肠道微生物与糖尿病视网膜病变的发生和发展

张璋 邹海东

摘 要 糖尿病视网膜病变是严重的致盲性眼病，机体内异常增高的氧化应激水平、持续低度炎症状态、“代谢记忆”效应等被认为是其主要发生机制。目前认为，饮食、肠道微生物与宿主代谢是高度关联和相互依存的。肠道微生物的代谢产物，如短链脂肪酸、次级胆汁酸等具有减缓糖尿病视网膜病变发生发展的潜能。这为通过干预定向改变肠道微生物的组成，以防控糖尿病视网膜病变提供了新视角。

关键词 糖尿病视网膜病变；肠道微生物；饮食干预；短链脂肪酸；次级胆汁酸

中图分类号：R587.2 文献标志码：A 文章编号：1006-1533（2020）20-0013-03

Gut microbiota and the occurrence and development of diabetic retinopathy

ZHANG Zhang1， ZOU Haidong1，2

（1. Department of Ophthalmology of Shanghai General Hospital， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 20080， China； 2. Shanghai Eye Disease Prevention and Treatment Center/Shanghai Eye Hospital， Shanghai， 200040， China）

ABSTRACT Diabetic retinopathy（DR） is a severe blinding disease. Abnormal increase of oxidative stress level， continuous low-grade inflammation and “metabolic memory” are considered as the main pathogenesis of DR. Nowadays， it is recognized that diet， gut microbiota， and host metabolism are highly correlated and interdependent. Metabolic products of gut microbiota， such as short-chain fatty acids and secondary bile acids， have the potential to decrease the incidence of DR. It provides a new perspective for controlling DR by changing the composition of gut microbiota through dietary intervention.

KEY WORDS diabetic retinopathy； gut microbiota； dietary intervention； short chain fatty acids； secondary bile acids

糖尿病（diabetes mellitus，DM）是一种常见的受遗传和环境影响的代谢异常性疾病。至2017年，全球确诊的成年DM患者已达到4.51亿人[1]。机体长期高血糖及胰岛素抵抗状态会导致全身微血管、大动脉及神经元细胞损伤，进而引起多组织多器官并发症，严重危害患者健康[2]。其中，糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy，DR）是最常见的并发症之一。早期DR可不损伤中心视力，患者常无自觉症状。此时若没有得到及时干预，DR可能会进一步发展，最终导致不可逆性视力损伤甚至致盲。因DR致盲的人数约占全球总失明人数的2.6%[3]，已成为严重的公共卫生负担。

1 DR的发病机制

根据眼底表现，临床上将DR分为非增殖期DR（non-proliferative DR，NPDR）和增殖期DR（proliferative DR，PDR）。视网膜毛细血管内皮细胞和周细胞构成了血-视网膜内屏障（inner blood-retinal barrier，iBRB）。DR的主要病理特征是高血糖引起的iBRB破坏，内皮细胞之间紧密连接丧失后大分子蛋白从血管内渗出。随后周细胞大量丢失导致管壁出现缺损，内皮细胞增殖修复，最终形成视网膜新生血管。新生毛细血管极易出血，当其延伸至玻璃体腔时，会引起玻璃体出血，当形成的新生血管膜牵拉视网膜时，可造成视网膜脱离，严重影响患者的视功能[2]。

目前，高血糖所引起的氧化应激水平异常增高和持续低度炎症被认为是DR发生的主要因素。糖酵解途径相关旁路异常活跃，晚期糖基化终产物前体增多、多元醇途径增强导致还原型谷胱甘肽合成减少，蛋白激酶C通路激活影响多种基因异常表达等均加重了细胞内氧化应激水平[2]。异常升高的线粒体活性氧又可作为这些通路的上游引发因子，导致iBRB损伤持续加重的恶性循环[2]。同时，高血糖会导致机体处于慢性低度炎症状态，包括细胞核因子κB（NF-κB）、白细胞介素-1β（IL-1β）、肿瘤坏死因子a（TNF-α）、诱导型一氧化氮合酶（iNOS）、细胞间黏附分子-1（ICAM-1）、血管细胞黏附分子-1（VCAM-1）、单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）、环氧合酶-2（COX-2）、半胱氨酸蛋白酶-1（Capase-1）和血管内皮生长因子（VEGF）在内的多种因子表达上调，白细胞增多和血管通透性增加，是促使DR发生、发展的另一重要机制[2]。与表观遗传学相关的“代谢记忆”现象，被證实可以通过DNA甲基化、组蛋白修饰、microRNA调控等多种方式诱导DR的发生[2]。此外，高血压和血脂异常也是独立于血糖因素存在的DR发生危险因素，能加速DR的发生[4]。这些复杂的发病机制导致在DR早期预防和干预上存在许多困难。

2 肠道微生物通过代谢产物对宿主健康和疾病发挥作用

健康个体的肠腔具有完整黏膜，其内寄生有大量的微生物群，即肠道微生物群（gut microbiota，GM）。在生理情况下，GM呈现出以拟杆菌和厚壁杆菌为主要组成成分的稳定状态。宿主改变饮食习惯后能够在非常短的时间内改变自身GM组成，而GM反过来又影响宿主摄入营养素的吸收、代谢和储存，通过其具有生物活性的多种代谢产物对宿主生命活动发挥作用，与宿主的健康和疾病密切相关[5]。饮食、微生物群、宿主代谢是高度关联和相互依存的。有关GM与宿主疾病之间关系的研究受到广泛关注，已证实GM具有治疗肥胖、糖尿病、中枢神经系统性疾病等疾病的潜能[6-8]。在眼科领域，GM与年龄相关性黄斑变性之间的相关性正受到较多关注[9-10]。有学者提出了肠-视网膜轴（gut-retina axis）的概念[10]，认为GM可以通过其代谢产物影响多种视网膜细胞功能。目前关于GM与DR之间关系的研究并不多，GM与DR之间的关系值得更进一步探究。

3 GM通过代谢产物影响DR的发生过程

3.1 短链脂肪酸与DR

在GM的代谢产物中，短链脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）对于人体的作用受到了广泛关注[11]。食物中的膳食纤维成分经GM发酵后产生乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸，一部分经门静脉进入全身血液循環，另一部分作为结肠黏膜上皮细胞的能量来源，为宿主提供热量[11]。SCFAs不仅是线粒体能量代谢的关键介质，还具有调控人体葡萄糖和脂肪代谢、介导免疫反应和调节炎症水平等作用[12]。SCFAs的作用途径主要有两条，一是作为配体结合游离脂肪酸受体（FFAR2/FFAR3）发挥生物学功能[13]，二是作为组蛋白去乙酰化酶（HDACs）抑制剂调控基因的表达[11]。目前，有关SCFAs对宿主功能影响的研究结果并不一致，这或许是由于SCFAs生物学功能非常复杂，尤其是与宿主体内信号通路相互作用时。同一种SCFAs可以在不同情况下发挥出截然相反的作用。在糖代谢方面，Gao等[14]发现食用富含丁酸盐的高脂食物会促进小鼠产热和能量消耗。Yamashita等[15]发现注入大鼠体内的乙酸盐提高了大鼠的糖耐量能力。研究证实，进入全身血液循环的SCFAs经单羧酸转运体（MCT-1）运输可通过血-脑屏障，在中枢神经系统中发挥作用[6]。基于视网膜iBRB中也存在MCT-1[16]，SCFAs或许可通过这种方式进入视网膜内，发挥调节作用。譬如类似其对人脐静脉内皮细胞作用那样，下调视网膜血管内皮细胞炎症[17]，或者类似在肾炎模型大鼠中发现的，丁酸盐下调NF-κB活性进而降低炎症及氧化损伤水平[18]。此外，鉴于与表观遗传学相关的组蛋白在DR疾病发展中存在多种方式和途径的修饰[19]，作为HDACs抑制剂的SCFAs也可能通过表观遗传学途径对DR的疾病发展起到调控作用。

3.2 次级胆汁酸与DR

初级胆汁酸由胆固醇合成后，在肝脏中与牛磺酸或甘氨酸结合，存储于胆囊中，在进食时分泌至十二指肠，以促进食物中脂质的乳化[20]。其中大部分初级胆汁酸在肠内被重吸收。5%～10%的初级胆汁酸则被人体肠道内的拟杆菌、真细菌和梭状芽孢杆菌等厌氧菌降解，生成疏水性更强的次级胆汁酸（secondary bile acids，SBAs），包括牛熊去氧胆酸（TUDCA）和熊去氧胆酸（UDCA），作为胆固醇和胆汁的主要形式，从粪便中排泄，少部分进入血液循环。SBAs是一种活跃的具有生物调控活性的代谢物质，在人体内起到信号分子的作用，如通过与核受体FXR和G偶联膜蛋白5（TGR5）受体结合，参与宿主新陈代谢调控[20]。Beli等[21]采用间断禁食法饲养db/db糖尿病小鼠，发现小鼠肠道内产TUDCA菌群增殖，代谢产生的TUDCA入血后通过激活TGR5途径对小鼠视网膜起到持续的保护作用，因此，作者认为SBAs起到了减少DR发生的作用。Wang等[22]则发现TUDCA可以通过降低NO含量并下调ICAM-1、NOS、NF-κB和VEGF等蛋白质表达，减缓DR发展。Ouyang等[23]发现在STZ诱导的糖尿病小鼠模型中，UDCA可以降低视网膜炎症水平。Chung等[24]发现UDCA可以通过抑制游离钙结合分子1（Iba-1）的表达，减轻小鼠内质网应激相关的视网膜周细胞损失。Zhu等[25]研究发现胆汁酸信号通路的减弱会加重DR病理过程，而上调或激活的TGR5可以通过抑制RhoA/ROCK信号传导延缓DR进展。

3.3 其他代谢产物与DR

GM能够产生多种氨基酸及其中间产物，包括合成谷胱甘肽所需的氨基酸[26]，而谷胱甘肽的生成减少是视网膜iBRB氧化应激水平增高的原因之一。

GM可通过调控血清素前体——色氨酸的代谢[27]，间接影响血清素生成。鉴于PDR患者体内血清素含量明显低于健康人群[28]，而服用血清素再摄取剂的糖尿病患者DR发生率较对照组更低[29]，GM有可能通过调控色氨酸和血清素的生成影响DR的发生。

GM还可以合成多种具有信号传导作用的小分子物质如硫化氢，影响DR的发生。Ran等[30]发现PDR患者玻璃体和血浆中硫化氢的浓度明显高于对照组。Si等[31]用外源性硫化氢处理STZ诱导的DR大鼠，证实硫化氢可能通过降低大鼠体内氧化应激水平对视网膜起到保护作用。

4 总结和展望

肠道微生物与人体健康和疾病关系的研究目前十分活跃。本文重点回顾了GM通过其代谢产物影响DR发生的研究结果，探讨了可能机制。食物成分和饮食节律以及口服益生菌及益生元等干预方式可改变GM的组成，与DR相关的GM研究具有很大的潜能和应用价值。但是，由于GM与环境及遗传背景均有密切关系，对GM进行干预并不容易。一方面，种族、年龄、性别不同，人群GM组成差异较大；另一方面，模型动物肠道内的微生物并不能完全代表人体GM的组成。我们相信，随着蛋白质组学、代谢组学、大数据分析、人工智能等相关领域的发展，有关GM对DR发生和发展的影响研究将更加深入，有望早日实现以个体化精准干预来缓减DR发生发展的愿景。

參考文献

[1] Cho NH， Shaw JE， Karuranga S， et al. IDF Diabetes Atlas： Global estimates of diabetes prevalence for 2017 and projections for 2045[J]. Diabetes Res Clin Pract， 2018， 138： 271-281.

[2] Forbes JM， Cooper ME. Mechanisms of diabetic complications[J]. Physiol Rev， 2013， 93（1）： 137-188.

[3] Bourne RR， Stevens GA， White RA， et al. Causes of vision loss worldwide， 1990-2010： a systematic analysis[J]. Lancet. Glob Health， 2013， 1（6）： e339-349.

[4] Jin P， Peng J， Zou H， et al. The 5-year onset and regression of diabetic retinopathy in Chinese type 2 diabetes patients[J]. PLoS One， 2014， 9（11）： e113359.

[5] García-Bayona L， Comstock LE. Bacterial antagonism in host-associated microbial communities[J]. Science， 2018， 361（6408）. pii： eaat2456.

[6] Dalile B， Van Oudenhove L， Vervliet B， et al. The role of short-chain fatty acids in microbiota–gut–brain communication[J]. Nat Rev Gastroenterol Hepatol， 2019， 16（8）： 461-478.

[7] Clarke SF， Murphy EF， Nilaweera K， et al. The gut microbiota and its relationship to diet and obesity： New insights[J]. Gut Microbes， 2012， 3（3）： 186-202.

[8] Xu Y， Zhou H， Zhu Q. The impact of microbiota-gut-brain axis on diabetic cognition impairment[J]. Front Aging Neurosci， 2017， 9： 106.

[9] Rowan S， Taylor A. Gut microbiota modify risk for dietary glycemia-induced age-related macular degeneration[J]. Gut Microbes， 2018， 9（5）： 452-457.

[10] Rowan S， Jiang S， Korem T， et al. Involvement of a gut–retina axis in protection against dietary glycemia-induced agerelated macular degeneration[J]. Proc Natl Acad Sci USA， 2017， 114（22）： E4472-E4481.

[11] Koh A， De Vadder F， Kovatcheva-Datchary P， et al. From dietary fiber to host physiology： short-chain fatty acids as key bacterial metabolites[J]. Cell， 2016， 165（6）： 1332-1345.

[12] Kamada N， Seo S-U， Chen GY， et al. Role of the gut microbiota in immunity and inflammatory disease[J]. Nat Rev Immunol， 2013， 13（5）： 321-335.

[13] Bindels LB， Dewulf EM， Delzenne NM. GPR43/FFA2： physiopathological relevance and therapeutic prospects[J]. Trends Pharmacol Sci， 2013， 34（4）： 226-232.

[14] Gao Z， Yin J， Zhang J， et al. Butyrate improves insulin sensitivity and increases energy expenditure in mice[J]. Diabetes， 2009， 58（7）： 1509-1517.

[15] Yamashita H， Fujisawa K， Ito E， et al. Improvement of obesity and glucose tolerance by acetate in Type 2 diabetic Otsuka Long-Evans Tokushima Fatty （OLETF） rats[J]. Biosci Biotechnol Biochem， 2007， 71（5）： 1236-1243.

[16] Gyawali A， Kang YS. Blood-to-retina transport of imperatorin involves the carrier-mediated transporter system at the inner blood-retinal barrier[J]. J Pharm Sci， 2019， 108（4）： 1619-1626.

[17] Li M， van Esch BCAM， Henricks PAJ， et al. The Antiinflammatory effects of short chain fatty acids on lipopolysaccharide or tumor necrosis factor α-stimulated endothelial cells via activation of GPR41/43 and inhibition of HDACs[J]. Front Pharmacol， 2018， 9： 533.

[18] Machado RA， Constantino Lde S， Tomasi CD， et al. Sodium butyrate decreases the activation of NF-κB reducing inflammation and oxidative damage in the kidney of rats subjected to contrast-induced nephropathy[J]. Nephrol Dial Transplant， 2012， 27（8）： 3136-3140.

[19] Kadiyala CS， Zheng L， Du Y， et al. Acetylation of retinal histones in diabetes increases inflammatory proteins： effects of minocycline and manipulation of histone acetyltransferase（HAT） and histone deacetylase （HDAC）[J]. J Biol Chem， 2012， 287（31）： 25869-25880.

[20] Schoeler M， Caesar R. Dietary lipids， gut microbiota and lipid metabolism[J]. Rev Endoc Metab Disord， 2019， 20（4）： 461-472.

[21] Beli E， Yan Y， Moldovan L， et al. Restructuring of the Gut Microbiome by Intermittent Fasting Prevents Retinopathy and Prolongs Survival in db/db Mice[J]. Diabetes， 2018， 67（9）： 1867-1879.

[22] Wang CF， Yuan JR， Qin D， et al. Protection of tauroursodeoxycholic acid on high glucose-induced human retinal microvascular endothelial cells dysfunction and streptozotocin-induced diabetic retinopathy rats[J]. J Ethnopharmacol， 2016， 185： 162-170.

[23] Ouyang H， Mei X， Zhang T， et al. Ursodeoxycholic acid ameliorates diabetic retinopathy via reducing retinal inflammation and reversing the breakdown of blood-retinal barrier[J]. Eur J Pharmacol， 2018， 840： 20-27.

[24] Chung YR， Choi JA， Koh JY， et al. Ursodeoxycholic acid attenuates endoplasmic reticulum stress-related retinal pericyte loss in streptozotocin-induced diabetic mice[J]. J Diabetes Res， 2017， 2017： 1763292.

[25] Zhu L， Wang W， Xie T， et al. TGR5 receptor activation attenuates diabetic retinopathy through suppression of RhoA/ ROCK signaling[J]. FASEB J， 2020， 34（3）： 4189-4203

[26] Mardinoglu A， Shoaie S， Bergentall M， et al. The gut microbiota modulates host amino acid and glutathione metabolism in mice[J]. Mol Sys Biol， 2015， 11（10）： 834.

[27] Yano JM， Yu K， Donaldson GP， et al. Indigenous bacteria from the gut microbiota regulate host serotonin biosynthesis[J]. Cell， 2015， 161（2）： 264-276.

[28] Mukha AI， Korzenkova LV， Fedorova NV， et al. Significance of serotonin in the pathogenesis of diabetic retinopathy and central chorioretinal dystrophy[J]. Vestn Oftalmol， 2002， 118（4）： 31-33.

[29] Yekta Z， Xie D， Bogner HR， et al. The association of antidepressant medications and diabetic retinopathy among people with diabetes[J]. J Diabetes Complications， 2015， 29（8）： 1077-1084.

[30] Ran R， Du L， Zhang X， et al. Elevated hydrogen sulfide levels in vitreous body and plasma in patients with proliferative diabetic retinopathy[J]. Retina， 2014， 34（10）： 2003-2009.

[31] Si YF， Wang J， Guan J， et al. Treatment with hydrogen sulfide alleviates streptozotocin-induced diabetic retinopathy in rats： Hydrogen sulfide and diabetic retinopathy[J]. Br J Pharmacol， 2013， 169（3）： 619-631.