肠道菌群与脑-肠-肾轴在慢性肾病中的研究进展

张秀秀，李晴，曹腾莉，陈丁丁

(中国药科大学，江苏 南京 211198)

在全球，约10%的人受慢性肾脏病的困扰[1]，在美国，每年因为肾脏疾病的财政支出就达到48亿美元[2]。慢性肾病患者一般都患有严重的心血管并发症，比如：高血压、心力衰竭、动脉粥样硬化等。最近的研究表明，慢性肾病患者往往伴随着神经认知功能障碍[3]、低级炎症、肠道菌群紊乱[4]、肠道屏障功能损坏[5]等。肠道目前被认为是一种真正的代谢器官[6]，肠道菌群可以通过多种途径参与机体的调节过程，共同维持身体的动态平衡。因此，越来越多的科学实验来研究肠道菌群与脑-肠-肾轴在慢性肾脏病的机制，希望通过调节肠道菌群来延缓其进展。

1 肠道菌群

一个健康成人仅肠道内就有几十万亿个细菌。肠道菌群有300多万个基因，是人类基因组的150倍[7]。根据与宿主的关系，肠道菌群大致可以分为三个大类：有益菌、有害菌和中性菌。

正常的肠道菌群可以保护肾脏，而在慢性肾病患者中，正常的肠道菌群稳态被打破。Vaziri等[8]通过对24个终末期肾病(end stage renal disease,ESRD)患者和12名健康人粪便中的微生物DNA分析发现，与健康组相比，ESRD患者中190个细菌的丰度存在显着差异。在ESRD患者中，肠杆菌科、盐单胞菌科、莫拉氏菌科、假单胞菌科和发硫菌属等的比例显著增加。Nishiyama等[9]通过对5/6肾切除小鼠肠道内细菌16SrRNA分析发现：在5/6肾切除小鼠中双歧杆菌属、别样棒菌属、苏黎世杆菌属的种类明显增多，而乳酸杆菌属、颤螺旋菌属和未分类的疣微菌科明显降低。

2 肠黏膜屏障

一般认为，肠黏膜屏障由机械屏障、化学屏障、免疫屏障和生物屏障共同构成。其中机械屏障由肠道上皮细胞和其连接复合物组成，上皮细胞调节溶质的被动和主动跨细胞转运，连接复合物调节溶质和水的细胞旁转运。肠上皮细胞间的连接包括紧密连接(tight junction，TJ)、缝隙连接(gapjunction，GJ)及黏附连接(adhesion junction，AJ)等。TJ主要由claudin、occludin等构成骨架的结构蛋白与ZOs等传递信号的功能蛋白组成[10]。

正常情况下，肠黏膜屏障可以阻止有害微生物、毒性代谢产物等进入血液，而在慢性肾病患者中，黏膜屏障遭到破坏。Vaziri等[11]通过对尿毒症大鼠进行体内研究观察到，结肠黏膜中紧密连接蛋白[如claudin 1、occludin和zonula occludens(ZO)-1)]表达的大幅下降，这表明肾衰大鼠的肠屏障受到明显损害。Yang等[12]发现，在CKD小鼠中，结肠HSP70和claudin 1的表达量降低，而claudin-2表达增加并且伴随着细胞凋亡增加。除此以外，他们还发现，尽管调节性T细胞的百分比在CKD和对照组小鼠之间没有差异，但CKD小鼠的结肠中细胞因子和CX3CRCR1intermediate:CX3CRCR1high的比例明显增加。

3 肠-肾轴

自Ritz在2011年的国际透析大会上提出“肠肾综合症”的概念之后，肠道与肾脏之间的联系大量被研究，进而衍生出“肠-肾轴”理论，此理论认为肾脏与肠道的联系是双向的，有一方功能发生损害都能通过多种途径影响另外一方的正常功能。肠道菌群及其代谢产物在其中起重要的作用。

慢性肾衰患者往往存在肾滤过能力的降低，导致尿素在血液中的聚积。尿素弥散到肠道后，在肠道中经过细菌的代谢后产生氨，使肠腔内的pH增加，扰乱肠内稳态[13]。肠道稳态时，结肠细胞代谢趋于氧化磷酸化和脂肪酸氧化，使耗氧量升高，由此形成的低氧环境利于专性厌氧菌的生长，厌氧菌可降解纤维生成短链脂肪酸，维持宿主健康。而结肠代谢状态改变时，会导致以兼性厌氧菌增殖为特点的菌群失调[14]。并且当结肠上皮细胞长期暴露于尿素中时，会破坏结肠的紧密连接蛋白，使肠道的通透性增加[15]。

肠道菌群紊乱导致菌群代谢产物(如吲哚、TMAO、SCFAs等)的改变而肠道通透性的增加会使血中的代谢产物增加进而加速肾损伤及并发症的进展。

硫酸吲哚酚(indoxyl sulfate，IS)是色氨酸经过肠道杆菌属分解后经过一系列转化而产生并经肾脏排泄的代谢产物，在慢性肾病中会不断积累，并可以与蛋白质结合，损伤肾小管上皮细胞，导致肾间质纤维化[16]。单核细胞上的芳烃受体(AhR)受到IS刺激后分泌TNF-α，血管内皮细胞在TNF-α刺激下产生大量CX3CL1，其与CD4+CD28-T细胞上高度表达的受体结合后向内皮细胞聚集，导致血管内皮细胞损伤进而加重肾脏并发症[17]。

慢性肾病患者血液中氧化三甲胺(TMAO，胆碱的代谢产物)的水平升高，具有较高血浆TMAO水平的患者死亡风险增加2.8倍[18]。Li等[19]发现TMAO可能通过增加血管氧化应激和炎症来减少eNOS介导的NO产生，从而导致CKD相关的内皮功能障碍和心血管疾病。

此外，慢性肾病患者由于饮食干预、抗生素应用等导致肠道中益生菌代谢产物--短链脂肪酸(SCFAs)的减少，SCFAs的减少除了能激活全身和组织炎症外，也能降低结肠嗜铬细胞中色氨酸羟化酶1的转录，进而减少5-HT的合成[20]。体内5-HT可参与肠道动力、免疫反应及情绪等的调节。

除了菌群代谢产物外，来自肠道细菌的内毒素例如脂多糖(LPS)，可通过与Toll样受体4/MD-2形成复合物，刺激免疫细胞，尤其是巨噬细胞和内皮细胞被激活，启动先天免疫应答并分泌多种促炎细胞因子(TNF-α、IL-1β等)，导致全身炎症反应和氧化应激加重[21-22]。

4 慢性肾病中的认知和情绪改变

最近越来越多的研究表明，肾衰患者常伴随着认知功能的下降，并且容易产生抑郁和焦虑。Murray等[23]通过对338位55岁及以上的透析患者进行记忆、执行能力和语言表现的测试发现，只有12.7%的人有正常的认知功能，13.1%有轻度损伤，36.1%中度损伤，37.3%有严重损伤。Palmer等[24]发现，慢性肾病(1～5期混合)患者中有26.5%出现抑郁。慢性肾病抑郁患者整体生活质量较差，eGFR下降速度明显加快，并且住院和死亡风险较高。然而，肾衰导致认知功能与抑郁的具体机制还不确定，目前有以下几种假说。

4.1 炎症假说 有研究者认为炎症介导的心血管疾病可能是导致肾病患者抑郁症死亡的一部分原因。众所周知，肾衰患者中的促炎细胞因子，尤其是IL-6和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的循环水平显著升高，炎症的增加会导致多种血管疾病。而许多研究发现，重度抑郁症患者中IL-6与TNF-α的循环水平也会显著增高[25]。此外，在重复注射重组细胞因子的患者中观察到抑郁情绪和行为，包括悲伤和自杀意念[26]。一项文献综述表明[27]，在慢性肾病和透析患者中，抑郁症状和炎性细胞因子水平升高并存，其关联性尚不确定。与这些患者中的其他细胞因子相比，抑郁症似乎与血清IL-6水平有更高的相关性。需要进一步的研究来阐明在慢性肾病和透析患者中炎症和抑郁症状之间存在因果关系的可能性。

4.2 代谢毒素假说 尿毒症毒素的积累可能会导致脑内皮功能损伤，并导致慢性肾病的认知障碍。目前，色氨酸-犬尿氨酸的代谢失调在认知障碍中的作用被广泛研究。在初级神经胶质细胞中，IS增加了AhR和NF-kB核转位并降低了Nrf2易位和HO-1表达；此外，IS可以以剂量依赖性方式诱导神经元中的细胞死亡[28]。小鼠注射IS(800 mg·kg-1)能诱导组织学变化并增加脑组织中COX-2表达和硝基酪氨酸形成[28]。上述结果显示IS能促进神经毒性的产生，并且它还可能在神经退行性疾病中具有潜在作用。

此外，在尿毒症患者中，负责认知功能的大脑区域中某些胍类化合物的含量显著升高[29]。这些胍类化合物是神经兴奋剂，且在动物实验中具有惊厥活性，因此猜测慢性肾病患者的认知与情绪功能异常可能与这些胍类化合物有关。

5 脑-肠-肾轴

目前，大量的实验已经阐述了脑与肠道、肾与肠道之间的关系，但脑-肠-肾三者之间的相互作用还未被广泛研究。Yang等[30]第一次证明了脑-内脏-骨髓轴对血压升高的影响，并将这一作用扩展到脑-肠-肾轴的概念，而且提出了以下基于脑-肾-肠轴的慢性肾病发病机制假说。

慢性肾病相关的刺激信号在大脑自主区域被感知并整合，大脑中负责交感神经传出的区域中持续的小胶质细胞激活导致血压升高和一系列的瀑布效应。骨髓中交感神经活性的增加会过度激活骨髓中的炎症系统，进而导致低级全身系统炎症，并导致骨髓中用于血管、肠和肾修复的多能干细胞的产生减少。骨髓中的免疫细胞也能被肠道中的微生物群激活并进入循环，这些细胞会导致肠道和肾脏的炎症。由于肠道和肠道微生物之间的密切联系，肠道局部黏膜免疫也受到肠道环境的调节。肠道内菌群的紊乱与肠交感神经的刺激会导致肠道内一系列的损伤，如肠壁通透性的增加、肠黏膜炎症增加与上皮细胞的异常表观遗传修饰等等。肠道的损伤又进一步导致血中代谢毒物的增加，血中代谢产物的变化会对包括心、肾、脑在内的多种器官有损伤。此外，大脑自主区域感知的信号也能直接激活肾交感神经，激活的肾交感神经能直接影响肾脏的生理功能。肾损伤时肾小球滤过率(GFR)的降低，又会使血液中毒素增加。因此，肠-肾-脑三者可通过交感神经、免疫、代谢等多种途径相互作用，加快慢性肾病进展并产生多种并发症[30]。

6 潜在治疗策略

6.1 饮食干预 临床上，多数的慢性肾病患者被建议增加富含纤维、维生素等食物的摄入。一项Meta分析发现[31]，膳食纤维补充剂显着降低慢性肾病患者体内血清尿素和肌酐水平。Lu等[32]发现每天摄入纤维量>25 g的慢性肾衰患者可以延缓eGFR的降低，降低炎症因子、硫酸吲哚酚和血清胆固醇的水平并且与心血管风险负相关。

6.2 益生元与益生菌 由于慢性肾病患者肠道内常出现有益菌群的减少，所以推测增加肠道内的益生菌可以改善肠道菌群紊乱，从而减轻全身炎症反应。益生元(如菊粉、低聚果糖、抗性淀粉等)在肠道内可作为菌群的能量来源，针对性的促进部分有益菌群的生长。

抗性淀粉(resistant starch，RS)是一种典型的膳食纤维，它可以作为肠道菌群的代谢底物，来调节肠道菌群。Tayebi Khosroshahi等[33]通过连续8周对接受血液透析的慢性肾病患者补充HAM-RS2(高直链抗性淀粉)后发现，血液透析患者中炎症因子和氧化产物的水平显着降低。Haghighat等[34]发现，血液透析患者连续服用益生菌12周后可降低血清ICAM-1水平。

6.3 代谢物的调节 尿毒症毒素在慢性肾病导致的肠道菌群紊乱及肠黏膜上皮屏障功能受损中起重要作用，因此一些降低毒素水平的措施可以改善慢性肾病患者的临床症状。AST-120是一种由多空隙的碳材料构成的微球，有强大的吸附能力，可吸附肠道内的吲哚产物，从而降低血清中IS的含量，改善肠黏膜上皮损伤[35]。

7 总结

肠道菌群在体内数目庞大，且参与多种器官的调节。慢性肾衰患者中，肠道菌群出现紊乱，肠道黏膜屏障功能下降，使血液中的代谢毒物增加，引发全低级炎症，进而加重肾脏损伤并导致心血管疾病等一系列并发症。另外，肾衰也会导致认知功能障碍，其或许与脑-肠-肾轴中的肠道菌群紊乱、炎症增加、血管损伤、代谢毒物的增多有关。越来越多的证据表明，肠道菌群的调节在慢性肾衰的治疗中是一个极其重要的靶点。我们还需要更多的实验来探究肠-肾-脑轴的具体作用机制，也需要更多的临床实验来证实肠道菌群的调节在肾衰患者中的治疗作用。