肠道微生物是含钙结石形成的推手?

2020-10-28 医学镜界

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肾结石是一种复杂的且全球流行的疾病，受基因和环境因素的影响。成对的研究显示结石的遗传风险大概为56%，然而其他的影响风险包括：饮食、运动、工作环境和地理。

最近这些年，肠道微生物体系影响尿液组成的作用也导致了有数据显示：它们也会影响肾结石的发生率。大约75%的肾结石主要由草酸钙构成，尿草酸被认为是一个重要风险因素。微生物体系在肾结石的形成机制和预防都有重要作用，肠道微生物体系在肾脏疾病的作用是最近的研究热点。草酸杆菌属可减少肠道内的草酸盐，并减少尿液中草酸排泄。肠道微生物指动物肠道中存在的数量庞大的微生物，这群微生物依靠动物的肠道生活，同时帮助寄主完成多种生理生化功能。肠道不仅是人体消化吸收的重要场所，同时也是最大的免疫器官，在维持正常免疫防御功能中发挥着极其重要的作用。人体肠道为微生物提供了良好的栖息环境，成人肠道内的微生物数量高达10^14个，接近人体体细胞数量的10倍；质量达到1.2kg，接近人体肝脏的质量；其包含的基因数目约是人体自身的100倍，具有人体自身不具备的代谢功能。

数以万亿在我们成人肠道的微生物被称为肠道微生物体系（GMB）。在功能上它像一个新陈代谢的器官，与我们人体代谢器官交流补充。虽然GMB与肾结石（KSD）的联系尚未清楚，但是GMB的失调与糖尿病、肥胖和心血管疾病有关。对肾结石形成者和非结石形成者的GMB进行比较分析，发现两者的肠道微生物简况有明显的差异。其他研究证明两种已经的KSD危险因素：糖尿病与肥胖，都会被GMB调节。GMB与T2D之间的联系已经被两项独立研究证明：通过健康人与T2D患者的排泄物的生物体系。调节GMB已经被证明可以改变疾病的状态：例如肥胖和DM。当一个苗条的且非糖尿病的GMB移植到一个肥胖且糖尿病的人身上，在六周内胰岛素敏感性提升和肥胖患者的代谢产物简况开始看起来像一个苗条的患者。假如肾结石患者中的GMB信号可以被确定，那么调控GMB可能是一个治疗KSD的一个新的预防方法。

同时，虽然目前还没有发表GMB和KSD相关的报道，但是最近的数据已经证实了GMB和肾脏之间的相互作用。已有数据表明微生物组成可以影响肾小球疾病的预后，近期数据表明肾脏炎症可以通过肠道发酵产生的代谢产物来调节。短链脂肪酸（SCFAs）就是这样的产物，由复杂的碳水化合物发酵而产生，并已被证明可以改善急性肾脏损伤。值得注意的是，在肾缺血再灌注损伤小鼠模型中，发现短链脂肪酸产生菌治疗可减少缺血损伤。Khan等人认为，肾结石形成者体内活性氧含量过高可能是KSD中斑块形成和继发炎症的部分催化剂。有趣的是，我们的实验室数据证明：被认为是炎症重要介质的SCFA丁酸盐在肾结石患者中的含量是对照组的2.3倍（P=0.04）。代谢产物的分泌物是GMB的一种功能，已有研究表明代谢产物水平往往以肠道上皮细胞的功能聚集。

Allison及其同事于1985年发现了一种草酸降解菌Oxalobacterformigenes（Oxf），因其参与草酸钙结石病而备受关注。临床研究提示：机体缺失Oxf与高草酸尿症与草酸结石形成间有直接联系。革兰氏阴性厌氧菌是人类肠道菌群和其他哺乳类动物的正常细菌的一部分。它的独特之处在于它既需要草酸作为碳源也需要ATP的生成。它已经在人类、啮齿动物、狗、猪和牛的肠道被发现。如果存在的话，那么它可降解摄入的草酸，减少肠道吸收，减少刺激结肠草酸分泌，预防高草酸尿。

Oxf的草酸盐代谢需要通过被oxIT基因编码的称为OxlT的膜转运蛋白摄取细胞外草酸盐以换取甲酸盐（参见图1）。frc基因编码甲酰CoA转移酶Frc，其通过添加辅酶A分子以形成草酰-CoA来活化草酸盐。然后将草酰基-CoA脱羧成CO2和甲酸盐，然后用oxlT利用后者以吸收更多的草酸盐。脱羧反应由oxalyl-CoA-脱羧酶催化，由oxc基因编码。质子的向内梯度导致ATP产生。

虽然oxf被认为是最有效的草酸盐降解剂，但其他草酸盐降解微生物群在人体肠道中的作用尚未完全阐明。多种细菌种类同时具有oxc和frc，并且在体外具有草酸盐降解活性。最近，Hatch等人研究表明：乳酸双歧杆菌定殖通过降解膳食草酸盐并减少其在小鼠模型中的肠道吸收来减少尿草酸盐。在一项针对南非男性的研究中，已经确定了乳酸杆菌属具有降解高草酸盐能力。

比较17种Oxf的细胞脂肪酸谱将这些菌株分成两个主要组，目前称为第1组（例如菌株OXCC13）和第2组（例如菌株HOxBLS）。作为人类微生物组计划的一部分，这两个菌株的基因组测序可以增加我们对生物体重要生物学特性的理解。在对数和静止生长期培养物中进行Oxf的额外蛋白质组学分析，可以鉴定对其生长和存活至关重要的特定蛋白质。

基于PCR检测对oxc 和/或 frc基因的特异性发展，允许研究该生物体在草酸盐代谢中的作用。可以高度灵敏和特异性地快速检测粪便培养物和新鲜粪便标本中的Oxf。测量粪便的草酸盐降解能力是间接确定有机体存在与否和活性的另一种方法。

研究报道了Oxf在正常人体肠道中定殖的程度有很大差异。可能存在检测不到的细菌水平，或者每克粪便可能存在多达107个细菌。粪便样品中的Oxf水平增加约10倍，饮食草酸盐增加10倍。相比之下，有机体的丰度随着钙摄入量的增加而降低，这会使草酸盐结合并降低其可用性。

肠道微生物的调控可以影响肾脏内代谢物的水平，因此可能调节肾结石发病机制。目前还不知道GMB如何对肾结石或随后的饮食改变作出反应。也许在肾结石疾病中，饮食建议不能显著改变患者的核心肠道微生物体群。虽然饮食已被证明能迅速改变个体肠道微生物组成。为了研究GMB对饮食变化的反应稳定性，一项对照饮食研究随机选取了10天为一周期的患者，要求他们维持固定饮食进行研究。微生物组成的变化是显著且迅速的，但是变化的幅度不大也不足以改变肠道微生物群。我们在属水平上鉴定了178种细菌类型，超过50%的细菌总数仅由5种核心肠道菌群构成。由于普氏菌属和拟杆菌属的权重很大，而且很可能代表核心肠道菌群，其他不占主导地位的菌群没有聚在一起。也许这些不占主导地位的菌属易受环境和饮食影响。另外，肠道菌群的亚群可能只能用更多的样本检测到。在肾结石患者中，饮食的改变是否能够“转化”GMB的核心菌群还不清楚，但是它为尿石症的研究开辟了一条广阔的、从未研究过的道路。尽管有饮食方面的建议，但肾结石的发病率越来越高、复发率也越来越高，这些都促使我们认识肾结石患者中GMB的情况，并以此了解GMB在肾结石患者中所起作用的第一步。

事实上,肠道微生物体系紊乱会导致肾结石的发生,其中重要相关的是普氏菌属和拟杆菌属微生物，未来，这两种菌属微生物应该是肾结石的热点。尽管缺乏肠道微生物组改变与肾结石发病率之间直接因果关系的研究，但所评论的文献具有高度的启发性。虽然这一领域的研究仍处于早期阶段，但测序技术和分析工具的进步为探索以往尚未解答的关于肠道和尿液细菌在结石形成机制中的作用的问题提供了独特的机会。（到目前为止，还没有研究将尿液中的非致病细菌（与肠腔相比）与肾结石相关联）。

在开展进一步研究时，可以确定并考虑先前研究中的一些限制。所有动物研究都通过添加Oxf和改变饮食来操纵啮齿动物的微生物体系。我们知道人类微生物组和饮食与啮齿动物有显著差异，因此有必要找到更具代表性的模型从而更好地了解人体。此外，理解肠道微生物组作为执行功能的细菌物种的网络，例如，草酸盐降解，而不是作为单一物种，可能具有重要的治疗意义。