腸道微環(huán)境與糖尿病腎病

楊 柳 綜述 謝紅浪 審校

目前全球近10%成人患有糖尿病，其中90%為2型糖尿病(T2DM)[1]。約半數(shù)T2DM和1/3的1型糖尿病(T1DM)患者并發(fā)糖尿病腎病(DKD)[2]。DKD已成為中國慢性腎臟病(CKD)患者進入終末期腎病和導致住院的主要原因[1]。糖尿病及CKD均影響腸黏膜上皮緊密連接蛋白的表達和功能，導致腸壁通透性增加，細菌及其產(chǎn)物從腸腔移位至血液循環(huán)，造成DKD患者體內(nèi)持續(xù)低水平炎癥，促進心血管疾病發(fā)生發(fā)展[3]。人體微生物組指人體微生物及其所帶基因總和，受基因和外部環(huán)境影響而呈現(xiàn)個體差異。人消化道內(nèi)定植微生物總量高達數(shù)百萬億，通常其組成、結(jié)構(gòu)、功能保持穩(wěn)定，擬桿菌、厚壁菌占比高達90%，其次為放線菌和疣微菌。人體微生物組參與多種生理功能，如合成維生素、降解非消化性植物多糖和草酸等。在下消化道厭氧環(huán)境中，細菌酵解多糖產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(SCFA)，如乙酸、丙酸和丁酸等，是維持結(jié)腸上皮細胞健康運轉(zhuǎn)的重要營養(yǎng)物質(zhì)。腸上皮細胞、緊密連接、分泌性黏液和腸壁免疫防御系統(tǒng)共同組成腸黏膜屏障，具有避免細菌及其產(chǎn)物移位的生理功能[4]。

人體微生物利用的營養(yǎng)物質(zhì)主要是碳水化合物和蛋白質(zhì)，兩者在飲食中所占比例對微生物相對豐度有明顯影響。攝入富含非消化性碳水化合物飲食后，腸道菌群分布以糖分解性細菌為主，蛋白質(zhì)用于促進細菌生長，碳水化合物則為細菌厭氧代謝產(chǎn)能提供底物，其酵解的終末產(chǎn)物包括甲烷、氫氣和SCFA。當非消化性碳水化合物攝入不足，蛋白質(zhì)和其他含氮化合物將被蛋白分解性細菌酵解用以增加能量供給，該過程產(chǎn)生氨、有機胺類、硫醇、酚類和吲哚等有潛在毒性的終末產(chǎn)物[3]。宿主基因型、年齡、腸道及腸外疾病、飲食成分、降糖藥、抗生素、營養(yǎng)補充劑和生物活性代謝產(chǎn)物制劑等均可改變?nèi)梭w微生物組的組成、豐度、多樣性甚至功能，進而對宿主代謝、免疫產(chǎn)生影響，而微生物組對人體血糖響應和藥物代謝的改變尚待深入研究[5]。本文針對腸道微環(huán)境對糖代謝及免疫功能的影響、糖尿病對腸道微環(huán)境的影響以及干預腸道微環(huán)境對DKD的意義進行綜述，為DKD個體化治療提供基礎(chǔ)。

腸道微環(huán)境對糖代謝的影響

人體微生物代謝產(chǎn)生能量，參與調(diào)節(jié)體溫、生殖、組織生長等能量依賴過程，經(jīng)多種途徑影響宿主代謝，其中最重要方式是產(chǎn)生SCFA和膽酸。乙酸和丙酸是肝臟糖異生和脂肪合成的底物，丁酸是結(jié)腸黏膜細胞主要能量來源。SCFA 與G蛋白耦聯(lián)受體(GPR)結(jié)合，作用于免疫細胞，下調(diào)炎癥水平，促進腸道內(nèi)分泌細胞分泌胰高血糖素樣肽1(GLP-1)和小分子肽段，增強胰島素敏感性[6-7]。 人體微生物代謝產(chǎn)物異常和多樣性下降促進肥胖、糖尿病、高血壓、脂代謝紊亂、炎癥等DKD始動因素出現(xiàn)。無菌小鼠單純以高脂飲食喂養(yǎng)能保持體型正常，但植入肥胖患者腸道菌群后逐漸呈現(xiàn)肥胖表型，說明腸道微生物參與調(diào)控肥胖發(fā)病[8]。腸道微生物影響腸道和胰腺局部自身免疫反應，損壞胰島組織，在T1DM發(fā)病中發(fā)揮作用[9]。T1DM患者發(fā)病前即出現(xiàn)腸道通透性增加，起病后腸黏膜微絨毛緊密連接改變，zonulin表達水平升高，具有免疫調(diào)節(jié)功能的FoxP3+CD4+CD25+T細胞數(shù)量減少，提示腸道滲漏可能與自身免疫性T1DM疾病進展有關(guān)[10]。代謝綜合征患者腸道菌群直接代謝產(chǎn)生的肌酸，和間接調(diào)控產(chǎn)生的甘油一酸酯、棕櫚油酰甘油、十八烯酸單甘油酯等參與造成胰島素分泌減少和敏感性下降，提高T2DM發(fā)生風險，是獨立于年齡、吸煙、體質(zhì)量指數(shù)等參數(shù)的危險因素[11]。

腸道微環(huán)境對免疫功能的影響

腸道微生物改變過氧化物酶體增殖物活化受體(PPARs)及其靶基因的表達，通過產(chǎn)生炎癥細胞因子、維持腸黏膜穩(wěn)定性和完整性、調(diào)節(jié)免疫細胞，維持腸腔穩(wěn)態(tài)，以利于微生物定植并適應局部環(huán)境[12]。腸道細菌紊亂造成硫酸甲苯酚、硫酸吲哚酚、氧化三甲胺、去氧膽酸和石膽酸等促炎介質(zhì)產(chǎn)生增多，有腎臟保護作用的抗炎神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿生成減少[13-15]。腸道菌群代謝產(chǎn)生的組胺、精胺、牛磺酸可活化炎性小體等，促進白細胞介素18(IL-18)產(chǎn)生，誘導抗微生物蛋白表達，提高天然免疫系統(tǒng)的防御功能[16]。無菌小鼠腸上皮生態(tài)存在異常，表現(xiàn)為抗微生物蛋白表達減少、腸相關(guān)淋巴組織成熟不良、IgA合成受抑、腸淋巴細胞減少，且T效應細胞失衡[17]。一項芬蘭的病例對照研究顯示，與健康兒童相比，自身免疫病患兒腸道厚壁菌明顯減少、擬桿菌增加[18]。胰島β細胞自身免疫現(xiàn)象與特異共生菌改變有關(guān)，遲發(fā)型T1DM個體腸道擬桿菌相對豐度升高[19]。無菌動物T1DM的發(fā)病風險高于有菌對照組，而接觸產(chǎn)芽孢厭氧菌后T1DM發(fā)病風險下降，間接證明某些特異菌種具有預防糖尿病的宿主保護功能[10]。

以高糖、高脂、高熱量為特點的西方飲食、酒精、人造甜味劑、微量元素補充劑等可致腸道菌群紊亂，提高腸黏膜通透性和機體炎癥水平。高鹽飲食明顯減少乳酸桿菌和Th17淋巴細胞比例[20]。高脂飲食升高血漿脂多糖(LPS)水平，持續(xù)刺激炎癥發(fā)生，并導致緊密連接閉鎖小帶-1和閉合蛋白表達減少，使腸壁屏障功能破壞、通透性增加，LPS進入門脈系統(tǒng)加重內(nèi)毒素血癥，促進炎癥因子產(chǎn)生[21]。炎癥反應在DKD進展中發(fā)揮重要作用，慢性炎癥狀態(tài)受Toll樣受體(TLR)調(diào)節(jié)[22]。TLR2首先識別細菌胞壁成分和脂質(zhì)分子，LPS進一步觸發(fā)TLR4/白細胞分化抗原14/髓樣分化因子2通路，繼而活化核轉(zhuǎn)錄因子κB，產(chǎn)生IL-1、IL-6、腫瘤壞死因子α等促炎因子，轉(zhuǎn)換細胞間炎癥信號，加速DKD進展[23]。SCFA激活腸上皮細胞表面GPR41和GPR43，促進腸道轉(zhuǎn)運，增加飽腹感，起到緩解炎癥、刺激YY肽和胰高血糖素樣肽1(GLP-1)釋放的作用[24]。

糖尿病對腸道微環(huán)境的影響

研究表明糖尿病患者腸道微生物組成與健康人不同。宏基因組分析結(jié)果顯示，T1DM進展過程中，患者腸道擬桿菌/厚壁菌比例逐漸升高，結(jié)腸定植菌種數(shù)量減少，表明T1DM影響腸道菌群組成[10]。厚壁菌促進腸道吸收和代謝脂肪酸，產(chǎn)LPS的大腸埃希菌數(shù)量增多，加重系統(tǒng)性炎癥，且合成丁酸能力下降，促進葡萄糖、支鏈氨基酸膜轉(zhuǎn)運、氧化應激和磷酸鹽還原[25]。Piccolo等[26]在T2DM大鼠發(fā)病前、發(fā)病后2周、3個月及6個月時進行腸道微生物組測序，結(jié)果提示T2DM早期腸道菌群以擬桿菌為主，晚期則厚壁菌增加，T2DM晚期擬桿菌及厚壁菌門中共25種細菌、61個基因簇及多種與應激反應、氨基酸、碳水化合物和細胞壁代謝相關(guān)酶的表達水平較早期發(fā)生明顯變化。Qin等[27]對T2DM患者進行宏基因組測序，約3.8%腸道微生物基因與T2DM發(fā)病有關(guān)，T2DM腸道微生物改變程度低于炎癥性腸病。

DKD患者接受的傳統(tǒng)營養(yǎng)干預可加重業(yè)已存在的腸道菌群紊亂，比如低鉀飲食控制蔬菜水果攝入，會造成膳食纖維攝入量不足。低膳食纖維、服用磷結(jié)合劑、限制飲水、透析方式、生活習慣、合并糖尿病和心腦血管并發(fā)癥等因素導致腸道轉(zhuǎn)運時間延長，促進碳水化合物在近端腸道發(fā)酵，減少其結(jié)腸細菌發(fā)酵量[5]。DKD患者由于胃腸動力不足、胃酸分泌減少、小腸細菌過度增殖，易出現(xiàn)蛋白質(zhì)消化吸收障礙，使結(jié)腸蛋白分解性細菌需處理結(jié)構(gòu)完整的蛋白質(zhì)，其生理功能受到損害[5]。人造甜味劑可改變微生物代謝途徑，影響宿主能量穩(wěn)態(tài)，乳化劑促進黏液溶解性細菌增殖，導致黏膜屏障功能障礙[28]。

多種藥物通過調(diào)節(jié)腸道菌群多樣性及組成影響DM患者的代謝功能[29-31]。DM患者服用二甲雙胍四個月后，腸道80余種細菌豐度發(fā)生改變，以變形菌和厚壁菌為主，雙歧桿菌豐度明顯升高，伴有糖耐量改善，表明二甲雙胍可能通過影響腸道菌群發(fā)揮降糖作用[29]。二甲雙胍、阿卡波糖、利拉魯肽和西格列汀等能夠促進乳酸桿菌、優(yōu)桿菌、普氏菌等腸道有益細菌生長，其抗炎效應改良患者代謝模式[30]。二甲雙胍除直接降糖、改善胰島素敏感性外，亦促進合成SCFA和降解黏蛋白的細菌生長。靶向代謝組學觀察結(jié)果表明二甲雙胍有升高丙酸、丁酸、乳酸、琥珀酸產(chǎn)量的作用，并造成編碼膽鹽水解酶的基因富集，血清膽酸濃度明顯升高[29]。羅格列酮作為過氧化物酶體增殖活化物受體γ(PPARγ)激動劑不僅逆轉(zhuǎn)高脂飲食所致變形菌減少，還具有下調(diào)血漿內(nèi)毒素和炎癥因子水平的作用[30]。新近報道提示服用他汀類藥物者腸道致病性擬桿菌Bact2較未服用者明顯減少，丁酸鹽產(chǎn)量增加，系統(tǒng)性炎癥水平下降，整體代謝狀態(tài)獲得改善[31]。

干預腸道微環(huán)境對DKD的意義

飲食中加入抗氧化物、膳食纖維、蛋白質(zhì)、維生素等營養(yǎng)素，形成類似地中海飲食的食物矩陣有助于調(diào)節(jié)腸道微環(huán)境。提高飲食中蔬菜水果占比可促進普氏菌、乳酸桿菌和雙歧桿菌生長，對擬桿菌、腸桿菌和梭菌產(chǎn)生抑制[3]。富含支鏈淀粉飲食通過發(fā)酵非消化性碳水化合物調(diào)節(jié)腸道菌群，能夠明顯減輕炎癥和氧化應激，抑制腎臟纖維化，延緩DKD進展，改善胰島素抵抗，實現(xiàn)降脂、降壓[3]。提高飲食中膳食纖維比例有助于改變個體血糖響應，下調(diào)降解黏蛋白性細菌相對豐度，增加腸黏膜屏障厚度，避免細菌移位，減輕全身炎癥。GLP-1受體激動劑除改善胰島功能、降壓降脂外，同時有抑制腎小管對鈉的重吸收、減輕腎小球囊內(nèi)壓、減少蛋白尿、改善DKD組織學病變、減輕炎癥的作用(圖1)[24]。

圖1 腸道微生物在DKD進展中發(fā)揮重要作用[7,16,28]ZO-1:閉鎖小帶-1；LPS:脂多糖；TLR:Toll樣受體；NF-κB:核因子κB；IL-1:白細胞介素1；TNF-α:腫瘤壞死因子α；SCFA:短鏈脂肪酸；GPR:G蛋白耦聯(lián)受體；GLP-1:胰高血糖素樣肽1；PYY:YY肽；DKD:糖尿病腎?。籔PARγ:過氧化物酶體增殖物活化受體γ；雙歧桿菌減少、緊密連接ZO-1和閉合蛋白減少導致血漿LPS水平升高，LPS經(jīng)TLR2/4啟動炎癥反應，介導NF-κB活化，產(chǎn)生IL-1、IL-6、TNF-α等促炎因子。低糖低鉀飲食造成DKD患者SCFA合成減少，促進腸道通透性增加，抑制腸上皮細胞GPR41和GPR43功能，導致GLP-1和PYY釋放減少。炎癥反應和SCFA減少共同促進DKD進展。二甲雙胍促進SCFA合成，羅格列酮激活PPARγ改善腸道菌群紊亂

此外，適當使用益生菌、益生元或SCFA等膳食補充劑均可使DKD患者受益。益生菌直接調(diào)整腸道微生物組成，改善機體免疫功能。益生元促進穩(wěn)定黏膜屏障的細菌生長，減少腸腔酸化造成的致病微生物增殖，協(xié)助有益菌種獲取營養(yǎng)物質(zhì)，產(chǎn)生抗微生物蛋白。益生元的療效具有個體差異，基礎(chǔ)腸道菌群多樣性較高者對益生元治療反應更好。補充SCFA可促進胃排空、增強飽腹感、降低腸道通透性，調(diào)節(jié)腸道激素分泌，對代謝功能有重要影響。以益生菌、益生元、合生素治療后尿素氮、硫酸甲苯酚和硫酸吲哚酚等含氮化合物代謝產(chǎn)物水平明顯下降[32-33]。直接補充乳酸桿菌、雙歧桿菌等益生菌可促進產(chǎn)SCFA菌落增殖，調(diào)節(jié)肝糖原和脂質(zhì)代謝相關(guān)基因表達，減輕氧化應激，改善腸壁屏障功能，減少革蘭陰性菌相對豐度[3]。SCFA作為抗炎介質(zhì)，刺激產(chǎn)生有舒血管效應的GLP-1，起到降血壓作用，并通過抑制組蛋白去乙?；?、活化多種GPR,減輕局部和系統(tǒng)性炎癥，抑制氧化應激和細胞凋亡，改善腎功能[6]。

在非肥胖糖尿病(NOD)的動物實驗發(fā)現(xiàn)，葡萄糖球菌核酸酶喂養(yǎng)可下調(diào)小鼠腸道和胰島的中性粒細胞胞外殺傷網(wǎng)絡，減輕炎癥反應，改善腸壁屏障功能，提高腸道菌群多樣性，尤其促進產(chǎn)丁酸鹽菌種數(shù)量增加[33]。腸道菌群分解食物中糅花單寧產(chǎn)生尿石素，使線粒體和肌肉功能改善，以尿石素處理糖尿病大鼠后心肌細胞表達促炎細胞因子曲動蛋白下降約30%，明顯減輕高血糖所致早期炎癥反應，心肌微環(huán)境改善后心室壓增加，等容收縮時間平行減少，表明尿石素誘導心肌細胞收縮、有效恢復心肌鈣動力學[34]。NOD鼠口服富含乳桿菌的益生菌制劑使IL-1β表達受抑制，釋放吲哚胺2,3-雙加氧酶和IL-33等炎性小體成分增多，促進免疫耐受性CD103+樹突狀細胞分化，減少腸黏膜和胰腺淋巴結(jié)Th1和Th17細胞分化擴增[35]。由此可見，干預腸道微環(huán)境能夠減輕糖尿病并發(fā)癥，而腸道微環(huán)境，尤其人體微生物組在DKD患者個體之間差異明顯，以此為靶點的一體化治療有望延緩疾病進展，人體大數(shù)據(jù)及動態(tài)多組學分析有助于制定和調(diào)整治療方案，為改善DKD結(jié)局帶來曙光。

小結(jié)：腸道微環(huán)境對DKD有重要調(diào)節(jié)作用，能影響宿主糖代謝及免疫功能，糖尿病、腎臟病可改變腸道微生物的組成和功能，飲食、藥物通過調(diào)控腸道微生態(tài)共同影響DKD的發(fā)展。益生菌、益生元、SCFA等膳食補充劑以調(diào)節(jié)腸道菌群的方式，經(jīng)多重機制使患者受益，有望進一步完善DKD的個性化療法。