肠道菌群微生态与慢性肾功能不全的研究进展

张梦佩,黄光明

随着代谢组学和微生物分析研究的日益进展，如高通量测序分析，我们可以根据肠道微生物群特征来增加对患者健康和疾病的新见解。肠道微生物群组成的变化与肠道和肠外疾病相关，尽管只有少数机制已知，但肠道菌群仍然是用于疾病检测以及寻找潜在治疗价值的目标。越来越多的研究表明，肠道菌群与慢性肾功能不全(chronic Renal iusufficiency,CRF)具有相互影响的关系，强调了慢性肾脏病患者肾脏和胃肠道通道(称为肾-肠轴)之间的密切关系[1]。即与慢性肾脏病环境相关的肠道微生物群的定量或定性改变，将导致菌群易位；来自胃肠道的蛋白质和其他含氮物质在肠道菌群作用下会增加肠源毒性终产物的产生和积累，使肠上皮屏障功能损害，内毒素自肠内腔进入血液，全身慢性炎症加重肠道菌群的紊乱和体内代谢的失衡。在这种情况下，这些以肠为中心的改变可能在CRF患者中具有相关的系统性后果，因为它们能够引发慢性炎症，增加心血管、消化、神经疾病危险以及恶化肾脏疾病[2]。本文主要对肠道和肾脏之间的复杂关系做一综述，讨论CRF患者的肠道细菌代谢以及对肠屏障、肠道相关炎症和细菌易位过程的影响，并通过益生元和益生菌的新型治疗策略，总结肠道菌群调节对CRF患者的潜在治疗作用[3]。

1 肠道菌群

肠道菌群表示与宿主肠道共生的全部微生物的集合，包括细菌、真菌和病毒。在人类中，存在来自大约500种不同物种的多达100万亿细菌细胞，其中胃肠道是通常的70%以上微生物的栖息地。五个细菌门(厚壁菌门，拟杆菌，放线菌，变形菌和疣微菌门)是人类肠道中最常见的物种，其中厚壁菌门和拟杆菌占明显优势[4]。大多数细菌具有严格的无氧需氧代谢，因此，由于氧气压力降低，细菌密度沿肠道长度逐渐增加，在结肠中达到最大值[5]。肠道菌群是一个动态的共生系统，与体内稳态系统不断相互作用调节宿主免疫系统和新陈代谢。肠道生态系统包括肠道微生物群和肠道本身，细菌与宿主肠道有着动态和互动的关系，以获得共生的益处，在平衡体内代谢、维持免疫和保护免受病原体方面起着至关重要的作用。一方面，肠道微生物群通过为宿主提供必需化合物，参与能量生产代谢，胆汁酸的生物转化，脂肪/葡萄糖代谢的信号调节；另一方面，生化环境对肠道微生物群的组成和功能有重大影响，它富含可被微生物用作营养物质的分子，通过营养物质的利用和组成，细菌总数及组成的相关变化来显着影响微生物菌群[6]。人类肠道微生物群的多样性取决于性别、种族、免疫状态、年龄、饮食、地理位置、吸烟等。肠道微生物群通过抗生素的产生抑制病原体和细菌素定植，促进复合碳水化合物的吸收，并产生各种各样的营养素、微量营养素(短链脂肪酸SCFAs，氨基酸如赖氨酸和苏氨酸，维生素等)、生物素和核糖蛋白在元素中发挥有效作用[7]。此外，肠道微生物群在发育、成熟和维持胃肠动力以及塑造黏膜免疫系统和肠屏障方面也起到了参与作用[7]。

2 慢性肾功能不全

CRF是指肾实质损害，肾脏无法维持其功能，特别是在末期阶段，其特征是许多物质和溶质如电解质、激素、尿素和肌酐等毒性物质的逐渐积累。毒性物质能够干扰许多生物学功能，特别是因为它们对炎症和心血管等风险的影响。它们的前体在胃肠道微生物群的蛋白质发酵期间形成，最广泛的是分别由酪氨酸和色氨酸发酵产生的对甲酚和吲哚(吲哚氧基硫酸盐的前体)，在通过肠壁运送到血液中时，通过细胞质磺酰转移酶将对甲酚转化为对甲酚硫酸盐，而吲哚在肝脏中代谢产生吲哚硫酸盐。在健康人中，这两种分子都被肾脏清除，而在CRF患者中，对甲酚硫酸盐和吲哚硫酸盐在血液水平中升高，这与肾功能的降低有关。在终末期肾病(end stage renal disease，ESRD)透析患者中，对甲酚硫酸盐和吲哚硫酸盐的清除率为正常肾脏的10%。这些尿毒症溶质通过影响内皮功能和修复(包括炎症、氧化应激等)影响机体代谢。该过程具有激活先天免疫和全身炎症的潜力。持续的先天免疫激活涉及诱导免疫调节介质，其抑制先天性和适应性免疫，类似于晚期败血症或慢性感染中的“内毒素耐受”或“免疫麻痹”的概念[8]。

3 肠道生态系统在CRF 中的免疫调节作用

CRF导致肠屏障结构的破坏和微生物菌群的改变，在炎症和尿毒症毒性的发病机理中起重要作用。为了防止肠道菌群易位的发生和维持体内平衡，胃肠道通过动态肠屏障来限制宿主免疫系统暴露于微生物群。 屏障保护包括物理(上皮紧密连接和黏液层)、生化(酶和抗微生物蛋白)和免疫(IgA和上皮相关免疫细胞)因子。健康个体中的肠上皮是一种半透性物理屏障，一方面屏蔽了肠道毒素的侵入，另一方面允许营养物质的选择性通过。然而，肠上皮细胞的屏障功能不仅仅是指简单的物理屏障作用。上皮是一种高度动态的组织，其响应于来自肠道微生物群及免疫系统的信号，对这些信号的上皮反应调节屏障功能，微生物群的组成和固有层内的黏膜免疫稳态。因此，上皮可以被认为是微生物群和免疫系统之间的联络点，并且上皮和相邻的免疫细胞之间的异常信号转导可能促进疾病中的免疫调节[9]。

肠道免疫系统在保持共生微生物与宿主之间的动态平衡方面发挥关键作用。肠道内有大部分机体免疫细胞，其任务是识别和抵抗外来抗原和微生物威胁。上皮细胞层防止这些抗原与免疫细胞的过度接触，从而保护肠道免受不必要的免疫反应。这是通过肠上皮的复杂组织实现的，其建立在严格调节的屏障上。肠上皮由通过紧密连接的单层柱状上皮细胞构建，同时通过分泌细胞如杯状细胞和潘氏细胞分泌黏液和抗微生物蛋白质，对肠腔内细菌、真菌和其他抗原进行屏蔽[10]。为了区分有害病原体和有益的共生体，免疫细胞如树突状细胞和巨噬细胞，能对抗原进行识别，例如Toll样受体、NOD样受体和Rig-I类受体，不断刺激产生抗菌肽，如REGIII-γ、血管生成素及细胞因子等。这些介质使免疫细胞与抗原保持共生的情况并平衡微生物的组成[11]。微生物与肠上皮和免疫系统的这种相互作用调节了肠内的生态平衡。

屏障功能的缺陷将诱导慢性肠道炎症。在屏障障碍和病原体过度生长的情况下，肠道屏障完整性丧失,随之而来的细菌及其组分的易位可能会破坏耐受性，引发肠道和全身免疫系统过度和潜在有害的促炎反应清除入侵的微生物。这种反应包括从肠上皮细胞分泌IL-1和IL-6，促进树突状细胞(DCs)和巨噬细胞的TH1和TH17反应，以及B细胞产生更高水平的共生特异性IgG[12]。在这种情况下，脂多糖与巨噬细胞上的受体复合物结合导致炎症细胞因子(如IFN-β，IFN-γ，IL-1β，IL-6，TNFα和IL-12)的大幅度增加。这些以持续性炎症为特征的机制被认为是促进CRF 与心血管等并发症的机制[13]。此外，形成上皮紧密连接的主要蛋白质的显着减少伴随着上皮内阻力的降低，这表示增加的渗透性和上皮屏障功能障碍。最后，与水肿/高血压或缺血相关的病症也可能增加肠壁渗透性；特别是一种危及肠道灌注，最终与侵袭性超滤体积和/或体内低血压相关，可能会增加ESRD患者透析时肠屏障的功能障碍和渗透性[14]。

4 CRF损害肠道屏障功能并改变肠道微生物菌群

CRF会损害肠屏障功能导致内毒素血症和全身炎症。健康人胃肠道上皮细胞之间的间隙处于密封状态，对于防止微生物毒素、抗原和其他有害产物进入上皮组织和内部环境至关重要。CRF导致胃和小肠上皮紧密连接的破裂，肠上皮屏障的损害导致局部和全身炎症，并改变肠道微生物群。CRF所致的血氨、尿酸、肌酐浓度可能会改变肠腔内pH值，作用于肠道中的微生物群体，改变共生生态系统。最近的实验和临床研究已经仔细探讨了CRF与肠屏障功能损害并改变肠道微生物群之间的关系。

Vaziri N等[15]在尿素在肠屏障功能障碍中的作用和慢性肾脏疾病中上皮紧密连接的破坏这项研究中，将肾病末期患者的血浆添加到培养基中，引起培养的人肠细胞中的上皮内电阻(TER)和TJ蛋白的消耗显着降低。这项研究测试证实了尿毒症肠道屏障功能障碍可能是由于尿素扩散到肠道并通过微生物脲酶转化为氨的假设[15]。并且来自胃、空肠、回肠和结肠组织标本的组织学检查显示，与健康动物相比，CRF小鼠肠壁增厚，免疫激活增加，尿毒症小鼠肠壁闭塞和紧密连接蛋白-1含量明显减少，与CRF肠道细菌内毒素和其他有害物质的肠道通透性和渗漏增加有关[16]。

在慢性肾脏疾病改变肠道菌群一文中，Vaziri N为了鉴定微生物种群的变化情况，从24例终末期肾病患者(ESRD)和12名健康人的粪便中分离出微生物DNA，并用微阵列进行分析。 ESRD和对照组之间的190个细菌操作分类单位(OTU)的丰度有显著差异。来自杆菌属，肠杆菌科，盐单胞菌科等家族的OTU在ESRD患者中明显增加。为了分辨尿毒症与个体间变异，共病情况和膳食和药物干预的影响，在5/6肾切除术或假手术后8周研究大鼠菌群变化，最后表明尿毒症和对照动物之间的175个细菌OTU的丰度有显著差异，最显著的是乳酸杆菌科的减少[17]。因此，CRF深刻地改变了肠道微生物的组成。

尿素也被认为是肠屏障功能障碍发病机理的关键因素。 CRF中的尿素积累增加尿素流入肠腔，在其中通过微生物脲酶水解成氨，增加肠道pH，导致黏膜刺激和结构损伤。肠道中氮废物的广泛增加，使得能够利用这些废物的微生物过度生长，如梭菌科，肠杆菌等。尿素是CRF中最丰富的保留废物，它和其他代谢毒素的流量进入胃肠道(gastric intestinal, GI)腔引起选择性压力，导致了产生脲酶的细菌过度生长，形成尿酸酶，吲哚和对甲酚形成酶。 肠道微生物群的细菌分解脲酶产生尿素和氢氧化铵，提高管腔pH值，改变组成微生物群。 氢氧化铵本身具有腐蚀性，导致紧密连接屏障蛋白的降解。尿酸是膳食和内源性嘌呤的最终产物。肝脏中的新陈代谢是消除氮气的有效途径。 草酸是一种潜在的有毒化合物，在人体内不会进一步代谢，并在其电离的环境中循环形成草酸盐。 在正常情况下，尿酸和草酸盐在尿液中排出。 然而，在晚期CRF中，这些化合物的排除受到阻碍[18]。

5 益生元和益生菌的新型治疗策略

目前，在大多数CRF晚期患者中，尿毒症只能用肾脏替代治疗，这可能不能清除高分子量溶质或蛋白质结合的物质。最近许多研究肠道微生物群针对CRF的治疗方法，主要是通过防止微生物代谢的有毒终产物的吸收，从而降低其血液含量，并且通过优先选择蔗糖而不是蛋白水解物来调节细菌生长，从而减少尿毒素的产生。有文献研究[19]表明，除了增加肾清除率，减少肠道毒素产生和吸收也可缓解CRF患者高水平的细菌性尿毒症。调节细菌生长以减少尿毒素的产生是最广泛研究的胃肠道靶向策略，主要涉及使用益生菌和益生元纠正CRF / ESRD相关免疫和细菌易位。目前这种策略的功效和临床效益是一个有意义的领域。

益生菌是指“有活力的生物体，当摄取足够量时，会产生积极的健康影响”[21]。益生元是指“选择性发酵的成分，允许在胃肠道微生物群中的组成和/或活性的特定变化赋予益处”[22]。益生菌和益生元促进双歧杆菌的生长，稳定黏膜屏障功能的微生物物种，通过肠腔酸化，营养物质的竞争和抗菌物质的生产，减少病原菌的数量。当益生菌与益生元结合使用时，它们被称为合生素。Koppe L等[2]研究测试益生菌、益生元和合生素对CRF/ESRD患者血清尿毒症浓度的影响，在评估益生菌效应的非随机研究中对血液透析患者的血清和粪便尿毒症溶质，观察到对甲酚的排泄减少和血清中吲哚硫酸盐水平降低，数据表明可发酵纤维能够为肠道微生物提供足够的能量底物，使蔗糖分解细菌能够纳入生长氮，以减少血液氮化合物产生并增加粪便排泄。

综上所述，CRF与肠道菌群联系密切，肠道屏障功能和微生物群变化息息相关。肾脏功能受损导致这些毒素的积累，使肠道菌群恶化。本文的目的是提供肠道微生物群在CRF发病机制中的潜在作用的全面综述。与健康个体相比，CRF与正常肠道微生物群的组成的破坏(生态失调)相关，表现为低微生物多样性和分类学差异。在健康状态下，肠道微生物群为宿主提供了一些益处。在CRF中，尿素、尿酸和草酸的浓度与饮食有关；磷酸盐结合剂、抗生素和口服铁补充剂的使用导致肠腔生化环境改变。最终，导致微生物生态失调和肠道上皮屏障破坏。。内毒素和细菌来源的尿毒症毒素易位进入血液导致氧化应激和炎症的诱导。形成一个双向的炎症和氧化应激促进CRF进展的关系。进一步，肠道微生物群通过几种途径影响大脑和神经内分泌系统。新一代益生菌和合生元在逆转生态失调，重建共生菌群和减缓CRF的进展方面显示出前景，然而，仍须长期随机临床试验确定这些化合物的有效性。

通常建议CRF患者限制摄入水果、蔬菜和高纤维产品，这是为了避免钾超载。这导致难消化的碳水化合物短缺，而碳水化合物正是肠道糖分解菌的必需营养素，减少了微生物产生SCFAs，最终降低了结肠细胞和调节性T细胞(Treg细胞)的营养成分。另一方面，由于碳水化合物资源短缺，蛋白质等代谢增加，胃肠道中的含氮物质导致毒性末端的产生和积累。糖分解(发酵)和蛋白水解(腐败)微生物群之间的不平衡导致CRF患者的不良反应。 CRF患者也经常被建议限制奶酪和酸奶的消费，因为它们含磷量高，影响富含益生菌的食物来源，进而导致胃肠道内更多的生化变化[23]。通过益生菌或益生元调节肠道微生物群可以积极地改变肠道细菌的组成和代谢，可能降低尿液溶质的产生并减少慢性炎症，减少CRF和尿毒症相关并发症的进展，在维持代谢平衡的肠道微生物群中可能具有治疗作用。同时也需要更多的临床试验来评估益生菌及益生元使用与CRF / ESRD患者的尿毒症、炎症等风险状态之间的因果关系，以及更好地定义该临床环境中益生元、益生菌的最佳摄入量。