腸道菌群與糖尿病性腎小球硬化的研究進展

陳慧 魯一兵

南京醫科大學第二附屬醫院（南京210011）

糖尿病引起腎小球硬化的主要病理生理機制為腎小球內高壓力、高灌注、高濾過，從而導致基底膜增厚和系膜基質增多，最終發生腎小球硬化［1］。腸道微生物在人類健康和疾病中具有多效性，近年來引起了人們的廣泛關注。腸道菌群通過產生具有生物活性的代謝產物，參與一系列代謝依賴途徑，激發多種活性通路，在人體中發揮“微生物器官”的功能。

1 糖尿病腎小球硬化患者腸道菌群改變

人體腸道中擬桿菌門和厚壁菌門占腸道菌群的90%以上［2］，擬桿菌門/厚壁菌門比值的降低與肥胖相關，而肥胖誘導的胰島素抵抗是2 型糖尿病（T2DM）發病的主要病理生理因素。已有研究表明，梭狀芽孢桿菌種與人體葡萄糖、糖化血紅蛋白和胰島素水平呈負相關，而乳酸菌種與葡萄糖、糖化血紅蛋白水平呈正相關［3］。VAZIRI 等［4］對終末期腎病患者腸道菌群進行分析，發現厚壁菌門、放線菌門和變形菌門的細菌數量增加，雙歧桿菌和乳酸菌數量減少。腸道菌群失調可增加腸道通透性及增強粘膜免疫反應，進而增加糖尿病和胰島素抵抗的發生風險［5-6］。在糖尿病腎病及終末期腎病患者中發現，腸道細菌代謝產物的分泌及吸收明顯增加。在糖尿病腎病鼠腸道菌群中發現，紅蝽菌科（coriobacteriaceae）和韋榮球菌科（erysipelotrichaceae）的細菌數量明顯增加［7］，這兩種細菌與蛋白尿有很強的相關性［8］。韋榮球菌科編碼酪氨酸酚基裂解酶（tyrosine phenol-lyase，TPL）［9］，能夠催化蛋白質代謝產物L-酪氨酸發生α，β-消去反應，生成丙酮酸、苯酚和氨［10］。苯酚進入肝臟后，發生硫酸酯化反應，合成導硫酸苯酯（PS），加重蛋白尿。當腎臟清除毒素的水平與腸道吸收毒素水平達到平衡時，循環血液中毒素水平明顯上升，并且增加糖尿病微血管并發癥的發生率。

2 腸道菌群與糖尿病性腎小球硬化發病機制

2.1 腸道代謝產物與糖尿病性腎小球硬化腸道代謝產物如短鏈脂肪酸（SCFA）、硫化氫（H2S）、吲哚、三甲胺等可能對循環系統穩態、神經和體液調節產生影響［11］，在糖尿病微血管并發癥中發揮重要作用。

2.1.1 短鏈脂肪酸（SCFAs）與糖尿病腎病腸道微環境紊亂的主要標志是腸道細菌碳水化合物發酵減少，進而SCFAs 生成減少。SCFAs 可減輕腎臟組織氧化應激及線粒體合成造成的腎小管損傷［12-13］。SCFAs 包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，可產生和釋放活性氧（ROS）以及涉及中性粒細胞吞噬作用的一氧化氮（NO）［14］。其中，ROS 是糖尿病性腎小球硬化的致病因子之一。WANG 等［15］通過將慢性腎病與健康人群腸道菌群進行對比，發現慢性腎病患者腸道擬桿菌較高，而普里沃氏菌較低。同時，慢性腎病患者SCFAs 尤其是丁酸鹽明顯減少，且血清丁酸鹽與生化指標（CR、BUN、eGFR）呈負相關。FELIZARDO［16］對腎病小鼠腹腔注射丁酸鹽，不僅顯著改善腎小球損傷，減少蛋白尿，還能提高小鼠體內乙酸鹽及丙酸鹽水平。外源性補充丁酸鹽可下調促炎細胞因子（如IL-8）的產生和分泌［17］，并能選擇性地增加調節性T 細胞（Treg 細胞）的數量，來阻止大腸炎癥細胞的活化減輕炎癥反應。因此推測，早期補充丁酸鹽可能通過抑制炎癥反應來延緩糖尿腎病進展。

2.1.2 硫化氫（H2S）與糖尿病腎病人體中幾種厭氧菌（大腸桿菌、腸沙門氏菌、梭菌和產氣腸桿菌）均可通過半胱氨酸脫硫酶將半胱氨酸轉化為H2S、丙酮酸和氨。腸道菌群也可通過亞硫酸鹽的還原作用產生H2S。亞硫酸鹽還原酶存在于大腸桿菌、沙門氏菌、腸桿菌、克雷伯菌、芽孢桿菌、葡萄球菌、棒狀桿菌和紅球菌等多種細菌中［18］。H2S 在調節腎小球濾過率（GFR）、鈉吸收、腎素釋放及腎髓質氧傳感性、抗炎、抗氧化、抗凋亡等方面具有重要作用［19-20］。在2 型糖尿病患者中，血漿H2S 水平低于正常人，這可能與高血糖抑制內源性H2S 生成相關［21-22］。最新研究表明，在糖尿病的動物模型中，H2S 生成酶胱硫醚β合成酶（CBS）和胱硫醚-γ-裂解酶（CSE）合成減少［23］。在糖尿病小鼠模型中高糖引起H2S 水平反應降低導致系膜細胞增殖，進而導致糖尿病性腎小球肥大和腎功能不全，最終引發糖尿病腎病［24］。

2.1.3 吲哚與糖尿病腎病人體攝入蛋白質后，色氨酸在遠端結腸經腸道菌群分解為吲哚，吲哚在肝臟中經氧化、磷酸化轉化為尿毒素物質——硫酸吲哚酚（indoxyl sulphate，IS）［25］。在糖尿病腎病患者中，血液中IS 水平與腎小球硬化、氧化應激和心/腎纖維化呈正相關［26］。在腎臟近端小管上皮細胞中，IS 抑制細胞增殖、加速細胞老化、促進腎臟纖維化、并激活相關炎癥因子的表達，最終加重糖尿病腎病的進展。在糞菌移植治療克羅恩病的研究中發現［27］，糞菌移植后，克羅恩患者尿液中IS 水平增加，且腸道菌群多樣性增加。此外，毛螺菌和瘤胃菌與尿液中高水平的IS 相關，而乳酸桿菌和芽孢桿菌與尿液中低水平IS 相關［28］。因此，推測腸道微環境的改變，間接參與腸道炎癥反應，進而使IS 從尿液中排出增加或減少。總的來說，早期干預腸道菌群的改變，增加有益菌，減少IS 在血液中的蓄積，延緩糖尿病腎臟纖維化的進展。

2.1.4 三甲胺與糖尿病腎病在腸道菌群代謝產物中，三甲胺-n-氧化物（TMAO）是慢性腎病重要的危險因素之一［29］。TMAO 濃度升高與動脈粥樣硬化、心力衰竭和CKD 患者的長期死亡風險呈正相關［30］。多項研究［31］表明，TMAO 致腎臟微血管病變可能通過以下機制：（1）TMAO 調節膽固醇和甾醇代謝；（2）TMAO 降低腎小球濾過率，損害糖耐量；（3）TMAO 增加動脈血壓。TMAO 通過形成泡沫細胞（含脂巨噬細胞）和減少動脈粥樣硬化斑塊的逆向膽固醇運輸來促進動脈粥樣硬化形成［32］。同時，在體外實驗中，TMAO激活PKC/NF-κB信號通路，正向調控內皮細胞中細胞粘附分子VCAM-1 的表達，導致單核細胞粘附增加，這是動脈粥樣硬化的早期特征性改變——泡沫細胞形成［30］。雖然TMAO受體尚未被發現，若能早期阻斷TMAO與其受體結合，可為動脈粥樣硬化的靶向治療提供一種新思路。

2.2 RAS 系統與腸道菌群腎素—血管緊張素系統（RAS）的激活與腎小球增大、繼發性腎小球硬化、間質成纖維細胞增殖和ECM 沉積有關。人體高糖狀態刺激血管緊張素Ⅱ（Ang Ⅱ）生成增多，Ang Ⅱ增加腎小球毛細血管壓力及通透性，繼而刺激轉化因子-β（TGF-β）誘導腎小球系膜基質堆積、抑制基質降解，增加胰島素抵抗，最終導致糖尿病腎病［33］。Ang Ⅱ通過與位于腎小動脈、腎小球系膜細胞和近端腎小管細胞膜上的Ang Ⅱ型1（AT1R）受體結合，誘導多種因子活性。Ang Ⅱ- AT1R 偶聯具有收縮入球和出球小動脈、促進系膜細胞收縮和減少髓質血流量等作用［34］。動物實驗［35］已證實腸道微生物群可刺激Ang Ⅱ誘導的血管功能障礙和高血壓。目前，血管緊張素轉換酶抑制劑（ACEI）和血管緊張素受體阻滯劑（ARB）在糖尿病腎病治療中的廣泛應用，進一步提示Ang Ⅱ是進行性腎損傷的刺激因子。另一方面，腸道菌群代謝產物也能影響RAS 系統。丁酸鈉是腸道菌群發酵復雜碳水化合物的代謝產物之一，可減弱Ang 誘導的前腎素受體（PRR）和腎素的表達，從而改善Ang誘導的腎臟損傷［36］。而抑制RAS 系統，能減少尿毒癥毒素——硫酸吲哚酚和對甲酚誘導產生的腎纖維化［37］，更進一步說明腸道菌群代謝物對RAS系統的影響。

3 早期識別糖尿病性腎小球硬化高風險患者

腎小球硬化是糖尿病腎病（DKD）主要的病理生理機制之一，是終末期腎病、心血管事件和死亡的主要原因。現階段，僅根據腎小球濾過率和蛋白尿的測定，很難確定T2DM 患者是否有發展為進行性DKD 的風險。在腎臟中，有機陰離子轉運多肽家族（OATP，organic anion transporting polypeptide）參與各種有機陰離子和陽離子轉運進入尿液。在小鼠體內，近端小管存在多種OATP 的基因表達產物，但人體中僅有一個OATP，即離子轉運載體SLCO4C1［38］。因此，KIKUCHI 等［8］通過構建在近端小管中過表達人類SLCO4C1 的轉基因大鼠來模仿人類基因表達，發現SLCO4C1 的底物是硫酸苯酯（phenyl sulfate）。同時，在SLCO4C1 的轉基因大鼠中發現，腸道微生物源代謝物苯硫酸鹽的水平與微量白蛋白尿病情進展顯著相關，抑制苯硫酸鹽的產生可以減少糖尿病小鼠的蛋白尿。苯硫酸鹽經血液進入腎臟后，具有對足細胞和線粒體的雙重毒性，使腎小球基底膜（GBM）增厚，并引起血管周圍纖維化炎癥，導致蛋白尿增加［8］。若將血苯硫酸鹽作為DKD 早期診斷標志物，并早期采取干預措施降低硫酸苯酯水平，將延緩腎臟纖維化進展，但仍需大量臨床數據來支持這一觀點。

4 益生菌治療糖尿病腎病

益生菌是指在宿主胃腸環境定植或植入，發揮有益健康作用并具有免疫調節作用的活微生物［39］，主要是細菌菌株——乳酸桿菌或雙歧桿菌。DKD 患者腎功能進行性惡化會顯著加重腸道菌群失調，對DKD 患者外源性補充益生菌可提升血脂聯素水平，改善血糖、血脂代謝［40］，降低尿素氮，改善腎小球濾過率，增加糞便氮排泄［41］，可能降低或減慢糖尿病性腎小球硬化的發生發展。對DM 患者補充益生菌12 周發現空腹血糖、血清胰島素、胰島素抵抗、血清甘油三酯水平及低密度脂蛋白受體基因表達明顯降低，并且與安慰劑組相比，胰島素敏感性指數（QUICKI）及高密度脂蛋白（HDL）水平明顯升高，但其他脂蛋白水平及具有調節脂肪代謝和調節炎癥、免疫以及細胞分化等作用的過氧化物酶體增殖物激活受體-γ（PPAR-γ基因）的表達并未受到影響［42］。現有研究表明，益生菌的攝入可通過在腸內產生SCFAS 并減少過氧化氫自由基的產生來減少炎癥因子［43］，從而減輕腎臟炎癥和纖維化。但益生菌是否改善心血管疾病發生率及死亡率仍缺乏長期臨床研究。

5 總結

目前，雖然腸道菌群與糖尿病腎病的研究越來越多，但腸道菌群失調與糖尿病腎小球硬化或2 型糖尿病之間還沒有建立明確的因果關系。本文探討了腸道微生物群及其代謝物參與糖尿病和心血管并發癥的發病機制，對其機制的深入了解將有助于糖尿病患者心血管疾病風險的早期發現和治療方案的制定，從而降低疾病進展的風險。同時，通過測定腸道菌群代謝產物苯硫酸鹽可早期識別糖尿病腎病高風險患者，并延緩糖尿病腎病進展。糖尿病腎病患者補充益生菌，可減輕胰島素抵抗，減輕腎臟炎癥和纖維化水平，為糖尿病提供新的治療方向。