腸道菌群失調(diào)與慢性腎臟疾病相互作用的研究進(jìn)展

張 娟, 焦雅麗, 王振國, 李學(xué)文

(武警特色醫(yī)學(xué)中心, 1. 腎病學(xué)科, 2. 軍人全科醫(yī)學(xué)科, 天津, 300162)

慢性腎臟病(CKD)主要由糖尿病、高血壓和腎小球腎炎引起, 可發(fā)展為終末期腎病，易導(dǎo)致心血管疾病[1]。近年來，研究[2]顯示CKD還包括其他危險因素，例如慢性全身性炎癥和腸道菌群，其中CKD與腸道菌群的關(guān)系被認(rèn)為是新的研究熱點。胃腸道微生物群由大約1萬億個微生物組成，數(shù)千個物種編碼超過300萬個基因(比人類基因組多150倍)。腸道菌群主要包括5個細(xì)菌門: 厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、疣微菌門和變形菌門[3]。腸道菌群與CKD的作用是相互的，一方面CKD可顯著改變腸道微生物區(qū)系組成和功能，導(dǎo)致腸道菌群失調(diào); 另一方面，腸道微生物區(qū)系能夠通過炎癥、內(nèi)分泌和神經(jīng)通路影響CKD的發(fā)生和發(fā)展過程[3]。這種雙向關(guān)系也表明腸道菌群失調(diào)可能是CKD的病因及治療靶點。本研究主要對腸道菌群失調(diào)與CKD的相互作用關(guān)系以及恢復(fù)腸道菌群的治療方法進(jìn)行綜述。

1 CKD對腸道菌群的影響

CKD以尿毒癥毒素積聚為特征，可引起腸壁水腫或改變腸道蠕動功能, CKD患者也常會進(jìn)行飲食控制，或經(jīng)常服用鐵、磷結(jié)合劑和抗生素等。這些因素都會導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)，并可進(jìn)一步促進(jìn)CKD發(fā)展至晚期。

1.1 CKD尿毒癥毒素對菌群失調(diào)的影響

CKD患者的腸道微生物區(qū)系會發(fā)生明顯變化，腸道菌群的多樣性及穩(wěn)定性也發(fā)生改變。CKD患者腎功能下降后，可導(dǎo)致血液中尿毒癥毒素蓄積，同時在腸上皮中也會增加，有利于表達(dá)尿素酶的細(xì)菌過度生長。臨床研究[4]顯示，與健康對照組相比, CKD患者腸道中表達(dá)尿素酶的細(xì)菌占優(yōu)勢，其中腸道艾克曼菌及乳酸菌屬對診斷慢性腎衰竭患者具有一定的價值，且細(xì)菌屬與吲哚硫酸鹽和硫酸對甲酚水平具有高度的相關(guān)性。腸道微生物對尿素的水解還會導(dǎo)致大量氨的形成，氨使腸道pH值增高，可改變微生物區(qū)系的組成，導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)，同時可通過破壞腸道上皮的緊密連接導(dǎo)致腸炎，促進(jìn)內(nèi)毒素血癥及全身炎癥[5]。

嘌呤代謝產(chǎn)生的尿酸主要通過腎臟排泄，而隨著CKD患者腎功能下降，結(jié)腸逐漸替代腎臟成為尿酸排泄的主要部位，高濃度的尿酸也會促進(jìn)含有尿素酶和尿酸酶的細(xì)菌生長，并通過同樣的途徑改變腸道菌群。一項針對24例穩(wěn)定終末期腎病患者的研究[6]顯示，乳桿菌科和普氏菌科中能表達(dá)參與保護的丁酸激酶基因數(shù)量減少，且大多數(shù)微生物區(qū)系具有尿素酶、尿酸酶活性(19個菌科中有12個具有脲酶活性、5個具有尿酸酶活性)。此外, VAZIRI N D等[7]研究顯示CKD的結(jié)腸黏膜中緊密連接相關(guān)蛋白如claudin-1、occludin、zonula occludens 1的表達(dá)顯著減少。THOO L等[8]研究結(jié)果顯示, CKD患者腸道內(nèi)會發(fā)生絨毛高度降低、隱窩加深、固有層炎性細(xì)胞浸潤等組織學(xué)改變，腸道的上述病理變化有利于細(xì)菌移位和內(nèi)毒素跨過腸壁進(jìn)入血液，并最終導(dǎo)致CKD的全身性炎癥。

1.2 其他CKD相關(guān)因素對菌群失調(diào)的影響

CKD患者的特點是膳食纖維消耗減少，為減小飲食導(dǎo)致的不良影響，通常以低鈉、鉀和磷的清淡飲食為主，但這種類型的飲食減少了富含鉀的食物攝入，如水果、蔬菜、堅果和高纖維產(chǎn)品等[9]。難以消化的碳水化合物是腸道糖解微生物區(qū)系的必需營養(yǎng)物質(zhì)，也是與免疫調(diào)節(jié)、糖脂代謝、腸道完整性、食欲相關(guān)的短鏈脂肪酸的前體，而這些底物的減少可導(dǎo)致這類細(xì)菌產(chǎn)生的短鏈脂肪酸減少，增加氨基氮負(fù)荷，而氨基氮可被腸道微生物轉(zhuǎn)化為尿毒癥毒素。CKD還會抑制回腸運動的收縮反應(yīng)及遠(yuǎn)端結(jié)腸運動的松弛反應(yīng)進(jìn)而改變胃腸動力，并導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)而引起便秘[10]。

此外, CKD患者通常需服用多種藥物，包括含鐵化合物、磷酸鹽結(jié)合劑和抗生素，抗生素的使用會使維持腸道穩(wěn)態(tài)所需的關(guān)鍵菌群或生物多樣性喪失并改變其代謝能力，從而影響腸道微生物群; 同時，磷酸鹽結(jié)合劑和含鐵化合物會導(dǎo)致胃腸道腔內(nèi)環(huán)境的改變，影響常駐菌群，導(dǎo)致菌群失調(diào)[11]。因此, CKD患者長期服用大量藥物可以廣泛影響腸道微生物區(qū)系的組成和豐富性。

2 腸道菌群對CKD的影響

CKD誘導(dǎo)的腸道菌群失調(diào)也可通過多種途徑促進(jìn)CKD進(jìn)展以及CKD相關(guān)不良事件的發(fā)生，如腸道屏障的破壞、神經(jīng)內(nèi)分泌與免疫系統(tǒng)的改變等。

2.1 腸道菌群生物毒素對CKD的腎功能影響

尿毒癥毒素根據(jù)其來源可分為內(nèi)源性(新陳代謝)、外源性(飲食)及微生物性，其中硫酸吲哚酚、硫酸對甲酚和氧化三甲胺是微生物來源的尿毒癥毒素，參與心血管疾病并發(fā)癥、死亡及CKD的發(fā)生、發(fā)展。

硫酸吲哚酚是一種蛋白質(zhì)結(jié)合的尿毒癥毒素，是微生物來源的代謝物之一，由膳食中的色氨酸通過細(xì)菌發(fā)酵合成，并通過尿液排出。硫酸吲哚酚是芳香烴受體激活的主要靶點，可導(dǎo)致炎癥級聯(lián)反應(yīng)的激活，激活B細(xì)胞的核因子κ輕鏈增強子，增加白細(xì)胞介素黏附分子的表達(dá)，腸道中硫酸吲哚酚通過減少緊密連接成分來增加通透性[12]。硫酸吲哚酚還參與自由基的產(chǎn)生，研究[13]顯示硫酸吲哚酚與動脈粥樣硬化性疾病的發(fā)生有關(guān)，可增高心血管疾病的發(fā)生風(fēng)險，且其濃度隨腎功能降低而升高。CKD患者心臟對硫酸吲哚酚的攝取還通過有機陰離子轉(zhuǎn)運蛋白介導(dǎo)，增加活性氧簇(ROS)生成，降低還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)活性。ROS的升高導(dǎo)致絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)p38和p42/p44的激活，從而導(dǎo)致促炎和促纖維化細(xì)胞因子的釋放，如轉(zhuǎn)化生長因子β和α-平滑肌肌動蛋白，從而導(dǎo)致腎小管間質(zhì)纖維化[14]。

足細(xì)胞是腎小球濾過屏障的重要組成部分，但足細(xì)胞不能自我復(fù)制，再生能力有限。因此，足細(xì)胞的任何損傷和缺陷都會導(dǎo)致大量蛋白尿和腎病綜合征的發(fā)展。在正常情況下，硫酸吲哚酚(芳烴受體)水平可以調(diào)節(jié)足細(xì)胞功能，但在腸道菌群失調(diào)的情況下，芳烴受體會因大量暴露于硫酸吲哚酚而被激活，從而導(dǎo)致足細(xì)胞和腎小球的進(jìn)行性損傷，括細(xì)胞形態(tài)改變、促炎細(xì)胞因子和趨化因子的表達(dá)增加，以及足細(xì)胞分化和細(xì)胞骨架蛋白水平的降低[15]。研究[16]表明，腎足細(xì)胞暴露于硫酸吲哚酚后出現(xiàn)促炎表型，肌動蛋白細(xì)胞骨架紊亂，足細(xì)胞特異性基因表達(dá)降低，細(xì)胞活力降低。

硫酸對甲酚是腸道厭氧菌分解酪氨酸和苯丙氨酸的發(fā)酵產(chǎn)物。對甲酚被吸收后，會在肝臟中與其他物質(zhì)結(jié)合，并加入硫酸鹽基團。在CKD大鼠模型中，對硫酸對甲酚增加活性氧的產(chǎn)生，激活煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶和增加caspase-3活性，進(jìn)而促進(jìn)凋亡[17]。在一項對切除半腎的小鼠的實驗研究[18]中，硫酸對甲酚可激活腎內(nèi)腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS), 并誘導(dǎo)間質(zhì)纖維化和腎小球硬化。

氧化三甲胺由食物中的膽堿、磷脂酰膽堿和L -肉堿合成。臨床研究[19]顯示，中國CKD患者血漿中氧化三甲胺的濃度(30.33 mol/L)顯著高于健康對照組(2.08 mol/L)(P<0.05)。研究[20]顯示，CKD患者血清氧化三甲胺濃度與腎小球濾過率呈負(fù)相關(guān)，且氧化三甲胺水平的升高與動物模型中腎小管間質(zhì)纖維化的程度以及CKD患者的總生存期較差具有相關(guān)性。另外，氧化三甲胺還可增加SMAD3(纖維化的重要調(diào)節(jié)因子)的磷酸化，從而增強動脈粥樣硬化和促進(jìn)血栓形成，導(dǎo)致冠狀動脈疾病的發(fā)病率增加。因此，氧化三甲胺被認(rèn)為是檢測CKD患者早期心血管風(fēng)險的潛在替代標(biāo)志物，增加微生物來源的代謝物是導(dǎo)致CKD發(fā)展和進(jìn)展的明確危險因素，而減少微生物來源的尿毒癥毒素或可有效治療CKD患者。

2.2 菌群失調(diào)對CKD的免疫影響

腸道微生物區(qū)系可提供大量具有免疫刺激性的細(xì)菌產(chǎn)物，導(dǎo)致宿主免疫功能障礙，影響患者免疫球蛋白的表達(dá)[21]。CKD患者腸道通透性增加可促進(jìn)微生物區(qū)的代謝產(chǎn)物進(jìn)入肝門脈系統(tǒng)或體循環(huán)。脂多糖來源于革蘭氏陰性細(xì)菌的細(xì)胞壁成分，而脂多糖可通過一系列炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)全身炎癥。脂質(zhì)A是脂多糖的成分之一，是與免疫細(xì)胞(單核/巨噬細(xì)胞)表面受體復(fù)合物結(jié)合的微生物特異性分子信號，包括Toll樣受體-4(TLR4)和髓樣分化因子-2(MyD2)。TLR4-MyD2-脂多糖復(fù)合物的形成激活了控制炎癥基因表達(dá)的信號通路，導(dǎo)致IL-1β、IL-6和腫瘤壞死因子α等促炎細(xì)胞因子的過度產(chǎn)生[22]。TLR4在血管內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞和外膜成纖維細(xì)胞中也有高表達(dá)，激活的TLR4通過核因子-κB和絲裂原激活蛋白激酶介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)炎癥途徑促進(jìn)單核細(xì)胞的募集、巨噬細(xì)胞向泡沫細(xì)胞的轉(zhuǎn)化以及黏附分子、ROS升高和促凝血活性，最終促進(jìn)動脈粥樣硬化形成。研究[22]顯示，腸道來源的循環(huán)內(nèi)毒素水平在CKD各個發(fā)展階段均升高，其中透析患者最高，提示全身炎癥也是CKD死亡率的獨立預(yù)測因子，且內(nèi)毒素血癥與全身炎癥、營養(yǎng)不良標(biāo)志物、心臟損傷和存活率降低有關(guān)。

2.3 菌群失調(diào)對CKD的神經(jīng)內(nèi)分泌影響

腸道是人體第2大受神經(jīng)支配的器官，腸道微生物群可通過產(chǎn)生多種激素與神經(jīng)遞質(zhì)及神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行信號傳遞。中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)則通過調(diào)節(jié)交感神經(jīng)系統(tǒng)、RAAS和垂體激素的釋放來進(jìn)一步調(diào)節(jié)循環(huán)系統(tǒng)。

研究[6]表明腸道微生物群可激活下丘腦-垂體-腎上腺軸，增加血清素等神經(jīng)遞質(zhì)的分泌，其中雙歧桿菌科、乳酸菌科、普氏菌科可以合成γ-氨基丁酸、乙酰膽堿等神經(jīng)遞質(zhì)，促進(jìn)腸促胰島素、胰高血糖素樣肽、胃腸道激素肽的產(chǎn)生。γ-氨基丁酸具有利鈉、抑制腎交感神經(jīng)活動的作用，而乙酰膽堿、胰高血糖素樣肽則可促進(jìn)腎血管擴張和降低血管緊張素Ⅱ增加腎小球濾過率[23]。

因此, CKD患者中雙歧桿菌科和乳酸桿菌科等細(xì)菌種類減少可導(dǎo)致腸道菌群失衡，導(dǎo)致RAAS激活，交感神經(jīng)興奮，最終導(dǎo)致CKD進(jìn)展。此外，胰高血糖素樣肽、胃腸道激素肽的變化可通過減少能量消耗、脂肪分解、胰島素分泌等影響能量穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致肥胖、高膽固醇血癥、胰島素抵抗、糖尿病等，這些都是CKD發(fā)展的重要危險因素。

3 針對腸道菌群的靶向治療

3.1 高纖維及低蛋白飲食

膳食纖維是腸道細(xì)菌微生物生長的關(guān)鍵底物，纖維的一個重要作用是對腸上皮細(xì)胞的營養(yǎng)作用。而膳食纖維對CKD進(jìn)展、降低微生物多樣性和增加類桿菌與菌絲比率均具有有益影響，且可顯著降低氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，并恢復(fù)腸上皮緊密連接。研究[24]顯示，總纖維攝入量每增加10 g/d, 無腎病和有腎臟疾病的人血清C反應(yīng)蛋白水平升高的概率分別降低11%和38%, 膳食纖維在降低CKD人群炎癥方面的作用更強，這可能是高膳食纖維與低死亡率之間關(guān)聯(lián)的潛在機制。目前CKD人群的平均膳食纖維攝入量約為15.4 g/d, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于推薦的攝入量(25～35 g/d)[25], 且盡管高纖維飲食具有上述潛在的腎臟保護作用，但高纖維飲食因鉀和磷的含量低而對晚期CKD患者的營養(yǎng)療法存在局限性。

BLACK A P等[26]則探討了低蛋白飲食對CKD患者尿毒癥毒素及腸道菌群的影響，結(jié)果顯示，與干預(yù)前比較，堅持6個月低蛋白飲食[0.7 g/(kg·d)]的患者腎功能明顯改善，總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇均顯著下降(183.9∶155.7 mg/dL, 99.4∶76.4 mg/dL,P=0.01), 且患者血清硫酸對甲酚水平也顯著降低(19.3∶15.5 mg/L,P<0.01), 而未堅持低蛋白飲食的患者血清硫酸對甲酚水平顯著升高(13.9∶24.3 mg/L,P=0.004)。此外, 2組患者腸道菌群的變化與蛋白質(zhì)攝入量呈正相關(guān)(r=0.44,P=0.04), 表明低蛋白飲食是減少非透析的CKD患者腸道微生物區(qū)系改變及尿毒癥毒素產(chǎn)生的有效方法。LAI S等[27]進(jìn)一步評估了低蛋白飲食[0.6 g/(kg·d)]加或不加益生元菊粉(19 g/d)對CKD患者微生物群和臨床參數(shù)的影響，結(jié)果顯示低蛋白飲食伴口服菊粉攝入時，雙歧桿菌屬顯著增加，且患者血清尿酸和C反應(yīng)蛋白顯著降低，身體功能和一般健康認(rèn)知也顯著改善，但血清碳酸氫鹽顯著增加。此外，血漿中腫瘤壞死因子α和血漿煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NADPH-2)水平也顯著下降，但2組血漿中IL-1β和IL-6水平差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，表明低蛋白飲食聯(lián)合菊粉可進(jìn)一步改善CKD患者的臨床檢測指標(biāo)。

3.2 益生菌、益生元及合生元

益生元是一種不可消化的食品成分，可以刺激結(jié)腸中特定或有限數(shù)量的細(xì)菌生長。菊粉、低聚果糖、低聚半乳糖、低聚大豆糖、低聚木糖都是常用的益生元，可促進(jìn)雙歧桿菌和乳桿菌種類的生長，同時抑制其他種類的細(xì)菌，如類桿菌、梭狀芽孢桿菌和腸桿菌。口服富含低聚果糖的菊糖可顯著降低血清硫酸吲哚酚濃度。在腺嘌呤誘導(dǎo)的10周齡CKD雄性大鼠中，益生元乳果糖還通過改變腸道微生物群、抑制尿毒癥毒素的產(chǎn)生來改善腎功能，此外乳果糖還可降低血清肌酐和尿素氮水平，并通過抑制腎小管間質(zhì)纖維化抑制CKD進(jìn)展[28]。

益生菌是一種給予適量時對宿主健康有益的活微生物，通常由雙歧桿菌、乳酸菌和鏈球菌等活菌組成。一項針對CKD 3期和4期患者的初步臨床試驗[29]顯示，使用由嗜酸乳桿菌、嗜熱鏈球菌和長雙歧桿菌組成的Renadyl制劑治療6個月后，尿素氮顯著下降，生活質(zhì)量改善。益生菌可產(chǎn)生細(xì)菌素，抑制病原菌的增殖，增加廢物分子的降解，通過阻斷受體減少炎癥反應(yīng)，并參與免疫反應(yīng)，從而改善腸道屏蔽功能及腸道菌群失衡，最終腎功能得到有效的改善[30]。

3.3 糞便微生物區(qū)系移植

糞便微生物區(qū)系移植也被稱為糞便移植，是改變腸道微生物區(qū)系的另一種方法。XU K Y等[19]將CKD患者和健康對照組的糞便樣本轉(zhuǎn)移到接受抗生素治療的C57BL/6小鼠身上，發(fā)現(xiàn)接受CKD患者腸道菌群的小鼠的血漿氧化三甲胺水平和腸道微生物區(qū)系組成顯著高于對照組，表明CKD患者血漿氧化三甲胺水平升高是由于腎功能受損和腸道微生物區(qū)系失調(diào)所致。然而，除使用糞便微生物區(qū)系移植治療艱難梭菌感染(CKD血液透析患者的常見并發(fā)癥)外，關(guān)于糞便微生物區(qū)系移植治療CKD的相關(guān)臨床數(shù)據(jù)很少，還需要進(jìn)一步的研究。

3.4 吸附法

克里美凈(AST-120)是一種口服活性炭吸附劑，被用于吸附腸道微生物群產(chǎn)生的尿毒癥毒素前體(如硫酸吲哚酚)，進(jìn)而治療CKD。動物研究[31]表明，除了改變微生物區(qū)系的組成, AST-120還可以降低血清硫酸吲哚酚水平，減少內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生ROS, 并抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)和炎癥。臨床研究[32]還表明, AST-120可顯著減輕CKD患者的尿毒癥癥狀，并降低蛋白尿和縮短透析時間，還可顯著降低血清硫酸對甲酚，但對腎功能和全因死亡率無明顯改善。

Sevelamer是一種聚磷酸鹽結(jié)合劑，可結(jié)合尿毒癥毒素，臨床耐受性很好。臨床研究[33]顯示, CKD患者服用Sevelamer 3個月后的尿蛋白水平與對照組(不服用Sevelamer)無顯著差異，且可顯著減少尿磷排泄而不影響血清磷水平，但服用Sevelamer可顯著降低C反應(yīng)蛋白、糖化血紅蛋白、低密度脂蛋白水平，并增加高密度脂蛋白水平，表明Sevelamer可改善炎癥和血脂異常，可能對CKD患者具有一定的治療療效。進(jìn)一步研究[34]顯示, Sevelamer聯(lián)合Tenapanor(鈉/氫交換異構(gòu)體3抑制劑)可進(jìn)一步顯著減少腸道毒素的吸收，從而提高Sevelamer對CKD的治療效果。

4 總 結(jié)

CKD主要表現(xiàn)為進(jìn)行性腎小球、腎小管和間質(zhì)的損害，以及腎功能的進(jìn)行性降低，同時常伴有高血壓、促紅細(xì)胞生成素合成減少和代謝性酸中毒等并發(fā)癥。但CKD沒有明顯的臨床癥狀，較難診斷，因此CKD被認(rèn)為是一種診斷較晚的隱匿性疾病，通常預(yù)后較差。CKD以腎功能逐漸喪失和腎結(jié)構(gòu)不可逆改變?yōu)樘卣?，可?dǎo)致心血管并發(fā)癥及死亡。腸道微生物區(qū)系一直被認(rèn)為是人體健康狀況的重要參與者，因為其可通過消化吸收過程來增加能量來源，并為宿主提供礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)。

CKD可引起腸道菌群的改變，而腸道菌群失調(diào)又可導(dǎo)致CKD進(jìn)展及并發(fā)癥的發(fā)生，從而導(dǎo)致惡性循環(huán)。因此，恢復(fù)腎-腸軸失衡的臨床干預(yù)措施可能是CKD患者的有效治療選擇，例如高纖維與低蛋白飲食、益生菌、吸附劑等，但這些新方法在改善CKD患者疾病結(jié)局和存活率方面的安全性和有效性仍需通過進(jìn)一步的研究來證實。