腸道微生物與糖尿病視網膜病變的發生和發展

張璋 鄒海東

摘 要 糖尿病視網膜病變是嚴重的致盲性眼病，機體內異常增高的氧化應激水平、持續低度炎癥狀態、“代謝記憶”效應等被認為是其主要發生機制。目前認為，飲食、腸道微生物與宿主代謝是高度關聯和相互依存的。腸道微生物的代謝產物，如短鏈脂肪酸、次級膽汁酸等具有減緩糖尿病視網膜病變發生發展的潛能。這為通過干預定向改變腸道微生物的組成，以防控糖尿病視網膜病變提供了新視角。

關鍵詞 糖尿病視網膜病變；腸道微生物；飲食干預；短鏈脂肪酸；次級膽汁酸

中圖分類號：R587.2 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1533（2020）20-0013-03

Gut microbiota and the occurrence and development of diabetic retinopathy

ZHANG Zhang1， ZOU Haidong1，2

（1. Department of Ophthalmology of Shanghai General Hospital， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 20080， China； 2. Shanghai Eye Disease Prevention and Treatment Center/Shanghai Eye Hospital， Shanghai， 200040， China）

ABSTRACT Diabetic retinopathy（DR） is a severe blinding disease. Abnormal increase of oxidative stress level， continuous low-grade inflammation and “metabolic memory” are considered as the main pathogenesis of DR. Nowadays， it is recognized that diet， gut microbiota， and host metabolism are highly correlated and interdependent. Metabolic products of gut microbiota， such as short-chain fatty acids and secondary bile acids， have the potential to decrease the incidence of DR. It provides a new perspective for controlling DR by changing the composition of gut microbiota through dietary intervention.

KEY WORDS diabetic retinopathy； gut microbiota； dietary intervention； short chain fatty acids； secondary bile acids

糖尿病（diabetes mellitus，DM）是一種常見的受遺傳和環境影響的代謝異常性疾病。至2017年，全球確診的成年DM患者已達到4.51億人[1]。機體長期高血糖及胰島素抵抗狀態會導致全身微血管、大動脈及神經元細胞損傷，進而引起多組織多器官并發癥，嚴重危害患者健康[2]。其中，糖尿病視網膜病變（diabetic retinopathy，DR）是最常見的并發癥之一。早期DR可不損傷中心視力，患者常無自覺癥狀。此時若沒有得到及時干預，DR可能會進一步發展，最終導致不可逆性視力損傷甚至致盲。因DR致盲的人數約占全球總失明人數的2.6%[3]，已成為嚴重的公共衛生負擔。

1 DR的發病機制

根據眼底表現，臨床上將DR分為非增殖期DR（non-proliferative DR，NPDR）和增殖期DR（proliferative DR，PDR）。視網膜毛細血管內皮細胞和周細胞構成了血-視網膜內屏障（inner blood-retinal barrier，iBRB）。DR的主要病理特征是高血糖引起的iBRB破壞，內皮細胞之間緊密連接喪失后大分子蛋白從血管內滲出。隨后周細胞大量丟失導致管壁出現缺損，內皮細胞增殖修復，最終形成視網膜新生血管。新生毛細血管極易出血，當其延伸至玻璃體腔時，會引起玻璃體出血，當形成的新生血管膜牽拉視網膜時，可造成視網膜脫離，嚴重影響患者的視功能[2]。

目前，高血糖所引起的氧化應激水平異常增高和持續低度炎癥被認為是DR發生的主要因素。糖酵解途徑相關旁路異常活躍，晚期糖基化終產物前體增多、多元醇途徑增強導致還原型谷胱甘肽合成減少，蛋白激酶C通路激活影響多種基因異常表達等均加重了細胞內氧化應激水平[2]。異常升高的線粒體活性氧又可作為這些通路的上游引發因子，導致iBRB損傷持續加重的惡性循環[2]。同時，高血糖會導致機體處于慢性低度炎癥狀態，包括細胞核因子κB（NF-κB）、白細胞介素-1β（IL-1β）、腫瘤壞死因子a（TNF-α）、誘導型一氧化氮合酶（iNOS）、細胞間黏附分子-1（ICAM-1）、血管細胞黏附分子-1（VCAM-1）、單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1）、環氧合酶-2（COX-2）、半胱氨酸蛋白酶-1（Capase-1）和血管內皮生長因子（VEGF）在內的多種因子表達上調，白細胞增多和血管通透性增加，是促使DR發生、發展的另一重要機制[2]。與表觀遺傳學相關的“代謝記憶”現象，被證實可以通過DNA甲基化、組蛋白修飾、microRNA調控等多種方式誘導DR的發生[2]。此外，高血壓和血脂異常也是獨立于血糖因素存在的DR發生危險因素，能加速DR的發生[4]。這些復雜的發病機制導致在DR早期預防和干預上存在許多困難。

2 腸道微生物通過代謝產物對宿主健康和疾病發揮作用

健康個體的腸腔具有完整黏膜，其內寄生有大量的微生物群，即腸道微生物群（gut microbiota，GM）。在生理情況下，GM呈現出以擬桿菌和厚壁桿菌為主要組成成分的穩定狀態。宿主改變飲食習慣后能夠在非常短的時間內改變自身GM組成，而GM反過來又影響宿主攝入營養素的吸收、代謝和儲存，通過其具有生物活性的多種代謝產物對宿主生命活動發揮作用，與宿主的健康和疾病密切相關[5]。飲食、微生物群、宿主代謝是高度關聯和相互依存的。有關GM與宿主疾病之間關系的研究受到廣泛關注，已證實GM具有治療肥胖、糖尿病、中樞神經系統性疾病等疾病的潛能[6-8]。在眼科領域，GM與年齡相關性黃斑變性之間的相關性正受到較多關注[9-10]。有學者提出了腸-視網膜軸（gut-retina axis）的概念[10]，認為GM可以通過其代謝產物影響多種視網膜細胞功能。目前關于GM與DR之間關系的研究并不多，GM與DR之間的關系值得更進一步探究。

3 GM通過代謝產物影響DR的發生過程

3.1 短鏈脂肪酸與DR

在GM的代謝產物中，短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）對于人體的作用受到了廣泛關注[11]。食物中的膳食纖維成分經GM發酵后產生乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸，一部分經門靜脈進入全身血液循環，另一部分作為結腸黏膜上皮細胞的能量來源，為宿主提供熱量[11]。SCFAs不僅是線粒體能量代謝的關鍵介質，還具有調控人體葡萄糖和脂肪代謝、介導免疫反應和調節炎癥水平等作用[12]。SCFAs的作用途徑主要有兩條，一是作為配體結合游離脂肪酸受體（FFAR2/FFAR3）發揮生物學功能[13]，二是作為組蛋白去乙酰化酶（HDACs）抑制劑調控基因的表達[11]。目前，有關SCFAs對宿主功能影響的研究結果并不一致，這或許是由于SCFAs生物學功能非常復雜，尤其是與宿主體內信號通路相互作用時。同一種SCFAs可以在不同情況下發揮出截然相反的作用。在糖代謝方面，Gao等[14]發現食用富含丁酸鹽的高脂食物會促進小鼠產熱和能量消耗。Yamashita等[15]發現注入大鼠體內的乙酸鹽提高了大鼠的糖耐量能力。研究證實，進入全身血液循環的SCFAs經單羧酸轉運體（MCT-1）運輸可通過血-腦屏障，在中樞神經系統中發揮作用[6]。基于視網膜iBRB中也存在MCT-1[16]，SCFAs或許可通過這種方式進入視網膜內，發揮調節作用。譬如類似其對人臍靜脈內皮細胞作用那樣，下調視網膜血管內皮細胞炎癥[17]，或者類似在腎炎模型大鼠中發現的，丁酸鹽下調NF-κB活性進而降低炎癥及氧化損傷水平[18]。此外，鑒于與表觀遺傳學相關的組蛋白在DR疾病發展中存在多種方式和途徑的修飾[19]，作為HDACs抑制劑的SCFAs也可能通過表觀遺傳學途徑對DR的疾病發展起到調控作用。

3.2 次級膽汁酸與DR

初級膽汁酸由膽固醇合成后，在肝臟中與牛磺酸或甘氨酸結合，存儲于膽囊中，在進食時分泌至十二指腸，以促進食物中脂質的乳化[20]。其中大部分初級膽汁酸在腸內被重吸收。5%～10%的初級膽汁酸則被人體腸道內的擬桿菌、真細菌和梭狀芽孢桿菌等厭氧菌降解，生成疏水性更強的次級膽汁酸（secondary bile acids，SBAs），包括牛熊去氧膽酸（TUDCA）和熊去氧膽酸（UDCA），作為膽固醇和膽汁的主要形式，從糞便中排泄，少部分進入血液循環。SBAs是一種活躍的具有生物調控活性的代謝物質，在人體內起到信號分子的作用，如通過與核受體FXR和G偶聯膜蛋白5（TGR5）受體結合，參與宿主新陳代謝調控[20]。Beli等[21]采用間斷禁食法飼養db/db糖尿病小鼠，發現小鼠腸道內產TUDCA菌群增殖，代謝產生的TUDCA入血后通過激活TGR5途徑對小鼠視網膜起到持續的保護作用，因此，作者認為SBAs起到了減少DR發生的作用。Wang等[22]則發現TUDCA可以通過降低NO含量并下調ICAM-1、NOS、NF-κB和VEGF等蛋白質表達，減緩DR發展。Ouyang等[23]發現在STZ誘導的糖尿病小鼠模型中，UDCA可以降低視網膜炎癥水平。Chung等[24]發現UDCA可以通過抑制游離鈣結合分子1（Iba-1）的表達，減輕小鼠內質網應激相關的視網膜周細胞損失。Zhu等[25]研究發現膽汁酸信號通路的減弱會加重DR病理過程，而上調或激活的TGR5可以通過抑制RhoA/ROCK信號傳導延緩DR進展。

3.3 其他代謝產物與DR

GM能夠產生多種氨基酸及其中間產物，包括合成谷胱甘肽所需的氨基酸[26]，而谷胱甘肽的生成減少是視網膜iBRB氧化應激水平增高的原因之一。

GM可通過調控血清素前體——色氨酸的代謝[27]，間接影響血清素生成。鑒于PDR患者體內血清素含量明顯低于健康人群[28]，而服用血清素再攝取劑的糖尿病患者DR發生率較對照組更低[29]，GM有可能通過調控色氨酸和血清素的生成影響DR的發生。

GM還可以合成多種具有信號傳導作用的小分子物質如硫化氫，影響DR的發生。Ran等[30]發現PDR患者玻璃體和血漿中硫化氫的濃度明顯高于對照組。Si等[31]用外源性硫化氫處理STZ誘導的DR大鼠，證實硫化氫可能通過降低大鼠體內氧化應激水平對視網膜起到保護作用。

4 總結和展望

腸道微生物與人體健康和疾病關系的研究目前十分活躍。本文重點回顧了GM通過其代謝產物影響DR發生的研究結果，探討了可能機制。食物成分和飲食節律以及口服益生菌及益生元等干預方式可改變GM的組成，與DR相關的GM研究具有很大的潛能和應用價值。但是，由于GM與環境及遺傳背景均有密切關系，對GM進行干預并不容易。一方面，種族、年齡、性別不同，人群GM組成差異較大；另一方面，模型動物腸道內的微生物并不能完全代表人體GM的組成。我們相信，隨著蛋白質組學、代謝組學、大數據分析、人工智能等相關領域的發展，有關GM對DR發生和發展的影響研究將更加深入，有望早日實現以個體化精準干預來緩減DR發生發展的愿景。

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