综述 | J. Transl. Med.：微生物组和代谢组学揭示了肠道-肾轴对肾脏疾病的贡献(国人作品)
编译：艾奥里亚，编辑：小菌菌、江舜尧。
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生物失调是指肠道微生物的组成和结构发生变化，这种生物失调有可能改变机体的生理表型（健康或疾病）。宏基因组学和代谢组学等最新技术的进步和成果使我们对微生物组的理解有了长足的进步，但在健康或疾病状态下的肠道微生物菌群与宿主相互作用的机制仍然不清楚。正常肠道微生物菌群的破坏可能导致肠道生物失调、肠屏障功能障碍和细菌移位。肠道微生物菌群的改变会导致过多的尿毒症毒素产生，从而导致肾脏疾病的发生。
本文综述了肠道微生物菌群与肾脏疾病（肠-肾轴）之间的关系。同时，本文也讨论了包括probiotic、prebiotic和symbiotic措施在内的靶向干预措施重建共生的潜力，并提出了更有效的肾病患者治疗策略。对肾脏疾病肠道微生物菌群失调的新见解有助于开发预防或减轻肾脏疾病和并发症的新的治疗策略。
论文ID
原名：Microbiome-metabolome reveals the contribution of gut-kidney axis on kidney disease
译名：微生物-代谢组学揭示了肠道-肾轴对肾脏疾病的贡献
期刊：Journal of Translational Medicine
IF：4.197
发表时间：2019年1月
通信作者：赵英永
通信作者单位：西北大学
综述内容
健康人体肠道微生物菌群是由数万亿个微生物细胞组成的复杂群落，包含许多不同的物种。在健康状态下，这些微生物与宿主共生，参与机体免疫系统调节，抵抗病原体等过程。图1显示了肠道菌群失调对各种疾病的影响。有研究发现，肠道微生物菌群的失调与各种肾脏疾病的进展有关。实际中，以尿毒症毒素滞留为特征的尿毒症患者中通常能观察到生物菌群的失调。本文综述了肠道微生物菌群与肾脏疾病（肠-肾轴）的致病关系。通过对相关研究的回顾和积累，我们认识到prebiotics，probiotics及其组合是治疗慢性肾脏疾病（CKD）的重要辅助治疗手段。此外，肠道微生物菌群为预防或治理并发症提供了潜在的治疗靶点。
图1 肠道菌群失调在多种疾病中的作用。
2 肠道微生物群-代谢物方法在肠道微生物菌群研究中的应用
宏基因组学和16S rRNA等下一代测序技术的建立，促进了对肠道微生物的分析。宏基因组测序通过对样本中所有提取的DNA进行随机测序来确定“他们能做什么”，而16S rRNA通过对存在于所有细菌中保守的16S rRNA基因进行测序，在分析“谁在起作用”方面更有用。用鸟枪式宏基因组学进行功能分析高度依赖于我们对基因序列如何编码酶或其他功能的认知。图2总结了一些用于微生物组研究的方法。尽管在微生物组测序方面取得了一些进展，但肠道微生物菌群的研究仍面临着许多挑战。微生物在疾病因果关系中所起到的作用的有限理解，阻碍了关于肠道微生物群和疾病之间复杂机制联系的假说的提出。然而，代谢组学可以为肠道微生物组研究提供一些重要信息。
代谢组学被定义为“生物对病理生理刺激或遗传修饰的动态多参数代谢反应的定量测量”，作为了解肠道微生物菌群功能的重要工具，其已成为研究低分子内源性代谢物的系统方法，被用于疾病、中毒暴露或遗传变异后变化中的检测。质子核磁共振波谱（proton nuclear magnetic resonancespectroscopy）和基于质谱的方法是代谢组学研究的主要分析工具。代谢组学作为一种强大的分析平台，近年来已被广泛应用于各种疾病的诊断和预后、生物标志物的发现、药物开发和药物疗效/毒性评价等方面。也被应用与各种肾脏疾病中的研究。此外，采用代谢组学技术，可以更好的理解肠道微生物菌群和肾脏疾病之间的联系，但相关的研究还很少见。
3 肠道-肾轴的串扰
3.1 肠道微生物群作为尿毒症毒素的潜在来源
尿毒症毒素在传统意义上是根据在透析过程中影响清除的理化特性进行分类的。这其中含有低水溶性分子（分子量<500 Da）、较大的中间分子（分子量>500 Da）以及蛋白结合性分子。根据产生位点的不同，尿毒症毒素也可以分为内源性（哺乳动物新陈代谢）、外源性（饮食）或微生物类。目前，已知的肠源性尿毒症毒素包括吲哚硫酸盐、p-cresyl sulphate、吲哚-3乙酸、TMAO和苯乙酰谷氨酰胺；这些毒素与心血管疾病、慢性肾脏病的死亡率和其他终末器官毒性有关。
吲哚硫酸盐和吲哚-3乙酸是由膳食色氨酸代谢产生。色氨酸被肠道细菌（如大肠杆菌）的色氨酸酶代谢形成吲哚；在肠道吸收后，吲哚在肝脏中被硫酸化形成吲哚硫酸盐。硫酸吲哚通常从尿液中排出，由于它对白蛋白有很高的结合力，传统的透析方法并不能有效的将其清洗干净。
p-cresol/p-cresyl sulphate主要由厌氧肠道细菌分解苯丙氨酸和酪氨酸产生。p-cresol被肠道微生物偶联形成p-cresyl sulphate和p-cresyl glucuronide。p-Cresyl sulphate是一种毒素，其在体内具有很高的循环浓度和生化影响。p-Cresol在肝脏中也是偶联存在的，它可以与具有相似结构或部分骨架结构的外源物质竞争，进而影响它们相应的药代动力学/药效学特性（包括毒性/副作用）。
TMAO是一种肠道毒性代谢物，由细菌代谢季胺产生，包括释放betaine、l-carnitine或释放三甲胺的phosphatidylcholine。三甲胺被肝脏中的favin单加氧酶吸收并转化为TMAO。与蛋白质结合的有毒代谢物不同，TMAO可以通过透析有效地去除。
苯乙酰谷氨酰胺是另一种结肠微生物产物，由苯丙氨酸发酵产生。微生物将苯丙氨酸代谢成苯乙酸，苯乙酸与谷氨酰胺结合形成苯乙酰谷氨酰胺。和TMAO一样，苯乙酰谷氨酰胺同样可以通过透析而被清除。已证实尿毒症状态会引起肠道微生物菌群的改变。尽管微生物总数没有明显差异，但已有研究发现，厌氧细菌（特别是Lactobacillus和Bifdobacterium）通常会侵蚀需氧细菌，这种厌氧菌的增加促进了恶性尿毒症状态下氮化合物的降解。此外，共生细菌也可以通过抑制肠道炎症来帮助维持肠道上皮屏障。
首先，脲酶水解尿素产生氨和氨基甲酸酯，氨基甲酸酯自发的分解产生两分子的氨和重碳酸盐。随后，氨与水发生酸碱反应生成氢氧化铵。血尿素扩散到肠腔，并被细菌衍生的脲酶代谢产生NH3，然后水解成NH4OH，从而侵蚀上皮屏障。这进一步刺激了白细胞的注入，从而引发了第二种机制：局部感染和细胞因子的产生导致了跨细胞紧密连接蛋白（claudins和occludin）的回缩和内吞。综上所述，来自肠道细菌的短链脂肪酸（SCFA）是肠细胞的重要营养来源，从理论上讲，细菌种群的改变危及上皮屏障的健康。
4 肾脏疾病患者的肠道微生物菌群
肾脏疾病与肠壁充血、肠壁水肿、结肠转运缓慢、代谢性酸中毒、抗生素的频繁使用、膳食纤维消耗减少和口服铁摄入有关，这些因素影响肠道紧密连接，导致肠道通透性增加，并使细菌代谢产物跨肠屏障移位，进而引起免疫反应。免疫应答解释了导致肾脏疾病恶化的全身性感染。此外，胃肠道尿素分泌的增加导致了肠道微生物菌群的失调，增加了有毒性氨的生成。此外，在饮用水中补充尿素有助于细菌肠道微生物菌群的改变。图3显示了肠-肾轴通过肠道微生物菌群的失调和内源性代谢物的失调对肾功能损害的贡献。
4.1 肠道微生物在慢性肾脏疾病（CKD）中的作用
目前已有的诸多研究表明，肾脏疾病（CKD）患者肠道微生物群确实发生了改变。与健康人群的肠道微生物菌群相比，晚期肾病（ESRD）患者的肠道微生物群约有190个微生物OTU在丰度上有显著差异。在CKD患者肠道中，被认为是正常结肠微生物群的Lactobacillaceae和Prevotellaceae的数量相对较低，而相对丰度通常较低的Enterobacteria和Enterococci在CKD患者中却比正常值高出100倍。CKD患者肠道微生物群失调导致尿毒症毒素浓度升高，进而促进CKD的发展。CKD的肠道菌群在数量上以及质量上都产生了变化，通常伴随着Lachnospiraceae，Enterobacteriaceae以及certainRuminococcaceae的增加，以及Prevotellaceae，Bacteroidaceae尤其是Lactobacillus和Bifdobacterium的减少。ESRD患者细菌总数绝对值明显降低。
研究进一步表明，氧化应激的失调以及血清氨基酸、脂质、嘌呤和脂质代谢紊乱有关的炎症反应，与肠道微生物菌群的代谢有关。在CKD患者中，由于TMAO水平的升高导致了肾功能受损和肠道微生物菌群失调。采用粪便移植技术将CKD患者和健康对照的粪便样本用于经抗生素治疗的C57BL/6小鼠中发现，接受CKD患者样本的小鼠血浆中TMAO浓度显著高于对照组，同时其肠道微生物菌群组成与对照组具有显著差异。吲哚硫酸盐和p-cresyl sulphate与3-4期CKD患者炎症标志物的增加有关。另一项研究显示，在晚期肾病患者中，19个微生物类群占主导地位，其中的12个微生物类群拥有脲酶，5个微生物类群拥有尿酸酶，3个微生物类群拥有吲哚以及p-cresyl形成酶。Prevotellaceae和Lactobacillaceae（两种拥有SCFA形成酶的微生物类群），在ESRD患者中有四个微生物家族被耗尽。
4.2 血液透析和腹膜透析患者的肠道微生物
血液透析使全世界100多万肾功能受损或没有肾功能的晚期肾病患者的存活成为可能。在已有的研究中，通过代谢组学方法发现，血液透析中的尿毒症毒素和代谢废弃物中的很一大部分被去除。系统发育微阵列分析表明，与健康人比较，晚期肾病血液透析患者的肠道菌群显著增加，其表现为Proteobacteria，Actinobacteria以及Firmicutes等微生物类群的增加。尽管如此，与非透析的患者相比，血液透析患者表现出更高的炎症生物标志物和尿毒症毒素。白细胞介素-6和单核细胞趋化蛋白-1这两个炎症性生物标志物与吲哚硫酸盐和p-cresyl sulphate表现出正相关关系。尿毒症毒素水平的降低导致炎症生物标记物的表达减少。通过对儿科血液透析患者的肠道菌群与健康人的肠道菌群进行了比较发现，与健康人相比，血液透析患者的Bacteroidetes显著增加，而Proteobacteria显著减少。此外，粪便分析显示在透析患者中，能够产生单链脂肪酸丁酸盐的细菌数量有所减少。
有关腹膜透析患者肠道菌群分析表明，患者肠道内Firmicutes和Actinobacteria类细菌有所减少。一般来说，CKD患者表现出较低的Bifdobacterium和Lactobacillus定植，因此，腹膜透析患者中Lactobacillus和Bifdobacterium比例和多样性的降低与几种不良反应相关。儿科腹膜透析患者肠道中，Firmicutes和Actinobacteria门内的细菌类别丰度相对较低，而Proteobacteria明显增多。而Proteobacteria的增多与口服补铁有关。此外，腹膜透析患者促进了肠道对腹膜透析液中葡萄糖的吸收，促进了葡萄糖发酵细菌Enterobacteriaceae的生长。考虑到肠道微生物菌群向腹膜腔的移位，推测Enterobacteriaceae的增多是腹膜透析患者腹膜炎发生的原因。
4.3 IgAN肾病中的肠道微生物
由于免疫球蛋白A（IgA）广泛存在于肠道粘膜免疫系统中，肠道微生物菌群的失调在IgAN的发病机制中起着重要作用。慢性细菌感染和肠道微生物菌群的失调促进了肠上皮细胞来分泌B细胞活化因子和增殖诱导配体，进而加速了IgA的过量生产，在IgAN患者的肠道中同样也观察到肠道微生物菌群失调的现象。此外有研究发现，进展型与非进展型IgAN患者之间的肠道微生物菌群及尿液代谢物（包括游离氨基酸和有机挥发性代谢物）具有显著性差异。因此可以推测，血清中游离氨基酸的升高与IgAN病理的改变具有相关性，这可能与胃肠蛋白吸收的降低有关，而这种胃肠道白的降低猜测是由于微生物蛋白水解的增加所造成的。细菌脂多糖与IgA低半乳糖化之间存在潜在联系。细菌脂多糖可以刺激全身炎症反应，而细菌脂多糖参与IgA1的高分泌和低半乳糖基化，这是IgAN的重要发病机制。
4.4 肾结石的肠道微生物群
肾结石作为一种由可遗传的或不同环境因素导致的复杂的疾病，其由钙、磷和其他食物成分组成并积聚在肾脏中。由于75%的肾结石中都含有草酸钙，因此高草酸尿是肾结石出现的重要危险因素。作为肠道内草酸降解菌的Oxalobacter formigenes，可以通过草酸的内稳态有益于人体健康，从而引起医学界的关注。有研究发现，肾结石复发与Oxalobacterformigenes在肠道的定植呈负相关关系，这种定植降低了肠道内草酸浓度。此外，肠道微生物群参与了肾结石形成的病理生理过程。与健康对照组相比，肾结石患者具有独特的肠道微生物菌群。Bacteroides spp.在肾结石形成患者中更为丰富，而Prevoella spp.在健康对照组中含量更高。
此外，三聚氰胺在肠道中通过微生物转化生成三聚氰酸，是导致三聚氰胺所引起大鼠肾毒性结石的一个组成部分。其粪便样本中检测出的Klebsiella可直接将三聚氰胺转化为三聚氰酸。Klebsiella terrigena在大鼠内的定植加剧了三聚氰胺引起的肾毒性。基于目前已有的研究进展，我们认为，调控肠道细菌可能在未来为肾结石患者提供一种新的治疗方法。
4.5 高血压患者的肠道微生物菌群
患者通常伴有心脏收缩压的升高，同时慢性肾脏病患者表现出细菌组成改变，细菌丰富度的降低。在几种高血压模型中，肠道微生物（Firmicutes和Bacteroidetes）的丰度与血压升高有关。据报道，肾脏嗅觉通路的主要成分（Olfr78，一种在肾小球旁结构表达的嗅觉受体），介导了肾素分泌对SCFAs的响应。SCFAs是肠道微生物菌群发酵的最终产物，并被吸收到循环中。肠道菌群对胆碱和磷脂酰胆碱的代谢作为肠道微生物与高血压之间的另一个潜在联系，它将三甲胺代谢成TMAO。红肉中含有丰富的三甲胺，可被肠道微生物 L-carnitine代谢，进而代谢成三甲胺，加速小鼠动脉粥样硬化。
4.6 急性肾损伤肠道微生物群
近年来，多项研究表明肠道微生物菌群对急性肾损伤（AKI）具有调节作用。单链脂肪酸（SCFAs）对缺血再灌注损伤模型的肾脏保护作用是其中的一个潜在机制。肠道微生物菌群产生具有抗炎性特性的SCFAs。采用三种主要的单链脂肪酸（醋酸、丙酸和丁酸）治疗可以改善肾功能不全，降低炎症反应。此外，肠道微生物菌群通过其免疫调节作用（对T细胞亚群和自然杀伤细胞极化的影响），在自身免疫性肾脏疾病中显示出更广泛的影响和作用。
5 Probiotic、prebiotic以及合生生物干预，以减轻肠道微生物群在肾脏疾病中的干扰
Probiotics和prebiotics的使用是常用的治疗方法。Probiotics作为由食物摄入进入人体的具有活性的生物体，可以促进宿主的健康。Probiotics是由Lactobacilli，Streptococci以及Bifdobacteria等活细菌组成，它们可以改变肠道微生物菌群，对感染状态造成影响，产生致病性较低的microfora，从而减少尿毒症毒素的产生。一项针对CKD 3期和4期患者的多国研究表明，使用Lactobacillus acidophilus，Streptococcusthermophilus以及Bifdobacterium longum的Renadyl制剂治疗6个月后，显著降低了血尿素浓度并改善了生活质量，但另一项研究对22名患者的随访随机对照试验发现，未能降低血浆尿毒症毒素，也没有改善生活质量。尿毒症引起的肠道生化环境以及饮食和药物方案的持续变化是probiotics的优势所在，但这也导致不利于共生微生物菌群的环境的产生。为了解决这一缺陷，一项试验对透析前CKD患者进行了为期6周的 probiotic和prebiotic联合治疗研究表明，血清中p-cresyl sulphate的浓度有所降低，同时肠道微生物群改变程度也较低。根据以上研究表明，在治疗过程中对于probiotic的选择至关重要。
Prebiotics是一种不可消化的碳水化合物，其选择性地刺激结肠中有益的肠道细菌的生长和活性。Prebiotics虽然能够促进Bifdobacteria和Lactobacilli的生长，但会损害肠道中的其他细菌。Prebiotic富含低聚果糖的p-inulin还有助于减重，抑制炎症产生并改善代谢功能。血液透析患者口服p-inulin可降低血清p-cresol和吲哚硫酸盐含量。然而，用直链玉米抗性淀粉喂养尿毒症大鼠可以提高肌酐清除率，降低炎症和肾功能衰竭。未消化的抗性淀粉能够被转移到结肠当中，并被细菌代谢成SCFA。
Synbiotics是prebiotic和probiotic的联合使用。30例3-4期CKD患者接受synbiotic治疗4周后，血浆总p-cresol含量降低而胃肠道症状无改善。Lactobacillus casei Shirota和Bifdobacteriumbreve Yakult以及低聚半乳糖的联合治疗2周后，9例血液透析患者血清p-cresol明显降低，大便数量和质量均有明显改善。最近，一项针对42名血液透析患者的多中心研究显示，经过2个月的治疗后，胃肠道症状得到改善，C反应蛋白降低。
6 结束语
越来越多的证据表明，在各种肾脏疾病患者中，宿主与肠道菌群之间存在双向关系。迫切需要更多的研究来进一步了解肾脏疾病中的肠道菌群特征，探究不同肾脏疾病与肠道菌群的关系。肠道感染和上皮屏障的破坏加速了细菌来源的尿毒症毒素的全身转运，并对肾脏、心血管和内分泌系统造成氧化应激损伤。最近，对肠-肾轴的研究为CKD患者的治疗开辟了新的治疗途径，以防止不良预后的产生。多种有希望的干预措施被用来逆转肠道微生物菌群的失衡，减缓肾脏疾病的进展。Probiotics或其副产品已被用于开发创新的信号靶向干预，其效果优于传统药物。选择具有已知代谢功能的特定probiotic种类可以缓解各种疾病状态。在未来的研究中，需要注意和检查这些干预措施，以便将微生物菌群的知识带入CKD患者的实际利益中。但在大规模应用，成为肾脏疾病患者的主要治疗方法之前，仍需要在大型试验中进行进一步的检验以确保安全性。
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