肠道菌群失衡与肠道屏障损伤在糖尿病肾脏疾病中的研究进展

吴雅茹 魏凯悦 综述 王彩丽 审校

［作者单位］内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院肾内科(包头,014000)

随着糖尿病患病人数的日益增长,糖尿病肾脏疾病(DKD)已成为慢性肾脏病的首要原因[1]。DKD的发病机制至今尚未完全阐明,目前认为与遗传因素、血流动力学紊乱、糖脂代谢异常、炎症反应、氧化应激等相关。随着基因组学测序和代谢组学分析技术的飞速发展,人们开始重新审视肠道菌群失衡与疾病的关系。肠道菌群失衡通过直接或间接的方式损伤肠道屏障功能,同时,由于肾小球滤过率的降低,尿毒症毒素不能及时排出体外,反过来影响了肠道菌群的组成和结构,加剧了DKD的发生发展。本文以“微生物-肠-肾轴”为切入点进行叙述,对DKD中存在的肠道菌群失衡、肠道屏障损伤及恢复肠道微生态的干预措施进行综述,有望为DKD的预防和治疗提供新的思路。

DKD的肠道菌群结构改变

肠道菌群被誉为“人类第二基因组”,最初数据估计,肠道细菌数量可达100万亿个,与人类细胞数量的比值约为10∶1,然而,最新数据显示,这一比例更接近于1∶1[2]。微生物基因组含量远超过人类基因组含量,其基因容量是人类的100倍以上[3]。如此庞大且复杂的微生态系统通过参与食物的消化代谢、调节宿主免疫反应、维持肠道屏障功能与人体互惠共生。当机体内外环境发生改变时,如疾病状态、饮食结构改变、长期高血糖和药物摄入,便会导致肠道菌群的结构和组成发生改变,从而致病。

大量的研究证实DKD中的肠道菌群结构存在特异性改变。一项关于DKD患者与健康人群肠道菌群差异的系统评价和荟萃分析显示,与健康人群相比,DKD患者的肠道菌群丰度显著降低,两组间的肠道菌群β多样性存在显著差异[4]。另外一项系统评价和荟萃分析得出同样的结论[5]。关于DKD患者与糖尿病患者之间的肠道菌群β多样性是否存在显著差异,各研究得出不同的结论。有研究报道了DKD患者与2型糖尿病患者之间的肠道菌群β多样性存在显著差异[6-8],也有研究报道了DKD患者与2型糖尿病患者之间的肠道菌群β多样性不存在显著差异[9-10]。

DKD的肠道屏障功能损伤

糖尿病患者及其动物模型中存在肠道屏障功能的受损,主要表现为肠黏膜形态学改变和通透性增加。Bosi等[11]通过乳果糖-甘露糖渗透实验测定肠黏膜通透性,发现1型糖尿病患者的肠黏膜通透性显著大于正常人群。Zhong等[12]采用Lewis评分评估2型糖尿病患者胶囊内镜下的小肠黏膜损伤情况,该评分基于三个胶囊内镜变量:绒毛外观(水肿)、溃疡和狭窄,结果显示,与非糖尿病患者相比,2型糖尿病患者小肠绒毛水肿患病率和Lewis评分显著增高,将不同类型的糖尿病并发症与Lewis评分进行关联性分析发现:DKD患者的Lewis评分明显高于非DKD患者,相比之下,心脑血管并发症或糖尿病周围神经病变病史并未影响Lewis评分。由此可见,不论是1型糖尿病还是2型糖尿病,都存在肠道屏障损伤,且肠道屏障损伤与DKD的形成有关。

革兰阴性菌外膜中的脂多糖(LPS)和肠道细菌新陈代谢的产物D乳酸(D-Lac)的血清水平被认为是肠黏膜通透性增加的生物标志物,当肠道菌群失衡、肠道屏障损伤时,肠黏膜和毛细血管通透性增加,大量的LPS和D-Lac通过受损的肠黏膜进入血液循环,外周血LPS和D-Lac水平显著增高[13-14]。而肠上皮细胞间的紧密连接蛋白是维持肠道屏障功能的重要结构基础,也是决定肠黏膜通透性的重要因素[15-16]。霍丽霞等[17]发现,DKD患者血清中的LPS水平明显高于健康对照组和2型糖尿病组;血清中的D-Lac的水平高于健康对照组。Deng等[18]在高脂饮食联合链脲佐菌素制备的C57BL/6J DKD小鼠中观察到,与低脂饮食组小鼠相比,DKD小鼠模型结肠组织中的黏膜上皮紧密连接蛋白闭锁小带蛋白1(ZO-1)和Occludin蛋白表达显著降低,且粪便和血清中的LPS水平显著增高。这些研究表明,DKD存在肠道屏障功能受损,主要表现为肠黏膜通透性增加。

DKD中的“微生物-肠-肾轴”

病程早期,肠道菌群失衡可导致肠道屏障功能受损,致病菌及其代谢产物穿过肠黏膜屏障移位至血液,造成慢性炎症,加重肾脏损伤;病程晚期,由于肾小球滤过功能被破坏,DKD患者体内大量的代谢废物无法经肾脏排泄,经肠壁进入肠腔导致肠道环境发生改变,进一步加重了肠道菌群失衡。DKD与肠道菌群失衡相互影响和调控,这种关系进而使机体处于恶性循环中。肠道屏障作为肠道菌群和宿主相互作用的中间桥梁,有效地阻挡了致病菌及其代谢产物的入侵,起到了维持肠道和机体内环境稳定的重要作用。

肠道生物屏障损伤肠道生物屏障主要由肠道微生物群构成,包括细菌、真菌和病毒。正常情况下,致病菌和益生菌会相互制约,动态维持肠道内环境的稳态。DKD作为糖尿病的慢性并发症,遗传、饮食、药物等因素参与了DKD肠道菌群的改变,主要表现为有益菌的减少和有害菌的增多。

共纳入15项研究的系统评价结果显示,与健康对照组相比,DKD患者肠道菌群在属分类水平的差异主要表现为大肠埃希菌属(Escherichia)、柠檬酸杆菌属(Citrobacter)和克雷伯杆菌属(Klebsiella)的相对丰度增加,双歧杆菌属(Bififidobacterium)和罗氏菌属(Roseburia)的相对丰度降低[4]。最近发表的一篇系统评价报道,与健康对照组相比,Hungatella属、嗜胆菌属(Bilophila)和大肠杆菌属在DKD患者的肠道中富集,普拉梭菌属(Faecalibacterium)、毛螺菌属(Lachnospira)、罗氏菌属和丁酸梭菌属(Butyricicoccus)在DKD患者肠道中被消耗;与糖尿病组相比,Hungatella、嗜胆菌属和大肠杆菌属在DKD患者的肠道中富集[5]。综上所述,肠道菌群失衡在DKD中主要表现为益生菌的减少和致病菌的增多。

肠道菌群失衡对肠道物理屏障的影响肠道物理屏障是由肠上皮细胞间紧密连接和肠上皮细胞组成,通常情况下,这道屏障只允许水分子和小分子水溶性物质选择性通过。肠上皮细胞间的紧密连接蛋白是维持肠道屏障功能的重要结构基础,也是决定肠黏膜通透性的关键因素[15-16]。肠道微生物可通过其代谢产物影响肠道的物理屏障功能。

外源性短链脂肪酸(SCFAs)是由肠道细菌代谢碳水化合物产生的一种细菌代谢产物,主要包含乙酸、丙酸和丁酸。丁酸作为肠道上皮细胞重要的供能物质,由梭状芽胞杆菌(Clostridia)、拟杆菌(Bacteroides)和双歧杆菌(Bifidobacteria)产生,参与肠道上皮细胞的增殖和分化,减少细胞凋亡,增强肠道屏障功能[19]。Gonzalez等[20]研究者发现,丁酸盐治疗可上调腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)的磷酸化水平,增加胰高血糖素样肽1的分泌,改善胰岛素抵抗,促进结肠黏蛋白Muc2和紧密连接蛋白ZO-1、Claudin-1的表达,从而加强慢性肾脏病动物模型的肠道屏障功能。Zhong等[21]采用气相色谱-质谱法靶向检测粪便、血清中的SCFAs浓度,DKD组血清、粪便中的乙酸、丙酸和丁酸水平明显低于正常对照组,在粪便中的降低程度更加明显。因此,DKD患者可能由于产生SCFAs的细菌减少,从而不能有效地保护肠道物理屏障。硫酸吲哚酚(IS)是一种色氨酸代谢物,也是一种尿毒症毒素。色氨酸在结肠中经微生物代谢途径被分解为吲哚,吸收后进入血液循环,在肝脏被转化为IS,当肾脏滤过率降低时,IS不能被及时清除从而在体内蓄积。体内外实验证明,在DKD中富集的IS,通过上调干扰素调节因子1的表达来抑制动力相关蛋白1,增强线粒体自噬诱导的肠上皮细胞损伤,增加了慢性肾脏病小鼠的肠道通透性[22]。因此,我们猜测,DKD中紊乱的肠道菌群通过其代谢产物影响肠道物理屏障,增加肠黏膜通透性。

肠道菌群失衡对肠道免疫屏障的影响肠道免疫屏障是由肠道相关淋巴组织、免疫细胞和免疫分子组成,在预防病原体入侵、维护肠道免疫方面至关重要。肠道微生物参与4%～6%的色氨酸代谢,这部分色氨酸代谢物主要包括吲哚及其衍生物,作为芳香烃受体(AHR)的配体,有调节肠道免疫平衡、抑制炎症反应和维护肠道屏障功能的作用。

AHR广泛表达于肠道上皮细胞和免疫细胞,AHR信号通路的激活诱导表达核受体RORγt的3型固有淋巴细胞(ILC3)分化,刺激ILC3分泌白细胞介素22(IL-22)促进肠道固有免疫[23-24]。IL-22可以保护结肠隐窝免受柠檬酸梭菌的入侵[25]。T辅助细胞17(Th17)和调节性T细胞(Treg)在肠道固有层中富集,并在宿主防御和稳态中发挥关键作用,肠道微生物群塑造了Th17和Treg的平衡。多项研究证实,AHR激活可抑制Th17细胞的增殖,诱导Treg细胞的分化,恢复Th17/Treg的比例,有助于炎症控制[26]。因此,肠道菌群失衡可能通过微生物代谢产物参与的AHR信号通路介导DKD肠道免疫屏障的损伤。

肠道菌群失衡对肠道化学屏障的影响肠道化学屏障是由消化道分泌的胃酸、胆汁、黏蛋白、溶菌酶、脂多糖、消化酶等组成的黏液层。肠上皮细胞分泌的黏蛋白参与构成黏液层的骨架,黏液层除了作为对抗微生物的保护屏障外,还能防止其他有毒、有害物质到达肠道上皮表面,宿主因素和外在环境的变化会导致黏液层的性质发生改变,比如黏蛋白分泌减少或降解过多,以及黏液层变薄、稀释,导致病原菌在肠道定植[27]。

Muribaculaceae是产生丁酸盐的细菌,它与结肠内黏液层的形成和肠黏膜屏障功能的恢复有关[28]。与健康对照组相比,DKD小鼠肠道中Muribaculaceae丰度显著降低[29]。DKD状态下Muribaculaceae丰度的降低可能会增加肠道通透性、细菌易位或有害细菌代谢物进入循环的风险。因此,DKD可能由于产丁酸盐细菌的减少,导致肠道化学屏障损伤,但这方面的证据较少。

恢复肠道微生态平衡的措施

益生菌是一类对宿主健康有益的活性微生物。一项随机、双盲、安慰剂对照的临床试验显示,为期12周的益生菌治疗(3.2×109CFU/d)可调节DKD患者的肠道菌群,控制餐后血糖和降低尿微量白蛋白/肌酐比值[30]。安慰剂组未显示出这些参数的显著变化。

益生元是一种可以促进益生菌生长、改善宿主健康并不被机体消化的食品成分。膳食纤维作为益生元的一种,可有效重塑DKD动物模型的肠道微生态,改善肠道菌群失衡,促进产生SCFAs的普雷沃氏菌属和双歧杆菌属的生长,增加了粪便和血液中的SCFAs浓度,表现出更少的蛋白尿、肾小球肥大、足细胞损伤和间质纤维化[31]。

粪菌移植(FMT)作为重建肠道菌群的重要手段,已成功应用于许多难治性肠道感染疾病的治疗[32]。Hu等[33]对DKD大鼠进行FMT,结果显示FMT组大鼠和正常对照组大鼠的肠道微生物群组成相似,表明FMT可逆转DKD大鼠的肠道菌群失衡,此外,与DKD组大鼠相比,FMT组大鼠的肾脏体重/体重比值和尿白蛋白/肌酐比值显著降低,肾小管上皮细胞脱落和坏死明显减轻,提示FMT可有效改善DKD大鼠的肾小管间质损伤。但目前尚无关于FMT治疗DKD患者的研究报道。

此外,有研究发现,沙库巴曲/缬沙坦不仅重塑了DKD小鼠的肠道菌群结构,而且还改善了肠道微生物群的功能,减轻DKD小鼠肾脏功能和病理的损伤[29]。Deng等[18]发现恩格列净可降低高脂饮食联合链脲佐菌素诱导的DKD小鼠模型引起的血糖、尿白蛋白/肌酐比值的升高,抑制结肠隐窝增厚,恢复杯状细胞数量,上调肠黏膜紧密连接蛋白ZO-1和Occludin的表达;16S rRNA测序结果显示,恩格列净干预恢复了肠道微生物群多样性,减少了产LPS的细菌,增加了产SCFAs的细菌。

这些干预措施可重塑DKD的肠道菌群结构,修复肠道屏障损伤,改善肾功能,减轻其病理损伤。

小结:由于肠道微生物组成和代谢物的高度复杂性,目前尚未阐明其致病机制,但现有的证据向我们展示了一种可能,即肠道菌群失衡是通过其代谢产物损伤肠道屏障功能,进而介导DKD的发生发展。调控肠道微生态平衡,修复肠道屏障功能损伤,可能是未来DKD治疗的新方向。