彭敏敏 陳樹春 高淵 王孜
腸道微生物組學(xué)是機(jī)體的重要組成部分,在維持正常物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)中發(fā)揮著強(qiáng)大的作用。多項研究已表明腸道微生物組學(xué)與炎癥性腸病、肥胖癥、心血管疾病、血脂異常等多種疾病息息相關(guān)。近年來,研究發(fā)現(xiàn)微生物與眼部疾病之間的關(guān)系,腸道微生物組學(xué)通過影響血液循環(huán)中脂多糖、短鏈脂肪酸、膽汁酸、三甲氧胺的水平及色氨酸的代謝,從而參與糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy,DR)的發(fā)生發(fā)展。臨床上對DR治療沒有特效藥物,本文闡述了腸道微生物組學(xué)可能在DR發(fā)生發(fā)展中所起的作用,以期為DR的治療開辟新方向。
DR是糖尿病的常見并發(fā)癥之一,在5 a病程的2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)患者中發(fā)病率高達(dá)24.4%,是發(fā)達(dá)國家和地區(qū)工作人員中
失明的主要原因,嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量,但其發(fā)病機(jī)制尚不明確[1]。目前全球DR患者有9300萬,其中1700萬患有增殖期DR(proliferative diabetic retinopathy,PDR),2100萬患有糖尿病黃斑水腫(diabetic macular edema,DME),2800萬人患有威脅視力的DR(vision-threatening diabetic retinopathy,VTDR)[2]。視網(wǎng)膜毛細(xì)血管由周細(xì)胞、基底膜、內(nèi)皮細(xì)胞共同組成,內(nèi)皮細(xì)胞之間由緊密連接方式互相連接,構(gòu)成了血-視網(wǎng)膜屏障(blood-retinal barrier,BRB)中最重要的內(nèi)屏障。糖尿病導(dǎo)致視網(wǎng)膜中的各種生理和分子的異常,這些異常可統(tǒng)統(tǒng)被歸為局部的炎癥反應(yīng),包括視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞中誘導(dǎo)刺激核因子kB(nuclear factor-κB,NF-κB)、IL-1β、細(xì)胞間黏附因子-1(intercellular adhesion molecule,ICAM-1)、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor,TNF-α)、誘導(dǎo)型一氧化碳合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)、晚期糖化終產(chǎn)物受體(receptor for advanced glycationend products,RAGE)、p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)的表達(dá)或活性增加,白細(xì)胞瘀滯增加以及白蛋白積累增加,這些促炎變化在視網(wǎng)膜病變的發(fā)病機(jī)制中起重要作用,其受到抑制則會延緩視網(wǎng)膜病變的發(fā)展。
人類腸道是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),其中包含數(shù)萬億的細(xì)菌,統(tǒng)稱為腸道微生物群。目前已鑒定了1000多種微生物基因組,其編碼的基因數(shù)量至少是人類基因組的150倍。人體腸道微生物組學(xué)主要包括厚壁菌、擬桿菌及少量的放線菌、變形桿菌、疣微菌等[3]。菌群失調(diào)是由于環(huán)境、免疫、遺傳或宿主的因素改變導(dǎo)致腸道微生物組學(xué)平衡狀態(tài)的破壞。腸道微生物組學(xué)失調(diào)通過影響胰島素抵抗、膽汁酸代謝、炎癥反應(yīng)參與糖尿病、消化道疾病、心血管疾病及肥胖的發(fā)生發(fā)展過程。自“腸道-視網(wǎng)膜軸”理論[4]開始提出后,有研究開始關(guān)注腸道微生物組學(xué)、糖尿病、視網(wǎng)膜的關(guān)系,這些并發(fā)癥的發(fā)生可能與腸道微生物組學(xué)促進(jìn)炎性細(xì)胞因子產(chǎn)生、激活免疫細(xì)胞導(dǎo)致器官中持續(xù)低水平的炎癥反應(yīng)有關(guān)。
2.1 腸道微生物組學(xué)通過調(diào)節(jié)膽汁酸影響DR腸道微生物組學(xué)在膽汁酸代謝中起重要作用,腸道微生物組學(xué)影響著膽汁酸代謝,膽汁酸也調(diào)控著腸道微生物組學(xué)的穩(wěn)態(tài)。膽汁酸是由膽固醇合成的內(nèi)源性類固醇分子,影響葡萄糖和脂質(zhì)的穩(wěn)態(tài)以及能量消耗,調(diào)節(jié)膽汁酸代謝的兩種主要受體為FXR受體和膜結(jié)合的G蛋白偶聯(lián)受體。和健康人相比,T2DM患者中厚壁菌門的數(shù)量明顯降低。有研究顯示,膽汁酸和結(jié)合物的濃度與厚壁菌門、擬桿菌門豐度顯著相關(guān),其中厚壁菌門的微生物豐度與膽汁酸及結(jié)合物的變化成正相關(guān),而擬桿菌門則相反[5]。同樣在間斷進(jìn)食的糖尿病小鼠中,厚壁菌門的細(xì)菌數(shù)量增多,從而將更多的初級膽汁酸代謝成次級膽汁酸如?;切苋パ跄懰?tauro ursodesoxy cholic acid,TUDCA),當(dāng)TUDCA進(jìn)入血循環(huán),穿過BRB,TUDCA和G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合,阻止視網(wǎng)膜神經(jīng)病變和炎癥[6]。膽汁酸通過誘導(dǎo)L細(xì)胞上的G蛋白偶聯(lián)受體的活化增加GLP-1的分泌[7]。有研究也表明,熊去氧膽酸(UDCA)可逆轉(zhuǎn)STZ誘導(dǎo)的糖尿病小鼠BRB的破壞及緊密連接蛋白-1(zonula occludent,ZO-1)和ZO-19表達(dá)的減少,并且可逆轉(zhuǎn)TNF-α、IL-6、IL-1β、ICAM-1、iNOS、血管內(nèi)皮生長因子表達(dá)的減少[8]。UDCA可減輕STZ誘導(dǎo)的糖尿病小鼠內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)的視網(wǎng)膜周細(xì)胞丟失,有助于預(yù)防DR[9]。DME是糖尿病患者視覺功能障礙的主要原因,高水平IL-6、IL-1β、ICAM-1(促炎和促血管生成)和低水平IL-10(抗炎和抗血管生成)參與DME的發(fā)病機(jī)制[10]。腸道微生物組學(xué)產(chǎn)生的脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激NF-κB募集炎癥細(xì)胞,增加炎癥反應(yīng)的水平,F(xiàn)XR可抑制NF-κB,減輕炎癥反應(yīng)。
2.2 腸道微生物組學(xué)通過LPS影響DR高血糖狀態(tài)下腸道微生物組學(xué)失調(diào)引發(fā)細(xì)菌移位和腸道內(nèi)毒素堆積,導(dǎo)致腸道炎癥反應(yīng)。T2DM患者中革蘭陰性菌增多,導(dǎo)致LPS產(chǎn)生增多,引起代謝性內(nèi)毒素血癥,擾亂緊密連接蛋白的排列,引起腸道通透性增高,從而允許更多的腸道細(xì)菌代謝產(chǎn)物L(fēng)PS進(jìn)入血循環(huán)中,循環(huán)的LPS水平增加,通過TLR-4-MyD88激活NF-κB,增加IL-6和TNF-α的表達(dá),并且增加的幽門螺桿菌也可誘導(dǎo)IL-6和TNF-α表達(dá),IL-6可引起血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷,血管內(nèi)皮細(xì)胞的破壞影響血管張力、改變血流動力學(xué),從而活化血小板及凝血系統(tǒng),提高血管通透性,最終導(dǎo)致微血管閉塞及新生血管形成,加劇DR的發(fā)生[11];且大腸桿菌的增加使尿酸水平升高,導(dǎo)致氧自由基產(chǎn)生,引起神經(jīng)元細(xì)胞凋亡及視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞廣泛損害,促進(jìn)DR發(fā)展[12]。高糖環(huán)境可以增強(qiáng)視網(wǎng)膜神經(jīng)調(diào)節(jié)細(xì)胞中TLR-4表達(dá),激活下游信號傳導(dǎo)途徑并增加TNF-α、IL-8、NF-κB表達(dá),增加糖基化酶活性,活化小膠質(zhì)細(xì)胞,引起視網(wǎng)膜血管通透性增加和神經(jīng)元損害,從而加劇DR病變。
2.3 腸道微生物組學(xué)通過氧化三甲胺影響DR糖尿病患者和體質(zhì)量指數(shù)較大的個體有著較高水平的氧化三甲胺(trimethylamine-oxide,TMAO)。TMAO可以加劇血管炎癥反應(yīng),激活NLRP3炎癥小體,誘導(dǎo)活性氧生成,損害膽固醇逆轉(zhuǎn)運(yùn)[13]。有研究表明,NLRP3炎癥小體的激活和PDR的發(fā)病機(jī)制有關(guān)[14]。和健康對照組相比,DR患者外周血單核細(xì)胞中NLPR3炎癥小體的基因和蛋白表達(dá)均增加,并且DR患者外周血單個核細(xì)胞和玻璃體中IL-1β、IL-18水平升高[15]。TMAO亦可促進(jìn)NF-κB的磷酸化,進(jìn)而誘導(dǎo)炎性因子如:IL-6、IL-8、IL-1β、TNF-α,單核細(xì)胞趨化蛋白-1、COX-2、血管細(xì)胞黏附分子(vascular cell adhesion molecule,VCAM)、ICAM-1的表達(dá),導(dǎo)致單核細(xì)胞的黏附增加及蛋白激酶C激活,并下調(diào)ZO-1基因的表達(dá),導(dǎo)致視網(wǎng)膜內(nèi)皮功能障礙[16]。最近有研究顯示,NLRP3炎癥小體在糖尿病小鼠的視網(wǎng)膜和高糖刺激的人視網(wǎng)膜微血管內(nèi)皮細(xì)胞中均處于激活狀態(tài)[17-18],表明NLRP3炎癥小體可能參與了高血糖導(dǎo)致的視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂的過程。在高糖培養(yǎng)的人視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞中,NLRP3炎癥小體表達(dá)及細(xì)胞凋亡較正常對照組增高,當(dāng)NLRP3基因沉默后,細(xì)胞凋亡率明顯下降,NIRP3炎癥小體通過影響B(tài)RB的結(jié)構(gòu)及功能參與早期高血糖對視網(wǎng)膜的損害[19]。
2.4 腸道微生物組學(xué)產(chǎn)生短鏈脂肪酸改善DR短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFA)是腸道微生物組學(xué)分解碳水化合物或氨基酸的代謝產(chǎn)物,是碳原子數(shù)目小于6的脂肪酸,腸道內(nèi)主要的SCFA以乙酸、丙酸、丁酸為主。2型糖尿病患者微生物菌群失調(diào),一些普遍產(chǎn)生丁酸鹽的細(xì)菌豐度下降,各種機(jī)會致病菌增加。SCFA與G蛋白偶聯(lián)受體41或G蛋白偶聯(lián)受體43結(jié)合后誘導(dǎo)腸內(nèi)酪酪肽、GLP-1分泌。腸內(nèi)酪酪肽由遠(yuǎn)端腸道的神經(jīng)內(nèi)分泌L細(xì)胞產(chǎn)生,它可以抑制食欲、增加飽腹感、調(diào)節(jié)體質(zhì)量、降低血糖。目前有研究證實,GLP-1類似物(Exendin-4)在糖尿病大鼠視網(wǎng)膜中具有神經(jīng)保護(hù)作用,可預(yù)防神經(jīng)元死亡及視網(wǎng)膜內(nèi)層的變薄、降低視網(wǎng)膜血管的通透性,并降低ICAM-1的表達(dá),還可降低LPS的炎癥反應(yīng)并抑制NF-κB活化[20]。視網(wǎng)膜周細(xì)胞的遷移在BRB早期損傷起關(guān)鍵作用,GLP-1可以減弱RAGE誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜周細(xì)胞的遷移[21]。緊密連接蛋白-2在緊密連接蛋白家族中被認(rèn)為是“滲漏蛋白”,丁酸鹽通過對激活因子-3的活化和對組蛋白去乙?;?histone deacetylase,HDAC)的抑制,以IL-10依賴性方式抑制Cldn-2的表達(dá),以增強(qiáng)上皮屏障功能,促進(jìn)腸道黏膜屏障功能的恢復(fù),而且丁酸鹽和G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合抑制腸道炎癥,并促進(jìn)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞和產(chǎn)生IL-10的T細(xì)胞的分化,維持免疫穩(wěn)態(tài)[22]。戊酸通過對B細(xì)胞和CD+效應(yīng)T細(xì)胞的影響,引起代謝的重新布線,導(dǎo)致糖酵解和IL-10分泌增加,而且戊酸的HDAC抑制活性主要抑制IL-17表達(dá),從而改善慢性炎癥反應(yīng)[23]。越來越多的證據(jù)證明,炎癥因子的過度表達(dá)在DR的發(fā)生過程中起關(guān)鍵作用,IL-10可改善炎癥條件下內(nèi)皮祖細(xì)胞功能,并通過抑制NF-κB信號途徑改善炎癥微環(huán)境,從而有助于延緩非增殖期糖尿病視網(wǎng)膜病變(non prolifertive dibetic retinopthy,NPDR)的進(jìn)展[24]。
2.5 腸道微生物組學(xué)通過調(diào)節(jié)色氨酸代謝影響DR色氨酸通過吲哚2,3雙加氧酶(indoleamine 2,3-dioxygenase,IDO)代謝產(chǎn)生犬尿氨酸(kynurenine,Kyn),或通過腸道細(xì)菌代謝生成吲哚衍生物,如吲哚-3-乙酸。有研究表明,和非肥胖的受試者相比,肥胖或糖尿病受試者中糞便色氨酸代謝向更多Kyn和更少的IAA轉(zhuǎn)變[25]。Kyn通過犬尿氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶I和犬尿氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶II不可逆的轉(zhuǎn)氨作用生成犬尿喹啉酸(kynurenic acid,Kyna),有研究證實,在NPDR患者血清中觀察到IDO、Kyn、Kyna水平升高,在PDR中觀察到更高的水平,而且也有研究證實Kyna參與視網(wǎng)膜的老化和神經(jīng)變性[26-27]。IFN-γ是IDO的激動劑,在人視網(wǎng)膜中,和非糖尿病患者相比,DR患者IFN-γ表達(dá)上調(diào)50%,通過免疫組織化學(xué)染色發(fā)現(xiàn),來自糖尿病供體的視網(wǎng)膜切片被IDO強(qiáng)烈標(biāo)記,而且高血糖和炎癥因子如IL-1β、TNF-α可增強(qiáng)IDO表達(dá)。IDO是Kyn途徑的第1個限速酶,其失衡導(dǎo)致氧化應(yīng)激和內(nèi)皮細(xì)胞凋亡,當(dāng)糖尿病小鼠缺乏IDO時,可減少細(xì)胞毛細(xì)血管的形成[28]。
3.1 益生菌補(bǔ)充益生菌干酪乳桿菌Lac-Q14可以改善血糖和胰島素抵抗,并使產(chǎn)生SCFA的細(xì)菌豐度增加,同時增加SCFA濃度和下游GLP-1以及PYY的分泌[29]。通過益生菌的補(bǔ)充可降低LPS濃度、減少巨噬細(xì)胞浸潤、并促進(jìn)小鼠ZO-1及胰高血糖素原表達(dá),導(dǎo)致GLP-1、GLP-2分泌增加。最近研究表明,細(xì)菌的移位需要在DIO小鼠中激活模式識別受體CD-14、NOD1,然而益生菌可以使CD-14、NOD1的表達(dá)減少,從而逆轉(zhuǎn)這種情況[30]。補(bǔ)充益生菌有可能改善胰島素抵抗、降低LPS水平,增加短鏈脂肪酸的產(chǎn)生,加強(qiáng)緊密連接,從而減輕或延緩DR進(jìn)展。
3.2 短鏈脂肪酸補(bǔ)充丁酸鹽的補(bǔ)充可以防止飲食誘導(dǎo)的肥胖和胰島素抵抗的發(fā)生,也可以提高小鼠骨骼肌和棕色脂肪中PGC-1的活性,PGC-1的功能降低和線粒體功能障礙、胰島素抵抗、2型糖尿病風(fēng)險相關(guān)。有研究表明,補(bǔ)充丁酸鈉可以改善T2DM患者進(jìn)展并降低db/db小鼠的糖化血紅蛋白水平[31]。丙戊酸補(bǔ)充通過降低IFN-γ、TNF-α、IL-1β、IL-17mRNA的水平、抑制NF-κB信號通路,減輕大鼠視神經(jīng)炎癥和小膠質(zhì)細(xì)胞的增生[32]。高血糖終止后組蛋白乙?;荄R進(jìn)展的主要因素,高血糖激活視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞HDAC的表達(dá),而丁酸鈉可以抑制HDAC的活性。短鏈脂肪酸有可能通過降低血糖、改善線粒體功能、降低炎癥反應(yīng),抑制組蛋白去乙?;泳廌R的發(fā)生發(fā)展。
3.3 減重手術(shù)減重手術(shù)常見類型有:袖狀胃切除術(shù)、胃旁路術(shù)、胃束帶術(shù),通過影響微生物的組成、調(diào)節(jié)膽汁酸的代謝,刺激胃腸激素的分泌,使術(shù)后患者代謝改善。DR隨著時間的推移逐漸惡化,減重手術(shù)可以阻止,甚至有時可逆轉(zhuǎn)DR的發(fā)展。一項回顧性研究表明,和常規(guī)治療組相比,接受減重手術(shù)的患者發(fā)生DR和黃斑變性的風(fēng)險較低,這可能與DR危險因素(血糖、血脂、血壓、體質(zhì)量、炎癥、氧化應(yīng)激)的改善有關(guān),因此減重手術(shù)會產(chǎn)生對DR有利的影響[33]。
3.4 藥物治療二甲雙胍作為T2DM的首選治療藥物,是由于其新發(fā)現(xiàn)的對糖尿病患者血糖控制之外的微血管和大血管并發(fā)癥的保護(hù)作用。有研究顯示,和口服給藥相反,靜脈給予二甲雙胍不能改善葡萄糖代謝,這表明其他器官如胃腸道可能是該藥的主要作用部位,二甲雙胍促使腸道微生物組學(xué)的有利變化,增加細(xì)菌產(chǎn)生短鏈脂肪酸的能力,調(diào)節(jié)膽汁酸的代謝,促進(jìn)腸內(nèi)激素的分泌。二甲雙胍可以顯著降低ox-LDL誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞NLRP3蛋白表達(dá)上調(diào)和NLRP3炎癥小體的活化[34]。和不使用二甲雙胍的糖尿病患者相比,使用二甲雙胍的患者發(fā)生SNPDR/PDR的風(fēng)險較小,和性別、種族、HbAlc水平無關(guān),并且不會被磺脲類和胰島素治療混淆[35]。同樣在另一項研究表明,和其他降糖藥相比,使用二甲雙胍治療可降低患者青光眼和DR的風(fēng)險[36]。
腸道微生物組學(xué)作為人體共生的重要組成部分,影響著宿主營養(yǎng)狀況、能量代謝、炎癥反應(yīng)、免疫調(diào)節(jié)等。腸道微生物組學(xué)與糖尿病、DR密切相關(guān),目前DR以控制臨床危險因素為靶點,最終目標(biāo)是嚴(yán)格控制血糖及血壓,但是收效甚微。因此進(jìn)一步探討飲食的調(diào)整、益生元及益生菌的補(bǔ)充、藥物、手術(shù)等來糾正腸道微生物組學(xué)的失調(diào),減輕炎癥反應(yīng),可能會為DR的預(yù)防和治療提供新思路、新方向。