慢性腎臟病患者腸道菌群的變化及相關(guān)產(chǎn)物影響的研究進展

楊秀杰 方敬愛 王蕊花 張紫媛 張曉東 胡雅玲 李 慧

由于高血壓、糖尿病等慢性腎臟病(chronic kidney disease, CKD)常見病因的多發(fā)，以及相伴隨的心血管疾病(cardiovascular disease, CVD)和終末期腎病(end-stage renal disease, ESRD)的發(fā)生，CKD已嚴(yán)重影響人群生活質(zhì)量，帶來了沉重的經(jīng)濟負擔(dān)[1]。CKD患者病情的發(fā)展受多種因素影響。其中，腸道菌群失調(diào)的作用不可忽視。目前認為，腸道菌群是人體的一個虛擬器官，不僅參與消化吸收，還通過其代謝產(chǎn)物作用于人體各個系統(tǒng)。因此提出了“腸-腎軸”理論：胃腸道與腎臟通過物質(zhì)代謝及免疫途徑相互影響，CKD導(dǎo)致腸道功能紊亂，并促進了腸源性尿毒癥毒素的產(chǎn)生，進而影響腎臟和其他系統(tǒng)[2]。因此，明確CKD患者腸道菌群失調(diào)及其影響對于CKD的治療具有重要意義。本文介紹CKD患者腸道菌群的變化及主要的腸道菌群代謝產(chǎn)物對于CKD患者的影響，以及臨床上與其相關(guān)的治療方法，為臨床工作提供理論依據(jù)。

一、腸道菌群失調(diào)

1.腸道菌群：腸道是與外界相通的最大器官，是微生物群生長繁殖的理想地點。寄居于腸道的數(shù)量達100萬億的細菌及少數(shù)真菌等構(gòu)成了腸道菌群。其主要包括6門：厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、放線菌門、梭桿菌門和疣微菌門，前4門占據(jù)腸道菌群的絕大多數(shù)。腸道菌群是一種共生生態(tài)系統(tǒng)，與人體形成了微妙的平衡。腸道菌群不僅參與人體物質(zhì)代謝，還具有維持腸道環(huán)境、生成必需營養(yǎng)物質(zhì)以及免疫調(diào)節(jié)等作用。一旦平衡被打破，就會導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)。腸道菌群失調(diào)在心血管疾病、腎臟病、糖尿病等疾病中的作用不可忽視。

2.CKD患者腸道菌群的變化：由于CKD患者腎功能的受損，尿酸、尿素等含氮廢物在腸道中的排泄增加。為了改善病情，CKD患者往往會保證低鉀飲食使得腸道中氨、胺類、苯酚類、吲哚等生成增加?；颊呤褂妹庖咭种苿?、抗生素、鈣磷結(jié)合劑等藥物也會影響腸道環(huán)境。

由于上述原因，CKD患者腸道菌群的構(gòu)成發(fā)生明顯變化。CKD患者擬桿菌門、放線菌門及變形菌門占據(jù)優(yōu)勢，分解蛋白質(zhì)的細菌數(shù)量增加而產(chǎn)短鏈脂肪酸細菌受到抑制。有研究報道，相較于正常人群，CKD患者有190種微生物操作分類單元明顯不同，并且占優(yōu)勢的19個微生物家族中，大多數(shù)擁有脲酶、尿酸酶以及吲哚和對甲酚合成酶，而擁有丁酸(短鏈脂肪酸的一種)合成酶的微生物家族(普雷沃菌、大腸桿菌屬、真桿菌屬、布勞特菌等)減少[3]。一項動物實驗也證實，相對于假手術(shù)組，在慢性腎衰竭模型大鼠的結(jié)腸菌群中，不動桿菌屬、大腸桿菌屬、腸桿菌屬和變形桿菌屬增多，乳酸菌屬和雙歧菌屬減少[4]。

在正常人群和CKD患者的差異菌屬中，艾克曼菌(Akkermansia)值得關(guān)注。艾克曼菌被認為可以保護腸道黏膜屏障并調(diào)控免疫反應(yīng)。Li等[5]研究發(fā)現(xiàn)，艾克曼菌在CKD患者中的豐度明顯下降。Wong等[6]研究認為，艾克曼菌對CKD的發(fā)生具有較高的疾病診斷價值。但目前對艾克曼菌的研究較少，其影響CKD患者的方式仍需進一步探索。

3.腸道菌群失調(diào)對CKD患者的影響：腸道菌群變化后，其維持腸道黏膜屏障的功能被削弱。腸道酸堿失衡以及腸壁水腫的發(fā)生也損傷了腸道屏障功能。細菌移位或菌群代謝產(chǎn)生的毒素進入血液循環(huán)，引發(fā)微炎性狀態(tài)，影響全身，進一步加重CKD的發(fā)展，使得CKD和菌群失調(diào)互相影響。

腸道菌群失調(diào)與CKD的病情發(fā)展密切相關(guān)。Gao等[7]利用宏基因組學(xué)技術(shù)分析了不同階段CKD患者中腸道菌群的變化。他們收集了不同階段CKD患者的糞便樣本，發(fā)現(xiàn)早期CKD患者和ESRD患者的微生物多樣性無明顯變化，但有24種微生物存在顯著差異(FDR<0.1)。其中丁酸合成相關(guān)菌群與疾病嚴(yán)重程度呈負相關(guān)，ESRD患者的丁酸合成相關(guān)菌群水平最低。

二、相關(guān)腸道菌群產(chǎn)物對CKD患者的影響

合成相關(guān)代謝產(chǎn)物是腸道菌群影響人體的主要途徑。人體腸道菌群失調(diào)發(fā)生后，對人體有益的代謝產(chǎn)物明顯減少。而隨著蛋白質(zhì)分解細菌的增加，腸源性尿毒癥毒素的蓄積十分普遍，并在多個方面影響CKD患者。

1.硫酸對甲酚和硫酸吲哚酚：硫酸對甲酚(pcresyl sulfate,PCS)和硫酸吲哚酚(indoxyl sulfate,IS)來源于腸道中的苯丙氨酸和酪氨酸及色氨酸，在腸道細菌及相關(guān)酶的作用下形成，并經(jīng)由腎臟有機陰離子轉(zhuǎn)運系統(tǒng)(organic anion transporter，OAT)轉(zhuǎn)運。由于代謝底物的增加和擬桿菌門等細菌的增多，PCS和IS在CKD患者中的血漿濃度較正常人群升高54倍和17倍，且易與白蛋白結(jié)合，無法被血液透析有效清除。

(1)腎毒性：二者都能夠調(diào)控炎癥及纖維化相關(guān)信號通路，在腎臟病變過程中起到了重要作用。硫酸對甲酚促進腎臟纖維化加劇腎臟病情進展，主要是通過以下機制：PCS可激活腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)并上調(diào)腎素-血管緊張素Ⅱ1型受體(angiotensin Ⅱ type 1 receptor，AT1R)表達，刺激腎間質(zhì)成纖維細胞的增殖和分化，加重腎組織纖維化；誘導(dǎo)單核-吞噬細胞在腎間質(zhì)的浸潤，加重腎間質(zhì)纖維化；上調(diào)近端腎小管上皮細胞中調(diào)控轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor-β，TGF-β)、白細胞介素-6(interleukin 6，IL-6)相關(guān)基因的表達，進而加速腎臟纖維化；研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF23-klotho軸起到了延緩CKD患者病情發(fā)展的作用，而PCS促進DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的表達，使klotho的表達減少，加速了腎臟纖維化[8～10]。

IS同樣可加速腎臟炎癥及纖維化過程：IS刺激腎小管上皮細胞活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生，進而激活核轉(zhuǎn)錄因子κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)由此上調(diào)了Ⅰ型纖溶酶原抑制物激活因子、轉(zhuǎn)化生長因子β1、p53、α-平滑肌肌動蛋白(alpha-smooth muscle actin，α-SMA)、細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)等調(diào)節(jié)因子，下游的單核細胞趨化蛋白1(monocyte chemotactic protein 1，MCP-1)、細胞間黏附分子(intercellular adhesion molecule，ICAM-1)的表達增加，使單核-吞噬細胞在腎小管聚集，從而促進腎臟纖維化；同樣，IS也可上調(diào)腎素-血管緊張素Ⅱ1型受體表達，刺激RAAS系統(tǒng)及TGF-β表達，促進腎臟纖維化；IS通過去甲基化作用使klotho基因失活，促進腎間質(zhì)纖維化；STAT3屬于STAT蛋白家族的一員，誘導(dǎo)了巨噬細胞中IL-10的產(chǎn)生，還參與了依賴IL-6的T淋巴細胞增殖，并且，STAT3還在近端小管細胞參與MCP-1,TGF-β1、α-SMA、NF-κB的誘導(dǎo)表達。IS可以激活STAT3從而促進腎臟炎性反應(yīng)和纖維化的發(fā)生；另外，IS可以降低腎臟特異性有機陰離子轉(zhuǎn)運體SLCO4C1的表達，加重毒素的蓄積，加劇了IS對腎臟的損傷作用[11～14]。

(2)胰島素抵抗:CKD患者早期即出現(xiàn)胰島素抵抗(insulin resistance，IR)。已有研究證實，IR在CKD的進展中起到重要作用，也是CKD患者心血管疾病和營養(yǎng)不良發(fā)生的重要危險因素[15]。IR的發(fā)生與腸道菌群失調(diào)相關(guān)。Opdebeeck等[16]將CKD模型大鼠分為對照組、IS組和PCS組，并于試驗開始、第5周和第7周采血，發(fā)現(xiàn)IS組和PCS組血糖水平升高，且葡萄糖轉(zhuǎn)運體1(一種主要的葡萄糖攝取轉(zhuǎn)運體)水平降低，且在PCS組更為明顯。目前認為，PCS能夠使胰島素信號通路中的PKB/Akt的磷酸化受損，同時使胰島素抵抗相關(guān)的細胞外信號調(diào)激酶ERK1/2的表達增加[17]。

(3)心血管病變：心血管病變在CKD患者中的發(fā)生率是普通人群的3～4倍，也是CKD患者最常見的死因。IS和PCS與CKD患者心血管病變的發(fā)生密切相關(guān)。

CKD患者血管鈣化的發(fā)生十分普遍。一方面IS可通過活化NOX，使內(nèi)皮細胞產(chǎn)生ROS增加，降低谷胱甘肽水平，進而激活NF-κB，增加了MCP-1、ICAM-1表達并且抑制內(nèi)皮細胞修復(fù)；另一方面，IS和PCS可通過影響肝X/法尼醇樣受體，干擾機體血糖及血脂代謝，削弱機體對炎癥的抑制能力，造成了高脂、高糖以及炎性環(huán)境[18]。IS同時還促進了血管平滑肌細胞的增殖。在二者的作用下，患者循環(huán)中內(nèi)皮損傷標(biāo)志物內(nèi)皮微粒(endothelial microparticles,EMPs)的增加，表明發(fā)生了內(nèi)皮損傷及鈣化。

IS和PCS可以被視為腎心綜合征的生物學(xué)標(biāo)志物。有研究觀察到，IS通過激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和NF-κB信號通路以及誘發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)并沉默klotho基因表達使心肌肥大或心肌纖維化。而PCS能夠通過上調(diào)細胞NADPH活性以及誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生導(dǎo)致心肌細胞凋亡和左心室舒張功能的下降[19]。

(4)礦物質(zhì)-骨代謝紊亂(CKD-mineral and bone disorder,CKD-MBD)：CKD3～5期和透析患者通常伴有CKD-MBD，出現(xiàn)纖維性骨炎、低轉(zhuǎn)化性骨病、骨軟化等骨異常。CKD-MBD是CKD患者骨折以及死亡的危險因素。

尿毒癥毒素的蓄積是CKD-MBD發(fā)生的原因之一。CKD-MBD的一個顯著特征是患者對甲狀旁腺激素的抵抗。IS和PCS在其中起到了重要作用。有機陰離子轉(zhuǎn)運蛋白-3(OAT-3)能夠介導(dǎo)尿毒癥毒素的攝取，它被發(fā)現(xiàn)在成骨細胞中表達。PCS和IS通過OAT-3進入成骨細胞。PCS可以通過JNK及MAPK信號通路降低成骨細胞的細胞活力、對PTH的反應(yīng)及誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生；IS不降低成骨細胞對PTH的敏感度，但同樣可作用于成骨細胞，通過抑制成骨細胞特異基因(osterix)、骨鈣素和骨形成蛋白2(bone morphogenetic protein 2，BMP2)的mRNA表達并且誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生，抑制骨形成和礦化從而導(dǎo)致低轉(zhuǎn)化性骨病[20]。

2.吲哚-3-丙酸：正常情況下，吲哚-3-丙酸(indole-3-propionic acid，IPA)與IS都是由腸道中的色氨酸轉(zhuǎn)化而來，且二者的生成處于平衡狀態(tài)。由于尚不明確的機制，CKD患者中二者的平衡狀態(tài)被打破，IPA的水平明顯下降。IPA對IS等尿毒癥毒素引起的機體損害具有抑制作用，是一種重要的生物學(xué)標(biāo)志物和保護劑。它主要通過以下機制起到對人體的保護作用：(1)芳基烴類受體(AHR)存在于多種細胞中，可以上調(diào)細胞色素P450(CYP)1A1、CYP1A2、CYP1B1等及MCP-1和內(nèi)皮細胞組織因子的表達，是組織纖維化發(fā)生的重要機制[21]。研究表明，IPA可以有效抑制AHR的激活[22]。(2)IPA可以抑制Stat3在近端腎小管的活化進而下調(diào)MCP-1、ICAM-1等的表達，延緩腎間質(zhì)纖維化。(3)ACE2-Ang-(1-7)-Mas軸可以抑制炎性反應(yīng)，進而延緩CKD的進展。并且還可以對梗阻性腎病及糖尿病腎病患者起到保護作用。AHR和STAT3與近端腎小管Mas受體的減少有關(guān)，IPA可以通過抑制IS對兩者的激活，保護Mas受體來抑制腎臟纖維化[23，24]。(4)IPA還可減少β淀粉樣蛋白的生成，是一種抗氧化的神經(jīng)保護劑，對于預(yù)防老年癡呆有很好的效果。(5)IPA對于胰島β細胞有保護作用，能降低2型糖尿病的患病率[25]。

3.氧化三甲胺(trimethylamine-N-oxide,TMAO):TMAO是一種相對分子質(zhì)量小并可被血液透析清除的代謝產(chǎn)物。卵磷脂、肉堿、膽堿等進入腸道后，經(jīng)菌群代謝產(chǎn)生TMAO的前體三甲胺，進入門靜脈循環(huán)，由肝臟經(jīng)黃素單氧化酶合成TMAO。CKD患者體內(nèi)變形菌門和放線菌門細菌的增加，使得血清TMAO濃度較正常人明顯升高。

TMAO對于CKD患者的影響同樣是多方面的，它是CKD患者動脈粥樣硬化和心血管不良事件發(fā)生的獨立預(yù)測因素。既往研究證明，TMAO可以通過激活PI3K/Akt/mTOR信號通路促進心肌成纖維細胞的增殖[26]。Yang等[27]研究發(fā)現(xiàn)，TMAO給藥后大鼠體內(nèi)與動脈粥樣硬化相關(guān)的巨噬細胞清道夫受體(CD36和SR-A1)的mRNA水平升高，從而造成膽固醇的積聚和泡沫細胞的形成。

此外，TMAO的腎毒性也不容忽視。實驗證明TMAO給藥大鼠腎小管間質(zhì)纖維化和膠原沉積，胱抑素C的水平也會上升[27]。Guo等[28]將65例CKD患者和65例健康人進行對比，發(fā)現(xiàn)TMAO水平的升高是CKD患者的獨立危險因素，且能夠預(yù)測CKD的發(fā)生(AUC=0.96)。

4.短鏈脂肪酸：短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)是碳水化合物和蛋白質(zhì)氨基酸發(fā)酵的主要產(chǎn)物。SCFA可能是腸道菌群正常功能最重要的體現(xiàn)，它對結(jié)腸上皮有極為重要的意義。CKD患者乳酸菌屬和雙歧菌屬等相關(guān)細菌的減少，導(dǎo)致短鏈脂肪酸的水平明顯下降。

SCFA主要在結(jié)腸產(chǎn)生，包括丁酸、乙酸、丙酸等多種物質(zhì)。其中丁酸鹽是結(jié)腸細胞的主要能量底物，提供了細胞生長和分化所需能量的70%。丁酸鹽能夠抑制NF-κB來發(fā)揮抗炎作用、通過促進黏蛋白合成來改變黏液層的組成以及發(fā)揮抗癌活性。丙酸鹽也是結(jié)腸細胞的能量來源，具有降膽固醇、抗脂的作用。乙酸是數(shù)量最多的SCFA，是細菌生長的重要輔助因子[29]。

綜上所述，SCFA對炎癥有明顯的抑制作用，并且杜怡等[30]研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽能夠通過增強miR-7a-5p(一種miRNAs)的表達來抑制大鼠模型體內(nèi)TGF-β1/Smads途徑來延緩腎臟纖維化。同時，SCFA有效改善了胰島素抵抗并參與膽固醇代謝和脂肪生成，減少脂肪積累；研究證實，短鏈脂肪酸還具有調(diào)節(jié)骨代謝紊亂的作用[31]。

三、相應(yīng)的治療策略

基于腸道菌群及相關(guān)產(chǎn)物對于人體的廣泛影響，近年來，通過改善腸道環(huán)境及菌群構(gòu)成來延緩CKD患者病情進展的治療方法已在臨床上有所應(yīng)用。

1.調(diào)節(jié)腸道菌群：“益生元”、“合生元”療法是通過人為調(diào)節(jié)紊亂的腸道菌群來抑制有害腸道菌群產(chǎn)物的產(chǎn)生，減輕全身炎性反應(yīng)進而減緩腎臟纖維化進程。此療法可以有效降低體內(nèi)蓄積的尿毒癥毒素，而且患者依從性好。

益生菌是一類微生物的總稱，它們可以改變腸道環(huán)境，抑制炎性反應(yīng)，修復(fù)受損的腸道上皮連接，保護腸道物理屏障[32]。“合生元”即將益生菌和有益于益生菌生長的食物等(益生元)結(jié)合的制劑。“合生元”除了可以調(diào)節(jié)腸道菌群構(gòu)成外，還可以吸附含氮物質(zhì)以及減少結(jié)腸排空時間來減少尿毒癥毒素的蓄積；改善葡萄糖代謝，降低血漿甘油三酯和膽固醇水平[33]。

2.膳食纖維:膳食纖維指的是可被腸道菌群發(fā)酵的碳水化合物，并且發(fā)酵后還具有膨脹或松弛的特性。經(jīng)典代表即抗性淀粉、阿拉伯膠等。膳食纖維代謝產(chǎn)生SCFA等物質(zhì)，剩余不可發(fā)酵物具有促腸道蠕動作用。目前研究認為，膳食纖維能夠改變CKD患者腸道菌群構(gòu)成及人體代謝，并減少腸源性毒素的生成。但膳食纖維種類及具體比例仍需開展進一步探索。

3.減少毒素吸收：毒素通過受損的腸道屏障進入血液循環(huán)是影響人體的關(guān)鍵一步。AST-120是一種由多空碳顆粒組成的不溶于水不被人體吸收的有機溶劑?？诜嗀ST-120可以吸附相應(yīng)的毒素，減少毒素吸收，加快轉(zhuǎn)運，延緩腎功能惡化。研究表明，使用AST-120后，結(jié)腸上皮TJ蛋白、claudin-1和ZO-1等較不使用的患者增加，同時IS、PCS的產(chǎn)生和炎性反應(yīng)得到了抑制[34]。

4.中醫(yī)療法:中醫(yī)方法以及單味中藥可以調(diào)節(jié)腸道菌群。大黃及其有效成分蒽醌類可以減少致病菌，減少IS和PCS等毒素的產(chǎn)生，降低內(nèi)毒素含量，抑制全身炎性反應(yīng)，并且還可以修復(fù)腸道黏膜物理屏障，防止細菌移位。

結(jié)腸透析作為一種中西醫(yī)結(jié)合的療法也在臨床廣泛應(yīng)用。結(jié)腸透析利用了腸道本身的半透膜特性，能夠有效清除尿毒癥毒素，改善微炎性狀態(tài)。此外，一項動物實驗也證實結(jié)腸透析能夠抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，延緩CKD進展。

四、展 望

“腸-腎軸”理論已逐漸被人所關(guān)注。CKD患者發(fā)生腸道菌群失調(diào)后，對人體起到保護作用的菌群產(chǎn)物逐漸減少，腸源性尿毒癥毒素通過各種信號通路誘發(fā)或促進氧化應(yīng)激、炎性反應(yīng)等一系列過程造成腎損傷，并且干擾人體血糖、血脂代謝，引發(fā)了血管鈣化，從多種方面影響慢性腎臟病患者的治療及預(yù)后。腸道菌群作為研究新熱點，各種與其相關(guān)的治療方法已在臨床應(yīng)用。但此種療法仍需觀察完善，如益生菌的種類和數(shù)量及在體內(nèi)的效果，活性炭的不良反應(yīng)等。