從生態(tài)學角度重新認識腸道菌群與腎臟疾病的關(guān)系

唐 剛 綜述 袁偉杰 審校

人體內(nèi)、外的微生物是隨著人類進化不斷發(fā)展形成的一種微生物生態(tài)系統(tǒng)，其與人類的健康、疾病有著緊密聯(lián)系。通過16sRNA測序等新技術(shù)研究顯示，在人的一生中腸道菌群等微生物生態(tài)系統(tǒng)是動態(tài)變化的[1]。與健康人群相比，肥胖、糖尿病、心血管疾病和肝病患者腸道菌群組成、代謝活性和免疫原性都發(fā)生顯著改變，并且與疾病的并發(fā)癥和預(yù)后相關(guān)[2]。同樣這種差異和關(guān)系也存在于慢性腎臟病(CKD)患者[3]。探討種類繁多的腸道菌群與復(fù)雜的個體因素之間的關(guān)系較為困難,一旦明確這種關(guān)系將有助于改變CKD治療方法及患者預(yù)后。然而，基于腸道菌群與宿主相互作用的復(fù)雜性，采用單一的菌株靶向干預(yù)并不能改善所有CKD患者的預(yù)后。

通?？赏ㄟ^生態(tài)學方法來了解腸道菌群在人體內(nèi)形成的生態(tài)系統(tǒng)，并觀察它們與周圍環(huán)境的相互作用和動態(tài)變化。外部的影響(如飲食或藥物)和內(nèi)部因素(如機體對疾病作出生理及病理生理反應(yīng))都能引起CKD患者腸道菌群組成和功能的變化。隨著CKD的進展，腸道的生態(tài)失調(diào)逐漸失去代償，腸源性毒素的蓄積在加快腎功能下降同時增加了心血管事件發(fā)生率和死亡率。而在腸道微生態(tài)失調(diào)過程中，尿毒癥狀態(tài)下易存活的微生物有著更強的適應(yīng)能力，并與CKD的發(fā)展緊密關(guān)聯(lián)。采用生態(tài)學的方法研究人體與腸道菌群之間從互利到競爭的相互作用將有其重要的臨床價值。

CKD對腸道菌群的影響

CKD的發(fā)生、發(fā)展可影響人體組織器官功能，特別是對胃腸道的組織結(jié)構(gòu)、屏障功能和動力學等影響更為顯著。CKD伴隨著腎小球濾過功能降低，可導(dǎo)致血液中尿素蓄積，并彌散至腸道，經(jīng)腸道產(chǎn)脲酶和尿酸酶的細菌代謝產(chǎn)生氨，使腸道pH升高，促進菌群紊亂[4]。同時CKD患者長期服用各種藥物也可進一步影響腸道內(nèi)環(huán)境，使腸道菌群的種類及數(shù)量發(fā)生改變。健康狀態(tài)下，腸道代謝以耗氧為特征的氧化磷酸化為主，由此形成了腸道內(nèi)低氧環(huán)境及以厭氧菌為主的菌群結(jié)構(gòu)特征。厭氧菌在營養(yǎng)物質(zhì)代謝、支持機體生長方面發(fā)揮著重要作用。我們觀察發(fā)現(xiàn)，與正常人群相比維持性血液透析患者腸道菌群中需氧菌及致病厭氧菌顯著增加，而益生菌類的厭氧菌數(shù)量則明顯減少[5]，表明CKD患者腸道菌群結(jié)構(gòu)已發(fā)生特征性變化。

現(xiàn)已明確，不同CKD人群腸道菌群變化也不同。IgA腎病患者由于血清B細胞活化因子(B cell activating factor,BAFF)水平升高，使腸道菌群結(jié)構(gòu)以腸道鏈球菌、腸桿菌增加和雙歧桿菌的減少等變化為主[6]，促進了細菌反應(yīng)性IgA抗體形成，使血清IgA水平升高，引起腎臟系膜IgA沉積。狼瘡性腎炎可使患者腸道菌群中乳酸桿菌數(shù)量顯著減少，腸黏膜的免疫應(yīng)答增強，炎癥反應(yīng)加劇，導(dǎo)致Th17和Th19因子水平上升，腸道通透性增加。單純補充乳酸桿菌就可減少循環(huán)中促炎因子白細胞介素6(IL-6)，增加抗炎因子IL-10，達到改善腎功能的目的[7]。

腸道菌群的結(jié)構(gòu)和代謝特征的形成是不同類型腎病、治療方法及飲食成分等因素綜合作用的結(jié)果。代謝組學研究表明，CKD患者糞便代謝物，包括酚類、吲哚類、呋喃類、苯類和中鏈醛等也存在明顯變化[8]。有研究表明，CKD中產(chǎn)短鏈脂肪酸(SCFAs)菌顯著降低引起糖酵解向蛋白質(zhì)降解的生化轉(zhuǎn)變[9]。目前研究大多針對CKD診斷前后某一固定時刻的腸道菌群變化，而CKD是一個長期發(fā)展變化的動態(tài)過程。生態(tài)系統(tǒng)中生物對新環(huán)境的適應(yīng)也是經(jīng)歷多個階段，在此期間先是表型變化，之后形成基因遺傳變化[10]。因此針對CKD需要縱向研究，以更深入地了解疾病進展對腸道菌群變化的影響。一項17例CKD患者持續(xù)4個月的隨訪研究發(fā)現(xiàn)，六類菌群的變化與尿毒癥毒素的蓄積顯著相關(guān)[3]。

腸道菌群對CKD機體的影響

腸道屏障功能改變生態(tài)系統(tǒng)中各組成部分相互依存、彼此影響。從CKD患者血液中內(nèi)毒素、細菌DNA水平升高可發(fā)現(xiàn)CKD患者腸道屏障功能會隨腸道菌群組成和功能的變化而發(fā)生改變[11]。Wei等[12]發(fā)現(xiàn)飼喂動物含綠色熒光的非致病性大腸桿菌幾天后，不僅在血液中，其肝臟中就可培養(yǎng)出綠色熒光大腸桿菌菌落，提示CKD不僅可引起細菌成分移位，整個活菌也可因腸道屏障受損而發(fā)生移位現(xiàn)象。雙歧桿菌、乳酸桿菌可減輕尿毒癥大鼠的腸道炎癥也證實，腸道菌群失調(diào)是造成腸道屏障功能受損的關(guān)鍵因素。此外，在體內(nèi)、外實驗中均證實，尿素及細菌脲酶介導(dǎo)的分解產(chǎn)物——氨可直接損害腸道屏障功能[13]。動物實驗中CKD小鼠出現(xiàn)腸黏膜損害和腸上皮緊密連接蛋白的減少，使用尿素和氨吸附劑后，小鼠腸上皮緊密連接蛋白增加同時腸黏膜損傷得到恢復(fù)，此外血液細菌內(nèi)毒素和炎癥標志物水平也顯著下降[14]。其他可能導(dǎo)致CKD腸道通透性增加的因素包括交感神興奮、心力衰竭、心腎綜合征和血液透析等，這些因素主要導(dǎo)致腸道充血或低灌注，進而間接損傷腸道屏障功能。上述研究表明，單個生態(tài)系統(tǒng)組成成分的改變即可導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的失衡，如恢復(fù)正常組成，生態(tài)系統(tǒng)可再次恢復(fù)平衡。

心血管系統(tǒng)并發(fā)癥心血管系統(tǒng)疾病是CKD最重要的并發(fā)癥和致死原因。多項研究表明，CKD的腸道菌群失調(diào)可致使毒性代謝產(chǎn)物增加，加之腎臟清除率降低，終末期腎病(ESRD)患者毒性代謝產(chǎn)物比健康人高出40余倍[15]。加之腸道屏障功能受損，高劑量毒性代謝產(chǎn)物及SCFAs的降低常是誘發(fā)CKD患者心血管疾病的主要因素[16]。有報道，腸道屏障功能受損所致病原體移位可引起血液透析患者血流動力學改變，導(dǎo)致周期性的心肌頓挫[17]。CKD可致SCFAs菌降低，因其導(dǎo)致的蛋白水解為主的代謝變化則進一步加劇了氧化三甲胺(TMAO)、硫酸對甲酚和硫酸吲哚酚等毒素蓄積[18]。多數(shù)臨床研究已證實，這些毒素水平的增加與心血管疾病(包括動脈粥樣硬化、心肌梗塞、心力衰竭、心律失常、血栓形成等) 的發(fā)病率有關(guān)[19]。我們最新總結(jié)發(fā)現(xiàn)TMAO在心血管系統(tǒng)并發(fā)癥及CKD進展中的危害較大[20]。

急、慢性腎臟損傷腸道菌群的代謝產(chǎn)物在尿毒癥的發(fā)生、發(fā)展過程中起著重要作用，并可導(dǎo)致腎功能衰竭的其他并發(fā)癥。急性腎損傷(AKI)和CKD都與尿毒癥毒素的蓄積、高血容量以及飲食和藥物的改變有關(guān)。AKI通常發(fā)生在膿毒癥或其他嚴重器官功能障礙狀態(tài)時，這些病生改變本身就影響了腸道菌群和腸道屏障功能[21]。在腎缺血再灌注損傷的小鼠中，腸道菌群變化可誘導(dǎo)AKI，使用抗生素清除腸道菌群后可減輕無菌性壞死性炎癥和AKI的嚴重程度，而應(yīng)用健康小鼠的糞菌移植治療則可完全逆轉(zhuǎn)該病變。當然，補充產(chǎn)SCFAs菌也可降低小鼠缺血后AKI的發(fā)生[22]。提示腸道菌群對AKI的不良影響及AKI的嚴重程度可能與產(chǎn)SCFAs菌的丟失有關(guān)。另有研究顯示，對腺嘌呤誘導(dǎo)的CKD大鼠飼喂含抗性淀粉的飼料后，可增加腸道菌群中擬桿菌門/厚壁菌門比值，進而減緩腎臟炎癥、纖維化和CKD的進展[23]?？梢姡珻KD造成腸道菌群失調(diào)和腸道微生物代謝產(chǎn)物的變化是加速CKD的進展的重要原因之一。

免疫炎癥反應(yīng)CKD患者普遍存在輕度炎癥狀態(tài)，腸道是促炎因子的主要來源，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物均可參與CKD中的免疫炎癥反應(yīng)。李銀輝等[24]動物實驗已證實CKD患者超敏C反應(yīng)蛋白(hs-CRP)和IL-6等炎癥指標顯著升高。并且炎癥狀態(tài)與血液中毒性代謝產(chǎn)物TMAO水平呈正相關(guān)。CKD的其他毒性代謝產(chǎn)物如硫酸吲哚酚、脂多糖(LPS)等都會引起相關(guān)的免疫炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致活性氧(ROS)、一氧化氮(NO)、前列環(huán)素2(COX-2)、腫瘤壞死因子α(TNF-α)、核因子κB(NF-κB)、IL-6等水平升高，這些都直接影響CKD的免疫應(yīng)答。另有研究進一步發(fā)現(xiàn)，淋巴器官中抗原遞呈細胞活化和淋巴細胞的擴增等反應(yīng)均與CKD炎癥相關(guān)，如采用抗生素清除腸道菌群的方法可使這一過程完全可逆[25]。

治療選擇

研究表明，以腸道微菌群為目標，采用飲食干預(yù)或特定菌種補充的治療方法，可能有助于改善CKD的進展或并發(fā)癥。補充鼠乳桿菌可預(yù)防高鹽飲食誘發(fā)的高血壓，而高纖維飲食和補充SCFAs可調(diào)節(jié)高血壓模型小鼠的血壓，并預(yù)防心血管事件[26]。由于CKD引起的腸道菌群失調(diào)對生理變化的影響各不相同，補充不同菌種其作用效果也不完全一致。例如，乳酸桿菌可降低CKD患者血液中硫酸對甲酚水平，而對硫酸吲哚酚則無明顯影響[27]。

為了確定特定的微生物靶點，需要明確單一菌種及其代謝產(chǎn)物對胰島素抵抗、炎癥、內(nèi)皮功能障礙或高血壓等特定病理反應(yīng)的靶向作用[28]。動物實驗中補充益生菌lactis Bi-07可緩解腸道屏障受損和炎癥。而另一項研究顯示，糖尿病腎病血液透析患者補充乳酸桿菌、干酪乳桿菌和雙歧桿菌12周后顯著改善了胰島素抵抗，降低了全身炎癥水平[29]。

我們認為飲食干預(yù)應(yīng)該是治療腸道菌群失調(diào)的第一方案。超過190項研究表明，健康的飲食方式與CKD患者較低的死亡率相關(guān)[30]。益生元就是一種可刺激有益菌群生長的飲食干預(yù)方法。但因個體差異等因素，其療效仍未明確。α-葡糖苷酶抑制劑阿卡波糖、鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運子2抑制劑可抑制小腸中碳水化合物吸收，提高大腸中碳水化合物的利用率,從而有助于恢復(fù)正常的糖酵解代謝模式[31]。此外，我們之前還報道，果糖能夠減輕腎臟炎癥反應(yīng)，促進產(chǎn)SCFAs的微生物生長，抑制CKD的進展[32]。

糞菌移植研究屬當前研究熱點，且在治療艱難梭菌感染的療效方面已經(jīng)得到肯定，但確保供體糞便長期穩(wěn)定、安全及尋找合適的供體仍是研究的焦點，并且還需進一步降低由供體糞便所制膠囊在內(nèi)鏡下進行移植及其腸道內(nèi)運動時所帶來的潛在風險[33]。

小結(jié):在穩(wěn)態(tài)條件下，腸道菌群與人體以一種共生的方式相互依存。同所有生態(tài)系統(tǒng)一樣，菌群結(jié)構(gòu)可隨著環(huán)境因素(飲食、疾病及藥物等)的變化而發(fā)生改變，最終達到另一種穩(wěn)態(tài)。CKD患者尿素等毒素的蓄積，酸中毒、藥物和飲食等因素的變化都會影響腸道菌群結(jié)構(gòu)及其代謝產(chǎn)物的種類，加重腸道屏障功能障礙，并促進疾病進展。最新研究表明，針對菌群的干預(yù)可能有助于改善疾病預(yù)后。然而，這還需要明確某些菌種在特定的病理生理變化中所起的作用，否則干預(yù)未必起效。從已知腸道菌群對疾病發(fā)生、發(fā)展過程中的作用來看，針對性的干預(yù)菌群，改變生態(tài)系統(tǒng)中特定的組成成分可能有利于緩解CKD進程，但具體作用機制及應(yīng)用價值還需要進一步的探討。