腸道菌群參與糖尿病腎病的發病機制研究進展

郭鑫 吳飛飛

【摘要】 2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）是常見疾病，隨著患病率不斷上升，其慢性并發癥也給患者的生活、家庭以及社會帶來了沉重的負擔。糖尿病腎病是糖尿病常見的嚴重并發癥之一，現已成為終末期腎衰的主要原因，而且缺乏有效的治療手段，目前主要以降糖、降壓、調脂為主，但是傳統的治療方法并不能阻止糖尿病腎病進展，因此有必要探索新的研究方向以期早發現早預防。目前人體內腸道菌群多樣性、組成及其代謝和免疫特性與2型糖尿病的發生成為關注的研究熱點。本文總結了腸道菌群參與糖尿病腎病發生的相關致病機制。

【關鍵詞】 腸道菌群 2型糖尿病 糖尿病腎病 糞便菌群移植

The Research Progress of Intestinal Flora in the Pathogenesis of Diabetic Nephropathy/GUO Xin， WU Feifei. //Medical Innovation of China， 2021， 18（14）： -188

[Abstract] Type 2 diabetes mellitus （T2DM） is a common disease. As the prevalence rate continues to rise， its chronic complications also put a heavy burden on the patients own life， family and society. Diabetic nephropathy is one of the common serious complications of diabetes， and it has become the main cause of end-stage renal failure， and there is a lack of effective treatment. At present， the main treatment methods are hypoglycemic， hypotensive， and lipid-lowering， but traditional treatment methods can not prevent the progress of diabetic nephropathy， so it is necessary to explore new research directions with a view to early detection and early prevention. Now， the diversity， composition， metabolic and immune characteristics of intestinal flora in human body and the occurrence of type 2 diabetes mellitus have become the focus of research. This article summarizes the related pathogenic mechanism of intestinal flora involved in the occurrence of diabetic nephropathy.

[Key words] Intestinal flora Type 2 diabetes mellitus Diabetic nephropathy Fecal microbiota transplantation

First-authors address： Changzhi Medical College， Changzhi 046000， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2021.14.044

近年來，隨著中國社會經濟的快速發展和人們生活方式的改變，糖尿病的患病率也在不斷增加。預計到2030年，全球將有5.5億糖尿病患者，糖尿病的醫療成本不僅給國家和社會經濟帶來了沉重的負擔，其慢性并發癥也給患者帶來了極大的肉體和精神上的痛苦[1]。這一高患病率也導致了糖尿病腎病患病率的增加，其中近一半患者同時患有糖尿病腎病[2]。但是由于早期糖尿病腎病診斷的局限性，大多數新診斷的患者已經進展到Ⅲ期或Ⅳ期，基本上是不可逆的。作為糖尿病的一種慢性微血管并發癥，糖尿病腎病已成為導致糖尿病患者死亡的主要原因之一。其發生與多種因素有關，本綜述目的是闡述腸道微生物群及其代謝物與糖尿病腎病的發生和進展之間潛在的相互作用，并探索新的治療方法，為糖尿病腎病患者臨床管理提供治療依據。

1 腸道菌群失調與糖尿病腎病

作為糖尿病臨床中常見的慢性并發癥之一，糖尿病腎病（diabetic nephropathy，DN）目前在我國的發病率呈快速增長的趨勢，已經成為慢性腎臟疾病的主要病因，最終導致不可逆的腎衰竭[3]。有學者認為，隨著DN患者腎小球濾過率的進行性下降，大量的尿酸、草酸鹽等有害代謝產物無法經腎臟排泄而聚集在結腸內，致使腸道環境改變，從而加劇腸道菌群失調[4-5]。孫雅嫻[6]在其試驗中發現，DN患者腸道菌群中普雷沃氏菌屬和乳桿菌屬減少，而普氏梭桿菌屬增加。在動物模型實驗中發現，糖尿病腎病小鼠的腸道微生物類群落在門的分類水平上表現為厚壁菌門/擬桿菌門比值異常，其研究結果還發現了Allobaculum和Anaerosporobacter菌均可使腎功能惡化，而Blautia菌可作為DN的保護因子[7]。以上研究均表明DN患者的腸道菌群處于失調狀態。近年來提出的腸-腎軸理論闡明了腸道與腎臟在物質代謝、免疫及炎性反應、腸道黏膜、腸道細菌結構與功能等多方面存在復雜的相互作用[8]。DN腎損傷的進展可能與該腸-腎軸相關。

2 腸道菌群參與血流動力學的改變

腎素-血管緊張素系統（renin-angiotensin system，RAS）長期以來一直是DN發病和進展性變化的中心，其作用似乎更局限于局部，而不是在循環。有研究表明腸道微生物群不僅與腸道中局部RAS的激活有關，還與其他重要器官有關，尤其是腎臟[9]。短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）是由腸道菌群酵解腸道中未被宿主消化分解的碳水化合物的產物，是腸道上皮細胞重要的能量來源，維護黏膜屏障功能，主要包括乙酸、丙酸、丁酸，可以與其位于腎臟的受體結合并發揮調節血管相關功能作用。丁酸鈉已被證明可以用來下調血管緊張素Ⅱ誘導的腎素及其受體的表達，從而改善由血管緊張素Ⅱ誘導的腎損害[10]。在乳酸桿菌酵解過程中釋放出的血管緊張素Ⅰ抑制肽具有降血壓作用，但由于DN患者腸道益生菌豐度顯著降低，致使釋放的血管緊張素Ⅰ抑制肽減少，削弱了其降壓作用[11-12]。且隨著DN病情的進展，腸道菌群與RAS間的聯系也遭到破壞，使得腎臟RAS的血管緊張素轉化酶和血管緊張素Ⅱ間處于失衡狀態，并因級聯反應進一步加重腎損傷[13]。此外有研究發現，體內Allobaculum菌與三甲胺氧化物（TMAO）含量增加有關[14]，腸道微生物在代謝磷脂酰膽堿時會產生三甲胺（TMA），TMA被血液吸收后，會被肝黃素單加氧酶修飾，產生一種胺的代謝物TMAO，血液中TMAO的存在使巨噬細胞清道夫受體上調，巨噬細胞內膽固醇積累和泡沫細胞形成，促使血管斑塊的形成，從而破壞血管和腸黏膜[15-16]。由于腎臟血管豐富，它對TMAO非常敏感，腸道黏膜的破壞加速了TMAO從細菌向全身的運輸，導致氧化應激對腎臟、心血管系統和內分泌系統的損害[17]。

3 腸道菌群代謝產物與糖尿病腎病的關系

3.1 SCFAs機制 SCFAs受體屬于g蛋白偶聯受體（G-protein偶聯受體，GPCRs）家族，包括GPR41和GPR43，可被SCFAs激活，發揮重要的生理功能。菌群失調導致腸道中SCFAs的產生較低，激活SCFAs受體的能力減弱，脂肪代謝和葡萄糖代謝異常，從而導致T2DM的發生。SCFAs含量的降低亦導致其激活GPR43上調腸L細胞胞漿Ca2+的功能減弱，進而導致胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）分泌減少。目前GLP-1及其GLP-1受體的激活已被證實可減少近端腎小管的超重吸收，減輕高血糖對腎臟早期的部分損害[18]。研究發現GLP-1可通過增加葡萄糖依賴性胰島素的分泌，抑制胰高血糖素的釋放來改善葡萄糖代謝，從而起到降壓、改善血脂異常及炎癥的作用，并降低T2DM患者的體質量[19]。GLP-1受體激動劑已被證明可以通過激活PKA和產生環磷酸腺苷（cAMP）來抑制煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶，從而防止腎氧化應激。重組人GLP-1可抑制蛋白激酶C（PKC）-b，增加蛋白激酶A（PKA），從而降低腎小球和小管的氧化應激[20]。

3.2 內毒素血癥 內毒素是構成革蘭氏陰性細菌細胞壁最外層的脂多糖（LPS）的組分。循環系統中LPS水平的增加很可能在肥胖和糖尿病相關炎癥的發展中發揮核心作用。由于糖尿病患者脂質代謝異常，可導致腸上皮細胞連接蛋白表達減少，而腸道菌群失調可導致腸道通透性增加，從而影響脂質和糖代謝，激活免疫系統和炎癥通路。在腎臟疾病方面，由于腸通透性增加可導致LPS持續滲透到門靜脈，導致代謝性內毒素血癥，升高炎性因子的水平，加速DN病情進展[21]。

4 尿毒癥毒素與腸道菌群

人們越來越認識到相關的尿毒癥毒素是由腸道微生物代謝產生的，如銨、胺、硫醇、酚和吲哚。結腸內的這些發酵產物主要由糞便排出，但也有部分被腎臟吸收并進一步排出。DN患者腸道菌群組成、代謝模式的改變，破壞了腸道屏障的完整性，胃腸道內蓄積的尿素水解產生的氨使腸內pH值升高，加劇腸黏膜損傷及上皮屏障結構和功能障礙，使甲酚、吲哚啉基分子等毒素進入體循環，加重全身炎性反應，誘導心血管疾病和免疫改變，導致腎臟疾病進展[22-23]。

5 炎癥與腸道菌群

炎癥是DN發病的原因之一。腸道菌群失調引起的菌群易位和內毒素血癥是導致DN患者微炎癥的原因之一，且腸道菌群易位的發生先于DN發生。腸道有益菌的代謝產物SCFAs通過保護腎小管細胞，增加線粒體生物合成，從而減輕小鼠腎臟缺血再灌注損傷和炎癥反應[24-25]。SCFAs也被證明可以通過降低腸道通透性和減少循環內毒素和全身炎癥來抑制炎癥[26]。Tao等[27]在研究中首次探索了經活檢證實的DN患者的腸道微生物組成，發現糞便中僅檢測到1～2屬即可準確區分健康人群與糖尿病患者或者糖尿病患者與糖尿病腎病患者，與糖尿病患者相比，健康人群的腸道菌群中有更多的普氏菌。而普氏菌可產生SCFAs，在急性腎損傷中被證實具有減少炎癥作用[24]。相比健康人群和糖尿病組人群，糖尿病腎病組患者的厚壁菌門相對較少。厚壁菌門是典型的產丁酸細菌[28]，參與調節機體對炎癥的反應[29]。

研究發現，變形菌門在DN患者中豐度增加，也提升了循環中的LPS水平[30-31]。增加的LPS可通過Toll樣受體（Toll-like receptor，TLR）2/4相關途徑介導進而引發下游信號級聯反應，導致炎癥[32]。研究發現DN患者腎組織中TLR2和TLR4表達上調[33]。TLR2在免疫中有發揮重要作用，介導核轉錄因子（nuclear factor，NF）-κB的激活，產生促炎細胞因子，轉導細胞炎癥信號。TLR4主要參與革蘭陰性菌的免疫過程，其可識別多種內源性配體，糖尿病狀態下可以上調這些配體與TLR2和TLR4結合[34-35]。DN內源性配體由于高血糖、低氧和高脂血癥而升高。隨著配體的激活，TLR上調其下游產物包括細胞因子（TNF-α）、趨化因子（MCP1）以及激活信號通路（NF-κB）在DN的發病中起重要作用[36]。研究發現，缺乏TLR2的小鼠炎性細胞因子表達下降，表現為胰島素敏感性增加和葡萄糖清除加快;而阻斷TLR4受體基因表達，可抑制由LPS誘導的炎性反應和胰島素抵抗[37]。臨床前證據支持TLR2和TLR4是DN發病原因的觀點，在許多干擾TLR信號的藥物中，目前還沒有TLR2或TLR4抑制劑獲準臨床使用。

6 改善腸道菌群失調在DN治療中的研究

傳統的DN治療方法主要以早期穩定血糖水平，進入臨床腎病期后加用血管緊張素轉換酶抑制劑、血管緊張素受體阻滯劑類藥物控制血壓保護腎臟，腎衰竭期血液濾過等方法為主，治療方法比較局限，因此，迫切需要研發新的治療藥物來延緩DN的進展。基于以往有關腸道菌群與DN的研究結果，針對腸道菌群的干預作為糖尿病腎病的一種新的腎保護療法值得進一步研究。改變飲食結構，補充益生菌、益生元、運用中醫中藥等可能有助于恢復腸道菌群平衡，Li等[38]證實膳食纖維通過調節腸道微生物群、豐富產生SCFAs的細菌和增加SCFAs的產生，起到保護DN的作用。曾玉群[39]發現，通過灌腸含有大黃及活性成分大黃素的藥物，能增加雙歧桿菌的數量，減少LPS水平及恢復固有黏膜蛋白claudin-1、occludin W，減少尿毒素硫酸吲哚酚生成，改善腎功能、腎臟氧化應激及腎纖維化。臨床研究證實，益生元可降低糖尿病患者的體脂量和糖化血紅蛋白水平，增加擬桿菌、脆弱類桿菌以及梭狀芽孢桿菌的豐度，提高SCFAs的水平，減輕腎臟炎癥和纖維化，這對于DN的治療是有價值的[37]。Soleimani等[40]發現在糖尿病血液透析患者中補充益生菌12周對葡萄糖穩態參數、炎癥和氧化應激的一些生物標志物有有益的影響。

7 糞便菌群移植

糞便菌群移植（fecal microbiota transplantation，FMT）是一種重建腸道菌群的方法，就是將健康人腸道中的益生菌移植到菌群失調的患者腸道中，重建新的腸道菌群的微生態平衡，實現對腸內外疾病的治療[41]。到目前為止，全世界已有成千上萬的患者接受了FMT治療。Cai等[42]發現接受FMT治療的糖尿病患者血糖較穩定。在對DN小鼠腸道菌群移植的研究中發現，無菌小鼠接受來自DN小鼠的腸道菌群移植，觀察到其24 h尿蛋白含量增加[7]。但是目前糞便菌群移植技術還尚未充分應用在人類，需要更多的臨床數據和糞便微生物移植方案來證明這一治療方法的有效性。

根據現有的有關腸道菌群的研究和實驗結果可以發現，腸道微生物群在機體發育異常過程中發揮著重要作用，進而影響人體代謝和疾病的發展。因此，腸道微生物群被認為是一種新的治療代謝紊亂的潛在方法，在臨床干預試驗中，口服益生菌和糞便菌群移植等干預手段已被用于調節腸道微生物群。在未來，希望做一個早期糖尿病腎病的非侵入性診斷方法，通過檢測一系列的糖尿病腎病早期生物標志物，如檢測糞便中的SCFAs以及在血清和尿液中相關的氨基酸，以達到對DN的早發現、早診斷、早治療，避免腎功能進一步惡化[43]。然而，腸道微生物源介質誘導代謝紊亂和調節干預發揮其有益作用的確切機制尚未在人類中得到充分闡明。代謝組學分析有望成為新的生物標志物，為這些機制提供更多的見解以及為疾病提供新的診治策略。

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（收稿日期：2020-10-23） （本文編輯：張爽）