肠道菌群对草酸钙结石的影响

Abstract

Kidney stone is one of the common diseases of the urinary system. About 80% of kidney stones are mainly composed of calcium oxalate. As a huge bacterial network, the interaction of gut microbes is complex. Intestinal microbes may play a role in the pathogenesis and prevention of kidney stones. The intestinal flora of patients with calcium oxalate stones possess unique distribution of gut microbes. Oxalobacter formigenes, Bifidobacterium, Lactobacillus, Escherichia coli, and Providencia reteri bacteria are closely related to calcium oxalate stones, which provides new ideas for the prevention and treatment of urinary stones.

肾结石是一种常见的泌尿外科疾病，其发病率和复发率均很高。在中国，1991―2000年、2001―2010年和2011年肾结石发病率分别为5.95%、8.86%和10.63%，在上尿路结石中约有80%为草酸钙结石^[1]。目前以各类腔镜手术为主治疗肾结石，虽然随着设备的改进及医生操作水平的提高可以达到满意的疗效，但是10年内肾结石的复发率仍可高达50%，无疑给患者带来了沉重的经济与心理负担^[2]。鉴于结石的具体形成机制不清楚，目前预防以增加液体摄入量冲刷泌尿系统结晶沉积、控制钙质与草酸盐摄入量为主。人体肠道含有10万亿个不同共生体，包括50个细菌门和100~1 000个细菌物种，统称为肠道菌群，其编码的基因被称为肠道微生物组(gut microbiome，GMB)。近年来，随着GMB测序技术的发展，哮喘^[3-4]、炎症性肠病^[5]和心血管疾病^[6]等多种疾病被证明与GMB相关。肥胖和糖尿病均是泌尿系结石病的危险因素^[7]，它们具有独特的GMB。GMB对泌尿系结石的影响也是目前研究的热点，研究较为深入的肠道菌群有产甲酸草酸杆菌(Oxalobacter formigenes)、双歧杆菌、乳酸杆菌、大肠埃希菌和雷氏普罗威登斯菌等。上述研究从侧面反映出肠道菌群能够对泌尿系结石的形成产生影响，因此以肠道菌群为靶点可能为泌尿系草酸钙结石的治疗和预防提供新的依据和参考。

1. “肠-肾轴”理论

Ritz^[8]观察到血液透析患者透析过程中的一过性肠道灌注不足引起的肠黏膜缺血-再灌注损伤，肠道内的细菌、内毒素穿过受损肠黏膜屏障进入血液循环，大量的毒素堆积使机体产生一系列不良反应。Meijers等^[9]根据慢性肾疾病出现的肠道代谢物异常于2011年在国际透析大会上提出“肠-肾轴”理论，该理论阐释肾与肠道之间在生理及病理上的密切关系，并揭示肠道菌群紊乱在慢性肾疾病病情进展中扮演的重要角色。近年来已有研究发现肾疾病与肠道之间的双向作用：一方面，肾疾病可以引起肠道菌群失调即肠道屏障功能受损^[10-11]；另一方面，肠道稳态的破坏有利于肠源性毒素的产生及肠道细菌、内毒素的易位，增加尿毒症及全身炎症，反过来进一步加重肾疾病的进展，形成恶性循环^[12-13]。随着对肠、肾之间病理生理的深入研究，“肠-肾轴”理论也不断发展。利用肠道菌群治疗各种肾疾病的策略也应运而生，其中部分肠道菌群因其具有可代谢草酸的能力而备受关注。肠道菌群通过“肠-肾轴”途径影响体内草酸的形成，从而抑制草酸类结石的形成，已成为目前结石研究的热点。

2. 肠道菌群概述

哺乳动物出生后，寄生菌或共生菌就会在宿主肠道内定居，并可伴随其一生。人体肠道菌群的组成极其丰富，小肠中就有10¹⁴~10¹⁵种，细菌数量约为人体真核细胞的10~100倍^[14]。肠道是人体容纳菌群种类和数量最多的器官，其组成最复杂，功能最强大。在健康人体的肠道菌群中，主要以厚壁菌门和拟杆菌门为主，约占总菌群的90%，包括丰度较多的乳杆菌属、拟杆菌属和瘤胃球菌属等，以及丰度较少的变形菌门、梭杆菌门和疣微菌门等^[15]。菌群在肠道中控制肠黏膜细胞的增殖和分化、诱导肠道血管生成，并分泌一定的抗菌肽，以维持肠黏膜屏障的完整性和抵御病原体的入侵^[16]。如果肠道微生态平衡被打破，一方面外界病原菌极易入侵，一些肠道常见的定植菌也会表现出致病力，引起机体感染；另一方面，菌群对机体的免疫、炎症的调控以及代谢产物的分泌出现偏差，可推动疾病的发生和发展^[17]。

3. 肠道菌群——预防泌尿系草酸类结石的新靶点

3.1. 草酸类结石形成的机制

草酸是一种自然界中广泛存在的生物体代谢产物，在人体中容易与钙离子形成草酸钙导致肾结石。草酸盐多由植物产生，在人类的许多食物中都可以发现。其通常从饮食来源直接进入人体，也可作为人类肝的最终代谢产物间接进入人体^[18]。饮食中的乙二醛、甘氨酸、羟脯氨酸和抗坏血酸等最终在肝中代谢为草酸盐^[19]。草酸为二阴离子形式，是一种强螯合剂，可与游离金属阳离子(如钙离子)快速结合。摄入草酸盐会导致严重的毒性反应，甚至低血钙、内脏器官出血和肾中草酸盐晶体积聚而导致死亡。

体内绝大多数草酸盐通过肾排泄，其中90%~95%的草酸盐在尿液中被清除^[20]，其余部分则分泌到肠道中，可见肾在保持草酸低水平中极为重要，但是肠道对草酸稳态的价值也不能被忽略。肠道的重要性源于其从膳食中吸收草酸的作用，是除肾外重要的草酸排泄器官。正常人体的尿钙浓度为尿草酸的10~20倍，但是尿钙离子、草酸根离子和草酸钙结晶之间的平衡却主要取决于尿草酸的浓度^[21]。如果尿液中草酸的浓度超过亚稳态极限，则矿物质会形成结晶，最终草酸钙沉积物会聚集到肾中形成结石。肠道中的一些细菌能够降解草酸盐，从而限制其吸收。因此，如果能控制肠道中草酸的吸收量，就能有效预防泌尿系草酸类结石的发生和复发。

3.2. 降解草酸盐的细菌

草酸盐不能被哺乳动物代谢，而是被哺乳动物肠道中常见的降解草酸盐的细菌代谢。从人类和其他哺乳动物肠道中可以分离出多种降解草酸盐的细菌^[22]。肠道菌群在维持体内的草酸盐平衡中起重要作用，研究人员对已知降解草酸盐的肠道细菌给予了极大关注，并将其分为两类：1)一般草酸盐降解菌，包括双歧杆菌、乳酸杆菌、大肠埃希菌和雷氏普罗威登斯菌等，它们除降解草酸盐外还能降解其他碳源；2)特殊草酸盐降解菌，例如产甲酸草酸杆菌是草酸盐的“专性消费者”，它只能把草酸盐作为唯一的碳源和能源^[23]。

3.2.1. 一般草酸盐降解菌

乳酸杆菌是革兰氏阳性、无芽孢的杆菌，属于人体的正常寄生菌群，容易在肠道中寄生。Paul等^[24]研究表明：乳酸杆菌分泌的草酸脱羧酶能够降解实验大鼠的肠道草酸，从而防止草酸钙结石的形成。细菌的这种能力归因于甲酰辅酶A转移酶和草酰辅酶A脱羧酶，这些酶通过转移辅酶A可增强草酸和乳酸的作用，而这些酸实际上参与了草酸钙的降解^[25]。既往的实验仅局限在动物模型上，理论上乳酸杆菌可以降解肠腔中的草酸盐，但能否增加人体尿草酸盐的排泄，仍需要大量的临床试验来证明。

双歧杆菌(Bifidobacterium)是一种厌氧的革兰氏阳性杆菌，末端常常分叉。近年来，随着GMB学研究的进展，双歧杆菌在医药、食品等方面得到了广泛的应用。火玮^[21]报道6例特发性草酸钙结石并伴发高草酸尿症(>40 mg/24 h)的患者，每日口服8×10¹¹ CFU(colony-forming unit)新鲜干燥的含有嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、短乳杆菌、嗜热链球菌和婴儿双歧杆菌的混合乳酸杆菌，连续服用4周后，其24 h尿草酸排泄量大大减少。Sadaf等^[18]研究表明：基于饮食中草酸盐的摄入量，用益生菌(乳酸杆菌和双歧杆菌混合物)可在一定程度上降低尿液中草酸的水平，但是总体效果不太明显。人体肠道菌群是庞大的网络体系，菌种之间的影响极其复杂。因此，能否使用益生菌达到理想的效果需要进一步研究。

大肠埃希菌俗称大肠杆菌，为革兰氏阴性短杆菌，周身鞭毛，能运动，无芽。大肠埃希菌的Yfdw蛋白已被证实与产甲酸草酸杆菌的Frc结构和功能类似^[26]。雷氏普罗威登斯菌为革兰氏阴性菌，以周生鞭毛运动，兼性厌氧。Hokama等^[27]发现拥有草酸降解能力的雷氏普罗威登斯菌菌株可能存在分子量分别为65 kD(1 D=1 u)和48 kD的与草酸代谢有关的2种蛋白质，这2种蛋白质不存在于无降解草酸能力的菌株中，且这2种蛋白质与产甲酸草酸杆菌中的Fro和Oxc抗体呈交叉反应，可能提示这2种细菌降解草酸的机制相似。

3.2.2. 特殊草酸盐降解菌

Allison等^[28]发现了一种特殊的草酸盐降解菌――产甲酸草酸杆菌，因其影响草酸钙结石病的发生、发展而引起广泛关注。产甲酸草酸杆菌是一种革兰氏阴性专性厌氧细菌，是人类和其他哺乳动物肠道中正常菌群的一部分。它可以降解摄入的草酸盐并减少其肠道吸收，还可刺激结肠中草酸盐的分泌，从而降低尿液中草酸水平。

由于产甲酸草酸杆菌能够代谢草酸盐，因此有研究者评估了该单一菌种降低尿液中草酸水平的潜力，但是研究结果存在分歧，如Siener等^[29]报道草酸盐结石患者的尿草酸盐排泄量显著增高，与对照组相比，产甲酸草酸杆菌水平非常低，因此可以认为草酸盐结石的形成与缺乏产甲酸草酸杆菌的定植有关；Magwira等^[30]研究指出肾结石患者和对照组的产甲酸草酸杆菌水平都非常低，很难显示出丰度，不足以说明结石的形成与产甲酸草酸杆菌有关。这种差异可能归因于：1)研究人群不同，肾结石的患病率因饮食习惯和地理位置而异。2)检测方法不统一。以往的研究都是基于传统的微生物培养、实时反转录聚合酶链反应和16S rRNA扩增子变性梯度凝胶电泳(DGGE)；新近研究多采用16S rRNA基因测序，可分析肠道菌群的组成和多样性，这是公认的阐明肠道细菌整体组成的技术。3)纳入标准不一致。一些研究并未区分原发性肾结石形成者和复发性肾结石形成者，一些研究没有区分具有不同种类结石的患者，一些研究只是调查了草酸钙结石患者。除了在小肠将草酸代谢为甲酸盐和CO₂，并将其排泄到粪便中外，产甲酸草酸杆菌还可能通过调节肠内阴离子交换剂Slc26A6与肠道相互作用，如Slc26A6存在于小肠、远端结肠和肾脏中，可促进草酸盐的分泌，从而降低机体的草酸盐水平^[31]。

研究^[32]表明：人类和仅接种产甲酸草酸杆菌的Sprague-Dawley大鼠通常会在5 d到5周内丧失细菌及其相关功能。某些个体可以在接种9个月后仍保留产甲酸草酸杆菌，这表明个体之间存在潜在的重要差异，这可能取决于机体管腔内钙、草酸盐浓度和pH值。一项III期临床试验^[33]发现：与安慰剂相比，产甲酸草酸杆菌降低尿液中草酸水平的效果不佳。尝试使用降解草酸盐的益生菌来减少尿草酸盐的排泄并不能持久。在肠道菌群中，草酸盐的降解活动可能是由大量的菌种共同完成，它们在一个复杂的代谢网络中相互影响，而不仅仅是依靠一个或有限数量的物种。因此，在肠道环境中引入降解草酸盐的细菌可能不足以产生显著的降解草酸盐的效果。

4. 结 语

尽管尚缺乏GMB变化与肾结石发生率之间直接因果关系的研究，但是测序技术和分析工具的发展为探讨肠道与肾结石病理生理作用提供了一个有利的机会。在进一步研究时，要认识到以往研究的局限性，如先前的动物研究都是通过添加产甲酸草酸杆菌、益生菌和改变饮食来控制啮齿动物的肠道菌群，但人类的肠道菌群与啮齿动物显著不同，因此有必要寻找一种更具代表性的模型。另外，将肠道菌群理解为一个庞大的细菌物种网络，进一步了解肠道菌群中各个菌群的相互关联性，以及草酸盐降解后发生的代谢变化可能具有重要的意义。从功能级别上了解草酸盐降解菌之间的细微差异，将可能更好地了解每个成员的作用及其在维护机体无结石环境中的重要性。

基金资助

甘肃省自然科学基金(17JR5RA333)。

This work was supported by the Natural Science Foundation of Gansu Province, China (17JR5RA333).

利益冲突声明

作者声称无任何利益冲突。

原文网址

http://xbyxb.csu.edu.cn/xbwk/fileup/PDF/2021111285.pdf