肠道微环境与糖尿病肾病

杨 柳 综述 谢红浪 审校

目前全球近10%成人患有糖尿病，其中90%为2型糖尿病(T2DM)[1]。约半数T2DM和1/3的1型糖尿病(T1DM)患者并发糖尿病肾病(DKD)[2]。DKD已成为中国慢性肾脏病(CKD)患者进入终末期肾病和导致住院的主要原因[1]。糖尿病及CKD均影响肠黏膜上皮紧密连接蛋白的表达和功能，导致肠壁通透性增加，细菌及其产物从肠腔移位至血液循环，造成DKD患者体内持续低水平炎症，促进心血管疾病发生发展[3]。人体微生物组指人体微生物及其所带基因总和，受基因和外部环境影响而呈现个体差异。人消化道内定植微生物总量高达数百万亿，通常其组成、结构、功能保持稳定，拟杆菌、厚壁菌占比高达90%，其次为放线菌和疣微菌。人体微生物组参与多种生理功能，如合成维生素、降解非消化性植物多糖和草酸等。在下消化道厌氧环境中，细菌酵解多糖产生的短链脂肪酸(SCFA)，如乙酸、丙酸和丁酸等，是维持结肠上皮细胞健康运转的重要营养物质。肠上皮细胞、紧密连接、分泌性黏液和肠壁免疫防御系统共同组成肠黏膜屏障，具有避免细菌及其产物移位的生理功能[4]。

人体微生物利用的营养物质主要是碳水化合物和蛋白质，两者在饮食中所占比例对微生物相对丰度有明显影响。摄入富含非消化性碳水化合物饮食后，肠道菌群分布以糖分解性细菌为主，蛋白质用于促进细菌生长，碳水化合物则为细菌厌氧代谢产能提供底物，其酵解的终末产物包括甲烷、氢气和SCFA。当非消化性碳水化合物摄入不足，蛋白质和其他含氮化合物将被蛋白分解性细菌酵解用以增加能量供给，该过程产生氨、有机胺类、硫醇、酚类和吲哚等有潜在毒性的终末产物[3]。宿主基因型、年龄、肠道及肠外疾病、饮食成分、降糖药、抗生素、营养补充剂和生物活性代谢产物制剂等均可改变人体微生物组的组成、丰度、多样性甚至功能，进而对宿主代谢、免疫产生影响，而微生物组对人体血糖响应和药物代谢的改变尚待深入研究[5]。本文针对肠道微环境对糖代谢及免疫功能的影响、糖尿病对肠道微环境的影响以及干预肠道微环境对DKD的意义进行综述，为DKD个体化治疗提供基础。

肠道微环境对糖代谢的影响

人体微生物代谢产生能量，参与调节体温、生殖、组织生长等能量依赖过程，经多种途径影响宿主代谢，其中最重要方式是产生SCFA和胆酸。乙酸和丙酸是肝脏糖异生和脂肪合成的底物，丁酸是结肠黏膜细胞主要能量来源。SCFA 与G蛋白耦联受体(GPR)结合，作用于免疫细胞，下调炎症水平，促进肠道内分泌细胞分泌胰高血糖素样肽1(GLP-1)和小分子肽段，增强胰岛素敏感性[6-7]。 人体微生物代谢产物异常和多样性下降促进肥胖、糖尿病、高血压、脂代谢紊乱、炎症等DKD始动因素出现。无菌小鼠单纯以高脂饮食喂养能保持体型正常，但植入肥胖患者肠道菌群后逐渐呈现肥胖表型，说明肠道微生物参与调控肥胖发病[8]。肠道微生物影响肠道和胰腺局部自身免疫反应，损坏胰岛组织，在T1DM发病中发挥作用[9]。T1DM患者发病前即出现肠道通透性增加，起病后肠黏膜微绒毛紧密连接改变，zonulin表达水平升高，具有免疫调节功能的FoxP3+CD4+CD25+T细胞数量减少，提示肠道渗漏可能与自身免疫性T1DM疾病进展有关[10]。代谢综合征患者肠道菌群直接代谢产生的肌酸，和间接调控产生的甘油一酸酯、棕榈油酰甘油、十八烯酸单甘油酯等参与造成胰岛素分泌减少和敏感性下降，提高T2DM发生风险，是独立于年龄、吸烟、体质量指数等参数的危险因素[11]。

肠道微环境对免疫功能的影响

肠道微生物改变过氧化物酶体增殖物活化受体(PPARs)及其靶基因的表达，通过产生炎症细胞因子、维持肠黏膜稳定性和完整性、调节免疫细胞，维持肠腔稳态，以利于微生物定植并适应局部环境[12]。肠道细菌紊乱造成硫酸甲苯酚、硫酸吲哚酚、氧化三甲胺、去氧胆酸和石胆酸等促炎介质产生增多，有肾脏保护作用的抗炎神经递质乙酰胆碱生成减少[13-15]。肠道菌群代谢产生的组胺、精胺、牛磺酸可活化炎性小体等，促进白细胞介素18(IL-18)产生，诱导抗微生物蛋白表达，提高天然免疫系统的防御功能[16]。无菌小鼠肠上皮生态存在异常，表现为抗微生物蛋白表达减少、肠相关淋巴组织成熟不良、IgA合成受抑、肠淋巴细胞减少，且T效应细胞失衡[17]。一项芬兰的病例对照研究显示，与健康儿童相比，自身免疫病患儿肠道厚壁菌明显减少、拟杆菌增加[18]。胰岛β细胞自身免疫现象与特异共生菌改变有关，迟发型T1DM个体肠道拟杆菌相对丰度升高[19]。无菌动物T1DM的发病风险高于有菌对照组，而接触产芽孢厌氧菌后T1DM发病风险下降，间接证明某些特异菌种具有预防糖尿病的宿主保护功能[10]。

以高糖、高脂、高热量为特点的西方饮食、酒精、人造甜味剂、微量元素补充剂等可致肠道菌群紊乱，提高肠黏膜通透性和机体炎症水平。高盐饮食明显减少乳酸杆菌和Th17淋巴细胞比例[20]。高脂饮食升高血浆脂多糖(LPS)水平，持续刺激炎症发生，并导致紧密连接闭锁小带-1和闭合蛋白表达减少，使肠壁屏障功能破坏、通透性增加，LPS进入门脉系统加重内毒素血症，促进炎症因子产生[21]。炎症反应在DKD进展中发挥重要作用，慢性炎症状态受Toll样受体(TLR)调节[22]。TLR2首先识别细菌胞壁成分和脂质分子，LPS进一步触发TLR4/白细胞分化抗原14/髓样分化因子2通路，继而活化核转录因子κB，产生IL-1、IL-6、肿瘤坏死因子α等促炎因子，转换细胞间炎症信号，加速DKD进展[23]。SCFA激活肠上皮细胞表面GPR41和GPR43，促进肠道转运，增加饱腹感，起到缓解炎症、刺激YY肽和胰高血糖素样肽1(GLP-1)释放的作用[24]。

糖尿病对肠道微环境的影响

研究表明糖尿病患者肠道微生物组成与健康人不同。宏基因组分析结果显示，T1DM进展过程中，患者肠道拟杆菌/厚壁菌比例逐渐升高，结肠定植菌种数量减少，表明T1DM影响肠道菌群组成[10]。厚壁菌促进肠道吸收和代谢脂肪酸，产LPS的大肠埃希菌数量增多，加重系统性炎症，且合成丁酸能力下降，促进葡萄糖、支链氨基酸膜转运、氧化应激和磷酸盐还原[25]。Piccolo等[26]在T2DM大鼠发病前、发病后2周、3个月及6个月时进行肠道微生物组测序，结果提示T2DM早期肠道菌群以拟杆菌为主，晚期则厚壁菌增加，T2DM晚期拟杆菌及厚壁菌门中共25种细菌、61个基因簇及多种与应激反应、氨基酸、碳水化合物和细胞壁代谢相关酶的表达水平较早期发生明显变化。Qin等[27]对T2DM患者进行宏基因组测序，约3.8%肠道微生物基因与T2DM发病有关，T2DM肠道微生物改变程度低于炎症性肠病。

DKD患者接受的传统营养干预可加重业已存在的肠道菌群紊乱，比如低钾饮食控制蔬菜水果摄入，会造成膳食纤维摄入量不足。低膳食纤维、服用磷结合剂、限制饮水、透析方式、生活习惯、合并糖尿病和心脑血管并发症等因素导致肠道转运时间延长，促进碳水化合物在近端肠道发酵，减少其结肠细菌发酵量[5]。DKD患者由于胃肠动力不足、胃酸分泌减少、小肠细菌过度增殖，易出现蛋白质消化吸收障碍，使结肠蛋白分解性细菌需处理结构完整的蛋白质，其生理功能受到损害[5]。人造甜味剂可改变微生物代谢途径，影响宿主能量稳态，乳化剂促进黏液溶解性细菌增殖，导致黏膜屏障功能障碍[28]。

多种药物通过调节肠道菌群多样性及组成影响DM患者的代谢功能[29-31]。DM患者服用二甲双胍四个月后，肠道80余种细菌丰度发生改变，以变形菌和厚壁菌为主，双歧杆菌丰度明显升高，伴有糖耐量改善，表明二甲双胍可能通过影响肠道菌群发挥降糖作用[29]。二甲双胍、阿卡波糖、利拉鲁肽和西格列汀等能够促进乳酸杆菌、优杆菌、普氏菌等肠道有益细菌生长，其抗炎效应改良患者代谢模式[30]。二甲双胍除直接降糖、改善胰岛素敏感性外，亦促进合成SCFA和降解黏蛋白的细菌生长。靶向代谢组学观察结果表明二甲双胍有升高丙酸、丁酸、乳酸、琥珀酸产量的作用，并造成编码胆盐水解酶的基因富集，血清胆酸浓度明显升高[29]。罗格列酮作为过氧化物酶体增殖活化物受体γ(PPARγ)激动剂不仅逆转高脂饮食所致变形菌减少，还具有下调血浆内毒素和炎症因子水平的作用[30]。新近报道提示服用他汀类药物者肠道致病性拟杆菌Bact2较未服用者明显减少，丁酸盐产量增加，系统性炎症水平下降，整体代谢状态获得改善[31]。

干预肠道微环境对DKD的意义

饮食中加入抗氧化物、膳食纤维、蛋白质、维生素等营养素，形成类似地中海饮食的食物矩阵有助于调节肠道微环境。提高饮食中蔬菜水果占比可促进普氏菌、乳酸杆菌和双歧杆菌生长，对拟杆菌、肠杆菌和梭菌产生抑制[3]。富含支链淀粉饮食通过发酵非消化性碳水化合物调节肠道菌群，能够明显减轻炎症和氧化应激，抑制肾脏纤维化，延缓DKD进展，改善胰岛素抵抗，实现降脂、降压[3]。提高饮食中膳食纤维比例有助于改变个体血糖响应，下调降解黏蛋白性细菌相对丰度，增加肠黏膜屏障厚度，避免细菌移位，减轻全身炎症。GLP-1受体激动剂除改善胰岛功能、降压降脂外，同时有抑制肾小管对钠的重吸收、减轻肾小球囊内压、减少蛋白尿、改善DKD组织学病变、减轻炎症的作用(图1)[24]。

图1 肠道微生物在DKD进展中发挥重要作用[7,16,28]ZO-1:闭锁小带-1；LPS:脂多糖；TLR:Toll样受体；NF-κB:核因子κB；IL-1:白细胞介素1；TNF-α:肿瘤坏死因子α；SCFA:短链脂肪酸；GPR:G蛋白耦联受体；GLP-1:胰高血糖素样肽1；PYY:YY肽；DKD:糖尿病肾病；PPARγ:过氧化物酶体增殖物活化受体γ；双歧杆菌减少、紧密连接ZO-1和闭合蛋白减少导致血浆LPS水平升高，LPS经TLR2/4启动炎症反应，介导NF-κB活化，产生IL-1、IL-6、TNF-α等促炎因子。低糖低钾饮食造成DKD患者SCFA合成减少，促进肠道通透性增加，抑制肠上皮细胞GPR41和GPR43功能，导致GLP-1和PYY释放减少。炎症反应和SCFA减少共同促进DKD进展。二甲双胍促进SCFA合成，罗格列酮激活PPARγ改善肠道菌群紊乱

此外，适当使用益生菌、益生元或SCFA等膳食补充剂均可使DKD患者受益。益生菌直接调整肠道微生物组成，改善机体免疫功能。益生元促进稳定黏膜屏障的细菌生长，减少肠腔酸化造成的致病微生物增殖，协助有益菌种获取营养物质，产生抗微生物蛋白。益生元的疗效具有个体差异，基础肠道菌群多样性较高者对益生元治疗反应更好。补充SCFA可促进胃排空、增强饱腹感、降低肠道通透性，调节肠道激素分泌，对代谢功能有重要影响。以益生菌、益生元、合生素治疗后尿素氮、硫酸甲苯酚和硫酸吲哚酚等含氮化合物代谢产物水平明显下降[32-33]。直接补充乳酸杆菌、双歧杆菌等益生菌可促进产SCFA菌落增殖，调节肝糖原和脂质代谢相关基因表达，减轻氧化应激，改善肠壁屏障功能，减少革兰阴性菌相对丰度[3]。SCFA作为抗炎介质，刺激产生有舒血管效应的GLP-1，起到降血压作用，并通过抑制组蛋白去乙酰化、活化多种GPR,减轻局部和系统性炎症，抑制氧化应激和细胞凋亡，改善肾功能[6]。

在非肥胖糖尿病(NOD)的动物实验发现，葡萄糖球菌核酸酶喂养可下调小鼠肠道和胰岛的中性粒细胞胞外杀伤网络，减轻炎症反应，改善肠壁屏障功能，提高肠道菌群多样性，尤其促进产丁酸盐菌种数量增加[33]。肠道菌群分解食物中糅花单宁产生尿石素，使线粒体和肌肉功能改善，以尿石素处理糖尿病大鼠后心肌细胞表达促炎细胞因子曲动蛋白下降约30%，明显减轻高血糖所致早期炎症反应，心肌微环境改善后心室压增加，等容收缩时间平行减少，表明尿石素诱导心肌细胞收缩、有效恢复心肌钙动力学[34]。NOD鼠口服富含乳杆菌的益生菌制剂使IL-1β表达受抑制，释放吲哚胺2,3-双加氧酶和IL-33等炎性小体成分增多，促进免疫耐受性CD103+树突状细胞分化，减少肠黏膜和胰腺淋巴结Th1和Th17细胞分化扩增[35]。由此可见，干预肠道微环境能够减轻糖尿病并发症，而肠道微环境，尤其人体微生物组在DKD患者个体之间差异明显，以此为靶点的一体化治疗有望延缓疾病进展，人体大数据及动态多组学分析有助于制定和调整治疗方案，为改善DKD结局带来曙光。

小结：肠道微环境对DKD有重要调节作用，能影响宿主糖代谢及免疫功能，糖尿病、肾脏病可改变肠道微生物的组成和功能，饮食、药物通过调控肠道微生态共同影响DKD的发展。益生菌、益生元、SCFA等膳食补充剂以调节肠道菌群的方式，经多重机制使患者受益，有望进一步完善DKD的个性化疗法。