肠道菌群与肾移植的研究进展

许彬，侯一夫，彭志飞，刘洪，冉清（.成都医学院临床医学院，四川成都 60500；.四川省医学科学院·四川省人民医院器官移植中心，四川成都 6007；.四川省人民医院天府新区医院泌尿外科，四川 成都 60；.三六三医院泌尿外科，四川 成都 600）

肾移植是治疗慢性终末期肾脏疾病的有效手段，随着外科手术技术的提升、免疫抑制药物的优化以及移植后监测手段的改进，移植肾的存活率已经大为提高，1 年和 5 年的患者生存率分别为 95.4%和 88.1%［1］。肠道菌群在各种疾病的病理生理及治疗，扮演着一个重要的角色。在健康人中存在着成千上万个微生物，它们生活在人体的各个地方，包括皮肤、口腔、胃肠道以及泌尿生殖道等，并以共生的方式相互协作、相互影响［2］。目前研究发现，肾移植术后受者的肠道菌群有着明显的改变，这些差异可能对受者的预后产生重要的影响。本篇综述主要概述肠道菌群在健康人体的作用，然后讨论了肾移植术后微生物变化及其对免疫抑制剂和术后常见并发症（如排斥反应、感染、腹泻等）的影响。最后，总结了当前针对微生物的治疗方法。

1 人体内的肠道菌群

一直以来，细菌被认为是病原体，但近年来的研究表明它们在宿主生理学中扮演了重要作用。随着测序技术的广泛应用，人体中（体表和黏膜）越来越多的微生物得以检测［3］，本篇综述中所提及的微生物菌群主要是指肠道微生物群。肠道菌群是迄今为止我们身体中最丰富、最多样化的微生物群落。由于饮食、pH 值、黏膜厚度以及肠道的蠕动不同，肠道微生物沿胃肠道的分布有着显著差异，其中在结直肠的肠道微生物数量最多。在成人肠道中，通过粪便的微生物宏基因测序发现，健康人的肠道微生物群中大多数细菌属于拟杆菌门（bacteroidetes）、厚壁菌门（firmicutes）、放线菌门（actinobacteria）、变形菌门（proteobacteria）和疣微菌门（verrucomicrobia）［4］。与人类的基因组相比，人类肠道微生物组的宏基因具有数量多且组内差异较大等特点。虽然肠道微生物群拥有庞大的基因数量，但在大多数健康个体中大约只有不到三分之一的基因相同［5-6］。

有研究表明，人体微生物的定植在出生时就开始了。婴儿的早期微生物组与婴儿的出生方式有着较大的关系，经阴道分娩婴儿的微生物群与母体阴道微生物组非常相似，主要是乳酸杆菌属组成［7］。其次，母乳也是一种良好的肠道菌群传播源，母乳能够间接或直接来改变婴儿肠道微生物群的组成。随着饮食的多样性和年龄的增长，微生物组通常在3 岁时达到类似于成人的结构［8］。虽然肠道微生物群在成年人体内保持着相对的稳定状态［9］，但肠道微生物组对外在和内在因素表现出显著的可塑性。其中内在因素主要包括：个体基因组成，年龄、性别，身体免疫应答以及疾病状态［10-13］。外在因素包括：饮食习惯，早期生活暴露，地理位置［11，14］（比如居住环境等）。其中在研究肠道菌群与常见疾病与药物的研究中发现，抗菌药物和质子泵抑制剂是对肠道微生物群的组成产生影响最大的药物［13］。而近年来的研究表明，几乎所有的常见药也会对人体肠道菌群产生广泛影响，比如抗精神类、抗排斥类等［15］。就目前研究来说，广泛的因素能够影响肠道微生物组成，但是由于个体差异引起的肠道菌群的变化仍旧没有一个合理的解释。因此，为了更好地了解健康的微生物群，就必须将其作为监测个体健康的一个方面，而未来的研究需要进一步提高我们对健康肠道菌群的认识。

肠道微生物群不仅仅在胃肠道中发挥着重要作用，而且它对宿主全身的生理功能有着重要影响。有研究发现，肠道微生物通过自身成分结构或者其衍生的各种代谢物质来影响宿主全身的生理功能，并且可以进入体循环，而进入体循环的物质可以作为一种信号来影响一些非肠道器官的病理生理状态［16-17］。在健康状态下，这些由微生物群产生的因子或其衍生物有助于促进宿主的正常生理活动。近些年来的一些研究表明，慢性肾衰竭和肝脏疾病的恶化可能与肠道微生物群的紊乱或者失调有关［18-19］。虽然这里的具体机制还不是十分明确，可能是一些微生物产生的化合物，其作为尿毒症溶质在血浆中的积累可能导致患者肾衰竭，或通过破坏肠道屏障功能而致病［20-21］。

2 肾移植后肠道菌群的特点

肾移植受者不仅在移植后接受免疫抑制治疗，而且早期还接受几种抗菌药物预防性抗感染治疗，这些药物都会影响肠道微生物的组成。早在2014 年的研究中表明，60 例肾移植受者分别在移植前和移植后第1 个月和第6 个月采集样本，通过对样本进行16S rRNA V1-V3 测序发现，受者血液、尿液、口腔和直肠的微生物群发生了显著的变化并持续保持，并且这些变化可能预示着个体的健康或者疾病［22］。而一项前瞻性研究通过招募了10 例肾移植受者，并在术前、术后第1 周和术后第4 周收集了粪便标本，也是通过测序发现，移植后样本中整体肠道微生物群的相对丰度较移植前明显降低，但移植后第4 周组的粪便标本中，芽孢杆菌属、肠球菌科的含量明显增高［23］。Lee 等［24］在对26 例肾移植受者进行术后前3 个月的前瞻性研究中发现，与移植前标本相比，移植后标本中的变形细菌门的相对丰度增加。在南方医科大学附属医院进行的一项单中心研究中，将肾移植受者，慢性肾衰竭（chronic kidney disease，CKD）患者以及健康人三者的肠道菌对比分析发现，肾移植受者与慢性肾衰竭患者的肠道微生物组具有较高的相似性，而与健康人相比，肾移植受者和CKD 患者中的拟杆菌门、变形菌门、梭状芽孢杆菌和肠杆菌科的丰度显著增加［25］。而在Xiao 等［26］关于器官移植与肠道菌群的综述中也强调了致病性变形菌门的丰度增加可能是移植后发生感染的原因。研究表明，变形菌门的丰度增加可以作为肠道菌群生态失调或紊乱的标志［27］。

总的来说，目前的研究中也逐渐证明，肾移植受者肠道微生物群的变化可能是一种肠道菌群的失调或者紊乱。此外，我们在这些研究中观察到移植后受者肠道菌群中产生短链脂肪酸（short chain fatty acids，SCFA）的细菌减少，特别是大肠真杆菌、粪球菌和罗氏菌的丰度减少，这些细菌都可以产生短链脂肪酸［28］。作为肠道菌群的代谢产物，SCFA 不仅对肾脏有好处，还可以促进Tregs 细胞数量的增加，从而减轻全身的炎症反应［29］。

总之，致病性微生物群和保护性微生物群之间的不平衡可能是肾移植肠道菌群生态失调的特征，这种失调主要可能与肾移植受者对免疫抑制剂的需求以及预防和治疗性抗菌药的广泛使用有关［30］。在器官移植的大环境下，肠道微生物群与受者免疫系统的相互作用就十分令人感兴趣。在局部层面，肠道微生物群通过对肠道黏膜适应性免疫的调节来保护肠黏膜免受病原体入侵。在全身水平，肠道微生物群通过调节抗原呈递细胞活性和细胞因子水平来影响宿主免疫活性［31］。这些结果表明肠道微生物群可能对器官移植物的功能和结局产生深远的影响。

3 肾移植术后免疫抑制剂与肠道菌群的相互作用

目前的研究已经证明，肠道微生物群与免疫抑制剂之间存在相互影响。一方面，微生物群可以改变免疫抑制剂的吸收和代谢；另一方面，免疫抑制剂可能会改变肠道微生物的组成。但是免疫抑制剂的有效治疗窗口狭窄，不同的患者在剂量要求、疗效和毒性方面存在着巨大差异是日常临床工作中的一个主要挑战，免疫抑制剂的剂量不足可能导致急性移植物排斥反应，而剂量过量则会产生严重的不良反应［32］。个体差异的潜在原因在免疫抑制剂的暴露、疗效和毒性等方面已经有了深入的研究［33］。而近年来，有学者提出肠道微生物群可能发挥了潜在的作用。

3.1 肠道菌群与免疫抑制剂的代谢：肠道微生物对药物的代谢和对肝细胞色素p450 的调节给免疫抑制剂在暴露、疗效、毒性等方面的个体差异提供了一个合理的解释［34-35］。近年来，越来越多的研究突出了肠道微生物群在免疫抑制剂代谢中的作用，Zimmermann 等［36］在体外实验表明，人类肠道细菌能够代谢他克莫司和霉酚酸酯。在另一项研究中，Guo 等［37］也发现，属于梭状芽胞杆菌目的普拉氏粪杆菌（Faecalibacterium prausnitzii）可以将他克莫司（tacrolimus，Tac）在体内转化为一种名叫M1（C-9 酮还原产物）的效力较弱的免疫抑制剂，在口服他克莫司的2 名健康成人的新鲜粪便样本中也检测到了大量M1。而Lee 等［38］研究了19 例接受肾移植并以Tac 作为主要免疫抑制剂的患者的粪便标本中的微生物群。根据术后第1 个月的随访将受者分为需要增加Tac 剂量组（剂量递增组）和不需要增加Tac 剂量组（剂量稳定组），结果发现与剂量稳定组相比，剂量递增组中普拉氏粪杆菌（faecalibacterium prausnitzii）具有较高的丰度，且与Tac 剂量呈正相关。作者的研究结果可能有助于进一步解释在达到治疗水平时他克莫司剂量的个体间差异。

总之，这些研究强调了肠道微生物群在免疫抑制剂代谢方面的潜在的作用，未来也需要更多的研究去揭示肠道菌群对免疫抑制剂的代谢的具体机制，来更好地解释肠道菌群在免疫抑制剂药代动力学中的作用，从而更好地指导临床用药。

3.2 免疫抑制剂对肠道菌群的影响：在一项对包括免疫抑制剂在内的1000 多种药物进行的体外研究显示，具有人类靶标的非抗菌药物能够抑制细菌的增殖［39］。同样，在一项观察性临床试验中，免疫抑制药物霉酚酸和他克莫司降低了受者肠道细菌的多样性［40］。人体肠道菌群多样性的减少又会加速对肠道产生毒性的细菌的繁殖速度。在Zhang 等［41］的一项动物研究发现，高剂量的他克莫司可以改变小鼠肠道微生物群的组成和细菌类群，与对照组相比，Tac 组中的异芽孢杆菌（allobaculum）、拟杆菌属（bacteroides，P ＜0.01）和乳酸杆菌（lactobacillus，P ＜0.05）的相对丰度显著升高，而梭状芽孢杆菌（clostridium，P ＜0.01）、瘤胃球菌（ruminococcus）、理肯氏菌（rikenella）、疣微菌科（ruminococcaceae）和颤螺菌 （oscillospira，P ＜0.05）的相对丰度显著降低。而Lee 等的研究又指出，较高的他克莫司剂量可以增加普拉氏粪杆菌（faecalibacterium prausnitzii）的丰度。进而另一项研究表明［42］，环孢素（Cyclosporin A，CSA）可改善肝移植损伤并部分恢复同种异体移植后的肠道微生物群，这也说明免疫抑制剂也可能对肠道的稳态有益。这些矛盾的结果更加表明，要探究清楚免疫抑制剂对肠道菌群的组成的影响，我们需要更多的基础或临床研究来研究肠道微生物与免疫抑制剂的相互作用，从而建立一个完整的、明确的机制。

4 肾移植后肠道菌群紊乱与术后并发症

4.1 肠道菌群失调与移植物排斥反应：在一项动物研究中已经证明微生物的组成可以调节接受同种异体移植宿主对移植物排斥的免疫反应［43］。而另一项动物实验也表明，不同的个体对移植物表现出不同的排斥反应可能是由于个体内的肠道微生物群的差异引起的［44］。在Xie 等［45］对肝移植后急性排斥大鼠粪便微生物群落进行研究后发现，发生急性排斥反应的大鼠肠道菌群组发生显著的变化，主要是拟杆菌属和瘤胃球菌的过度生长。Lee 等［24］的一项研究中比较了肾移植急性排斥组（AR 组，n ＝3）和无急性排斥组（无AR 组，n ＝23）的肠道微生物发现，在门水平上，AR 组中的拟杆菌门低于无AR 组，在目水平上，AR 组中的乳酸杆菌目高于无AR 组，而梭菌目和拟杆菌目低于无AR组。一项最新的研究肾移植后抗体介导的排斥反应（antibody mediated rejection，AMR）的肠道菌群的文章中指出，AMR 受体的肠道微生物群落与对照组显著不同，梭状芽胞杆菌属等特定分类群可能被用作AMR 的生物标志物［46］。Guo 等［47］在研究小鼠原位肺移植时也发现，一些特定微生物组可以通过改变CD4+Foxp3+Tregs 细胞水平来控制急性和慢性鼠肺同种异体移植排斥反应。虽然这在肾移植中还未进行验证，但也间接说微生物的组成对移植物的排斥存在着潜在的影响，而未来也需要更多地研究来探索其可能的发生发展的机制，进一步为临床中移植后腹泻的诊治提供理论参考。

4.2 肠道菌群失调与感染：在实体器官移植中，感染是一种严重的并发症，会导致患者的发病率和病死率增加［48］。同样是在Lee 及其同事的研究中，他们发现在3 例发生尿路感染的移植受者的大便中肠球菌的丰度显示增加［24］。而Fricke 等［22］的研究也发现，在3 例发生尿路感染和2 例上呼吸道感染的受者中肠道菌群发生的显著的变化，与14 例对照组的样本相比较，4 例移植后感染的受者厚壁菌门显著减少（P ＜0.001）。Chan 等［49］在移植相关感染——胃肠道微生物群的作用和潜在的治疗选择一文中也总结了，移植后由于较多的危险因素引起肠道菌群的变化，可能会导致较高的尿路感染和胃肠道感染的发生率。Biehl 等［50］对1 例确诊尿路感染的移植受者进行连续2 d 口服冷冻胶囊化微生物群后，患者尿路感染的症状消失，并对其治疗后第 14、39 和84 天收集的所有尿液标本均保持培养阴性，通过进一步测序发现，在治疗后尿液中的肠杆菌科的丰度由开始8.3%下降至0.5%。与此同时，拟杆菌和梭状芽胞杆菌的相对丰度逐渐增加。这也间接说明，移植后的尿路感染可能与肠道菌群的失调有关系。

总之，根据这些研究，一些微生物物种在正常条件下可能对黏膜表面发挥保护作用，而这种保护作用可以称之为定植抗性，其产生的机制多种多样主要包括肠道微生物产生抗菌因子、诱导 IgA 产生、上皮屏障的强化等［51-53］。这些发现强调了移植前后健康的肠道微生物组对于预防潜在的危及生命的感染的重要性。

4.3 肠道菌群失调与腹泻：腹泻是肾移植后的一种严重并发症，其在实体器官移植受体当中的发生率为20%～50%［48］。而肾移植术后腹泻所导致的脱水、药物毒性增强、反复住院以及移植物器官功能受损和器官排斥和死亡危害极大［54-55］。有研究显示，虽然移植后腹泻的病因常常是不明确的，但是在病因上，还是可以把腹泻区分为感染性腹泻及非感染性腹泻。其中，由免疫抑制剂导致的非感染性腹泻常常需要调整免疫抑制剂药物的剂量或者方案来缓解腹泻的症状，特别是霉酚酸酯（mycophenolate mofetil，MMF）类药物［56］。临床上，由于病原体培养的困难，临床医生无法及时准确判断患者腹泻的类型，经验性减量/撤离MMF 等免疫抑制剂已成常态［57］。但是这样的经验性操作增加了患者因免疫剂暴露不足而的排斥反应风险。

同样是在Lee 等［24］的一项初步研究中，把6 例移植后发生腹泻受者与9 例在各项都匹配的未发生腹泻的受者的粪便进行测序后比较分析发现，腹泻样本的香农多样性指数显着降低（P ＝0.02），进一步分析显示，在腹泻样本中拟杆菌门及其衍生物、拟杆菌属以及瘤胃球菌属、粪球菌属和多尔氏菌属均显著减少。此外，在腹泻样本中未检测到艰难梭菌。这些结果我们可以提出一种假设，即移植后腹泻的发生可能是由于受者体内肠道菌群的失调或者紊乱。而Lee 等［58］的另一项研究对16 例移植后腹泻患者与46 例没有移植后腹泻的受者进行术后前3 个月的随访发现，腹泻组中肠道菌群具有较低的香农多样性，腹泻粪便中真杆菌属、厌氧菌属、粪球菌属、朗布氏菌属、瘤胃球菌属、多雷氏菌属、粪杆菌属、梭菌属、梭菌属、瘤胃梭菌属、布劳氏菌属、双歧杆菌属和拟杆菌属的相对丰度显著降低，而肠球菌、大肠埃希菌和毛梭菌在腹泻粪便中的含量增加。并对所有的腹泻粪便进行多重 PCR 分析检测常见病原体时，只有2 例检测呈阳性。这也说明在肾移植术后早期大多数腹泻属于非感染性腹泻。

在Swarte 等［59］的最新的关于肾移植后肠道菌群的变化一文中，不仅指出移植后受者的肠道菌群发生紊乱，而且还发现肾移植受者中产生丁酸盐的细菌减少。通过对比分析，我们发现在腹泻受者中，大部分减少的菌群属于产丁酸盐的菌群［60］。而丁酸盐是一种SCFA，在维持肠道健康方面起着关键作用。同时，丁酸盐在跨上皮液体转运调节、改善黏膜炎症和氧化状态、增强上皮防御屏障、调节内脏敏感性和肠道运动等方面发挥重要作用［61］。此外，SCFAs 又是哺乳动物结肠腔中的主要阴离子，SCFAs 的结肠转运的调节被认为是维持体液平衡的重要因素［62］，这也许是移植后受者肠道菌群失调发生非感染腹泻的又一重要原因，而未来也需要更多地基础研究来解释丁酸盐甚至是SCFA 在移植后腹泻受者中的作用机制，从而更好地为临床中移植后腹泻的诊治提供理论依据。

5 微生物治疗的应用前景

虽然肠道微生物群与移植结局的关系已逐渐被探索明确，但微生物组干预的益处在肾移植领域却少有研究。近年来，随着对微生物组在移植中的作用的更好理解，其中一些发现也可能对实体器官移植受者有益。

5.1 益生菌：益生菌被世界卫生组织定义为活的有机体，当以足够的量给药时，可以为宿主带来健康益处［63］。乳酸杆菌和双歧杆菌等益生菌早已用在治疗慢性肾衰竭［64-65］。同样在溃疡性结肠炎中，与金标准美沙拉嗪相比益生菌 Escherichia coli Nissle 1917在缓解病情方面显示出相当的疗效和安全性［66］。益生菌在器官移植的研究大多数集中在动物实验上，其中有研究表明，使用某些益生菌可以调节同种异体移植物的免疫，并减轻了免疫抑制剂对小鼠的毒性［67-68］。有学者研究表明，益生菌能够通过减少NFkB 和 MAPK 的激活来增强肠道屏障、改善黏膜免疫和调节宿主信号通路［69-70］。益生元是一种食物成分，可以选择性地促进有益肠道细菌的生长，为宿主带来与微生物调节相关的健康益处［71］，其在体内可能的作用机制是增加 SCFA 的产生并降低肠道pH 值［72］。目前，在肾移植肠道微生物的研究中尚未见到益生元的报道。

5.2 粪便微生物移植：粪便微生物群移植 （fecal microbiota transplantation，FMT）是将健康供体的粪便转移到因微生物群改变而导致疾病的患者的结肠中，目的是恢复正常的微生物群，从而治愈疾病，最早的应用是在治疗复发性艰难梭菌感染（clostridium difficile infection，CDI）［73］。在一篇病例报告中，1 例肺移植和1 例肾移植，他们在术后都发生的艰难梭菌感染引起的腹泻，他们都在序贯的FMT 后治愈了由艰难梭菌引起的腹泻［74］。在一项多中心、回顾性研究也证明了FMT 在治疗复发性、严重或爆发性艰难梭菌感染是安全有效的［75］。不仅如此，通过FMT 还可以提高了微生物多样性并重建了患者的肠道微生物群组成［76-77］，这一点在Lee 等［58］的研究中也得到了验证。但是，由于缺乏关于供体的选择、移植材料质量控制和使用方式的统一标准，阻碍了FMT 在临床上的推广与实践。

5.3 噬菌体疗法：噬菌体是一种感染细菌的病毒，早期主要是用来治疗感染性疾病，后来逐渐被抗生素取代，但是，随着抗菌药物耐药性的增加，尤其是多重耐药菌的出现，噬菌体的抗菌活性正在被再次探索［78］。噬菌体疗法是利用噬菌体对宿主高度特异性的天然能力，来靶向杀死宿主细菌，从而达到治疗细菌感染的目的。噬菌体不仅可以消除和控制病原菌感染，而且通过对其添加新的功能还可以动态的调节微生物群。在一项病例报告中，3 例肺移植患者感染了多重耐药菌，并接受了个体化的噬菌体治疗，其中2 例患者好转出院，并且没有报告与治疗相关的不良事件［79］。而另一项病例报告中，1 例因肾移植后反复慢性尿路感染的患者在接受其他治疗方案和噬菌体疗法后，其临床症状得到改善，并且没有再次出现复发而且也没有出现噬菌体疗法后的相关不良反应事件［80］。

总之，微生物干预措施在改善治疗效果等方面有着巨大的潜力，但是由于其安全性、实施方案等还没有一个统一的标准，因此，在临床上的应用还存在着许许多多的障碍。加之，微生物群在个体的巨大差异性，所以未来的研究应该更加注重个体化的微生物疗法。

6 总 结

微生物组学的研究正在改变我们对宿主的生理状态和疾病的认识，在器官移植中，它对受者免疫力、免疫抑制剂的代谢和感染、排斥反应、腹泻等术后并发症的影响变得越来越明显。同时，肾移植术后受者的肠道菌群组又受许多外部因素的影响，比如饮食习惯、药物的使用、以及居住环境等。因此，在移植后的随访中的用药不仅要考虑对受者肠道微生物的影响，还要结合目前对肠道微生物的理解制定一个合理的、个体化的治疗方案。而未来还应该开展多中心的关于移植后受者肠道微生物组学的研究，完善受者肠道微生物群的宏基因组测序，来阐述受者肠道微生物与机体的相互作用、相互影响。随着微生物的干预的益处在肾移植领域的显现，广泛的微生物干预措施如益生菌、益生元以及粪便移植的安全性和有效性已得到验证，而微生物的个体化、靶向、特异性的精确干预措施会成为新兴的治疗方向。