腸道菌群與糖尿病性腎小球硬化的研究進(jìn)展

陳慧 魯一兵

南京醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院（南京210011）

糖尿病引起腎小球硬化的主要病理生理機(jī)制為腎小球內(nèi)高壓力、高灌注、高濾過(guò)，從而導(dǎo)致基底膜增厚和系膜基質(zhì)增多，最終發(fā)生腎小球硬化［1］。腸道微生物在人類健康和疾病中具有多效性，近年來(lái)引起了人們的廣泛關(guān)注。腸道菌群通過(guò)產(chǎn)生具有生物活性的代謝產(chǎn)物，參與一系列代謝依賴途徑，激發(fā)多種活性通路，在人體中發(fā)揮“微生物器官”的功能。

1 糖尿病腎小球硬化患者腸道菌群改變

人體腸道中擬桿菌門和厚壁菌門占腸道菌群的90%以上［2］，擬桿菌門/厚壁菌門比值的降低與肥胖相關(guān)，而肥胖誘導(dǎo)的胰島素抵抗是2 型糖尿病（T2DM）發(fā)病的主要病理生理因素。已有研究表明，梭狀芽孢桿菌種與人體葡萄糖、糖化血紅蛋白和胰島素水平呈負(fù)相關(guān)，而乳酸菌種與葡萄糖、糖化血紅蛋白水平呈正相關(guān)［3］。VAZIRI 等［4］對(duì)終末期腎病患者腸道菌群進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)厚壁菌門、放線菌門和變形菌門的細(xì)菌數(shù)量增加，雙歧桿菌和乳酸菌數(shù)量減少。腸道菌群失調(diào)可增加腸道通透性及增強(qiáng)粘膜免疫反應(yīng)，進(jìn)而增加糖尿病和胰島素抵抗的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)［5-6］。在糖尿病腎病及終末期腎病患者中發(fā)現(xiàn)，腸道細(xì)菌代謝產(chǎn)物的分泌及吸收明顯增加。在糖尿病腎病鼠腸道菌群中發(fā)現(xiàn)，紅蝽菌科（coriobacteriaceae）和韋榮球菌科（erysipelotrichaceae）的細(xì)菌數(shù)量明顯增加［7］，這兩種細(xì)菌與蛋白尿有很強(qiáng)的相關(guān)性［8］。韋榮球菌科編碼酪氨酸酚基裂解酶（tyrosine phenol-lyase，TPL）［9］，能夠催化蛋白質(zhì)代謝產(chǎn)物L(fēng)-酪氨酸發(fā)生α，β-消去反應(yīng)，生成丙酮酸、苯酚和氨［10］。苯酚進(jìn)入肝臟后，發(fā)生硫酸酯化反應(yīng)，合成導(dǎo)硫酸苯酯（PS），加重蛋白尿。當(dāng)腎臟清除毒素的水平與腸道吸收毒素水平達(dá)到平衡時(shí)，循環(huán)血液中毒素水平明顯上升，并且增加糖尿病微血管并發(fā)癥的發(fā)生率。

2 腸道菌群與糖尿病性腎小球硬化發(fā)病機(jī)制

2.1 腸道代謝產(chǎn)物與糖尿病性腎小球硬化腸道代謝產(chǎn)物如短鏈脂肪酸（SCFA）、硫化氫（H2S）、吲哚、三甲胺等可能對(duì)循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、神經(jīng)和體液調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響［11］，在糖尿病微血管并發(fā)癥中發(fā)揮重要作用。

2.1.1 短鏈脂肪酸（SCFAs）與糖尿病腎病腸道微環(huán)境紊亂的主要標(biāo)志是腸道細(xì)菌碳水化合物發(fā)酵減少，進(jìn)而SCFAs 生成減少。SCFAs 可減輕腎臟組織氧化應(yīng)激及線粒體合成造成的腎小管損傷［12-13］。SCFAs 包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，可產(chǎn)生和釋放活性氧（ROS）以及涉及中性粒細(xì)胞吞噬作用的一氧化氮（NO）［14］。其中，ROS 是糖尿病性腎小球硬化的致病因子之一。WANG 等［15］通過(guò)將慢性腎病與健康人群腸道菌群進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)慢性腎病患者腸道擬桿菌較高，而普里沃氏菌較低。同時(shí)，慢性腎病患者SCFAs 尤其是丁酸鹽明顯減少，且血清丁酸鹽與生化指標(biāo)（CR、BUN、eGFR）呈負(fù)相關(guān)。FELIZARDO［16］對(duì)腎病小鼠腹腔注射丁酸鹽，不僅顯著改善腎小球損傷，減少蛋白尿，還能提高小鼠體內(nèi)乙酸鹽及丙酸鹽水平。外源性補(bǔ)充丁酸鹽可下調(diào)促炎細(xì)胞因子（如IL-8）的產(chǎn)生和分泌［17］，并能選擇性地增加調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞（Treg 細(xì)胞）的數(shù)量，來(lái)阻止大腸炎癥細(xì)胞的活化減輕炎癥反應(yīng)。因此推測(cè)，早期補(bǔ)充丁酸鹽可能通過(guò)抑制炎癥反應(yīng)來(lái)延緩糖尿腎病進(jìn)展。

2.1.2 硫化氫（H2S）與糖尿病腎病人體中幾種厭氧菌（大腸桿菌、腸沙門氏菌、梭菌和產(chǎn)氣腸桿菌）均可通過(guò)半胱氨酸脫硫酶將半胱氨酸轉(zhuǎn)化為H2S、丙酮酸和氨。腸道菌群也可通過(guò)亞硫酸鹽的還原作用產(chǎn)生H2S。亞硫酸鹽還原酶存在于大腸桿菌、沙門氏菌、腸桿菌、克雷伯菌、芽孢桿菌、葡萄球菌、棒狀桿菌和紅球菌等多種細(xì)菌中［18］。H2S 在調(diào)節(jié)腎小球?yàn)V過(guò)率（GFR）、鈉吸收、腎素釋放及腎髓質(zhì)氧傳感性、抗炎、抗氧化、抗凋亡等方面具有重要作用［19-20］。在2 型糖尿病患者中，血漿H2S 水平低于正常人，這可能與高血糖抑制內(nèi)源性H2S 生成相關(guān)［21-22］。最新研究表明，在糖尿病的動(dòng)物模型中，H2S 生成酶胱硫醚β合成酶（CBS）和胱硫醚-γ-裂解酶（CSE）合成減少［23］。在糖尿病小鼠模型中高糖引起H2S 水平反應(yīng)降低導(dǎo)致系膜細(xì)胞增殖，進(jìn)而導(dǎo)致糖尿病性腎小球肥大和腎功能不全，最終引發(fā)糖尿病腎病［24］。

2.1.3 吲哚與糖尿病腎病人體攝入蛋白質(zhì)后，色氨酸在遠(yuǎn)端結(jié)腸經(jīng)腸道菌群分解為吲哚，吲哚在肝臟中經(jīng)氧化、磷酸化轉(zhuǎn)化為尿毒素物質(zhì)——硫酸吲哚酚（indoxyl sulphate，IS）［25］。在糖尿病腎病患者中，血液中IS 水平與腎小球硬化、氧化應(yīng)激和心/腎纖維化呈正相關(guān)［26］。在腎臟近端小管上皮細(xì)胞中，IS 抑制細(xì)胞增殖、加速細(xì)胞老化、促進(jìn)腎臟纖維化、并激活相關(guān)炎癥因子的表達(dá)，最終加重糖尿病腎病的進(jìn)展。在糞菌移植治療克羅恩病的研究中發(fā)現(xiàn)［27］，糞菌移植后，克羅恩患者尿液中IS 水平增加，且腸道菌群多樣性增加。此外，毛螺菌和瘤胃菌與尿液中高水平的IS 相關(guān)，而乳酸桿菌和芽孢桿菌與尿液中低水平IS 相關(guān)［28］。因此，推測(cè)腸道微環(huán)境的改變，間接參與腸道炎癥反應(yīng)，進(jìn)而使IS 從尿液中排出增加或減少?？偟膩?lái)說(shuō)，早期干預(yù)腸道菌群的改變，增加有益菌，減少IS 在血液中的蓄積，延緩糖尿病腎臟纖維化的進(jìn)展。

2.1.4 三甲胺與糖尿病腎病在腸道菌群代謝產(chǎn)物中，三甲胺-n-氧化物（TMAO）是慢性腎病重要的危險(xiǎn)因素之一［29］。TMAO 濃度升高與動(dòng)脈粥樣硬化、心力衰竭和CKD 患者的長(zhǎng)期死亡風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)［30］。多項(xiàng)研究［31］表明，TMAO 致腎臟微血管病變可能通過(guò)以下機(jī)制：（1）TMAO 調(diào)節(jié)膽固醇和甾醇代謝；（2）TMAO 降低腎小球?yàn)V過(guò)率，損害糖耐量；（3）TMAO 增加動(dòng)脈血壓。TMAO 通過(guò)形成泡沫細(xì)胞（含脂巨噬細(xì)胞）和減少動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的逆向膽固醇運(yùn)輸來(lái)促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化形成［32］。同時(shí)，在體外實(shí)驗(yàn)中，TMAO激活PKC/NF-κB信號(hào)通路，正向調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞中細(xì)胞粘附分子VCAM-1 的表達(dá)，導(dǎo)致單核細(xì)胞粘附增加，這是動(dòng)脈粥樣硬化的早期特征性改變——泡沫細(xì)胞形成［30］。雖然TMAO受體尚未被發(fā)現(xiàn)，若能早期阻斷TMAO與其受體結(jié)合，可為動(dòng)脈粥樣硬化的靶向治療提供一種新思路。

2.2 RAS 系統(tǒng)與腸道菌群腎素—血管緊張素系統(tǒng)（RAS）的激活與腎小球增大、繼發(fā)性腎小球硬化、間質(zhì)成纖維細(xì)胞增殖和ECM 沉積有關(guān)。人體高糖狀態(tài)刺激血管緊張素Ⅱ（Ang Ⅱ）生成增多，Ang Ⅱ增加腎小球毛細(xì)血管壓力及通透性，繼而刺激轉(zhuǎn)化因子-β（TGF-β）誘導(dǎo)腎小球系膜基質(zhì)堆積、抑制基質(zhì)降解，增加胰島素抵抗，最終導(dǎo)致糖尿病腎?。?3］。Ang Ⅱ通過(guò)與位于腎小動(dòng)脈、腎小球系膜細(xì)胞和近端腎小管細(xì)胞膜上的Ang Ⅱ型1（AT1R）受體結(jié)合，誘導(dǎo)多種因子活性。Ang Ⅱ- AT1R 偶聯(lián)具有收縮入球和出球小動(dòng)脈、促進(jìn)系膜細(xì)胞收縮和減少髓質(zhì)血流量等作用［34］。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)［35］已證實(shí)腸道微生物群可刺激Ang Ⅱ誘導(dǎo)的血管功能障礙和高血壓。目前，血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑（ACEI）和血管緊張素受體阻滯劑（ARB）在糖尿病腎病治療中的廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步提示Ang Ⅱ是進(jìn)行性腎損傷的刺激因子。另一方面，腸道菌群代謝產(chǎn)物也能影響RAS 系統(tǒng)。丁酸鈉是腸道菌群發(fā)酵復(fù)雜碳水化合物的代謝產(chǎn)物之一，可減弱Ang 誘導(dǎo)的前腎素受體（PRR）和腎素的表達(dá)，從而改善Ang誘導(dǎo)的腎臟損傷［36］。而抑制RAS 系統(tǒng)，能減少尿毒癥毒素——硫酸吲哚酚和對(duì)甲酚誘導(dǎo)產(chǎn)生的腎纖維化［37］，更進(jìn)一步說(shuō)明腸道菌群代謝物對(duì)RAS系統(tǒng)的影響。

3 早期識(shí)別糖尿病性腎小球硬化高風(fēng)險(xiǎn)患者

腎小球硬化是糖尿病腎病（DKD）主要的病理生理機(jī)制之一，是終末期腎病、心血管事件和死亡的主要原因?，F(xiàn)階段，僅根據(jù)腎小球?yàn)V過(guò)率和蛋白尿的測(cè)定，很難確定T2DM 患者是否有發(fā)展為進(jìn)行性DKD 的風(fēng)險(xiǎn)。在腎臟中，有機(jī)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)多肽家族（OATP，organic anion transporting polypeptide）參與各種有機(jī)陰離子和陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入尿液。在小鼠體內(nèi)，近端小管存在多種OATP 的基因表達(dá)產(chǎn)物，但人體中僅有一個(gè)OATP，即離子轉(zhuǎn)運(yùn)載體SLCO4C1［38］。因此，KIKUCHI 等［8］通過(guò)構(gòu)建在近端小管中過(guò)表達(dá)人類SLCO4C1 的轉(zhuǎn)基因大鼠來(lái)模仿人類基因表達(dá)，發(fā)現(xiàn)SLCO4C1 的底物是硫酸苯酯（phenyl sulfate）。同時(shí)，在SLCO4C1 的轉(zhuǎn)基因大鼠中發(fā)現(xiàn)，腸道微生物源代謝物苯硫酸鹽的水平與微量白蛋白尿病情進(jìn)展顯著相關(guān)，抑制苯硫酸鹽的產(chǎn)生可以減少糖尿病小鼠的蛋白尿。苯硫酸鹽經(jīng)血液進(jìn)入腎臟后，具有對(duì)足細(xì)胞和線粒體的雙重毒性，使腎小球基底膜（GBM）增厚，并引起血管周圍纖維化炎癥，導(dǎo)致蛋白尿增加［8］。若將血苯硫酸鹽作為DKD 早期診斷標(biāo)志物，并早期采取干預(yù)措施降低硫酸苯酯水平，將延緩腎臟纖維化進(jìn)展，但仍需大量臨床數(shù)據(jù)來(lái)支持這一觀點(diǎn)。

4 益生菌治療糖尿病腎病

益生菌是指在宿主胃腸環(huán)境定植或植入，發(fā)揮有益健康作用并具有免疫調(diào)節(jié)作用的活微生物［39］，主要是細(xì)菌菌株——乳酸桿菌或雙歧桿菌。DKD 患者腎功能進(jìn)行性惡化會(huì)顯著加重腸道菌群失調(diào)，對(duì)DKD 患者外源性補(bǔ)充益生菌可提升血脂聯(lián)素水平，改善血糖、血脂代謝［40］，降低尿素氮，改善腎小球?yàn)V過(guò)率，增加糞便氮排泄［41］，可能降低或減慢糖尿病性腎小球硬化的發(fā)生發(fā)展。對(duì)DM 患者補(bǔ)充益生菌12 周發(fā)現(xiàn)空腹血糖、血清胰島素、胰島素抵抗、血清甘油三酯水平及低密度脂蛋白受體基因表達(dá)明顯降低，并且與安慰劑組相比，胰島素敏感性指數(shù)（QUICKI）及高密度脂蛋白（HDL）水平明顯升高，但其他脂蛋白水平及具有調(diào)節(jié)脂肪代謝和調(diào)節(jié)炎癥、免疫以及細(xì)胞分化等作用的過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體-γ（PPAR-γ基因）的表達(dá)并未受到影響［42］?，F(xiàn)有研究表明，益生菌的攝入可通過(guò)在腸內(nèi)產(chǎn)生SCFAS 并減少過(guò)氧化氫自由基的產(chǎn)生來(lái)減少炎癥因子［43］，從而減輕腎臟炎癥和纖維化。但益生菌是否改善心血管疾病發(fā)生率及死亡率仍缺乏長(zhǎng)期臨床研究。

5 總結(jié)

目前，雖然腸道菌群與糖尿病腎病的研究越來(lái)越多，但腸道菌群失調(diào)與糖尿病腎小球硬化或2 型糖尿病之間還沒(méi)有建立明確的因果關(guān)系。本文探討了腸道微生物群及其代謝物參與糖尿病和心血管并發(fā)癥的發(fā)病機(jī)制，對(duì)其機(jī)制的深入了解將有助于糖尿病患者心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)的早期發(fā)現(xiàn)和治療方案的制定，從而降低疾病進(jìn)展的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，通過(guò)測(cè)定腸道菌群代謝產(chǎn)物苯硫酸鹽可早期識(shí)別糖尿病腎病高風(fēng)險(xiǎn)患者，并延緩糖尿病腎病進(jìn)展。糖尿病腎病患者補(bǔ)充益生菌，可減輕胰島素抵抗，減輕腎臟炎癥和纖維化水平，為糖尿病提供新的治療方向。