肠道菌群失调与慢性肾脏病关系研究*

李姗姗 孙倩 杨少宁 于小勇

(1.陕西中医药大学，陕西 咸阳 712046；
2.陕西省中医医院，陕西 西安 710003)

在2017年一项对全球肾脏病疾病负担的分析发现，全球共记录全阶段慢性肾脏病(chronic kidney disease,CKD)患者697.5万人[1]。2019年一项流行病学研究表明，全球CKD患病率约为13.4%，进展至终末期肾病(End stage renal disease，ESRD)的患者约为490.2～708.3万人[2]。CKD因其高发病率和高死亡率，已造成巨大的社会经济负担，越来越成为全球性的公共健康问题。当CKD进展至ESRD时，并发症多，死亡率高，远期预后差。而传统的腹膜透析、血液透析以及肾移植等替代疗法，都会受到时间，条件，肾源等因素的限制，给患者带来了很大的负担和困扰。因此，为了延缓CKD进展，改善CKD患者预后，新的诊断标志物和治疗靶点的探索至关重要。肠道菌群在CKD中的作用是近年来研究的热点。越来越多的研究显示，肠道菌群的组成结构和功能与肾脏疾病的发生发展关系密切，肠道菌群有望成为CKD非侵入性诊断标志物及新型治疗靶点。

近年来，肠道菌群被认为是人体健康的关键调节剂，是人体最大的消化器官和排泄器官。健康人群肠道内栖息着100万亿种微生物，包括细菌、真菌、病毒以及古细菌等。其中最常见的是5个细菌门(包括厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、变形菌门、疣微菌门)和1个古菌门(广古菌门)。其中，尤以厚壁菌门和拟杆菌门最为常见，约占肠道菌群的90%[3]。这些定值在肠道中的菌群构成了人体最庞大、最重要的微生态系统—肠道微生态系统[4]，对人体的健康发挥着重要作用。健康成人肠道菌群不仅具有分类多样性，还具有功能多样性的特征：一方面，参与人体的消化吸收，通过促进碳水化合物的消化吸收，生成短链脂肪酸、维生素B、维生素K以及氨基酸等营养物质[5]；
另一方面，肠道菌群还能够促进营养物质的代谢，促进植物多糖、蛋白质及脂肪的代谢和转化；
此外，肠道菌群能够调节肠道上皮细胞的紧密连接蛋白，发挥肠道黏膜上皮的屏障功能，通过调节肠道的pH值，抑制病原菌的过度生长，维持肠道菌群稳定[6]；
不仅如此，肠道菌群还是“隐形”的免疫器官，能够促进免疫系统的发育和成熟，减轻人体对食物及抗原的过敏反应，诱导免疫调节[7]。肠道菌群中有益菌和潜在致病菌保持动态平衡，与宿主处于互利共生的状态，肠道菌群与宿主器官之间的关系在维持宿主内环境稳态和各种疾病的发生发展中发挥着重要作用，是肠道生理功能激活和维持的关键[8]。肠道菌群与机体营养、代谢、生理、免疫功能密切相关[9]，不同微生物及其代谢产物能参与多种疾病的发生发展过程中，在一定程度上反映机体的健康状态[10]。

2.1肠道菌群失调的概念 正常情况下，肠道微生物群与宿主是相互依赖的共生关系，由于某些因素破坏了正常菌群内各种微生物之间的相互制约关系，使其在质和量方面都失去平衡，正常生理组成和结构被破坏，产生病理性组合而引起临床症状，称为肠道菌群失调。2011年，Meijers等[11]首次提出“肠-肾轴(gut-kidney axis)”学说；
2015年Pahl等[12]在此基础上提出“慢性肾脏病-结肠轴(chronic kidney disease-colonic axis)”的概念。其核心观点认为，CKD发展过程中会出现肠道菌群紊乱，加重尿毒症毒素在体内的蓄积，诱发全身的微炎症反应，加重肾功能的恶化，而衰竭的肾功能不能及时清除体内蓄积的毒素，又加剧肠道微生态系统的紊乱，最终形成肠-肾之间的恶性循环。

2.2肠道菌群失调的原因 CKD患者肠道菌群失调的原因尚未明确，但是，很多学者[13-15]认为CKD患者出现肠道菌群失调的相关因素如下：一则，饮食结构改变，纤维素摄入不足导致益生菌比例减少，而可水解蛋白质的有害菌比例增加，含氮废物聚集于肠道，改变肠道pH值，pH敏感细菌属增加，肠道菌群失调；
二则，CKD患者长期应用多种药物，不仅损伤胃肠粘膜，改变了胃肠道的内环境，还可能改变肠道菌群种类和数量，致使肠道菌群失调；
三则，CKD患者分泌的尿素被肠道菌群水解，产生大量的氨，改变肠腔内粪便的pH值，影响肠道共生菌的生长，引起肠道菌群组成和结构的变化；
此外，多种因素的共同作用使得结肠排空时间延长，致使含氮物质在肠腔内蓄积并大量繁殖后代，导致菌群结构和组成发生改变，发生肠道菌群紊乱。综上，各种因素致使尿毒症毒素蓄积，肠道菌群的组成和丰度发生改变，进而发生肠道菌群失调。

2.3肠道菌群失调的机制 尿毒症毒素的蓄积是CKD患者的特征性表现，尿毒症毒素按其来源部位可分为：内源性、外源性以及微生物代谢[16]。其中最主要的三种分子：吲哚酚硫酸酯(indoxophenol sulphate，IS)、对甲酚硫酸酯(pCS)和三甲胺氮氧化物(trimethylamine nitrogen oxide，TMAO)，是肠道微生物群衍生的尿毒症毒素，又称肠源性尿毒症毒素，能够损伤CKD患者的内皮功能，造成机体广泛的炎症反应和氧化应激，参与CKD发病及进展以及心血管等各种并发症的发生[17]。其中，IS、pCS是一种蛋白质结合性尿毒症毒素，是合成尿毒症毒素的前体物质，因其难以通过透析清除而最麻烦和最危险[18]。研究发现，蛋白结合性尿毒症毒素具有中断肝脏代谢、诱导肾纤维化、促进动脉粥样硬化以及介导神经性毒性等一系列毒害作用[19]。此外，CKD患者肠道菌群失调与CKD相关并发症也密切相关，如：心血管疾病(Cardiovascular disease，CVD)、矿物质和骨骼疾病(CKD-MBD)以及认知障碍(Cognitive dysfunction)[20-21]。研究发现[22]，CKD患者血液循环中脂多糖(Lipopolysaccharide，LPS)水平和CKD进展呈正相关。LPS是革兰氏阴性菌细胞外壁的组成成分，由脂质和多糖构成。其生理作用是通过结合存在于宿主细胞的细胞膜表面的Toll样受体(TLR) 4和髓样分化(MD)因子-2，形成TLR4-MD2-LPS复合物,进而激活下游的NF-κB等通路,诱导产生大量慢性炎症前细胞因子如白细胞介素-1β(IL-1β)、IL-6和肿瘤坏死因子α(TNF-α)，引起炎症级联反应[23-24]。CKD患者往往存在着微炎症状态，持续性全身炎症状态被认为是CKD进展及不良预后的独立危险因素[25]。而促炎细胞因子水平的升高可诱导B细胞产生更高水平的特异性免疫球蛋白G(IgG)，还可通过树突细胞和巨噬细胞促进Th1和Th17反应[23]。而过度活化的Th17细胞是诱发炎症性肠炎等自身免疫性疾病的因素之一[26]。CKD患者因肠壁水肿和充血、结肠转运时间减慢、酸碱平衡失调等因素改变肠道上皮的紧密连接，增加肠道通透性，促进肠道微生物群发生易位[27]，肠道微生物群及其代谢产物进入血液循环进而触发肠道免疫系统[28]。研究发现，定值在机体的微生物群本身就决定了机体的免疫功能，人体免疫系统与肠道微生物群在保持机体内环境稳态方面发挥着关键作用[29]。

综上，肠道微生物群与CKD之间是一个双向调节的过程，尿毒症毒素、脂多糖、肠道屏障破坏和免疫调节障碍是双向调节失衡的重要因素，在双向失衡中，CKD易导致肠道微生物群的改变，而肠道微生物群失调又反过来诱导CKD的阶段进展和并发症的发生，从而陷入相互的恶性循环[17]。

3.1益生菌 益生菌是对人体有益的肠道菌群，来源于食物，被称为“活性微生物”。大量研究证实，益生菌可以改变肠道菌群的结构和组成，改善肠道的微生态环境，减少血清中IS和PCS等尿毒症毒素以及LPS的产生，减少细胞因子及炎症因子的释放，减轻肠道黏膜的损伤，改善肠道屏障功能。越来越多的研究表明[30-33]：①补充益生菌能够改善肠道菌群的组成和结构，重构肠道菌群平衡，修复肠道黏膜上皮细胞的生物学屏障功能，抑制致病菌在肠道的入侵和定值，抑制炎症反应；
②益生菌代谢产生的乳酸等物质，可降低肠道的pH值，既能有效的抑制致病菌的生长，同时又能阻止肠内氨的吸收，减少尿素的生成；
③补充益生菌能够增加短链脂肪酸的产生，发挥肾脏的保护作用；
④益生菌能够发挥占位效应，竞争性的抑制病原微生物或抗原与黏膜受体的结合，减少外源性致病菌的入侵以及抑制内源性致病菌的激活，增强机体的免疫防御能力；
⑤此外，补充益生菌不仅能够改善肠道的蠕动功能，促进肠道代谢产物的排出；
还能通过抑制炎症反应，减少菌群易位来改善CKD患者的营养状态。因此，益生菌通过以上因素的协同作用，减少尿毒症毒素在体内的蓄积，重构菌群平衡，稳定肠道黏膜屏障功能，参与机体的新陈代谢，延缓CKD进展。但是，关于补充益生菌、益生元或其联合制剂干预肠道菌群延缓CKD进展需要更大样本量、更长干预时间和更高质量的研究进一步的评估实际效果。

3.2粪菌移植 粪菌移植(fecal microbiota transplantation,FMT)是当前研究的热点，基本原理是将健康者粪便中的正常菌群转接到菌群失调的患者肠道中，重建肠道微生态的平衡。对于肠道菌群失调的CKD患者来说，FMT是一个新的治疗的方向，但是其中的相关机制尚需进一步的明确，粪菌移植的安全性有待进一步的评估，潜在风险有待进一步的降低，稳定性有待进一步的提高。

3.3其他 此外，肠道缓泻剂(如鲁比前列酮)、活性炭吸附剂(如AST-120)可以吸附肠道中的毒素，促进肠蠕动，减少CKD患者体内尿毒症毒素的蓄积，改善肾功能，延缓CKD进展[34]。另外，饮食结构的改善，如高膳食纤维饮食、优质蛋白饮食也能在一定程度上稳定肠道菌群的平衡，减少尿毒症毒素的蓄积，从而进行肾脏保护。

CKD属中医学的“水肿”“腰痛”“虚劳”等范畴，病位主要在脾肾，以脾肾亏虚为本，痰浊湿毒瘀滞为标，是为本虚表实之证。中医脾脏与现代医学中机体代谢、免疫功能及肠道微生态等多个系统功能密切相关，而肠道菌群对机体营养、代谢以及免疫作用是脾脏功能生物学内涵的充分体现[35-36]。故CKD肠道菌群失调当从脾论治，而肠道菌群失调导致大量肠源性尿毒症毒素以及内毒素的产生，这可能是CKD患者出现本虚标实的物质基础[37]，因此，治当健脾益肾，通腑泄浊。肠道菌群失调是疾病发生与药物起效之间的桥梁，而中药因具有多成分、多靶点、系统调节的作用特点，是理想的肠道菌群调节剂[38]。中药成分能被肠道菌群分解成多种可发挥药理作用的生物活性成分，如多酚类物质、生物碱、皂苷和多糖等，进而改善疾病症状，延缓疾病进展[39]。有些无药理活性或活性较低的中药经肠道菌群代谢后能产生新的甚至活性更强的药效的活性成分[40]。“多组分对抗多靶点”作为中医药治疗疾病的原则，无论是中药单品、中药复方还是中药提取物大多数都是以口服或者灌肠的方式给药，进入消化道，这就为中药有效成分与肠道菌群相互作用提供可能。通过稳定肠道菌群，保护肠道上皮屏障，减轻尿毒素在体内的蓄积，从而发挥肾脏保护的作用，延缓CKD的进展。现代医家基于肠-肾轴理论基础[41]，综述近年的研究，认为中医药可通过调节肠道机械屏障、化学屏障、生物屏障以及免疫屏障来调节肠道黏膜结构，平衡肠道菌群，延缓CKD进展。研究发现[42-43]，中草药通过促进益生元生长，促进肠道菌群平衡，与相关肠道菌群“相须、相使”，发挥协同作用；
通过竞争性的抑制酶的活性，与相关肠道菌群“相畏、相杀”，降低肠道微生态的代谢能力，发挥拮抗作用，进而稳定肠道菌群，调和阴阳，达到“阴平阳秘”。

综上所述，CKD与肠道菌群之间存在着复杂的关联：一则，CKD的发生与发展改变了肠道菌群的组成和结构，破坏了肠道上皮的屏障功能，增加了肠道上皮黏膜的通透性。又因为饮食结构的改变，药物的使用以及肠道内环境的改变，进一步加重肠道菌群的紊乱；
二则，以肠道菌群的代谢产物如IS、PCS、TMAO为代表的肠源性尿毒症毒素在体内大量蓄积，以及以细菌的组成成分如脂多糖为主的内毒素的生成和暴露，激活机体的免疫调节功能，诱导全身的微炎症反应，进一步加重肾功能的恶化。最终形成肾脏-肠道之间的恶性循环，预后不良。虽然益生菌治疗、粪菌移植、活性炭吸附剂以及中药治疗等干预手段打开了CKD治疗的新视角，但是仍然存在一定的问题亟待解决。①肠道益生菌的生存率以及抗菌效应需要更进一步的实验来确认；
此外，益生菌对于肠道微生态环境的效应评估指标较为单一，主要通过粪便中菌群的种类和数量，相关酶的活性、内毒素的浓度等，不能动态的评估菌群中菌种的变化趋势和功能分析以及益生菌治疗后的菌群变化情况。②大量研究表明了益生菌对于机体的保护作用，但是对于益生菌的副作用以及长效性鲜有数据，仍需要临床大样本的数据证实。研究发现，并不是所有的益生菌都能对机体产生保护作用，不同特性的益生菌可能对肾脏疾病产生不同的作用，甚至是相反的作用。因此，益生菌的长效性、安全性、不同特性益生菌对于肾脏疾病的影响仍需进一步的研究。③粪菌移植能够提高定值在肠道的菌群的数量及活性，但是长效性仍需大量的实验验证，安全性有待进一步的评估以及稳定性有待进一步的提高。④中药对于CKD患者肠道菌群调节的具体分子机制仍需要大量的临床试验验证；
对于CKD患者肠道菌群中有临床意义的生物标志物以及中药治疗所需的靶点仍需要进一步的探究，希望可以通过现代检测技术，通过代谢组学、网络药理学、分子对接等手段进行大数据分析，探索中药作用机制，找到精准有效的切入点。⑤很多对于CKD患者的肠道菌群研究样本量不足，加之人群肠道菌群存在较大的差异性，各种肠道微生态的干预措施需要更多的、更高质量的、大样本的RCT实验的支持。因此，对于肠道和肾脏之间复杂的双向交互关系的研究仍有很长的路要走。