肠道菌群在糖尿病肾病发生发展中的作用及机制

The Role and Mechanism of Gut Microbiota in the Development of Diabetic Nephropathy

摘要: 糖尿病肾病(Diabetic nephropathy, DN)是糖尿病(Diabetes mellitus, DM)最常见、最严重的并发症之一。近年来，肠肾轴在DN发生发展中的作用受到了越来越多的关注。DN患者肠道菌群多样性发生改变，并通过代谢物与宿主之间相互作用，在DN发病机制及治疗中起关键作用。本综述旨在讨论肠道菌群参与DN的关键机制及靶向肠道菌群的治疗策略，以期为DN的临床治疗提供新的见解。

Abstract: Diabetic nephropathy (DN) is one of the most common and severe complications of diabetes mellitus (DM). In recent years, the role of the gut-kidney axis in the pathogenesis and progression of DN has garnered increasing attention. Patients with DN exhibit altered gut microbiota diversity, which, through interactions with the host via metabolites, plays a pivotal role in the pathogenesis and treatment of DN. This review aims to discuss the key mechanisms underlying the involvement of gut microbiota in DN and therapeutic strategies targeting the gut microbiota, with the intention of providing novel insights into the clinical management of DN.

1. 引言

糖尿病肾病(Diabetic nephropathy, DN)是一种慢性肾脏病(Chronic kidney disease, CKD)，是糖尿病(Diabetes mellitus, DM)微血管病变最常见的并发症之一，也是终末期肾脏疾病(End-stage renal disease, ESRD)的主要原因[1]。约30%~40%的DM患者可发展为DN，DN已成为我国CKD及ESRD的主要病因[2]。DN患者易合并高血压、贫血、动脉硬化、心包炎、结肠炎和脑出血等疾病，严重影响患者生活质量及生存[3] [4]。DN发病机制复杂，尚不完全清楚，这使得DN的治疗目前尚不具有特异性。现有研究表明，胰岛素抵抗((Insulin resistance, IR)、肾素–血管紧张素系统(Renin-angiotensin system, RAS)过度活跃、炎症反应和氧化应激等均参与DN的发生发展[5]-[7]。探索关键发病机制有助于进一步实现DN的靶向治疗。研究发现肠道菌群参与DN的发生发展，人类肠道微生物组被描述为调控人体健康的“第二基因组”，它通过基因、中间产物和代谢活动影响人体代谢和免疫功能[8] [9]。肠道菌群失调可影响IR、血流动力学、炎症反应和免疫反应，与DM及DN密切相关[10]。因此，维持肠道菌群多样性和平衡对于调节宿主健康至关重要。在这篇综述中，我们总结了肠道菌群参与DN的重要发现，并描述了肠道菌群如何影响DN的发生发展和基于肠道菌群的相关靶向治疗，以期为DN的临床治疗提供新的见解。

2. 糖尿病肾病与肠道菌群

2.1. 肠肾轴

肠肾轴(Gut-kidney axis)是指肠道与肾脏之间的双向交流和相互影响。近年来，研究表明，肠道菌群在维持肠道和全身健康方面发挥着至关重要的作用[11]。越来越多的证据表明，肠道和肾脏之间存在双向串扰，即肠道或肾脏的病理生理变化可以相互影响，导致另一侧的病变[12]。一方面，尿毒症毒素的增加会影响DN患者肠道菌群的组成和功能。并且，在DM的情况下，高血糖症会促进肠道菌群失调，从而导致DN的发展[13]。肾脏疾病也会导致肠道菌群组成的改变，许多受损肾脏释放的含氮有机物可能会穿过肠道屏障并促进肠道病原体的生长[14]。不能由肾脏排泄的代谢废物容易进入肠腔，从而加剧肠道菌群失调[15]。另一方面，肠道菌群失调会破坏肠道屏障，增加上皮细胞的通透性，并导致脂多糖(Lipopolysaccharide, LPS)等代谢物暴露增加，最终加剧肾损伤[16]。敲除能够维持肠道微生态稳态的线粒体抗病毒信号蛋白(MAVS)的DM小鼠表现出更严重的肾小球和肾小管损伤，这表明肠道菌群紊乱可能导致DN的进展[17]。肾脏疾病的发生发展和肠道菌群紊乱会相互影响，形成恶性循环。阐明相互联系的潜在机制可能有助于了解疾病的病因和发病机制。

2.2. DN患者肠道菌群失调

DN患者肠道菌群组成、丰度和多样性失衡。迄今为止，多项研究调查了肠道菌群失调与DN之间的关联。一项荟萃分析显示，与健康人群相比，DN患者肠道菌群丰富度及多样性均降低，厚壁菌门相关菌属(Hungatella)和大肠埃希氏菌属(Escherichia)的富集，以及丁酸产生菌的减少[18]。与健康对照组相比，肠道菌群中可以产生LPS的变形菌门(Proteobacteria)和梭杆菌门(Fusobacteria)的水平明显更高[19]。Tao等人也在14例确诊的DN病例中发现了高丰度的Proteobacteria [20]。Shang等发现，与健康对照组相比，180例DN患者的肠道菌群中Proteobacteria和互养菌门(Synergistota)丰度增加，而拟杆菌门(Bacteroidota)和未分类细菌则丰度减少[21]。研究人员还发现，分析DM、DN患者和健康对照之间的菌群差异，普雷沃氏菌属(Prevotella)水平可以准确预测DM及DN个体[22]。总之，DN患者的肠道菌群发生了特异性的改变，并且肠道菌群可以作为DN发生发展的预测因子，未来需要在种或菌株水平上进行进一步研究。

3. 肠道菌群及代谢物参与糖尿病肾病的作用及机制

3.1. 肠道菌群紊乱参与胰岛素抵抗

IR是指身体对胰岛素的反应能力下降，导致血糖无法得到有效控制，IR不仅与DM密切相关还能够驱动肾功能损伤影响DN的进展[23]。肠道菌群及其代谢物可以通过多种方式影响宿主IR。研究发现肠道菌群组成以毛螺菌科(Lachnospiraceae)为主的人群往往IR水平和粪便单糖含量更高，而拟杆菌目(Bacteroidales)丰度较高人群IR程度和粪便单糖含量较低，因此，肠道中的Lachnospiraceae有潜力成为前驱DM的生物标志物[24]。特定菌群，如厚壁菌门(Firmicutes) 和拟杆菌门(Bacteroidetes)的比例失调能够通过介导胰高血糖素样肽-1 (GLP-1)的水平下降参与IR [25]。狄氏副拟杆菌(Parabacteroides distasonis)可通过产生烟酸激活肠道中G蛋白偶联受体109a (GPR109a)保护肠屏障功能并改善IR [26] [27]。

肠道菌群的失衡可以通过代谢产物，如支链氨基酸(BCAA)、短链脂肪酸(SCFAs)、LPS和胆汁酸(BA)，影响宿主的代谢和免疫反应，从而影响IR [28]。IR个体具有更高的BCAA生物合成潜力，同时产生BCAA的细菌丰度也增加，其中Prevotella和Bacteroides被确定为驱动BCAA生物合成的主要物种从而介导IR [29]。SCFAs通过与G蛋白偶联受体(如GPR41和GPR43)结合，调节肠道激素分泌(如GLP-1)，促进胰岛素分泌和提高胰岛素敏感性[30] [31]。LPS通过Toll样受体4 (TLR4)激活炎症信号通路，引起慢性低度炎症，这种炎症状态会干扰胰岛素信号通路，导致IR [32]。初级BA被肠道细菌转化为次级胆汁酸(SBA)，后者可以通过与核法尼醇X受体(FXR)和膜结合的武田G蛋白偶联受体5 (TGR5)来调节葡萄糖代谢，缓解IR并改善DN [33] [34]。总之，肠道菌群及其代谢产物能够参与IR从而影响DN的发生发展[35]。

3.2. 肠道菌群紊乱参与炎症反应

炎症是DN发展中不可或缺的因素。在高血糖环境下，免疫细胞如巨噬细胞被激活，释放包括肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1β、白细胞介素-6在内的炎症细胞因子，这些因子通过激活核因子κB (Nuclear factor kappa-B, NF-κB)等炎症信号通路，加重肾脏损伤[36]。NF-κB信号通路和免疫应答、炎性反应、细胞的增生转化以及细胞的凋亡等过程密切相关，NF-κB是许多相互关联通路的中心，这些通路导致DN的结构和功能变化[37] [38]。一些研究表明，在DN大鼠模型中，代谢内毒素和LPS水平的失调导致NF-κB信号通路的激活，血液和肾脏中炎症细胞因子水平的增加，以及先天免疫系统的激活[39]。循环三甲胺氧化物(Trimethylamine n-oxide, TMAO)是肠道菌群代谢产物之一，其水平升高通过炎症小体NLRP3和NF-κB信号发挥促炎作用，导致DN患者肾间质纤维化和功能障碍[40]。而肠道菌群代谢物如TMAO、IS、PCS持续积累，也可激活补体C5刺激免疫系统，导致DN中炎症因子的过量产生和肾损害[41]。以上研究证明紊乱的肠道菌群能够刺激炎症因子的释放加重炎症反应从而促进肾功能的进展。

3.3. 肠道菌群紊乱参与氧化应激

氧化应激是指机体氧化与抗氧化失衡的状态[42]。当机体受到有害刺激时，会产生过多的活性氧(Reactive oxygen species, ROS)，导致氧化系统与抗氧化系统失衡，诱发氧化应激[43] [44]。氧化应激可通过激活Ang II、转化生长因子-β等信号分子引起肾脏损伤，反过来，这些信号分子的激活可以引起氧化应激，然后诱导肾损伤[45]。值得注意的是，氧化应激与炎症反应密切相关。在DN中，ROS可激活NF-κB通路，诱导大量炎症介质，引发炎症反应，进而加重氧化应激损伤[46]。研究表明，肠道菌群失调可引发氧化应激，并在DN发病机制中发挥关键作用[47]。肠道微生物来源的尿毒症毒素循环水平的增加会引发氧化应激，增加ROS的产生，ROS激活炎症小体NLRP3，导致肾小球内皮细胞炎症反应，加重DN的肾功能障碍[48]。此外，通过d-半乳糖致小鼠衰老动物模型，从调节肠道菌群的角度探讨TFPS降低炎症因子、降低氧化应激水平、抑制小胶质细胞氧化损伤的作用[49]。总之，肠道菌群可能在氧化应激和DN之间存在着重要的联系。

4. 靶向肠道菌群的糖尿病肾病疗法

4.1. 粪便微生物群移植治疗糖尿病肾病

粪便微生物群移植(Fecal microbiota transplantation, FMT)是一种新兴的治疗方法，它将健康供体的肠道菌群移植到病态微生物群患者的胃肠道中重建患者健康的肠道微生态[50]。已有证据表明FMT在消化系统疾病(艰难梭菌感染等)和非消化系统疾病(如DM、儿童自闭症等)中具有优越的疗效和安全性[51]。在临床前研究中，将健康对照大鼠粪便给予DN大鼠进行FMT治疗，FMT通过介导胆固醇稳态失调减轻DN大鼠小管间质损伤，FMT显著降低大鼠血清醋酸盐水平，恢复胆固醇稳态，改善足细胞胰岛素敏感性，减轻小管间质和肾小球损伤[52]。FMT可以通过调节微生物来影响DN小鼠的代谢，FMT后马尿酸和胆酸等微生物来源的尿毒症溶质水平显着降低，肾脏损伤得到缓解[53]。值得注意的是，目前FMT在治疗DM方面取得了良好的疗效，并且已经在临床试验中得到了证实[54]。未来亟需更多高质量的前瞻性研究，为FMT治疗DN的临床应用提供安全性和有效性数据。

4.2. 益生菌治疗糖尿病肾病

益生菌是通过定殖在人体内，改变宿主某一部位菌群组成的一类对宿主有益的活性微生物[55]。益生菌通过调节宿主黏膜与系统免疫功能或通过调节肠道内菌群平衡，促进营养吸收保持肠道健康的作用，从而有助于人体健康，在治疗和预防疾病中具有重要作用[56]。复合益生菌能够通过调节db/db小鼠肠道菌群和诱导GLP-1分泌来缓解2型DM [57]。在DM模型中，使用芒果苷和乳杆菌(Lactobacillus)组成的合生元处理大鼠，观察到(Bifidobacterium、Lactobacillus)的比例提高，且能够延缓大鼠的DM进展[58]。Lactobacillus还可降低STZ诱导的DM大鼠的糖化血红蛋白和血糖水平，并抑制由高血糖引起的肾纤维化[59]。一项随机、双盲、安慰剂对照试验表明，摄入益生菌可以通过在肠道中产生SCFAs并减少过氧化氢自由基的产生减少症状因素，从而缓解肾脏炎症和纤维化[60]。以产丁酸的酪酸梭菌(Clostridium butyricum)为底盘菌，构建一株能够表达潜在高血压治疗药物GLP-1的工程益生菌，可通过重塑肠道菌群和释放GLP-1进而改善高血压[61]。

4.3. 饮食干预

饮食是支持人类生长、健康和繁殖的基础。DM的进展与饮食营养习惯有很强的相关性，DN的发生发展也可以通过合理的饮食干预来改变。饮食也被证明可以调节和维持肠道内共生肠道菌群[62]。高脂肪和高糖饮食会增加肠道中尿毒症毒素含量并使含有LPS的菌群比例升高，并诱导IR [63]。高纤维饮食有助于肠道菌群的重建。DM小鼠在高纤维饮食后，小鼠肠道厚壁菌门(Firmicutes)减少，Bacteroides增多，Prevotella和Bifidobacterium增多，SCFAs的产生增加[64]。低碳水化合物饮食也可使产SCFAs细菌Roseburis丰度增加，这导致血清和粪便中SCFAs浓度增加，从而增强胰岛素敏感性和GLP-1分泌，还可通过先天免疫、炎症和巨噬细胞募集的关键途径延缓DN的进展[65]。上述结果表明，调整饮食可通过改善肠道菌群来预防或延缓DN的发生，值得进一步探讨。

5. 小结

本综述总结了肠道菌群及其相关代谢产物在DN进展及治疗中的机制及应用。紊乱的肠道菌群及其代谢产物参与DN患者IR、RAS激活、炎症反应及氧化应激影响肾功能的进展。通过FMT、益生菌以及调整饮食结构，提高肠道菌群的稳定性、改善糖代谢并减少相关代谢物的产生可以延缓DN的进展。肠道菌群有望成为DN治疗的新靶点。

然而，先前大多数研究为横断面研究，未能反映DN不同疾病进展阶段的肠道菌群特异性变化。因此，目前仍缺乏对肠道菌群与DN之间机制的深入探索。基于肠道菌群治疗DN的大型临床试验尚未开展，评估肠道菌群及其代谢物作为DN的治疗策略仍需要广泛的临床研究进行验证，未来还需要更多研究深入探索。

利益冲突

所有作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明

韩梅：查阅文献资料，撰写文章。

NOTES

^*通讯作者。