腸道菌群與慢性腎臟病相關(guān)性的研究進展

張宇姿 綜述，李珉珉 審校

(暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)檢驗中心，廣東廣州 510630)

慢性腎臟病(CKD)患病率逐年提高，現(xiàn)已成為全球重要性公共衛(wèi)生問題。盡管對疾病的病因及相關(guān)危險因素有了更好的控制，但腎臟結(jié)構(gòu)和功能進行性不可逆性損害，最終發(fā)展為終末期腎臟病(ESRD)階段仍不可避免,并可累全身多個系統(tǒng)，常危及患者生命安全。

腸道菌群是近年來的研究熱點，測序技術(shù)和生物信息學(xué)的進展揭示了腸道微生物組在疾病活動中的意義。“以微生物為中心的CKD進展理論”多方面闡明了腸道微生態(tài)失調(diào)引起的細(xì)菌負(fù)荷及內(nèi)毒素移位與CKD進展相關(guān)。已提出了改善腸道菌群紊亂的多種干預(yù)策略，評估其在CKD治療中的價值，可能有助于對CKD患者進行更好的管理。

1 腸道菌群概述

1.1腸道菌群的組成與功能 在人體腸道中寄居著超過100萬億個微生物，是人體細(xì)胞總量的10倍以上，其種類繁多，可達上千種，主要由擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門、放線菌門及疣微菌門構(gòu)成，其中擬桿菌門和厚壁菌門占90%，且約70%的微生物在結(jié)腸中定植[1]。其與宿主相互制約，相互依賴，在動態(tài)中保持平衡穩(wěn)態(tài)，不僅能幫助人體從食物中吸收營養(yǎng)、合成維生素，還作為一個整體參與了保護宿主對抗病原微生物、免疫調(diào)節(jié)及內(nèi)分泌代謝等多種病理生理過程。

1.2腸道菌群的探索與發(fā)展 腸道菌群是人類遺傳和代謝多樣性來源之一，約編碼330萬個特異基因，是人類基因組編碼基因數(shù)的150多倍，被稱為“人類第二套基因組”[1]。在以往腸道菌群的研究中人們主要采用分離培養(yǎng)、分子指紋圖譜、分子探針及生物芯片等技術(shù)，但這些方法在檢測精確度、深度及實驗過程方面均存在一定的缺陷。新一代高通量測序技術(shù)的宏基因組測序徹底打破了傳統(tǒng)測序的局限性，不需對微生物進行分離培養(yǎng)，而是以環(huán)境中的整個微生物群落作為研究對象，通過提取微生物總DNA，并一次性對幾十萬至幾百萬條DNA分子進行序列測定，從而對微生物種群結(jié)構(gòu)、進化關(guān)系等進行研究。在此基礎(chǔ)上代謝組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)等發(fā)展加深了人類對腸道微生物的理解，聯(lián)合應(yīng)用有助于了解病理生理狀態(tài)下特定微生物群及代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律，從而對疾病的發(fā)生機制提供理論依據(jù)，將有助于尋找治療相關(guān)靶點，用于疾病的診治[2-3]。

1.3腸道菌群的影響因素 腸道菌群定植是人類出生后從環(huán)境中獲得的，生命最初時期喂養(yǎng)、分娩類型和抗菌藥物使用會較大地影響腸道微生物群的形成，并對嬰兒代謝和免疫系統(tǒng)的發(fā)育發(fā)揮著重要作用[4]。隨著時間的推移其會受到更多因素的影響發(fā)生動態(tài)適應(yīng)性變化，如較重要的飲食和宿主基因型[5-6]，這些因素極大地影響著個體對疾病的易感性。有研究表明，這些暴露因素引起的腸道微生物組的持久性轉(zhuǎn)變可影響機體代謝及免疫，并參與其下游疾病，如過敏、肥胖和1型糖尿病等疾病的發(fā)生[7]。

2 CKD中腸道菌群的變化及影響因素

已有的證據(jù)顯示，CKD能誘導(dǎo)腸道菌群改變，且通常表現(xiàn)為從一個分布較均勻和復(fù)雜的群落向更單一、主導(dǎo)更明顯的群落的方向轉(zhuǎn)變。VAZIRI等[8]通過系統(tǒng)基因芯片比較了ESRD患者和健康個體糞便樣本中腸道菌群的結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示，兩組之間190個細(xì)菌操作分類單元(OTUs)的豐度有顯著差異。為控制個體間差異、伴隨癥狀、飲食和藥物干預(yù)等因素的影響，在5/6的腎切除術(shù)或假手術(shù)后的8周內(nèi)檢查了在相同條件下的雄性大鼠的腸道菌群，結(jié)果顯示，尿毒癥和對照組之間175種細(xì)菌OTUs的豐度存在明顯差異，其中最顯著的是乳酸菌科和普氏菌科的減少。WONG等[9]在代謝組學(xué)表征研究中描述了ESRD患者中含有尿素酶、尿酸酶和吲哚及對甲酚形成酶的腸道細(xì)菌顯著擴增，而產(chǎn)生短鏈脂肪酸(SCFA)的細(xì)菌減少，這種菌群失調(diào)更易引起CKD不可逆性進展。

在CKD/ESRD背景下，多種因素導(dǎo)致腸道菌群微生態(tài)失調(diào)：(1)高濃度尿素擴散入腸腔，經(jīng)腸內(nèi)細(xì)菌尿素酶的作用形成氨，導(dǎo)致腸道pH改變，剌激胃腸道黏膜引起炎癥[10]；(2)蛋白質(zhì)同化受損、腸蠕動減慢，導(dǎo)致未消化的蛋白質(zhì)、氨基酸在腸腔內(nèi)潴留，有利于水解蛋白質(zhì)的細(xì)菌增殖，通過發(fā)酵產(chǎn)生更多的有毒代謝物；(3)晚期腎功能衰竭，結(jié)腸代替腎臟成為尿素、尿酸和草酸鹽排泄的主要部位，導(dǎo)致局部生化環(huán)境改變[11]；(4)嚴(yán)格限制富含鉀和草酸的飲食攝入，減少了腸道菌群的主要營養(yǎng)來源，從而影響腸道菌群的組成和代謝；(5)限制磷酸鹽的攝入或長期服用磷酸鹽結(jié)合劑、鐵劑等也可改變腸道環(huán)境，影響腸道菌群；(6)由于透析患者血管通路和其他感染問題，抗生素的頻繁使用會影響腸道菌群的組成。

3 腸道微生態(tài)失調(diào)參與CKD的可能機制

3.1腸道菌群與尿毒癥毒素 由飲食中攝取的蛋白質(zhì)或其他含氮物質(zhì)可經(jīng)腸道菌群腐敗作用及體內(nèi)轉(zhuǎn)化最終生成腸源性尿毒癥毒素(UTs)。硫酸吲哚酚(IS)和硫酸對甲酚(PCS)是現(xiàn)今研究得最多的UTs，其是反映腎功能的生物標(biāo)志物，積極參與了CKD疾病的進展。IS是色氨酸通過微生物色氨酸酶生成吲哚，被吸收后在肝中氧化硫酸化轉(zhuǎn)化而成的，PCS則是由酪氨酸和苯丙氨酸在腸道菌群作用下生成對甲酚，然后在肝或腸細(xì)胞中硫酸鹽化轉(zhuǎn)化而成。正常情況下這些UTs經(jīng)腎臟排泄。在CKD晚期階段腎小球濾過功能明顯下降，不足以排泄體內(nèi)多余的UTs，且IS與PCS在體內(nèi)90%以上與蛋白結(jié)合，透析療法也難以有效地清除[12]。UTs在體內(nèi)的蓄積加劇了潛在的毒性作用。在早期尿毒癥大鼠研究中發(fā)現(xiàn)，IS超負(fù)荷可通過增加轉(zhuǎn)化生長因子-β1(TGF-β1)、基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑-1和Ⅰ型前膠原的異?；虮磉_及誘導(dǎo)細(xì)胞氧化應(yīng)激而加速腎小管間質(zhì)纖維化和腎小球硬化的進展[13]。SUN等[14]研究表明，IS和PCS可通過腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)激活TGF-β/Smad通路，增加上皮-間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)分化(EMT)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子——Snail在腎小管中的表達，在體內(nèi)、外誘導(dǎo)腎小管上皮細(xì)胞的EMT，從而導(dǎo)致腎單位的進一步損失。在CKD患者中，心血管疾病(CVD)的發(fā)生風(fēng)險較健康者高2～3倍，是引起CKD患者死亡的最常見病因[15]。許多研究將CVD不良后果歸因于UTs，如氧化三甲胺(TMAO)，由腸道菌群以膳食中膽堿/肉堿部分為基質(zhì)轉(zhuǎn)化形成，CKD患者TMAO水平升高可通過促進泡沫細(xì)胞的形成和增加巨噬細(xì)胞的清道夫受體而促進動脈粥樣硬化[16]。IS被證明能通過刺激炎癥通路活化，誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，增強白細(xì)胞對血管內(nèi)皮細(xì)胞黏附等方式損傷內(nèi)皮細(xì)胞，促進心肌細(xì)胞纖維化和肥大，介導(dǎo)心臟不良重塑[17]。LIN等[18]研究表明，游離IS和PCS血清水平與CKD患者增加的病死率有關(guān)，且PCS可作為診斷CKD患者CVD的生物標(biāo)志物。

3.2腸道黏膜屏障功能受損 CKD患者?？稍跓o臨床感染的情況下表現(xiàn)出全身微炎癥狀態(tài)，這些炎癥通常與“內(nèi)毒素血癥”相關(guān)。血清內(nèi)毒素水平作為細(xì)菌移位的標(biāo)志，其最可能的來源是腸道菌群。ANDERSEN等[19]在小鼠模型中證實，CKD相關(guān)的系統(tǒng)炎癥狀態(tài)與腸道菌群失調(diào)、腸屏障功能障礙和細(xì)菌易位有關(guān)，當(dāng)使用抗菌藥物抑制腸道菌群移位后血清內(nèi)毒素及系統(tǒng)炎癥標(biāo)記物水平明顯降低。VAZIRI等[20]的研究首次發(fā)現(xiàn)尿毒癥可導(dǎo)致結(jié)腸緊密連接(TJ)的關(guān)鍵蛋白成分——claudin-1、occludin和ZO-1顯著下降。且大量尿素擴散入胃腸道與尿毒癥個體中具有脲酶的細(xì)菌協(xié)同作用促進腸道中氨和氫氧化銨的形成可能是介導(dǎo)上皮跨膜電阻下降伴TJ的關(guān)鍵蛋白成分消耗從而引起腸上皮屏障功能障礙的原因[21]。另外，CKD引起的腸壁瘀血、水腫，以及透析期ESRD患者超濾量過多或透析中低血壓引起腸缺血損傷使腸壁局部抵抗力下降，也可導(dǎo)致腸通透性增加[22]。

3.3CKD患者免疫調(diào)節(jié)異常 CKD患者疾病進展與全身性炎癥和獲得性免疫缺陷相關(guān)。通常巨噬細(xì)胞和其他先天性免疫細(xì)胞表面存在著多種不同的模式識別受體，能識別外來抗原并與其結(jié)合，然后通過補體激活凝集素通路、內(nèi)吞作用或Toll受體(TLR)介導(dǎo)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等方式誘導(dǎo)免疫應(yīng)答[23-24]。在CKD中內(nèi)毒素移位入內(nèi)循環(huán)，與TLR4或CD14結(jié)合，通過誘導(dǎo)髓樣分化因子MyD88的信號傳導(dǎo)，導(dǎo)致核因子κB和促分裂原活化蛋白激酶活化，最終引起以促炎性細(xì)胞因子——白細(xì)胞介素-(IL-1)、IL-6、腫瘤壞死因子α釋放為中心的慢性炎性反應(yīng)[25]。有研究表明，血液透析的ESRD人群常表現(xiàn)為適應(yīng)性免疫力被削弱，輔助性T細(xì)胞1/輔助性T細(xì)胞2比例失衡。其機制可能與T淋巴細(xì)胞功能受損及樹突狀抗原提呈細(xì)胞共刺激因子(CD80、 CD86)作用減弱有關(guān)[24]。這種獲得性免疫缺陷增加了CKD患者感染、動脈粥樣硬化及營養(yǎng)不良等并發(fā)癥發(fā)生率。

4 腸道菌群對CKD的干預(yù)研究

腸道菌群在CKD系統(tǒng)炎癥中發(fā)揮了重要作用，使其成為有潛力的治療靶點。已在體外模型和臨床試驗中研究了益生菌、益生元等微生物制劑對改善腸道菌群紊亂、減少UTs產(chǎn)生和延緩CKD進展的功效。如ROSSI等[26]進行的隨機臨床試驗結(jié)果顯示，合生元(含益生菌與益生元)顯著降低了血清PCS水平，還對糞便菌群進行了有利的修飾，特別是雙歧桿菌的富集和瘤胃球菌的消耗。但由于CKD患者微生物群的組成和功能的變化是由腸道不利的生化和生理環(huán)境介導(dǎo)的。因此，簡單地通過引入有利的微生物來恢復(fù)正常的微生物群效果仍有待于進一步研究證實。

SIRICH等[27]研究表明，在血液透析患者中增加膳食纖維可能會降低血漿IS和PCS水平，而不需加強透析治療。VAZIRI等[28]在大鼠實驗中發(fā)現(xiàn)，高抗性淀粉飲食攝入有益于減弱氧化應(yīng)激、炎癥、恢復(fù)結(jié)腸上皮TJ和延遲CKD進展。這可能與腸道菌群發(fā)酵難消化的復(fù)合碳水化合物，產(chǎn)生SCFA等有益代謝產(chǎn)物，為腸上皮細(xì)胞和調(diào)節(jié)性T淋巴細(xì)胞提供能量，同時，降低結(jié)腸內(nèi)環(huán)境pH值、減少有害菌生長、限制結(jié)腸炎性反應(yīng)等作用有關(guān)[29]。因此，對CKD的營養(yǎng)管理已有相關(guān)研究提出根據(jù)微生物及其代謝產(chǎn)物來指導(dǎo)食物攝取，并結(jié)合傳統(tǒng)的限制鹽和蛋白質(zhì)方法，為CKD患者提供更有益的飲食譜。

AST-120是一種口服碳吸附劑，主要通過胃腸隔離減少全身性毒素吸收。已有大量臨床隨機試驗證實，AST-120能抑制UTs前體物質(zhì)(如吲哚)的吸收和延緩CKD患者透析的開始時間[30]。在大鼠實驗中也顯示了AST-120可減輕尿素誘導(dǎo)的結(jié)腸上皮TJ破壞及相關(guān)的內(nèi)毒素血癥、氧化應(yīng)激和全身炎性反應(yīng)[31]。因此，添加AST-120作為標(biāo)準(zhǔn)治療方案可能對延緩CKD進展有益。

綜上所述，在CKD患者和動物中宿主與微生物組之間存在雙向關(guān)系，腸道菌群與腎臟疾病的相互作用使腸道微生物代謝紊亂和腎臟損害進一步加劇。具體而言，腸道菌群可能會削弱腸道屏障功能，增加UTs產(chǎn)生，導(dǎo)致內(nèi)毒素血癥和全身炎癥，促進CKD病情進展和心血管(CV)并發(fā)癥的產(chǎn)生。而隨著CKD進展，腸道內(nèi)環(huán)境改變及藥物、飲食等影響反過來又促使腸道菌群失調(diào)，最終導(dǎo)致預(yù)后不良。腸道菌群作為影響CKD進展的非傳統(tǒng)危險因素，未來的研究應(yīng)探索微生物組與人類基因組的相互作用及如何利用微生物組的代謝潛能來治療CKD，從而為臨床治療提出新的見解。