腎臟病的發展，兩者相互影響，互為因果。因此腸道菌群與糖尿病腎臟病的發生發展密切相關，探討腸道微生物與糖尿病腎臟病的相關性，有助于DKD的早期診斷、早期治療，預防疾病的進展。

從腸道菌群調控入手，通過提高益生菌的豐度，降低致病菌群的數量，有助于降低腸源性尿毒素，減輕機體炎癥反應，提高胰島素敏感性，延緩腎臟損害。目前研究較多的是服用益生菌調控腸道菌群種類的豐度，但如果不改善腸道微生態，單純菌群移植或只補充益生菌，那么這些益生菌有可能不能長久存活，不能發揮其作用。中醫藥療法，注重天人合一，整體調節，能改善人體內環境，改善腸道微生態，調控菌群繁殖，從而能夠延緩疾病的進展。因此中醫藥療法在調節腸道菌群方面能發揮優勢，但目前仍需要高質量的大樣本隨機對照試驗進行驗證。