肠道菌群与肾移植

高佩娟 崔 娟 综述 陶 冶 审校

人体内含有丰富的微生物群落,遍布于呼吸道、消化系统、皮肤表面,甚至外周循环系统,数量极其丰富[1]。粪便中微生物含量1013～1014/g,其中70%的微生物来自于结肠[2]。粪便的微生物构成可近似看作肠道黏液层的微生物构成,从而间接反映肠道菌群的构成,成为了近年来研究热点。肠道微生物群落在机体代谢、免疫性疾病、感染性疾病及肿瘤的发生和进展等各个方面均有参与，其组成与人体的健康以及疾病状态密切相关。肾移植是终末期肾病(ESRD)患者的首选治疗方式,随着新型免疫抑制剂的使用,肾移植受者的短期预后及长期存活都较以往有所改善,但肾移植术后相关并发症如排斥、慢性移植肾肾病、腹泻、感染等仍然是限制其长期存活的关键因素。近年来随着肠道菌群的研究进展,从改善肠道菌群构成、补充微生态制剂来缓解肾移植术后相关并发症不失为一种经济有效的干预措施。

肠道菌群与肾功能

正常人肠道细菌大部分属于厚壁菌门和拟杆菌门,放线菌门、变形菌门、梭杆菌门、疣微菌门相对丰度较低,肠道菌群的数量、构成随着消化道部位的不同而有所差别[3]。在慢性肾脏病(CKD)患者中,小肠细菌过度生长(SIBO)较为常见,主要是致病性的肠杆菌科增多[4],并且与健康人群及早期CKD患者相比,ESRD患者体内菌群失调更为明显,尤其是产丁酸盐的细菌数量明显减少,而丁酸等短链脂肪酸(SCFAs)作为肠道菌群的代谢产物之一,不仅为肠道黏膜提供能量,维护肠道屏障完整性及功能,还可减轻炎症及氧化应激、抗肿瘤、调节细胞免疫应答等[5]。尿毒症毒素中,硫酸吲哚酚(IS)、对甲酚硫酸盐(PCS)是最主要的肠源性毒素,近年来氧化三甲胺(TMAO)因其心血管毒性也备受关注[6],肠源性尿毒症毒素与肠道微生物群组成结构失调密切相关,不仅加重CKD患者体内氧化应激、炎症状态、心血管死亡风险等,同样也影响了肾移植受者存活。一方面部分尿毒症毒素是肠道细菌的代谢产物,另一方面肠道菌群失调导致肠源性毒素累积、肠壁完整性破坏、肠道菌群易位入血,进一步加重了恶性循环。从改善肠道菌群失调方面来延缓肾功能恶化有望成为CKD及移植肾功能不全患者治疗的新靶点。

肾移植术后肠道菌群变化

肾移植受者围术期经历了抗生素使用、手术应激、大剂量免疫抑制剂、内环境变化、饮食改变、抑酸剂使用等一系列过程,均可影响肠道微生物的分布及构成。迄今为止已有多项研究调查了包含肾移植在内的实体器官移植前后肠道菌群的变化,发现与术前相比,移植后肠道菌群主要表现多样性降低、基线优势菌群丰度下降以及新优势菌群出现;出现新优势菌群的往往意味着感染风险增加[7]。与术前及健康对照组相比,肾移植受者肠道菌群谱的变化主要为变形杆菌门、肠杆菌目增加,产丁酸细菌(普拉梭菌属、直肠真杆菌、灵巧粪球菌、陪伴粪球菌、罗斯氏菌、Gemmiger formicilis等)的显著减少,这一变化趋势可持续至术后1年以上[5]。

肠道菌群与术后并发症

研究表明,肠道菌群失调在肾移植术后并发症发生时尤为明显,包括排斥、感染、腹泻等,器官移植术后变形菌门的增加往往与不良健康状态相关[8]。肠道菌群或许可作为反映移植物状态的指标来预测并发症发生,但是两者之间的相互机制和因果效应仍然需要深入研究。

排斥尽管现有的免疫抑制药物更有效、更安全,排斥反应仍然是移植肾失功的一个重要的因素和主要原因。越来越多的证据提示肠道菌群与免疫系统存在相关性[9]。动物试验也证明肠道定植菌群能够增强抗原呈递细胞对主要的同种异体反应性T细胞的作用,加速移植物排斥反应的发生[10]。在移植术后发生急性排斥反应的患者中,肠道菌群组分中乳杆菌目、肠球菌科、肠球菌属及厌氧细杆菌属丰度明显增加,而梭菌目、毛螺菌科、毛螺菌科有些未分类菌属及拟杆菌门、拟杆菌属等丰度显著减少[11]。不同器官发生移植后排斥反应时的肠道菌群谱变化,各项研究并不相同[7]。既往动物试验中尝试在移植术前使用抗生素进行预处理,可延迟主要抗原错配的皮肤移植及MHC-Ⅱ类分子错配的心脏移植的排斥反应发生[10]。由此可见,肠道微生物的成分或可预示着排斥反应的发生,通过靶向改变肠道菌群的组成或可成为提高移植物的免疫耐受策略之一。

感染肾移植术后肠道菌群谱的变化,特别在大剂量免疫抑制剂作用下,新的优势菌群易成为感染的来源,并且围术期禁食、应激等因素引起肠黏膜屏障破坏,促进了肠道细菌易位入血。研究发现肠球菌尿路感染的患者粪菌中肠球菌明显增多[11]。围术期抗厌氧菌抗生素的使用显著降低了产丁酸盐细菌的相对丰度,而产丁酸盐细菌的高相对丰度与肾移植术后2年内呼吸道病毒感染发生率呈负相关,但暂未发现和巨细胞病毒血症、多瘤病毒血症存在类似关系[12]。在血液病淋巴瘤患者中也发现肠道菌群失调往往伴随血流感染的增加,特别是致病菌的定植引起感染、死亡风险的升高[13]。而对肝移植及造血干细胞移植患者口服不易吸收的抗生素进行选择性“去污”可一定程度上减少术后短期内细菌特别是革兰阴性菌及真菌感染的发生,但目前缺乏肾移植受者的临床试验[14-15]。

腹泻腹泻是肾移植术后常见并发症,发生率高达20%,可能导致脱水、营养不良、免疫力进一步降低,严重影响患者生活质量,并最终增加移植物丢失和死亡风险[16]。大部分移植后腹泻为非感染性腹泻,并未发现明确病原体[16]。既往普遍认为肾移植术后腹泻是免疫抑制剂的不良反应,但是近年来研究表明与肠道菌群失调紧密关联。研究提示与非腹泻标本相比,腹泻标本的特点是微生物多样性较低,共生菌分类群的相对丰度较低,被鉴定为显著降低的类群中,许多属于共生梭菌,为结肠细胞贡献丁酸,而肠球菌属、埃希氏菌属、Lachnoclostridium菌属的相对丰度显著升高;在非移植受者,腹泻期间共生细菌的含量也同样较低[16]。推测肠道中共生细菌类群的显著减少引起代谢紊乱状态从而导致了腹泻。

移植后糖尿病(PTDM)PTDM是肾移植术后常见并发症,发生率20%～30%[17]。免疫抑制药物引起的β细胞功能障碍是其主要原因。近年来研究发现,PTDM患者常合并肠道菌群组分改变,拟杆菌能促使机体更有效地获取和利用碳水化合物,双歧杆菌含有编码多种糖基水解酶的基因,帮助宿主利用多聚糖。肾移植术后肠道菌群中拟杆菌和双歧杆菌丰度的下降可能也参与了PTDM的发生[18]。另有研究显示与非新发糖尿病患者相比,PTDM患者肠道菌群组分中乳酸菌丰度增高,同时伴Akkermansia muciniphila(Akk菌)丰度显著下降[19]。在普通人群中也证实,肠道微生态失调通过引起肠道通透性增加、内毒素血症、SCFAs和支链氨基酸水平改变以及干扰胆汁酸代谢等,可能参与了胰岛素抵抗及2型糖尿病的发生;合理的运动可能通过影响肠道菌群构成而改善胰岛素抵抗[20]。

改善肠道微生态在肾移植的应用

受到供肾质量等多方面因素影响,术后移植肾功能不一定能够完全代偿,并且随着排斥、感染、腹泻及慢性移植肾肾病等并发症的出现,移植肾功能会逐渐下降。有益于CKD群体的干预措施同样适用于肾移植受者,特别是伴蛋白尿、移植肾功能不全的受者。基于肠道菌群与机体代谢、免疫等多方面的关系,合理地调整膳食,辅以微生态制剂等,促进有益共生细菌的生长,调节肠道健康,以期能够改善肾移植术后并发症,改善移植肾受者生活质量及长期预后。

合理营养肾移植受者多合并高血压,且因术后营养改善、长期使用免疫抑制剂，常伴脂代谢、血糖异常及体重增加,增加心血管疾病和CKD风险。故肾移植受者应遵循低盐、低脂、低糖、适量优质蛋白及膳食纤维的饮食原则。碳水化合物是肠道益生菌的主要调节者,特别是不被小肠消化吸收的可食用多糖类化合物——膳食纤维,可提高双歧杆菌、乳酸菌、Akk菌等益生菌丰度,改善肠道菌群多样性,缓解肠道菌群失调[21]。蛋白质和脂肪的种类及数量同样影响肠道菌群构成,地中海饮食或者较低蛋白摄入,可增加肠道中产丁酸盐细菌数量,减少致病性肠杆菌科,降低体内肠源性尿毒症毒素IS、PCS等的水平,恢复肠道的通透性[22],延缓肾移植受者肾功能进展、降低PTDM及死亡风险[23];高蛋白饮食会降低肠道内益生菌丰度[21]。高脂饮食,特别是高饱和脂肪酸,可降低双歧杆菌和Akk菌等益生菌数量,增加厚壁菌门/拟杆菌门比值,而不饱和脂肪酸作用恰好相反[21]。动物试验还证实微量营养素如维生素、矿物质、多酚等可影响肠道菌群的组成(图1)[21]。

图1 宏量及微量营养素对肠道菌群的影响[21]

微生态制剂目前的微生态制剂包括益生菌、益生元、合生元等。益生菌是指摄入足够数量时对宿主健康有益的活的微生物,主要来源于乳酸菌属、双歧杆菌属,以及酵母菌、大肠杆菌、芽孢杆菌等[24]。益生元是指对机体有益的、不易消化的、部分细菌的发酵底物,通常指低聚果糖、半乳糖、乳果糖等,也包括一些非碳水化合物[25]。合生元则是两者的结合。研究表明,益生菌可调节肠上皮屏障防御功能、增强黏膜免疫,影响细胞增殖、病原体清除、宿主代谢和信号通路[26]。肾移植受者服用乳酸杆菌制剂不仅能预防和治疗腹泻,在接受抗生素及免疫抑制剂治疗的同时还能够预防艰难梭菌感染[27],动物试验中还观察到能够减轻氧化应激和炎症,延缓小鼠动脉粥样硬化进展[28]。肾移植受者服用益生元及合生元,不仅可促进双歧杆菌、乳酸杆菌等益生菌生长,还能降低血浆尿毒症毒素IS、PCS的水平、提高SCFAs水平、促进下游胰高血糖素样肽1(GLP-1)分泌,有益于控制体重、糖尿病和高血压[3,29-30]。后生元,是相对较新的概念,指在宿主体内具有生物活性的非活菌组分或益生菌的代谢副产物,如维生素、SCFAs、细胞表面蛋白、酶等[31]。由于益生菌在危重症及免疫力极度低下人群中有引起机会性感染的风险[24],后生元的益生作用越来越受关注,尤其SCFAs的作用。

粪便微生物菌群移植(FMT)FMT是将“健康”供者的粪便转移到由于结肠微生物异常导致相关性疾病的受者体内,其目标是恢复机体“健康”的微生物群落,重建肠道的生态平衡[32]。FMT在复发性艰难梭菌感染的治疗中取得了比传统药物万古霉素、非达霉素更好的效果,并在炎症性肠病、肥胖和代谢综合症、慢性疲劳综合症、帕金森病及多发性硬化症等其他疾病中也有所应用[32]。近年来也用于包括肾移植术后难治性腹泻、艰难梭菌感染甚至复发性尿路感染的治疗,取得良好效果[33-34]。但多数研究为个案或系列病案,尤其在器官移植并发症方面,缺乏大型随机对照试验,且FMT可引起轻度自限性腹部不适、痛性痉挛、腹胀、腹泻、便秘,以及内镜操作引起的穿孔、出血并发症,特别是在免疫缺陷人群中,有引起感染甚至败血症的风险,甚至传播一些难以筛查和检出的疾病,但是目前研究中并未发现严重不良反应的发生。

小结：随着细菌基因组学检测技术的快速发展,对肠道微生物与疾病状态的认识也逐步提高,肠道菌群对于人体的影响早已超越消化道范畴。尽管多项研究发现肠道菌群与器官移植存在一定相关性,但其具体机制仍不甚明确,肠道菌群个体差异大,需要更大样本群体来验证。目前肠道菌群的研究大部分是以粪便或直肠拭子间接反映肠道微生物组成,其是否真实反映肠道微生物群体组成还有待进一步明确。现在研究多为个案或者小样本研究,随访时间短,尤其是治疗方面,缺乏大规模的临床试验,相关治疗方案的有效性、安全性和耐受性还需要进一步明确。