腸道微生態在糖尿病、慢性腎病及糖尿病腎病中的作用

文章來源：中華糖尿病雜誌, 2018,10(1) : 88-91

作者：丁濤 沈義蘭 李娟 諶衛 陳舟 邊琪 郭志勇 梅小斌

單位： 海軍軍醫大學附屬長海醫院腎內科

本文要點

◆腸道微生態能夠維持腸道免疫系統動態平衡，保持胃腸道的完整性和功能，具有多種生理功能，其功能失調與許多疾病有關

◆糖尿病和慢性腎病中，腸道微生態失調具有一定變化規律，而且與糖脂代謝存在關聯。微生態失調可通過引起慢性炎症、減少短鏈脂肪酸產生、增加尿毒症毒素生成等作用，促進糖尿病和慢性腎病的發病和進展

◆鑒於腸道微生態的重要性，可採取補充益生菌、攝入短鏈脂肪酸和基因調控菌群治療糖尿病腎病，以減少炎症反應、改善胰島素抵抗、控制脂質代謝紊亂、減少尿毒症毒素產生

腸道微生態作為腸黏膜生物屏障的重要組成部分，保護腸道免於病原菌的侵入，輔助營養吸收。腸道微生態失調參與多種慢性疾病，如糖尿病、心血管疾病。近年來一些研究證實腸道微生態和慢性腎病存在聯繫[1,2,3]，而腸道微生態與糖尿病腎病（DKD）之間的研究較少，因此我們將通過闡述腸道微生態和糖尿病、慢性腎病的關係，探討腸道微生態與DKD之間的聯繫，並基於腸道微生態尋找治療DKD的新方法。

一、腸道微生態

腸道微生態，由居住在腸道中的微生物群落構成，包括1 000多種細菌、酵母和寄生蟲，共超過100萬億個微生物，其基因組內容比人類基因組多100~150倍[1]。腸道細菌主要由七個門組成：擬桿菌門、硬壁菌門、放線菌門、梭桿菌門、變形菌門、軟壁菌門和疣微菌門。菌群在腸道的分布具有差異性，因內容物移動較慢及內環境為中性或弱鹼性，結腸細菌數量遠多於小腸，其中擬桿菌門和厚壁菌門等專性厭氧菌約佔90%。厚壁菌門細菌促進腸道吸收熱量，可導致肥胖，擬桿菌門中很多為機會致病菌，在多種疾病中發揮重要作用。

腸道微生物能建立和調節免疫系統，維持腸道免疫系統動態平衡，在腸道對T淋巴細胞亞群和B淋巴細胞分化成IgA分泌細胞起重要作用，從而改善腸道防禦功能。並通過維持緊密連接蛋白結構、誘導上皮熱休克蛋白、上調黏蛋白基因表達、分泌抗菌肽等保持胃腸道的完整性和功能。其主要生理作用為合成維生素、生物轉化結合膽汁酸、降解飲食性草酸鹽，並從不能消化的發酵碳水化合物中提取能量，由於這些有益的作用，越來越將微生物視作功能性"器官"[2]。它們的失調與許多疾病有關，如糖尿病、炎症性腸病、心血管疾病、腎臟疾病和代謝性疾病[3]。

二、糖尿病、慢性腎病中的腸道微生態失調

證據顯示，糖尿病和慢性腎病患者出現腸道微生態失調時，其腸道菌群種類的丰度、組成和功能都有改變，且具有一定規律[4]。

1．糖尿病中的腸道微生態失調：

糖尿病患者的腸道菌群異於正常人群。在門水平，兩個優勢菌群厚壁菌門和擬桿菌門變化最為統一，差異較明顯，糖尿病患者的擬桿菌門丰度下降，厚壁菌門升高，部分研究認為厚壁菌門/擬桿菌門比值作為腸道微生物平衡的衡量指標，其升高與葡萄糖耐量負相關[5]。2型糖尿病（T2DM）患者的產丁酸細菌丰度下降，且與空腹血糖負相關[6]。厚壁菌門細菌中，芽孢桿菌綱的乳酸桿菌屬、腸球菌屬和梭菌綱的柔嫩梭菌亞群細菌數量和比例升高。但也有研究顯示乳酸桿菌屬減少，而瘤胃球菌科的普拉梭菌屬丰度下降。目前認為普拉梭菌是一種與炎性負相關的生物性標誌物，它可能參與調節肥胖和糖尿病中的系統性炎症[7]。擬桿菌門中，擬桿菌屬下降，普雷沃菌屬無明顯變化。放線菌門中，雙歧桿菌屬細菌減少，且與循環中較高濃度脂多糖相關，具有產丁酸功能的羅氏菌屬下降。目前有研究表明，腸道微生態失調與糖脂代謝存在關聯，腸球菌屬變化與血糖、甘油三酯水平正相關，占腸道內產丁酸菌主體的球形梭菌亞群變化與空腹血糖負相關，柔嫩梭菌亞群與高密度脂蛋白顯著負相關。

2．慢性腎病中的腸道微生態失調：

慢性腎病患者腸道微生態具有細菌物種分布的差異，表現為需氧和厭氧細菌數量增加，同時伴有厚壁菌門、放線菌和變形桿菌的增加，以及雙歧桿菌和乳桿菌的減少[8]。具有脲酶、尿酸酶、酚和吲哚形成酶的細菌家族增加，而產短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFA）細菌在終末期腎病中減少[9]。尿毒症患者的蛋白吸收能力下降，引起結腸中完整的蛋白質增多，使結腸具有水解蛋白功能的細菌增加。慢性腎病患者中，纖維攝入減少、運動不足、慢性腎病治療相關的透析及限水攝入和心衰、心血管疾病等多種因素導致結腸運輸減慢，與消化能力下降、氨和尿素分泌進入腸道引起的pH值變化共同引起腸道微生態失調。

3．DKD中的腸道微生態失調：

目前對DKD患者的腸道微生態失調缺少直接研究，有關慢性腎病患者的腸道微生態研究中樣本量較少，對慢性腎病中糖尿病患者並不明確，導致腸道微生態與DKD研究缺乏，DKD患者的菌群失調狀況不明。根據糖尿病和慢性腎病的既往研究，推測DKD患者的菌群失調應與糖尿病、慢性腎病存在共性，疾病早期表現較多趨向糖尿病，腸球菌、柔嫩梭菌亞群細菌升高，產丁酸細菌、擬桿菌屬和雙歧桿菌減少。進展至慢性腎病甚至是終末期腎病時，具有脲酶、尿酸酶、酚和吲哚形成酶的細菌家族及具有水解蛋白功能的細菌增加。此外，DKD的菌群失調或許也有其特殊性，這些推測都有待未來的研究進一步證實。

三、腸道微生態影響糖尿病、慢性腎病和DKD的可能機制

腸道菌群影響糖尿病和慢性腎病的機制複雜。腸道微生態失調多伴有以血循環脂多糖增多為代表的內毒素血症、慢性炎症、腸道屏障破壞和產SCFAs菌的減少。腸道微生態可能通過以下機制影響糖尿病和慢性腎病的發病和進展。

1．慢性炎症：

慢性炎症在T2DM和慢性腎病患者中常見[10]。目前認為腸道菌群在兩種疾病的慢性炎症中發揮重要作用[4]。首先，緊密連接蛋白表達減少引起腸道通透性增加，細菌和細菌產物如脂多糖從腸腔易位入血液，引起T2DM和慢性腎病典型的低度炎症，同時來自腸腔的微生物的受體激活和識別可能引發炎症反應，誘導胰島素受體底物-1中絲氨酸殘基的磷酸化，降低胰島素敏感性。其次，腸道菌群失調後，脂多糖介導低度炎症，從而改變脂質和糖代謝的信號轉導，並通過改變營養利用影響宿主的生理功能，導致腸內容大分子吸收增加、全身性病理性免疫反應，最終導致胰島素抵抗及T2DM。

2．SCFA：

腸道菌群失調可能通過代謝物營養利用和合成變化對宿主產生影響[11]。糖尿病和慢性腎病患者腸道菌群失調錶現產SCFA細菌減少，可影響SCFA和次級膽汁酸產生減少，後者作為能量、葡萄糖和脂質代謝中的信號分子，引發能量代謝紊亂。代謝產物中SCFA主要為乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，由膳食纖維經腸道微生物發酵產生，隨後吸收入血，與宿主蛋白質相互作用，最終影響糖和能量代謝[12]。SCFA激活腸上皮細胞上的G蛋白偶聯受體（G protein coupled receptor，GPR41）41和GPR43，分別促進肽YY（peptide YY, PYY）及胰高糖素樣肽-1（GLP-1）的分泌，引起各種生物效應。PYY釋放可增加腸道轉運率和飽腹感，GLP-1是主要的腸道降血糖激素之一，抑制胰高糖素分泌，減少肝糖異生，改善胰島素敏感性[13]。然而，為了控制鉀的攝入，慢性腎病患者較少攝入膳食纖維，影響了SCFA的產生。近期Kobayashi等[14]發現在人類腎皮質上皮細胞中SCFA以結合內源性配體GPR41/GPR43依賴性方式減少p38和c-jun氨基末端激酶（c-jun N-terminal kinase，JNK）的磷酸化、降低腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF）-α誘導的單核細胞趨化蛋白-1表達，發揮抗炎作用，顯示未來SCFA修飾可能是預防腎臟炎症和纖維化進展的新治療工具。

3．尿毒症毒素：

尿毒症毒素由未經消化的蛋白質經微生物發酵產生，慢性腎病患者腸道微生物群組成和環境改變的後果之一是微生物發酵增強，尿毒症毒素如晚期糖基化終末產物（AGEs）、三甲胺、酚類、吲哚類產生增加，引發促炎反應、刺激白細胞、內皮細胞功能障礙[11]。腸道微生態改變可通過腸-腎軸在一定程度上影響慢性腎病及其併發症發生髮展。腎臟富含AGEs的重要受體，亦是AGEs的清除器官，較容易受到AGEs影響，在腎小球系膜、基底膜沉積了大量AGEs導致蛋白質共價反應，使細胞外基質正常的結構及特性遭到破壞。動物實驗顯示尿毒症毒素能夠通過損害小管細胞促進慢性腎衰的進展[15]。尿毒症毒素中，吲哚硫酸鹽和對甲酚硫酸鹽分別是結腸中細菌發酵色氨酸和酪氨酸的終產物，並由宿主吸收和修飾產生，當腎功能下降時在血漿中積累並加速慢性腎病進展毒素，其水平與慢性腎病患者的腎功能呈負相關[16]，是腎功能下降的早期標誌物。用硫酸吲哚處理近端腎小管細胞導致腎小管中的上皮間充質表型轉變可增加轉錄因子Snail，纖連蛋白和α-平滑肌肌動蛋白的表達[17]。此外，在部分腎切除小鼠模型中，硫酸吲哚可激活腎內腎素-血管緊張素-醛固酮系統和間質纖維化，引起腎小球硬化[18]。

4．影響DKD的可能機制：

DKD確切的機制尚未很好地闡明，目前認為氧化應激和炎症反應在DKD的發病、進展中起著重要作用[19]。DKD患者伴有內毒素血症、腸道粘膜屏障損傷，腸道細菌及脂多糖易位入血可能導致DKD慢性炎症。此外，產SCFA細菌減少引起GLP-1及PYY分泌減少，導致胰高糖素分泌增加，肝糖異生增強，胰島素敏感性降低。當DKD的腎小球濾過率逐漸降低時，結腸運輸減慢，細菌發酵增強，吲哚硫酸鹽和對甲酚硫酸鹽產生增多，引起腎內腎素-血管緊張素-醛固酮系統激活和間質纖維化，導致腎小球硬化。

四、基於腸道微生態治療DKD的可能方向

DKD目前缺少積極有效的治療手段，鑒於腸道微生態的重要作用，可基於腸道微生態，採取以下方式尋找治療DKD新方向。

1．補充益生菌：

益生菌是一類活的，當被適量攝入時，可給宿主帶來益處的微生物。糖尿病研究顯示，益生菌能減少炎症反應，並增加腸上皮細胞黏附蛋白的表達，降低腸道通透性。促進T2DM患者的抗氧化，與對照組相比，補充益生菌酸奶的組中紅細胞超氧化物歧化酶，谷胱甘肽過氧化物酶活性和總抗氧化劑增加[20]。嗜酸乳桿菌和乾酪乳桿菌能通過抑制脂質過氧化顯著抑制了鏈脲菌素誘導的胰腺氧化損傷和促進一氧化氮形成。嗜酸乳桿菌和乾酪乳桿菌的組合配方可有效降低血糖、胰島素、總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇等指標[21]。雙歧桿菌、乳酸桿菌和嗜熱鏈球菌的混合物降低TNF-α和白細胞介素-6的水平，增加腸道GLP-1水平[22]。

慢性腎病研究顯示，乳酸菌可降解腸腔中的草酸鹽，與短雙歧桿菌混合物可減少患者中尿酸草酸鹽。腎衰竭大鼠中，乳酸菌屬的數量與尿蛋白排泄率負相關，乳桿菌可改善尿蛋白排泄並降低血清尿毒症毒素[23]。益生菌激活膽汁鹽水解酶，促進次級膽汁酸生成，增加從頭合成膽固醇的需求，從而通過腸腔吸收膽固醇降低血清膽固醇[24]。雙歧三聯活菌膠囊聯合口服降糖葯能夠明顯降低糖尿病患者尿轉鐵蛋白和尿微量白蛋白，提示腸道益生菌對DKD的治療作用。

2．補充SCFAs：

SCFA可重塑腸道微生物群，防止病毒誘導的胰島自身免疫，因此可能是未來預防疾病的方向。在db/db小鼠和高脂肪飲食加鏈脲黴素誘導的糖尿病小鼠中，補充產丁酸鹽細菌丁酸梭菌CGMCC0313.1改善空腹葡萄糖、葡萄糖耐量、胰島素耐量、GLP-1和胰島素分泌，降低血脂和炎症。此外，丁酸梭菌逆轉低鈣血症和降低葡萄糖輸出[25]。利用三種SCFA及其特異性GPR43激動劑作用於高糖和脂多糖誘導的腎小球系膜細胞[26]，結果顯示乙酸鹽和丁酸鹽或GPR43激動劑治療顯著抑制高糖和脂多糖誘導的細胞增殖，並逆轉活性氧和丙二醛的產生，增加抗氧化酶水平超氧化物歧化酶。此外降低了單核細胞趨化蛋白-1和白細胞介素-1β釋放，從機制上提示腸道微生物可能通過代謝產物影響DKD，未來可通過補充SCFAs逆轉DKD的損傷。

3．基因調控菌群治療DKD：

益生菌作用具有菌株特異性，因此提供與益生菌所有益處相關的"通用菌株"的想法是不現實的。基於基因調控的菌群治療，對益生菌基因修飾，使其獲得多種特異性是未來治療DKD的潛在新方向。一方面，將表達治療因子的基因修飾入細菌，有研究通過基因修飾產生GLP-1的重組乳酸乳球菌顯示出刺激胰島素分泌並改善小鼠的葡萄糖耐量[27]。N-醯基磷脂醯乙醇胺是N-乙醯乙醇醯胺脂質家族的前體，其在小腸中合成以響應進食並減少食物攝入和減輕肥胖。高脂飲食小鼠飲用工程化表達N-醯基磷脂醯乙醇胺的大腸桿菌後，其攝食量顯著降低，肥胖發生率減少，並且胰島素抵抗明顯減輕[28]。另一方面，可將細菌中表達致病作用的基因予以敲除或抑制，Devlin等[29]通過敲除擬桿菌中色氨酸酶基因，進而調控小鼠的吲哚水平，從而提示通過靶向微生物群來控制宿主吲哚水平，並提出治療腎臟疾病的可能策略。

綜上所述，目前腸道微生態和DKD的直接研究較少，通過腸道微生態和糖尿病、慢性腎病的研究推測DKD患者的腸道菌群是否有類似變化，需要未來研究證實。針對可能的機制應以尿毒症毒素或SCFA為靶點研究對DKD的影響。此外，基於腸道微生態採取補充益生菌、攝入SCFA和基因調控菌群方法探究其益處，從而為目前DKD的治療和研究困境提供新思路和新方法。

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