腸道菌群與慢性腎臟病相關性的研究進展

張宇姿 綜述，李珉珉 審校

(暨南大學附屬第一醫院臨床醫學檢驗中心，廣東廣州 510630)

慢性腎臟病(CKD)患病率逐年提高，現已成為全球重要性公共衛生問題。盡管對疾病的病因及相關危險因素有了更好的控制，但腎臟結構和功能進行性不可逆性損害，最終發展為終末期腎臟病(ESRD)階段仍不可避免,并可累全身多個系統，常危及患者生命安全。

腸道菌群是近年來的研究熱點，測序技術和生物信息學的進展揭示了腸道微生物組在疾病活動中的意義?！耙晕⑸餅橹行牡腃KD進展理論”多方面闡明了腸道微生態失調引起的細菌負荷及內毒素移位與CKD進展相關。已提出了改善腸道菌群紊亂的多種干預策略，評估其在CKD治療中的價值，可能有助于對CKD患者進行更好的管理。

1 腸道菌群概述

1.1腸道菌群的組成與功能 在人體腸道中寄居著超過100萬億個微生物，是人體細胞總量的10倍以上，其種類繁多，可達上千種，主要由擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門、放線菌門及疣微菌門構成，其中擬桿菌門和厚壁菌門占90%，且約70%的微生物在結腸中定植[1]。其與宿主相互制約，相互依賴，在動態中保持平衡穩態，不僅能幫助人體從食物中吸收營養、合成維生素，還作為一個整體參與了保護宿主對抗病原微生物、免疫調節及內分泌代謝等多種病理生理過程。

1.2腸道菌群的探索與發展 腸道菌群是人類遺傳和代謝多樣性來源之一，約編碼330萬個特異基因，是人類基因組編碼基因數的150多倍，被稱為“人類第二套基因組”[1]。在以往腸道菌群的研究中人們主要采用分離培養、分子指紋圖譜、分子探針及生物芯片等技術，但這些方法在檢測精確度、深度及實驗過程方面均存在一定的缺陷。新一代高通量測序技術的宏基因組測序徹底打破了傳統測序的局限性，不需對微生物進行分離培養，而是以環境中的整個微生物群落作為研究對象，通過提取微生物總DNA，并一次性對幾十萬至幾百萬條DNA分子進行序列測定，從而對微生物種群結構、進化關系等進行研究。在此基礎上代謝組學與蛋白質組學等發展加深了人類對腸道微生物的理解，聯合應用有助于了解病理生理狀態下特定微生物群及代謝產物的變化規律，從而對疾病的發生機制提供理論依據，將有助于尋找治療相關靶點，用于疾病的診治[2-3]。

1.3腸道菌群的影響因素 腸道菌群定植是人類出生后從環境中獲得的，生命最初時期喂養、分娩類型和抗菌藥物使用會較大地影響腸道微生物群的形成，并對嬰兒代謝和免疫系統的發育發揮著重要作用[4]。隨著時間的推移其會受到更多因素的影響發生動態適應性變化，如較重要的飲食和宿主基因型[5-6]，這些因素極大地影響著個體對疾病的易感性。有研究表明，這些暴露因素引起的腸道微生物組的持久性轉變可影響機體代謝及免疫，并參與其下游疾病，如過敏、肥胖和1型糖尿病等疾病的發生[7]。

2 CKD中腸道菌群的變化及影響因素

已有的證據顯示，CKD能誘導腸道菌群改變，且通常表現為從一個分布較均勻和復雜的群落向更單一、主導更明顯的群落的方向轉變。VAZIRI等[8]通過系統基因芯片比較了ESRD患者和健康個體糞便樣本中腸道菌群的結構，結果顯示，兩組之間190個細菌操作分類單元(OTUs)的豐度有顯著差異。為控制個體間差異、伴隨癥狀、飲食和藥物干預等因素的影響，在5/6的腎切除術或假手術后的8周內檢查了在相同條件下的雄性大鼠的腸道菌群，結果顯示，尿毒癥和對照組之間175種細菌OTUs的豐度存在明顯差異，其中最顯著的是乳酸菌科和普氏菌科的減少。WONG等[9]在代謝組學表征研究中描述了ESRD患者中含有尿素酶、尿酸酶和吲哚及對甲酚形成酶的腸道細菌顯著擴增，而產生短鏈脂肪酸(SCFA)的細菌減少，這種菌群失調更易引起CKD不可逆性進展。

在CKD/ESRD背景下，多種因素導致腸道菌群微生態失調：(1)高濃度尿素擴散入腸腔，經腸內細菌尿素酶的作用形成氨，導致腸道pH改變，剌激胃腸道黏膜引起炎癥[10]；(2)蛋白質同化受損、腸蠕動減慢，導致未消化的蛋白質、氨基酸在腸腔內潴留，有利于水解蛋白質的細菌增殖，通過發酵產生更多的有毒代謝物；(3)晚期腎功能衰竭，結腸代替腎臟成為尿素、尿酸和草酸鹽排泄的主要部位，導致局部生化環境改變[11]；(4)嚴格限制富含鉀和草酸的飲食攝入，減少了腸道菌群的主要營養來源，從而影響腸道菌群的組成和代謝；(5)限制磷酸鹽的攝入或長期服用磷酸鹽結合劑、鐵劑等也可改變腸道環境，影響腸道菌群；(6)由于透析患者血管通路和其他感染問題，抗生素的頻繁使用會影響腸道菌群的組成。

3 腸道微生態失調參與CKD的可能機制

3.1腸道菌群與尿毒癥毒素 由飲食中攝取的蛋白質或其他含氮物質可經腸道菌群腐敗作用及體內轉化最終生成腸源性尿毒癥毒素(UTs)。硫酸吲哚酚(IS)和硫酸對甲酚(PCS)是現今研究得最多的UTs，其是反映腎功能的生物標志物，積極參與了CKD疾病的進展。IS是色氨酸通過微生物色氨酸酶生成吲哚，被吸收后在肝中氧化硫酸化轉化而成的，PCS則是由酪氨酸和苯丙氨酸在腸道菌群作用下生成對甲酚，然后在肝或腸細胞中硫酸鹽化轉化而成。正常情況下這些UTs經腎臟排泄。在CKD晚期階段腎小球濾過功能明顯下降，不足以排泄體內多余的UTs，且IS與PCS在體內90%以上與蛋白結合，透析療法也難以有效地清除[12]。UTs在體內的蓄積加劇了潛在的毒性作用。在早期尿毒癥大鼠研究中發現，IS超負荷可通過增加轉化生長因子-β1(TGF-β1)、基質金屬蛋白酶抑制劑-1和Ⅰ型前膠原的異?；虮磉_及誘導細胞氧化應激而加速腎小管間質纖維化和腎小球硬化的進展[13]。SUN等[14]研究表明，IS和PCS可通過腎素-血管緊張素-醛固酮系統激活TGF-β/Smad通路，增加上皮-間質細胞轉分化(EMT)相關轉錄因子——Snail在腎小管中的表達，在體內、外誘導腎小管上皮細胞的EMT，從而導致腎單位的進一步損失。在CKD患者中，心血管疾病(CVD)的發生風險較健康者高2～3倍，是引起CKD患者死亡的最常見病因[15]。許多研究將CVD不良后果歸因于UTs，如氧化三甲胺(TMAO)，由腸道菌群以膳食中膽堿/肉堿部分為基質轉化形成，CKD患者TMAO水平升高可通過促進泡沫細胞的形成和增加巨噬細胞的清道夫受體而促進動脈粥樣硬化[16]。IS被證明能通過刺激炎癥通路活化，誘導氧化應激，增強白細胞對血管內皮細胞黏附等方式損傷內皮細胞，促進心肌細胞纖維化和肥大，介導心臟不良重塑[17]。LIN等[18]研究表明，游離IS和PCS血清水平與CKD患者增加的病死率有關，且PCS可作為診斷CKD患者CVD的生物標志物。

3.2腸道黏膜屏障功能受損 CKD患者?？稍跓o臨床感染的情況下表現出全身微炎癥狀態，這些炎癥通常與“內毒素血癥”相關。血清內毒素水平作為細菌移位的標志，其最可能的來源是腸道菌群。ANDERSEN等[19]在小鼠模型中證實，CKD相關的系統炎癥狀態與腸道菌群失調、腸屏障功能障礙和細菌易位有關，當使用抗菌藥物抑制腸道菌群移位后血清內毒素及系統炎癥標記物水平明顯降低。VAZIRI等[20]的研究首次發現尿毒癥可導致結腸緊密連接(TJ)的關鍵蛋白成分——claudin-1、occludin和ZO-1顯著下降。且大量尿素擴散入胃腸道與尿毒癥個體中具有脲酶的細菌協同作用促進腸道中氨和氫氧化銨的形成可能是介導上皮跨膜電阻下降伴TJ的關鍵蛋白成分消耗從而引起腸上皮屏障功能障礙的原因[21]。另外，CKD引起的腸壁瘀血、水腫，以及透析期ESRD患者超濾量過多或透析中低血壓引起腸缺血損傷使腸壁局部抵抗力下降，也可導致腸通透性增加[22]。

3.3CKD患者免疫調節異常 CKD患者疾病進展與全身性炎癥和獲得性免疫缺陷相關。通常巨噬細胞和其他先天性免疫細胞表面存在著多種不同的模式識別受體，能識別外來抗原并與其結合，然后通過補體激活凝集素通路、內吞作用或Toll受體(TLR)介導信號轉導等方式誘導免疫應答[23-24]。在CKD中內毒素移位入內循環，與TLR4或CD14結合，通過誘導髓樣分化因子MyD88的信號傳導，導致核因子κB和促分裂原活化蛋白激酶活化，最終引起以促炎性細胞因子——白細胞介素-(IL-1)、IL-6、腫瘤壞死因子α釋放為中心的慢性炎性反應[25]。有研究表明，血液透析的ESRD人群常表現為適應性免疫力被削弱，輔助性T細胞1/輔助性T細胞2比例失衡。其機制可能與T淋巴細胞功能受損及樹突狀抗原提呈細胞共刺激因子(CD80、 CD86)作用減弱有關[24]。這種獲得性免疫缺陷增加了CKD患者感染、動脈粥樣硬化及營養不良等并發癥發生率。

4 腸道菌群對CKD的干預研究

腸道菌群在CKD系統炎癥中發揮了重要作用，使其成為有潛力的治療靶點。已在體外模型和臨床試驗中研究了益生菌、益生元等微生物制劑對改善腸道菌群紊亂、減少UTs產生和延緩CKD進展的功效。如ROSSI等[26]進行的隨機臨床試驗結果顯示，合生元(含益生菌與益生元)顯著降低了血清PCS水平，還對糞便菌群進行了有利的修飾，特別是雙歧桿菌的富集和瘤胃球菌的消耗。但由于CKD患者微生物群的組成和功能的變化是由腸道不利的生化和生理環境介導的。因此，簡單地通過引入有利的微生物來恢復正常的微生物群效果仍有待于進一步研究證實。

SIRICH等[27]研究表明，在血液透析患者中增加膳食纖維可能會降低血漿IS和PCS水平，而不需加強透析治療。VAZIRI等[28]在大鼠實驗中發現，高抗性淀粉飲食攝入有益于減弱氧化應激、炎癥、恢復結腸上皮TJ和延遲CKD進展。這可能與腸道菌群發酵難消化的復合碳水化合物，產生SCFA等有益代謝產物，為腸上皮細胞和調節性T淋巴細胞提供能量，同時，降低結腸內環境pH值、減少有害菌生長、限制結腸炎性反應等作用有關[29]。因此，對CKD的營養管理已有相關研究提出根據微生物及其代謝產物來指導食物攝取，并結合傳統的限制鹽和蛋白質方法，為CKD患者提供更有益的飲食譜。

AST-120是一種口服碳吸附劑，主要通過胃腸隔離減少全身性毒素吸收。已有大量臨床隨機試驗證實，AST-120能抑制UTs前體物質(如吲哚)的吸收和延緩CKD患者透析的開始時間[30]。在大鼠實驗中也顯示了AST-120可減輕尿素誘導的結腸上皮TJ破壞及相關的內毒素血癥、氧化應激和全身炎性反應[31]。因此，添加AST-120作為標準治療方案可能對延緩CKD進展有益。

綜上所述，在CKD患者和動物中宿主與微生物組之間存在雙向關系，腸道菌群與腎臟疾病的相互作用使腸道微生物代謝紊亂和腎臟損害進一步加劇。具體而言，腸道菌群可能會削弱腸道屏障功能，增加UTs產生，導致內毒素血癥和全身炎癥，促進CKD病情進展和心血管(CV)并發癥的產生。而隨著CKD進展，腸道內環境改變及藥物、飲食等影響反過來又促使腸道菌群失調，最終導致預后不良。腸道菌群作為影響CKD進展的非傳統危險因素，未來的研究應探索微生物組與人類基因組的相互作用及如何利用微生物組的代謝潛能來治療CKD，從而為臨床治療提出新的見解。