腸道菌群在糖尿病腎臟病防治中的研究進展

耿艷,楊兵全

[1.南京市溧水區人民醫院(東南大學附屬中大醫院溧水分院) 內分泌科,江蘇 南京 211200;2.東南大學附屬中大醫院 內分泌科,江蘇 南京 210009]

糖尿病腎臟病(diabetic kidney disease, DKD)是糖尿病患者常見的慢性并發癥,亦是終末期腎病、心血管事件及死亡的主要原因[1],顯著增加國家醫保及患者的經濟負擔。人類對DKD發病機制的認識主要有糖脂代謝紊亂、血流動力學異常、炎癥反應、氧化應激、自噬、遺傳因素等,就其診療效果來看,有約30%患者最終會進展成終末期腎病[2]。因此,探索DKD的更多發病機制尤為重要。近年來研究顯示,腸道與腎臟之間可相互對話,腸道菌群和多種腎臟疾病關系密切并且相互影響,形成了所謂的“腸-腎軸”理論[3]。腸道菌群是否也參與了DKD的病理生理過程,未來是否有望成為DKD防治的新靶點,本文作者就相關研究進展進行綜述。

1 腸道菌群概述

腸道菌群是機體腸道內微生物群落的總稱,包括細菌、病毒、真菌等。人體腸道菌群被稱為人類的“第二基因組”,其數目龐大且種類多樣,對人體健康起著至關重要的作用。腸道菌群被認為是宿主獨立的代謝器官[4],其組成和功能可受飲食、疾病、抗生素使用等多種因素影響。在正常情況下,腸道菌群與宿主形成共生關系,具有調節免疫系統、抵御致病菌侵襲、調控能量代謝的作用。腸道菌群失調被認為參與多種疾病的發生發展,如肥胖癥、糖尿病和慢性腎臟疾病等。

2 DKD患者腸道菌群的改變

基于“腸-腎軸”理論研究防治腎臟疾病的策略受到越來越多的關注,所涉及的腎臟疾病主要是慢性腎臟疾病,而腸道菌群與DKD的相關臨床研究較少。與健康人群相比,DKD患者表現在其腸道細菌的豐富度及多樣性均降低[5-6]。與無腎病的2型糖尿病患者相比,DKD患者腸道的埃希菌-志賀菌屬豐度增加,而普雷沃菌屬豐度減少[6]。一項橫斷面研究顯示,DKD患者以厚壁菌門和擬桿菌門為優勢菌門,瘤胃球菌科和擬桿菌科豐度最高,而普雷沃菌科豐度減少。值得注意的是,這些腸道細菌的相對豐度在不同DKD分期患者中無顯著差異[7]。近來有學者采用宏基因組測序方法發現,伴有DKD的2型糖尿病患者腸道菌群的組成和功能發生改變,變形菌門豐度增加,脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)的生物合成和碳水化合物代謝異常[8]。另有研究發現,DKD患者與膜性腎病患者之間腸道菌群的組成和功能存在顯著差異,DKD患者擬桿菌門的相對豐度增加,多種氨基酸代謝增強[9]。

3 腸道菌群參與DKD發生發展的機制

3.1 短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFAs)

SCFAs是腸道微生物酵解碳水化合物的代謝產物,主要包括醋酸鹽、丙酸鹽及丁酸鹽。SCFAs不僅存在于腸道中,還可進入血循環,通過與G蛋白偶聯受體結合或抑制組蛋白去乙酰化酶而發揮作用。越來越多的證據表明,SCFAs可通過抗炎、抗氧化應激、抗纖維化及調控自噬而起到腎臟保護作用。在DKD患者中,瘤胃球菌科、毛螺菌科等產SCFAs腸道細菌的相對豐度減少,血清丁酸鹽水平降低;糖尿病大鼠經丁酸鈉干預后,其血清及糞便中的丁酸鹽水平升高,且腎臟損害得以減輕[10]。一項體外研究發現,SCFAs及G蛋白偶聯受體43激動劑可以抑制高糖和LPS誘導的腎小球系膜細胞的增殖、氧化應激和炎癥反應,提示SCFAs介導的信號通路有望成為治療DKD的新靶點[11]。SCFAs還可通過與腸道L細胞上的G蛋白偶聯受體43結合而促進胰高血糖素樣肽-1的釋放[12],而后者可通過抑制腎小管對鈉的重吸收及降低腎小球壓力和尿蛋白,在一定程度上阻止DKD的發生發展。

3.2 次級膽汁酸

次級膽汁酸是由初級膽汁酸在腸道中通過厚壁菌門生物轉化而來,且乳桿菌屬、擬桿菌屬和羅氏菌屬也參與次級膽汁酸的代謝過程[13]。動物研究提示,次級膽汁酸可通過激活法尼醇X受體(FXR)和G蛋白偶聯膽汁酸受體1(TGR5)而減輕腎臟炎癥、腎臟氧化應激及腎臟纖維化[14]。應用FXR/TGR5雙激動劑INT-767治療可減輕糖尿病小鼠的蛋白尿,并可阻止足細胞損傷、系膜擴張和腎小管間質纖維化[15];而應用TGR5特異性激動劑INT-777也可起到類似的作用[16],且TGR5信號通路的激活可誘導腸道胰高血糖素樣肽-1的釋放[17]。總之,作為腸道菌群代謝產物,次級膽汁酸及其受體參與DKD的發生發展,并有望成為DKD的治療靶點。

3.3 腸源性尿毒癥毒素

腸道微生物酵解芳香族氨基酸所產生的吲哚酚硫酸鹽(indoxyl sulfate, IS)和對甲酚硫酸鹽(p-cresyl sulfate, PCS)是最主要的腸源性尿毒癥毒素,另外腸道微生物可將食物中的膽堿和肉堿等營養物質代謝產生三甲胺,再經肝臟代謝產生三甲胺-N-氧化物(Trimethylamine N-oxide, TMAO)。在DKD狀態下,這些腸源性尿毒癥毒素水平增加,可使腸道通透性增加,并持續刺激免疫系統,誘發腎小球和腎小管損傷,促進炎癥、氧化應激和纖維化,進而導致DKD的進展[18-19]。腸道微生物酵解酪氨酸所產生的苯基硫酸鹽(phenyl sulfate, PS)也被認為是一種腸源性尿毒癥毒素。Kikuchi等[1]研究發現,PS可通過損傷足細胞而使糖尿病小鼠發生蛋白尿,而抑制PS的產生可以減輕糖尿病小鼠的蛋白尿;該研究團隊還發現PS是DKD患者早期蛋白尿的預測因子,并有望成為DKD的治療靶點。

3.4 炎癥反應

大量研究表明,炎癥反應參與DKD的發生發展。在糖尿病狀態下,產丁酸鹽腸道細菌的相對豐度減少,相應減少的SCFAs和高血糖本身可致腸道通透性增加和LPS易位,進入血循環的LPS可通過與腎臟Toll樣受體4結合而誘發炎癥反應[20]。在DKD狀態下,積聚的腸源性尿毒癥毒素可加重炎癥反應而使腎功能惡化,其中IS和PCS已被證實具有較強的促炎作用。近來有學者發現,在DKD大鼠中TMAO具有促炎和促纖維化作用[21]。總之,腸道菌群及其代謝產物可能通過發揮促炎或抗炎效應參與DKD的發生發展。

3.5 腎素-血管緊張素系統(renin-angiotensin system, RAS)

腎內RAS的激活是DKD發病的關鍵因素,目前研究認為腸道菌群可激活此系統。有研究[22]發現,糖尿病大鼠經復合廣譜抗生素干預后,血漿醋酸鹽水平降低,腎內RAS的激活得以抑制,腎臟損害得以減輕,提示腸道菌群失調所產生的過量醋酸鹽可能通過激活腎內RAS引起早期腎臟損害。在糖尿病狀態下,積聚的琥珀酸鹽(腸道微生物酵解碳水化合物的代謝產物之一)可與G蛋白偶聯受體91結合而激活腎內RAS,最終引發DKD[23]。IS和PCS可激活腎內RAS,進而誘發腎纖維化[24]。血管緊張素轉換酶(angiotensin converting enzyme, ACE)和血管緊張素轉換酶2(angiotensin converting enzyme, ACE2)均是RAS的重要調節分子,在正常情況下,腎內ACE和ACE2保持平衡。在糖尿病狀態下,腸道菌群失調可能會打破腎內ACE和ACE2的平衡狀態而參與DKD的發生發展[25]。

4 基于腸道菌群防治DKD的探討

4.1 益生菌

益生菌是一類有益于宿主的活性微生物的總稱,主要包括雙歧桿菌和乳酸桿菌。一項納入60例DKD患者的隨機、雙盲、安慰劑對照的臨床試驗結果提示,益生菌補充劑可能有利于DKD的治療[26]。另一項小樣本臨床研究發現,攝入添加益生菌豆奶DKD患者的腎臟功能及氧化應激指標得到改善[27]。目前以益生菌為靶點防治DKD的研究較少,今后需進一步開展相關研究以明確其腎臟保護作用及機制。

4.2 飲食干預

飲食、腸道菌群和腎臟疾病三者之間關系密切,構成“飲食-腸-腎軸”[28]。低蛋白飲食是臨床上治療DKD的主要方法之一,可降低慢性腎臟疾病患者血液中PCS水平[29]。有研究[30]發現,膳食纖維可通過調節腸道菌群和增加SCFAs的產生來預防糖尿病小鼠發生DKD。益生元是能選擇性刺激腸道有益菌生長和活性的可溶性膳食纖維,主要包括低聚果糖、低聚半乳糖和菊粉。益生元可由結腸微生物群發酵產生SCFAs,并可改善糖尿病狀態下的腸道通透性[20]。熱量限制可改變腸道菌群的組成結構,其效果受飲食成分的影響,具有腎臟保護作用[31]。綜上,我們認為飲食干預可通過調節腸道菌群起到腎臟保護作用,今后可基于腸道菌群開展飲食干預防治DKD的相關研究。

4.3 中藥

動物研究發現,從中藥柴胡及冬蟲夏草中提取出的多糖均可通過調節腸道菌群及抗炎而減輕DKD的腎臟損害[32-33]。腎炎康復片可以降低DKD小鼠擬桿菌門的相對豐度及腎臟炎癥因子的表達水平,且二者呈正相關,提示腎炎康復片的抗炎活性與調節腸道菌群有關[34]。糖腎方可以降低DKD大鼠血清中的IS和LPS水平,同時也具有抗炎作用[35]。今后尚需深入開展相關研究,以明確中藥通過調節腸道菌群防治DKD的具體機制,以利于研發防治DKD的中藥制劑。

4.4 糞菌移植

糞菌移植(fecal microbiota transplantation,FMT)是通過特定的手段將供者的腸道菌群移植到受者體內,從而完成腸道微環境的重建。近年來,FMT用于治療代謝綜合征、惡性腫瘤、自身免疫及神經系統疾病等慢性疾病的相關研究受到越來越多的關注。有研究[36]發現,通過FMT將正常糖耐量人群的腸道菌群移植到2型糖尿病小鼠,其糖脂代謝異常得以改善,其機制可能是增加產SCFAs腸道細菌的相對豐度和結腸組織G蛋白偶聯受體43及胰高血糖素樣肽-1的表達水平。另有研究[37]發現,通過FMT將健康大鼠的腸道菌群移植到糖尿病大鼠,其腎小管間質損傷明顯減輕。Cai等[38]研究發現,白藜蘆醇可通過調節腸道菌群和抗炎而改善DKD小鼠的腎臟功能;該研究團隊還發現通過FMT將經過白藜蘆醇處理的健康小鼠的腸道菌群移植到DKD小鼠,其腎功能異常得到改善,腸道菌群紊亂得以糾正,提示FMT有望成為以腸道菌群為靶點治療DKD的潛在有效方法。

4.5 噬菌體

噬菌體是一種選擇性侵染細菌的病毒,可靶向腸道菌群。作為人體腸道微生物組的重要組成部分,腸道噬菌體組在塑造腸道微生物組成及影響宿主的代謝組方面發揮著關鍵作用。有研究[39]發現,糖尿病患者腸道中噬菌體的數量顯著增加,首次證實了人體腸道噬菌體組和糖尿病具有關聯性。另有研究發現接受瘦小鼠的糞便病毒組移植后,肥胖小鼠的體重增長顯著降低且糖耐量正常化,提示噬菌體介導的療法有望用來治療肥胖和糖尿病等腸道菌群相關疾病[40]。這種基于腸道菌群治療代謝性疾病的新興療法頗具潛力,今后或可用于DKD的治療。

5 小 結

綜上所述,腸道菌群和DKD關系密切并且相互影響,腸道菌群失調參與DKD的發生發展,其機制可能與SCFAs和腸源性尿毒癥毒素水平異常誘發癥性反應及激活腎內RAS等有關。腸道菌群有望成為DKD的新型生物標志物及防治新靶點,補充益生菌及益生元、熱量限制、FMT及噬菌體介導的療法等有望成為防治DKD的新手段。因此,基于腸道菌群積極開展防治DKD的相關研究可為臨床DKD的防治提供新的思路和方法。