肠道菌群与相关疾病的研究进展

人类肠道内居住数百种细菌，并与人体保持着共生平衡的关系，该平衡一旦打破即可能导致相关疾病的发生。基因组测序技术发现了很多肠道菌群代谢产物，其中一些在人类疾病的发生发展中起着重要作用^[1]。越来越多的研究聚焦于肠道菌群变化及其代谢产物对各种疾病的影响，如慢性肾功能不全、代谢综合征、糖尿病、心力衰竭、高血压、动脉粥样硬化和血脂异常等^[2]。以下就肠道菌群与慢性心力衰竭、慢性肾脏病及2型糖尿病的关系以及相应的临床意义进行综述。

一、肠道菌群的作用

人体胃肠道包含大量复杂的微生物种群，称为肠道菌群。拟杆菌、厚壁菌、放线菌、变形菌和疣微菌为人体主要的肠道菌群^[3]。正常人体内，乳酸杆菌及双歧杆菌数量占优势，它们保护宿主免受众多慢性炎症性疾病的影响，因此也称为"抗炎细菌"^[4]。肠道菌群还可以协助宿主消化吸收，调节黏膜屏障的发育和功能，控制营养摄取和代谢，促进免疫组织的成熟，影响人体对肠内容物抗原的耐受能力并防止病原微生物的繁殖^[5]。肠道菌群的个体遗传差异性很大，宿主基因变异可能影响肠道菌群的种类及数量，同时人体所处周围环境、饮食及药物也会影响到肠道菌群的群落特征^[6]。

肠道菌群的代谢产物也会对人体健康产生重要影响。肠道菌群主要通过糖分解或蛋白水解参与食物消化代谢。糖分解途径的产物短链脂肪酸，具有免疫调节作用^[7]，蛋白水解产生的短链脂肪酸及其他共同代谢物，如氨、胺、硫醇、酚类和吲哚等，其中一些对人体有毒性作用，这些毒性代谢产物涉及多种疾病的发病机制，例如糖尿病、胃肠疾病、肾脏疾病、癌症和心血管疾病等^[6]。

二、肠道菌群与心力衰竭

1.心力衰竭患者肠道菌群的改变：

随心力衰竭的发生及进展，肠道菌群的群落特征也发生着改变。有研究表明，慢性心力衰竭患者肠道菌群丰度降低，益生菌显著减少，致病菌明显增多^[8]。Pasini等^[9]通过对心力衰竭患者肠道菌群的研究发现，与健康人相比，心力衰竭患者肠道通透性增高，并且纽约心脏协会（NYHA）心功能分级Ⅲ~Ⅳ级的患者肠道通透性显著高于Ⅰ~Ⅱ级患者；随心力衰竭病情的进展，肠道菌群改变也愈加显著，致病菌（如弯曲杆菌、志贺杆菌、沙门杆菌、耶式森菌及假丝酵母菌等）的数量显著升高。

2.心力衰竭的肠道假说：

心力衰竭发生时，患者肠道血流量减少，肠绒毛易出现功能性缺血，此时患者肠道的形态、通透性和功能显著改变，更多细菌移位入血液循环，促进全身性炎症，进一步加速心力衰竭进程^[2]。

肠道通透性的增加使得促炎因子更易进入人体血液循环中，如肿瘤坏死因子α（TNFα），白细胞介素-6（IL-6）和C-反应蛋白等，有学者称之为"肠漏症（leaky gut）"^[10]。心力衰竭患者肠道细菌DNA浓度明显升高，这些细菌DNA或其产生的内毒素转移到患者的全身循环中，这有可能是"肠漏症"的初始原因^[11]。心力衰竭促进全身炎症的发生，而炎症进一步降低患者心功能水平，形成恶性循环^[12]。

3.心力衰竭与肠道菌群代谢物：

（1）氧化三甲胺（trimethylamine N-oxide，TMAO）：偏苯三酸酐（trimethylamine，TMA）是肠道菌群在利用胆碱、肉毒碱、磷脂酰胆碱等获得能量后的代谢产物，而TMAO是其在肝脏经单加氧酶作用转化而来的产物^[13]。已有大量研究表明，血浆TMAO浓度升高与心力衰竭的发生发展密切相关，TMAO水平升高时，会加剧包括心脏在内的多脏器纤维化，从而加速心力衰竭的进程^[14,15]；血浆中TMAO浓度升高可使清道夫受体上调，促进泡沫细胞的形成，加速冠状动脉粥样斑块的形成，进而导致缺血性心肌损伤^[16]；TMAO还可以干扰胆固醇代谢，促进冠状动脉粥样硬化的发生，从而诱发心力衰竭等终末事件的出现^[17]；TMAO过度增加会引起大量的炎症介质释放，激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路及核转录因子（NF）-κB，而NF-κB是介导血管炎症反应的关键物质^[15]，同时TMAO可通过激活Nod样受体蛋白3（NLRP3）来诱导血管炎症反应^[18]。近年来，也有大量临床研究表明，TMAO浓度与心力衰竭患者院内死亡率、NYHA心功能分级、左心室射血分数及左心室舒张功能不全呈正相关^[19,20,21]。

有研究人员发现，通过在小鼠体内应用胆碱类似物3-二甲基-1-丁醇（3-dimethyl-1-butanol，DMB）阻断TMA裂解酶，可以有效的减少肠道菌群产生TMA和TMAO，而且DMB对小鼠肠道菌群是无致死作用的，DMB有望成为今后TMAO的靶向阻断剂^[22]。

（2）短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）：SCFAs由膳食纤维经微生物发酵产生，其主要包括醋酸、丙酸和丁酸^[7]，这类物质有能量储备作用，可降低肠内渗透压，并对调节结直肠的功能和结肠上皮细胞形态具有重要作用^[6]。近期有实验发现^[23]，小鼠体内SCFAs参与肠道巨噬细胞功能的调节，可能的机制是SCFAs抑制了组蛋白去乙酰化酶的活性，进而抑制了炎性细胞因子的产生。同时SCFAs也参与其他细胞的免疫调节功能，如上皮细胞、中性粒细胞和T细胞等，其中调节性T细胞（Treg）可以改善心肌纤维化，抑制心肌细胞凋亡，改善心功能，而SCFAs可诱导调节T细胞的增殖，对心肌细胞产生保护作用^[8]。该物质在人体和动物模型的作用及代谢存在差异，与心力衰竭的关系有待进一步实验研究明确^[6]。

（3）胆汁酸（bile acids，BAs）：胆汁酸是胆汁的重要成分，初级胆汁酸由肠道菌群转变为次级胆汁酸，而胆汁酸池的组成变化亦可影响肠道菌群的分布^[24]。多种胆汁酸，特别是TGR 5（transmembrane G protein-coupled receptor-5）激动剂，对心肌细胞及心肌适应性调节起关键作用^[25]。心力衰竭患者肠道菌群失调导致初级胆汁酸与次级胆汁酸的比例降低，可因此导致心功能受损，而法尼醇X受体（farnesoid X receptor，FXR）可改善胆汁酸池比例失调，抑制NF-κB进而减轻炎症反应，改善心肌功能^[6]。TGR 5激动剂和FXR可能是今后治疗心力衰竭的新靶点。

三、肠道菌群与慢性肾脏病（chronic kidney disease，CKD）

1.CKD患者肠道菌群的改变：

研究发现，终末期肾病患者与健康人肠道菌群种类及数量存在明显差异，终末期肾病患者短状杆菌、丁酸弧菌、肠杆菌、盐单胞菌、莫拉菌、微球菌、多囊黏细菌、假单胞菌、硫发菌等明显增加；该研究同时发现在CKD模型大鼠肠道内乳酸菌和普雷沃菌显著减少^[26]。值得注意的是，CKD患者优势肠道菌群通常能够直接或间接地诱发局部或全身炎症，如变形杆菌（proteobacteria）中的肠杆菌和丙酸杆菌等，均能损伤肠黏膜屏障功能进而引起炎症反应，并通过提高肠道辅助性T细胞（Th）17/Treg比率，使脂多糖（LPS）和肠道细菌成分易位到全身血液循环^[27]。

蛋白尿是CKD发生和发展的重要危险因素，长期蛋白尿可使肾功能恶化，进而导致CKD^[28]。肠道菌群失调与IgA肾病和狼疮性肾炎等许多蛋白尿性肾脏疾病有关；并且菌群失调可致Treg数量的降低，可促进肾病综合征的发生发展^[29,30]。同时肠道菌群失调与高血压和糖尿病联系密切，而这两种疾病会导致肾小管玻璃样变性进而导致肾功能下降^[27]。

2.CKD与肠道菌群代谢物：

CKD患者体内的优势肠道菌群会产生多种有毒物质，包括吲哚硫酸盐（indoxyl sulfate）、TMAO及对甲酰基硫酸酯（p-cresyl sulfate）等^[31,32]。吲哚硫酸盐随肾功能下降而上升，该物质促进可溶性CD₃₆及可溶性晚期糖基化终末产物受体（sRAGE）等炎症介质的产生，使肾功能进一步恶化^[33]。Chen等^[18]发现，提高大鼠血液循环中的TMAO水平可影响CKD大鼠模型的血管内皮功能，使血管氧化应激和炎症反应增强，进一步加重肾功能不全。亦有研究发现，血浆TMAO水平显著影响肾小球滤过率；并发现CKD患者接受肾脏替代治疗后，TMAO水平可降低到正常水平^[34]。尽管相关研究尚不充分，但仍有望通过控制肠道菌群及其代谢物，改善CKD患者病情。

四、肠道菌群与2型糖尿病

1. 2型糖尿病患者肠道菌群的改变：

2型糖尿病患者体内肠道菌群较正常人发生显著变化，厚壁菌群减少，脆弱拟杆菌由正常的60%骤减到15%左右，而β变形菌类丰度明显增加，且其与血糖呈正相关^[35]。有学者发现，肠道菌群多样性减低与肥胖、胰岛素抵抗和低度炎症有关^[36,37]。产丁酸盐梭状杆菌有很强的抗炎作用，而糖尿病患者体内产丁酸盐细菌减少，可能损害肠道完整性，导致内毒素血症引起低度炎症^[38]，肥胖与胰岛素抵抗^[39]。同时，革兰阴性菌的增多也与低度炎症相关，并且来自其菌膜的LPS经肠道位移入血液循环会对葡萄糖代谢产生负面影响^[40]。另有学者指出嗜黏蛋白-艾克曼菌（Akkermansia muciniphila）在糖尿病模型小鼠及人体肠道内数量增多，该菌具有调节人体代谢和减轻肥胖的作用^[41,42]。可见部分菌群变化对糖尿病患者亦有裨益，相关内容有待进一步丰富。

2. 2型糖尿病与肠道菌群代谢物：

肠道菌群代谢产物可以通过多种途径调节人体的消化吸收和内分泌功能，从而影响血糖稳态^[43]。能够促进糖尿病发生发展的肠道菌群代谢产物包括TMAO和支链氨基酸（BCAA）等。高血糖状态下TMAO浓度升高，对葡萄糖代谢起负性调控作用^[44]；Pedersen等^[45]发现，胰岛素抵抗患者血浆BCAA水平升高，且其升高与特定的肠道细菌有关（如类杆菌和普通拟杆菌）。能够改善糖尿病患者病情的肠道菌群代谢产物包括SCFAs和甘氨熊去氧胆酸（glycoursodexoycholic acid，GUDCA）等。den Besten等^[46]推测，SCFAs可以通过调节胰高血糖素样肽-1（GLP-1）的产生诱导饱腹感，使人体减少能量的摄入，预防肥胖及胰岛素抵抗发生，但该假说尚待实验验证；近期Sun等^[47]发现，在糖尿病小鼠模型中短期应用二甲双胍可减少肠道脆弱拟杆菌，从而提高体内GUDCA水平，GUDCA是一种FXR拮抗剂，能够提高糖耐量，GUDCA相关肠道靶向治疗可能成为2型糖尿病的新兴治疗方法。

五、保健与治疗

1.饮食调节：

饮食模式的改变会影响肠道微生物的组成和多样性，从而导致肠道菌群的比例发生变化。当前有两种饮食模式受到的关注较多。其一，现代生活中高脂、高能量及低膳食纤维的饮食方式常见，研究表明该方式能造成肠道菌群失调。高脂饮食会增加LPS的位移，促进炎症的发展及胰岛素抵抗的发生^[48]，干扰肠道胆汁酸代谢，促进慢性炎症的产生^[49]。高能量饮食改变肠道菌群的分布并导致代谢紊乱^[50]；膳食纤维中含有微生物相关碳水化合物（microbiota-accessible carbohydrates，MAC），该物质能供给肠道微生物营养，但人体本身却不能利用这种物质，该物质有助于肠道菌群多样性的维持并抑制炎症反应，而长期低膳食纤维饮食会导致产MAC细菌不可逆性减少^[51]。其二，地中海饮食是一种相对健康的饮食模式，它强调饮食的多样性，增加谷物、蔬菜、水果的摄入，降低乳制品和红肉比例，饮食多样性是肠道微生物稳定性的驱动因素，地中海饮食方式可降低多种慢性疾病的全因死亡率和发生风险^[48,52]。究竟何种饮食方式可有效维持人体肠道菌群的稳定还没有定论，有待今后进一步研究。

2.益生菌治疗：

益生菌补充是一种辅助性疗法，其通过调节肠道pH值，拮抗病原体，竞争性结合营养物质，改善肠黏膜屏障，以改善肠道微生物的平衡，有助于维持患者肠道屏障完整性和调控代谢^[53]。益生菌治疗是对胰岛素抵抗治疗的有效补充疗法，其中最常用的益生菌是双歧杆菌和乳酸杆菌，这两种细菌均能调节血糖，降低糖化血红蛋白水平^[54]。关于心力衰竭患者补充益生菌的研究目前还较少，有研究指出^[55]，布拉酵母菌（Saccharomyces boulardii）似乎对心力衰竭患者有益处，短期内可改善左心室射血分数。益生菌对改善CKD患者预后的效果还不明确，有待今后进一步研究。目前益生菌疗法在这3种疾病的应用还停留在实验阶段，主要的风险是应用不恰当或者过量可能会引起脓毒症从而加重病情^[56]。Cell杂志新近发表的研究称，抗生素治疗会影响益生菌的定植从而减弱益生菌对菌群失调的治疗价值，而粪菌移植（fecal microbiota transplantation，FMT）可能会对此类肠道菌群失调有重要意义^[57]。

3.FMT：

FMT是将健康人粪便中的功能菌群，移植到患者胃肠道内，改善菌群失调，实现肠道及肠道外疾病的治疗。有学者研究发现，因大量应用抗生素后，部分患者出现梭状芽孢杆菌顽固性感染及严重菌群失调，应用异体FMT治疗效果明显，其机制可能为FMT改善了胆汁酸代谢通路^[58]。同样也可行自体FMT，这种治疗要求患者患病之前保存过自体健康肠道生物群落，有研究人员发现，对于顽固性肠道菌群失调及免疫抑制明显的患者，应用自体FMT后，患者肠道微环境得到明显改善^[59]。目前FMT的临床试验仍在进行中，但今后也许会成为一种治疗顽固性菌群失调的有力手段。

六、展望

关于肠道菌群与相关疾病的研究是目前的热点，心力衰竭、CKD及2型糖尿病是临床工作中的常见病与多发病，三者的关系密切交织。肠道菌群及其代谢产物在这3种疾病的发生发展中起着重要的推动作用，而其中的一些具体机制尚不明确，但随着科技水平的进步及研究的深入，相信调节肠道菌群的方法将广泛应用于3种内科常见疾病的诊断与治疗。