基于“腸道菌群-線粒體自噬”探討“從脾論治”痛風性腎病*

佟穎,范濤,王南玉,高一然,李玉珩

1.黑龍江中醫(yī)藥大學附屬第一醫(yī)院,黑龍江 哈爾濱 150040; 2.黑龍江中醫(yī)藥大學,黑龍江 哈爾濱 150040

尿酸是嘌呤代謝和核苷酸代謝的廢棄產(chǎn)物,其排泄過程有1/3發(fā)生在胃腸道,2/3發(fā)生在腎臟[1]。當尿酸生成增加或排泄不足時便會引起高尿酸血癥。高尿酸血癥作為全球第二大代謝性疾病,其與腎臟疾病的發(fā)生密切相關[2]。長期的高尿酸血癥會誘發(fā)尿酸鹽結晶在腎小管、腎髓質(zhì)、腎間質(zhì)中沉積,引起腎小管炎癥,最終導致痛風性腎病(gouty nephropathy,GN)[3]。正常情況下,尿酸的產(chǎn)生與排泄始終處于一種平衡狀態(tài),在此過程中,脾、腎、腸道菌群,甚至線粒體發(fā)揮著至關重要的作用。中醫(yī)學認為,尿酸屬“濁”邪范疇,血尿酸在人體內(nèi)大量堆積,化為尿酸濁邪,形成血濁[4]。濁邪的產(chǎn)生與脾胃相關,若脾虛運化失常,濕痰瘀互結,形成濁邪,久積于腎,最終形成GN。因此本文將基于“腸道菌群-線粒體自噬”探討“從脾論治”GN的科學內(nèi)涵,為GN的防治提供理論依據(jù)。

1 脾虛與腸道菌群的關系

《素問·太陰陽明論》載:“脾與胃以膜相連耳,而能為之行其津液。”脾主運化,谷食和水飲入胃,經(jīng)胃腐熟,化為食糜,下傳小腸以作進一步消化。但此過程必須有脾氣的推動才能完成。《素問·玉機真臟論》注:“脾為孤臟,中央土以灌四傍。”將營養(yǎng)傳輸于他臟,以使諸臟腑發(fā)揮正常生理機能。《素問·臟氣法時論》言:“脾病者,虛則腹?jié)M腸鳴,飧泄食不化。”脾胃升清降濁,二者相互為用,相反相成。若脾氣虛弱不能升清,濁氣亦不得下降,便可見腹瀉、便溏等腸道癥狀[5]。故脾虛與腸道菌群失衡密切相關[6]。Yi等[7]研究證明,經(jīng)番瀉葉誘導的脾虛模型大鼠腸道菌群的門、目、科和屬分類水平存在差異菌群,其中氣球菌、變形桿菌、蘇黎世桿菌屬等有害菌屬豐度顯著增加;由健脾益胃功效的大棗提取物治療后,發(fā)現(xiàn)大棗提取物可以通過減少棒狀桿菌、變形桿菌、氣球菌和摩根菌等病原微生物的數(shù)量,調(diào)節(jié)脾虛引起的腸道菌群失衡,進而改善和緩解脾虛大鼠的癥狀。有研究也證實,在脾虛綜合征模型小鼠腸道中,乳酸桿菌、雙歧桿菌等有益細菌的數(shù)量與小鼠脾虛綜合征癥狀的嚴重程度呈負相關,經(jīng)黨參多糖治療后,菌群分布異常得到明顯改善[8]。故腸道菌群紊亂是中醫(yī)學“脾虛”的重要生物學基礎[9]。

2 脾虛與線粒體自噬的關系

脾主運化是飲食物代謝過程的中心環(huán)節(jié),《素問·平人氣象論》云:“人以水谷為本,故人絕水谷則死,脈無胃氣亦死。” 脾胃通過將水谷中的精微運至全身,維持后天的生命活動。線粒體被譽為“能量工廠”,主要執(zhí)行與細胞代謝有關的許多功能,它們通過電子傳遞鏈和氧化磷酸化系統(tǒng)為細胞活動提供能量,在維持人類生命活動中起著關鍵作用[10]。然而,線粒體容易受損,導致線粒體功能障礙和細胞穩(wěn)態(tài)的破壞,這與多種疾病的發(fā)生密切相關,如心血管疾病、癌癥、代謝障礙性疾病、感染等[11]。因此,維持線粒體數(shù)量和質(zhì)量的穩(wěn)定是治療各種疾病的先決條件[12]。在此過程中,受損的線粒體需要立即分離并選擇性地去除。線粒體自噬可以消除機體功能失調(diào)的線粒體,維持線粒體環(huán)境的平衡[13]。自噬系統(tǒng)靶向受損的線粒體,并將其遞送到溶酶體進行降解[14]。這種分解代謝過程便稱為線粒體自噬,對于維持線粒體和細胞穩(wěn)態(tài)至關重要[15]。細胞通過幾種非冗余機制執(zhí)行線粒體自噬,包括PTEN誘導激酶1 (PTEN-induced putative kinase 1,PINK1)/帕金蛋白(Parkin)途徑依賴的線粒體自噬,以及應激誘導的Nip3樣蛋白X (NIP3-like protein X,Nix)、BCL2相互作用蛋白3(BCL2-interacting protein 3 Like,BNIP3L)、含F(xiàn)UN14結構域蛋白1 (FUN14 domain-containing protein 1,FUNDC1)等線粒體外膜(mitochondrial outer membrane,OMM)蛋白直接與微管相關蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3,MAP1LC3)結合而啟動的線粒體自噬[16]。然而,線粒體自噬是可以被抑制的。有研究證明,刪除關鍵的線粒體自噬基因PINK1和Parkin,可以選擇性抑制線粒體自噬[17]。除此之外,線粒體自噬抑制或溶酶體降解受損的藥理學或遺傳學表現(xiàn)一直與通過環(huán)鳥苷-腺苷合酶(cyclic GMP-AMP synthase,cGAS)、炎癥小體和Toll樣受體9(Toll-like receptor 9,TLR9)的信號傳導增加相關[18]。并且,線粒體自噬抑制伴隨著由不可恢復的線粒體功能障礙驅(qū)動的全面炎癥反應[19]。這直接導致受損的線粒體不斷堆積,使線粒體活性氧(mitochondrial reactive oxygen species,mtROS)等代謝產(chǎn)物生成增加。而受損堆積的線粒體成分和代謝產(chǎn)物可以作為損傷相關分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs)[20],影響線粒體穩(wěn)態(tài)。

中醫(yī)學“脾”與線粒體關系密切[21]。通過電鏡觀察脾虛證患者胃黏膜細胞線粒體的變化,發(fā)現(xiàn)脾虛患者胃黏膜壁細胞線粒體數(shù)目減少,進而提出了中醫(yī)脾-線粒體相關學說。脾虛常導致線粒體形態(tài)和功能異常[22]。由于線粒體自噬是一種選擇性的清除形式[15],而在脾虛誘導下產(chǎn)生的大量受損線粒體,不足以自我清除時,便極有可能導致線粒體自噬機制的紊亂。劉璐菘等[23]研究證明,脾虛模型大鼠胃黏膜細胞線粒體結構和功能損傷與PINK1-Parkin通路抑制所導致的線粒體自噬水平低下有關。這便說明脾虛可以影響線粒體自噬。

3 脾虛與GN的關系

中醫(yī)學認為“脾乃后天之本,腎乃先天之本”,兩者不僅在生理上協(xié)調(diào)互濟,而且在病理上互相影響。脾通過其運化功能,將水谷轉(zhuǎn)化為精微,傳輸至全身,化為精、氣、血、津液,營養(yǎng)臟腑、經(jīng)絡、四肢百骸等,使其發(fā)揮正常的生理機能。《素問·痹論》曰:“飲食自倍,腸胃乃傷。”嗜食肥甘厚味、飲酒無度,易生濕、化痰、助火,致使脾胃氣機升降受阻,痰濕困于脾,脾失健運,日久則成瘀[24]。濕痰瘀等互結成“濁”,濁邪日久入血則成“血濁”,積于脈中,排出障礙,可引起尿酸異常沉積[25]。現(xiàn)代醫(yī)學也指出,GN與進食過多高嘌呤食物、過量飲酒等關系密切。人體津液代謝過程中,不僅靠脾氣之轉(zhuǎn)輸,而且靠腎氣之推動。津液在腎氣的蒸化推動下,清者經(jīng)脾達肺,濁者化而為尿,下輸膀胱。脾失健運,水濕內(nèi)生,可致腎虛,進而影響腎的氣化功能。津液不化,引起水液代謝障礙,出現(xiàn)尿少等現(xiàn)象,尿少不足以將濕痰瘀等尿酸濁邪及時排出體外,致使尿酸升高。尿酸久積于腎,傷及腎臟,發(fā)生GN。對于脾腎之關系,《本草綱目》載:“腎氣虛者,脾氣必弱;脾氣弱者,腎氣必虛。”孫升云教授也指出從脾治腎或脾腎同治是中醫(yī)治療腎臟病的重要內(nèi)容[26]。

4 腸道菌群-線粒體自噬-GN

4.1 腸道菌群失衡影響線粒體自噬腸道菌群與線粒體之間的相關性可以追溯到α-變形桿菌[27]。線粒體與細菌具有同源特征,細菌和線粒體蛋白靶向序列表現(xiàn)出相似性和密切譜系,導致線粒體成為腸道菌群的靶點[28]。脾虛致腸道菌群失調(diào),破壞腸道屏障,使腸道通透性增加,有害物質(zhì)和病原體易位到血液中。作為回應,身體產(chǎn)生細胞因子和其他介質(zhì),有效地激活炎癥反應[29]。因此,與線粒體相關的先天免疫激活是腸道菌群的重要靶標[30]。已有研究證明,腸道菌群及其代謝物的改變會誘導線粒體中ROS的積累,并導致氧化應激和線粒體損傷[31]。線粒體損傷激活了線粒體自我清除機制,導致線粒體自噬。近期研究發(fā)現(xiàn),利福昔明作為一種不可吸收的抗生素,可以重塑腸道菌群,而腸道菌群在循環(huán)中產(chǎn)生短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFA),能夠充當調(diào)節(jié)自噬的信號分子[32]。這在一定程度上證實了腸道菌群可以影響線粒體自噬。至于腸道菌群紊亂影響線粒體自噬的具體機制還需進一步研究。

4.2 線粒體自噬是影響GN的重要因素在GN進展過程中,發(fā)現(xiàn)GN患者的NOD樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3,NLRP3)炎癥小體水平明顯高于正常人[33]。而尿酸作為一種內(nèi)源性DAMPs可以激活NLRP3炎性小體[34],這可能是尿酸通過mtROS的產(chǎn)生和線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)變化的機制來協(xié)調(diào)NLRP3炎癥小體激活[35]。NLRP3的寡聚化激活半胱天冬酶-1(caspase-1),活化的caspase-1切割細胞內(nèi)白細胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)和IL-18前體,形成成熟的IL-1β和IL-18[36]。它們可以介導炎癥、細胞凋亡和壞死并引起炎癥級聯(lián)反應[37]。最終導致腎小管上皮細胞的損傷,促進GN的發(fā)展。值得注意的是,線粒體在整個過程中扮演著重要的角色。線粒體受損的促炎特征是氧化應激,氧化的mtDNA和mtROS釋放到細胞質(zhì)中與NLRP3相互作用[38]。而敲除線粒體轉(zhuǎn)錄因子A (mitochondrial transcription factor A,mtTFA)去除mtDNA會抑制NLRP3活化和IL-1β表達[39]。作為線粒體質(zhì)量控制機制的線粒體自噬,能介導先天免疫并防止 NLRP3 的過度刺激和多余炎癥[40]。而當線粒體自噬紊亂,會導致受損和功能失調(diào)的細胞器的積累,這些細胞器可作為ROS生產(chǎn)者,并對細胞造成危險[41]。這間接說明了線粒體自噬治療GN的可能分子機制。除此之外,已經(jīng)證明線粒體損傷誘導的mtDNA泄漏到細胞質(zhì)時可以與cGAS結合,催化環(huán)鳥苷酸-磷酸腺苷(cyclic GMP-AMP,cGAMP)的合成,隨后促進干擾素刺激基因(stimulator of interferon gene,STING)刺激物的激活,這是導致腎臟炎癥、損傷和纖維化的關鍵因素[42]。STING作為調(diào)節(jié)炎癥和免疫反應的重要分子,刺激NLRP3的活化并促進成熟炎癥細胞因子的釋放[43]。更重要的是,STING在腎臟疾病中表現(xiàn)出促炎作用。在一項有關尿石素A治療高尿酸血癥腎病模型小鼠的實驗中發(fā)現(xiàn),尿石素A通過抑制STING-NLRP3誘導的炎癥反應和恢復PINK1/Parkin介導的線粒體自噬改善高尿酸血癥性腎病[44]。

4.3 腸道菌群與GN的雙向聯(lián)系眾所周知,腸道是尿酸排泄的重要器官,尿酸代謝障礙不僅誘導了GN的發(fā)生,而且極有可能影響到腸道菌群。腸-腎軸理論認為腸道菌群的紊亂能夠引起腸道屏障功能受損及全身微炎癥反應,進而加重慢性腎臟病進程[45]。腸-腎軸理論很好地解釋了腸道菌群與腎臟疾病之間的雙向聯(lián)系[46]。一方面,腎功能受損可能導致腸道菌群失調(diào)[47],另一方面,腸道菌群的改變使內(nèi)毒素和細菌代謝物通過破壞腸黏膜屏障從腸道易位到體循環(huán)中,誘導全身炎癥,從而加速腎損傷[48]。正常情況下,健康的腸道菌群主要由厚壁菌門和擬桿菌門組成[49]。最近一項關于腸道菌群與GN關聯(lián)的研究顯示,GN模型大鼠腸道菌群中厚壁菌門豐度降低,變形菌門豐度增加,出現(xiàn)腸道菌群失調(diào)[50]。前期研究也證實,GN模型小鼠腸道菌群中,擬桿菌屬、蘇黎世桿菌屬豐度升高,而乳酸桿菌、杜氏桿菌、毛螺球菌屬豐度降低[51]。這無疑直接證明GN與腸道菌群之間存在密切的聯(lián)系。

5 結語

盡管目前GN的機制研究和治療方法一直在不斷改善,但其依然是全球難治愈性疾病。本文綜述了在GN進展過程中與中醫(yī)脾臟、腸道菌群、線粒體自噬之間存在的密切聯(lián)系。通過健脾可助尿酸濁邪代謝平衡,調(diào)節(jié)腸道菌群,促進線粒體自噬,從而預防和治療GN。而在整個過程中“腸道菌群—線粒體自噬”發(fā)揮著重要的樞紐作用。線粒體和細菌的相似性,注定了其與腸道菌群存在必然的聯(lián)系。中藥因其多靶點和全身治療的優(yōu)勢在我國被廣泛使用,能夠同時調(diào)節(jié)腸道菌群和包括線粒體自噬在內(nèi)的多種線粒體生理過程。腸道菌群不僅被證明是調(diào)節(jié)機體代謝的內(nèi)分泌器官,而且能調(diào)節(jié)天然化合物的生物轉(zhuǎn)化,提高生物利用度。重要的是,脾虛與腸道菌群和線粒體自噬之間的相互作用,建立了一個影響GN發(fā)展的免疫和代謝網(wǎng)絡,這有可能是中藥防治GN的潛在靶點。然而,其之間因果關系尚未明確,需要進一步分析。以中醫(yī)理論為基礎,通過宏基因組、代謝組學等現(xiàn)代研究闡明其關系,為中醫(yī)治療GN提供新的分子生物學依據(jù)。