基于肠-肾轴的脓毒症相关性急性肾损伤
基于肠-肾轴的脓毒症相关性急性肾损伤
脓毒症（sepsis）被定义为宿主对感染反应失调导致的危及生命的器官功能障碍[1，2]，最常见的是多器官功能障碍，特别是肾脏功能障碍，即脓毒症相关性急性肾损伤（sepsis associated acute kidney injury，SA-AKI）[3]。SA-AKI常见于重症脓毒症患者，重症监护病房（ICU）患者SA-AKI发病率达40%~50%[4]，病死率高达70%[5]。大多数患者在开始药物治疗前就已发展到急性肾损伤（AKI）阶段[6]，但其具体病理生理机制尚不清楚[3]。在脓毒症发生前，肠道微生物群通过多种机制发生改变，使宿主更易发生脓毒症，其中包括使致病性肠道细菌扩增，启动免疫系统，产生强烈的炎症反应，减少有益微生物产物〔如短链脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）〕的产生[7，8]。在脓毒症发生后，正常肠道微生物群结构的变化与脓毒症的不良预后也显著相关[9]。肠道和肾脏构成了具有双向协同关系的"肠-肾轴"，"肠-肾轴"的存在促进了肠道微生物群与肾功能之间的双向交流，参与脓毒症的发展，在SA-AKI中发挥关键作用，并参与各种病理损伤机制，具有积极和消极的影响[10，11，12]。因此，本文总结脓毒症患者肠道菌群、肠道屏障与肾脏功能的变化，探讨肠道菌群构成的改变、肠道屏障障碍及肾脏损伤之间的相互作用，对指导SA-AKI患者的治疗和逆转胃肠功能障碍具有重要意义。
1 "肠-肾轴"理论
2011年，Meijers和Evenepoel [13]首次提出了"肠-肾轴"（gut-kidney axis）理论，其核心是慢性肾衰竭导致结肠菌群紊乱，致病菌产生代谢性毒素（主要是硫酸吲哚酚和P-甲酚）进入循环系统导致炎症反应和氧化应激损伤，从而加重肾脏损伤。"肠-肾轴"是指胃肠道与肾脏之间的相互作用，胃肠道对肾脏功能具有调节作用，包括神经内分泌多种激素的参与，如胰高血糖素样肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）、鸟苷、尿鸟苷素、胰泌素、血管活性肠肽、多肽、胃泌素、胆囊收缩素等可调节肾功能的肠源性因素[14，15]。"肠-肾轴"理论核心观点认为，慢性肾脏病（CKD）患者在疾病发展过程中一方面会出现肠道微生态系统（内环境）紊乱，造成肠道菌群失调，包括益生菌减少、能产生尿毒素的条件致病菌增多，结果加剧肠源性尿毒素在血液中蓄积而不能被受损的肾脏及时清除，肾功能进一步减退，最终形成肠、肾之间的恶性循环；另一方面，失调的肠道菌群还会破坏肠道上皮屏障功能，使肠源性尿毒素和条件致病菌移位，进入血液循环，激活肠道黏膜免疫系统，从而诱导全身性微炎症反应，加重肾脏的损伤[13，14，16]。这种双向交流之间的任何干扰都会引发各种严重并发症，如CKD、终末期肾病（end stage renal disease，ESRD）和SA-AKI。
2 SA-AKI
2.1 SA-AKI定义：
SA-AKI是脓毒症最常见的并发症，许多患者同时符合脓毒症和AKI的公认标准，被认为患有SA-AKI或脓毒症AKI [17]。与其他类型的AKI不同，临床和基础科学证据表明，SA-AKI的发生是一个复杂的病理过程，SA-AKI与无脓毒症的AKI不同，SA-AKI的肾脏血流灌注不减少反而增加。SA-AKI的罪魁祸首是过度的炎症反应，由许多特有的病理生理机制驱动，具有独特的时间特征（发病、持续时间） [18，19]。SA-AKI的主要病理表现为肾小管细胞凋亡[20]，此外坏死、焦亡和自噬依赖性细胞死亡也起着重要作用[21]，而其中坏死和铁死亡是最近发现的程序性细胞死亡模式[6]。
2.2 SA-AKI的病理生理机制：
SA-AKI的特征是少尿和肾溶质清除的降低，导致电解质和酸碱平衡紊乱，液体超载，代谢产物和依赖肾脏消除药物的毒性积累[22]。SA-AKI的发病机制尚不完全清楚，但已经确定的是炎症级联、大血管和微血管功能障碍、细胞反应3个异常是SA-AKI的潜在病理生理机制[20，23，24]。
2.2.1 炎症级联：
广泛性、失调性炎症是脓毒症病理生理学的决定性特征之一，也是导致许多下游并发症发生的主要原因，包括多种机制导致的肾损伤[22]。在脓毒症状态下，缓慢的管周血流也可能导致炎症信号放大，因为激活的白细胞长时间运输可能转化为邻近内皮和上皮细胞更长时间地暴露于损伤相关分子模式（damage associated molecular pattern，DAMP）和病原体相关分子模式（pathogen associated molecular pattern，PAMP）[25]。炎症介导分子如DAMP和PAMP被释放到血管内空间，并与免疫细胞表面的Toll样受体（Toll-like receptor，TLR）等受体结合[23]。该反应随后启动一系列信号级联反应，受体激活触发局部释放额外的炎症介质并募集管周炎症浸润细胞[23，26]。SA-AKI患者炎症细胞因子和氧化应激增加，髓过氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）活性升高，过氧化氢（H2O2）和丙二醛（malondialdehyde，MDA）水平升高[20]。此外，SA-AKI引起肾小管损伤的多种机制已被提出，包括循环微生物毒素的超滤，引发肾小管细胞应激和损伤的炎症介质的释放[18]，肾小管上皮细胞（renal tubular epitheliar cell，TEC）表达TLR，尤其是TLR2和TLR4。因此，一旦PAMP或DAMP被肾小球滤过，类似的通路将被激活，导致氧化应激增加，活性氧（reactive oxygen species，ROS）产生和线粒体损伤[25，27]。在动物实验中，脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）通过TLR4信号通路诱导炎症细胞因子〔特别是肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-1β（IL-1β）〕的释放，并参与氧化应激，氧化应激可激活TEC，导致细胞功能损伤，进而引起肾脏微循环障碍和低灌注，最终导致SA-AKI。
2.2.2 循环障碍:
脓毒症的特征是全身性血管舒张、区域血流分布不均匀和功能性毛细血管密度大幅下降[18]。早期认为肾灌注不足和缺血是引发SA-AKI的主要原因，但动物实验并不完全支持这一传统观点[27，28]。SA-AKI仅有一部分是由肾灌注不足造成的[27]。其他体外研究已证实，从SA-AKI诱导的TEC功能障碍患者中获得的血浆对缺血/再灌注损伤没有任何贡献[27，29]。脓毒症引起的血管功能和张力的改变可导致肾血流量（renal blood flow，RBF）减少，氧气和代谢底物的输送不足，以及细胞副产物（如乳酸）的清除不足。然而，全身血压、RBF和肾脏氧合之间的关系是复杂的。虽然微观和宏观循环缺陷有可能诱发SA-AKI，但将所有病理生理特征都归因于这一机制是不准确的[22]。肾脏血管收缩是对炎症损伤的反应，而不是肾脏损伤的起始事件[18]。
在临床脓毒症中，这些早期的血流动力学改变伴随着心排血量增加和血管扩张，同时很可能伴随着内皮细胞和肾小管细胞的炎症损伤[18，23]，以及特征性的微循环紊乱，包括内皮功能障碍、红细胞变形能力受损、糖萼层损伤和脱落及白细胞活化、黏附和募集增加、血小板黏附和纤维蛋白沉积激活凝血级联反应[25]。微循环血流紊乱被明确认为是预测脓毒症患者预后的独立标志物[25]。临床前研究表明，微循环血流紊乱似乎在SA-AKI的病理生理学中起着重要作用[18，30]，并在有、无脓毒症并发AKI的患者中显示出外周低灌注的差异，但这可能是使用血管活性药物所致。使用毛细血管再灌注指数（perfusion index，PI）评估外周灌注异常是预测SA-AKI患者的重要预后标志物[30]。脓毒症可促进近端小管周围毛细血管中周细胞的脱离及周细胞向肌成纤维细胞的转分化，这可能进一步诱导了免疫细胞浸润到间质间隙以及白质淤积和缺氧的发生。而这种情况在感染早期就已出现，可能是微循环异常和肾脏损伤的主要原因[24，31]。
循环炎症介质改变血管内皮，导致内皮功能障碍。在SA-AKI的动物模型中，肾小球血流量的减少归因于小动脉和肾小球中内皮型一氧化氮合酶激活的抑制，而皮层管周毛细血管灌注的减少与上皮氧化还原应激有关[31]。炎症细胞因子刺激内皮细胞产生一氧化氮，导致血管扩张和自动调节功能的丧失。全身血管内皮生长因子水平升高，循环鞘氨甘肽1-磷酸水平降低，肾小球内皮细胞糖萼成分丢失，紧密的细胞连接松动，导致微血管通透性增加，血管内液体进入组织，引发血管内相对低容量血症。此外，激活的内皮有助于形成血栓前状态，可导致微血管血栓形成[22]。
有研究显示，肾皮质小动脉、肾小球、肾小管周围毛细血管和毛细血管后小静脉中的微血管内皮细胞具有内在的分子和表型异质性，并以节段特异性的方式对SA-AKI作出反应。虽然凝血失衡发生在所有的微血管节段，但涉及的分子在不同节段之间是不同的。黏附分子表达和白细胞募集的诱导也以异质方式发生。在脓毒症患者的肾脏和血液样本中发现了类似的内皮细胞反应的证据。SA-AKI患者微血管段特异性改变与肾功能丧失之间的关系有待全面研究[31]。
2.2.3 免疫机制/细胞反应：
过度活跃失调的先天免疫反应导致炎症分子级联激活补体系统，细胞先天免疫有助于SA-AKI[24]。细胞色素C（Cyt C）的泄漏和线粒体损伤是SA-AKI中较早发生的事件之一。有研究显示，在AKI中Cyt C在细胞外空间的释放增加，并与线粒体形态和细胞存活呈负相关[30]；脓毒症时肾脏组织会发生线粒体功能和结构的变化[22]。作为能量生产的关键角色，线粒体在SA-AKI的病理生理学中起着重要作用[24]。有研究表明，脓毒症患者线粒体能量的产生及其伴随的耗氧量下降与肾脏供氧下降相适应，这可能是脓毒症患者的一种适应性现象。电子传递链的功能障碍可导致过多ROS的产生，对细胞施加氧化应激，随后线粒体膜通透性的改变可导致产生三磷酸腺苷（ATP）所需的电化学梯度耗散和可能导致细胞凋亡的线粒体肿胀[22]。线粒体是炎症损伤的常见靶点，炎症损伤会导致功能障碍，ROS的产生增加，从而对宿主细胞造成伤害[25]。线粒体自噬提供了以下优势，即清除功能失调的线粒体，从而减少ROS或活性氮物种的产生，维持和更新线粒体池的能量守恒，限制氧化应激损伤，重要的是可以在线粒体水平上拦截阻止凋亡触发的促凋亡信号[32，33，34，35]。检测线粒体生物合成、裂变和融合相关基因的表达，反映线粒体总量的线粒体外膜转位酶20（translocase of outer mitochondrial membrane 20，TOM20）在盲肠结扎穿孔术（cecal ligation and puncture，CLP）后12~24 h的表达量也有所下降，提示CLP后肾脏线粒体生物合成受到抑制，且发现SA-AKI早期细胞自噬性升高[36]。
TEC对损伤的反应可能是通过限制促凋亡触发器过程来完成的，即通过代谢重编程来下调能量消耗，维持能量内稳态，以保护细胞免受能量失衡的影响；而且代谢重编程确定了炎症减轻后的反应特征和修复表型[25]。Yang等[37]在CLP诱导的脓毒症啮齿动物模型中发现，G1-S细胞周期阻滞与肾损伤相关，且CLP后48 h肾功能恢复与细胞周期进展平行。细胞周期阻滞可以在代谢下调的情况下，通过限制复制成本和复制受损DNA的结果而在早期阶段提供保护作用，但细胞周期进展和细胞复制可能需要后期的充分修复，故持续阻滞可能是有害的。因此，阐明细胞周期停止或进展的时间对细胞损伤和修复的影响，对于理解细胞保护的关键机制至关重要，也是将这一机制转化为靶向治疗干预的基础[25]。
3 脓毒症、SA-AKI与肠道系统
3.1 脓毒症、SA-AKI与肠道微生物群：
人体内蕴藏着数万亿个微生物细胞，微生物细胞的协同作用对人类生命至关重要。这些微生物细胞群在肠道中达到最高密度，共同形成一个复杂的微生物群落，被称为肠道微生物群[38]。该微生物群在宿主婴儿期发展，最终在成年期完善，形成了一个影响人类健康复杂而独特的生态系统[39]。肠道细菌在种水平上约有1 000~1 200种，但其中75%~82%都是不能培养的。肠道微生物可以水解复杂的植物多糖从而提高宿主的代谢能力，并产生SCFA[39，40]，SCFA可以改善结肠细胞的能量代谢，促进肠上皮细胞的生长和分化，改善肝脏对脂肪及碳水化合物的代谢，有些SCFA甚至有抗炎的作用[41，42]。肠道微生物还能合成必需氨基酸和维生素，促进上皮细胞的发育，其定植在肠上皮细胞上，从而能够阻止病原菌的侵袭，为维持机体的健康发挥着重要作用[43]。
胃肠道中未消化物质的代谢是肠道微生物群与宿主相互作用的关键机制。宿主有机体摄入或分泌到肠腔的物质为微生物提供必要的营养，成为肠道微生物群的组成部分，然后微生物酶的产物可以在肠道上皮局部吸收后与宿主组织相互作用。为了充分利用进入胃肠道的大量物质，健康的肠道微生物群表现出丰富的酶谱，从而产生能够影响宿主生理的广泛代谢物和化合物，维持稳定的群落和肠道生态系统[44，45，46]。
在脓毒症发生之前，肠道微生物群的改变可通过多种机制使宿主更易发生脓毒症，其中包括致病性肠道细菌的扩增；启动免疫系统，产生强烈的炎症反应；减少有益微生物产物（如SCFA）的产生[7]。肠道微生态调节脓毒症的几种反应是脓毒症的潜在治疗靶点。正常肠道微生态结构和功能的丧失与多种疾病有关，包括艰难梭菌感染（Clostridioides difficile infection，CDI）、炎症性肠病和肥胖。尽管脓毒症的发病机制因素较多且尚未完全明确，但越来越多的证据表明，肠道微生态破坏易导致脓毒症并对其结局产生负面影响[9]。肠道微生态破坏与脓毒症的发生存在很强的相关性。尽管如此，这些研究并未评估微生态变化对脓毒症发生风险的影响以及该风险的潜在混杂因素，因此需要进一步证实。另外，一旦发生脓毒症，肠道微生物群的破坏会随之加剧，增加发生器官功能衰竭的可能。在存在保护性共生细菌的情况下，健康宿主肠腔中具有致病潜力的细菌（"病菌"）可能无法繁殖而引起疾病。保护性细菌的丢失可导致病原体增殖，而正常肠道微生态结构的改变会导致预后恶化[47，48]。
先天免疫（巨噬细胞和中性粒细胞）和适应性免疫（辅助性T细胞17）是AKI发生肠道生态失调的关键因素[49]。肠杆菌增多、乳酸杆菌减少和瘤胃球菌减少是缺血/再灌注损伤诱导生态失调的标志，肠道生态失调减少了SCFA，引起了肠道炎症和肠漏等并发症，增加了肠道源性尿毒症毒素（如硫酸吲哚酚和硫酸对甲酯）的生成，从而改变了免疫稳态，使得AKI进一步恶化[49，50，51]。
3.2 脓毒症、SA-AKI与肠道屏障功能：
胃肠道是一个特殊的器官，除了消化食物外，宿主细胞与复杂环境之间还会发生动态的相互作用。肠上皮细胞（intestinal epithelial cell，IEC）重要的作用之一是消化摄入的食物，吸收营养和膳食因子[52]。同时，IEC作为物理屏障，促进各细胞之间的紧密连接（tight junction，TJ），许多紧密连接蛋白组成了部分密封细胞旁通路。TJ在肠屏障功能中起着重要作用，在根尖处强力封闭相邻的肠黏膜细胞。TJ结构包括跨膜蛋白〔如紧密连接体claudin、occludin和连接黏附分子-A（junctional adhesion molede-A，JAM-A）〕及细胞内斑块蛋白〔如闭锁小带蛋白（zonula occluden，ZO）和cingulin〕，能调节相邻细胞中水、离子和大分子的胞旁通透性。TJ结构的重要作用之一是为腔内炎症分子提供物理屏障，TJ屏障完整性和结构的受损导致免疫细胞过度激活及不同组织的慢性炎症[52，53]。黏膜层是一种化学屏障，对限制微生物群与上皮细胞之间的接触至关重要[54，55]。IEC和黏膜层与细胞免疫系统一起将肠管与宿主的内部环境隔开，作为抵御外界因素的第一道物理屏障发挥着关键作用，并与共生细菌保持着共生关系[54，56]。
脓毒症患者肠道完整性受损导致细胞凋亡增加，从而使屏障通透性改变[56]。肠道屏障功能障碍促使脓毒症的发生和发展，引发不可控的全身炎症反应，并导致危及生命的临床情况[53]。当脓毒症发生时，过度的炎症反应会导致IEC凋亡[57]。IEC之间的TJ被破坏，细胞旁间隙变宽，导致肠黏膜完整性受损[58]。此外，肠黏膜损伤加剧了细菌移位，毒力因子进一步激活宿主免疫炎症防御机制，最终导致多器官衰竭和危及生命的临床症状[59]。
AKI可引起尿素堆积，从而使流入肠道的尿素增加，尿素转化为氨，破坏肠道上皮的TJ[49，60]。同时，中性粒细胞、促炎巨噬细胞和辅助性T细胞17积聚在肠道内，会损害屏障的完整性，增强细菌移位[60，61]。
4 SA-AKI中肠-肾的交互作用
越来越多的证据表明，在各种肾脏疾病中，宿主与肠道微生物群之间存在着双向关系[15]。肠道微生物源性代谢产物是微生物-宿主轴的关键分子介质，肾脏的排泄能力是人体肠道微生物共生的重要组成部分。有研究表明，CKD是一种肠道微生物代谢产物在血液中积累并对宿主生理功能产生不利影响的代谢性疾病[10，14，62]。肠道和肾脏构成了具有双向协同关系的"肠-肾轴"，内皮屏障完整性丧失和肠道微生物群失调是脓毒症的主要病理生理学改变，在SA-AKI中发挥关键作用，以应对各种病理损伤，具有积极和消极影响[10]。
肠道的屏障功能依赖于"IEC的腔面膜与邻近细胞间的TJ"和"JAM"的存在，阻止肠腔内容物外逸局部肠腔以外的环境中[52，54，63]。炎症是SA-AKI发生的重要因素之一，SA-AKI期间，增多的炎症因子可以损伤肠道的屏障功能并作用于TJ复合物以调节肠道的通透性[62]。当脓毒症改变紧密连接蛋白ZO-1、紧密连接体claudin蛋白某一种或几种亚型及occludin蛋白的表达时，可能导致肠道通透性的过度增加。这种高通透性的原因也可能是JAM的组分发生了改变。细胞因子激活肌球蛋白轻链激酶（myosin light chain kinase，MLCK）也能使肠道通透性增加，MLCK使肌球蛋白轻链磷酸化，导致TJ的开放。MLCK活化与IL-6、TNF-α、IL-1β过表达有关，最终结果是导致肠道通透性增加，使全身炎症反应扩大，进一步加重肾脏损伤[63]。
肠道微生物群在脓毒症中也起着重要作用，肠道细菌数量和分布以及微生物群落结构可能随着脓毒症的进展而变化，导致肠道黏膜损伤，进而引发肠道屏障功能衰竭，启动免疫系统，产生强烈的炎症反应，减少有益代谢产物（如SCFA）的产生[7]，从而影响脓毒症发病和进展过程中肠道微生物群与肾功能之间的相互作用。肠-肾串扰的机制可能为脓毒症新治疗策略的开发提供潜在的依据。
引用: 张丽, 王毅, 于湘友. 基于肠-肾轴的脓毒症相关性急性肾损伤的研究进展 [J] . 中华危重病急救医学, 2023, 35(3) : 329-333.
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