調節腸道菌群干預糖尿病腎病的機制及治療研究進展

秦田雨，劉銅華，秦靈靈，潘雅婧，宋紫臨，李梅，田芃，吳麗麗

(1.北京中醫藥大學，北京 100029；2.北京中醫藥大學教育部中醫養生學重點實驗室，北京 100029)

糖尿病并發全身性微血管病變導致腎小球硬化，即糖尿病腎病(Diabetic nephropathy，DN)，是糖尿病并發癥中危害最大的一種。我國成人糖尿病發病率已上升至11.6%，糖尿病患者中，有25%～40%將進展為DN，DN的患病率隨著糖尿病發病率的增加而逐年增加[1]。糖尿病腎病發展成臨床腎病期時伴有蛋白尿、漸進性腎功能損害(腎小體血管球濾過率降低)、水腫和高血壓，晚期出現嚴重腎功能衰竭。目前還沒有治療糖尿病腎病的有效方法，主要以早期控制血糖水平，進入臨床腎病期后予以血管緊張素轉換酶抑制劑(Angiotensin Converting Enzyme Inhibitor, ACEI)、血管緊張素受體阻滯劑(Angiotensin receptor blocker, ARB)類藥物控制血壓保護腎臟，腎衰竭期血液濾過等方法為主。其主要的負擔不僅在于透析治療的巨大成本、腎源缺乏，而且也來源于DN患者心血管疾病的發病率和死亡率的增加，嚴重影響了患者生存質量[2]。

腸-腎軸理論提出之后[3]，已經有較多研究開始關注腸道菌群、糖尿病和腎臟病的關系，并尋求有效的干預方法。正常狀況下人類腸道有百萬億數的細菌。腸道菌群的生理作用有：1)維持胃腸道的完整性和功能，包括維持緊密連接蛋白的結構、與病原菌競爭性地與腸上皮細胞結合；2)免疫作用，包括促進腸道免疫系統的成熟、減少對食物和環境抗原的過敏反應、促進免疫調節和細胞分化；3)代謝作用，包括分解難消化的植物多糖和抗性淀粉，產生短鏈脂肪酸(short chain fatty acid, SCFAS)(包括乙酸、丙酸、丁酸等)、促進吸收復雜碳水化合物、合成維生素K和B、合成蘇氨酸和賴氨酸等[4]。

腸道菌群在糖尿病腎病中的改變通常表現為多種致病菌比例增加，而益生菌(產生有益代謝物)的數量減少，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[5-6]。這種不平衡首先出現在低豐度細菌類群中[7]。腸-腎軸理論闡明了無論是胃腸道還是腎臟的改變都可以通過腸道黏膜、腸道菌群及免疫炎癥等多方面影響另一方，產生不良后果，并互為因果[8]。這可能是由于后期腎臟功能嚴重受損，很多含氮廢物通過腸道釋放, 使得利用這些廢棄物的腸道菌群大量增殖[9-10]。另外，患者小腸微絨毛變短，隱窩增多，上皮細胞之間的緊密連接遭到破壞[11]，控制纖維攝入、抗生素濫用以及腸道炎癥狀態，都可能造成腸道菌群移位[12-13]，腎臟損傷與腸道菌群失調互為因果。

腸道菌群可以分別通過影響血流動力、糖脂代謝、內毒素積累和炎癥等方面影響DN，下面將分別對這幾種機制，以及目前針對腸道菌群的主要治療方法(中醫內外治法、益生菌和益生元等)，通過調節腸道菌群進而干預糖尿病腎病的研究進行綜述。

1 血流動力改變與腸道菌群

糖尿病微血管病變所致的血流動力學改變被認為是引起DN的關鍵因素。糖尿病腎病早期表現為腎小球內高壓、高灌注、高濾過，隨后腎血管球毛細血管基底膜增厚，最終出現腎小體硬化，腎功能衰竭[2]。

腸道微生物的發酵產生的SCFAS，可以與位于腎臟的受體結合并發揮調節血管相關功能作用。隨著DN加重，腎臟腎素血管緊張素系統(Renin-Aangiotensin System,RAS)的ACE和ACE2軸之間的平衡可能因腸道菌群和RAS之間的一系列聯系受到破壞，通過一系列級聯繼而加重腎損傷和促進DN進展[14]。

動脈粥樣硬化是多種血管性疾病的來源，食物中的磷酸卵磷酯經腸道菌群代謝膽堿生成三甲胺(Trimethylamine,TMO)，黃素單氧化酶在肝臟內將TMO氧化生成氧化三甲胺(trimethylamine oxide, TMAO), TMAO可上調腹膜巨噬細胞的兩種巨噬細胞清除受體水平，低密度脂蛋白經氧化修飾后被巨噬細胞吞噬，導致動脈粥樣硬化[15]；使用廣譜抗生素抑制了腸道菌群后，血漿TMAO水平降低，進而減少動脈斑塊的面積[16]。

2 高血糖與腸道菌群

血糖過高導致腎組織局部糖代謝紊亂進而加重腎損害，可通過非酶糖基化形成晚期糖基化終末產物(Advanced Glycation End Products, AEGs)，以及多條通路激活導致早期高濾過，促進腎小球基底膜增厚以及細胞外基質蓄積。目前認為2型糖尿病高血糖的主要原因是胰島素抵抗，后期表現為胰島素分泌不足。

腸道緊密連接(包括閉合小環蛋白ZO-1、閉合蛋白occludin)表達減少、腸道細胞滲透性增加，是導致菌群異位的原因。而緊密連接的降解會引起腸源性脂多糖和細菌入血，是發生胰島素抵抗的重要因素[17]。腸源性脂多糖，通過Toll-like receptor 4(TLR4)激活炎癥通路，誘導一氧化氮合酶(iNOS)產生增加，也會降低胰島素敏感性[18]。而乳酸桿菌的比例增高可增加胰島素分泌[19]。

腸道菌群分解產物SCFA還通過G蛋白偶聯受體41(G-protein-coupled receptors, GPR41)相關機制促進L細胞肽yy(Pyy)表達，促進小腸結腸L細胞分泌胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide，GLP-1)。Pyy可作用于下丘腦引起飽感，減少飲食攝入，GLP-1可以發揮促進胰島素分泌的作用，進而控制血糖[20]，影響DN的進程。

脂代謝異常和肥胖也是胰島素抵抗的重要環節，門麗慧等[21]運用代謝組學方法，發現肥胖和DN多種潛在生物標記物存在相同的變化趨勢，并且這些相同趨勢的標志物大多都是腸道菌群相關的內源代謝物。這些代謝物的變化反應了腸內菌群的結構變化，推測腸道菌群可能是肥胖和腎臟疾病之間的潛在鏈接環節。

3 內毒素與腸道菌群

隨著病程進展，菌群紊亂通過直接阻斷腸屏障，使得腸黏膜通透性增加，由此引發的細菌易位及腸源性內毒素血癥，使得大量毒素在體內蓄積，直接或間接地對腎臟以及心血管系統造成了損害，是導致DN微炎癥狀態的重要原因。尿毒癥毒素根據分子大小及物理化學性質可分為3種：一是小分子水溶性毒素，包括尿素氮，肌酐等，容易在透析時清除；二是中分子毒素，包括β2-微球蛋白，瘦素等，可部分在高通量血液透析和腹膜透析條件下被清除；三是蛋白結合毒素，主要是與蛋白結合的小分子毒素，如硫酸對甲酚(p-cresyl sulfate，PCS)、硫酸吲哚酚(indoxyl sulfate，IS)等，因為和蛋白結合率高故難以在透析下被清除。DN患者蛋白質消化和吸收受到損害，因此，增加了可用于結腸中細菌水解的完整蛋白質的量[22],是造成血管內皮功能障礙的重要因素[23]。研究發現，腎病患者腸道中合成吲哚的菌群主要包括梭桿菌科，腸桿菌科等。相關的腸道菌群改變在腎功能改變的早期可以被檢測到[24]。

4 炎癥與腸道菌群

高血糖狀態下的腸道菌群失調引發的細菌異位和腸道內毒素是導致DN患者微炎癥的原因之一，且腸道菌群易位先于DN發生。同時患者因為飲食控制、抗生素等藥物使用更加重腸道菌群失調，進一步導致毒素蓄積以及微炎癥加重[25]。細菌持續感染、氧化應激、透析階段的生物膜相容性也成為微炎癥產生的原因[26]。

腸道有益菌產生高濃度SCFA以通過保護腎小管細胞，增強線粒體生物合成，減輕小鼠腎臟缺血再灌注損傷和炎癥反應[27-28]。炎癥因子是參與糖尿病發病的重要因素，短鏈脂肪酸乙酸、丙酸及丁酸通過結合到GPCR41及GPCR43上阻斷核因子κB(NF-κB)的活化，使炎癥反應被抑制，從而減少TNF-α、IL-6分泌；丁酸則能使IL-10增加、IL-12表達減少[29]。

此外，腸道有益菌的產物丁酸鹽可以增加小腸L上皮細胞分泌的GLP-1，已證明GLP-1和GLP-1/GLP-1受體復合物的激活能通過減輕近端腎小管過度重吸收，部分改善早期糖尿病對腎臟的影響[30]。

5 中藥及活性成分調節腸道菌群干預糖尿病腎病

王利民等[31]報道基礎治療聯合阿魏酸鈉有調節腸道菌群，增加腎小球濾過，改善腎功能的作用。

蔡紅蝶[32]采用16s RNA技術，分析發現丹參水提物與醇提物能在一定程度上改善慢性腎衰竭大鼠糞便菌群多樣性。而腸道菌群對丹參中不同的活性成分分別通過不同的代謝途徑進行代謝。說明大鼠糞便中含有使丹參中成分結構發生變化的菌群，這為中藥復雜成分發揮整體治療作用的機制提供了新思路。

曾玉群[33]報道，大黃及活性成分大黃素灌腸能調節腸道菌群，增加雙歧桿菌益生菌的數量，恢復固有黏膜蛋白claudin-1，occludin W及減少內毒素脂多糖水平，減少CKD狀態的尿毒素IS生成，改善腎功能、腎臟氧化應激及腎纖維化。

6 中醫外治法調節腸道菌群干預糖尿病腎病

中藥灌腸療法是一種傳統的中藥腸透析法，奠基于“開鬼門，潔凈腑，去宛陳莝”的理論基礎，通過藥物的結腸吸收直接促進血肌酐、尿素氮等代謝廢物的腸道排泄，調節腸道菌群，改善腎功能。與血液透析、腹膜透析等一般透析法相比更經濟便捷，而且可以多靶點地調節腸道菌群，患者容易接受和堅持，有助于糖尿病腎病的早期、有效控制[34-37]。

陳茜等[38]報道通腑泄濁法治療DN的機制可能與其增加腸道代謝廢物及毒素的排泄，改善腸道屏障功能，調節腸道菌群，減少內毒素吸收等作用有關。

7 益生元與益生菌調節腸道菌群干預糖尿病腎病

益生菌(Probiotics)是一類有益于宿主健康的活的微生物；益生元(Prebiotics)是一類被宿主腸道微生物選擇性利用，有益于宿主健康的物質，包括低聚糖類、多酚類、不飽和脂肪酸等。

益生菌在腸道繁殖產生短鏈脂肪酸，降低腸道pH值，抑制需氧菌過度繁殖。益生菌繁殖的同時可以修復腸道上皮間緊密連接的損傷，改善腸道微炎癥，在腸黏膜表面形成保護膜，降低毒素通過腸道入血的可能性[39]，同時競爭性抑制合成蛋白結合毒素前體的細菌生長[40]。臨床研究表明，益生元運用于血液透析患者可顯著降低PCS產生速率，從而降低血PCS濃度[41]。Hashimoto等[42]研究發現，攝入乳酸菌后，乳酸菌上被酶切產生的活性片段，能與ACE2上的活性中心結合，抑制ACE2的活性，從而降低血管緊張素Ⅱ的生成量、下調血壓。在一項60例的平行隨機雙盲對照研究中，對糖尿病血液透析患者進行12周的益生菌補充，患者的血糖穩態參數、炎癥、氧化應激有關的生物標志物均有一定程度改善[43]。一項研究發現，羅伊乳桿菌對高血糖引起的大鼠腎纖維化有保護作用[44]。肖曉芬等[45]對96例維持性血液透析病例予以益生菌顆粒2個月，結果顯示治療前后，治療組與對照組的C反應蛋白(CRP)、白介素-6(IL-6)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)均有顯著差異，說明補充益生菌可改善維持性血液透析患者微炎癥程度，使腸道益生菌增多[46]。類似的Natarajan等[47]研究也發現血液透析患者攝入益生菌可降低血清炎癥因子和總酚酸水平。有研究指出，除了炎癥因子和小分子毒素，補充合生元(益生菌和益生元)還可以使CKD患者體內的蛋白結合毒素降低[48]。

任錦麗等[49]報道，燕麥β-葡聚糖可以作為益生元改善腸道菌群狀態，進而減輕腎臟組織結構病理改變。Zhu等[50]應用代謝組學方法，認為麥冬多糖通過在腸道發酵產生單體和丁二酸，抑制腸道葡萄糖吸收，增強肝糖原生成，抑制糖原分解，促進GLP-1分泌，下調7H-嘌呤和20-脫氧肌苷，減輕糖尿病和糖尿病腎病。

代謝綜合征與DN關系密切。一篇通過回顧2013—2017年關于益生元和益生菌干預代謝綜合征臨床試驗的綜述得出的結論是每天補充10 g菊粉，抗性淀粉或低聚果糖豐富的菊粉可對2型糖尿病患者的代謝綜合征指征恢復產生有益的影響[51]。

然而，高脂飲食、不同疾病狀態，以及菌群多樣性變化會導致對益生菌的反應不同。

8 展望

一方面調節腸道菌群的新療法已經被證明有效，但證據仍然不夠有力，我們亟需高質量隨機對照大樣本的臨床試驗來界定益生菌和益生元療法的作用。

另一方面，有研究指出CKD患者腸道菌群紊亂由腸道不利的環境介導，只通過單純引入益生菌可能難以恢復腸道正常微環境[52]，而這正是中醫藥療法的多靶點整體治療的優勢所在。未來可以探索聯合中醫內外治法及益生元益生菌，輔助或者代替西藥作用于治療糖尿病。在疾病進展早期，針對不同的菌群變化特征分階段干預是未來可以考慮的研究方向。這對每一種干預方法在糖尿病腎病進展過程中的具體針對環節提出了明確的要求，重點在于恢復腸道微生態穩態[53]。

由于糖尿病并發癥病程長，使用功能性食品和生物活性化合物等互補替代方法是必須的，因此有人提出借助傳統地中海飲食產生的營養管理的新概念“食物矩陣”，將含有抗氧化劑、纖維、蛋白質及維生素等的物質用于輔助DN的治療、提高患者生活質量，也是未來的趨勢[54]。菌群移植也已經在2013年被美國納入復發性腹瀉的臨床指南[55]，在考慮安全性、可行性、規范操作的條件下，也可望在恢復DN菌群生態中發揮作用。