肠道菌群在糖尿病肾脏病防治中的研究进展

耿艳,杨兵全

[1.南京市溧水区人民医院(东南大学附属中大医院溧水分院) 内分泌科,江苏 南京 211200;2.东南大学附属中大医院 内分泌科,江苏 南京 210009]

糖尿病肾脏病(diabetic kidney disease, DKD)是糖尿病患者常见的慢性并发症,亦是终末期肾病、心血管事件及死亡的主要原因[1],显著增加国家医保及患者的经济负担。人类对DKD发病机制的认识主要有糖脂代谢紊乱、血流动力学异常、炎症反应、氧化应激、自噬、遗传因素等,就其诊疗效果来看,有约30%患者最终会进展成终末期肾病[2]。因此,探索DKD的更多发病机制尤为重要。近年来研究显示,肠道与肾脏之间可相互对话,肠道菌群和多种肾脏疾病关系密切并且相互影响,形成了所谓的“肠-肾轴”理论[3]。肠道菌群是否也参与了DKD的病理生理过程,未来是否有望成为DKD防治的新靶点,本文作者就相关研究进展进行综述。

1 肠道菌群概述

肠道菌群是机体肠道内微生物群落的总称,包括细菌、病毒、真菌等。人体肠道菌群被称为人类的“第二基因组”,其数目庞大且种类多样,对人体健康起着至关重要的作用。肠道菌群被认为是宿主独立的代谢器官[4],其组成和功能可受饮食、疾病、抗生素使用等多种因素影响。在正常情况下,肠道菌群与宿主形成共生关系,具有调节免疫系统、抵御致病菌侵袭、调控能量代谢的作用。肠道菌群失调被认为参与多种疾病的发生发展,如肥胖症、糖尿病和慢性肾脏疾病等。

2 DKD患者肠道菌群的改变

基于“肠-肾轴”理论研究防治肾脏疾病的策略受到越来越多的关注,所涉及的肾脏疾病主要是慢性肾脏疾病,而肠道菌群与DKD的相关临床研究较少。与健康人群相比,DKD患者表现在其肠道细菌的丰富度及多样性均降低[5-6]。与无肾病的2型糖尿病患者相比,DKD患者肠道的埃希菌-志贺菌属丰度增加,而普雷沃菌属丰度减少[6]。一项横断面研究显示,DKD患者以厚壁菌门和拟杆菌门为优势菌门,瘤胃球菌科和拟杆菌科丰度最高,而普雷沃菌科丰度减少。值得注意的是,这些肠道细菌的相对丰度在不同DKD分期患者中无显著差异[7]。近来有学者采用宏基因组测序方法发现,伴有DKD的2型糖尿病患者肠道菌群的组成和功能发生改变,变形菌门丰度增加,脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)的生物合成和碳水化合物代谢异常[8]。另有研究发现,DKD患者与膜性肾病患者之间肠道菌群的组成和功能存在显著差异,DKD患者拟杆菌门的相对丰度增加,多种氨基酸代谢增强[9]。

3 肠道菌群参与DKD发生发展的机制

3.1 短链脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFAs)

SCFAs是肠道微生物酵解碳水化合物的代谢产物,主要包括醋酸盐、丙酸盐及丁酸盐。SCFAs不仅存在于肠道中,还可进入血循环,通过与G蛋白偶联受体结合或抑制组蛋白去乙酰化酶而发挥作用。越来越多的证据表明,SCFAs可通过抗炎、抗氧化应激、抗纤维化及调控自噬而起到肾脏保护作用。在DKD患者中,瘤胃球菌科、毛螺菌科等产SCFAs肠道细菌的相对丰度减少,血清丁酸盐水平降低;糖尿病大鼠经丁酸钠干预后,其血清及粪便中的丁酸盐水平升高,且肾脏损害得以减轻[10]。一项体外研究发现,SCFAs及G蛋白偶联受体43激动剂可以抑制高糖和LPS诱导的肾小球系膜细胞的增殖、氧化应激和炎症反应,提示SCFAs介导的信号通路有望成为治疗DKD的新靶点[11]。SCFAs还可通过与肠道L细胞上的G蛋白偶联受体43结合而促进胰高血糖素样肽-1的释放[12],而后者可通过抑制肾小管对钠的重吸收及降低肾小球压力和尿蛋白,在一定程度上阻止DKD的发生发展。

3.2 次级胆汁酸

次级胆汁酸是由初级胆汁酸在肠道中通过厚壁菌门生物转化而来,且乳杆菌属、拟杆菌属和罗氏菌属也参与次级胆汁酸的代谢过程[13]。动物研究提示,次级胆汁酸可通过激活法尼醇X受体(FXR)和G蛋白偶联胆汁酸受体1(TGR5)而减轻肾脏炎症、肾脏氧化应激及肾脏纤维化[14]。应用FXR/TGR5双激动剂INT-767治疗可减轻糖尿病小鼠的蛋白尿,并可阻止足细胞损伤、系膜扩张和肾小管间质纤维化[15];而应用TGR5特异性激动剂INT-777也可起到类似的作用[16],且TGR5信号通路的激活可诱导肠道胰高血糖素样肽-1的释放[17]。总之,作为肠道菌群代谢产物,次级胆汁酸及其受体参与DKD的发生发展,并有望成为DKD的治疗靶点。

3.3 肠源性尿毒症毒素

肠道微生物酵解芳香族氨基酸所产生的吲哚酚硫酸盐(indoxyl sulfate, IS)和对甲酚硫酸盐(p-cresyl sulfate, PCS)是最主要的肠源性尿毒症毒素,另外肠道微生物可将食物中的胆碱和肉碱等营养物质代谢产生三甲胺,再经肝脏代谢产生三甲胺-N-氧化物(Trimethylamine N-oxide, TMAO)。在DKD状态下,这些肠源性尿毒症毒素水平增加,可使肠道通透性增加,并持续刺激免疫系统,诱发肾小球和肾小管损伤,促进炎症、氧化应激和纤维化,进而导致DKD的进展[18-19]。肠道微生物酵解酪氨酸所产生的苯基硫酸盐(phenyl sulfate, PS)也被认为是一种肠源性尿毒症毒素。Kikuchi等[1]研究发现,PS可通过损伤足细胞而使糖尿病小鼠发生蛋白尿,而抑制PS的产生可以减轻糖尿病小鼠的蛋白尿;该研究团队还发现PS是DKD患者早期蛋白尿的预测因子,并有望成为DKD的治疗靶点。

3.4 炎症反应

大量研究表明,炎症反应参与DKD的发生发展。在糖尿病状态下,产丁酸盐肠道细菌的相对丰度减少,相应减少的SCFAs和高血糖本身可致肠道通透性增加和LPS易位,进入血循环的LPS可通过与肾脏Toll样受体4结合而诱发炎症反应[20]。在DKD状态下,积聚的肠源性尿毒症毒素可加重炎症反应而使肾功能恶化,其中IS和PCS已被证实具有较强的促炎作用。近来有学者发现,在DKD大鼠中TMAO具有促炎和促纤维化作用[21]。总之,肠道菌群及其代谢产物可能通过发挥促炎或抗炎效应参与DKD的发生发展。

3.5 肾素-血管紧张素系统(renin-angiotensin system, RAS)

肾内RAS的激活是DKD发病的关键因素,目前研究认为肠道菌群可激活此系统。有研究[22]发现,糖尿病大鼠经复合广谱抗生素干预后,血浆醋酸盐水平降低,肾内RAS的激活得以抑制,肾脏损害得以减轻,提示肠道菌群失调所产生的过量醋酸盐可能通过激活肾内RAS引起早期肾脏损害。在糖尿病状态下,积聚的琥珀酸盐(肠道微生物酵解碳水化合物的代谢产物之一)可与G蛋白偶联受体91结合而激活肾内RAS,最终引发DKD[23]。IS和PCS可激活肾内RAS,进而诱发肾纤维化[24]。血管紧张素转换酶(angiotensin converting enzyme, ACE)和血管紧张素转换酶2(angiotensin converting enzyme, ACE2)均是RAS的重要调节分子,在正常情况下,肾内ACE和ACE2保持平衡。在糖尿病状态下,肠道菌群失调可能会打破肾内ACE和ACE2的平衡状态而参与DKD的发生发展[25]。

4 基于肠道菌群防治DKD的探讨

4.1 益生菌

益生菌是一类有益于宿主的活性微生物的总称,主要包括双歧杆菌和乳酸杆菌。一项纳入60例DKD患者的随机、双盲、安慰剂对照的临床试验结果提示,益生菌补充剂可能有利于DKD的治疗[26]。另一项小样本临床研究发现,摄入添加益生菌豆奶DKD患者的肾脏功能及氧化应激指标得到改善[27]。目前以益生菌为靶点防治DKD的研究较少,今后需进一步开展相关研究以明确其肾脏保护作用及机制。

4.2 饮食干预

饮食、肠道菌群和肾脏疾病三者之间关系密切,构成“饮食-肠-肾轴”[28]。低蛋白饮食是临床上治疗DKD的主要方法之一,可降低慢性肾脏疾病患者血液中PCS水平[29]。有研究[30]发现,膳食纤维可通过调节肠道菌群和增加SCFAs的产生来预防糖尿病小鼠发生DKD。益生元是能选择性刺激肠道有益菌生长和活性的可溶性膳食纤维,主要包括低聚果糖、低聚半乳糖和菊粉。益生元可由结肠微生物群发酵产生SCFAs,并可改善糖尿病状态下的肠道通透性[20]。热量限制可改变肠道菌群的组成结构,其效果受饮食成分的影响,具有肾脏保护作用[31]。综上,我们认为饮食干预可通过调节肠道菌群起到肾脏保护作用,今后可基于肠道菌群开展饮食干预防治DKD的相关研究。

4.3 中药

动物研究发现,从中药柴胡及冬虫夏草中提取出的多糖均可通过调节肠道菌群及抗炎而减轻DKD的肾脏损害[32-33]。肾炎康复片可以降低DKD小鼠拟杆菌门的相对丰度及肾脏炎症因子的表达水平,且二者呈正相关,提示肾炎康复片的抗炎活性与调节肠道菌群有关[34]。糖肾方可以降低DKD大鼠血清中的IS和LPS水平,同时也具有抗炎作用[35]。今后尚需深入开展相关研究,以明确中药通过调节肠道菌群防治DKD的具体机制,以利于研发防治DKD的中药制剂。

4.4 粪菌移植

粪菌移植(fecal microbiota transplantation,FMT)是通过特定的手段将供者的肠道菌群移植到受者体内,从而完成肠道微环境的重建。近年来,FMT用于治疗代谢综合征、恶性肿瘤、自身免疫及神经系统疾病等慢性疾病的相关研究受到越来越多的关注。有研究[36]发现,通过FMT将正常糖耐量人群的肠道菌群移植到2型糖尿病小鼠,其糖脂代谢异常得以改善,其机制可能是增加产SCFAs肠道细菌的相对丰度和结肠组织G蛋白偶联受体43及胰高血糖素样肽-1的表达水平。另有研究[37]发现,通过FMT将健康大鼠的肠道菌群移植到糖尿病大鼠,其肾小管间质损伤明显减轻。Cai等[38]研究发现,白藜芦醇可通过调节肠道菌群和抗炎而改善DKD小鼠的肾脏功能;该研究团队还发现通过FMT将经过白藜芦醇处理的健康小鼠的肠道菌群移植到DKD小鼠,其肾功能异常得到改善,肠道菌群紊乱得以纠正,提示FMT有望成为以肠道菌群为靶点治疗DKD的潜在有效方法。

4.5 噬菌体

噬菌体是一种选择性侵染细菌的病毒,可靶向肠道菌群。作为人体肠道微生物组的重要组成部分,肠道噬菌体组在塑造肠道微生物组成及影响宿主的代谢组方面发挥着关键作用。有研究[39]发现,糖尿病患者肠道中噬菌体的数量显著增加,首次证实了人体肠道噬菌体组和糖尿病具有关联性。另有研究发现接受瘦小鼠的粪便病毒组移植后,肥胖小鼠的体重增长显著降低且糖耐量正常化,提示噬菌体介导的疗法有望用来治疗肥胖和糖尿病等肠道菌群相关疾病[40]。这种基于肠道菌群治疗代谢性疾病的新兴疗法颇具潜力,今后或可用于DKD的治疗。

5 小 结

综上所述,肠道菌群和DKD关系密切并且相互影响,肠道菌群失调参与DKD的发生发展,其机制可能与SCFAs和肠源性尿毒症毒素水平异常诱发症性反应及激活肾内RAS等有关。肠道菌群有望成为DKD的新型生物标志物及防治新靶点,补充益生菌及益生元、热量限制、FMT及噬菌体介导的疗法等有望成为防治DKD的新手段。因此,基于肠道菌群积极开展防治DKD的相关研究可为临床DKD的防治提供新的思路和方法。