巖藻多糖對腸道菌群與慢性腎衰竭作用研究進展

黃雅瑜,林米妮,蔡樹蕓,閻光宇,陳偉珠,張怡評,

(1.福建中醫藥大學藥學院,福建 福州 350108;2.自然資源部第三海洋研究所,海洋生物資源開發利用工程技術創新中心,福建 廈門 361005;3.廈門海洋職業技術學院海洋生物學院,福建 廈門 361100)

巖藻多糖,又名為墨角藻多糖、褐藻糖膠、褐藻多糖硫酸酯,是一類含有硫酸基的水溶性多糖,主要從海帶、裙帶菜或羊棲菜等褐藻中所提取。由巖藻糖、半乳糖和硫酸酯組成,是一類口服無生物毒性的食源性天然產物[1],具有抗癌[2]、抗氧化[3]、抗凝血、抗炎、免疫調節、降血糖[4]、抗衰老、控制糖尿病和代謝綜合征[5]、保護腸道屏障[6]、改善腎功能[7]等多種生物功能活性。

隨著現代生活節奏加快,飲食作息不規律以及遺傳等影響,出現代謝性疾病的幾率上升,包括肥胖、2型糖尿病、心血管疾病等,儼然已成為危害人類健康的主要公共衛生問題。研究證明,人體腸道菌群(GM)通過調節腸道內分泌功能,并對相關代謝疾病起重要作用[8]。隨著慢性代謝性疾病如高血壓、糖尿病等腎臟伴隨性損傷率增加,慢性腎功能衰竭(CRF)發病率逐年上升。據報道,巖藻多糖能夠調節GM失調和治療CRF的作用。同時臨床研究表明,GM與CRF存在雙向調節[9]。因此,本文主要綜述巖藻多糖對GM與CRF的作用,并闡明GM與CRF兩者之間相互作用的影響,為巖藻多糖在調節GM治療CRF方面應用提供理論基礎。

1 GM

GM是復雜且種類繁多的微生物群,主要寄居在人體的胃腸道中,其按一定的數量和比例,在一定范圍內保持動態平衡。GM依據與宿主關系分為有益菌、有害菌、中性菌3類[10]。研究證明,GM能為宿主提供必要的功能,包括消化、免疫調節和神經元發育、調節腸道內分泌、調節藥物作用和代謝[11],其結構功能的異常也被認為是導致代謝相關疾病的因素之一。若GM失調則會引起肥胖、2型糖尿病[12]、慢性腎臟疾病等代謝相關疾病[13]。最新研究顯示,調節GM作為靶向治療方式來治療相關代謝性疾病已成為目前研究的新靶點[14]。

2 CRF

CRF是由機體代謝異常等多因素誘導引起的腎臟損害并進行性惡化,破壞機體在代謝、排泄、調節水、電解質平衡、酸堿平衡等內穩態,后期并發腎功能部分或全部喪失的一種病理狀態[15]。目前,主要通過血液透析和腹膜透析進行CRF的救治,但CRF患者因體內存在持續的微炎癥和氧化應激的狀態,導致機體的抗氧化能力以及GM失調,從而加速腎臟衰竭的進程[16]。

3 GM與CRF相互作用

3.1 CRF對GM的作用

3.1.1 破壞腸道屏障功能CRF患者由于血液透析、藥物服用、飲食結構調整等原因促使腸屏障受損,是促進CRF進程、炎癥感染等并發癥的重要原因[17]。腸屏障功能的破壞使內毒素和細菌代謝物移位,從而導致尿毒癥毒性、炎癥和慢性腎臟疾病的進展[18]。動物實驗中,尿毒癥組表現為腸組織病理學的改變,黏膜層有大量的炎性細胞浸潤、細菌移位、血清炎癥介質、腸上皮細胞緊密連接蛋白occludin、claudin-1和JAM-1表達下降,腸道屏障受損,表明可能是尿毒癥引發微炎癥狀態的機制之一[19]。CRF患者會出現GM失調并伴隨血漿中促炎細胞因子和趨化因子的濃度持續升高,通過激活核因子-κB(NF-κB)和促進氧化脂蛋白、糖氧化產物形成氧化應激引發炎癥破壞腸屏障功能[20]。

3.1.2 加劇腸源性尿毒癥毒素蓄積CRF患者由于腎臟對于尿素、草酸鹽等物質吸收代謝能力下降,主要轉移至結腸代替腎臟完成以上物質吸收,形成大量含氮化合物,其中蛋白結合類毒素無法通過血液透析清除,其中包括硫酸吲哚酚(IS)、硫酸對甲酚(PCS)、氧化三甲胺(TMAO)為主要腎毒性代謝物[21]。CRF進程促使GM失調已成為尿毒癥毒素產生的主要原因。由于CRF對蛋白結合類毒素排泄減少,腸源性尿毒素積聚,致使IS和PCS在CRF患者的血清中有顯著的增加,誘導心血管疾病并發慢性腎病[22]。有研究顯示,IS、PCS在腸道內蓄積能夠激活巨噬細胞,上調炎癥因子及氧自由基,致使腸屏障炎癥持續至全身反應,并發多器官功能障礙,CRF進程加速[23]。

3.2 GM對CRF的作用

3.2.1 急性腎損傷急性腎損傷(AKI)是由多種病因引起的腎功能損傷,以氧化應激、炎癥、纖維化、細胞凋亡、線粒體功能障礙等為特征,與GM失調相互作用,相互影響。近年來,通過基因組學、代謝組學技術闡明GM失調引起的腸黏膜屏障破壞、細菌代謝物移位被認為是整個“腸-腎軸”的最核心環節。腎缺血再灌注損傷是AKI的主要原因。研究表明腎缺血再灌注損傷前后GM組成存在顯著差異,與GM失調致使腸源性尿毒癥毒素進入血液,損害腎小管細胞加速腎損傷有關[24]。AKI因伴有GM失調,腸屏障功能受損通透性增加,細菌和毒素從腸腔轉移到腸系膜淋巴和體循環,致使膿毒癥AKI細胞凋亡,使代謝轉向有氧糖酵解[25]。因此,有效的調節GM對AKI的治療和預測具有重要意義。

3.2.2 免疫炎癥反應腸道是人體最重要的免疫器官。腸道微生物群和腸黏膜免疫細胞不僅在腸道炎癥性疾病中發揮作用,而且還控制著腸外器官的免疫應答。先天性免疫應答反應的過度激活,對急性腎損傷的腸道發病機制中起著重要作用。因此,腸道微生物群和腸黏膜免疫細胞可能影響CRF的預后。CRF患者普遍存在炎癥反應,而GM是產生促炎因子的主要來源,其中GM及其微生物代謝產物與CRF共同參與免疫炎癥反應。實驗中,免疫缺陷小鼠的血清細菌內毒素水平顯著升高,結果表明GM失調、腸黏膜屏障受損和細菌移位是CRF患者全身炎癥的主要原因[26]。GM失調伴隨腸源性尿毒癥毒素蓄積,通過增加氧化應激和免疫炎癥反應,降低內皮細胞活力,使內皮功能受損,促使腎臟炎癥和纖維化,從而加重腎損傷[27]。

3.2.3 心血管疾病心血管疾病是CRF患者高發病率和高死亡率的主要原因之一。CRF患者因腸道屏障功能受損、細菌移位使血液透析患者血流動力學改變,引起血管內皮細胞功能障礙,誘發心血管疾病[28]。研究認為腸源性尿毒癥毒素如IS、PCS、TMAO是誘發血管動脈粥樣硬化、心力衰竭的主要原因。其中PCS、IS通過多種信號通路介導心臟毒性和血管炎癥,引發血管鈣化和心肌纖維化。多數臨床試驗已證實,TMAO與心血管疾病、腎病、2型糖尿病等多種疾病密切相關。其中高劑量的TMAO可能通過誘導血管氧化應激和炎癥來減少NO的產生,導致血管內皮功能障礙和心血管疾病,引起血管炎癥和心肌纖維化,從而加重心血管疾病[29]。因此,腸源性尿毒癥毒素對加速心血管疾病及其CRF等其他代謝并發癥的發病機理中起著核心作用。

4 巖藻多糖對GM與CRF的作用

4.1 對GM的作用

4.1.1 維持GM與宿主共生正常情況下GM通過調節代謝、上皮屏障完整性、免疫系統發育和功能來維持宿主健康。因此,GM一旦失調則會誘發宿主一系列代謝疾病。經臨床研究證實,巖藻多糖能夠有效地調節宿主GM的數量,平衡內環境穩態。研究發現,巖藻多糖能夠增加Balb/c小鼠腸道有益菌豐度,降低有害菌的豐度,緩解高脂飲食小鼠血脂異常[30]。短鏈脂肪酸(SCFAs)具有抗炎和抑制組蛋白去乙酰化酶的特性,在腎臟中表現為抗纖維化、抗炎和免疫抑制作用。研究發現,巖藻多糖能夠增加GM的多樣性和豐度,提高SCFAs產生,為腸上皮細胞提供能量來源,從而維持宿主腸道和免疫的穩態[31]。此外,巖藻多糖能夠為腸道微生物提供碳源,調節腸道微生物與宿主共生,維持GM平衡,對腸炎等相關疾病具有調節作用。

4.1.2 保護腸道屏障受損巖藻多糖能夠作為GM優質的食物基質來源和益生元,對腸道屏障等各方面具有保護作用。研究發現,巖藻多糖能夠刺激腸蠕動,提高腸道絨毛高度和隱窩深度的比值,使小腸組織形態發生改變,增加腸上皮細胞緊密連接蛋白表達,一定程度修復腸黏膜屏障。此外,巖藻多糖具有雙向免疫作用,表現為免疫增強和免疫抑制,通過抑制巨噬細胞分泌炎癥因子,增強腸道免疫屏障功能,提高機體抗炎作用;通過促進分泌型免疫球蛋白A分泌,減少與腸道炎癥相關的細胞因子,從而改善對腸道免疫屏障的損傷[32]。此外,巖藻多糖能夠為腸道提供營養所需的基質,增加SCFAs的產生,從而降低腸道pH值抑制脂多糖誘導的促炎介質的分泌,調控炎癥因子的表達[33]。

4.2 對CRF的作用目前用于治療CRF的方法和藥物受副作用限制,無生物毒性的天然產物成為研究治療的新方向。多項臨床試驗證明,巖藻多糖能夠有效調節腎臟疾病的多種病理危險因素,包括炎癥、氧化應激和纖維化;預防急性腎損傷、腎纖維化、糖尿病腎病等多種腎臟問題;有效改變腎臟疾病的危險因素如:動脈粥樣硬化、血脂異常、高血壓;顯著改善CRF患者的生存質量,延緩腎衰進程,提高腎臟生理功能。

機體的氧化應激反應是CRF進程加速的關鍵因素,由于CRF患者體內有大量的氧化物堆積,使得氧化應激反應再次發生,該過程中所產生的活性氧自由基會損害腎的排泄功能和調節機制。研究表明,低分子量的巖藻多糖通過抑制大鼠腎近端血管上皮細胞中的白蛋白連接誘導的氧化應激表達,降低丙二醛的水平;降低脂多糖誘導的巨噬細胞中的炎癥因子、TNF-α、IL-1β,并增加抗炎因子如IL-10和干擾素γ,從而防止氧化應激和降低脂質過氧化,保護腎損傷[34]。此外,巖藻多糖還是一種強吸附劑,能夠吸附體內的毒性物質,清除草酸鈣所致的腎損傷,從而增加腎血流量,提高機體免疫抑制的作用,修復受損細胞[35]。臨床證明各種原發、繼發腎小球疾病、腎纖維化是導致CRF的主要原因。研究發現,巖藻多糖能夠通過降低肌酐和尿素氮,增加肌酐清除率,可顯著預防腎缺血再灌注損傷和腎小管間質損傷;通過抑制NF-κB來抑制轉化生長因子β1的促纖維化途徑,從而減輕腎纖維化;通過激活Nrf2/Ho-1信號通路的表達,減少氧化應激,提高內皮功能,緩解腎纖維化,恢復腎功能起到保護作用[36]。

隨著巖藻多糖深入研究,臨床治療中常用海昆腎喜膠囊治療CRF,其主要活性成分為巖藻多糖。經臨床實驗證明,其具有顯著的緩解CRF的療效,主要作用機制是通過增強利尿、促進代謝平衡改善血脂代謝等作用,并清除活性氧自由基,保護內皮細胞,避免腎臟損傷[37]。因此,巖藻多糖對于治療CRF具有顯著的臨床意義,與其改善機體氧化應激、提高內皮功能、調節脂代謝有關。

4.3 巖藻多糖通過干預GM治療CRFGM與CRF之間具有雙向作用,良好穩定的腸道內環境是進一步緩解CRF進程的一個新治療手段。CRF患者進行替代療法無法進行一并清除的尿毒癥毒素轉移至結腸排泄、持續的氧化應激使機體免疫抑制。同樣,GM致使一系列炎癥反應、腸屏障受損、細菌移位等加速CRF的進程。因此,通過調節GM來干預CRF進程成為一個潛在的治療靶點,經臨床研究表明,巖藻多糖具有潛在的干預GM治療CRF的功效。

據研究報道,CRF患者在進行環磷酰胺治療過程容易引發GM失調、腸黏膜屏障受損、細菌移位。動物實驗中,環磷酰胺誘導腸黏膜受損小鼠模型中,不同分子量的巖藻多糖具有腸道保護作用,能夠顯著增加腸絨毛長度和隱窩深度比率,并改善Th1/Th2免疫平衡IFN-γ/IL-4的比率,可作為一種潛在的功能性膳食補充劑[38],主要作用機制表現為通過改善GM微生態,從而減緩腎損傷。SCFAs能夠起到抗腎纖維化、抗炎和免疫抑制作用。巖藻多糖能在屬水平上增加SCFAs的豐度,SCFAs在維持腸上皮細胞的完整性,并通過改善線粒體膜的通透性和凋亡的功效,抑制細胞增殖,從而修復腎上皮細胞的缺氧損傷,為腸上皮細胞提供能量調節炎癥途徑以實現抗炎作用,同時也可以減輕環磷酰胺誘導的腸黏膜屏障損傷。心血管系統是CRF潛在的危險因素,同樣SCFAs也能通過調節糖脂穩態、降血壓等對其進行干預[39]。研究顯示,巖藻多糖可通過介導共生菌群的組成變化,有益的影響宿主的腸道條件,顯著增加菌群多樣性,抑制有害菌增殖,降低結腸上皮細胞的通透性,及中性粒細胞和促炎巨噬細胞浸潤的影響,從而減輕AKI的嚴重程度,誘導免疫調節,幫助保護腎臟[40]。此外,由于CRF患者體內活性氧自由基的增加,促使氧化應激破壞腸道屏障。巖藻多糖能夠呈劑量依賴性下調巨噬細胞中的TNF-α、IL-β和IL-6,從而提高抗氧化酶活性,保護腸道免受氧化應激的損傷,抵御腸源性尿毒癥毒素的跨膜移位[41]。

因此,巖藻多糖主要通過增加SCFAs的產生、抵抗氧化應激、增加有益菌的定植、調節菌群豐度等對腸道進行有益調節,從而避免CRF破壞GM微生態。

5 結語與展望

綜上所述,巖藻多糖具有天然的微生態調節能力。一方面,巖藻多糖能夠靶向的提高腸道中有益菌的比值和數量,抑制有害菌的增殖,保護腸道修復腸屏障受損,維持腸道與宿主共生;另一方面,巖藻多糖經人體消化、分解,最終形成其他具有生物活性的物質并發揮特殊的生物學功能。

目前研究表明,CRF與GM之間具有雙向調節作用。因此,通過干預GM治療CRF是潛在的新靶點。巖藻多糖的低毒性和抗氧化特性使其成為一種天然的治療藥物或輔助藥物。在對CRF和GM失調均表現出顯著的調節能力,可作為一種潛在的功能性膳食補充劑。但對于巖藻多糖干預GM治療CRF的研究,僅限于對GM的活性驗證和菌屬比例來判斷GM的調節功能,缺乏對影響宿主整體的作用機制研究。其次,巖藻多糖對調節GM的物質結構基礎治療CRF尚不明確。因此,未來需開展更多有關巖藻多糖對GM進入人體腸道內的代謝方式和代謝產物作用的研究,進一步明確巖藻多糖的活性成分干預GM治療CRF的作用機制,闡明巖藻多糖對GM和CRF三者之間的構效關系。