慢性肾脏病患者肠道菌群的变化及影响研究

包文晗，王悦

健康人群的消化道内定居着约100万亿的微生物，其基因总数约为人体基因数量的100倍，构成了人体消化道内复杂而庞大的微生态系统［1］。正常情况下，肠道菌群与人体相互适应、互利共生，人体为肠道菌群提供寄居场所，肠道菌群参与人体的消化吸收、能量代谢、免疫调节等生理活动［2］。近年来，多项研究表明肠道菌群结构和功能紊乱与多种疾病相关，如慢性肾脏病（CKD）、癌症、肥胖、糖尿病、炎症性肠病等［2-3］。CKD患病率为8%～16%，已成为威胁人类健康的重要疾病［4］，其与肠道菌群的关系也受到越来越多的关注。本文就CKD患者肠道菌群的变化及影响做一综述，希望通过调节肠道菌群延缓CKD进展以降低病死率。

1 肠道菌群的组成和生理作用

健康人群肠道内定居着种类繁多的微生物，其中以5个细菌门（厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、变形菌门、疣微菌门）和1个古菌门（广古菌门）最常见。厚壁菌门和拟杆菌门占肠道菌群的90%［2］。肠道菌群中既包含对人体有益的益生菌，又包含一些潜在致病菌，二者处于共生状态。肠道菌群保持动态平衡并与人体相互作用，发挥着重要生理功能。肠道菌群可通过修复肠上皮细胞紧密连接结构、诱导热休克蛋白表达、上调黏蛋白基因、竞争性抑制病原菌、分泌抗菌肽、抑制肠道炎性反应等方式维持肠道的结构与功能［2，5］。肠道菌群参与重要免疫反应，可促进免疫系统发育和成熟，降低人体对食物或环境中抗原的过敏反应，诱导免疫调节及细胞分化［2，6］。此外，肠道菌群还可参与能量物质代谢，如降解难消化的植物多糖，促进碳水化合物的消化吸收，合成维生素B、维生素K和氨基酸等［3，7］。正常情况下，肠道菌群与人体处于动态平衡、互利共生状态。一旦这种平衡被打破，可引起一系列疾病，而疾病的发生发展亦可导致肠道菌群发生变化。

2 CKD/终末期肾脏病（ESRD）患者肠道菌群变化

CKD/ESRD患者肠道菌群与人体间的平衡被打破，肠道菌群的数量和结构发生明显变化。VAZIRI等［3］研究发现切除5/6肾脏的尿毒症大鼠肠道中乳酸杆菌和普雷沃菌的比例显著降低。ESRD患者肠道中短杆菌、伯吉古菌、肠杆菌、盐单胞菌、莫拉菌、涅斯捷连科菌、多囊黏菌、假单胞菌及丝硫菌家族的比例显著增多。王尊松等［8］对60例非透析尿毒症患者、60例透析尿毒症患者及30例健康志愿者的粪便进行分析，发现透析尿毒症和非透析尿毒症患者粪便中长双歧杆菌、嗜酸乳杆菌水平明显降低，粪肠球菌、大肠埃希菌水平明显升高。由此可见，CKD/ESRD患者肠道内益生菌减少，而致病菌增加。CKD/ESRD引起菌群失调的机制目前尚不明确，可能的机制包括：（1）饮食中纤维素摄入减少：CKD/ESRD患者为限制钾离子摄入而减少蔬菜和水果的摄入，导致饮食中纤维素摄入减少，肠道内纤维素和蛋白质比例失调，分解蛋白的细菌增加，最终导致菌群失调［9］。（2）结肠排空时间延长：多种因素如生活方式、饮食限制、磷酸盐结合剂、原发性肾脏病及并发症等均可导致结肠排空时间延长，含氮物质在肠腔内潴留，菌群能量结构发生改变，引起菌群失调［2，10］。（3）肠道内可利用的蛋白质增多：CKD/ESRD患者蛋白消化吸收功能受损，导致肠道内可利用的蛋白质增多，肠道内分解蛋白质的细菌数量增多［10-11］。（4）肠道pH值增加：CKD/ESRD患者血液中尿素水平增加，肠道细菌可将尿素水解产生氨，引起肠腔内粪便pH值增加，从而导致菌群失调［2，8］。（5）药物：CKD/ESRD患者治疗过程中服用的抗生素、磷酸盐结合剂、代谢拮抗物等药物均会影响局部肠道导致菌群失调［2-3］。CKD/ESRD患者肠道菌群失调可引起肠道菌群移位、局部或全身炎性反应、尿毒症毒素增加，进而加快CKD进展［1-2，6］。

3 CKD/ESRD患者肠道屏障功能受损

CKD/ESRD可以损害肠道屏障功能，引起菌群移位，导致内毒素血症及炎性反应。正常情况下，肠黏膜上皮细胞及其顶端的紧密连接蛋白能阻止细菌及有害物质由肠道入血。研究发现尿毒症小鼠结肠壁中紧密连接蛋白的重要组成部分：闭合蛋白、封闭蛋白-1、ZO-1的表达明显下降，导致肠道通透性增加［2，12-13］。VAZIRI等［14］用血液透析前的ESRD患者血清培养肠上皮细胞，发现体外肠道上皮细胞的通透性增加，并伴有闭合蛋白、封闭蛋白-1、ZO-1的减少。尿毒症毒素水平增加可引起细胞间紧密连接蛋白表达下降，导致肠道屏障功能受损。肠上皮细胞间紧密连接蛋白表达下降也可降低肠道上皮防御功能，引起肠道屏障功能受损、肠道通透性增加［2］。此外，肠道低灌注，尤其是透析时超滤量过多或血压较低时，也可导致肠道屏障功能受损，肠道通透性增加［2，15］。CKD/ESRD患者肠道屏障功能受损及肠道通透性增加可引起肠道内致病菌及毒素移位进入血液循环，导致内毒素血症、局部或全身炎性反应，加速肾功能恶化，形成恶性循环［2，5］。

4 肠道菌群失调与尿毒症毒素

肾功能减退时，经肾脏排泄的尿毒症毒素在体内蓄积可以影响肾脏正常生理机制。近年来，蛋白结合性尿毒症毒素（PBUTs）越来越受到重视［2］。PBUTs前体由肠道菌群分解蛋白质产生，CKD/ESRD患者肠道内诱导碳水化合物分解的菌群减少，而诱导蛋白质分解的菌群增多，可导致PBUTs产生过度。此外，CKD/ESRD患者肠道蠕动减慢，食物蛋白在肠道内停留时间过长，也可导致PBUTs产生增加［2，16-17］。PBUTs多与清蛋白结合，难以被血液透析清除，不但使CKD患者肾功能恶化，还可以诱发炎性反应，是心血管疾病的危险因素之一［17］，其中硫酸吲哚酚（IS）和对甲酚硫酸盐（PCS）最具代表性［18］。食物中的色氨酸以及苯丙氨酸、酪氨酸在肠道菌群作用下转化为吲哚和对甲酚，经肠道吸收后在肝脏代谢产生IS、PCS。IS和PCS主要经肾脏排泄，而CKD患者血清中IS和PCS水平增加［2，19］。血液透析对IS和PCS的清除率＜10%［2］，这可能是血清中IS和PCS与CKD进展、全因死亡率和心血管疾病病死率密切相关的原因［20-22］。IS可促进肾小管上皮细胞活性氧（ROS）产生，激活核因子κB（NK-κB）、p53等调节因子，使趋化因子表达上调，引起肾间质单核细胞/巨噬细胞聚集，导致肾脏纤维化［23-24］。IS也可以通过激活肾素-血管紧张素-醛固酮系统（RAAS），促进转化生长因子β（TGF-β）表达、肾脏纤维化，加速肾功能恶化［25］。PCS可通过激活RAAS促进肾间质成纤维细胞增殖和分化，加重肾脏纤维化［26］。PCS具有促炎作用，可促使肾间质单核细胞/巨噬细胞浸润及白介素6（IL）-6、TGF-β等炎性因子表达上调，从而促进肾脏纤维化［27］。IS及PCS均可导致Klotho基因超甲基化，抑制Klotho基因表达，使其产物对肾脏的保护作用减弱，促进肾脏纤维化，加速肾功能恶化［28-29］。DOU等［30］研究发现IS可通过促氧化应激作用导致血管损伤。IS也可通过削弱抗氧化屏障作用和促氧化应激作用促进心肌细胞肥大和心肌纤维化［31］。PCS是心血管疾病的独立危险因素［22，29］。HAN 等［32］研究发现PCS可通过增强还原性辅酶Ⅱ氧化酶活性，增加ROS，促进心肌细胞凋亡。

近年来，随着对肠道菌群和尿毒症毒素的研究深入，肠道菌群代谢产物氧化三甲胺（TMAO）逐渐成为研究热点。富含胆碱、肉碱、甜菜碱等的食物经肠道菌群代谢产生三甲胺，后经肝脏分泌的黄素单氧酶氧化成TMAO。TMAO主要经肾脏排泄［33］，随着肾功能减退，TMAO在体内蓄积，血清中其水平显著升高［34］。TANG等［35］研究发现TMAO可使磷酸化的Smad3水平增高，促进肾间质纤维化。MISSAILIDIS等［36］对179例CKD 3～5期患者和80例健康对照者研究发现，透析治疗不影响患者血清TMAO水平，TMAO水平与其血清IL-6、纤维蛋白原、超敏C反应蛋白水平呈正相关；TMAO水平与增加的系统性炎症相关，是CKD 3～5期患者病死率的独立预测因素。有文献报道TMAO是动脉粥样硬化、高血压、心功能不全发生和发展的危险因素，其作用机制有待进一步研究［33］。此外，肠道菌群也可促进胍类衍生物、马尿酸盐、苯乙酸谷氨酰胺、硫化氢等尿毒症毒素产生，对人体造成损害［1］。

5 肠道菌群失调与免疫调节功能

正常情况下，人体与肠道菌群处于动态平衡，肠道菌群对抵抗病原体感染、促进免疫系统形成及成熟、诱导免疫耐受、维持免疫稳态起着重要作用。如果人体与肠道菌群间的动态平衡被打破，可对人体产生许多负面影响。CKD/ERSD患者肠道屏障功能受损、肠道菌群移位、致病菌过度繁殖，可激活局部和全身免疫反应以清除病原体。WANG等［37］在尿毒症大鼠中发现肠道菌群移位，菌群从肠道进入肠系膜淋巴结、血液、肝脏及脾脏，并伴有血清IL-6、C反应蛋白水平增加。肠道菌群失调可使肠黏膜上皮细胞分泌IL-1和IL-6增加，使B细胞产生大量特异性免疫球蛋白G，诱导树突状细胞和巨噬细胞激活辅助性T1（Th1）细胞和辅助性T17Th17细胞［38］。MCINTYRE等［39］研究发现CKD患者血液循环中细菌内毒素，即脂多糖（LPS）水平随CKD进展而升高。LPS被巨噬细胞识别，促进干扰素（IFN）-β、IFN-γ、IL-1β、IL-6、IL-12、肿瘤坏死因子（TNF）α等释放［2］。大量细胞因子、炎性因子等释放可加重肠道屏障功能的损伤，促使肠道菌群移位，形成恶性循环。持续性全身炎性反应是CKD不良预后的独立危险因素［40］。细菌的产物可激活血管内皮细胞、树突状细胞、巨噬细胞等细胞上的识别受体。LPS的受体Toll样受体4（TLR4）参与动脉粥样硬化的形成过程。因此，CKD/ESRD患者中LPS/TLR4信号上调，可加速动脉粥样硬化的形成［41］。

CKD/ESRD患者虽处于慢性全身性炎症状态，但仍存在免疫缺陷，使感染概率增加，其机制尚不明确［2，6］。有学者推测，在CKD/ESRD患者中，移位的肠道菌群及产物持续刺激Toll样受体（TLRs）可产生免疫耐受现象，而伴随炎性反应上调的抗炎因子可以抑制免疫功能，形成免疫缺陷状态［6，42］。上述机制是否正确有待进一步研究证实。

6 CKD/ESRD患者肠道菌群失调的治疗

近年来，部分报道显示患者服用益生菌、益生元或合生元可减少尿毒症毒素产生、减轻全身炎性反应、延缓CKD进展［1-2，38，43］。而益生菌是对人体健康有益的活菌，包括双歧杆菌、乳酸杆菌、链球菌等。益生元是指能被宿主体内菌群选择性利用并有益于宿主健康的物质［44］，包括菊粉、低聚果糖、低聚半乳糖、大豆低聚糖、低聚木糖、焦糊精等［43］。益生菌和益生元结合在一起，称为合生元［2］。RANGANATHAN等［45］对46例CKD 3～4期患者进行6个月的随机双盲交叉试验，发现服用益生菌（嗜酸乳杆菌KB27、长双歧杆菌KB31、嗜热链球菌KB19复合制剂）可使患者血尿素氮水平下降。WANG等［46］研究发现腹膜透析患者服用益生菌（两歧双歧杆菌A218、链状双歧杆菌A302、长双歧杆菌A101、植物乳杆菌A87复合制剂）可降低血清中细菌内毒素、TNF-α、IL-6、IL-5水平，增加抗炎因子IL-10水平。MEIJERS等［47］对血液透析患者使用菊粉治疗4周，血清PCS显著下降。ROSSI等［48］研究发现，CKD患者服用合生元（菊粉、低聚果糖、低聚半乳糖、乳酸菌、双歧杆菌、链球菌复合制剂）可明显降低血清PCS，但对IS无明显影响，并且可使肠道中双歧杆菌增多，疣微菌减少。此外，益生菌也可延缓肾脏纤维化、减轻动脉粥样硬化［5］。目前，益生菌、益生元等对肠道菌群、肠道屏障结构和功能的调节机制尚不明确。由于研究样本量较小、随访时间较短，益生菌、益生元等对CKD/ERSD的治疗效果并不清楚［2，38］。有文献报道，CKD患者饮食中纤维素增加，可促进益生菌增殖、减少炎性反应、降低全因死亡率，认为CKD/ESRD患者应适当摄取富含纤维素食物［9］。但目前对饮食中纤维素的最佳摄入量并没有明确报道［1-2，5］。调节肠道菌群可治疗并延缓CKD进展，这为CKD的治疗提供了新思路，目前仍需大量基础研究和临床试验明确其机制和疗效。

近年来，有研究发现肠道吸附剂（AST120）和缓泻剂（鲁比前列酮）可通过吸附肠道内毒素、促进肠道蠕动等机制降低CKD患者体内尿毒症毒素水平，延缓CKD进程［2，5］，但其作用机制及疗效有待进一步研究。

7 小结及展望

肠道菌群构成人体消化道内复杂而庞大的微生态系统，与人体处于互利共生、动态平衡关系。CKD患者中人体与肠道菌群间的动态平衡被打破，导致菌群数目及结构变化、肠道屏障功能受损。肠道菌群失调可引起菌群移位、尿毒症毒素产生增多以及局部/全身炎性反应，加速CKD进展，增加全因死亡率［1-2，43］。肠道菌群失调与CKD的发生发展密切相关。由于肠道菌群数量庞大，组成及结构复杂，而且不同人群中肠道菌群的组成和丰度不同，其参与CKD发生发展的确切机制尚不明确。目前，中国学者对肠道菌群与CKD关系的研究较少，肠道菌群对中国CKD患者的影响有待进一步研究。随着人类微生物组计划的进行和高通量基因组测序技术的广泛应用，人类对肠道菌群的研究越来越深入，有望通过调节肠道菌群延缓CKD进展、改善动脉粥样硬化、降低病死率，前景十分广阔。

作者贡献：包文晗进行文章的构思与设计，文献收集、整理，撰写并修订论文；王悦负责文章的质量控制及审校，对文章整体负责，监督管理。

本文无利益冲突。