馬雷雷 李靜 張婧 趙晰 楊洪濤

(天津中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院腎病科 國家中醫(yī)針灸臨床醫(yī)學(xué)研究中心,天津 300380)

我國正逐漸成為糖尿病(DM)第一大國,2013年有關(guān)我國DM流行病學(xué)數(shù)據(jù)顯示中國DM患者已達(dá)到1.139億〔1〕,中國疾控預(yù)防中心的數(shù)據(jù)顯示在中國成年人中,DM的總體患病率估計(jì)為10.9%,而DM的前驅(qū)患病率為35.7%;保守估計(jì)中國DM人數(shù)達(dá)到1.5億〔2〕。糖尿病腎臟病(DKD)是DM常見的慢性并發(fā)癥之一,2016年有關(guān)我國慢性腎臟病(CKD)病因統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示〔3〕,我國DKD比例(1.23%)已經(jīng)高于腎小球腎炎(0.91%),DKD進(jìn)展至終末期腎臟病(ESRD)后不僅會帶來的巨大醫(yī)療花費(fèi)及家庭負(fù)擔(dān),同時(shí)也顯著增加患者心腦血管事件的死亡率。因此,在未來很長一段時(shí)間內(nèi),防治DKD仍是我國要面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。然而,目前現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對于DKD的治療主要集中在降糖、降壓、降脂等危險(xiǎn)因素上,對于腎臟本身的治療仍缺乏有效的藥物干預(yù)〔4〕。近十余年有關(guān)DKD的基礎(chǔ)研究方興未艾,特別是有關(guān)腸道菌群改變、菌群代謝產(chǎn)物、線粒體功能障礙與DKD的互作關(guān)系為研究DKD提供了新的視角,而且,通過總結(jié)現(xiàn)有研究,在DKD發(fā)病的病理機(jī)制中,腸道菌群-菌群代謝產(chǎn)物-線粒體這一生物軸的作用日漸顯現(xiàn),本文主要對上述生物軸做一簡單闡述,以期為DKD的基礎(chǔ)研究和臨床防治提供新的思路。

1 腸道菌群及其代謝產(chǎn)物與DKD

腸道微生物群是指與人體共生的數(shù)以億計(jì)的各種微生物,其種類主要包括細(xì)菌、病毒、真菌、古菌、噬菌體和原生動物,在人類長期進(jìn)化史中與人類和諧共生,并能通過各種途徑影響人體健康。在過去的十年研究中,腸道微生物群在各類疾病中的潛在病理生理機(jī)制逐漸被揭示,其中,腸道微生物與人體多種糖脂代謝紊亂性疾病關(guān)系密切,如DM、肥胖、多囊卵巢綜合征等〔5〕。已有較多研究表明,腸道微生態(tài)與DM的發(fā)生和發(fā)展有著密切的關(guān)系。如中國學(xué)者發(fā)現(xiàn)漢族人群在DM前期狀態(tài),腸道菌群即已經(jīng)發(fā)生改變,其中疣狀菌綱在DM前期患者組2型DM(T2DM)患者組中的豐度均明顯降低〔6〕,同時(shí)在T2DM患者腸道內(nèi)腸桿菌、酵母菌增多,雙歧桿菌、乳酸桿菌、擬桿菌減少〔7,8〕,DKD作為繼發(fā)于DM的慢性并發(fā)癥之一,腸道菌群紊亂也被證實(shí)與DKD有關(guān)。如在DKD大鼠模型腸道中紅蠟菌科和韋榮球菌科的細(xì)菌數(shù)量較正常大鼠明顯增加〔9〕,DKD患者的腸道菌群改變通常表現(xiàn)為多種致病菌比例增加,益生菌數(shù)量減少,形成了以真性厭氧菌為主的異常菌落結(jié)構(gòu),如變形桿菌門、擬桿菌門含量降低,而厚壁菌門、疣微菌門等含量增多〔10,11〕,而且DM進(jìn)展至DKD階段,體內(nèi)菌群失調(diào)加劇,各種腸道代謝產(chǎn)物也隨之升高,升高的腸源性毒素進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)體腎臟損傷而加速DKD進(jìn)展。腸道菌群作為人體龐大的微生物菌落,除了具有保證人體營養(yǎng)攝取、藥物吸收、維持胃腸功能、抑制病原菌移位等功能之外,每日還會產(chǎn)生眾多的菌群代謝產(chǎn)物,這些代謝產(chǎn)物作為腸道菌群與人體溝通的生物媒介,是腸道菌群參與人類健康或疾病狀態(tài)不可或缺的一環(huán)〔12〕。目前眾多研究顯示常見的腸道菌群代謝產(chǎn)物如短鏈脂肪酸(SCFAs),氧化三甲胺(TMAO),硫酸對甲酚(PCS)、硫酸吲哚酚(IS),脂多糖(LPS)等均與DKD的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)。如DM及DKD患者由于腸道菌群失調(diào)和膳食不均衡均導(dǎo)致機(jī)體SCFAs產(chǎn)生異常,抑制G蛋白耦聯(lián)受體(GPR)41和GPR43激活,影響YY肽和胰高血糖素樣肽(GLP)-1釋放,從而參與DM及DKD發(fā)病過程〔13,14〕。血漿IS及PCS水平已被發(fā)現(xiàn)在T2DM進(jìn)展至DKD甚至ESRD過程中明顯升高,與DKD患者疾病進(jìn)展及蛋白尿水平高度相關(guān),而且與健康人群相比,血清IS在DKD早期即開始升高〔15,16〕。TMAO是腸道菌群代謝膳食膽堿類化合物的一個(gè)產(chǎn)物,已有臨床研究證實(shí),血漿TMAO水平,與DM風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)劑量依賴性的正相關(guān)關(guān)系〔17〕,在DKD患者體內(nèi)TMAO可促進(jìn)核轉(zhuǎn)錄因子(NF)-κB途徑活化,進(jìn)一步加重體內(nèi)微炎癥而導(dǎo)致DKD〔18〕。新近發(fā)現(xiàn)大鼠血漿高水平的硫酸苯酯(PS)引起更嚴(yán)重的腎小球損傷,而且血漿PS水平與DM患者蛋白尿/肌酐及估計(jì)的腎小球?yàn)V過率顯著相關(guān),且可預(yù)測DKD患者2年尿蛋白/肌酐比值(ACR)惡化程度〔19〕?？傊?隨著在DM時(shí)期腸道菌群紊亂,菌群代謝產(chǎn)物進(jìn)一步合成增加,部分菌群代謝產(chǎn)物成為加重腎臟損傷的因素從而促進(jìn)DKD的發(fā)生和發(fā)展,因此,減少腸道菌群代謝產(chǎn)物引起的腎臟損傷可能會成為今后防治DKD的新靶點(diǎn)。

2 腸道菌群代謝產(chǎn)物與線粒體互作

現(xiàn)代生物學(xué)界認(rèn)為,細(xì)菌與線粒體可能有著相同的系統(tǒng)發(fā)育歷史,根據(jù)內(nèi)共生理論,人類線粒體是微生物的后代,原線粒體被認(rèn)為是古老的細(xì)菌內(nèi)共生體,真核細(xì)胞的所有線粒體都起源于此。上述線粒體的原核起源理論意味著線粒體與腸道菌群原核生物具有相同的結(jié)構(gòu)和功能特性,兩者之間也可能通過某種聯(lián)系發(fā)揮其獨(dú)特的生理作用〔20,21〕。人們發(fā)現(xiàn)很多來自腸道菌群的特異性代謝產(chǎn)物能夠?qū)е戮€粒體功能障礙從而引起CKD〔22〕。而DKD作為我國CKD的首要病因,目前已有較多研究表明T2DM及DKD患者腸道菌群與正常人相比均出現(xiàn)明顯改變,同時(shí)伴隨大量有毒性的腸道菌群代謝產(chǎn)物合成增加,因此,腸道菌群代謝產(chǎn)物與腎臟足細(xì)胞線粒體之間的信號“串話”可能會成為研究和防治DKD的新視角和新靶點(diǎn)。

現(xiàn)有研究基本可以證實(shí)腸道菌群與宿主線粒體之間是存在互作機(jī)制的,主要依據(jù)如下:首先線粒體的內(nèi)共生起源學(xué)說認(rèn)為線粒體的祖先是細(xì)菌〔23〕,說明兩者在起源分化上具有內(nèi)在的聯(lián)系,而且宿主線粒體能夠通過釋放活性氧(ROS)來影響腸道菌群的多樣性,這提示腸道菌群與線粒體的確能夠產(chǎn)生生物“串話”來影響健康和疾病〔24〕。其次,腸道菌群代謝產(chǎn)物可能是兩者相互作用的媒介,Thiele 等〔25〕通過反應(yīng)組學(xué)證明了菌群和線粒體相互影響機(jī)制,其研究團(tuán)隊(duì)篩選了2 626種體內(nèi)代謝產(chǎn)物,結(jié)果發(fā)現(xiàn)來自線粒體的代謝產(chǎn)物437種有325種與腸道菌群代謝產(chǎn)物重合。提示在腸道菌群紊亂后釋放的多種代謝產(chǎn)物可能會引起線粒體的功能改變,從而引起一系列病理變化。

目前較多研究也基本證實(shí)這一點(diǎn),如SCFAs是結(jié)腸細(xì)菌發(fā)酵的主要產(chǎn)物,其中以乙酸、丙酸和丁酸含量最高,人體飲酒后產(chǎn)生的大量乙酸會導(dǎo)致體內(nèi)氧化還原平衡、糖代謝和線粒體功能發(fā)生改變〔26〕,丁酸可通過AMPK活化途徑影響結(jié)腸細(xì)胞線粒體功能〔27〕。Hartsougn等〔28〕研究發(fā)現(xiàn)腸道菌代謝物莢膜異多糖酸可通過調(diào)控宿主細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和線粒體動態(tài)變化,從而延長線蟲壽命。TMAO可通過增加線粒體損傷及超氧化物產(chǎn)生促進(jìn)小鼠神經(jīng)元的衰老〔29〕。此外,腸道菌群在人體運(yùn)動過程中可通過調(diào)節(jié)過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子(PGC)-1α、沉默信息調(diào)節(jié)因子(SIRT)1及單磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)等途徑影響線粒體生物合成,同時(shí)腸道菌群及其代謝產(chǎn)物(如SCFA及次級膽汁酸)可通過減弱腫瘤壞死因子(TNF)-α介導(dǎo)的免疫反應(yīng)及減少NOD樣受體蛋白(NLRP)3炎癥小體,影響宿主線粒體能量產(chǎn)生及ROS生成,從而改善腸道炎癥反應(yīng)〔30〕。在克羅恩病新生兒患者體內(nèi),由于腸道內(nèi)產(chǎn)生H2S的菌群相對豐度增加,同時(shí)與H2S解毒相關(guān)的線粒體蛋白表達(dá)下調(diào),最終導(dǎo)致線粒體功能受損,而在使用清除H2S的鉍之后,可在體內(nèi)緩解極小阿托波菌誘導(dǎo)產(chǎn)生的結(jié)腸炎〔31〕。上述結(jié)果均說明腸道菌群代謝產(chǎn)物與宿主線粒體存在著千絲萬縷的聯(lián)系,而線粒體損傷在DKD進(jìn)程中具有重要的作用,因此,腸道菌群代謝產(chǎn)物可能會通過參與腎臟線粒體的病理生理機(jī)制從而促進(jìn)DKD的發(fā)生發(fā)展。

3 線粒體損傷與DKD

DKD的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,目前認(rèn)為有多條途徑參與了DKD的腎功能損害,主要包括:腎素-血管緊張素-醛固酮(RAS)系統(tǒng)異常、ROS生成過多,晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)增加,微炎癥,氧化應(yīng)激等。然而也有越來越多的證據(jù)表明,線粒體損傷在DKD的發(fā)病機(jī)制中起重要作用〔32,33〕。線粒體不僅是細(xì)胞產(chǎn)生ATP的重要部位,也是機(jī)體產(chǎn)生ROS的主要場所,而DKD患者體內(nèi)因高糖、微炎癥因子、AGEs等因素刺激可產(chǎn)生大量ROS損傷線粒體,從而導(dǎo)致線粒體損傷,隨后出現(xiàn)線粒體功能障礙進(jìn)一步致DKD患者腎小球足細(xì)胞屏障功能受損,從而引起蛋白尿。因此,維持線粒體正常的結(jié)構(gòu)和功能對于防治DKD至關(guān)重要。

線粒體是一切細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的重要場所,線粒體的結(jié)構(gòu)和功能正常對于維持細(xì)胞發(fā)揮其重要生理功能具有重要的意義。線粒體是處于不斷更新和清除的動態(tài)過程,成熟的線粒體通過有氧呼吸為細(xì)胞提供充足的能量以維持細(xì)胞膜電位的調(diào)節(jié)、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、代謝、凋亡。一旦出現(xiàn)線粒體損傷,則將會出現(xiàn)一系列級聯(lián)反應(yīng)而引起疾病發(fā)生。線粒體損傷一般包括線粒體生物合成異常、線粒體動力學(xué)失衡、線粒體功能障礙及線粒體自噬紊亂等。生理情況下,PGC-1α是調(diào)控線粒體的生物合成的重要調(diào)控因子〔34〕之一,特異性敲除小鼠PGC-1α蛋白后會出現(xiàn)明顯的線粒體損傷〔35〕,在DKD的患者及動物模型中,PGC-1α蛋白表達(dá)水平均明顯降低,高表達(dá)PGC-1α可以降低高糖誘導(dǎo)的系膜細(xì)胞損傷〔36〕。亦有研究顯示,高血糖可抑制 AMPK-SIRT1-PGC-1α通路從而抑制線粒體生物合成過程,促使腎小球足細(xì)胞及系膜細(xì)胞凋亡〔37,38〕,因此線粒體生物合成功能紊亂與DKD發(fā)生有直接的關(guān)系。

線粒體的動態(tài)平衡是指線粒體通過不斷的融合與分裂來及時(shí)形成健康的線粒體,同時(shí)對受損的線粒體進(jìn)行修復(fù)或者清除。線粒體的融合與分裂受多種蛋白的調(diào)控,包括線粒體融合蛋白(Mfn)1、Mfn2、視神經(jīng)萎縮蛋白(OPA)1、動力蛋白相關(guān)蛋白 (Drp)1、線粒體分裂因子(MFF)。上述蛋白異常表達(dá)均會引起線粒體動力學(xué)失衡而引起DKD產(chǎn)生。如與非DKD對照組相比,DKD患者腎小管細(xì)胞線粒體分裂增加、異常形狀線粒體增多,同時(shí)伴隨多種上述融合和分裂蛋白的異常表達(dá),短球狀線粒體明顯增多,伴隨多種線粒體分裂、融合蛋白表達(dá)改變及小管細(xì)胞損傷〔39〕。DKD大鼠腎臟細(xì)胞高表達(dá)能夠明顯將達(dá)大鼠蛋白尿,ROS聚集減少,從而改變腎臟損傷〔40〕。

線粒體功能障礙的特征是ROS產(chǎn)生增加和進(jìn)行性呼吸鏈功能障礙。目前已知高糖誘導(dǎo)產(chǎn)生過量ROS是DKD發(fā)病的主要始動機(jī)制,而線粒體作為體內(nèi)ROS生成的中心也參與DKD發(fā)病,隨著DKD進(jìn)展和線粒體受損,隨即出現(xiàn)ROS合成過剩-DKD進(jìn)展-線粒體損傷持續(xù)加重-ROS合成進(jìn)一步增加的惡性循環(huán),同時(shí),線粒體的受損導(dǎo)致線粒體呼吸鏈功能障礙,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)三磷酸腺苷(ATP)合成不足,而足細(xì)胞作為高能量消耗細(xì)胞,其能量主要來源于線粒體內(nèi)膜的呼吸鏈,因此當(dāng)呼吸鏈功能障礙時(shí),足細(xì)胞功能受損也促進(jìn)DKD的發(fā)生。越來越多研究發(fā)現(xiàn),足細(xì)胞線粒體自噬減少或抑制也與DKD的發(fā)病密切相關(guān),如Hartleben等〔41〕發(fā)現(xiàn)在小鼠自噬相關(guān)基因被敲除后,小鼠發(fā)生局灶階段性腎小球硬化(FSGS)的例數(shù)明顯高于未敲除組,同時(shí)病理活檢顯示敲除組小鼠腎臟足細(xì)胞的足突消失,足細(xì)胞內(nèi)聚集了大量受損的線粒體。Cinà等〔42〕發(fā)現(xiàn)在抑制足細(xì)胞內(nèi)線粒體自噬后,蛋白尿產(chǎn)生,同時(shí)伴隨足細(xì)胞內(nèi)損傷線粒體的數(shù)目明顯增多。而叉頭框蛋白(FOXO)1則可以通過激活同源性磷酸酶張力蛋白誘導(dǎo)的激酶1/帕金蛋白(Pink1/Parkin)通路,提高足細(xì)胞線粒體自噬水平,減輕足細(xì)胞損傷〔43〕。

既然線粒體損傷與DKD發(fā)病有著密切關(guān)系,那么針對線粒體保護(hù)也可能成為防治DKD的重要途徑之一。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇可通過SIRT1/PGC-1α途徑減輕線粒體氧化應(yīng)激而改善DM小鼠的足細(xì)胞損傷,改善DKD的病理表現(xiàn)〔44〕。中藥黃芪的重要活性成分之一黃芪甲苷能夠通過調(diào)控線粒體生物合成,下調(diào)Pink1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬改善DKD損傷〔45〕。黃連素可以通過抑制Drp1介導(dǎo)的線粒體分裂和功能障礙來發(fā)揮足細(xì)胞保護(hù)作用〔46〕,因此,怎樣保護(hù)線粒體正常功能可能會成為防治DKD潛在方向之一。

綜上,2011年,Meijers等〔47〕等第一次提出“腸-腎軸”學(xué)說,隨后Pahl等〔48〕又提出“慢性腎臟病-結(jié)腸軸”這一觀點(diǎn),上述學(xué)說和觀點(diǎn)的主要內(nèi)容即人體腸道菌群紊亂與CKD進(jìn)展可能存在互相影響、互相作用的關(guān)系。而腸道菌群作為“腸-腎軸”的中心媒介,在腸道和腎臟之間具體的作用機(jī)制仍不明確,因此從腸道菌群紊亂到腎臟慢性損傷這一病理過程仍然存在著很多未知領(lǐng)域腸道菌群、菌群代謝產(chǎn)物、線粒體、腎臟這些看似不相干的微生物群落、細(xì)胞器或者器官實(shí)際上形成了一個(gè)生物軸,即在DKD患者早期病程中即出現(xiàn)腸道菌群種類的改變,而隨著腸道菌群種類改變,腸道菌群代謝產(chǎn)物合成紊亂,菌群代謝產(chǎn)物與腎臟線粒體發(fā)生生物串話進(jìn)一步導(dǎo)致腎臟本身產(chǎn)生病變。目前已有學(xué)者提出了腸道菌群-線粒體生物軸,并認(rèn)為腸道菌群代謝產(chǎn)物可能在這個(gè)生物軸中起到了重要的作用〔49,50〕,因此,通過調(diào)控腸道菌群-菌群代謝產(chǎn)物-線粒體生物軸可能會成為未來預(yù)防或治療DKD的重要靶點(diǎn)之一。研究“腸道菌群-菌群代謝產(chǎn)物-線粒體”生物軸不僅能夠闡述其在DKD甚或CKD的疾病進(jìn)程中的重要作用,同時(shí)也能進(jìn)一步豐富腸-腎軸這一理論內(nèi)涵。