基于肠-肾轴初探糖尿病肾病便秘的机制

孙盼盼,王亚荣,位 来,赵怡蕊

(山西中医药大学第三临床学院,山西 晋中 030619)

糖尿病肾病(diabetic kidney disease,DKD)是发达国家和发展中国家终末期肾病(ESRD)的主要原因,给我国乃至全球带来巨大的经济负担[1]。DKD是代谢性疾病,其发生发展过程是代谢过程之间复杂相互作用的结果[2],代谢紊乱是长期肾小管、肾小球损伤的结果,也是炎症、血流动力学变化及糖尿病肾病进展的重要原因。肠道是糖、脂、蛋白质三大营养物质被吸收利用的主要场所之一,其肠黏膜上皮功能状态及肠道菌群稳态与DKD发生发展关系密切。故本文以“肠-肾轴”为切入点,初步探讨糖尿病肾病便秘的相关机制,为进一步DKD代谢研究提供新思路。

1 肠-肾轴与糖尿病肾病密切相关

肠道环境状态与肾脏生理病理过程密切相关,肠道功能紊乱会导致肾脏相关疾病产生及病情加重,而肾脏病变亦会影响胃肠功能。Ritz[3]基于肠道细菌代谢物与尿毒症的相互作用提出“肠肾综合征”这一概念,后有人在肠道尿毒症毒素的基础上又提出“肠-肾轴”学说[4]。随着研究深入,肠功能在DKD的机制研究日益凸显。

1.1现代医学中的肠肾轴与DKD便秘 上世纪中叶研究者就发现肾功能不全患者血液中有肠道腐败产物。现代临床研究发现,便秘与糖尿病向DKD发展显著相关[5]。基础研究则阐述了肠-肾轴通过物质代谢、肠道微环境、尿毒症毒素滞留以及肠道屏障功能等多方面影响肾脏功能,并通过不同机制影响DKD患者的便秘症状的部分机制。

1.2中医中的肠-肾轴与DKD便秘 古籍中并未出现“糖尿病肾病”病名,依症状可为“肾消”“下消”“胀满”“水肿”“尿浊”等病范畴,现医家认为“消渴病肾病”更为贴切。而DKD便秘即可归为“消渴”,亦可归为“便秘”范畴。糖尿病日久可发展为DKD,其病机本质属阴虚燥热,临床常出现便秘症状,其引起的便秘以阴虚燥热型为主,如《举痛论篇》云:“热气留于小肠……瘅热焦渴,则坚干不得出。”《素问·上古天真论》有言:“肾者主水,受五脏六腑之精而藏之,故五脏盛,乃能泻。”《五脏别论》:“夫胃大肠小肠三焦膀胱,此五者,天气之所生也,其气象天,故泻而不藏,此受五脏浊气,名曰传化之腑。”五脏与六腑就如阴阳互根互用般相互影响,故肠道功能与DKD及其便秘证关系密切。《汤液醪醴论》中论水肿治疗方法“仓廪不藏者,是门户不要也”,幽门、阑门、魄门,皆仓廪之门户。肾主水,开窍于二阴,主司二便,肾虚津液枯竭,不能润泽肠道则大便结;二便失司,门户不受约束则导致便秘出现。补土派李杲曾提出“大小肠属胃”的观点,后世继承其观点将小肠化物功能归于脾胃[6]。肠道的重吸收及代谢功能在传统医学中均属于脾主运化的功能[7]。《太阴阳明论》云:“脾与胃以膜相连于耳……为胃行其津液。”脾主运化,其功能上应包括胰。肾为先天之本,脾为后天之本,大肠主津,小肠主液,故DKD常从脾论治。《六节藏象论》云:“五味入口,藏于肠胃……津液相成。”“脾胃大肠小肠三焦膀胱者,仓廪之本……能化糟粕。”脾运化功能正常,则为胃中水液在肠道中运行正常,水液代谢正常则DKD水肿症状减轻,肠道受津液濡养则大便不硬。正如《医宗必读》所云“脾安则肾俞安”,传统医学的脾胃与肾的先后天关系与现代医学所谓的肠-肾轴有异曲同工之妙。

2 从肠-肾轴探寻DKD的机制

2.1DKD便秘与物质代谢 糖尿病肾病引起糖、脂、蛋白质代谢异常,部分代谢物差异性表达对肠道产生影响,肠道功能障碍进而发展成便秘。肾是糖异生和酮体合成两种代谢的器官,靠糖酵解、脂肪酸及酮体有氧氧化供能。DKD高糖状态下,糖类、脂类、蛋白质及核酸在非酶作用下反应产生晚期糖化终产物(AGEs),使肠道通透性增加。本研究团队在动物实验中发现DKD样本中酪氨酸、谷氨酸、色氨酸含量下降,提示由于肾损伤,肾小管重吸收功能障碍导致氨基酸流失。代谢组学研究表明,便秘大鼠及患者的粪便代谢谱异常,代谢途径中糖、精氨酸和丙酮酸存在差异性表达,与便秘存在显著相关性[8]。这些代谢途径是氨基酸产生能量和物质基础,而丙酮酸可合成异亮氨酸,同时也是各代谢途径的中间产物。色氨酸在色氨酸羟化酶(TPH)及脱羧酶作用下合成5-羟色胺(5-HT,即血清素)。5-HT部分活性是吲哚胺,在胃肠道中合成,95%在肠嗜铬细胞(EC)中合成,少数在肠神经元中合成。其主要通过再摄取转运蛋白(SERT)在细胞内转运并激活其受体促进平滑肌收缩来影响胃肠道蠕动功能[9]。5-HT通过多种受体调节胃肠道的蠕动、分泌及血管扩张功能。其中5-HTR3、5-HTR4是胃肠道中广泛存的兴奋性5-HT受体,5-HTR3可控制营养吸收率,5-HTR4促进液体分泌及增加肠道动力[10]。DKD患者肾小管重吸收功能降低,氨基酸丢失过多,体内色氨酸含量降低导致5-HT合成减少,影响肠道蠕动和液体分泌,致使机体便秘。研究显示,唾液乳杆菌Li01可作为肠道屏障保护剂,通过干预5-HT信号通路促进5-HTR3/4表达,调节水通道蛋白表达,增加粪便的含水量及数量,进而使便秘症状有所缓解[10]。

2.2糖尿病肾病便秘与肠道菌群 多数情况下我们所指的肠肾轴即肠道菌群与肾脏的关系。肠道菌群紊乱,使短链脂肪酸产生减少,同时产生多种促炎介质,导致乙酰胆碱(抗炎神经递质)分泌减少,肾脏保护作用下降。短链脂肪酸(SCFA)在结肠中微生物发酵作用下产生,是肠道菌群发挥广泛调控作用的重要“武器”。一方面SCFA(丁酸盐、丙酸盐和乙酸盐)由肠上皮细胞代谢进入循环系统,通过激活G蛋白偶联受体(GPR41、GPR43)发挥其功能。研究证实GPR41和GPR43可与肠道L细胞结合分别产生酪酪肽(PYY)、胰高糖素样肽-1(GLP-1)[11-12]。GLP-1表达降低,胰岛素敏感性下降。PYY表达减少,对消化道动力、分泌、黏膜上皮增殖的调节作用减弱,胃肠运动及胰腺分泌受到抑制。肠道菌群失衡,SCFA产生减少,激活GPR能力减弱,GLP-1和PYY表达能力下降,胰岛分泌及胰岛素敏感性降低、肠转运率及饱腹感下降,患者进食增多,血糖控制受阻,肾脏保护作用减弱,DKD病情进展加快。同时,消化道动力及分泌功能减弱,引起便秘或加重原有便秘。另一方面,SCFA可调控Th17/Treg通路改善肠道通透性,其产生减少促使肠道通透性增加,致使由肠道菌群产生的脂多糖(LPS)过量进入循环系统,LPS通过与Toll受体(TLR2/TLR4)结合激活核因子-κB(NF-κB)进而增加了炎症因子如白细胞介素-1(IL-1)、白细胞介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)产生,引起持续性炎症状态而加重KD病情[13]。除此之外,SCFA中丙酸、丁酸可通过肠神经系统胆碱能途径增加结肠纵肌及环形肌的收缩,进而促进肠蠕动反射[14]。因此,SCFAs含量降低致胆碱能促动力作用减弱,结肠运输缓慢,周而复始形成便秘。

2.3DKD便秘与尿毒症毒素 尿毒症毒素主要由肠道细菌和蛋白质代谢产生,其蓄积过多会导致肾小管细胞产生活性氧,造成肾小管损伤和肾毒性,引起肾功能减退。DKD患者常低钾饮食,限食多种蔬菜水果,致使纤维素摄取不足,肠道稳态失衡,尿毒症毒素(如NH3、胺、硫醇、酚和吲哚)产生增多,其中NH3/NH4OH的增多也会加重肠道菌群失衡,增加病原体数量。根据理化特性,可将尿毒症毒素分为小分子(肌酐、三甲基氨氧化物、尿素氮、草酸盐、同型半胱氨酸等)、中分子(胱抑素C、TNF-α等)、大分子(也称蛋白结合型毒素:硫酸吲哚酯、对甲酚硫酸酯、苯乙酸等)三类,其中大分子与蛋白结合的毒素多数属于肠源性。目前与慢性肾脏病相关的毒素研究较多的有硫酸吲哚酯(IS)、硫酸对甲酚(pCS)、苯乙酸谷氨酰胺、三甲氨氧化物(TMAO)、吲哚-3-乙酸(IAA)[15]。

蛋白质代谢为小分子氨基酸,其中苯丙氨酸、酪氨酸代谢产生对甲酚,色氨酸代谢产生吲哚。这些尿毒症毒素经肠道重吸收入血,通过循环系统经肾脏引起肾毒性[16]。色氨酸通过含有色氨酸酶的细菌转化为吲哚,经小肠上皮细胞吸收入血,在肝脏转化为硫酸吲哚酯(IS),IS依赖肾小管上的有机阴离子转运体(OATs)排泄到尿液中。IS经OAT1/3进入近端小管上皮细胞激活转录因子芳香烃受体(AhR)导致小管细胞坏死、凋亡。DKD患者肾小管结构破坏及功能降低,IS排除障碍,致使DKD病情恶性循环[13]。IAA是色氨酸产生的吲哚衍生物,结合AhR可引起炎症及氧化应激,形成肾脏纤维化。硫酸对甲酚(pCS)是酪氨酸经肠道转化为对甲酚后在肝脏合成的,其通过抑制跨膜蛋白Klotho(细胞生长因子FGF23受体)表达,激活肾素-血管紧张素-醛固酮/TGF-β途径,加速形成肾脏纤维化[17]。精胺使回肠收缩反应降低,硫酸吲哚酯、对甲酚基硫酸盐降低结肠收缩力,进而抑制回、结肠蠕动进而加重便秘[18]。

2.4DKD便秘与肠道屏障功能 肠黏膜屏障主要包括肠上皮细胞、紧密连接和分泌性黏液。正常情况下,干扰素调节因子1(IRF1)在肾脏中表达较低。基于肠肾轴理论,DKD患者代谢功能紊乱,IS产生增多并在体内蓄积,通过上调IRF1表达抑制动力相关蛋白1(DRP1)进而介导线粒体自噬损伤肠道上皮细胞[19]。尿素80%通过肾脏经尿液排出,20%在胃肠道系统经肠道菌群和脲酶的作用产生氨和二氧化碳,进一步生成氢氧化氨从粪便排出。DKD患者处于肾小球滤过率下降、肠道屏障及菌群失调状态,尿液排泄障碍,尿素在胃肠道蓄积产生过量氨、氢氧化氨,氨经尿素循环入肝重新合成尿素加重肾脏损害,氢氧化铵积聚使肠道pH值升高,刺激肠道使黏膜损伤,加重肠上皮屏障破坏。此外,DKD患者肾小球滤过率逐渐降低,代谢废物(如草酸、尿酸)排泄障碍在结肠聚集,一方面诱发肠道菌群失调,使乙酸盐合成过多激活局部RAAS系统,进一步加重肾损伤;另一方面水液代谢障碍使肠壁增厚,肠道通透性增高。

肠黏膜内的肠嗜铬细胞(EC)是5-HT主要合成场所,其产生的色氨酸羟化酶(TPH1) 调控5-HT的合成。此外,食用膳食纤维后经肠道菌群的发酵产生的代谢产物——短链脂肪酸也可以刺激肠道上皮细胞5-HT的合成,进而影响胃肠道的运动[9]。肠道屏障上的转录因子芳基烃受体(AHR)可作为神经传感器感知肠道内微环境,通过参与、维持胃肠道神经元兴奋性来调节肠道功能[20]。DKD患者微生物群紊乱及肠道屏障破坏,影响AHR信号通路及5-HT合成减少,从而降低肠道神经元的兴奋性,导致肠道蠕动减少、运动功能障碍,进而发展为便秘[21]。

3 从“肠”论治DKD及其便秘

DKD从肠论治有多种治疗方案,临床上均取得了很好的疗效。糖肾灌肠方可通过调控肠道Toll样受体5改善糖尿病肾病微炎症状态[22]。葛根芩连汤可使糖尿病大鼠肠组织中的TNF-α、IL-6 mRNA水平下降,同时能增强紧密连接相关蛋白表达[23]。益肾化湿颗粒可提高肠道菌群多样性[24]。耳穴压王不留行籽联合神阙穴贴敷治疗DKD便秘,可有效改善患者的胃肠道功能[25]。“调肠通便功”干预DKD患者,有效改善了肠鸣音及肠道蠕动功能[26]。微生态制剂(益生元、合生元)调节肠道菌群[27],通过肠肾轴改善DKD便秘症状。然而,关于不同治疗在DKD便秘的作用机制,还有待进一步研究。

4 小 结

消渴本质为阴虚燥热,津伤液耗,热留小肠,肠道失于濡润则大便坚干难处。消渴发展到消渴病肾病,脾肾两虚,脾虚运化无力,肾虚气化失司,肠蠕动缓慢进而便秘。传统医学中胰腺、肠均属于脾,脾肾又为先后天之本,为相互滋养关系,故而消渴病肾病常从脾论治。后世提出的肠-肾轴理论与脾肾相关的理念如出一辙,也为中药灌肠的作用机制研究提供了强有力的理论依据。

本文通过肠-肾轴从中医、代谢、肠道环境稳态、尿毒症毒素、肠道屏障功能这几个方面初步探讨了DKD便秘的机制。DKD患者肾功能减退,氨基酸代谢异常,其中色氨酸代谢产物5-HT在肠EC细胞合成减少,通过调控5-HTR3/4受体兴奋性降低,进而使肠道蠕动和液体分泌减少、粪便含水量降低。肠道微生态紊乱,导致SCFA产生减少,尿毒症毒素产生增多。SCFA的减少抑制了胰腺分泌及胆碱能促动力作用引起或加重便秘,同时促进了肠道通透性增加,引起炎症持续状态加重DKD。尿毒症毒素经循环系统在体内蓄积,致使肾小管结构破坏、肾脏纤维化加速,并且降低回、结肠收缩力加重便秘。DKD肾小球滤过率下降尿素、草酸、尿酸排泄障碍,肠内pH值升高使肠道屏障被破坏,激活RASS系统加重肾损害,水液排泄障碍致肠壁增厚使肠道通透性增加。

氨基酸、SCFA、尿毒症毒素参与了DKD便秘。其中,色氨酸代谢在DKD及其便秘的机制中作用显著,针对其作用机制给予中医药干预疗效的相关研究较少,关于不同分期DKD及其便秘的色氨酸代谢在临床应用中的研究还有大片空白,值得我们进一步研究论证并应用。此外,治疗DKD常用大黄-黄芪药对,本课题组前期临床观察发现,黄芪-桃仁药对治疗糖尿病肾病便秘疗效确切,但疗效及作用机制有待进一步研究证实。也希望通过肠-肾轴更多的研究,从更科学的角度阐释中医药在DKD及其便秘中的机制。

利益冲突:所有作者均声明不存在利益冲突。