肠道菌群与糖尿病性肾小球硬化的研究进展

陈慧 鲁一兵

南京医科大学第二附属医院（南京210011）

糖尿病引起肾小球硬化的主要病理生理机制为肾小球内高压力、高灌注、高滤过，从而导致基底膜增厚和系膜基质增多，最终发生肾小球硬化［1］。肠道微生物在人类健康和疾病中具有多效性，近年来引起了人们的广泛关注。肠道菌群通过产生具有生物活性的代谢产物，参与一系列代谢依赖途径，激发多种活性通路，在人体中发挥“微生物器官”的功能。

1 糖尿病肾小球硬化患者肠道菌群改变

人体肠道中拟杆菌门和厚壁菌门占肠道菌群的90%以上［2］，拟杆菌门/厚壁菌门比值的降低与肥胖相关，而肥胖诱导的胰岛素抵抗是2 型糖尿病（T2DM）发病的主要病理生理因素。已有研究表明，梭状芽孢杆菌种与人体葡萄糖、糖化血红蛋白和胰岛素水平呈负相关，而乳酸菌种与葡萄糖、糖化血红蛋白水平呈正相关［3］。VAZIRI 等［4］对终末期肾病患者肠道菌群进行分析，发现厚壁菌门、放线菌门和变形菌门的细菌数量增加，双歧杆菌和乳酸菌数量减少。肠道菌群失调可增加肠道通透性及增强粘膜免疫反应，进而增加糖尿病和胰岛素抵抗的发生风险［5-6］。在糖尿病肾病及终末期肾病患者中发现，肠道细菌代谢产物的分泌及吸收明显增加。在糖尿病肾病鼠肠道菌群中发现，红蝽菌科（coriobacteriaceae）和韦荣球菌科（erysipelotrichaceae）的细菌数量明显增加［7］，这两种细菌与蛋白尿有很强的相关性［8］。韦荣球菌科编码酪氨酸酚基裂解酶（tyrosine phenol-lyase，TPL）［9］，能够催化蛋白质代谢产物L-酪氨酸发生α，β-消去反应，生成丙酮酸、苯酚和氨［10］。苯酚进入肝脏后，发生硫酸酯化反应，合成导硫酸苯酯（PS），加重蛋白尿。当肾脏清除毒素的水平与肠道吸收毒素水平达到平衡时，循环血液中毒素水平明显上升，并且增加糖尿病微血管并发症的发生率。

2 肠道菌群与糖尿病性肾小球硬化发病机制

2.1 肠道代谢产物与糖尿病性肾小球硬化肠道代谢产物如短链脂肪酸（SCFA）、硫化氢（H2S）、吲哚、三甲胺等可能对循环系统稳态、神经和体液调节产生影响［11］，在糖尿病微血管并发症中发挥重要作用。

2.1.1 短链脂肪酸（SCFAs）与糖尿病肾病肠道微环境紊乱的主要标志是肠道细菌碳水化合物发酵减少，进而SCFAs 生成减少。SCFAs 可减轻肾脏组织氧化应激及线粒体合成造成的肾小管损伤［12-13］。SCFAs 包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，可产生和释放活性氧（ROS）以及涉及中性粒细胞吞噬作用的一氧化氮（NO）［14］。其中，ROS 是糖尿病性肾小球硬化的致病因子之一。WANG 等［15］通过将慢性肾病与健康人群肠道菌群进行对比，发现慢性肾病患者肠道拟杆菌较高，而普里沃氏菌较低。同时，慢性肾病患者SCFAs 尤其是丁酸盐明显减少，且血清丁酸盐与生化指标（CR、BUN、eGFR）呈负相关。FELIZARDO［16］对肾病小鼠腹腔注射丁酸盐，不仅显著改善肾小球损伤，减少蛋白尿，还能提高小鼠体内乙酸盐及丙酸盐水平。外源性补充丁酸盐可下调促炎细胞因子（如IL-8）的产生和分泌［17］，并能选择性地增加调节性T 细胞（Treg 细胞）的数量，来阻止大肠炎症细胞的活化减轻炎症反应。因此推测，早期补充丁酸盐可能通过抑制炎症反应来延缓糖尿肾病进展。

2.1.2 硫化氢（H2S）与糖尿病肾病人体中几种厌氧菌（大肠杆菌、肠沙门氏菌、梭菌和产气肠杆菌）均可通过半胱氨酸脱硫酶将半胱氨酸转化为H2S、丙酮酸和氨。肠道菌群也可通过亚硫酸盐的还原作用产生H2S。亚硫酸盐还原酶存在于大肠杆菌、沙门氏菌、肠杆菌、克雷伯菌、芽孢杆菌、葡萄球菌、棒状杆菌和红球菌等多种细菌中［18］。H2S 在调节肾小球滤过率（GFR）、钠吸收、肾素释放及肾髓质氧传感性、抗炎、抗氧化、抗凋亡等方面具有重要作用［19-20］。在2 型糖尿病患者中，血浆H2S 水平低于正常人，这可能与高血糖抑制内源性H2S 生成相关［21-22］。最新研究表明，在糖尿病的动物模型中，H2S 生成酶胱硫醚β合成酶（CBS）和胱硫醚-γ-裂解酶（CSE）合成减少［23］。在糖尿病小鼠模型中高糖引起H2S 水平反应降低导致系膜细胞增殖，进而导致糖尿病性肾小球肥大和肾功能不全，最终引发糖尿病肾病［24］。

2.1.3 吲哚与糖尿病肾病人体摄入蛋白质后，色氨酸在远端结肠经肠道菌群分解为吲哚，吲哚在肝脏中经氧化、磷酸化转化为尿毒素物质——硫酸吲哚酚（indoxyl sulphate，IS）［25］。在糖尿病肾病患者中，血液中IS 水平与肾小球硬化、氧化应激和心/肾纤维化呈正相关［26］。在肾脏近端小管上皮细胞中，IS 抑制细胞增殖、加速细胞老化、促进肾脏纤维化、并激活相关炎症因子的表达，最终加重糖尿病肾病的进展。在粪菌移植治疗克罗恩病的研究中发现［27］，粪菌移植后，克罗恩患者尿液中IS 水平增加，且肠道菌群多样性增加。此外，毛螺菌和瘤胃菌与尿液中高水平的IS 相关，而乳酸杆菌和芽孢杆菌与尿液中低水平IS 相关［28］。因此，推测肠道微环境的改变，间接参与肠道炎症反应，进而使IS 从尿液中排出增加或减少。总的来说，早期干预肠道菌群的改变，增加有益菌，减少IS 在血液中的蓄积，延缓糖尿病肾脏纤维化的进展。

2.1.4 三甲胺与糖尿病肾病在肠道菌群代谢产物中，三甲胺-n-氧化物（TMAO）是慢性肾病重要的危险因素之一［29］。TMAO 浓度升高与动脉粥样硬化、心力衰竭和CKD 患者的长期死亡风险呈正相关［30］。多项研究［31］表明，TMAO 致肾脏微血管病变可能通过以下机制：（1）TMAO 调节胆固醇和甾醇代谢；（2）TMAO 降低肾小球滤过率，损害糖耐量；（3）TMAO 增加动脉血压。TMAO 通过形成泡沫细胞（含脂巨噬细胞）和减少动脉粥样硬化斑块的逆向胆固醇运输来促进动脉粥样硬化形成［32］。同时，在体外实验中，TMAO激活PKC/NF-κB信号通路，正向调控内皮细胞中细胞粘附分子VCAM-1 的表达，导致单核细胞粘附增加，这是动脉粥样硬化的早期特征性改变——泡沫细胞形成［30］。虽然TMAO受体尚未被发现，若能早期阻断TMAO与其受体结合，可为动脉粥样硬化的靶向治疗提供一种新思路。

2.2 RAS 系统与肠道菌群肾素—血管紧张素系统（RAS）的激活与肾小球增大、继发性肾小球硬化、间质成纤维细胞增殖和ECM 沉积有关。人体高糖状态刺激血管紧张素Ⅱ（Ang Ⅱ）生成增多，Ang Ⅱ增加肾小球毛细血管压力及通透性，继而刺激转化因子-β（TGF-β）诱导肾小球系膜基质堆积、抑制基质降解，增加胰岛素抵抗，最终导致糖尿病肾病［33］。Ang Ⅱ通过与位于肾小动脉、肾小球系膜细胞和近端肾小管细胞膜上的Ang Ⅱ型1（AT1R）受体结合，诱导多种因子活性。Ang Ⅱ- AT1R 偶联具有收缩入球和出球小动脉、促进系膜细胞收缩和减少髓质血流量等作用［34］。动物实验［35］已证实肠道微生物群可刺激Ang Ⅱ诱导的血管功能障碍和高血压。目前，血管紧张素转换酶抑制剂（ACEI）和血管紧张素受体阻滞剂（ARB）在糖尿病肾病治疗中的广泛应用，进一步提示Ang Ⅱ是进行性肾损伤的刺激因子。另一方面，肠道菌群代谢产物也能影响RAS 系统。丁酸钠是肠道菌群发酵复杂碳水化合物的代谢产物之一，可减弱Ang 诱导的前肾素受体（PRR）和肾素的表达，从而改善Ang诱导的肾脏损伤［36］。而抑制RAS 系统，能减少尿毒症毒素——硫酸吲哚酚和对甲酚诱导产生的肾纤维化［37］，更进一步说明肠道菌群代谢物对RAS系统的影响。

3 早期识别糖尿病性肾小球硬化高风险患者

肾小球硬化是糖尿病肾病（DKD）主要的病理生理机制之一，是终末期肾病、心血管事件和死亡的主要原因。现阶段，仅根据肾小球滤过率和蛋白尿的测定，很难确定T2DM 患者是否有发展为进行性DKD 的风险。在肾脏中，有机阴离子转运多肽家族（OATP，organic anion transporting polypeptide）参与各种有机阴离子和阳离子转运进入尿液。在小鼠体内，近端小管存在多种OATP 的基因表达产物，但人体中仅有一个OATP，即离子转运载体SLCO4C1［38］。因此，KIKUCHI 等［8］通过构建在近端小管中过表达人类SLCO4C1 的转基因大鼠来模仿人类基因表达，发现SLCO4C1 的底物是硫酸苯酯（phenyl sulfate）。同时，在SLCO4C1 的转基因大鼠中发现，肠道微生物源代谢物苯硫酸盐的水平与微量白蛋白尿病情进展显著相关，抑制苯硫酸盐的产生可以减少糖尿病小鼠的蛋白尿。苯硫酸盐经血液进入肾脏后，具有对足细胞和线粒体的双重毒性，使肾小球基底膜（GBM）增厚，并引起血管周围纤维化炎症，导致蛋白尿增加［8］。若将血苯硫酸盐作为DKD 早期诊断标志物，并早期采取干预措施降低硫酸苯酯水平，将延缓肾脏纤维化进展，但仍需大量临床数据来支持这一观点。

4 益生菌治疗糖尿病肾病

益生菌是指在宿主胃肠环境定植或植入，发挥有益健康作用并具有免疫调节作用的活微生物［39］，主要是细菌菌株——乳酸杆菌或双歧杆菌。DKD 患者肾功能进行性恶化会显著加重肠道菌群失调，对DKD 患者外源性补充益生菌可提升血脂联素水平，改善血糖、血脂代谢［40］，降低尿素氮，改善肾小球滤过率，增加粪便氮排泄［41］，可能降低或减慢糖尿病性肾小球硬化的发生发展。对DM 患者补充益生菌12 周发现空腹血糖、血清胰岛素、胰岛素抵抗、血清甘油三酯水平及低密度脂蛋白受体基因表达明显降低，并且与安慰剂组相比，胰岛素敏感性指数（QUICKI）及高密度脂蛋白（HDL）水平明显升高，但其他脂蛋白水平及具有调节脂肪代谢和调节炎症、免疫以及细胞分化等作用的过氧化物酶体增殖物激活受体-γ（PPAR-γ基因）的表达并未受到影响［42］。现有研究表明，益生菌的摄入可通过在肠内产生SCFAS 并减少过氧化氢自由基的产生来减少炎症因子［43］，从而减轻肾脏炎症和纤维化。但益生菌是否改善心血管疾病发生率及死亡率仍缺乏长期临床研究。

5 总结

目前，虽然肠道菌群与糖尿病肾病的研究越来越多，但肠道菌群失调与糖尿病肾小球硬化或2 型糖尿病之间还没有建立明确的因果关系。本文探讨了肠道微生物群及其代谢物参与糖尿病和心血管并发症的发病机制，对其机制的深入了解将有助于糖尿病患者心血管疾病风险的早期发现和治疗方案的制定，从而降低疾病进展的风险。同时，通过测定肠道菌群代谢产物苯硫酸盐可早期识别糖尿病肾病高风险患者，并延缓糖尿病肾病进展。糖尿病肾病患者补充益生菌，可减轻胰岛素抵抗，减轻肾脏炎症和纤维化水平，为糖尿病提供新的治疗方向。