调节肠道菌群干预糖尿病肾病的机制及治疗研究进展

秦田雨，刘铜华，秦灵灵，潘雅婧，宋紫临，李梅，田芃，吴丽丽

(1.北京中医药大学，北京 100029；2.北京中医药大学教育部中医养生学重点实验室，北京 100029)

糖尿病并发全身性微血管病变导致肾小球硬化，即糖尿病肾病(Diabetic nephropathy，DN)，是糖尿病并发症中危害最大的一种。我国成人糖尿病发病率已上升至11.6%，糖尿病患者中，有25%～40%将进展为DN，DN的患病率随着糖尿病发病率的增加而逐年增加[1]。糖尿病肾病发展成临床肾病期时伴有蛋白尿、渐进性肾功能损害(肾小体血管球滤过率降低)、水肿和高血压，晚期出现严重肾功能衰竭。目前还没有治疗糖尿病肾病的有效方法，主要以早期控制血糖水平，进入临床肾病期后予以血管紧张素转换酶抑制剂(Angiotensin Converting Enzyme Inhibitor, ACEI)、血管紧张素受体阻滞剂(Angiotensin receptor blocker, ARB)类药物控制血压保护肾脏，肾衰竭期血液滤过等方法为主。其主要的负担不仅在于透析治疗的巨大成本、肾源缺乏，而且也来源于DN患者心血管疾病的发病率和死亡率的增加，严重影响了患者生存质量[2]。

肠-肾轴理论提出之后[3]，已经有较多研究开始关注肠道菌群、糖尿病和肾脏病的关系，并寻求有效的干预方法。正常状况下人类肠道有百万亿数的细菌。肠道菌群的生理作用有：1)维持胃肠道的完整性和功能，包括维持紧密连接蛋白的结构、与病原菌竞争性地与肠上皮细胞结合；2)免疫作用，包括促进肠道免疫系统的成熟、减少对食物和环境抗原的过敏反应、促进免疫调节和细胞分化；3)代谢作用，包括分解难消化的植物多糖和抗性淀粉，产生短链脂肪酸(short chain fatty acid, SCFAS)(包括乙酸、丙酸、丁酸等)、促进吸收复杂碳水化合物、合成维生素K和B、合成苏氨酸和赖氨酸等[4]。

肠道菌群在糖尿病肾病中的改变通常表现为多种致病菌比例增加，而益生菌(产生有益代谢物)的数量减少，形成了以真性厌氧菌为主的异常菌落结构。如变形杆菌门、拟杆菌门含量降低，而厚壁菌门、疣微菌门等含量增多[5-6]。这种不平衡首先出现在低丰度细菌类群中[7]。肠-肾轴理论阐明了无论是胃肠道还是肾脏的改变都可以通过肠道黏膜、肠道菌群及免疫炎症等多方面影响另一方，产生不良后果，并互为因果[8]。这可能是由于后期肾脏功能严重受损，很多含氮废物通过肠道释放, 使得利用这些废弃物的肠道菌群大量增殖[9-10]。另外，患者小肠微绒毛变短，隐窝增多，上皮细胞之间的紧密连接遭到破坏[11]，控制纤维摄入、抗生素滥用以及肠道炎症状态，都可能造成肠道菌群移位[12-13]，肾脏损伤与肠道菌群失调互为因果。

肠道菌群可以分别通过影响血流动力、糖脂代谢、内毒素积累和炎症等方面影响DN，下面将分别对这几种机制，以及目前针对肠道菌群的主要治疗方法(中医内外治法、益生菌和益生元等)，通过调节肠道菌群进而干预糖尿病肾病的研究进行综述。

1 血流动力改变与肠道菌群

糖尿病微血管病变所致的血流动力学改变被认为是引起DN的关键因素。糖尿病肾病早期表现为肾小球内高压、高灌注、高滤过，随后肾血管球毛细血管基底膜增厚，最终出现肾小体硬化，肾功能衰竭[2]。

肠道微生物的发酵产生的SCFAS，可以与位于肾脏的受体结合并发挥调节血管相关功能作用。随着DN加重，肾脏肾素血管紧张素系统(Renin-Aangiotensin System,RAS)的ACE和ACE2轴之间的平衡可能因肠道菌群和RAS之间的一系列联系受到破坏，通过一系列级联继而加重肾损伤和促进DN进展[14]。

动脉粥样硬化是多种血管性疾病的来源，食物中的磷酸卵磷酯经肠道菌群代谢胆碱生成三甲胺(Trimethylamine,TMO)，黄素单氧化酶在肝脏内将TMO氧化生成氧化三甲胺(trimethylamine oxide, TMAO), TMAO可上调腹膜巨噬细胞的两种巨噬细胞清除受体水平，低密度脂蛋白经氧化修饰后被巨噬细胞吞噬，导致动脉粥样硬化[15]；使用广谱抗生素抑制了肠道菌群后，血浆TMAO水平降低，进而减少动脉斑块的面积[16]。

2 高血糖与肠道菌群

血糖过高导致肾组织局部糖代谢紊乱进而加重肾损害，可通过非酶糖基化形成晚期糖基化终末产物(Advanced Glycation End Products, AEGs)，以及多条通路激活导致早期高滤过，促进肾小球基底膜增厚以及细胞外基质蓄积。目前认为2型糖尿病高血糖的主要原因是胰岛素抵抗，后期表现为胰岛素分泌不足。

肠道紧密连接(包括闭合小环蛋白ZO-1、闭合蛋白occludin)表达减少、肠道细胞渗透性增加，是导致菌群异位的原因。而紧密连接的降解会引起肠源性脂多糖和细菌入血，是发生胰岛素抵抗的重要因素[17]。肠源性脂多糖，通过Toll-like receptor 4(TLR4)激活炎症通路，诱导一氧化氮合酶(iNOS)产生增加，也会降低胰岛素敏感性[18]。而乳酸杆菌的比例增高可增加胰岛素分泌[19]。

肠道菌群分解产物SCFA还通过G蛋白偶联受体41(G-protein-coupled receptors, GPR41)相关机制促进L细胞肽yy(Pyy)表达，促进小肠结肠L细胞分泌胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide，GLP-1)。Pyy可作用于下丘脑引起饱感，减少饮食摄入，GLP-1可以发挥促进胰岛素分泌的作用，进而控制血糖[20]，影响DN的进程。

脂代谢异常和肥胖也是胰岛素抵抗的重要环节，门丽慧等[21]运用代谢组学方法，发现肥胖和DN多种潜在生物标记物存在相同的变化趋势，并且这些相同趋势的标志物大多都是肠道菌群相关的内源代谢物。这些代谢物的变化反应了肠内菌群的结构变化，推测肠道菌群可能是肥胖和肾脏疾病之间的潜在链接环节。

3 内毒素与肠道菌群

随着病程进展，菌群紊乱通过直接阻断肠屏障，使得肠黏膜通透性增加，由此引发的细菌易位及肠源性内毒素血症，使得大量毒素在体内蓄积，直接或间接地对肾脏以及心血管系统造成了损害，是导致DN微炎症状态的重要原因。尿毒症毒素根据分子大小及物理化学性质可分为3种：一是小分子水溶性毒素，包括尿素氮，肌酐等，容易在透析时清除；二是中分子毒素，包括β2-微球蛋白，瘦素等，可部分在高通量血液透析和腹膜透析条件下被清除；三是蛋白结合毒素，主要是与蛋白结合的小分子毒素，如硫酸对甲酚(p-cresyl sulfate，PCS)、硫酸吲哚酚(indoxyl sulfate，IS)等，因为和蛋白结合率高故难以在透析下被清除。DN患者蛋白质消化和吸收受到损害，因此，增加了可用于结肠中细菌水解的完整蛋白质的量[22],是造成血管内皮功能障碍的重要因素[23]。研究发现，肾病患者肠道中合成吲哚的菌群主要包括梭杆菌科，肠杆菌科等。相关的肠道菌群改变在肾功能改变的早期可以被检测到[24]。

4 炎症与肠道菌群

高血糖状态下的肠道菌群失调引发的细菌异位和肠道内毒素是导致DN患者微炎症的原因之一，且肠道菌群易位先于DN发生。同时患者因为饮食控制、抗生素等药物使用更加重肠道菌群失调，进一步导致毒素蓄积以及微炎症加重[25]。细菌持续感染、氧化应激、透析阶段的生物膜相容性也成为微炎症产生的原因[26]。

肠道有益菌产生高浓度SCFA以通过保护肾小管细胞，增强线粒体生物合成，减轻小鼠肾脏缺血再灌注损伤和炎症反应[27-28]。炎症因子是参与糖尿病发病的重要因素，短链脂肪酸乙酸、丙酸及丁酸通过结合到GPCR41及GPCR43上阻断核因子κB(NF-κB)的活化，使炎症反应被抑制，从而减少TNF-α、IL-6分泌；丁酸则能使IL-10增加、IL-12表达减少[29]。

此外，肠道有益菌的产物丁酸盐可以增加小肠L上皮细胞分泌的GLP-1，已证明GLP-1和GLP-1/GLP-1受体复合物的激活能通过减轻近端肾小管过度重吸收，部分改善早期糖尿病对肾脏的影响[30]。

5 中药及活性成分调节肠道菌群干预糖尿病肾病

王利民等[31]报道基础治疗联合阿魏酸钠有调节肠道菌群，增加肾小球滤过，改善肾功能的作用。

蔡红蝶[32]采用16s RNA技术，分析发现丹参水提物与醇提物能在一定程度上改善慢性肾衰竭大鼠粪便菌群多样性。而肠道菌群对丹参中不同的活性成分分别通过不同的代谢途径进行代谢。说明大鼠粪便中含有使丹参中成分结构发生变化的菌群，这为中药复杂成分发挥整体治疗作用的机制提供了新思路。

曾玉群[33]报道，大黄及活性成分大黄素灌肠能调节肠道菌群，增加双歧杆菌益生菌的数量，恢复固有黏膜蛋白claudin-1，occludin W及减少内毒素脂多糖水平，减少CKD状态的尿毒素IS生成，改善肾功能、肾脏氧化应激及肾纤维化。

6 中医外治法调节肠道菌群干预糖尿病肾病

中药灌肠疗法是一种传统的中药肠透析法，奠基于“开鬼门，洁净腑，去宛陈莝”的理论基础，通过药物的结肠吸收直接促进血肌酐、尿素氮等代谢废物的肠道排泄，调节肠道菌群，改善肾功能。与血液透析、腹膜透析等一般透析法相比更经济便捷，而且可以多靶点地调节肠道菌群，患者容易接受和坚持，有助于糖尿病肾病的早期、有效控制[34-37]。

陈茜等[38]报道通腑泄浊法治疗DN的机制可能与其增加肠道代谢废物及毒素的排泄，改善肠道屏障功能，调节肠道菌群，减少内毒素吸收等作用有关。

7 益生元与益生菌调节肠道菌群干预糖尿病肾病

益生菌(Probiotics)是一类有益于宿主健康的活的微生物；益生元(Prebiotics)是一类被宿主肠道微生物选择性利用，有益于宿主健康的物质，包括低聚糖类、多酚类、不饱和脂肪酸等。

益生菌在肠道繁殖产生短链脂肪酸，降低肠道pH值，抑制需氧菌过度繁殖。益生菌繁殖的同时可以修复肠道上皮间紧密连接的损伤，改善肠道微炎症，在肠黏膜表面形成保护膜，降低毒素通过肠道入血的可能性[39]，同时竞争性抑制合成蛋白结合毒素前体的细菌生长[40]。临床研究表明，益生元运用于血液透析患者可显著降低PCS产生速率，从而降低血PCS浓度[41]。Hashimoto等[42]研究发现，摄入乳酸菌后，乳酸菌上被酶切产生的活性片段，能与ACE2上的活性中心结合，抑制ACE2的活性，从而降低血管紧张素Ⅱ的生成量、下调血压。在一项60例的平行随机双盲对照研究中，对糖尿病血液透析患者进行12周的益生菌补充，患者的血糖稳态参数、炎症、氧化应激有关的生物标志物均有一定程度改善[43]。一项研究发现，罗伊乳杆菌对高血糖引起的大鼠肾纤维化有保护作用[44]。肖晓芬等[45]对96例维持性血液透析病例予以益生菌颗粒2个月，结果显示治疗前后，治疗组与对照组的C反应蛋白(CRP)、白介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)均有显著差异，说明补充益生菌可改善维持性血液透析患者微炎症程度，使肠道益生菌增多[46]。类似的Natarajan等[47]研究也发现血液透析患者摄入益生菌可降低血清炎症因子和总酚酸水平。有研究指出，除了炎症因子和小分子毒素，补充合生元(益生菌和益生元)还可以使CKD患者体内的蛋白结合毒素降低[48]。

任锦丽等[49]报道，燕麦β-葡聚糖可以作为益生元改善肠道菌群状态，进而减轻肾脏组织结构病理改变。Zhu等[50]应用代谢组学方法，认为麦冬多糖通过在肠道发酵产生单体和丁二酸，抑制肠道葡萄糖吸收，增强肝糖原生成，抑制糖原分解，促进GLP-1分泌，下调7H-嘌呤和20-脱氧肌苷，减轻糖尿病和糖尿病肾病。

代谢综合征与DN关系密切。一篇通过回顾2013—2017年关于益生元和益生菌干预代谢综合征临床试验的综述得出的结论是每天补充10 g菊粉，抗性淀粉或低聚果糖丰富的菊粉可对2型糖尿病患者的代谢综合征指征恢复产生有益的影响[51]。

然而，高脂饮食、不同疾病状态，以及菌群多样性变化会导致对益生菌的反应不同。

8 展望

一方面调节肠道菌群的新疗法已经被证明有效，但证据仍然不够有力，我们亟需高质量随机对照大样本的临床试验来界定益生菌和益生元疗法的作用。

另一方面，有研究指出CKD患者肠道菌群紊乱由肠道不利的环境介导，只通过单纯引入益生菌可能难以恢复肠道正常微环境[52]，而这正是中医药疗法的多靶点整体治疗的优势所在。未来可以探索联合中医内外治法及益生元益生菌，辅助或者代替西药作用于治疗糖尿病。在疾病进展早期，针对不同的菌群变化特征分阶段干预是未来可以考虑的研究方向。这对每一种干预方法在糖尿病肾病进展过程中的具体针对环节提出了明确的要求，重点在于恢复肠道微生态稳态[53]。

由于糖尿病并发症病程长，使用功能性食品和生物活性化合物等互补替代方法是必须的，因此有人提出借助传统地中海饮食产生的营养管理的新概念“食物矩阵”，将含有抗氧化剂、纤维、蛋白质及维生素等的物质用于辅助DN的治疗、提高患者生活质量，也是未来的趋势[54]。菌群移植也已经在2013年被美国纳入复发性腹泻的临床指南[55]，在考虑安全性、可行性、规范操作的条件下，也可望在恢复DN菌群生态中发挥作用。