岩藻多糖对肠道菌群与慢性肾衰竭作用研究进展

黄雅瑜,林米妮,蔡树芸,阎光宇,陈伟珠,张怡评,

(1.福建中医药大学药学院,福建 福州 350108;2.自然资源部第三海洋研究所,海洋生物资源开发利用工程技术创新中心,福建 厦门 361005;3.厦门海洋职业技术学院海洋生物学院,福建 厦门 361100)

岩藻多糖,又名为墨角藻多糖、褐藻糖胶、褐藻多糖硫酸酯,是一类含有硫酸基的水溶性多糖,主要从海带、裙带菜或羊栖菜等褐藻中所提取。由岩藻糖、半乳糖和硫酸酯组成,是一类口服无生物毒性的食源性天然产物[1],具有抗癌[2]、抗氧化[3]、抗凝血、抗炎、免疫调节、降血糖[4]、抗衰老、控制糖尿病和代谢综合征[5]、保护肠道屏障[6]、改善肾功能[7]等多种生物功能活性。

随着现代生活节奏加快,饮食作息不规律以及遗传等影响,出现代谢性疾病的几率上升,包括肥胖、2型糖尿病、心血管疾病等,俨然已成为危害人类健康的主要公共卫生问题。研究证明,人体肠道菌群(GM)通过调节肠道内分泌功能,并对相关代谢疾病起重要作用[8]。随着慢性代谢性疾病如高血压、糖尿病等肾脏伴随性损伤率增加,慢性肾功能衰竭(CRF)发病率逐年上升。据报道,岩藻多糖能够调节GM失调和治疗CRF的作用。同时临床研究表明,GM与CRF存在双向调节[9]。因此,本文主要综述岩藻多糖对GM与CRF的作用,并阐明GM与CRF两者之间相互作用的影响,为岩藻多糖在调节GM治疗CRF方面应用提供理论基础。

1 GM

GM是复杂且种类繁多的微生物群,主要寄居在人体的胃肠道中,其按一定的数量和比例,在一定范围内保持动态平衡。GM依据与宿主关系分为有益菌、有害菌、中性菌3类[10]。研究证明,GM能为宿主提供必要的功能,包括消化、免疫调节和神经元发育、调节肠道内分泌、调节药物作用和代谢[11],其结构功能的异常也被认为是导致代谢相关疾病的因素之一。若GM失调则会引起肥胖、2型糖尿病[12]、慢性肾脏疾病等代谢相关疾病[13]。最新研究显示,调节GM作为靶向治疗方式来治疗相关代谢性疾病已成为目前研究的新靶点[14]。

2 CRF

CRF是由机体代谢异常等多因素诱导引起的肾脏损害并进行性恶化,破坏机体在代谢、排泄、调节水、电解质平衡、酸碱平衡等内稳态,后期并发肾功能部分或全部丧失的一种病理状态[15]。目前,主要通过血液透析和腹膜透析进行CRF的救治,但CRF患者因体内存在持续的微炎症和氧化应激的状态,导致机体的抗氧化能力以及GM失调,从而加速肾脏衰竭的进程[16]。

3 GM与CRF相互作用

3.1 CRF对GM的作用

3.1.1 破坏肠道屏障功能CRF患者由于血液透析、药物服用、饮食结构调整等原因促使肠屏障受损,是促进CRF进程、炎症感染等并发症的重要原因[17]。肠屏障功能的破坏使内毒素和细菌代谢物移位,从而导致尿毒症毒性、炎症和慢性肾脏疾病的进展[18]。动物实验中,尿毒症组表现为肠组织病理学的改变,黏膜层有大量的炎性细胞浸润、细菌移位、血清炎症介质、肠上皮细胞紧密连接蛋白occludin、claudin-1和JAM-1表达下降,肠道屏障受损,表明可能是尿毒症引发微炎症状态的机制之一[19]。CRF患者会出现GM失调并伴随血浆中促炎细胞因子和趋化因子的浓度持续升高,通过激活核因子-κB(NF-κB)和促进氧化脂蛋白、糖氧化产物形成氧化应激引发炎症破坏肠屏障功能[20]。

3.1.2 加剧肠源性尿毒症毒素蓄积CRF患者由于肾脏对于尿素、草酸盐等物质吸收代谢能力下降,主要转移至结肠代替肾脏完成以上物质吸收,形成大量含氮化合物,其中蛋白结合类毒素无法通过血液透析清除,其中包括硫酸吲哚酚(IS)、硫酸对甲酚(PCS)、氧化三甲胺(TMAO)为主要肾毒性代谢物[21]。CRF进程促使GM失调已成为尿毒症毒素产生的主要原因。由于CRF对蛋白结合类毒素排泄减少,肠源性尿毒素积聚,致使IS和PCS在CRF患者的血清中有显著的增加,诱导心血管疾病并发慢性肾病[22]。有研究显示,IS、PCS在肠道内蓄积能够激活巨噬细胞,上调炎症因子及氧自由基,致使肠屏障炎症持续至全身反应,并发多器官功能障碍,CRF进程加速[23]。

3.2 GM对CRF的作用

3.2.1 急性肾损伤急性肾损伤(AKI)是由多种病因引起的肾功能损伤,以氧化应激、炎症、纤维化、细胞凋亡、线粒体功能障碍等为特征,与GM失调相互作用,相互影响。近年来,通过基因组学、代谢组学技术阐明GM失调引起的肠黏膜屏障破坏、细菌代谢物移位被认为是整个“肠-肾轴”的最核心环节。肾缺血再灌注损伤是AKI的主要原因。研究表明肾缺血再灌注损伤前后GM组成存在显著差异,与GM失调致使肠源性尿毒症毒素进入血液,损害肾小管细胞加速肾损伤有关[24]。AKI因伴有GM失调,肠屏障功能受损通透性增加,细菌和毒素从肠腔转移到肠系膜淋巴和体循环,致使脓毒症AKI细胞凋亡,使代谢转向有氧糖酵解[25]。因此,有效的调节GM对AKI的治疗和预测具有重要意义。

3.2.2 免疫炎症反应肠道是人体最重要的免疫器官。肠道微生物群和肠黏膜免疫细胞不仅在肠道炎症性疾病中发挥作用,而且还控制着肠外器官的免疫应答。先天性免疫应答反应的过度激活,对急性肾损伤的肠道发病机制中起着重要作用。因此,肠道微生物群和肠黏膜免疫细胞可能影响CRF的预后。CRF患者普遍存在炎症反应,而GM是产生促炎因子的主要来源,其中GM及其微生物代谢产物与CRF共同参与免疫炎症反应。实验中,免疫缺陷小鼠的血清细菌内毒素水平显著升高,结果表明GM失调、肠黏膜屏障受损和细菌移位是CRF患者全身炎症的主要原因[26]。GM失调伴随肠源性尿毒症毒素蓄积,通过增加氧化应激和免疫炎症反应,降低内皮细胞活力,使内皮功能受损,促使肾脏炎症和纤维化,从而加重肾损伤[27]。

3.2.3 心血管疾病心血管疾病是CRF患者高发病率和高死亡率的主要原因之一。CRF患者因肠道屏障功能受损、细菌移位使血液透析患者血流动力学改变,引起血管内皮细胞功能障碍,诱发心血管疾病[28]。研究认为肠源性尿毒症毒素如IS、PCS、TMAO是诱发血管动脉粥样硬化、心力衰竭的主要原因。其中PCS、IS通过多种信号通路介导心脏毒性和血管炎症,引发血管钙化和心肌纤维化。多数临床试验已证实,TMAO与心血管疾病、肾病、2型糖尿病等多种疾病密切相关。其中高剂量的TMAO可能通过诱导血管氧化应激和炎症来减少NO的产生,导致血管内皮功能障碍和心血管疾病,引起血管炎症和心肌纤维化,从而加重心血管疾病[29]。因此,肠源性尿毒症毒素对加速心血管疾病及其CRF等其他代谢并发症的发病机理中起着核心作用。

4 岩藻多糖对GM与CRF的作用

4.1 对GM的作用

4.1.1 维持GM与宿主共生正常情况下GM通过调节代谢、上皮屏障完整性、免疫系统发育和功能来维持宿主健康。因此,GM一旦失调则会诱发宿主一系列代谢疾病。经临床研究证实,岩藻多糖能够有效地调节宿主GM的数量,平衡内环境稳态。研究发现,岩藻多糖能够增加Balb/c小鼠肠道有益菌丰度,降低有害菌的丰度,缓解高脂饮食小鼠血脂异常[30]。短链脂肪酸(SCFAs)具有抗炎和抑制组蛋白去乙酰化酶的特性,在肾脏中表现为抗纤维化、抗炎和免疫抑制作用。研究发现,岩藻多糖能够增加GM的多样性和丰度,提高SCFAs产生,为肠上皮细胞提供能量来源,从而维持宿主肠道和免疫的稳态[31]。此外,岩藻多糖能够为肠道微生物提供碳源,调节肠道微生物与宿主共生,维持GM平衡,对肠炎等相关疾病具有调节作用。

4.1.2 保护肠道屏障受损岩藻多糖能够作为GM优质的食物基质来源和益生元,对肠道屏障等各方面具有保护作用。研究发现,岩藻多糖能够刺激肠蠕动,提高肠道绒毛高度和隐窝深度的比值,使小肠组织形态发生改变,增加肠上皮细胞紧密连接蛋白表达,一定程度修复肠黏膜屏障。此外,岩藻多糖具有双向免疫作用,表现为免疫增强和免疫抑制,通过抑制巨噬细胞分泌炎症因子,增强肠道免疫屏障功能,提高机体抗炎作用;通过促进分泌型免疫球蛋白A分泌,减少与肠道炎症相关的细胞因子,从而改善对肠道免疫屏障的损伤[32]。此外,岩藻多糖能够为肠道提供营养所需的基质,增加SCFAs的产生,从而降低肠道pH值抑制脂多糖诱导的促炎介质的分泌,调控炎症因子的表达[33]。

4.2 对CRF的作用目前用于治疗CRF的方法和药物受副作用限制,无生物毒性的天然产物成为研究治疗的新方向。多项临床试验证明,岩藻多糖能够有效调节肾脏疾病的多种病理危险因素,包括炎症、氧化应激和纤维化;预防急性肾损伤、肾纤维化、糖尿病肾病等多种肾脏问题;有效改变肾脏疾病的危险因素如:动脉粥样硬化、血脂异常、高血压;显著改善CRF患者的生存质量,延缓肾衰进程,提高肾脏生理功能。

机体的氧化应激反应是CRF进程加速的关键因素,由于CRF患者体内有大量的氧化物堆积,使得氧化应激反应再次发生,该过程中所产生的活性氧自由基会损害肾的排泄功能和调节机制。研究表明,低分子量的岩藻多糖通过抑制大鼠肾近端血管上皮细胞中的白蛋白连接诱导的氧化应激表达,降低丙二醛的水平;降低脂多糖诱导的巨噬细胞中的炎症因子、TNF-α、IL-1β,并增加抗炎因子如IL-10和干扰素γ,从而防止氧化应激和降低脂质过氧化,保护肾损伤[34]。此外,岩藻多糖还是一种强吸附剂,能够吸附体内的毒性物质,清除草酸钙所致的肾损伤,从而增加肾血流量,提高机体免疫抑制的作用,修复受损细胞[35]。临床证明各种原发、继发肾小球疾病、肾纤维化是导致CRF的主要原因。研究发现,岩藻多糖能够通过降低肌酐和尿素氮,增加肌酐清除率,可显著预防肾缺血再灌注损伤和肾小管间质损伤;通过抑制NF-κB来抑制转化生长因子β1的促纤维化途径,从而减轻肾纤维化;通过激活Nrf2/Ho-1信号通路的表达,减少氧化应激,提高内皮功能,缓解肾纤维化,恢复肾功能起到保护作用[36]。

随着岩藻多糖深入研究,临床治疗中常用海昆肾喜胶囊治疗CRF,其主要活性成分为岩藻多糖。经临床实验证明,其具有显著的缓解CRF的疗效,主要作用机制是通过增强利尿、促进代谢平衡改善血脂代谢等作用,并清除活性氧自由基,保护内皮细胞,避免肾脏损伤[37]。因此,岩藻多糖对于治疗CRF具有显著的临床意义,与其改善机体氧化应激、提高内皮功能、调节脂代谢有关。

4.3 岩藻多糖通过干预GM治疗CRFGM与CRF之间具有双向作用,良好稳定的肠道内环境是进一步缓解CRF进程的一个新治疗手段。CRF患者进行替代疗法无法进行一并清除的尿毒症毒素转移至结肠排泄、持续的氧化应激使机体免疫抑制。同样,GM致使一系列炎症反应、肠屏障受损、细菌移位等加速CRF的进程。因此,通过调节GM来干预CRF进程成为一个潜在的治疗靶点,经临床研究表明,岩藻多糖具有潜在的干预GM治疗CRF的功效。

据研究报道,CRF患者在进行环磷酰胺治疗过程容易引发GM失调、肠黏膜屏障受损、细菌移位。动物实验中,环磷酰胺诱导肠黏膜受损小鼠模型中,不同分子量的岩藻多糖具有肠道保护作用,能够显著增加肠绒毛长度和隐窝深度比率,并改善Th1/Th2免疫平衡IFN-γ/IL-4的比率,可作为一种潜在的功能性膳食补充剂[38],主要作用机制表现为通过改善GM微生态,从而减缓肾损伤。SCFAs能够起到抗肾纤维化、抗炎和免疫抑制作用。岩藻多糖能在属水平上增加SCFAs的丰度,SCFAs在维持肠上皮细胞的完整性,并通过改善线粒体膜的通透性和凋亡的功效,抑制细胞增殖,从而修复肾上皮细胞的缺氧损伤,为肠上皮细胞提供能量调节炎症途径以实现抗炎作用,同时也可以减轻环磷酰胺诱导的肠黏膜屏障损伤。心血管系统是CRF潜在的危险因素,同样SCFAs也能通过调节糖脂稳态、降血压等对其进行干预[39]。研究显示,岩藻多糖可通过介导共生菌群的组成变化,有益的影响宿主的肠道条件,显著增加菌群多样性,抑制有害菌增殖,降低结肠上皮细胞的通透性,及中性粒细胞和促炎巨噬细胞浸润的影响,从而减轻AKI的严重程度,诱导免疫调节,帮助保护肾脏[40]。此外,由于CRF患者体内活性氧自由基的增加,促使氧化应激破坏肠道屏障。岩藻多糖能够呈剂量依赖性下调巨噬细胞中的TNF-α、IL-β和IL-6,从而提高抗氧化酶活性,保护肠道免受氧化应激的损伤,抵御肠源性尿毒症毒素的跨膜移位[41]。

因此,岩藻多糖主要通过增加SCFAs的产生、抵抗氧化应激、增加有益菌的定植、调节菌群丰度等对肠道进行有益调节,从而避免CRF破坏GM微生态。

5 结语与展望

综上所述,岩藻多糖具有天然的微生态调节能力。一方面,岩藻多糖能够靶向的提高肠道中有益菌的比值和数量,抑制有害菌的增殖,保护肠道修复肠屏障受损,维持肠道与宿主共生;另一方面,岩藻多糖经人体消化、分解,最终形成其他具有生物活性的物质并发挥特殊的生物学功能。

目前研究表明,CRF与GM之间具有双向调节作用。因此,通过干预GM治疗CRF是潜在的新靶点。岩藻多糖的低毒性和抗氧化特性使其成为一种天然的治疗药物或辅助药物。在对CRF和GM失调均表现出显著的调节能力,可作为一种潜在的功能性膳食补充剂。但对于岩藻多糖干预GM治疗CRF的研究,仅限于对GM的活性验证和菌属比例来判断GM的调节功能,缺乏对影响宿主整体的作用机制研究。其次,岩藻多糖对调节GM的物质结构基础治疗CRF尚不明确。因此,未来需开展更多有关岩藻多糖对GM进入人体肠道内的代谢方式和代谢产物作用的研究,进一步明确岩藻多糖的活性成分干预GM治疗CRF的作用机制,阐明岩藻多糖对GM和CRF三者之间的构效关系。