文章来源：中华内分泌代谢杂志,2023,39(10)：899-904. 作者：郑楠 邓欣如 汤莎莎 袁慧娟
近年来，随着糖尿病患病率的持续攀升，糖尿病并发症的人数也将达到前所未有的规模。糖尿病迁延日久易引起肾脏损伤，进而发展至糖尿病肾脏疾病(diabetic kidney disease，DKD)，其发病机制不明确、治疗效果未达预期，给患者的生存和生活质量带来了极大的困扰。目前越来越多的研究集中在延缓肾脏的病变进程，近年来肠-肾轴理论进入DKD领域并带来全新的治疗理念及方案。本文就肠-肾轴理论探讨肠道菌群与DKD相互作用的机制，为DKD的诊断和治疗提供理论依据。 DKD是糖尿病严重的微血管并发症之一，约30%~40%的糖尿病患者患有DKD，约50%的DKD可进展为终末期肾脏疾病(end stage renal disease，ESRD)[ 1 ]。DKD是血糖升高引起的慢性肾功能丧失，一般认为是高血糖所致糖基化终末产物、葡萄糖转运蛋白1(glucose transporter 1，GLUT1)等产生过多，导致机体多种病理生理障碍，包括高血压、足细胞损伤、炎症反应、自噬功能受损等，导致肾小球毛细血管病变，促使进行性肾小球硬化和肾小管纤维化，不能有效过滤血液，肾小球滤过率(glomerular filtration rate, GFR)下降，从而造成肾脏结构和功能的进行性改变[ 2 , 3 ]。 肠道菌群在生理和疾病状态中都发挥着重要作用，可以抵御病原体、提供营养物质，也可以损害免疫和代谢系统的稳态，与肥胖、炎症性肠病、糖尿病及其并发症等多种疾病相关[ 4 ]。由于肠道微生物生态失调，绒毛长度和杯状细胞数量减少，破坏细胞紧密连接蛋白，肠壁纤维化增加，导致微生物和毒素泄漏到血液中，这可能与DKD发病相关[ 5 ]。 对糖尿病引起早期DKD的研究表明，肠道菌群和血清代谢产物的差异取决于蛋白尿水平[ 6 ]。与对照组相比，DKD患者肠道菌群中疣微菌门(Verrucomicrobia)、变形菌门(Proteobacteria)和梭杆菌门(Fusobacteria)的相对丰度增加，内毒素的浓度更高，炎症细胞因子积累更多[ 7 ]。Tao等[ 8 ]研究发现DKD患者的肠道菌群组成与糖尿病患者和健康对照者不同，通过检测粪便中埃希氏-志贺氏菌属和普雷沃菌属的水平可区分糖尿病和DKD。高水平的炎性多糖如葡萄糖甘聚糖诱导炎性细胞因子产生，这是活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)定植到肠道导致DKD的一个指标[ 9 ]。与对照小鼠相比，db/db小鼠(早期2型DKD遗传模型)肠道菌群中厚壁菌门/拟杆菌门的比例相对增加，拟杆菌属、另枝菌属和副拟杆菌属的丰度降低，同时肾组织显示了一系列与DKD相关的肾脏指标变化(包括肾小球肥大、毛细血管基底膜增厚和系膜基质扩张)；以往研究显示，拟杆菌属、另枝菌属和副拟杆菌属与抗炎因子显著相关[ 10 ]。无菌小鼠接受来自患有重度蛋白尿(severe proteinuria, SP)和轻度蛋白尿(mild proteinuria, MP)的DKD小鼠的粪便菌群移植(faecal microbiota transplantation, FMT)后，FMT-SP小鼠出现比FMT-MP小鼠更严重的蛋白尿表现。在DKD中，由于肾脏功能下降，尿素增加，刺激肠道微生物产生毒素等代谢产物，导致肠上皮屏障的改变[ 11 ]。以上结果表明肠道菌群与DKD发展相关，肠道微生物组的差异可能是调节肾功能改变的关键因素之一，因此可能成为延缓DKD进展的潜在标靶。
二、肠道菌群参与DKD的可能机制
(一)脂多糖(lipopolysaccharide) 脂多糖是革兰氏阴性菌细胞壁外膜中的重要组成成分，也被称为内毒素。脂多糖刺激免疫系统的细胞，特别是巨噬细胞和内皮细胞，被激活并合成和分泌各种引起炎症反应的效应分子[ 12 ]。糖尿病患者血液中的脂多糖增加，导致全身炎症、胰岛素抵抗、肾功能不全和尿毒症毒素生成增加[ 13 ]。 1．Toll样受体(Toll-like receptors, TLR)： TLR是种系编码的先天免疫受体，研究发现DKD患者肾组织中TLR2和TLR4表达上调[ 14 ]。DKD患者肠道菌群紊乱时，革兰氏阴性菌过度生长，伴随脂多糖水平升高，通过与TLR2和TLR4结合参与炎症反应，激活NF-κB信号通路，激发炎症因子[肿瘤坏死因子α(TNF-α)、转化生长因子β(TGF-β)、白细胞介素(IL)-1、IL-6]等产生，诱发肾小球硬化和肾小管间质纤维化，导致肾脏损伤加重[ 15 ]。研究发现，缺乏TLR2的小鼠炎性细胞因子表达下降，胰岛素敏感性增加和葡萄糖清除加快。TLR2缺乏可通过减少蛋白尿、足细胞损伤、巨噬细胞浸润和炎症介质的产生来保护肾脏[ 16 ]。一项临床研究首次确定了TLR4在人类糖尿病肾脏组织中的过度表达，阻断TLR4受体基因表达，可抑制由脂多糖诱导的炎性反应和胰岛素抵抗[ 17 ]。此外，DKD早期肾小球TLR4表达上调可导致IL-17和尿白蛋白水平升高，IL-17可促进细菌移位，使催产杆菌等有害菌进入血液循环，加重炎症反应，诱发DKD肾损伤。 2．细胞凋亡： 长期用脂多糖干预小鼠会导致代谢性内毒素血症，导致全身炎症和糖尿病发病增加，脂多糖还能诱导小鼠蛋白尿发生[ 18 ]。脂多糖可降低3-磷酸肌醇依赖性激酶-1(phosphoinositide-dependent protein kinase-1, PDK1)的表达，刺激促凋亡p38丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路，诱导细胞凋亡，加速DKD的发展[ 19 ]。与PDK1在人体内肾脏中的保护作用一致，研究发现PDK1在肥胖大鼠的肾小球中表达下调；与早期人类DKD发展相似，在大鼠出现显著蛋白尿或肾小球细胞凋亡之前就已经处于DKD早期阶段。在尚未出现DKD的2型糖尿病患者肾小球中也发现PDK1下调[ 20 ]。这些数据表明，PDK1的下调可导致足细胞损伤，因此可能参与DKD的发展。 (二)肠源性毒素 1．志贺样毒素： 肠道微生物产生的有毒代谢物会通过NADPH途径刺激活性氧类(reactive oxygen species, ROS)的产生，诱发炎症反应，导致蛋白尿和足细胞损伤，破坏肾脏组织。研究发现，DKD患者的粪便样本中志贺氏杆菌的丰度增加，大肠杆菌-志贺氏杆菌可以穿透肠道屏障，加重肠漏，这可能是糖尿病患者形成慢性炎症状态的原因之一[ 21 ]。大肠杆菌通过产生一种或多种志贺样毒素来损害肾脏中的肾小球内皮细胞和肾小管上皮细胞[ 22 ]。 2．尿毒症毒素： Mosterd等[ 23 ]研究表明，DKD患者的肠道菌群结构破坏，产生大量尿毒症毒素，如对甲酚硫酸盐(p-cresol sulfate, PCS)、吲哚硫酸盐(indole sulfate, IS)、苯基硫酸盐(phenyl sulfate, PS)和三甲胺N-氧化物(Trimethylamine N-oxide, TMAO)等，导致肠黏膜屏障受损，并随血液循环进入肾脏，损害肾小管细胞导致肾小球恶化，进而造成肾脏损伤，促进肾脏疾病的发展。研究表明，高水平的PCS可能导致胰岛素抵抗和肾小管间质纤维化[ 23 ]。IS诱导肾小管细胞凋亡和坏死，受损的肾小管上皮细胞过度产生TGF-β 1，诱导肌成纤维细胞促进肾纤维化。Kikuchi等[ 24 ]发现，PS是肠道菌群衍生的一种肠源性尿毒症毒素，通常在肾功能衰竭患者中检测到并导致蛋白尿的发生，被视为DKD疾病进展的标志物之一。Li等[ 25 ]在DKD小鼠模型中探索了肠道菌群(包括异芽孢杆菌、厌氧菌和布劳特氏菌等)参与调节肾功能的机制，厌氧菌与体内TMAO增加有关，TMAO水平升高会促进肾脏氧化应激和炎症，随后导致肾间质纤维化和功能障碍。 (三)短链脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA) SCFA属于双歧杆菌、乳酸菌等益生菌重要代谢产物，在被G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptors, GPCPs，包括GPR41、GPR43、GPR109A和Olf78等)摄取后到达远处组织，如肝脏、脂肪组织和肾脏等。作为肠道菌群的主要SCFA产物，乙酸盐对肠道内部环境具有复杂的影响。据报道，在无菌小鼠的血液中几乎检测不到乙酸盐，而高脂饮食喂养小鼠的乙酸盐含量显著增加，表明乙酸盐可能是肠道菌群活性的潜在指标[ 26 ]。 1．SCFA-Olfr78： Olfr78在肾小球旁器官和小阻力血管的平滑肌细胞中表达，其人类直系同源物(hOR51E2)在人类肾脏、心脏和骨骼肌等多种组织中表达[ 27 ]。Pluznick等[ 27 ]发现，肠道来源的乙酸可被肾小动脉表达的相应受体(如Olfr78)接受，激活肾素-血管紧张素系统(renin-angiotensin system, RAS)，导致肾血管收缩、肾间质纤维化和肾小球高血压。作为一种缺氧传感器，Olfr78在肾素分泌和血压调节中发挥作用[ 28 ]。此外，血管紧张素Ⅱ(Angiotensin, Ang Ⅱ)促进足细胞和肾小球内皮细胞的形态变化，促进细胞外基质的沉积，促进炎症因子和促纤维化趋化因子的分泌，加速DKD进展[ 29 ]。 2．SCFA-GPR43-胆固醇： DKD的临床研究和实验模型表明，肾脏中的胆固醇积累与肾小球硬化的发展相关；过多的胆固醇积聚在足细胞中可能会导致脂毒性，如内质网应激、溶酶体损伤和线粒体功能破坏，从而进一步恶化代谢紊乱和DKD的发展[ 30 ]。Hu等[ 30 ]发现大鼠血清乙酸水平与肾脏胆固醇含量之间存在正相关，且体外实验表明，用乙酸盐刺激人肾脏细胞可提高GPR43的表达，破坏胆固醇稳态，GPR43 siRNA治疗显著减少了乙酸诱导的脂质积聚，同时伴随着相应的低密度脂蛋白受体(LDLR)、羟甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)、白细胞分化抗原36(CD36)和趋化因子CXC配体16(CXCL16)表达的下调[ 31 ]。这些结果表明，肠道菌群可能通过激活乙酸盐/GPR43信号通路来破坏胆固醇稳态。因此，肠道菌群产生的乙酸盐通过激活GPR43介导胆固醇稳态失调，导致DKD的肾小管间质损伤，减弱肾脏保护作用。 (四)胆汁酸(bile acid, BA) 初级胆汁酸由肝脏中的胆固醇转化，进入肠道，被肠道菌群转化为次级胆汁酸。次级胆汁酸可与其受体如法尼醇X受体(farnesoid X receptor, FXR)和TGR5结合，可以通过减少足细胞损伤和系膜扩张来改善DKD，并在预防DKD进展方面显示出潜在的治疗潜力。此外，血浆中胆汁酸的积聚通过产生氧自由基和促进炎性因子释放而损害肾小管细胞膜，导致肾功能损害的进展[ 22 ]。 1．BA-FXR： 糖尿病患者的FXR表达降低；糖尿病动物模型中，FXR及其靶基因在肾脏中表达下调，糖尿病FXR缺乏小鼠表现出严重的肾损伤、白蛋白尿以及肾小球和肾小管间质的各种结构变化[ 32 ]。FXR的激活降低了脂肪生成和肝脏糖异生，并通过产生抗菌肽抑制细菌过度生长和移位[ 33 ]。补充FXR激动剂，如牛磺熊去氧胆酸，已被证明可以减轻db/db小鼠的肾小球和肾小管损伤，改善肾脏的功能和结构变化[ 34 ]。 2．BA-TGR5： TGR5的表达和活性在患有肥胖症和糖尿病的人类和动物的肾脏中受损[ 35 ]。研究表明，DKD患者肾脏标本表达的TGR5 mRNA水平和与疾病进展相关的蛋白质水平显著降低，TGR5的激活可减少肾脏炎症、氧化应激和纤维化。TGR5特异性激动剂INT-777降低了糖尿病小鼠肾脏中的氧化应激和脂质积聚，减少了蛋白尿，并改善了肾足细胞损伤和系膜扩张[ 35 ]。Ding等[ 36 ]发现TGR5信号的激活诱导胰升糖素样肽1(GLP-1)的肠内释放，刺激胰岛素分泌以缓解糖代谢紊乱。因此TGR5在调节肾脏炎症和纤维化中发挥重要作用。 (五)线粒体抗病毒信号蛋白(mitochondrial antiviral signaling protein, MAVS) 肠道微生物组在维护免疫内稳态中起着重要作用，可能会影响远距离免疫反应。据报道，高血糖与肠道上皮屏障的改变有关，肠道屏障功能受损会导致某些疾病的病理过程[ 37 ]。MAVS是维甲酸诱导基因Ⅰ样受体(RLRs)的配体，是先天免疫的组成部分，在抗病毒天然免疫中起着核心作用。越来越多的证据表明，MAVS信号有助于调节肠道通透性。在某些疾病中，MAVS缺乏会导致肠道菌群组成的改变和肠道通透性的增加[ 38 ]。 一项研究观察到MAVS在肾小管中表达最为显著，在糖尿病肾脏组织中表达增加[ 38 ]。在MAVS基因敲除的糖尿病小鼠中发现肾小球损伤面积增加、蛋白尿水平升高、足细胞标志物数量减少，表明MAVS信号通路具有肾脏保护作用。此外，在MAVS缺陷条件下，IL-17的含量增加，而促炎细胞因子可控制紧密连接结构，加速肠道屏障的损伤，促进全身肠道细菌移位和炎症反应增加[ 39 ]。因此，MAVS对肾脏的保护作用可能是通过维持肠道完整性、减少肠道细菌移位和IL-17主导的炎症状态，通过MAVS信号控制肠道稳态可能是DKD一个新的治疗靶点。 (六)其他代谢产物 组氨酸代谢增加的丙酸咪唑可通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1(mTORC1)途径导致胰岛素受体底物降解，从而阻断胰岛素信号转导，导致胰岛素抵抗[ 40 ]。已经证明丙酸咪唑与全身炎症密切相关，DKD患者的组氨酸代谢活跃可能归因于丙酸咪唑的产生，从而促进DKD的进展。一项关于DKD的研究表明，异常微生物群落产生的有毒代谢物通过阻碍免疫系统降解毒素物质的能力，加速了DKD的损伤。在DKD病理状态下，病原体和抗体形成的免疫复合物沉积在肾小球内刺激补体活化，通过免疫细胞的募集加速肾损伤[ 41 ]。以上机制总结如 图1 所示。 
图1 肠道菌群影响糖尿病肾脏疾病的可能机制
三、以肠道菌群为靶点治疗DKD的潜在措施
控制肠道菌群可以提供额外的治疗来预防或治疗2型糖尿病和DKD。迄今为止，仍缺乏肠道菌群与DKD之间的临床干预试验，需进一步的大量研究确定以肠道菌群为靶点治疗DKD的潜在策略。 1．益生元： 益生元是食物中不易消化的有益成分，选择性地刺激一种或几种细菌的生长，对宿主产生有益的影响。研究显示，益生元可以显著降低2型糖尿病患者的空腹血糖水平[ 42 ]。在饮食诱导的肥胖小鼠模型中，益生元(菊粉)的干预可减轻小鼠体重，降低血脂和血糖水平[ 43 ]。接受菊粉治疗的糖尿病大鼠胰岛素抵抗改善，空腹血糖和血清胰岛素水平降低，GLP-1水平升高[ 44 ]。在临床研究中，菊粉的摄入可以增加超重肥胖男性的SCFA比例，改善脂肪氧化和代谢[ 45 ]。此外，在慢性肾脏病患者中，益生元的使用可以改善肾脏功能，如降低尿素氮和改善肾小球滤过率[ 46 ]。 2．益生菌： 益生菌是引入肠道中活的微生物，通过促进健康细菌的生长产生潜在的有益作用。膳食补充益生菌鼠李糖乳杆菌、副干酪乳杆菌或动物双歧杆菌可减少小鼠高脂肪饮食导致的肥胖并减少体重增加[ 47 ]。目前发现，益生菌可以通过改善胰岛素抵抗和稳定空腹血糖水平来延缓糖尿病的发生和发展。补充益生菌在减轻DKD患者炎症反应、氧化应激以及改善肾功能生物标志物方面具有有益作用[ 48 ]。Natarajan等[ 49 ]在肾病患者中补充益生菌，可观察到生活质量的改善和血尿酸、肌酐水平的降低。上述研究表明通过益生菌恢复肠道菌群被认为是预防和治疗DKD的一种很有前景的方法。 3．高纤维膳食： 饮食是影响肠道菌群最有影响力的调节剂，膳食纤维被认为是健康饮食的重要组成部分，恢复了肠道微生物生态，增加了SCFA的产生。与对照组相比，糖尿病大鼠给予高纤维饮食，更不易出现以蛋白尿、肾小球肥大、足细胞损伤和间质纤维化为特征的DKD表现[ 50 ]。补充SCFA(如丁酸)可通过减少炎症和氧化应激，改善肾小球纤维化和DNA损伤来延缓DKD的进程[ 51 ]。补充微生物衍生的代谢物SCFA可提供对DKD的保护，可以进一步探讨与肠道微生物组相关的饮食控制在试图延缓DKD进展中的作用。 4．中药： 中国传统医学理论中的'消渴证'可能等同于西医学中的糖尿病。消渴证最严重的情况是DKD，涉及到肾脏和排尿过多等问题。汤神方是一种传统的中草药，可用于治疗DKD，通过调节肠道菌群，降低脂多糖和IS的水平，减轻肾损伤，抑制肾脏炎症[ 52 ]。中药芪地糖肾颗粒已被证实可调节DKD小鼠模型肠道微生物组成并改善胆汁酸谱，肠道菌群-胆汁酸轴可能是芪地糖肾颗粒保护肾脏的重要靶点[ 53 ]。肾炎康复片改善了db/db小鼠的肾功能衰竭、肾小球和肾小管损伤以及肾脏炎症(TNF-α和IL-1)，降低了血糖和HbA1C水平，同时增加了厚壁菌门的相对丰度，降低了拟杆菌门的相对丰度，表明代表性微生物群的相对丰度与肾功能参数直接相关[ 54 ]。 5．支链氨基酸(branched chain amino acid, BCAA)： BCAAs的总摄入量过多(如亮氨酸和缬氨酸)可使成人胰岛素抵抗的发病率增加60%以上，并在糖尿病的发展中发挥重要作用[ 55 ]。然而，一些研究表明，BCAAs可能是预防和治疗DKD的有效方法，BCAAs可对抗糖尿病大鼠肾脏的氧化应激并减轻糖尿病肾损伤[ 56 ]。另一项研究发现BCAAs可保护肾系膜细胞免受高糖诱导的应激[ 57 ]。因此，适当补充BCAAs可一定程度上延缓DKD的发生发展。 6．FMT： 从概念上讲，FMT将健康受试者的肠道菌群注入不健康的受试者，改变后者的肠道菌群并影响疾病状态。研究发现，无菌小鼠接受来自DKD小鼠的FMT，观察到其24 h尿蛋白含量增加，肾脏功能恶化[ 25 ]。将用白藜芦醇治疗过的小鼠或对照小鼠作为FMT的供体，治疗后发现白藜芦醇-FMT可以显著影响肠道菌群的结构和组成，并且接受白藜芦醇-FMT的小鼠与DKD相关的指标降低，如24 h尿微量白蛋白、血清肌酐、血尿素氮和空腹血糖水平[ 10 ]。Barba等[ 58 ]发现来自健康小鼠的FMT可改善PCS积累、葡萄糖耐量和蛋白尿。目前，FMT方式只在动物模型中进行实验，尚未在DKD患者中研究，无法证实FMT在DKD临床治疗中的有效性和安全性。
四、总结
肠道菌群失调和DKD之间的关联证实了肠道-肾脏的相互关系，但其中的因果关系尚不清楚。目前针对DKD的常规治疗并不能完全缓解DKD的发生发展，开发新的治疗药物以改善肾功能和阻止DKD的进展已成为一个活跃的研究领域。寻求高安全性、低约束性、宽应用性的治疗方式来改善血糖控制，不仅能提供良好的代谢益处，而且易被患者广泛接受。因此，无论是纤维膳食、益生元、益生菌还是FMT，都可能为糖尿病和肾脏相关疾病患者提供一种自然和安全的治疗手段。目前DKD与肠道菌群之间的联系尚未明确，因此，本文试图探究DKD中肠道菌群的特征，为DKD的诊断与治疗提供新思路、新方向、新前景。
参考文献 （略）
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