糖尿病肾病与肠源性代谢产物氧化三甲胺

宋丹丹 米 焱 王彩丽

糖尿病肾病(diabetic kidney disease，DKD)是由糖尿病引起的慢性肾脏病，是1、2型糖尿病的主要微血管并发症，亦是终末期肾病的主要原因[1]，以及糖尿病患者发生心血管疾病和死亡的重要危险因素[2]。DKD患者肾脏结构变化包括肾小球和肾小管肥大、系膜扩张、基底膜增厚，最终导致终末期肾小管萎缩、肾小球硬化及肾间质纤维化[3]。DKD的发病机制非常复杂，目前研究[4]显示，肠道菌群失调及其代谢产物可能与糖尿病及DKD的发生、发展关系密切。

1 DKD与肠道菌群失调及氧化三甲胺(trimethy-lamine-N-oxide，TMAO)的关系

人体肠道菌群种类繁杂、数量庞大，其参与了人体生理、病理的各个过程，成为宿主生命必不可少的组成部分。肠道菌群可以发酵不易消化的碳水化合物和蛋白质而产生各种代谢产物，其中就包括TMAO。

研究[5]发现，与无肾病的糖尿病患者相比，DKD患者肠道菌群中益生菌数量减少、有害菌数量增多。暴旭广等[6]研究发现，2型糖尿病患者肠道菌群中拟杆菌属显著增多，DKD患者中乳杆菌属、嗜血杆菌和肠球菌属等显著增多，但2型糖尿病和DKD患者中产丁酸菌均减少。以上研究结果证实，DKD患者确实存在肠道菌群失调，可能的原因包括：①DKD早期主要表现为肾小球滤过率增加，肾小球囊内高压、高灌注、高滤过，以及肾脏肥大。在上述疾病状态下，肠道菌群可能合成过量的乙酸盐，激活肾脏局部RAAS，加速DKD早期肾损伤发生。②随着DKD患者肾小球滤过率的下降，大量草酸盐和尿酸会在结肠聚集，使肠道环境发生改变，诱发肠道菌群失调。③DKD患者肾小球滤过率下降，血液中大量的代谢废物不能充分经肾脏排泄而堆积，并可通过肠壁进入肠腔引起肠道菌群失调，导致益生菌减少。肠道菌群失调导致DKD加重的原因：①DKD患者自身肠道菌群的组成、功能发生改变，会破坏肠上皮屏障，导致尿素在胃肠道内大量蓄积并水解产生氨，氨经肠黏膜重吸收后在肝脏内重新合成尿素，加重肾脏损害。②氨可转化为氢氧化铵，使肠道内pH值升高，加剧肠黏膜损伤及上皮屏障结构和功能障碍，进一步使甲酚、吲哚啉基分子等毒素转移至血液，加重全身炎症反应，诱发心血管疾病和免疫功能异常，加速肾脏疾病进展[7-8]。综合以上研究结果，肠道菌群失调与DKD可能互为因果，使机体处于恶性循环的病理状态。

Al-Obaide等[9]的研究结果表明，2型DKD患者血浆TMAO浓度显著高于健康人群，并认为这种差异是由2型DKD患者与健康人群肠道菌群的结构不同所致。进一步的微生物组学研究发现，2型DKD患者肠道中双歧杆菌的丰度显著低于健康人群，且双歧杆菌具有降低人血浆中TMAO水平的作用。此外，肠道菌群中具有升高TMAO水平作用的梭状芽孢杆菌、肠杆菌、变形杆菌等的丰度也显著增高，提示不同人群血浆TMAO水平可能与其肠道菌群的结构密切相关。2019年Samulak等[10]研究发现，口服L-肉碱补充剂显著提高了健康老年女性血浆中的TMAO水平，但在其体内未检测到血脂谱改变或其他不良心血管事件标志物。还有研究[11]发现，动物双歧杆菌亚群乳酸杆菌F1-3-2定植在盲肠可直接降解三甲胺(trimethylamine)或改变肠道菌群结构，且该菌株通过降低盲肠的三甲胺影响体内三甲胺和TMAO水平，表明该菌株参与了三甲胺-TMAO调控，改善了脂质代谢。杨波[12]的研究发现，在DKD的发展过程中肠道菌群结构发生明显变化，生成TMAO的能力增强，导致血清TMAO水平升高，进一步引起肾脏损伤与纤维化加重；TMAO还可以激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)/NF-κB信号通路产生炎症细胞因子，参与DKD的发生和发展。

综上所述，肠道菌群结构改变是TMAO水平变化的一个关键因素，也是TMAO参与疾病发生、发展的重要原因。肠道菌群失调是DKD进展的重要病因，而肠源性代谢产物TMAO是肠道菌群失调致使DKD进展的一个重要因素。

2 TMAO的来源及对肾脏影响

蛋类、牛奶、红肉及咸水鱼类含有丰富的胆碱、软磷脂和肉碱，是TMAO形成的主要食物来源。上述食物摄入后可在肠道微生物三甲胺酶的作用下，生成代谢产物三甲胺，三甲胺通过门静脉循环进入肝脏，经肝脏黄素单氧化酶3氧化生成TMAO。TMAO的相对分子质量小，易于过滤，全身超过95%的TMAO以原型通过肾小球的滤过及肾小管的分泌作用由肾脏排出[13](图1)。TMAO不仅参与肾脏纤维化，还通过促进动脉粥样硬化、高血压、糖尿病、炎症等病理过程，加重肾损害，是影响肾脏疾病患者预后的重要尿毒症毒素之一。在慢性肾脏病模型小鼠的研究[14]中发现，肠道微生物靶向抑制剂碘甲基胆碱可阻止因胆碱饮食引起的TMAO水平升高，并显著改善了肾功能，降低肾小管间质纤维化指标的水平。碘甲基胆碱治疗还可以逆转胆碱饮食引起的盲肠微生物群落组成的变化，这些变化与TMAO和肾损害发生有关。

3 TMAO参与DKD的发病机制

3.1 TMAO与内皮细胞损伤及炎症反应 Cheng等[15]研究发现，TMAO通过激活原代人冠状动脉内皮细胞中的NF-κB信号通路促进组织因子表达并增强其活性，从而促进血栓形成。Ma等[16]采用TMAO处理人脐静脉内皮细胞发现，TMAO能够通过激活蛋白激酶C/NF-κB信号通路诱导血管细胞黏附分子-1的表达水平升高和单核细胞黏附，从而引发内皮功能障碍。Yu等[17]对犬前右神经丛局部注射TMAO后发现，TMAO通过激活p65 NF-κB信号通路导致促炎因子IL-1β、IL-6和TNF-α表达量增加。魏娜等[18]研究发现，TMAO水平随着DKD的加重而升高，TMAO水平与血浆炎症因子——血管性血友病因子水平呈正相关，与内皮功能指标NO水平呈负相关；并观察到与无蛋白尿的糖尿病患者相比，各组DKD患者的血浆血管性血友病因子、单核细胞趋化蛋白1水平均明显升高，NO水平明显降低，且随着DKD患者肾损害的加重各组间差异增大，这一结果提示糖尿病患者存在明显的血管内皮功能障碍。

通过阅读国内外文献发现，炎症因子以各种方式参与DKD的发生和发展，如细胞间黏附分子-1在肾小球内皮细胞上可诱导巨噬细胞向肾小球募集，并在早期糖尿病患者肾损害中起关键作用；发生糖尿病时血管细胞黏附分子-1表达增加、活性增强，引起炎症因子释放及细胞间黏附发生变化，从而增加尿蛋白及促进细胞外基质沉积；高糖可促进单核细胞趋化蛋白1与其2型受体结合以诱导肾小球系膜细胞高表达纤维黏连蛋白和Ⅳ型胶原蛋白，从而直接参与DKD肾小球纤维化和硬化。

综上所述，TMAO可能通过诱发血管内皮细胞损伤激活MAPK/NF-κB信号通路产生炎症细胞因子，参与DKD的发生和发展。

3.2 TMAO与核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(nucleotide binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)炎性小体 NLRP3炎性小体是细胞内负责免疫和炎症过程的大分子复合物，由细胞质内的NLRP3与细胞膜表面的Toll样受体、CARD结构域的凋亡相关颗粒样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing CARD domain，ASC)和半胱天冬酶-1前体(pro-caspase-1)共同组成，是介导机体免疫炎症和细胞死亡的关键调控因子。

Chen等[19]研究证明，TMAO能够通过沉默信息调节因子3/超氧化物歧化酶2/平滑肌细胞线粒体活性氧信号转导途径促进人脐静脉内皮细胞中NLRP3炎性小体激活，从而提高IL-1β、细胞间黏附分子-1和基质金属蛋白酶9的表达水平，促进单核细胞在内皮细胞的黏附，并且在动物实验中进一步验证了这一机制。Boini等[20]研究结果表明，TMAO可诱导小鼠颈动脉内皮细胞中NLRP3炎性小体的形成和活化，促进IL-1β的产生，并增加天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶-1(caspase-1)的活性，通过蛋白质印迹法进一步证实TMAO能够激活内皮细胞中的NLRP3炎性小体诱导NLRP3炎性小体依赖的内皮通透性增加，从而导致内皮功能障碍和动脉粥样硬化发生。血管钙化在慢性肾脏病中非常普遍。Zhang等[21]研究结果表明，TMAO通过激活NLRP3炎性小体及NF-κB信号通路参与慢性肾脏病的血管钙化。Wu等[22]研究结果表明，TMAO促进了载脂蛋白E缺乏小鼠高脂饮食诱导的动脉粥样硬化病变的进展，且与细胞焦亡、线粒体受损和活性氧产生相关。

Wu等[23]应用NLRP3基因敲除模型小鼠研究发现，NLRP3基因敲除可以改善链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠的肾功能损伤，并减轻肾小球肥厚、肾小球硬化、肾小球系膜扩张、间质纤维化等，同时减少了结缔组织生长因子的表达及抑制Smad3的激活。朱艳等[24]的研究结果同样证实了NLRP3基因敲除改善了糖尿病模型小鼠的肾组织形态学变化，抑制了高糖导致的肾小球体积增大、系膜增生及系膜基质沉积，减轻了肾小管上皮细胞的空泡变性。该研究还在敲除了NLRP3基因的小鼠体内发现，糖尿病状态下肾组织中炎症因子IL-1β和IL-18的表达均显著下调，同时NLRP3炎症小体的组成成分ASC及caspase-1的表达显著减少；提示NLRP3在糖尿病肾组织的炎症反应中发挥重要作用。

通过对TMAO与NLRP3、NLRP3与DKD的研究推断，TMAO可能通过激活NLRP3诱导的炎症反应及促进血管内皮细胞焦亡等途径参与DKD的发生和发展。

4 总 结

肠道菌群失调是糖尿病及DKD的重要原因之一，而TMAO可能是肠道菌群失调致使DKD加重的重要因素。改变饮食结构，补充益生菌、益生元等纠正肠道菌群失调，以及应用肠道微生物靶向抑制剂碘甲基胆碱等可能成为预防和治疗DKD的新措施，未来有望建立以肠道菌群、碘甲基胆碱为靶点治疗DKD的新策略。