糖尿病肾病与肠道菌群最新研究进展

云志飞,杨文昊,李倩玉,刘 锋

(吉林大学中日联谊医院 肾病诊疗中心,吉林 长春130033)

目前,中国已成为全球糖尿病患者最多的国家[1],随着糖尿病人群迅速增加,糖尿病肾病(DN)的发病率也逐步上升。在健康个体中,肠道菌群处于动态平衡状态;而当这种平衡被破坏时,就会产生各种疾病。继2011年国际透析大会首次提出“肠-肾轴”概念后[2],越来越多的学者把目光聚焦在肠道菌群对DN的作用机制方面。目前针对DN和肠道菌群关系的研究已经成为一个重要的突破口,纠正肠道菌群失调可能成为干预和治疗DN的新靶点。

1 DN患者肠道菌群的组成

肠道中的大量不同种类细菌统称为肠道菌群。通过现代测序技术分析,肠道细菌数量高达100万亿,远高于人体的细胞总数[3],被称为人体 “第二大脑”[4]。肠道菌群主要来自7个分支:厚壁菌、拟杆菌、放线菌、梭杆菌、变形菌、疣状杆菌和蓝藻,其中90%以上是拟杆菌和厚壁菌[5]。肠道菌群的组成受宿主因素的影响,如饮食、基因、年龄、地理环境、卫生习惯、精神因素、运动及药物等[6-8]。肠道菌群在肠道内不均匀分布,需氧菌主要位于小肠,而厌氧菌大多分布在结肠[9]。肠道菌群可以通过自身成分结构或者衍生的代谢物质来影响宿主的生理功能,同时还能进入体内循环中作为信号分子影响远端非肠道器官,这种肠道菌群与远端器官的相互作用,被称作“新的虚拟代谢器官”。肠道菌群广泛参与能量吸收、营养代谢、免疫反应、认知发育等多个过程[10]。当肠道菌群结构及代谢失衡时,可能引起心血管疾病、肿瘤、肝衰竭以及肾脏病等多种疾病[11-13]。

2 肠道菌群失调在DN中的发病机制

2.1 慢性低度炎症加速DN进展

DN患者肠道菌群中,革兰阴性细菌增多导致血清中脂多糖(LPS)水平升高,激活体内免疫细胞的Toll样受体(TLR),通过病原体相关分子模式(PAMPs)触发促炎级联反应[14],导致炎症相关因子如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-1(IL-1)、白细胞介素-6(IL-6)等释放增加,激活氧化应激和NF-κβ等多种传导通路诱发全身微炎症,加速DN 患者肾功能恶化[15]。另外,肾脏组织内也表达TLR,包括LPS和其他菌群产物在内的免疫炎症物质可以导致肾细胞TLR2/4过度表达,从而导致足细胞受损,破坏肾小球滤过屏障[16]。肠道是由机械屏障、化学屏障、免疫屏障和微生物屏障构成的半透性屏障。除了发挥消化、吸收等功能外,还能限制细菌和有毒代谢物质进入门静脉[17]。当DN患者肾小球滤过率下降时,体内蓄积的代谢废物能透过肠壁破坏肠道屏障,如尿素潴留导致对氨的重吸收增加,使肠道连接蛋白如claudin-1、occludin和zonula occludens-1(ZO-1)丢失,破坏由肠道上皮细胞紧密连接形成的机械屏障;同时,氨转化为氢氧化铵改变肠道pH值加重肠道机械屏障损伤,造成“肠漏”现象[18]。肠道屏障受损后,肠道菌群发生移位进入黏膜下组织进一步启动增加活性化学炎症介质的释放,加速肾脏炎症和糖尿病肾损伤。同时,DN患者肠道中变形杆菌等条件致病菌增加,通过释放外膜囊泡传递LPS和调节细胞炎症反应损伤肾小管间质[19]。

2.2 肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)的过度激活促进DN

RAAS的过度激活通过改变肾脏的血流动力学,破坏内皮功能等多重机制导致肾小球滤过屏障及肾小管损伤,被认为是DN发病的关键步骤[20]。除了循环中的肾素-血管紧张素,许多组织,如子宫、胎盘都有局部RAAS,肾脏局部RAAS浓度远高于循环中的[21]。越来越多的证据表明,肠道菌群是各种血管紧张素II(Ang II)相关病理状态的有效生物调节剂[22]。DN患者体内的高糖状态不仅能直接刺激肾素和血管紧张素原的产生,还能上调血管紧张素转换酶、血管紧张素受体的mRNA水平,使肾局部Ang II浓度大幅度增加,过度激活肾内RAAS系统造成肾组织损伤[23]。与Ang II相关的肠道菌群失调主要表现为产生丁酸盐的细菌减少和产生乳酸的细菌数量增加[24]。在Ang II诱导的高血压小鼠中,变形菌门过度表达[25],间接促进三甲胺-N-氧化物(TMAO)的产生[26]。在血管紧张素转换酶抑制剂干预下,产生短链脂肪酸(SCFAs)的菌群增多,可能和降低血压机制有关[27]。然而,一些丙酸生成细菌,如拟杆菌,在Ang II诱导的高血压小鼠中富集,其代谢物琥珀酸和G蛋白偶联受体91(GPR91)结合后蓄积在远端肾单位-集合管中,诱导致密斑细胞中肾素的释放激活肾局部RAAS系统[28]。同时有相关动物实验指出补充肠道菌群可以防止Ang II诱导的小鼠出现高血压器官损伤(如高血压性心脏和肾脏损伤)[29]。肠道菌群和RASS系统之间的相互作用、相互调节的确切机制远未解决,因此进一步探讨二者之间的关系对DN的意义重大。

3 肠道菌群代谢物与DN

3.1 SCFAs生成减少

SCFAs是难以消化的复合碳水化合物如抗性淀粉或膳食纤维经肠道菌群发酵所形成的饱和脂肪酸。结肠中95%的SCFAs由乙酸、丙酸和丁酸组成[30]。肠道菌群失调导致SCFAs缺乏。SCFAs不仅可以作为供给肠黏膜上皮细胞的能量来源,还能作为信号转导分子参与代谢调节和免疫反应从而影响DN进程。SCFAs可以通过激活胰岛β细胞上表达的SCFA受体-游离脂肪酸受体2(FFA2)/GPR43和游离脂肪酸受体3(FFA3)/GPR41[31],调节机体炎症反应和糖脂代谢水平。丁酸盐可以刺激肠道L细胞释放胰高血糖素样肽-1(GLP-1),增加胰岛素敏感性,减少肾小管间质纤维化、改善肾小管上皮炎症[32]。乙酸和丁酸还可以通过抑制氧化应激、NF-κβ通路纠正肾脏细胞线粒体的功能障碍,缓解糖尿病肾损伤[33]。SCFAs能激活肠上皮细胞的GPR43和GPR109A增加IL-18水平,促进隐窝肠上皮细胞分化并调节紧密连接蛋白的表达,维持肠道上皮完整性[34-36]。SCFAs通过G蛋白偶联受体(GPCRs) 和组蛋白脱乙酰化酶(HDAC)调控网络、IgA的分泌和 TLR调控宿主免疫[37]。糖尿病时NOD样受体3(NLRP3 )炎性小体的激活,可促进IL-1β、IL-18等的释放,诱导炎症反应,促进DN的发生发展[38],丁酸作为SCFAs的一员,可以显著减少NLRP3 炎症小体形成[39]。研究证实丙酸可与嗅觉受体(Olfr78)结合减少肾素的分泌,进而拮抗局部RAAS改善肾脏的血流,是肠道菌群调控高血压的靶向机制[40]。SCFAs作为一种信号分子,在代谢调节、保护肠道屏障、免疫反应、抑制RASS等方面起重要作用。

3.2 次级胆汁酸减少

胆汁酸是DN患者肾脏不良结局的独立危险因素[41]。肠道菌群与胆汁酸互相作用,一方面肠道细菌在多个过程参与次级胆汁酸的合成代谢,另一方面,次级胆汁酸也影响肠道菌群的代谢与组成。胆固醇在肝脏合成结合胆汁酸,随后进入肠道在具有胆汁盐水解酶活性的菌群作用下去缀合生成游离胆汁酸,大部分游离胆汁酸参与肝肠循环,其中1%～2%在厚壁细菌的7α-脱羟基作用下转化为次级胆汁酸。法尼酯X受体(FXR)和胆汁酸受体5(TGR5)在DN患者肾小管和肾小球细胞中表达下调[42]。FXR和TGR5在DN发生发展中起肾脏保护作用,FXR介导脂质代谢、氧化应激、炎性因子和纤维化生长因子等协同信号通路减少蛋白尿、减轻肾小球负担和改善肾间质纤维化[43]。研究表明TGR5 mRNA的表达与DN进展呈负相关,但是与正常肾病理标本相比,DN患者的肾脏中TGR5 mRNA表达显著减少[44]。TGR5信号通路的激活促进GLP-1分泌,通过增加胰岛素敏感性、改善胰岛素抵抗等机制改善肾脏氧化应激和纤维化实现肾脏保护作用[45]。特异性TGR5激动剂INT-777通过诱导线粒体生物合成、上调氧化应激抑制剂和脂肪酸β氧化诱导剂的表达,抑制肾脏中氧化应激和脂质堆积。FXR/TGR5双激动剂INT-767在小鼠模型中被证实通过抑制脂肪酸和胆固醇代谢,减轻了足细胞损伤和系膜扩张,最终起到减少蛋白尿和肾纤维化的作用[43]。

3.3 硫化氢(H2S)减少

H2S是人体生理学中重要的体内气体信号分子,可由肠道细菌还原硫酸盐催化半胱氨酸产生。H2S具有舒张血管、降压、抑制凋亡及炎症、抗氧化、调节内质网应激等广泛生理功能[46]。肾脏产生大量内源性H2S,约75%的肾细胞和87%的内皮细胞表达产生H2S的酶[47],最近在人类患者和实验动物中报道了由于H2S合成酶缺乏导致的血浆H2S水平降低与肾脏疾病的严重程度相关[48]。近年研究发现,H2S合成减少在DN进展中起关键作用,DN小鼠模型的肾脏H2S含量明显低于正常小鼠[49],目前已知H2S在肾脏的生理作用主要是调节肾脏血流、钠钾排泄和氧传感器[47]。有证据表明在链脲佐菌素诱导的糖尿病动物模型中,大鼠肾功能在得到硫氢化钠(H2S供体)治疗后明显改善[50]。H2S对DN的肾保护机制可能和抑制Na+-K+-2Cl-和Na+/K+-ATP酶等转运体的活性及氧化应激有关[51]。生理条件下,内源性H2S可以改善肾脏排泄功能、逆转RAAS系统过度激活延缓DN进展[52];在缺氧状态下,可增加肾髓质的血流量[19]。目前H2S保护肾脏阐述较为明确的机制主要为核因子E2相关因子2(NRF2)通路、AMP依赖蛋白激酶(AMPK) 通路、氮氧化合物(NOX)通路[53]。但H2S调节线粒体代谢的信号通路及不同H2S浓度下发挥的生理作用尚未清楚,其对DN的潜在影响也需要更多研究的证实。

3.4 肠源性尿毒素蓄积

肠源性尿毒素由氨基酸或胆碱等经肠道菌群分解代谢生成,包括硫酸吲哚酚(IS)、硫酸对甲苯酯(PCS)、苯基硫酸酯(PS)和TMAO等[54]。PCS可激活RAAS系统及TGF/Smad 通路,诱导肾小管细胞发生上皮-间质转化(EMT),最终导致肾纤维化[55]。血管紧张素转换酶2-血管紧张素(1-7)-Mas受体轴具有扩张血管、利尿、增加肾灌注和抑制炎症的作用[56]。IS能通过芳香烃受体/转录激活因子3(AHR/STAT3)途径减少肾小管上皮细胞Mas受体的含量,破坏RAAS平衡[57];另外,IS可以使一氧化氮合成酶(eNOS)磷酸化失去活性,减少NO的生成,诱导内皮细胞氧化应激和衰老[58]。TMAO可能通过激活NLRP3诱导血管炎症[59]、扰乱糖代谢[60]等机制促进DN病程进展。在早期慢性肾脏病患者血清中,TMAO水平明显高于正常水平,且和胱抑素C水平呈正相关[61],将来有可能成为临床评估早期肾损伤的指标。

总之,肠道菌群在DN发展过程中发挥的作用,基于“肾-肠轴”,采用饮食干预[62]、补充益生菌、益生元[63]或肠道菌群移植(FMT)[64]对肠道菌群实现靶向调节有望成为干预DN的有效方法。肠道菌群作为与人类共生的内在环境,影响机体代谢、免疫应答等诸多方面。总体来说,目前对肠道菌群与DN的认识尚不充分,随着16SrDNA等基因测序技术的发展,肠道菌群在DN中的作用与分子信号机制将得到进一步探索。