肠道微生物组学与糖尿病视网膜病变研究进展

彭敏敏 陈树春 高渊 王孜

肠道微生物组学是机体的重要组成部分，在维持正常物质代谢的调节中发挥着强大的作用。多项研究已表明肠道微生物组学与炎症性肠病、肥胖症、心血管疾病、血脂异常等多种疾病息息相关。近年来，研究发现微生物与眼部疾病之间的关系，肠道微生物组学通过影响血液循环中脂多糖、短链脂肪酸、胆汁酸、三甲氧胺的水平及色氨酸的代谢，从而参与糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy，DR)的发生发展。临床上对DR治疗没有特效药物，本文阐述了肠道微生物组学可能在DR发生发展中所起的作用，以期为DR的治疗开辟新方向。

1 DR

DR是糖尿病的常见并发症之一，在5 a病程的2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)患者中发病率高达24.4%，是发达国家和地区工作人员中

失明的主要原因，严重影响患者的生活质量，但其发病机制尚不明确[1]。目前全球DR患者有9300万，其中1700万患有增殖期DR(proliferative diabetic retinopathy，PDR)，2100万患有糖尿病黄斑水肿(diabetic macular edema，DME)，2800万人患有威胁视力的DR(vision-threatening diabetic retinopathy，VTDR)[2]。视网膜毛细血管由周细胞、基底膜、内皮细胞共同组成，内皮细胞之间由紧密连接方式互相连接，构成了血-视网膜屏障(blood-retinal barrier，BRB)中最重要的内屏障。糖尿病导致视网膜中的各种生理和分子的异常，这些异常可统统被归为局部的炎症反应，包括视网膜神经细胞中诱导刺激核因子kB(nuclear factor-κB，NF-κB)、IL-1β、细胞间黏附因子-1(intercellular adhesion molecule，ICAM-1)、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)、诱导型一氧化碳合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)、晚期糖化终产物受体(receptor for advanced glycationend products，RAGE)、p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)的表达或活性增加，白细胞瘀滞增加以及白蛋白积累增加，这些促炎变化在视网膜病变的发病机制中起重要作用，其受到抑制则会延缓视网膜病变的发展。

2 肠道微生物组学与菌群失调

人类肠道是一个复杂的生态系统，其中包含数万亿的细菌，统称为肠道微生物群。目前已鉴定了1000多种微生物基因组，其编码的基因数量至少是人类基因组的150倍。人体肠道微生物组学主要包括厚壁菌、拟杆菌及少量的放线菌、变形杆菌、疣微菌等[3]。菌群失调是由于环境、免疫、遗传或宿主的因素改变导致肠道微生物组学平衡状态的破坏。肠道微生物组学失调通过影响胰岛素抵抗、胆汁酸代谢、炎症反应参与糖尿病、消化道疾病、心血管疾病及肥胖的发生发展过程。自“肠道-视网膜轴”理论[4]开始提出后，有研究开始关注肠道微生物组学、糖尿病、视网膜的关系，这些并发症的发生可能与肠道微生物组学促进炎性细胞因子产生、激活免疫细胞导致器官中持续低水平的炎症反应有关。

2.1 肠道微生物组学通过调节胆汁酸影响DR肠道微生物组学在胆汁酸代谢中起重要作用，肠道微生物组学影响着胆汁酸代谢，胆汁酸也调控着肠道微生物组学的稳态。胆汁酸是由胆固醇合成的内源性类固醇分子，影响葡萄糖和脂质的稳态以及能量消耗，调节胆汁酸代谢的两种主要受体为FXR受体和膜结合的G蛋白偶联受体。和健康人相比，T2DM患者中厚壁菌门的数量明显降低。有研究显示，胆汁酸和结合物的浓度与厚壁菌门、拟杆菌门丰度显著相关，其中厚壁菌门的微生物丰度与胆汁酸及结合物的变化成正相关，而拟杆菌门则相反[5]。同样在间断进食的糖尿病小鼠中，厚壁菌门的细菌数量增多，从而将更多的初级胆汁酸代谢成次级胆汁酸如牛磺熊去氧胆酸(tauro ursodesoxy cholic acid，TUDCA)，当TUDCA进入血循环，穿过BRB，TUDCA和G蛋白偶联受体结合，阻止视网膜神经病变和炎症[6]。胆汁酸通过诱导L细胞上的G蛋白偶联受体的活化增加GLP-1的分泌[7]。有研究也表明，熊去氧胆酸(UDCA)可逆转STZ诱导的糖尿病小鼠BRB的破坏及紧密连接蛋白-1(zonula occludent，ZO-1)和ZO-19表达的减少，并且可逆转TNF-α、IL-6、IL-1β、ICAM-1、iNOS、血管内皮生长因子表达的减少[8]。UDCA可减轻STZ诱导的糖尿病小鼠内质网应激相关的视网膜周细胞丢失，有助于预防DR[9]。DME是糖尿病患者视觉功能障碍的主要原因，高水平IL-6、IL-1β、ICAM-1(促炎和促血管生成)和低水平IL-10(抗炎和抗血管生成)参与DME的发病机制[10]。肠道微生物组学产生的脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)刺激NF-κB募集炎症细胞，增加炎症反应的水平，FXR可抑制NF-κB，减轻炎症反应。

2.2 肠道微生物组学通过LPS影响DR高血糖状态下肠道微生物组学失调引发细菌移位和肠道内毒素堆积，导致肠道炎症反应。T2DM患者中革兰阴性菌增多，导致LPS产生增多，引起代谢性内毒素血症，扰乱紧密连接蛋白的排列，引起肠道通透性增高，从而允许更多的肠道细菌代谢产物LPS进入血循环中，循环的LPS水平增加，通过TLR-4-MyD88激活NF-κB，增加IL-6和TNF-α的表达，并且增加的幽门螺杆菌也可诱导IL-6和TNF-α表达，IL-6可引起血管内皮细胞损伤，血管内皮细胞的破坏影响血管张力、改变血流动力学，从而活化血小板及凝血系统，提高血管通透性，最终导致微血管闭塞及新生血管形成，加剧DR的发生[11]；且大肠杆菌的增加使尿酸水平升高，导致氧自由基产生，引起神经元细胞凋亡及视网膜内皮细胞广泛损害，促进DR发展[12]。高糖环境可以增强视网膜神经调节细胞中TLR-4表达，激活下游信号传导途径并增加TNF-α、IL-8、NF-κB表达，增加糖基化酶活性，活化小胶质细胞，引起视网膜血管通透性增加和神经元损害，从而加剧DR病变。

2.3 肠道微生物组学通过氧化三甲胺影响DR糖尿病患者和体质量指数较大的个体有着较高水平的氧化三甲胺(trimethylamine-oxide，TMAO)。TMAO可以加剧血管炎症反应，激活NLRP3炎症小体，诱导活性氧生成，损害胆固醇逆转运[13]。有研究表明，NLRP3炎症小体的激活和PDR的发病机制有关[14]。和健康对照组相比，DR患者外周血单核细胞中NLPR3炎症小体的基因和蛋白表达均增加，并且DR患者外周血单个核细胞和玻璃体中IL-1β、IL-18水平升高[15]。TMAO亦可促进NF-κB的磷酸化，进而诱导炎性因子如：IL-6、IL-8、IL-1β、TNF-α，单核细胞趋化蛋白-1、COX-2、血管细胞黏附分子(vascular cell adhesion molecule，VCAM)、ICAM-1的表达，导致单核细胞的黏附增加及蛋白激酶C激活，并下调ZO-1基因的表达，导致视网膜内皮功能障碍[16]。最近有研究显示，NLRP3炎症小体在糖尿病小鼠的视网膜和高糖刺激的人视网膜微血管内皮细胞中均处于激活状态[17-18]，表明NLRP3炎症小体可能参与了高血糖导致的视网膜内皮细胞功能紊乱的过程。在高糖培养的人视网膜内皮细胞中，NLRP3炎症小体表达及细胞凋亡较正常对照组增高，当NLRP3基因沉默后，细胞凋亡率明显下降，NIRP3炎症小体通过影响BRB的结构及功能参与早期高血糖对视网膜的损害[19]。

2.4 肠道微生物组学产生短链脂肪酸改善DR短链脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFA)是肠道微生物组学分解碳水化合物或氨基酸的代谢产物，是碳原子数目小于6的脂肪酸，肠道内主要的SCFA以乙酸、丙酸、丁酸为主。2型糖尿病患者微生物菌群失调，一些普遍产生丁酸盐的细菌丰度下降，各种机会致病菌增加。SCFA与G蛋白偶联受体41或G蛋白偶联受体43结合后诱导肠内酪酪肽、GLP-1分泌。肠内酪酪肽由远端肠道的神经内分泌L细胞产生，它可以抑制食欲、增加饱腹感、调节体质量、降低血糖。目前有研究证实，GLP-1类似物(Exendin-4)在糖尿病大鼠视网膜中具有神经保护作用，可预防神经元死亡及视网膜内层的变薄、降低视网膜血管的通透性，并降低ICAM-1的表达，还可降低LPS的炎症反应并抑制NF-κB活化[20]。视网膜周细胞的迁移在BRB早期损伤起关键作用，GLP-1可以减弱RAGE诱导的视网膜周细胞的迁移[21]。紧密连接蛋白-2在紧密连接蛋白家族中被认为是“渗漏蛋白”，丁酸盐通过对激活因子-3的活化和对组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)的抑制，以IL-10依赖性方式抑制Cldn-2的表达，以增强上皮屏障功能，促进肠道黏膜屏障功能的恢复，而且丁酸盐和G蛋白偶联受体结合抑制肠道炎症，并促进调节性T细胞和产生IL-10的T细胞的分化，维持免疫稳态[22]。戊酸通过对B细胞和CD+效应T细胞的影响，引起代谢的重新布线，导致糖酵解和IL-10分泌增加，而且戊酸的HDAC抑制活性主要抑制IL-17表达，从而改善慢性炎症反应[23]。越来越多的证据证明，炎症因子的过度表达在DR的发生过程中起关键作用，IL-10可改善炎症条件下内皮祖细胞功能，并通过抑制NF-κB信号途径改善炎症微环境，从而有助于延缓非增殖期糖尿病视网膜病变(non prolifertive dibetic retinopthy，NPDR)的进展[24]。

2.5 肠道微生物组学通过调节色氨酸代谢影响DR色氨酸通过吲哚2，3双加氧酶(indoleamine 2，3-dioxygenase，IDO)代谢产生犬尿氨酸(kynurenine，Kyn)，或通过肠道细菌代谢生成吲哚衍生物，如吲哚-3-乙酸。有研究表明，和非肥胖的受试者相比，肥胖或糖尿病受试者中粪便色氨酸代谢向更多Kyn和更少的IAA转变[25]。Kyn通过犬尿氨酸氨基转移酶I和犬尿氨酸氨基转移酶II不可逆的转氨作用生成犬尿喹啉酸(kynurenic acid，Kyna)，有研究证实，在NPDR患者血清中观察到IDO、Kyn、Kyna水平升高，在PDR中观察到更高的水平，而且也有研究证实Kyna参与视网膜的老化和神经变性[26-27]。IFN-γ是IDO的激动剂，在人视网膜中，和非糖尿病患者相比，DR患者IFN-γ表达上调50%，通过免疫组织化学染色发现，来自糖尿病供体的视网膜切片被IDO强烈标记，而且高血糖和炎症因子如IL-1β、TNF-α可增强IDO表达。IDO是Kyn途径的第1个限速酶，其失衡导致氧化应激和内皮细胞凋亡，当糖尿病小鼠缺乏IDO时，可减少细胞毛细血管的形成[28]。

3 治疗

3.1 益生菌补充益生菌干酪乳杆菌Lac-Q14可以改善血糖和胰岛素抵抗，并使产生SCFA的细菌丰度增加，同时增加SCFA浓度和下游GLP-1以及PYY的分泌[29]。通过益生菌的补充可降低LPS浓度、减少巨噬细胞浸润、并促进小鼠ZO-1及胰高血糖素原表达，导致GLP-1、GLP-2分泌增加。最近研究表明，细菌的移位需要在DIO小鼠中激活模式识别受体CD-14、NOD1，然而益生菌可以使CD-14、NOD1的表达减少，从而逆转这种情况[30]。补充益生菌有可能改善胰岛素抵抗、降低LPS水平，增加短链脂肪酸的产生，加强紧密连接，从而减轻或延缓DR进展。

3.2 短链脂肪酸补充丁酸盐的补充可以防止饮食诱导的肥胖和胰岛素抵抗的发生，也可以提高小鼠骨骼肌和棕色脂肪中PGC-1的活性，PGC-1的功能降低和线粒体功能障碍、胰岛素抵抗、2型糖尿病风险相关。有研究表明，补充丁酸钠可以改善T2DM患者进展并降低db/db小鼠的糖化血红蛋白水平[31]。丙戊酸补充通过降低IFN-γ、TNF-α、IL-1β、IL-17mRNA的水平、抑制NF-κB信号通路，减轻大鼠视神经炎症和小胶质细胞的增生[32]。高血糖终止后组蛋白乙酰化是DR进展的主要因素，高血糖激活视网膜内皮细胞HDAC的表达，而丁酸钠可以抑制HDAC的活性。短链脂肪酸有可能通过降低血糖、改善线粒体功能、降低炎症反应，抑制组蛋白去乙酰化，延缓DR的发生发展。

3.3 减重手术减重手术常见类型有：袖状胃切除术、胃旁路术、胃束带术，通过影响微生物的组成、调节胆汁酸的代谢，刺激胃肠激素的分泌，使术后患者代谢改善。DR随着时间的推移逐渐恶化，减重手术可以阻止，甚至有时可逆转DR的发展。一项回顾性研究表明，和常规治疗组相比，接受减重手术的患者发生DR和黄斑变性的风险较低，这可能与DR危险因素(血糖、血脂、血压、体质量、炎症、氧化应激)的改善有关，因此减重手术会产生对DR有利的影响[33]。

3.4 药物治疗二甲双胍作为T2DM的首选治疗药物，是由于其新发现的对糖尿病患者血糖控制之外的微血管和大血管并发症的保护作用。有研究显示，和口服给药相反，静脉给予二甲双胍不能改善葡萄糖代谢，这表明其他器官如胃肠道可能是该药的主要作用部位，二甲双胍促使肠道微生物组学的有利变化，增加细菌产生短链脂肪酸的能力，调节胆汁酸的代谢，促进肠内激素的分泌。二甲双胍可以显著降低ox-LDL诱导的巨噬细胞NLRP3蛋白表达上调和NLRP3炎症小体的活化[34]。和不使用二甲双胍的糖尿病患者相比，使用二甲双胍的患者发生SNPDR/PDR的风险较小，和性别、种族、HbAlc水平无关，并且不会被磺脲类和胰岛素治疗混淆[35]。同样在另一项研究表明，和其他降糖药相比，使用二甲双胍治疗可降低患者青光眼和DR的风险[36]。

肠道微生物组学作为人体共生的重要组成部分，影响着宿主营养状况、能量代谢、炎症反应、免疫调节等。肠道微生物组学与糖尿病、DR密切相关，目前DR以控制临床危险因素为靶点，最终目标是严格控制血糖及血压，但是收效甚微。因此进一步探讨饮食的调整、益生元及益生菌的补充、药物、手术等来纠正肠道微生物组学的失调，减轻炎症反应，可能会为DR的预防和治疗提供新思路、新方向。