从生态学角度重新认识肠道菌群与肾脏疾病的关系

唐 刚 综述 袁伟杰 审校

人体内、外的微生物是随着人类进化不断发展形成的一种微生物生态系统，其与人类的健康、疾病有着紧密联系。通过16sRNA测序等新技术研究显示，在人的一生中肠道菌群等微生物生态系统是动态变化的[1]。与健康人群相比，肥胖、糖尿病、心血管疾病和肝病患者肠道菌群组成、代谢活性和免疫原性都发生显著改变，并且与疾病的并发症和预后相关[2]。同样这种差异和关系也存在于慢性肾脏病(CKD)患者[3]。探讨种类繁多的肠道菌群与复杂的个体因素之间的关系较为困难,一旦明确这种关系将有助于改变CKD治疗方法及患者预后。然而，基于肠道菌群与宿主相互作用的复杂性，采用单一的菌株靶向干预并不能改善所有CKD患者的预后。

通常可通过生态学方法来了解肠道菌群在人体内形成的生态系统，并观察它们与周围环境的相互作用和动态变化。外部的影响(如饮食或药物)和内部因素(如机体对疾病作出生理及病理生理反应)都能引起CKD患者肠道菌群组成和功能的变化。随着CKD的进展，肠道的生态失调逐渐失去代偿，肠源性毒素的蓄积在加快肾功能下降同时增加了心血管事件发生率和死亡率。而在肠道微生态失调过程中，尿毒症状态下易存活的微生物有着更强的适应能力，并与CKD的发展紧密关联。采用生态学的方法研究人体与肠道菌群之间从互利到竞争的相互作用将有其重要的临床价值。

CKD对肠道菌群的影响

CKD的发生、发展可影响人体组织器官功能，特别是对胃肠道的组织结构、屏障功能和动力学等影响更为显著。CKD伴随着肾小球滤过功能降低，可导致血液中尿素蓄积，并弥散至肠道，经肠道产脲酶和尿酸酶的细菌代谢产生氨，使肠道pH升高，促进菌群紊乱[4]。同时CKD患者长期服用各种药物也可进一步影响肠道内环境，使肠道菌群的种类及数量发生改变。健康状态下，肠道代谢以耗氧为特征的氧化磷酸化为主，由此形成了肠道内低氧环境及以厌氧菌为主的菌群结构特征。厌氧菌在营养物质代谢、支持机体生长方面发挥着重要作用。我们观察发现，与正常人群相比维持性血液透析患者肠道菌群中需氧菌及致病厌氧菌显著增加，而益生菌类的厌氧菌数量则明显减少[5]，表明CKD患者肠道菌群结构已发生特征性变化。

现已明确，不同CKD人群肠道菌群变化也不同。IgA肾病患者由于血清B细胞活化因子(B cell activating factor,BAFF)水平升高，使肠道菌群结构以肠道链球菌、肠杆菌增加和双歧杆菌的减少等变化为主[6]，促进了细菌反应性IgA抗体形成，使血清IgA水平升高，引起肾脏系膜IgA沉积。狼疮性肾炎可使患者肠道菌群中乳酸杆菌数量显著减少，肠黏膜的免疫应答增强，炎症反应加剧，导致Th17和Th19因子水平上升，肠道通透性增加。单纯补充乳酸杆菌就可减少循环中促炎因子白细胞介素6(IL-6)，增加抗炎因子IL-10，达到改善肾功能的目的[7]。

肠道菌群的结构和代谢特征的形成是不同类型肾病、治疗方法及饮食成分等因素综合作用的结果。代谢组学研究表明，CKD患者粪便代谢物，包括酚类、吲哚类、呋喃类、苯类和中链醛等也存在明显变化[8]。有研究表明，CKD中产短链脂肪酸(SCFAs)菌显著降低引起糖酵解向蛋白质降解的生化转变[9]。目前研究大多针对CKD诊断前后某一固定时刻的肠道菌群变化，而CKD是一个长期发展变化的动态过程。生态系统中生物对新环境的适应也是经历多个阶段，在此期间先是表型变化，之后形成基因遗传变化[10]。因此针对CKD需要纵向研究，以更深入地了解疾病进展对肠道菌群变化的影响。一项17例CKD患者持续4个月的随访研究发现，六类菌群的变化与尿毒症毒素的蓄积显著相关[3]。

肠道菌群对CKD机体的影响

肠道屏障功能改变生态系统中各组成部分相互依存、彼此影响。从CKD患者血液中内毒素、细菌DNA水平升高可发现CKD患者肠道屏障功能会随肠道菌群组成和功能的变化而发生改变[11]。Wei等[12]发现饲喂动物含绿色荧光的非致病性大肠杆菌几天后，不仅在血液中，其肝脏中就可培养出绿色荧光大肠杆菌菌落，提示CKD不仅可引起细菌成分移位，整个活菌也可因肠道屏障受损而发生移位现象。双歧杆菌、乳酸杆菌可减轻尿毒症大鼠的肠道炎症也证实，肠道菌群失调是造成肠道屏障功能受损的关键因素。此外，在体内、外实验中均证实，尿素及细菌脲酶介导的分解产物——氨可直接损害肠道屏障功能[13]。动物实验中CKD小鼠出现肠黏膜损害和肠上皮紧密连接蛋白的减少，使用尿素和氨吸附剂后，小鼠肠上皮紧密连接蛋白增加同时肠黏膜损伤得到恢复，此外血液细菌内毒素和炎症标志物水平也显著下降[14]。其他可能导致CKD肠道通透性增加的因素包括交感神兴奋、心力衰竭、心肾综合征和血液透析等，这些因素主要导致肠道充血或低灌注，进而间接损伤肠道屏障功能。上述研究表明，单个生态系统组成成分的改变即可导致生态系统的失衡，如恢复正常组成，生态系统可再次恢复平衡。

心血管系统并发症心血管系统疾病是CKD最重要的并发症和致死原因。多项研究表明，CKD的肠道菌群失调可致使毒性代谢产物增加，加之肾脏清除率降低，终末期肾病(ESRD)患者毒性代谢产物比健康人高出40余倍[15]。加之肠道屏障功能受损，高剂量毒性代谢产物及SCFAs的降低常是诱发CKD患者心血管疾病的主要因素[16]。有报道，肠道屏障功能受损所致病原体移位可引起血液透析患者血流动力学改变，导致周期性的心肌顿挫[17]。CKD可致SCFAs菌降低，因其导致的蛋白水解为主的代谢变化则进一步加剧了氧化三甲胺(TMAO)、硫酸对甲酚和硫酸吲哚酚等毒素蓄积[18]。多数临床研究已证实，这些毒素水平的增加与心血管疾病(包括动脉粥样硬化、心肌梗塞、心力衰竭、心律失常、血栓形成等) 的发病率有关[19]。我们最新总结发现TMAO在心血管系统并发症及CKD进展中的危害较大[20]。

急、慢性肾脏损伤肠道菌群的代谢产物在尿毒症的发生、发展过程中起着重要作用，并可导致肾功能衰竭的其他并发症。急性肾损伤(AKI)和CKD都与尿毒症毒素的蓄积、高血容量以及饮食和药物的改变有关。AKI通常发生在脓毒症或其他严重器官功能障碍状态时，这些病生改变本身就影响了肠道菌群和肠道屏障功能[21]。在肾缺血再灌注损伤的小鼠中，肠道菌群变化可诱导AKI，使用抗生素清除肠道菌群后可减轻无菌性坏死性炎症和AKI的严重程度，而应用健康小鼠的粪菌移植治疗则可完全逆转该病变。当然，补充产SCFAs菌也可降低小鼠缺血后AKI的发生[22]。提示肠道菌群对AKI的不良影响及AKI的严重程度可能与产SCFAs菌的丢失有关。另有研究显示，对腺嘌呤诱导的CKD大鼠饲喂含抗性淀粉的饲料后，可增加肠道菌群中拟杆菌门/厚壁菌门比值，进而减缓肾脏炎症、纤维化和CKD的进展[23]。可见，CKD造成肠道菌群失调和肠道微生物代谢产物的变化是加速CKD的进展的重要原因之一。

免疫炎症反应CKD患者普遍存在轻度炎症状态，肠道是促炎因子的主要来源，肠道菌群及其代谢产物均可参与CKD中的免疫炎症反应。李银辉等[24]动物实验已证实CKD患者超敏C反应蛋白(hs-CRP)和IL-6等炎症指标显著升高。并且炎症状态与血液中毒性代谢产物TMAO水平呈正相关。CKD的其他毒性代谢产物如硫酸吲哚酚、脂多糖(LPS)等都会引起相关的免疫炎症反应，导致活性氧(ROS)、一氧化氮(NO)、前列环素2(COX-2)、肿瘤坏死因子α(TNF-α)、核因子κB(NF-κB)、IL-6等水平升高，这些都直接影响CKD的免疫应答。另有研究进一步发现，淋巴器官中抗原递呈细胞活化和淋巴细胞的扩增等反应均与CKD炎症相关，如采用抗生素清除肠道菌群的方法可使这一过程完全可逆[25]。

治疗选择

研究表明，以肠道微菌群为目标，采用饮食干预或特定菌种补充的治疗方法，可能有助于改善CKD的进展或并发症。补充鼠乳杆菌可预防高盐饮食诱发的高血压，而高纤维饮食和补充SCFAs可调节高血压模型小鼠的血压，并预防心血管事件[26]。由于CKD引起的肠道菌群失调对生理变化的影响各不相同，补充不同菌种其作用效果也不完全一致。例如，乳酸杆菌可降低CKD患者血液中硫酸对甲酚水平，而对硫酸吲哚酚则无明显影响[27]。

为了确定特定的微生物靶点，需要明确单一菌种及其代谢产物对胰岛素抵抗、炎症、内皮功能障碍或高血压等特定病理反应的靶向作用[28]。动物实验中补充益生菌lactis Bi-07可缓解肠道屏障受损和炎症。而另一项研究显示，糖尿病肾病血液透析患者补充乳酸杆菌、干酪乳杆菌和双歧杆菌12周后显著改善了胰岛素抵抗，降低了全身炎症水平[29]。

我们认为饮食干预应该是治疗肠道菌群失调的第一方案。超过190项研究表明，健康的饮食方式与CKD患者较低的死亡率相关[30]。益生元就是一种可刺激有益菌群生长的饮食干预方法。但因个体差异等因素，其疗效仍未明确。α-葡糖苷酶抑制剂阿卡波糖、钠-葡萄糖协同转运子2抑制剂可抑制小肠中碳水化合物吸收，提高大肠中碳水化合物的利用率,从而有助于恢复正常的糖酵解代谢模式[31]。此外，我们之前还报道，果糖能够减轻肾脏炎症反应，促进产SCFAs的微生物生长，抑制CKD的进展[32]。

粪菌移植研究属当前研究热点，且在治疗艰难梭菌感染的疗效方面已经得到肯定，但确保供体粪便长期稳定、安全及寻找合适的供体仍是研究的焦点，并且还需进一步降低由供体粪便所制胶囊在内镜下进行移植及其肠道内运动时所带来的潜在风险[33]。

小结:在稳态条件下，肠道菌群与人体以一种共生的方式相互依存。同所有生态系统一样，菌群结构可随着环境因素(饮食、疾病及药物等)的变化而发生改变，最终达到另一种稳态。CKD患者尿素等毒素的蓄积，酸中毒、药物和饮食等因素的变化都会影响肠道菌群结构及其代谢产物的种类，加重肠道屏障功能障碍，并促进疾病进展。最新研究表明，针对菌群的干预可能有助于改善疾病预后。然而，这还需要明确某些菌种在特定的病理生理变化中所起的作用，否则干预未必起效。从已知肠道菌群对疾病发生、发展过程中的作用来看，针对性的干预菌群，改变生态系统中特定的组成成分可能有利于缓解CKD进程，但具体作用机制及应用价值还需要进一步的探讨。