糖尿病腎病與腸道菌群最新研究進展

云志飛,楊文昊,李倩玉,劉 鋒

(吉林大學中日聯誼醫院 腎病診療中心,吉林 長春130033)

目前,中國已成為全球糖尿病患者最多的國家[1],隨著糖尿病人群迅速增加,糖尿病腎病(DN)的發病率也逐步上升。在健康個體中,腸道菌群處于動態平衡狀態;而當這種平衡被破壞時,就會產生各種疾病。繼2011年國際透析大會首次提出“腸-腎軸”概念后[2],越來越多的學者把目光聚焦在腸道菌群對DN的作用機制方面。目前針對DN和腸道菌群關系的研究已經成為一個重要的突破口,糾正腸道菌群失調可能成為干預和治療DN的新靶點。

1 DN患者腸道菌群的組成

腸道中的大量不同種類細菌統稱為腸道菌群。通過現代測序技術分析,腸道細菌數量高達100萬億,遠高于人體的細胞總數[3],被稱為人體 “第二大腦”[4]。腸道菌群主要來自7個分支:厚壁菌、擬桿菌、放線菌、梭桿菌、變形菌、疣狀桿菌和藍藻,其中90%以上是擬桿菌和厚壁菌[5]。腸道菌群的組成受宿主因素的影響,如飲食、基因、年齡、地理環境、衛生習慣、精神因素、運動及藥物等[6-8]。腸道菌群在腸道內不均勻分布,需氧菌主要位于小腸,而厭氧菌大多分布在結腸[9]。腸道菌群可以通過自身成分結構或者衍生的代謝物質來影響宿主的生理功能,同時還能進入體內循環中作為信號分子影響遠端非腸道器官,這種腸道菌群與遠端器官的相互作用,被稱作“新的虛擬代謝器官”。腸道菌群廣泛參與能量吸收、營養代謝、免疫反應、認知發育等多個過程[10]。當腸道菌群結構及代謝失衡時,可能引起心血管疾病、腫瘤、肝衰竭以及腎臟病等多種疾病[11-13]。

2 腸道菌群失調在DN中的發病機制

2.1 慢性低度炎癥加速DN進展

DN患者腸道菌群中,革蘭陰性細菌增多導致血清中脂多糖(LPS)水平升高,激活體內免疫細胞的Toll樣受體(TLR),通過病原體相關分子模式(PAMPs)觸發促炎級聯反應[14],導致炎癥相關因子如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素-1(IL-1)、白細胞介素-6(IL-6)等釋放增加,激活氧化應激和NF-κβ等多種傳導通路誘發全身微炎癥,加速DN 患者腎功能惡化[15]。另外,腎臟組織內也表達TLR,包括LPS和其他菌群產物在內的免疫炎癥物質可以導致腎細胞TLR2/4過度表達,從而導致足細胞受損,破壞腎小球濾過屏障[16]。腸道是由機械屏障、化學屏障、免疫屏障和微生物屏障構成的半透性屏障。除了發揮消化、吸收等功能外,還能限制細菌和有毒代謝物質進入門靜脈[17]。當DN患者腎小球濾過率下降時,體內蓄積的代謝廢物能透過腸壁破壞腸道屏障,如尿素潴留導致對氨的重吸收增加,使腸道連接蛋白如claudin-1、occludin和zonula occludens-1(ZO-1)丟失,破壞由腸道上皮細胞緊密連接形成的機械屏障;同時,氨轉化為氫氧化銨改變腸道pH值加重腸道機械屏障損傷,造成“腸漏”現象[18]。腸道屏障受損后,腸道菌群發生移位進入黏膜下組織進一步啟動增加活性化學炎癥介質的釋放,加速腎臟炎癥和糖尿病腎損傷。同時,DN患者腸道中變形桿菌等條件致病菌增加,通過釋放外膜囊泡傳遞LPS和調節細胞炎癥反應損傷腎小管間質[19]。

2.2 腎素-血管緊張素-醛固酮系統(RAAS)的過度激活促進DN

RAAS的過度激活通過改變腎臟的血流動力學,破壞內皮功能等多重機制導致腎小球濾過屏障及腎小管損傷,被認為是DN發病的關鍵步驟[20]。除了循環中的腎素-血管緊張素,許多組織,如子宮、胎盤都有局部RAAS,腎臟局部RAAS濃度遠高于循環中的[21]。越來越多的證據表明,腸道菌群是各種血管緊張素II(Ang II)相關病理狀態的有效生物調節劑[22]。DN患者體內的高糖狀態不僅能直接刺激腎素和血管緊張素原的產生,還能上調血管緊張素轉換酶、血管緊張素受體的mRNA水平,使腎局部Ang II濃度大幅度增加,過度激活腎內RAAS系統造成腎組織損傷[23]。與Ang II相關的腸道菌群失調主要表現為產生丁酸鹽的細菌減少和產生乳酸的細菌數量增加[24]。在Ang II誘導的高血壓小鼠中,變形菌門過度表達[25],間接促進三甲胺-N-氧化物(TMAO)的產生[26]。在血管緊張素轉換酶抑制劑干預下,產生短鏈脂肪酸(SCFAs)的菌群增多,可能和降低血壓機制有關[27]。然而,一些丙酸生成細菌,如擬桿菌,在Ang II誘導的高血壓小鼠中富集,其代謝物琥珀酸和G蛋白偶聯受體91(GPR91)結合后蓄積在遠端腎單位-集合管中,誘導致密斑細胞中腎素的釋放激活腎局部RAAS系統[28]。同時有相關動物實驗指出補充腸道菌群可以防止Ang II誘導的小鼠出現高血壓器官損傷(如高血壓性心臟和腎臟損傷)[29]。腸道菌群和RASS系統之間的相互作用、相互調節的確切機制遠未解決,因此進一步探討二者之間的關系對DN的意義重大。

3 腸道菌群代謝物與DN

3.1 SCFAs生成減少

SCFAs是難以消化的復合碳水化合物如抗性淀粉或膳食纖維經腸道菌群發酵所形成的飽和脂肪酸。結腸中95%的SCFAs由乙酸、丙酸和丁酸組成[30]。腸道菌群失調導致SCFAs缺乏。SCFAs不僅可以作為供給腸黏膜上皮細胞的能量來源,還能作為信號轉導分子參與代謝調節和免疫反應從而影響DN進程。SCFAs可以通過激活胰島β細胞上表達的SCFA受體-游離脂肪酸受體2(FFA2)/GPR43和游離脂肪酸受體3(FFA3)/GPR41[31],調節機體炎癥反應和糖脂代謝水平。丁酸鹽可以刺激腸道L細胞釋放胰高血糖素樣肽-1(GLP-1),增加胰島素敏感性,減少腎小管間質纖維化、改善腎小管上皮炎癥[32]。乙酸和丁酸還可以通過抑制氧化應激、NF-κβ通路糾正腎臟細胞線粒體的功能障礙,緩解糖尿病腎損傷[33]。SCFAs能激活腸上皮細胞的GPR43和GPR109A增加IL-18水平,促進隱窩腸上皮細胞分化并調節緊密連接蛋白的表達,維持腸道上皮完整性[34-36]。SCFAs通過G蛋白偶聯受體(GPCRs) 和組蛋白脫乙酰化酶(HDAC)調控網絡、IgA的分泌和 TLR調控宿主免疫[37]。糖尿病時NOD樣受體3(NLRP3 )炎性小體的激活,可促進IL-1β、IL-18等的釋放,誘導炎癥反應,促進DN的發生發展[38],丁酸作為SCFAs的一員,可以顯著減少NLRP3 炎癥小體形成[39]。研究證實丙酸可與嗅覺受體(Olfr78)結合減少腎素的分泌,進而拮抗局部RAAS改善腎臟的血流,是腸道菌群調控高血壓的靶向機制[40]。SCFAs作為一種信號分子,在代謝調節、保護腸道屏障、免疫反應、抑制RASS等方面起重要作用。

3.2 次級膽汁酸減少

膽汁酸是DN患者腎臟不良結局的獨立危險因素[41]。腸道菌群與膽汁酸互相作用,一方面腸道細菌在多個過程參與次級膽汁酸的合成代謝,另一方面,次級膽汁酸也影響腸道菌群的代謝與組成。膽固醇在肝臟合成結合膽汁酸,隨后進入腸道在具有膽汁鹽水解酶活性的菌群作用下去綴合生成游離膽汁酸,大部分游離膽汁酸參與肝腸循環,其中1%～2%在厚壁細菌的7α-脫羥基作用下轉化為次級膽汁酸。法尼酯X受體(FXR)和膽汁酸受體5(TGR5)在DN患者腎小管和腎小球細胞中表達下調[42]。FXR和TGR5在DN發生發展中起腎臟保護作用,FXR介導脂質代謝、氧化應激、炎性因子和纖維化生長因子等協同信號通路減少蛋白尿、減輕腎小球負擔和改善腎間質纖維化[43]。研究表明TGR5 mRNA的表達與DN進展呈負相關,但是與正常腎病理標本相比,DN患者的腎臟中TGR5 mRNA表達顯著減少[44]。TGR5信號通路的激活促進GLP-1分泌,通過增加胰島素敏感性、改善胰島素抵抗等機制改善腎臟氧化應激和纖維化實現腎臟保護作用[45]。特異性TGR5激動劑INT-777通過誘導線粒體生物合成、上調氧化應激抑制劑和脂肪酸β氧化誘導劑的表達,抑制腎臟中氧化應激和脂質堆積。FXR/TGR5雙激動劑INT-767在小鼠模型中被證實通過抑制脂肪酸和膽固醇代謝,減輕了足細胞損傷和系膜擴張,最終起到減少蛋白尿和腎纖維化的作用[43]。

3.3 硫化氫(H2S)減少

H2S是人體生理學中重要的體內氣體信號分子,可由腸道細菌還原硫酸鹽催化半胱氨酸產生。H2S具有舒張血管、降壓、抑制凋亡及炎癥、抗氧化、調節內質網應激等廣泛生理功能[46]。腎臟產生大量內源性H2S,約75%的腎細胞和87%的內皮細胞表達產生H2S的酶[47],最近在人類患者和實驗動物中報道了由于H2S合成酶缺乏導致的血漿H2S水平降低與腎臟疾病的嚴重程度相關[48]。近年研究發現,H2S合成減少在DN進展中起關鍵作用,DN小鼠模型的腎臟H2S含量明顯低于正常小鼠[49],目前已知H2S在腎臟的生理作用主要是調節腎臟血流、鈉鉀排泄和氧傳感器[47]。有證據表明在鏈脲佐菌素誘導的糖尿病動物模型中,大鼠腎功能在得到硫氫化鈉(H2S供體)治療后明顯改善[50]。H2S對DN的腎保護機制可能和抑制Na+-K+-2Cl-和Na+/K+-ATP酶等轉運體的活性及氧化應激有關[51]。生理條件下,內源性H2S可以改善腎臟排泄功能、逆轉RAAS系統過度激活延緩DN進展[52];在缺氧狀態下,可增加腎髓質的血流量[19]。目前H2S保護腎臟闡述較為明確的機制主要為核因子E2相關因子2(NRF2)通路、AMP依賴蛋白激酶(AMPK) 通路、氮氧化合物(NOX)通路[53]。但H2S調節線粒體代謝的信號通路及不同H2S濃度下發揮的生理作用尚未清楚,其對DN的潛在影響也需要更多研究的證實。

3.4 腸源性尿毒素蓄積

腸源性尿毒素由氨基酸或膽堿等經腸道菌群分解代謝生成,包括硫酸吲哚酚(IS)、硫酸對甲苯酯(PCS)、苯基硫酸酯(PS)和TMAO等[54]。PCS可激活RAAS系統及TGF/Smad 通路,誘導腎小管細胞發生上皮-間質轉化(EMT),最終導致腎纖維化[55]。血管緊張素轉換酶2-血管緊張素(1-7)-Mas受體軸具有擴張血管、利尿、增加腎灌注和抑制炎癥的作用[56]。IS能通過芳香烴受體/轉錄激活因子3(AHR/STAT3)途徑減少腎小管上皮細胞Mas受體的含量,破壞RAAS平衡[57];另外,IS可以使一氧化氮合成酶(eNOS)磷酸化失去活性,減少NO的生成,誘導內皮細胞氧化應激和衰老[58]。TMAO可能通過激活NLRP3誘導血管炎癥[59]、擾亂糖代謝[60]等機制促進DN病程進展。在早期慢性腎臟病患者血清中,TMAO水平明顯高于正常水平,且和胱抑素C水平呈正相關[61],將來有可能成為臨床評估早期腎損傷的指標。

總之,腸道菌群在DN發展過程中發揮的作用,基于“腎-腸軸”,采用飲食干預[62]、補充益生菌、益生元[63]或腸道菌群移植(FMT)[64]對腸道菌群實現靶向調節有望成為干預DN的有效方法。腸道菌群作為與人類共生的內在環境,影響機體代謝、免疫應答等諸多方面。總體來說,目前對腸道菌群與DN的認識尚不充分,隨著16SrDNA等基因測序技術的發展,腸道菌群在DN中的作用與分子信號機制將得到進一步探索。