腸道菌群-菌群代謝產物-線粒體生物軸與糖尿病腎臟病

馬雷雷 李靜 張婧 趙晰 楊洪濤

(天津中醫藥大學第一附屬醫院腎病科 國家中醫針灸臨床醫學研究中心,天津 300380)

我國正逐漸成為糖尿病(DM)第一大國,2013年有關我國DM流行病學數據顯示中國DM患者已達到1.139億〔1〕,中國疾控預防中心的數據顯示在中國成年人中,DM的總體患病率估計為10.9%,而DM的前驅患病率為35.7%;保守估計中國DM人數達到1.5億〔2〕。糖尿病腎臟病(DKD)是DM常見的慢性并發癥之一,2016年有關我國慢性腎臟病(CKD)病因統計結果顯示〔3〕,我國DKD比例(1.23%)已經高于腎小球腎炎(0.91%),DKD進展至終末期腎臟病(ESRD)后不僅會帶來的巨大醫療花費及家庭負擔,同時也顯著增加患者心腦血管事件的死亡率。因此,在未來很長一段時間內,防治DKD仍是我國要面臨的一項重要挑戰。然而,目前現代醫學對于DKD的治療主要集中在降糖、降壓、降脂等危險因素上,對于腎臟本身的治療仍缺乏有效的藥物干預〔4〕。近十余年有關DKD的基礎研究方興未艾,特別是有關腸道菌群改變、菌群代謝產物、線粒體功能障礙與DKD的互作關系為研究DKD提供了新的視角,而且,通過總結現有研究,在DKD發病的病理機制中,腸道菌群-菌群代謝產物-線粒體這一生物軸的作用日漸顯現,本文主要對上述生物軸做一簡單闡述,以期為DKD的基礎研究和臨床防治提供新的思路。

1 腸道菌群及其代謝產物與DKD

腸道微生物群是指與人體共生的數以億計的各種微生物,其種類主要包括細菌、病毒、真菌、古菌、噬菌體和原生動物,在人類長期進化史中與人類和諧共生,并能通過各種途徑影響人體健康。在過去的十年研究中,腸道微生物群在各類疾病中的潛在病理生理機制逐漸被揭示,其中,腸道微生物與人體多種糖脂代謝紊亂性疾病關系密切,如DM、肥胖、多囊卵巢綜合征等〔5〕。已有較多研究表明,腸道微生態與DM的發生和發展有著密切的關系。如中國學者發現漢族人群在DM前期狀態,腸道菌群即已經發生改變,其中疣狀菌綱在DM前期患者組2型DM(T2DM)患者組中的豐度均明顯降低〔6〕,同時在T2DM患者腸道內腸桿菌、酵母菌增多,雙歧桿菌、乳酸桿菌、擬桿菌減少〔7,8〕,DKD作為繼發于DM的慢性并發癥之一,腸道菌群紊亂也被證實與DKD有關。如在DKD大鼠模型腸道中紅蠟菌科和韋榮球菌科的細菌數量較正常大鼠明顯增加〔9〕,DKD患者的腸道菌群改變通常表現為多種致病菌比例增加,益生菌數量減少,形成了以真性厭氧菌為主的異常菌落結構,如變形桿菌門、擬桿菌門含量降低,而厚壁菌門、疣微菌門等含量增多〔10,11〕,而且DM進展至DKD階段,體內菌群失調加劇,各種腸道代謝產物也隨之升高,升高的腸源性毒素進一步導致機體腎臟損傷而加速DKD進展。腸道菌群作為人體龐大的微生物菌落,除了具有保證人體營養攝取、藥物吸收、維持胃腸功能、抑制病原菌移位等功能之外,每日還會產生眾多的菌群代謝產物,這些代謝產物作為腸道菌群與人體溝通的生物媒介,是腸道菌群參與人類健康或疾病狀態不可或缺的一環〔12〕。目前眾多研究顯示常見的腸道菌群代謝產物如短鏈脂肪酸(SCFAs),氧化三甲胺(TMAO),硫酸對甲酚(PCS)、硫酸吲哚酚(IS),脂多糖(LPS)等均與DKD的發生和發展有關。如DM及DKD患者由于腸道菌群失調和膳食不均衡均導致機體SCFAs產生異常,抑制G蛋白耦聯受體(GPR)41和GPR43激活,影響YY肽和胰高血糖素樣肽(GLP)-1釋放,從而參與DM及DKD發病過程〔13,14〕。血漿IS及PCS水平已被發現在T2DM進展至DKD甚至ESRD過程中明顯升高,與DKD患者疾病進展及蛋白尿水平高度相關,而且與健康人群相比,血清IS在DKD早期即開始升高〔15,16〕。TMAO是腸道菌群代謝膳食膽堿類化合物的一個產物,已有臨床研究證實,血漿TMAO水平,與DM風險呈現劑量依賴性的正相關關系〔17〕,在DKD患者體內TMAO可促進核轉錄因子(NF)-κB途徑活化,進一步加重體內微炎癥而導致DKD〔18〕。新近發現大鼠血漿高水平的硫酸苯酯(PS)引起更嚴重的腎小球損傷,而且血漿PS水平與DM患者蛋白尿/肌酐及估計的腎小球濾過率顯著相關,且可預測DKD患者2年尿蛋白/肌酐比值(ACR)惡化程度〔19〕?？傊?隨著在DM時期腸道菌群紊亂,菌群代謝產物進一步合成增加,部分菌群代謝產物成為加重腎臟損傷的因素從而促進DKD的發生和發展,因此,減少腸道菌群代謝產物引起的腎臟損傷可能會成為今后防治DKD的新靶點。

2 腸道菌群代謝產物與線粒體互作

現代生物學界認為,細菌與線粒體可能有著相同的系統發育歷史,根據內共生理論,人類線粒體是微生物的后代,原線粒體被認為是古老的細菌內共生體,真核細胞的所有線粒體都起源于此。上述線粒體的原核起源理論意味著線粒體與腸道菌群原核生物具有相同的結構和功能特性,兩者之間也可能通過某種聯系發揮其獨特的生理作用〔20,21〕。人們發現很多來自腸道菌群的特異性代謝產物能夠導致線粒體功能障礙從而引起CKD〔22〕。而DKD作為我國CKD的首要病因,目前已有較多研究表明T2DM及DKD患者腸道菌群與正常人相比均出現明顯改變,同時伴隨大量有毒性的腸道菌群代謝產物合成增加,因此,腸道菌群代謝產物與腎臟足細胞線粒體之間的信號“串話”可能會成為研究和防治DKD的新視角和新靶點。

現有研究基本可以證實腸道菌群與宿主線粒體之間是存在互作機制的,主要依據如下:首先線粒體的內共生起源學說認為線粒體的祖先是細菌〔23〕,說明兩者在起源分化上具有內在的聯系,而且宿主線粒體能夠通過釋放活性氧(ROS)來影響腸道菌群的多樣性,這提示腸道菌群與線粒體的確能夠產生生物“串話”來影響健康和疾病〔24〕。其次,腸道菌群代謝產物可能是兩者相互作用的媒介,Thiele 等〔25〕通過反應組學證明了菌群和線粒體相互影響機制,其研究團隊篩選了2 626種體內代謝產物,結果發現來自線粒體的代謝產物437種有325種與腸道菌群代謝產物重合。提示在腸道菌群紊亂后釋放的多種代謝產物可能會引起線粒體的功能改變,從而引起一系列病理變化。

目前較多研究也基本證實這一點,如SCFAs是結腸細菌發酵的主要產物,其中以乙酸、丙酸和丁酸含量最高,人體飲酒后產生的大量乙酸會導致體內氧化還原平衡、糖代謝和線粒體功能發生改變〔26〕,丁酸可通過AMPK活化途徑影響結腸細胞線粒體功能〔27〕。Hartsougn等〔28〕研究發現腸道菌代謝物莢膜異多糖酸可通過調控宿主細胞的內質網應激和線粒體動態變化,從而延長線蟲壽命。TMAO可通過增加線粒體損傷及超氧化物產生促進小鼠神經元的衰老〔29〕。此外,腸道菌群在人體運動過程中可通過調節過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子(PGC)-1α、沉默信息調節因子(SIRT)1及單磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)等途徑影響線粒體生物合成,同時腸道菌群及其代謝產物(如SCFA及次級膽汁酸)可通過減弱腫瘤壞死因子(TNF)-α介導的免疫反應及減少NOD樣受體蛋白(NLRP)3炎癥小體,影響宿主線粒體能量產生及ROS生成,從而改善腸道炎癥反應〔30〕。在克羅恩病新生兒患者體內,由于腸道內產生H2S的菌群相對豐度增加,同時與H2S解毒相關的線粒體蛋白表達下調,最終導致線粒體功能受損,而在使用清除H2S的鉍之后,可在體內緩解極小阿托波菌誘導產生的結腸炎〔31〕。上述結果均說明腸道菌群代謝產物與宿主線粒體存在著千絲萬縷的聯系,而線粒體損傷在DKD進程中具有重要的作用,因此,腸道菌群代謝產物可能會通過參與腎臟線粒體的病理生理機制從而促進DKD的發生發展。

3 線粒體損傷與DKD

DKD的發病機制復雜,目前認為有多條途徑參與了DKD的腎功能損害,主要包括:腎素-血管緊張素-醛固酮(RAS)系統異常、ROS生成過多,晚期糖基化終末產物(AGEs)增加,微炎癥,氧化應激等。然而也有越來越多的證據表明,線粒體損傷在DKD的發病機制中起重要作用〔32,33〕。線粒體不僅是細胞產生ATP的重要部位,也是機體產生ROS的主要場所,而DKD患者體內因高糖、微炎癥因子、AGEs等因素刺激可產生大量ROS損傷線粒體,從而導致線粒體損傷,隨后出現線粒體功能障礙進一步致DKD患者腎小球足細胞屏障功能受損,從而引起蛋白尿。因此,維持線粒體正常的結構和功能對于防治DKD至關重要。

線粒體是一切細胞進行有氧呼吸的重要場所,線粒體的結構和功能正常對于維持細胞發揮其重要生理功能具有重要的意義。線粒體是處于不斷更新和清除的動態過程,成熟的線粒體通過有氧呼吸為細胞提供充足的能量以維持細胞膜電位的調節、細胞信號轉導、代謝、凋亡。一旦出現線粒體損傷,則將會出現一系列級聯反應而引起疾病發生。線粒體損傷一般包括線粒體生物合成異常、線粒體動力學失衡、線粒體功能障礙及線粒體自噬紊亂等。生理情況下,PGC-1α是調控線粒體的生物合成的重要調控因子〔34〕之一,特異性敲除小鼠PGC-1α蛋白后會出現明顯的線粒體損傷〔35〕,在DKD的患者及動物模型中,PGC-1α蛋白表達水平均明顯降低,高表達PGC-1α可以降低高糖誘導的系膜細胞損傷〔36〕。亦有研究顯示,高血糖可抑制 AMPK-SIRT1-PGC-1α通路從而抑制線粒體生物合成過程,促使腎小球足細胞及系膜細胞凋亡〔37,38〕,因此線粒體生物合成功能紊亂與DKD發生有直接的關系。

線粒體的動態平衡是指線粒體通過不斷的融合與分裂來及時形成健康的線粒體,同時對受損的線粒體進行修復或者清除。線粒體的融合與分裂受多種蛋白的調控,包括線粒體融合蛋白(Mfn)1、Mfn2、視神經萎縮蛋白(OPA)1、動力蛋白相關蛋白 (Drp)1、線粒體分裂因子(MFF)。上述蛋白異常表達均會引起線粒體動力學失衡而引起DKD產生。如與非DKD對照組相比,DKD患者腎小管細胞線粒體分裂增加、異常形狀線粒體增多,同時伴隨多種上述融合和分裂蛋白的異常表達,短球狀線粒體明顯增多,伴隨多種線粒體分裂、融合蛋白表達改變及小管細胞損傷〔39〕。DKD大鼠腎臟細胞高表達能夠明顯將達大鼠蛋白尿,ROS聚集減少,從而改變腎臟損傷〔40〕。

線粒體功能障礙的特征是ROS產生增加和進行性呼吸鏈功能障礙。目前已知高糖誘導產生過量ROS是DKD發病的主要始動機制,而線粒體作為體內ROS生成的中心也參與DKD發病,隨著DKD進展和線粒體受損,隨即出現ROS合成過剩-DKD進展-線粒體損傷持續加重-ROS合成進一步增加的惡性循環,同時,線粒體的受損導致線粒體呼吸鏈功能障礙,導致細胞內三磷酸腺苷(ATP)合成不足,而足細胞作為高能量消耗細胞,其能量主要來源于線粒體內膜的呼吸鏈,因此當呼吸鏈功能障礙時,足細胞功能受損也促進DKD的發生。越來越多研究發現,足細胞線粒體自噬減少或抑制也與DKD的發病密切相關,如Hartleben等〔41〕發現在小鼠自噬相關基因被敲除后,小鼠發生局灶階段性腎小球硬化(FSGS)的例數明顯高于未敲除組,同時病理活檢顯示敲除組小鼠腎臟足細胞的足突消失,足細胞內聚集了大量受損的線粒體。Cinà等〔42〕發現在抑制足細胞內線粒體自噬后,蛋白尿產生,同時伴隨足細胞內損傷線粒體的數目明顯增多。而叉頭框蛋白(FOXO)1則可以通過激活同源性磷酸酶張力蛋白誘導的激酶1/帕金蛋白(Pink1/Parkin)通路,提高足細胞線粒體自噬水平,減輕足細胞損傷〔43〕。

既然線粒體損傷與DKD發病有著密切關系,那么針對線粒體保護也可能成為防治DKD的重要途徑之一。有學者發現白藜蘆醇可通過SIRT1/PGC-1α途徑減輕線粒體氧化應激而改善DM小鼠的足細胞損傷,改善DKD的病理表現〔44〕。中藥黃芪的重要活性成分之一黃芪甲苷能夠通過調控線粒體生物合成,下調Pink1/Parkin介導的線粒體自噬改善DKD損傷〔45〕。黃連素可以通過抑制Drp1介導的線粒體分裂和功能障礙來發揮足細胞保護作用〔46〕,因此,怎樣保護線粒體正常功能可能會成為防治DKD潛在方向之一。

綜上,2011年,Meijers等〔47〕等第一次提出“腸-腎軸”學說,隨后Pahl等〔48〕又提出“慢性腎臟病-結腸軸”這一觀點,上述學說和觀點的主要內容即人體腸道菌群紊亂與CKD進展可能存在互相影響、互相作用的關系。而腸道菌群作為“腸-腎軸”的中心媒介,在腸道和腎臟之間具體的作用機制仍不明確,因此從腸道菌群紊亂到腎臟慢性損傷這一病理過程仍然存在著很多未知領域腸道菌群、菌群代謝產物、線粒體、腎臟這些看似不相干的微生物群落、細胞器或者器官實際上形成了一個生物軸,即在DKD患者早期病程中即出現腸道菌群種類的改變,而隨著腸道菌群種類改變,腸道菌群代謝產物合成紊亂,菌群代謝產物與腎臟線粒體發生生物串話進一步導致腎臟本身產生病變。目前已有學者提出了腸道菌群-線粒體生物軸,并認為腸道菌群代謝產物可能在這個生物軸中起到了重要的作用〔49,50〕,因此,通過調控腸道菌群-菌群代謝產物-線粒體生物軸可能會成為未來預防或治療DKD的重要靶點之一。研究“腸道菌群-菌群代謝產物-線粒體”生物軸不僅能夠闡述其在DKD甚或CKD的疾病進程中的重要作用,同時也能進一步豐富腸-腎軸這一理論內涵。