張夢佩,黃光明

隨著代謝組學(xué)和微生物分析研究的日益進展，如高通量測序分析，我們可以根據(jù)腸道微生物群特征來增加對患者健康和疾病的新見解。腸道微生物群組成的變化與腸道和腸外疾病相關(guān)，盡管只有少數(shù)機制已知，但腸道菌群仍然是用于疾病檢測以及尋找潛在治療價值的目標。越來越多的研究表明，腸道菌群與慢性腎功能不全(chronic Renal iusufficiency,CRF)具有相互影響的關(guān)系，強調(diào)了慢性腎臟病患者腎臟和胃腸道通道(稱為腎-腸軸)之間的密切關(guān)系[1]。即與慢性腎臟病環(huán)境相關(guān)的腸道微生物群的定量或定性改變，將導(dǎo)致菌群易位；來自胃腸道的蛋白質(zhì)和其他含氮物質(zhì)在腸道菌群作用下會增加腸源毒性終產(chǎn)物的產(chǎn)生和積累，使腸上皮屏障功能損害，內(nèi)毒素自腸內(nèi)腔進入血液，全身慢性炎癥加重腸道菌群的紊亂和體內(nèi)代謝的失衡。在這種情況下，這些以腸為中心的改變可能在CRF患者中具有相關(guān)的系統(tǒng)性后果，因為它們能夠引發(fā)慢性炎癥，增加心血管、消化、神經(jīng)疾病危險以及惡化腎臟疾病[2]。本文主要對腸道和腎臟之間的復(fù)雜關(guān)系做一綜述，討論CRF患者的腸道細菌代謝以及對腸屏障、腸道相關(guān)炎癥和細菌易位過程的影響，并通過益生元和益生菌的新型治療策略，總結(jié)腸道菌群調(diào)節(jié)對CRF患者的潛在治療作用[3]。

1 腸道菌群

腸道菌群表示與宿主腸道共生的全部微生物的集合，包括細菌、真菌和病毒。在人類中，存在來自大約500種不同物種的多達100萬億細菌細胞，其中胃腸道是通常的70%以上微生物的棲息地。五個細菌門(厚壁菌門，擬桿菌，放線菌，變形菌和疣微菌門)是人類腸道中最常見的物種，其中厚壁菌門和擬桿菌占明顯優(yōu)勢[4]。大多數(shù)細菌具有嚴格的無氧需氧代謝，因此，由于氧氣壓力降低，細菌密度沿腸道長度逐漸增加，在結(jié)腸中達到最大值[5]。腸道菌群是一個動態(tài)的共生系統(tǒng)，與體內(nèi)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)不斷相互作用調(diào)節(jié)宿主免疫系統(tǒng)和新陳代謝。腸道生態(tài)系統(tǒng)包括腸道微生物群和腸道本身，細菌與宿主腸道有著動態(tài)和互動的關(guān)系，以獲得共生的益處，在平衡體內(nèi)代謝、維持免疫和保護免受病原體方面起著至關(guān)重要的作用。一方面，腸道微生物群通過為宿主提供必需化合物，參與能量生產(chǎn)代謝，膽汁酸的生物轉(zhuǎn)化，脂肪/葡萄糖代謝的信號調(diào)節(jié)；另一方面，生化環(huán)境對腸道微生物群的組成和功能有重大影響，它富含可被微生物用作營養(yǎng)物質(zhì)的分子，通過營養(yǎng)物質(zhì)的利用和組成，細菌總數(shù)及組成的相關(guān)變化來顯著影響微生物菌群[6]。人類腸道微生物群的多樣性取決于性別、種族、免疫狀態(tài)、年齡、飲食、地理位置、吸煙等。腸道微生物群通過抗生素的產(chǎn)生抑制病原體和細菌素定植，促進復(fù)合碳水化合物的吸收，并產(chǎn)生各種各樣的營養(yǎng)素、微量營養(yǎng)素(短鏈脂肪酸SCFAs，氨基酸如賴氨酸和蘇氨酸，維生素等)、生物素和核糖蛋白在元素中發(fā)揮有效作用[7]。此外，腸道微生物群在發(fā)育、成熟和維持胃腸動力以及塑造黏膜免疫系統(tǒng)和腸屏障方面也起到了參與作用[7]。

2 慢性腎功能不全

CRF是指腎實質(zhì)損害，腎臟無法維持其功能，特別是在末期階段，其特征是許多物質(zhì)和溶質(zhì)如電解質(zhì)、激素、尿素和肌酐等毒性物質(zhì)的逐漸積累。毒性物質(zhì)能夠干擾許多生物學(xué)功能，特別是因為它們對炎癥和心血管等風(fēng)險的影響。它們的前體在胃腸道微生物群的蛋白質(zhì)發(fā)酵期間形成，最廣泛的是分別由酪氨酸和色氨酸發(fā)酵產(chǎn)生的對甲酚和吲哚(吲哚氧基硫酸鹽的前體)，在通過腸壁運送到血液中時，通過細胞質(zhì)磺酰轉(zhuǎn)移酶將對甲酚轉(zhuǎn)化為對甲酚硫酸鹽，而吲哚在肝臟中代謝產(chǎn)生吲哚硫酸鹽。在健康人中，這兩種分子都被腎臟清除，而在CRF患者中，對甲酚硫酸鹽和吲哚硫酸鹽在血液水平中升高，這與腎功能的降低有關(guān)。在終末期腎病(end stage renal disease，ESRD)透析患者中，對甲酚硫酸鹽和吲哚硫酸鹽的清除率為正常腎臟的10%。這些尿毒癥溶質(zhì)通過影響內(nèi)皮功能和修復(fù)(包括炎癥、氧化應(yīng)激等)影響機體代謝。該過程具有激活先天免疫和全身炎癥的潛力。持續(xù)的先天免疫激活涉及誘導(dǎo)免疫調(diào)節(jié)介質(zhì)，其抑制先天性和適應(yīng)性免疫，類似于晚期敗血癥或慢性感染中的“內(nèi)毒素耐受”或“免疫麻痹”的概念[8]。

3 腸道生態(tài)系統(tǒng)在CRF 中的免疫調(diào)節(jié)作用

CRF導(dǎo)致腸屏障結(jié)構(gòu)的破壞和微生物菌群的改變，在炎癥和尿毒癥毒性的發(fā)病機理中起重要作用。為了防止腸道菌群易位的發(fā)生和維持體內(nèi)平衡，胃腸道通過動態(tài)腸屏障來限制宿主免疫系統(tǒng)暴露于微生物群。 屏障保護包括物理(上皮緊密連接和黏液層)、生化(酶和抗微生物蛋白)和免疫(IgA和上皮相關(guān)免疫細胞)因子。健康個體中的腸上皮是一種半透性物理屏障，一方面屏蔽了腸道毒素的侵入，另一方面允許營養(yǎng)物質(zhì)的選擇性通過。然而，腸上皮細胞的屏障功能不僅僅是指簡單的物理屏障作用。上皮是一種高度動態(tài)的組織，其響應(yīng)于來自腸道微生物群及免疫系統(tǒng)的信號，對這些信號的上皮反應(yīng)調(diào)節(jié)屏障功能，微生物群的組成和固有層內(nèi)的黏膜免疫穩(wěn)態(tài)。因此，上皮可以被認為是微生物群和免疫系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)點，并且上皮和相鄰的免疫細胞之間的異常信號轉(zhuǎn)導(dǎo)可能促進疾病中的免疫調(diào)節(jié)[9]。

腸道免疫系統(tǒng)在保持共生微生物與宿主之間的動態(tài)平衡方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。腸道內(nèi)有大部分機體免疫細胞，其任務(wù)是識別和抵抗外來抗原和微生物威脅。上皮細胞層防止這些抗原與免疫細胞的過度接觸，從而保護腸道免受不必要的免疫反應(yīng)。這是通過腸上皮的復(fù)雜組織實現(xiàn)的，其建立在嚴格調(diào)節(jié)的屏障上。腸上皮由通過緊密連接的單層柱狀上皮細胞構(gòu)建，同時通過分泌細胞如杯狀細胞和潘氏細胞分泌黏液和抗微生物蛋白質(zhì)，對腸腔內(nèi)細菌、真菌和其他抗原進行屏蔽[10]。為了區(qū)分有害病原體和有益的共生體，免疫細胞如樹突狀細胞和巨噬細胞，能對抗原進行識別，例如Toll樣受體、NOD樣受體和Rig-I類受體，不斷刺激產(chǎn)生抗菌肽，如REGIII-γ、血管生成素及細胞因子等。這些介質(zhì)使免疫細胞與抗原保持共生的情況并平衡微生物的組成[11]。微生物與腸上皮和免疫系統(tǒng)的這種相互作用調(diào)節(jié)了腸內(nèi)的生態(tài)平衡。

屏障功能的缺陷將誘導(dǎo)慢性腸道炎癥。在屏障障礙和病原體過度生長的情況下，腸道屏障完整性喪失,隨之而來的細菌及其組分的易位可能會破壞耐受性，引發(fā)腸道和全身免疫系統(tǒng)過度和潛在有害的促炎反應(yīng)清除入侵的微生物。這種反應(yīng)包括從腸上皮細胞分泌IL-1和IL-6，促進樹突狀細胞(DCs)和巨噬細胞的TH1和TH17反應(yīng)，以及B細胞產(chǎn)生更高水平的共生特異性IgG[12]。在這種情況下，脂多糖與巨噬細胞上的受體復(fù)合物結(jié)合導(dǎo)致炎癥細胞因子(如IFN-β，IFN-γ，IL-1β，IL-6，TNFα和IL-12)的大幅度增加。這些以持續(xù)性炎癥為特征的機制被認為是促進CRF 與心血管等并發(fā)癥的機制[13]。此外，形成上皮緊密連接的主要蛋白質(zhì)的顯著減少伴隨著上皮內(nèi)阻力的降低，這表示增加的滲透性和上皮屏障功能障礙。最后，與水腫/高血壓或缺血相關(guān)的病癥也可能增加腸壁滲透性；特別是一種危及腸道灌注，最終與侵襲性超濾體積和/或體內(nèi)低血壓相關(guān)，可能會增加ESRD患者透析時腸屏障的功能障礙和滲透性[14]。

4 CRF損害腸道屏障功能并改變腸道微生物菌群

CRF會損害腸屏障功能導(dǎo)致內(nèi)毒素血癥和全身炎癥。健康人胃腸道上皮細胞之間的間隙處于密封狀態(tài)，對于防止微生物毒素、抗原和其他有害產(chǎn)物進入上皮組織和內(nèi)部環(huán)境至關(guān)重要。CRF導(dǎo)致胃和小腸上皮緊密連接的破裂，腸上皮屏障的損害導(dǎo)致局部和全身炎癥，并改變腸道微生物群。CRF所致的血氨、尿酸、肌酐濃度可能會改變腸腔內(nèi)pH值，作用于腸道中的微生物群體，改變共生生態(tài)系統(tǒng)。最近的實驗和臨床研究已經(jīng)仔細探討了CRF與腸屏障功能損害并改變腸道微生物群之間的關(guān)系。

Vaziri N等[15]在尿素在腸屏障功能障礙中的作用和慢性腎臟疾病中上皮緊密連接的破壞這項研究中，將腎病末期患者的血漿添加到培養(yǎng)基中，引起培養(yǎng)的人腸細胞中的上皮內(nèi)電阻(TER)和TJ蛋白的消耗顯著降低。這項研究測試證實了尿毒癥腸道屏障功能障礙可能是由于尿素擴散到腸道并通過微生物脲酶轉(zhuǎn)化為氨的假設(shè)[15]。并且來自胃、空腸、回腸和結(jié)腸組織標本的組織學(xué)檢查顯示，與健康動物相比，CRF小鼠腸壁增厚，免疫激活增加，尿毒癥小鼠腸壁閉塞和緊密連接蛋白-1含量明顯減少，與CRF腸道細菌內(nèi)毒素和其他有害物質(zhì)的腸道通透性和滲漏增加有關(guān)[16]。

在慢性腎臟疾病改變腸道菌群一文中，Vaziri N為了鑒定微生物種群的變化情況，從24例終末期腎病患者(ESRD)和12名健康人的糞便中分離出微生物DNA，并用微陣列進行分析。 ESRD和對照組之間的190個細菌操作分類單位(OTU)的豐度有顯著差異。來自桿菌屬，腸桿菌科，鹽單胞菌科等家族的OTU在ESRD患者中明顯增加。為了分辨尿毒癥與個體間變異，共病情況和膳食和藥物干預(yù)的影響，在5/6腎切除術(shù)或假手術(shù)后8周研究大鼠菌群變化，最后表明尿毒癥和對照動物之間的175個細菌OTU的豐度有顯著差異，最顯著的是乳酸桿菌科的減少[17]。因此，CRF深刻地改變了腸道微生物的組成。

尿素也被認為是腸屏障功能障礙發(fā)病機理的關(guān)鍵因素。 CRF中的尿素積累增加尿素流入腸腔，在其中通過微生物脲酶水解成氨，增加腸道pH，導(dǎo)致黏膜刺激和結(jié)構(gòu)損傷。腸道中氮廢物的廣泛增加，使得能夠利用這些廢物的微生物過度生長，如梭菌科，腸桿菌等。尿素是CRF中最豐富的保留廢物，它和其他代謝毒素的流量進入胃腸道(gastric intestinal, GI)腔引起選擇性壓力，導(dǎo)致了產(chǎn)生脲酶的細菌過度生長，形成尿酸酶，吲哚和對甲酚形成酶。 腸道微生物群的細菌分解脲酶產(chǎn)生尿素和氫氧化銨，提高管腔pH值，改變組成微生物群。 氫氧化銨本身具有腐蝕性，導(dǎo)致緊密連接屏障蛋白的降解。尿酸是膳食和內(nèi)源性嘌呤的最終產(chǎn)物。肝臟中的新陳代謝是消除氮氣的有效途徑。 草酸是一種潛在的有毒化合物，在人體內(nèi)不會進一步代謝，并在其電離的環(huán)境中循環(huán)形成草酸鹽。 在正常情況下，尿酸和草酸鹽在尿液中排出。 然而，在晚期CRF中，這些化合物的排除受到阻礙[18]。

5 益生元和益生菌的新型治療策略

目前，在大多數(shù)CRF晚期患者中，尿毒癥只能用腎臟替代治療，這可能不能清除高分子量溶質(zhì)或蛋白質(zhì)結(jié)合的物質(zhì)。最近許多研究腸道微生物群針對CRF的治療方法，主要是通過防止微生物代謝的有毒終產(chǎn)物的吸收，從而降低其血液含量，并且通過優(yōu)先選擇蔗糖而不是蛋白水解物來調(diào)節(jié)細菌生長，從而減少尿毒素的產(chǎn)生。有文獻研究[19]表明，除了增加腎清除率，減少腸道毒素產(chǎn)生和吸收也可緩解CRF患者高水平的細菌性尿毒癥。調(diào)節(jié)細菌生長以減少尿毒素的產(chǎn)生是最廣泛研究的胃腸道靶向策略，主要涉及使用益生菌和益生元糾正CRF / ESRD相關(guān)免疫和細菌易位。目前這種策略的功效和臨床效益是一個有意義的領(lǐng)域。

益生菌是指“有活力的生物體，當攝取足夠量時，會產(chǎn)生積極的健康影響”[21]。益生元是指“選擇性發(fā)酵的成分，允許在胃腸道微生物群中的組成和/或活性的特定變化賦予益處”[22]。益生菌和益生元促進雙歧桿菌的生長，穩(wěn)定黏膜屏障功能的微生物物種，通過腸腔酸化，營養(yǎng)物質(zhì)的競爭和抗菌物質(zhì)的生產(chǎn)，減少病原菌的數(shù)量。當益生菌與益生元結(jié)合使用時，它們被稱為合生素。Koppe L等[2]研究測試益生菌、益生元和合生素對CRF/ESRD患者血清尿毒癥濃度的影響，在評估益生菌效應(yīng)的非隨機研究中對血液透析患者的血清和糞便尿毒癥溶質(zhì)，觀察到對甲酚的排泄減少和血清中吲哚硫酸鹽水平降低，數(shù)據(jù)表明可發(fā)酵纖維能夠為腸道微生物提供足夠的能量底物，使蔗糖分解細菌能夠納入生長氮，以減少血液氮化合物產(chǎn)生并增加糞便排泄。

綜上所述，CRF與腸道菌群聯(lián)系密切，腸道屏障功能和微生物群變化息息相關(guān)。腎臟功能受損導(dǎo)致這些毒素的積累，使腸道菌群惡化。本文的目的是提供腸道微生物群在CRF發(fā)病機制中的潛在作用的全面綜述。與健康個體相比，CRF與正常腸道微生物群的組成的破壞(生態(tài)失調(diào))相關(guān)，表現(xiàn)為低微生物多樣性和分類學(xué)差異。在健康狀態(tài)下，腸道微生物群為宿主提供了一些益處。在CRF中，尿素、尿酸和草酸的濃度與飲食有關(guān)；磷酸鹽結(jié)合劑、抗生素和口服鐵補充劑的使用導(dǎo)致腸腔生化環(huán)境改變。最終，導(dǎo)致微生物生態(tài)失調(diào)和腸道上皮屏障破壞。。內(nèi)毒素和細菌來源的尿毒癥毒素易位進入血液導(dǎo)致氧化應(yīng)激和炎癥的誘導(dǎo)。形成一個雙向的炎癥和氧化應(yīng)激促進CRF進展的關(guān)系。進一步，腸道微生物群通過幾種途徑影響大腦和神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)。新一代益生菌和合生元在逆轉(zhuǎn)生態(tài)失調(diào)，重建共生菌群和減緩CRF的進展方面顯示出前景，然而，仍須長期隨機臨床試驗確定這些化合物的有效性。

通常建議CRF患者限制攝入水果、蔬菜和高纖維產(chǎn)品，這是為了避免鉀超載。這導(dǎo)致難消化的碳水化合物短缺，而碳水化合物正是腸道糖分解菌的必需營養(yǎng)素，減少了微生物產(chǎn)生SCFAs，最終降低了結(jié)腸細胞和調(diào)節(jié)性T細胞(Treg細胞)的營養(yǎng)成分。另一方面，由于碳水化合物資源短缺，蛋白質(zhì)等代謝增加，胃腸道中的含氮物質(zhì)導(dǎo)致毒性末端的產(chǎn)生和積累。糖分解(發(fā)酵)和蛋白水解(腐敗)微生物群之間的不平衡導(dǎo)致CRF患者的不良反應(yīng)。 CRF患者也經(jīng)常被建議限制奶酪和酸奶的消費，因為它們含磷量高，影響富含益生菌的食物來源，進而導(dǎo)致胃腸道內(nèi)更多的生化變化[23]。通過益生菌或益生元調(diào)節(jié)腸道微生物群可以積極地改變腸道細菌的組成和代謝，可能降低尿液溶質(zhì)的產(chǎn)生并減少慢性炎癥，減少CRF和尿毒癥相關(guān)并發(fā)癥的進展，在維持代謝平衡的腸道微生物群中可能具有治療作用。同時也需要更多的臨床試驗來評估益生菌及益生元使用與CRF / ESRD患者的尿毒癥、炎癥等風(fēng)險狀態(tài)之間的因果關(guān)系，以及更好地定義該臨床環(huán)境中益生元、益生菌的最佳攝入量。