肠道菌群与慢性肾脏病机制的研究进展

王逸闻 朱戎

尽管投入了大量的临床和财政资源，慢性肾脏病（CKD）仍然是一个全球性的健康威胁。流行病学研究表明，1990～2017 年全球、全年龄段CKD 患病率增加了29.3%，死亡率增加了41.5%[1]。目前，对于大多数CKD 患者尚无特异性的治疗方法，而一旦错过早期干预，终末期肾病患者最终只有通过肾脏替代疗法才能维持生命，且背负较前显著增加的治疗负担[2]，最终导致医疗系统的治疗压力激增，社会经济负担加重。目前越来越多的研究表明肠道菌群对于CKD 疾病发展有着不可忽视的作用。研究表明，通过益生菌喂养尿毒症大鼠，可以改善肠道菌群，减少肾脏炎症和纤维化[3]。因此，如何通过影响肠道菌群从而控制CKD 发展至关重要。

1 肠道菌群与CKD 机制研究

正常肠上皮屏障可分为3 个部分：物理屏障、免疫屏障和生物屏障[4]，物理屏障由一层连续的肠上皮细胞（IEC）及封闭细胞间隙的紧密连接（TJs）组成。其具有双重功能，可以将病原体从血液循环中分离出来，同时也可以使有益的代谢物和免疫信号通过跨细胞和旁细胞运输双向通过。上皮细胞之间的TJs 防止有害分子的旁路运输，其顶端药物转运器阻止一些分子的运输，同时介导其他分子的主动运输，包括营养物质、维生素和代谢物。由专门的TJs 蛋白形成的孔隙和泄漏途径促进了旁细胞运输，TJs 是一组多蛋白复合体，主要由跨膜蛋白和细胞质蛋白组成。其中跨膜蛋白主要包括密封蛋白和闭合蛋白，细胞质蛋白常见的有闭锁连接蛋白-1、闭锁连接蛋白-2 和闭锁连接蛋白-3。TJs在调节肠黏膜通透性中发挥着重要作用，其只允许离子与小分子物质通过，可有效阻止肠腔细菌、内毒素经旁细胞途径进入血液循环[5]。CKD 患者会出现肠壁水肿和充血、转运时间变慢、代谢性酸中毒，以及饮食纤维的加工减少。这些因素都会改变肠道上皮的TJs，破坏肠道屏障的完整性，导致细菌和细菌成分的易位，引发肠道免疫反应[6]。

有研究揭示了微生物的定植在淋巴组织的形成和随后的免疫系统发育中的作用[7]。肠道微生物群的组成及其代谢活动主要通过上皮细胞顶膜调节的被动和主动溶质跨细胞转运影响黏膜下层的免疫反应[8]。CKD 患者肠道屏障通透性增加，导致微生物群易位，上皮细胞表达模式识别受体（PRRs），并产生影响骨髓细胞和淋巴细胞的趋化因子。黏膜下层的固有淋巴细胞可被刺激产生细胞因子，而黏膜下层的树突状细胞（DCs）往往决定反应是促炎还是抗炎[9]。肠道DCs 通过将突起直接伸入肠腔，探测病原体和病原体释放的因子，跨越肠道上皮进行抗原捕获[10]，从而参与调控从幼稚CD4+T 细胞分化出来的辅助T 细胞（Th）亚群，包括Th1、Th2、Th17 和Treg 细胞，维持Treg/Th17 平衡，形成免疫平衡。Th1 细胞是释放γ 干扰素的炎症细胞，参与对细胞内病原体的免疫，而Th2 细胞主要通过释放白细胞介素-4（IL-4）参与辅助B细胞。CX3CR1+DCs 被认为会导致Th17 细胞的分化，Th17 细胞在宿主防御各种细菌和真菌方面起着关键作用[11]，但在病理条件下，如自身免疫，Th17细胞会加剧炎症[12]。耐受性的CD103+DCs 可能调节Treg 细胞的数量，Treg 抑制效应性T 细胞的功能，因此其对抗炎症反应至关重要[13]。肠道DCs 对Treg 的严格调控协调了获得性免疫反应，从而调节了中性粒细胞的招募和外渗，然而诱导Treg 细胞和Th 细胞亚群的能力只是其功能之一[14]。肠道微生物群通过激活DC 中的增殖诱导配体受体和B 细胞活化因子来促进分泌免疫球蛋白（IgA）浆细胞的分化。sIgA 对肠道微生物有调节作用。然而，CKD 中持续的先天性免疫激活并不意味着更好的宿主防御[15]，相反，其可能通过触发抗炎信号通路的激活而诱发免疫麻痹[16]。与CKD 有关的微生物产物从肠道持续渗出，可能不断激活并随后麻痹从骨髓中进化出来的新的单核细胞和粒细胞，导致CKD 中先天免疫和获得性免疫缺陷的同时激活[17]。

脂多糖（LPS）是一种内毒素，其与巨噬细胞上的受体复合物结合，进一步导致促炎症细胞因子的产生[18]。其诱发的先天免疫依赖于PRRs，能识别因应激、组织损伤或细胞凋亡而释放的损伤相关分子模式（DAMPs）和病原体相关分子模式（PAMPs）[19]，已经确定了几类不同的PRR 家族，其中包括跨膜Toll样受体（TLRs）、C 型凝集素受体（CLRs）、维甲酸诱导基因（RIGs）受体、细胞内Nod 样受体（NLRs），还包括HIN-200 受体。细胞外PAMPs 和DAMPs 由TLRs 和CLRs 识别，而细胞内PAMPs 由NLRs 和RIGs 识别[20]。典型的促炎症信号通路的激活是核因子κB（NF-κB）和激活蛋白-1，主要基于多种介质的刺激，包括促炎症细胞因子，如IL-1 和肿瘤坏死因子α。人类基因组编码了23 个NLR 蛋白，其中带有Caspase 募集结构域的NLR 负责组织炎症体复合物和释放促炎症细胞因子IL-1β 和IL-18。其中与肾脏疾病有关的是Nod 样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3），其由TLR 激活促进，从而触发NF-κB 途径[21]。另外已经提出配体门控离子通道受体通过ATP 激活，使K+外流和细胞内K+减少[22]，K+外流可以触发活性氧（ROS）的产生[23]。ROS 作为重要的二级信使，对NLRP3 炎症小体的激活起着信号作用；NLRP3 激活后通过其半胱天冬酶募集结构域与pro-Caspase-1 结合，导致pro-Caspase-1 裂解，随后pro-IL-1β 和pro-IL-18 裂解为其活性形式。有研究表明了炎小体在肾脏纤维化的作用[24]。NLRP3-/-小鼠在UUO 后表现出较少的肾小管损伤、炎症和纤维化，这突出了NLRP3 炎症体的激活。免疫反应失调和促炎症细胞因子的长期产生导致全身性炎症，可进一步加速CKD 的进展。

2 多胺与短链脂肪酸（SCFAs）

微生物群是一个复杂的群体，对宿主的整体平衡和疾病有着重要贡献。大部分（70%）微生物群居于胃肠道[25]。约有1014个微生物生活在肠道中，比人体细胞的数量多10 倍，而且其共同表达的基因是人类基因组的250～800 倍[26]。Hida 等[2]发表了一项关于CKD 患者肠道菌群组成差异的研究，表明患者潜在致病菌比例更高，如克雷伯氏菌和梭状芽孢杆菌，肠杆菌和肠球菌的数量更高，双歧杆菌的数量更少。肠道菌群释放生物活性代谢物，调节人体健康和疾病发生发展[28]，其中包括多胺、多酚、SCFAs，如丁酸盐、丙酸盐和乙酸盐，以及由微生物发酵未消化的营养物质产生的维生素[29]。多胺是指3 种小型脂肪族胺：腐胺、亚精胺和精胺。肠道微生物代谢产生的多胺来自于精氨酸的分解。精氨酸酶将精氨酸转化为尿素和L-鸟氨酸，再由鸟氨酸脱羧酶进一步代谢为多胺[30]。多胺类物质会抑制促红细胞生成素的活性，这可能会减少直接参与贫血的红细胞前体细胞的增殖，这是慢性肾衰竭患者的主要问题[31]。虽然支持多胺直接毒性的证据有限，但有充分证据表明多胺代谢的中间产物是有毒的。精氨酸和精胺会被代谢成过氧化氢、铵和丙烯醛，这些都是细胞毒素[32]。人体所需热量的10%由SCFAs 提供[33]，研究发现，正常人群的丁酸盐较CKD5 期受试者几乎高3 倍，将从CKD 患者获得的微生物群移植到CKD 大鼠模型，通过增加氧化三甲胺（TMAO）的产生而加速了CKD 的进展[34]。

3 尿毒症滞留溶质（URS）

随着肾功能下降，正常情况下由肾脏清除的分子在CKD 患者体内积滞增多，这些分子统称为URS，其中研究最广泛的URS 是硫酸吲哚酚（IS）、硫酸对甲酚（pCS）和TMAO。CKD 患者肠道微生物菌群失调的一个核心原因是细菌在消化道内通过尿素酶水解尿素，导致肠道内氨的增加和肠道pH 值升高。在CKD 患者中占优势的19 个肠道微生物家族中，63%为编码尿素酶基因[35]。近端结肠管腔pH 值的上升促进了色氨酸酶活性，色氨酸裂解的吲哚在肝脏中被氧化硫酸化，从而形成IS[36]，进一步导致了菌群失调。pCS 是由对甲酚于肝脏中转化而成，CKD 患者体内pCS 比正常人高21 倍[37]。抗性淀粉（RS）是一种促进双歧杆菌和乳酸菌等肠道细菌增殖的益生菌，并通过调节性T 细胞的扩张来缓解炎症。来自动物模型和CKD 患者的研究表明，RS 的补充可以减弱URS 的浓度，包括IS 和pCS，从而减少肾脏炎症和纤维化[38]。同时相关研究提示IS 和pCS 与免疫缺陷状态有关[39]。TMAO是一种肝脏氧化产物，是肠道微生物群通过代谢胆碱、磷脂酰胆碱和L-肉碱产生的三甲胺（TMA）[40]，然后释放的TMA 通过门静脉循环运送到肝脏氧化成TMAO，并最终在体内由肾小管分泌清除，因此，CKD 患者的TMAO 水平明显升高[41]。在一项大型队列研究中发现，CKD 患者的TMAO 水平升高使全因死亡风险增加1.7 倍，并可预测5 年的死亡风险[42]。也有研究表明，即使是基于植物或动物性饮食的短期饮食干预措施，也会迅速改变粪便菌群[43]，同时可以使TMAO 显著降低[44]。

其他URS 包括晚期糖基化终末产物（AGEs）以及马尿酸（HA）。AGEs 与糖尿病和高血糖有关，最近的研究表明，AGEs 可以在氧化应激相关疾病状态下形成，如CKD[45]。AGEs 与晚期糖基化终末产物受体（RAGE）结合并发出信号，通过NF-κB、丝裂原激活蛋白激酶和Jun N 端激酶途径发出信号，启动促炎症细胞因子和黏附分子的转录，导致炎症和氧化压力[46，47]。HA 由苯甲酸和甘氨酸在肝细胞的线粒体基质内形成[48]。HA 能使收缩压升高，从而改变血液动力学，降低肾小球滤过率。此外，HA通过NF-κB 信号诱导纤维化蛋白的产生，造成近端肾小管细胞损伤，随后近端肾小管发生间质纤维化，推进了慢性肾脏疾病的发展[49，50]。

4 抗菌肽对肾脏的保护作用

生物屏障由细菌和真菌共生体组成，是机体防御病原体的第一线，主要由IEC 和Paneth 细胞产生的抗菌肽（AMP）组成[51]。AMP 维持肠道的平衡的方式之一是通过杀死或抑制微生物的生长，包括细菌、古细菌、真菌、酵母和病毒，对AMP 具有较低抗性的病原体突变体会失去致病性[52]。抑制细菌的细胞分裂过程是AMP 的另一种作用方式，已被证明在体内发生。AMP 可以直接干扰分裂机制或细菌细胞周期的调节器，或者可以诱导一种干扰分裂过程的蛋白质[53]。临床已经提出在益生菌疗法中使用产生AMP 的细菌来对抗肠道和其他上皮感染[54]。同时，研究表明，肠道微生物群可以通过与IEC、TLR 的相互作用或刺激IL-22 的产生来调节AMP 的表达[55]。防御素作为一种AMP，其对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌都有影响，在某些情况下对真菌、病毒和原生动物也有影响[56]。相关研究表明，随着潘氏细胞产生更高的防御素，厚壁菌门呈现下降趋势，而拟杆菌门则恰恰相反[57]。表明调节AMP 的表达可以改善患者肠道微生物群平衡。

综上所述，各种因素导致的肠道菌群紊乱是肾脏损伤持续加重的重要因素，而另一方面肾脏损伤也可以引发菌群失调。近年来愈来愈多的研究者以肠道微生物作为切入点治疗CKD。然而，还需要进行更多的对于微生物群及其成分的作用机制研究，从而在制定治疗方案时不会对肠道微生态系统产生负面影响。但是越来越明确的是，恢复菌群的干预措施可以减少肾小管的损伤并改善肾功能，这可能是解决CKD 临床治疗疗效不显著的关键所在。