糖尿病腎病與腸源性代謝產(chǎn)物氧化三甲胺

宋丹丹 米 焱 王彩麗

糖尿病腎病(diabetic kidney disease，DKD)是由糖尿病引起的慢性腎臟病，是1、2型糖尿病的主要微血管并發(fā)癥，亦是終末期腎病的主要原因[1]，以及糖尿病患者發(fā)生心血管疾病和死亡的重要危險因素[2]。DKD患者腎臟結(jié)構(gòu)變化包括腎小球和腎小管肥大、系膜擴張、基底膜增厚，最終導(dǎo)致終末期腎小管萎縮、腎小球硬化及腎間質(zhì)纖維化[3]。DKD的發(fā)病機制非常復(fù)雜，目前研究[4]顯示，腸道菌群失調(diào)及其代謝產(chǎn)物可能與糖尿病及DKD的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切。

1 DKD與腸道菌群失調(diào)及氧化三甲胺(trimethy-lamine-N-oxide，TMAO)的關(guān)系

人體腸道菌群種類繁雜、數(shù)量龐大，其參與了人體生理、病理的各個過程，成為宿主生命必不可少的組成部分。腸道菌群可以發(fā)酵不易消化的碳水化合物和蛋白質(zhì)而產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物，其中就包括TMAO。

研究[5]發(fā)現(xiàn)，與無腎病的糖尿病患者相比，DKD患者腸道菌群中益生菌數(shù)量減少、有害菌數(shù)量增多。暴旭廣等[6]研究發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病患者腸道菌群中擬桿菌屬顯著增多，DKD患者中乳桿菌屬、嗜血桿菌和腸球菌屬等顯著增多，但2型糖尿病和DKD患者中產(chǎn)丁酸菌均減少。以上研究結(jié)果證實，DKD患者確實存在腸道菌群失調(diào)，可能的原因包括：①DKD早期主要表現(xiàn)為腎小球濾過率增加，腎小球囊內(nèi)高壓、高灌注、高濾過，以及腎臟肥大。在上述疾病狀態(tài)下，腸道菌群可能合成過量的乙酸鹽，激活腎臟局部RAAS，加速DKD早期腎損傷發(fā)生。②隨著DKD患者腎小球濾過率的下降，大量草酸鹽和尿酸會在結(jié)腸聚集，使腸道環(huán)境發(fā)生改變，誘發(fā)腸道菌群失調(diào)。③DKD患者腎小球濾過率下降，血液中大量的代謝廢物不能充分經(jīng)腎臟排泄而堆積，并可通過腸壁進入腸腔引起腸道菌群失調(diào)，導(dǎo)致益生菌減少。腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致DKD加重的原因：①DKD患者自身腸道菌群的組成、功能發(fā)生改變，會破壞腸上皮屏障，導(dǎo)致尿素在胃腸道內(nèi)大量蓄積并水解產(chǎn)生氨，氨經(jīng)腸黏膜重吸收后在肝臟內(nèi)重新合成尿素，加重腎臟損害。②氨可轉(zhuǎn)化為氫氧化銨，使腸道內(nèi)pH值升高，加劇腸黏膜損傷及上皮屏障結(jié)構(gòu)和功能障礙，進一步使甲酚、吲哚啉基分子等毒素轉(zhuǎn)移至血液，加重全身炎癥反應(yīng)，誘發(fā)心血管疾病和免疫功能異常，加速腎臟疾病進展[7-8]。綜合以上研究結(jié)果，腸道菌群失調(diào)與DKD可能互為因果，使機體處于惡性循環(huán)的病理狀態(tài)。

Al-Obaide等[9]的研究結(jié)果表明，2型DKD患者血漿TMAO濃度顯著高于健康人群，并認為這種差異是由2型DKD患者與健康人群腸道菌群的結(jié)構(gòu)不同所致。進一步的微生物組學研究發(fā)現(xiàn)，2型DKD患者腸道中雙歧桿菌的豐度顯著低于健康人群，且雙歧桿菌具有降低人血漿中TMAO水平的作用。此外，腸道菌群中具有升高TMAO水平作用的梭狀芽孢桿菌、腸桿菌、變形桿菌等的豐度也顯著增高，提示不同人群血漿TMAO水平可能與其腸道菌群的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。2019年Samulak等[10]研究發(fā)現(xiàn)，口服L-肉堿補充劑顯著提高了健康老年女性血漿中的TMAO水平，但在其體內(nèi)未檢測到血脂譜改變或其他不良心血管事件標志物。還有研究[11]發(fā)現(xiàn)，動物雙歧桿菌亞群乳酸桿菌F1-3-2定植在盲腸可直接降解三甲胺(trimethylamine)或改變腸道菌群結(jié)構(gòu)，且該菌株通過降低盲腸的三甲胺影響體內(nèi)三甲胺和TMAO水平，表明該菌株參與了三甲胺-TMAO調(diào)控，改善了脂質(zhì)代謝。楊波[12]的研究發(fā)現(xiàn)，在DKD的發(fā)展過程中腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，生成TMAO的能力增強，導(dǎo)致血清TMAO水平升高，進一步引起腎臟損傷與纖維化加重；TMAO還可以激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)/NF-κB信號通路產(chǎn)生炎癥細胞因子，參與DKD的發(fā)生和發(fā)展。

綜上所述，腸道菌群結(jié)構(gòu)改變是TMAO水平變化的一個關(guān)鍵因素，也是TMAO參與疾病發(fā)生、發(fā)展的重要原因。腸道菌群失調(diào)是DKD進展的重要病因，而腸源性代謝產(chǎn)物TMAO是腸道菌群失調(diào)致使DKD進展的一個重要因素。

2 TMAO的來源及對腎臟影響

蛋類、牛奶、紅肉及咸水魚類含有豐富的膽堿、軟磷脂和肉堿，是TMAO形成的主要食物來源。上述食物攝入后可在腸道微生物三甲胺酶的作用下，生成代謝產(chǎn)物三甲胺，三甲胺通過門靜脈循環(huán)進入肝臟，經(jīng)肝臟黃素單氧化酶3氧化生成TMAO。TMAO的相對分子質(zhì)量小，易于過濾，全身超過95%的TMAO以原型通過腎小球的濾過及腎小管的分泌作用由腎臟排出[13](圖1)。TMAO不僅參與腎臟纖維化，還通過促進動脈粥樣硬化、高血壓、糖尿病、炎癥等病理過程，加重腎損害，是影響腎臟疾病患者預(yù)后的重要尿毒癥毒素之一。在慢性腎臟病模型小鼠的研究[14]中發(fā)現(xiàn)，腸道微生物靶向抑制劑碘甲基膽堿可阻止因膽堿飲食引起的TMAO水平升高，并顯著改善了腎功能，降低腎小管間質(zhì)纖維化指標的水平。碘甲基膽堿治療還可以逆轉(zhuǎn)膽堿飲食引起的盲腸微生物群落組成的變化，這些變化與TMAO和腎損害發(fā)生有關(guān)。

3 TMAO參與DKD的發(fā)病機制

3.1 TMAO與內(nèi)皮細胞損傷及炎癥反應(yīng) Cheng等[15]研究發(fā)現(xiàn)，TMAO通過激活原代人冠狀動脈內(nèi)皮細胞中的NF-κB信號通路促進組織因子表達并增強其活性，從而促進血栓形成。Ma等[16]采用TMAO處理人臍靜脈內(nèi)皮細胞發(fā)現(xiàn)，TMAO能夠通過激活蛋白激酶C/NF-κB信號通路誘導(dǎo)血管細胞黏附分子-1的表達水平升高和單核細胞黏附，從而引發(fā)內(nèi)皮功能障礙。Yu等[17]對犬前右神經(jīng)叢局部注射TMAO后發(fā)現(xiàn)，TMAO通過激活p65 NF-κB信號通路導(dǎo)致促炎因子IL-1β、IL-6和TNF-α表達量增加。魏娜等[18]研究發(fā)現(xiàn)，TMAO水平隨著DKD的加重而升高，TMAO水平與血漿炎癥因子——血管性血友病因子水平呈正相關(guān)，與內(nèi)皮功能指標NO水平呈負相關(guān)；并觀察到與無蛋白尿的糖尿病患者相比，各組DKD患者的血漿血管性血友病因子、單核細胞趨化蛋白1水平均明顯升高，NO水平明顯降低，且隨著DKD患者腎損害的加重各組間差異增大，這一結(jié)果提示糖尿病患者存在明顯的血管內(nèi)皮功能障礙。

通過閱讀國內(nèi)外文獻發(fā)現(xiàn)，炎癥因子以各種方式參與DKD的發(fā)生和發(fā)展，如細胞間黏附分子-1在腎小球內(nèi)皮細胞上可誘導(dǎo)巨噬細胞向腎小球募集，并在早期糖尿病患者腎損害中起關(guān)鍵作用；發(fā)生糖尿病時血管細胞黏附分子-1表達增加、活性增強，引起炎癥因子釋放及細胞間黏附發(fā)生變化，從而增加尿蛋白及促進細胞外基質(zhì)沉積；高糖可促進單核細胞趨化蛋白1與其2型受體結(jié)合以誘導(dǎo)腎小球系膜細胞高表達纖維黏連蛋白和Ⅳ型膠原蛋白，從而直接參與DKD腎小球纖維化和硬化。

綜上所述，TMAO可能通過誘發(fā)血管內(nèi)皮細胞損傷激活MAPK/NF-κB信號通路產(chǎn)生炎癥細胞因子，參與DKD的發(fā)生和發(fā)展。

3.2 TMAO與核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)炎性小體 NLRP3炎性小體是細胞內(nèi)負責免疫和炎癥過程的大分子復(fù)合物，由細胞質(zhì)內(nèi)的NLRP3與細胞膜表面的Toll樣受體、CARD結(jié)構(gòu)域的凋亡相關(guān)顆粒樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing CARD domain，ASC)和半胱天冬酶-1前體(pro-caspase-1)共同組成，是介導(dǎo)機體免疫炎癥和細胞死亡的關(guān)鍵調(diào)控因子。

Chen等[19]研究證明，TMAO能夠通過沉默信息調(diào)節(jié)因子3/超氧化物歧化酶2/平滑肌細胞線粒體活性氧信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑促進人臍靜脈內(nèi)皮細胞中NLRP3炎性小體激活，從而提高IL-1β、細胞間黏附分子-1和基質(zhì)金屬蛋白酶9的表達水平，促進單核細胞在內(nèi)皮細胞的黏附，并且在動物實驗中進一步驗證了這一機制。Boini等[20]研究結(jié)果表明，TMAO可誘導(dǎo)小鼠頸動脈內(nèi)皮細胞中NLRP3炎性小體的形成和活化，促進IL-1β的產(chǎn)生，并增加天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶-1(caspase-1)的活性，通過蛋白質(zhì)印跡法進一步證實TMAO能夠激活內(nèi)皮細胞中的NLRP3炎性小體誘導(dǎo)NLRP3炎性小體依賴的內(nèi)皮通透性增加，從而導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙和動脈粥樣硬化發(fā)生。血管鈣化在慢性腎臟病中非常普遍。Zhang等[21]研究結(jié)果表明，TMAO通過激活NLRP3炎性小體及NF-κB信號通路參與慢性腎臟病的血管鈣化。Wu等[22]研究結(jié)果表明，TMAO促進了載脂蛋白E缺乏小鼠高脂飲食誘導(dǎo)的動脈粥樣硬化病變的進展，且與細胞焦亡、線粒體受損和活性氧產(chǎn)生相關(guān)。

Wu等[23]應(yīng)用NLRP3基因敲除模型小鼠研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3基因敲除可以改善鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病小鼠的腎功能損傷，并減輕腎小球肥厚、腎小球硬化、腎小球系膜擴張、間質(zhì)纖維化等，同時減少了結(jié)締組織生長因子的表達及抑制Smad3的激活。朱艷等[24]的研究結(jié)果同樣證實了NLRP3基因敲除改善了糖尿病模型小鼠的腎組織形態(tài)學變化，抑制了高糖導(dǎo)致的腎小球體積增大、系膜增生及系膜基質(zhì)沉積，減輕了腎小管上皮細胞的空泡變性。該研究還在敲除了NLRP3基因的小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，糖尿病狀態(tài)下腎組織中炎癥因子IL-1β和IL-18的表達均顯著下調(diào)，同時NLRP3炎癥小體的組成成分ASC及caspase-1的表達顯著減少；提示NLRP3在糖尿病腎組織的炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。

通過對TMAO與NLRP3、NLRP3與DKD的研究推斷，TMAO可能通過激活NLRP3誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)及促進血管內(nèi)皮細胞焦亡等途徑參與DKD的發(fā)生和發(fā)展。

4 總 結(jié)

腸道菌群失調(diào)是糖尿病及DKD的重要原因之一，而TMAO可能是腸道菌群失調(diào)致使DKD加重的重要因素。改變飲食結(jié)構(gòu)，補充益生菌、益生元等糾正腸道菌群失調(diào)，以及應(yīng)用腸道微生物靶向抑制劑碘甲基膽堿等可能成為預(yù)防和治療DKD的新措施，未來有望建立以腸道菌群、碘甲基膽堿為靶點治療DKD的新策略。