肠道微生物与血液净化_汤子婧.pdf

专家论坛肠道微生物与血液净化汤子婧1，潘瑜1，丁峰1,21.上海交通大学医学院附属第九人民医院肾脏内科（上海 200011）2.上海市消化道微生态及相关重大疾病研究重点实验室（上海 200011）丁峰：主任医师，教授，博士研究生导师。上海交通大学医学院附属第九人民医院肾脏内科主任，上海市血液净化创新中心主任，中国医师协会肾脏医师分会委员，上海市肾脏医师协会副会长。承担包括 6 项国家自然科学基金在内的各级基金 30 余项，发表SCI 论文 80 余篇，申请专利 20 余项，授权 12 项。主要研究方向为危重肾脏病学、血液净化。潘瑜：副主任医师，硕士研究生导师。美国范德堡大学医学中心（VUMC）访问学者兼任讲师，主持多项国家自然科学基金项目，在 Journal of Clinical Investigation、NatureCommunications、Kidney International、Journal of the American Society of Nephrology、Diabetes 等专业领域一流杂志发表论文 20 余篇。任 Frontiers in Endocrinology 杂志编委。入选上海市浦江人才计划，获“上海肾科青年学者”称号、上海市教育委员会“联合-利华”研究发展奖学金、上海交通大学医学院“九龙医学优秀青年人才”提名奖。主要研究方向为急性肾损伤和糖尿病肾病分子机制。【摘要】终末期肾脏疾病是慢性肾脏病的晚期并发症，也是全球高死亡率的主要原因之一。近年来，肠道微生物及其产生的尿毒症毒素通过“肠-肾轴”对肾脏疾病的影响得到了广泛的研究。然而，将微生物相关组学的研究成果转化为具体机制仍然是一个重大的挑战。该文围绕肠道微生物与血液净化的相互作用以及目前针对肠道微生物的治疗方法进行了综述，着重阐述了肠道微生物组的测序技术和相关研究成果进展。【关键词】慢性肾脏病；肠道微生物；血液净化；治疗策略Gut microbiome and blood purificationTANG Zijing1,PAN Yu1,DING Feng1,21.Division of Nephrology,Shanghai Ninth Peoples Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200011,P.R.China2.Shanghai Key Laboratory of Gut Microecology and Associated Major Diseases Research,Shanghai 200011,P.R.ChinaCorresponding authors:PAN Yu,Email:;DING Feng,Email:【Abstract】End-stage renal disease is a late complication of chronic kidney disease(CKD)and one of the leadingcauses of high mortality worldwide.Over the years,the impacts of gut microbiota and their associated uremic toxins onkidney diseases through the intricate“gut-kidney axis”have been extensively studied.However,translation ofmicrobiome-related omics results into specific mechanisms is still a significant challenge.In this paper,we review theDOI：10.7507/1002-0179.202306136基金项目：国家自然科学基金（81870490，81870462，82070789）；上海市浦江人才计划（22PJ1409300）；教育部上海市生物医药临床研究与转化协同创新中心基金（CCTS-2022206）；黄浦区产业扶持基金（XK2020002）通信作者：潘瑜，Email：；丁峰，Email： 974 West China Medical Journal,Jul.2023,Vol.38,No.7 http:/www.wcjm.orginteraction between gut microbiome and blood purification,as well as the current microbiota-based therapies in CKD.Additionally,the current sequencing technologies and progresses in the gut microbiome research are also discussed.【Key words】Chronic kidney disease;gut microbiome;blood purification;treatment strategy慢性肾脏病（chronic kidney disease,CKD）是严重影响人类健康的慢性疾病之一。2023 年来自我国 31 个省级行政区的 176 874 名成年人的横断面研究显示我国 CKD 的患病率为 8.2%1。据此估计，中国有 8 200 万成年人患有 CKD，已成为一个重要的公共卫生问题。CKD 的进程往往是进展且不可逆的，当进展至终末期肾脏疾病（end-stagerenal disease,ESRD）时，患者不可避免地需要进行肾脏替代治疗。有研究预测，至 2025 年，我国透析患者将达到 629.67/100 万2。虽然透析可以替代ESRD 患者的肾脏功能、维持生命，但透析相关并发症如感染、血管通路并发症等仍严重影响着透析患者的生活质量。近年来，有许多研究表明肠道微生物及其代谢产物对人体的生理病理产生重要影响，例如参与胆汁代谢、塑造免疫系统以及维护肠道屏障健康等。在疾病状态，肠道稳态被打破，导致肠道菌群在组成和代谢功能上发生改变。紊乱的菌群可通过多种机制对疾病产生影响，例如免疫功能障碍、细菌及尿毒症毒素易位等，促进疾病的进展。肠道微生物研究在医药领域具有广阔的应用前景，探索菌群与疾病之间潜在的因果关系和微生物介导的相关机制，将有望推动新的治疗和预防策略的出现。因此，本文总结了肠道菌群与 ESRD 以及血液净化的相互作用以及目前常用的肠道菌群检测方法，并对针对肠道菌群的治疗策略进行了综述。1 肠道微生物群与血液净化ESRD 患者内环境发生改变，继而导致肠道微生物群失调。这种失调表现为在健康人中分布更均匀和复杂的群落转变为了更简单、更单一的群落，表明肠道菌群整体的多样性下降。并且与健康人相比，ESRD 患者肠道菌群中占优势的种群也发生了改变，可能与尿毒症毒素体内蓄积、免疫系统的重塑，以及透析相关的因素密切相关。1.1 肠道来源尿毒症毒素蓄积随着 CKD 进展，尿毒症毒素在体内逐渐蓄积，持续对机体各系统产生损害。尿毒症毒素可分为3 类：水溶性小分子、蛋白结合分子和中间分子。其中蛋白结合毒素，如硫酸吲哚酚（indoxyl-sulfate,IS）和硫酸对甲酚（p-cresyl sulfate,pCS），是研究的热点。蛋白结合毒素排泄主要依靠肾小管分泌。当 CKD 进展至终末期时，肾小管功能下降，蛋白结合毒素在体内的积累可引发免疫细胞功能障碍，并诱导促炎细胞因子和趋化因子的产生，从而促进炎症、导致 CKD 的并发症例如心血管事件的发生。并且由于蛋白结合毒素分子大小超过血液透析和腹膜透析的透析膜上限，所以很难经血液透析或腹膜透析彻底清除。尽管血液透析滤过对清除蛋白结合毒素的效果优于血液透析，但其长期效果仍不显著3。除了清除率降低外，蛋白结合毒素浓度在体内的升高与肠道菌群蛋白质发酵增加有关。结肠中蛋白质发酵增加的原因有：CKD 患者的结肠转运时间延长；上消化道对蛋白质的消化和吸收受损，导致到达结肠的蛋白质增加；CKD 患者的肠道菌群中，具有吲哚和对甲酚形成酶的菌种占优势，例如梭菌科、疣微菌科和肠杆菌科等可以发酵肠道中的蛋白质，生成 IS 和 pCS4。1.2 毒素对免疫系统产生影响IS 由色氨酸代谢而来。色氨酸首先被肠道细菌代谢成吲哚，之后在肝脏中被羟基化和硫酸化，形成 IS。IS 对免疫细胞的影响会导致 CKD 患者的肾脏和血管损伤。IS 是芳基烃受体的配体。芳基烃受体在多种免疫细胞上表达并提供免疫功能。通过芳基烃受体通路，IS 可诱导人单核细胞产生白细胞介素（interleukin,IL）-1 和肿瘤坏死因子-（tumor necrosis factor-,TNF-）的能力增加。IL-1参与肾小管间质纤维化的发生和发展5。增加的TNF-水平可以引起血管内皮细胞中 CX3C 趋化因子配体 1 的产生，这将招募表达 CX3C 趋化因子受体 1 的 CD4+CD28 T 细胞。活化的 CD4+CD28 T细胞导致内皮细胞发生凋亡6。此外，在巨噬细胞中，IS 也可诱导 TNF-的产生7。在小鼠实验中，IS 还会诱导白细胞黏附和外渗，从而导致血管损伤。pCS 是酪氨酸代谢的产物。酪氨酸被微生物转化为对甲酚，之后大部分在结肠中被硫酸化为 pCS。pCS 在 CKD 的不同阶段分别表现出促炎和免疫抑制作用，对 CKD 进展和并发症的发生有着促进作用。在 CKD 早期，pCS 产生促炎作用，表现为增加产生自由基的白细胞的百分比、巨噬细胞产生一氧化氮能力和吞噬能力提高8。然而，在晚期阶段，华西医学 2023 年 7 月第 38 卷第 7 期 975 http:/www.wcjm.org 高浓度的 pCS 可能会导致免疫抑制。pCS 可通过减少辅助性 T 淋巴细胞 1 和巨噬细胞中 IL-12 的产生来抑制 干扰素的产生，从而抑制免疫反应9。在腺嘌呤诱导的慢性肾衰竭小鼠模型中，pCS 可抑制信号转导和转录激活因子 5 的磷酸化，而这是CD43+B 细胞祖细胞增殖和存活的重要过程，由此导致的 B 细胞减少与 ESRD 患者对 T 细胞非依赖性疫苗的反应降低有关10。免疫抑制可能增加感染甚至败血症的风险，这是 ESRD 患者死亡的主要原因之一。1.3 透析相关的因素ESRD 患者常需要进行血液透析和腹膜透析。血液透析和腹膜透析通过清除滞留在体内的多余水分和清除尿毒症毒素从而达到维持体内水电解质平衡的目的。感染是血液透析和腹膜透析的重要并发症，肠道微生物群可能是相关病原体的一个重要来源。在腹膜透析患者的肠道菌群中，铜绿假单胞菌和肠杆菌科细菌增多。而研究者已经发现，大约 40%的因感染导致的导管拔除与铜绿假单胞菌有关11。12.0%的腹膜透析相关腹膜炎是由肠杆菌科引起的12。此外，有研究收集了来自血液透析患者不同血管通路的血液，并在其中发现了铜绿假单胞菌的 DNA13。在透析过程中，腹膜透析患者腹腔内压力升高导致肠道血液灌注不足，而血液透析则伴随着肝脏灌注减少，从而导致患者肠缺血。因此，透析会对肠道屏障造成损伤。这种损伤会导致肠道微生物及其代谢物通过屏障迁移，对血液透析和腹膜透析患者产生不良影响，如内皮损伤、上皮间质转化和炎症等。此外，共生菌如乳酸杆菌和双歧杆菌与加快结肠转运有关，其在腹膜透析患者中的减少可能会使患者肠道活动减弱，从而导致便秘。血液透析和腹膜透析治疗也伴随着许多可能改变 ESRD 患者肠道微生物组的复杂因素。例如，血液透析患者所使用的抗生素治疗和限制钾和磷的饮食干预可能会改变肠道微生物组。此外，血液透析需要建立血管通路，动静脉瘘管或静脉导管也可能会影响肠道微生物组。对于腹膜透析患者，腹腔导管和含营养物的腹膜透析液也是影响肠道菌群的组成和代谢的重要因素。2 CKD 患者肠道微生物的检测方法在 20 世纪 70 年代，科学家们通过培养发现了肠道微生物群。然而，大多数肠道菌群不能在实验条件下培养。随着测序技术和数据分析方法的迅速发展及广泛应用，我们能够更深入地了解人体肠道微生物组的构成及其潜在能力。许多研究者通过分析 16S rRNA 基因测序数据报道了 CKD 患者肠道菌群14-15。最近的一项研究表明，与非透析ESRD 患者相比，透析患者肠道菌群中增加了一些共生菌，但也同时引发了一些致病菌16。这表明透析前后患者肠道菌群的改变可能与疾病进展和透析相关并发症的发生有关。此外，在不同 CKD 阶段，肠道微生物群存在差异。晚期 CKD 患者的肠道菌群中埃希菌属富集，而戴阿利斯特杆菌属、毛螺菌科、假丁酸弧菌属、罗氏菌属、瘤胃梭菌属的丰度随着 CKD 进展而减少17。除了 16S rRNA 基因测序，鸟枪法也被越来越广泛地应用于微生物基因组测序。该方法可以提供比 16S rRNA 基因测序更高分辨率的数据，有助于了解微生物群的代谢活动。有研究利用鸟枪法宏基因组测序探索了 CKD 患者肠道微生物的代谢组学，在 CKD 早期发现了高丰度的与次级胆汁酸合成有关的微生物基因，而参与脂质代谢的基因大多在晚期才被发现18。这表明不同 CKD 阶段肠道菌群的代谢功能发生了变化。近年来，多组学分析方法已经进入各个研究领域。这些方法结合了基因组学、宏基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等多个领域。通过整合不同的组学数据，我们可以更深入地了解微生物组-宿主相互作用所涉及的分子机制，这有助于开发新的诊断和治疗策略。例如，通过整合宏基因组和代谢组学数据，可以发现有望成为诊断工具的细菌和代谢物；蛋白质组学分析则可用于观察饮食干预对 ESRD 患者的影响。3 ESRD 患者肠道微生物紊乱的治疗由于肠道微生物群对 CKD 进展方面具有重要作用，并且与透析相关并发症密切相关，因此研究者们提出了一些针对细菌及其代谢物的疗法。这些治疗策略可能有助于改善肠道健康，从而改善患者的长期预后。3.1 益生菌、益生元益生菌和益生元是目前讨论较多的治疗方法。益生菌能够在肠道内繁殖，发挥免疫调节、增强肠道屏障和抗菌的多重作用。益生元是一类不被人体消化吸收的碳水化合物，可以作为肠道共生菌的营养来源。口服益生菌和/或益生元制剂，能够增加有益代谢物的生成并促进益生菌繁殖，从而调节肠道菌群的平衡。有研究表明，低聚果糖菊粉 976 West China Medical Journal,Jul.2023,Vol.38,No.7 http:/www.wcjm.org治疗 4 周，可有效降低血液透析患者血清 pCS 水平，且效果至少持续 4 周19。但由于患者的个体差异和标准化的缺乏，益生菌与益生元的临床应用仍有一段路要走。3.2 饮食干预肠道微生物组与每日饮食习惯密切相关。饮食习惯影响肠道环境，导致肠道微生物的组成和代谢发生改变，进而对宿主产生影响，所以饮食干预也常用于 CKD 患者。目前认为高蛋白饮食会导致肾脏损害，其机制包括：导致肾小球高滤过；提高肾脏中促炎细胞因子 TNF-和 IL-6 的表达，促进炎症状态的发生；大多数高蛋白食物都含有磷酸盐，会在 CKD 早期干扰血清磷酸盐水平。相反，限制饮食中的蛋白质可以减少肾脏的硬化。因此，许多专家建议采用以植物为主的低蛋白饮食。在一项 Meta 分析中，研究人员发现食用水果和蔬菜、鱼类、豆类、谷物和纤维较多，而少吃红肉、含钠较高及精制糖食品的 CKD 患者与更低的病死率有关20。与其他疗法相比，饮食干预更易根据个体疾病的阶段、营养状况和需求，结合考虑年龄、性别、合并症和治疗方式等因素，制定个体化、有针对性的营养计划。3.3 AST-120肠源性蛋白结合毒素在体内的积累会造成诸多不利影响，因此降低毒素水平成为缓解疾病进展、减少并发症发生的重要途径。AST-120 是一种具有多孔碳颗粒的吸附剂，可以吸附蛋白结合毒素的前体以减少体内毒素。目前有研究已经证明其可有效改善 CKD 的进展21。一项研究表明，AST-120 可降低 CKD 大鼠的血清 IS 水平并改善心脏组织的氧化应激22。AST-120 的功效也在人体研究中得到证实，一项纳入 50 例慢性肾衰竭患者的研究评价了 AST-120 治疗的效果，结果显示，AST-120 疗法显著降低了 IL-6 和蛋白尿的水平，并抑制了血清肌酐水平的升高23。然而对于临床应用来说，许多研究的样本量和持续时间不够，导致目前对 AST-120 影响肾脏硬终点的评估不足。3.4 基因工程在过去的几十年，科学家们提出了“智能”细菌。理论上，“智能”细菌不仅能分泌有益物质例如抗炎因子，还可作为输送药物的载体。除此之外，近年来基因工程技术也被应用于减少毒素和改善 ESRD 患者预后。例如通过删除特定细菌的色氨酸酶相关基因，可以消除体内吲哚的产生。有研究者还设计了基因工程改造后的大肠杆菌 DH5 活细胞，在给尿毒症大鼠口服后，大鼠的尿素水平被降低24。尽管微生物基因工程相关的治疗手段离被临床广泛应用还有一定的距离，但其可能是实现精准医疗的一种重要方式。3.5 粪便微生物移植近年来，粪便微生物群移植（fecal microbiotatransplantation,FMT）获得了很多关注。FMT 是一种将健康人的粪便移植到患者的消化道以重建肠道菌群的方法，可通过内镜、制备胶囊等方式进行。过去许多研究表明，FMT 在治疗复发性艰难梭菌感染方面有明显的效果。而最近的一项研究发现，FMT 可以减少白蛋白尿，并调节抗生素治疗的人源性 IgA 肾病小鼠的肾脏表型25。这表明FMT 有治疗 CKD 的潜力。然而，FMT 有一些亟待解决的问题：微生物移植可能会扰乱受者肠道微生物组；供者粪便的安全性难以保障，检测传染性病原体、寄生虫等仍是一项持续的挑战；移植后效果能持续多久仍不清楚。因此，美国食品药品监督管理局就 FMT 治疗的风险发出警告。为了解 FMT 在临床上的疗效和可能的副作用，我们需要对 FMT 进行更严谨的研究。4 挑战与展望随着技术的进步，我们对复杂的肠道微生物群有了更深入的了解，尤其是揭示了肠道微生物群及其代谢物对 ESRD 患者长期预后的重要作用。其中，蛋白结合毒素是一个关键因素。蛋白结合毒素不仅导致 ESRD 患者免疫功能障碍，还可造成多系统损伤。然而，由于蛋白结合毒素的特殊性，常用的透析方法并不能将其彻底清除。因此，未来需要开发旨在减少或消除这些有害物质的新型干预措施。跨学科合作是未来研究发展的方向。与材料学领域合作，利用新型吸附材料结合传统的透析方法可能为清除蛋白结合毒素带来希望。此外，尽管微生物相关的基因工程技术仍处于早期阶段，但利用基因工程靶向参与蛋白结合毒素生产的酶可能是一条可行的途径。总的来说，尽管未来肠道微生物研究面临许多挑战，但肠道微生物相关代谢产物在作为 ESRD 及其预后的生物标志物方面仍具有相当的应用前景。此外，基于微生物组的治疗在改善 ESRD 和透析患者健康方面表现出了巨大的潜力。利益冲突：所有作者声明不存在利益冲突。华西医学 2023 年 7 月第 38 卷第 7 期 977 http:/www.wcjm.org 参考文献Wang L,Xu X,Zhang M,et al.Prevalence of chronic kidneydisease in China:results from the Sixth China Chronic Disease andRisk Factor Surveillance.JAMA Intern Med,2023,183(4):298-310.1Yang C,Yang Z,Wang J,et al.Estimation of prevalence of kidneydisease treated with dialysis in China:a study of insurance claimsdata.Am J Kidney Dis,2021,77(6):889-897.2Snauwaert E,Van Biesen W,Raes A,et al.Haemodiafiltration doesnot lower protein-bound uraemic toxin levels compared withhaemodialysis in a paediatric population.Nephrol Dial Transplant,2020,35(4):648-656.3Wong J,Piceno YM,DeSantis TZ,et al.Expansion of 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修回日期：2023-07-08 本文编辑：孙艳梅 978 West China Medical Journal,Jul.2023,Vol.38,No.7 http:/www.wcjm.org