摘要
慢性肾病（CKD）被公认为全球最重大的公共卫生问题之一，约40%的患者会发展为终末期肾病（ESKD）。对于许多ESKD患者而言，移植仍是首选治疗方案；然而，这些患者经常需要再次住院，并面临发生其他并发症的高风险。尽管短期同种异体移植物存活率（通常约一年）往往令人满意，但由于抗体介导的急性或慢性排斥反应以及其他受体相关因素，长期移植物存活率经常受到损害。近期研究和综述文章强调了肠道菌群失调与慢性肾衰竭以及肾脏移植不良预后之间的关系。CKD本身以及器官移植受者使用的免疫抑制药物都可能导致肠道菌群失调，进而增加尿毒症毒素的产生，这些毒素甚至会损害移植的肾脏。临床研究表明，益生元、益生菌和合生元的组合——有助于建立肠道微生物群的补充剂——能有效帮助控制CKD患者氮质物质的产生、减少肾炎症并缓解胃肠道症状。实验模型显示，膳食纤维经肠道发酵产生的短链脂肪酸，如丁酸和乙酸，可以改善肾功能、减少肾炎症，从而更好地接受肾移植物，部分是通过诱导调节性T细胞实现的。尽管有越来越多的证据支持维持平衡微生物群的积极效果，但该领域仍缺乏全面的综述。此外，最新发现表明，摄入的纤维类型可能影响肠道健康，甚至根据纤维类型增加患结直肠癌的易感性。因此，我们旨在探讨膳食纤维经肠道发酵产生的物质，以及益生菌、益生元和合生元如何促进移植物耐受，特别关注其在建立移植物受者肾功能方面的潜在应用。
引言
CKD是一种以肾功能进行性下降为特征的疾病。该疾病定义为存在肾脏损伤，可通过组织病理学异常、异常尿沉渣或尿白蛋白排泄率增加来识别。此外，CKD也可通过估计肾小球滤过率（eGFR）低于60 mL/min/1.73 m²（维持三个月或更长时间）来分类。
CKD构成了重大的全球公共卫生挑战，影响全球超过10%的人口，并有可能发展为肾衰竭，即ESKD。约40%的CKD患者会进展到这一阶段，这通常导致需要肾替代治疗，包括肾透析和肾移植。
近期研究强调了肠-肾轴，展示了肾功能与肠道微生物群之间的双向关系。然而，这种关系中涉及的机制仍不甚明了。肠道微生物群由复杂而广泛的微生物群落组成，包括细菌、古菌、原生生物、真菌和病毒。这一多样化的肠道微生物生态系统在多种生理过程中发挥着重要作用，支持细胞功能维持和整体健康。在稳态条件下，这些微生物在肠道中共生共存，产生重要的代谢物，如维生素和短链脂肪酸（SCFAs），有助于维持肠道屏障完整性。
当微生物群组成失衡（称为菌群失调）时，通常会出现产SCFA细菌减少和致病菌增加，导致毒素产生增加。SCFAs具有免疫调节作用，通过发育调节性T细胞（Treg）和产生抗炎细胞因子来促进肠道和全身免疫耐受。这些作用对维持肠道屏障完整性至关重要。相反，在菌群失调期间，内毒素（如脂多糖LPS）的产生增加，通过激活NF-kB等炎症通路和产生单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）、白细胞介素-6（IL-6）和肿瘤坏死因子（TNF-α）等炎症细胞因子，诱导炎症环境。这一过程招募炎症细胞并增加肠道通透性，导致通常称为"肠漏"的状况，这与紧密连接蛋白表达减少相关。释放的内毒素经常进入血液，导致全身炎症并破坏整体代谢。
菌群失调通常与心血管代谢疾病以及低纤维、高动物蛋白饮食相关。这些饮食与产SCFA细菌减少和硫酸盐产物（如硫酸吲哚酚和硫酸甲酚）增加相关，这些产物由于"肠漏"进入血液，可能损害管状上皮细胞。尽管肠-肾轴的机制尚未完全了解，但CKD患者的菌群失调通常与有益细菌（如乳酸杆菌、普雷沃菌和双歧杆菌）减少以及机会致病菌（如假单胞菌门（以前称为变形菌门）、肠球菌、Hungatella、Enterocloster和脱硫弧菌）增加相关。
此外，代谢性酸中毒、肾小球滤过率降低和低纤维饮食（在CKD患者中常见）与硫酸盐产物和尿素氮毒素的清除减少相关，这些物质通常通过尿液排出。然而，在CKD中，由于肠道微生物群增加合成和清除减少，血液中尿毒症毒素会积累。这种积累会损害管状上皮细胞并破坏肠道上皮屏障完整性，从而持续破坏肠道微生物群平衡。结果，在受损肾脏和"肠漏"之间形成了一个恶性循环，促进了肾病的进展，这通常最终需要肾脏移植。
为解决肾脏移植患者肠道微生物群失衡并可能恢复平衡，益生元、益生菌和合生元的使用有所增加。益生元是人体无法消化的纤维类型，但可被肠道中的微生物分解和利用。益生菌则是有助于消化食物的活微生物。合生元是益生元和益生菌的组合。
针对慢性肾衰竭患者和接受实体器官移植患者的这些干预措施的研究已显著增长。然而，尽管有越来越多的证据支持平衡微生物群的益处，但专门针对肾脏移植患者益生元、益生菌和合生元的综合性综述仍然缺乏。
因此，我们的目标是提供关于肠道微生物群作用以及如何通过益生元、益生菌和合生元作为预防性、治疗性或补充性策略来调节肠道微生物群的全面且最新的概述，特别是针对各种类型的移植，尤其是肾移植。
肠道微生物群：肠道、免疫细胞和肾系统效应概述
肠道微生物群（GM）包含了生物体内密度最高的微生物，因此也是被研究和表征最多的微生物群落。它由无数微生物组成，包括真菌、古菌、细菌和病毒；然而，主要由细菌构成。在生命早期，GM主要由肠杆菌、肠球菌和葡萄球菌等需氧或兼性厌氧细菌组成。在发育和成年期，随着肠道微环境的变化（主要受环境因素影响），厌氧细菌（包括双歧杆菌、梭菌和拟杆菌）大量增殖。同时，厌氧微生物群的影响相当有利，鉴于其在帮助消化以及合成对身体有益的物质方面的重要作用。此外，厌氧微生物群通过防止病原体定植来促进宿主防御。厌氧微生物通过与细胞粘附受体结合、竞争营养物质以及产生抗菌物质（如发酵的终产物）来执行这些功能。
在细菌发酵产生的物质中，主要在结肠中由膳食纤维发酵产生的短链脂肪酸（SCFAs）因其高免疫原性潜力而受到广泛关注。在这方面，研究已广泛证明，SCFAs（包括乙酸、丁酸和丙酸）除了是结肠上皮细胞的重要营养来源外，还通过控制兼性厌氧病原体的增殖和肠道屏障的上皮层，直接在维持厌氧肠道环境中发挥作用。此外，这些微生物代谢物执行调节肠道和全身免疫的重要功能，有助于身体的免疫稳态。
一旦进入血液，SCFAs通过激活其G蛋白偶联跨膜受体（GPCRs - GPR41、GPR43、GPR109A和嗅觉受体78）并抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）来作用于人体的各种细胞。在这方面，研究表明SCFAs调节树突状细胞的抗原呈递，从而干扰CD4+和CD8+ T细胞的分化和功能，控制胸外Treg的分化，诱导中性粒细胞向炎症环境迁移并增加其吞噬能力。它们抑制巨噬细胞产生促炎细胞因子，并有助于将巨噬细胞极化重新编程为M2（抗炎）表型，并诱导B细胞分化和这些细胞分泌IgA。
除了对肠道和免疫细胞的影响外，SCFAs还被报道为调节肾脏健康和疾病的决定因素。肠道细菌产生的SFACs对肾脏健康的诸多益处包括减少炎症、氧化应激、肾纤维化，并减缓CKD的进展。尽管如此，包括饮食变化、抗生素和其他药物的使用、慢性压力和病原体感染在内的外部因素，可能导致肠道微生物群失衡，引起称为肠道菌群失调的临床状况。这种临床表现的特征是胃肠道中有益细菌的数量和多样性减少，以及有害细菌的过度增加。多项研究表明，加剧的菌群失调与急性肾损伤（AKI）和CKD的发展相关。
此外，已广泛证明这种临床情况与多种其他合并症的发展相关，如肥胖、心血管疾病（CVD）、炎症性肠病、肝脂肪变性、胰岛素抵抗和2型糖尿病以及认知障碍。考虑到这些研究提出的观点，肠道菌群失调可能导致这些事件的发生，部分原因是通过抑制代谢途径，从而减少这些微生物产生的有益代谢物（如SCFAs）的分泌，同时增加血液中的内毒素浓度。因此，综合这些结果强化了这样的观点：成年后肠道微生物群的急剧变化与程序性免疫和肾脏结果密切相关，影响个体的健康和疾病模式。
作为传统疗法补充的微生物群调节
GM容纳了各种各样的微生物，它们在平衡状态下协调一致地发挥作用，对身体行使多种有益功能。基于此，以及近年来技术进步和随之而来的基于基因组学、宏基因组学和代谢组学研究的技术知识和应用的兴起，微生物医学已经发展并日益被视为传统疗法的补充。使用旨在调节GM的治疗方法（如益生菌、益生元和合生元的使用），用于与肠道菌群失调相关的各种疾病类型，代表了传统医学的重大进步，其效果已在临床和实验研究中得到广泛报道。
如前所述，肠道菌群失调与各种临床情况的结果和/或进展相关。因此，开展了大量研究以评估这些化合物在治疗和预防各种疾病进展中的细胞和分子效应。因此，已证明益生元治疗的添加可有效降低接受透析的CKD患者血清中促炎细胞因子IL-6和TNF、硫酸吲哚酚和尿素氮毒素以及氧化应激标志物丙二醛的水平。该研究还报告说，合生元在降低血清C蛋白水平和内毒素方面更为有效，而益生菌在缓解这些患者表现出的胃肠道症状方面效果更好。在一项双盲、安慰剂对照的临床试验中，益生菌的使用改善了肥胖患者的体格参数和甘油三酯水平。支持这些发现的是，在一项实验性GM调节研究中，显示直接（通过十二指肠）和间接（口服）肠道微生物干预与改善高脂饮食大鼠的脂质和血糖谱相关，这至少部分是通过改善肝功能促进的。
此外，已在众多病理背景下报告了这些或组合膳食补充剂的有益效果，包括与感染或抗生素使用相关的胃肠道疾病患者的肠道微生物群恢复、绝经后妇女代谢功能的改善以及甲状腺功能障碍患者甲状腺功能的改善、对剖腹产大鼠卵清蛋白过敏反应的保护、地塞米松诱导肌肉萎缩的互作模型中肌肉降解标志物、促炎细胞因子和肌肉减少症的降低，以及在孕前慢性应激方案提交的大鼠幼崽中突触可塑性、学习和记忆的改善。
综合这些数据表明，通过食品补充剂调节肠道微生物群是在各种病理条件下促进有益效果的可行且有效的替代方案。这一事实使微生物群调节成为未来预防或治疗干预的重要目标，特别是在更关键的情况下，例如需要器官移植时，因为已证实的肠道菌群失调主要与肝脏、肺、心脏和肾脏等实体器官患者的移植物排斥相关。此外，尽管这些食品补充剂在不同类型的疾病中的有益作用已得到充分确立，但它们作为替代疗法佐剂的影响仍较少被探索，包括肾脏移植。
微生物群与肾病/移植的最新研究
CKD是一种以肾功能持续降低为特征的临床状况，被视为全球公共卫生问题。它影响约10%的世界人口，相当于约8.5亿人，并与向终末期肾病进展的高比率相关。尽管高血压和糖尿病仍然是CKD发展的主要原因，但肠道菌群失调已作为CKD发展和进展的潜在驱动因素出现。然而，近年来肠-微生物群-肾脏通讯已得到广泛研究。
在这方面，研究表明5期CKD患者（无论是否接受透析）都存在与肠道菌群失调相关的尿毒症毒素硫酸吲哚酚和硫酸对甲酚的血清水平积累。最近，已证明这些毒素的积累与肠道屏障功能丧失以及随之而来的CKD进展相关。事实上，肠道中硫酸吲哚酚和硫酸对甲酚水平的增加与屏障破坏和肠道泄漏相关，这会触发全身炎症级联反应，从而加速肾脏恶化。这些尿毒症毒素分子量低，因此容易被血液透析清除；然而，它们与血清白蛋白的高结合亲和力干扰了这种清除方法，这可能导致这些患者尿毒症综合征的发展。最近，已显示硫酸吲哚酚和硫酸对甲酚的总分数和游离分数随CKD阶段的增加而增加，这为将这些生物标志物用作CKD严重程度指标以及与当前方法相比评估肾功能提供了新视角。除了这些毒素的积累外，慢性肾病患者通常表现出与SCFA产生相关的微生物（如Faecalibacterium和Lachnospira）显著减少。已无可争议地证明，免疫球蛋白A肾病（IgAN）和膜性肾病（MN）患者与SCFA产生相关的微生物丰度降低，这直接与这些患者SCFAs水平降低相关。同样，Song等人还证明，肠道细菌（如Lachnospiraceae、Parasutterella和Eubacterium）水平升高以及随之而来的SFCAs水平降低最终与糖尿病肾病风险增加相关。
与慢性肾病患者一样，肾移植受者也表现出肠道菌群失调，而在这种情况下，损伤可能更大，因为已证明GM的变化与急性移植物排斥相关。在这方面，Fricke等人表明，肾移植前微生物群的特定改变本身就足以导致不良的移植后事件，包括排斥和感染并发症。随后，Lee等人证明，在肾移植患者中，拟杆菌门的细菌显著减少，而假单胞菌门（主要由致病菌组成的门）增加，这在这种情况下可能增加这些移植后患者的并发症风险。此外，与这种类型手术相关的因素，如免疫抑制治疗和移植后使用抗生素，已与肠道菌群失调恶化相关联，而后者又与腹泻、排斥或移植器官功能障碍相关。
关于免疫抑制治疗，这些药物与GM改变之间存在双向关系。虽然这些药物可以改变GM的组成和多样性，但免疫抑制剂本身也可能受到微生物分类单元或微生物特定功能的增益或损失的影响，导致其药代动力学和/或药效学发生变化。这些事件的发生反过来改变了这些药物的代谢，有利于存在比原始化合物具有更大或更小免疫抑制效果的物质。在临床实践中使用的免疫抑制剂中，最著名的影响GM的包括皮质类固醇、他克莫司和环孢素等钙调神经磷酸酶抑制剂、霉酚酸酯和mTOR抑制剂。Mohamed等人提供了所有这些免疫抑制剂的药代动力学和药效学的当前和全面描述，重点是这些药物与肠道微生物群之间的双向关系。
益生元、益生菌、合生元和高纤维饮食对肾移植物受者的微生物群调节
近年来，人们开始关注饮食对肠道微生物群调节及其对移植物耐受性影响的担忧。饮食和饮食成分被证明会影响肠道微生物组的多样性。食用高纤维饮食、益生元、益生菌和合生元已被用作移植后调节微生物群的策略。
合生元结合了益生菌和益生元，显示出恢复肠道微生物组和调节免疫反应的潜力。随机试验证明，合生元可以减少CKD患者的血清尿毒症毒素以及小肠通透性，改善胃肠道疼痛和便秘，并有利地改变粪便微生物组。同样，Guida等人进行的一项试点研究发现，合生元显著降低了肾移植受者血浆中的对甲酚水平。对甲酚是一种在慢性肾病期间积累并在移植后由于相关的肠道菌群失调而继续过量产生的尿毒症毒素。
研究结果表明，合生元治疗15天和30天后观察到的对甲酚水平降低可能是由于合生元中存在有益微生物定植肠道所致。这些微生物缺乏产生对甲酚所需的酶，而是产生乳酸和SCFAs。这种代谢活性降低了肠道pH值，抑制了已知产生对甲酚的细菌（如艰难梭菌）的生长。然而，另一项临床试验表明，长期使用合生元可能不会改善CKD患者血清尿毒症毒素水平，实际上可能会降低肾功能。这突显了在该领域进行进一步研究的必要性，并提出了关于干预持续时间的问题。
此外，艰难梭菌感染是实体器官移植后和免疫抑制治疗期间患者的普遍关注问题，通常与抗生素相关腹泻发作相关。一些研究表明，合生元和益生菌补充可能有效减少移植后的细菌感染。Zhang等人进行的一项研究表明，使用包括双歧杆菌乳酸亚种、嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和短乳杆菌在内的益生菌，使肝移植受者中的细菌感染减少了22%。此外，在抗生素治疗期间加入植物乳杆菌299v已被证明可降低艰难梭菌感染的发生率，突显了其潜在的预防益处。
益生菌，如L. casei Zhang、约氏乳杆菌和卵形拟杆菌，也与减少肾炎症和纤维化以及增强肠道屏障功能相关，展示了益生菌用于预防CKD的潜力，也可能用于肾移植受者，正如Stepanova对腹膜透析所建议的那样。此外，Chan等人在一项试点研究中表明，补充植物乳杆菌和副干酪乳杆菌改善了具有稳定移植物功能的肾移植受者的肾功能。这些有益效果通过多种机制介导，强化了研究肠-肾轴的重要性。益生菌L. casei Zhang通过增加SCFAs和通过烟酰胺代谢减缓小鼠和CKD患者的肾病进展，通过调节局部巨噬细胞和管状上皮细胞减少肾炎症。Miao等人证明的约氏乳杆菌丰度与CKD进展之间的负相关表明，它可能通过吲哚-3-醛（IAId）血清水平抑制芳烃受体（AHR）信号通路成为逆转CKD的潜在靶点。此外，口服卵形拟杆菌可保护CKD模型中的肾纤维化并恢复肠道屏障功能。这些益处通过肠道中艰难梭菌的生长介导，该菌产生猪去氧胆酸并刺激肠道产生胰高血糖素样肽1（GLP-1）。这反过来又激活肾脏中的GLP-1受体，从而促进卵形拟杆菌的保护作用。尽管如此，且对儿科肾移植受者益生菌的处方日益增加，但关于其对儿科人群安全性和有效性的共识尚未建立。通常，这些处方涉及与抗生素相关腹泻、艰难梭菌感染以及促进整体胃肠道健康相关的担忧。
另一方面，益生元是人体无法消化的纤维，但肠道中的微生物可以分解和利用。一项随机临床试验证明，在肾移植受者中补充绿色香蕉抗性淀粉后，胃肠道症状减少，表现为反流和腹痛频率降低。此外，观察到胃肠道微生物组多样性的改善，表现为微生物丰富度和香农多样性的增加。
此外，纤维摄入已被证明可降低移植后代谢综合征的风险。此外，与代谢综合征相关的心血管疾病是移植后糖尿病和肾移植物丢失的主要原因。此外，高纤维饮食与有益拟杆菌门和普雷沃菌的增加相关，同时减少芽孢杆菌等机会致病菌。它还能预防与移植相关的菌群失调。相反，高脂肪和加工糖但低纤维的西方饮食促进了机会致病菌的生长。
通过高纤维饮食对微生物组的调节通常与乙酸、丁酸和丙酸等SCFAs的增加相关。这些SCFAs对于高纤维饮食提供的健康益处至关重要。同样，已观察到摄入植物乳杆菌299v也可增加健康志愿者粪便中的这些SCFAs。此外，在涉及大鼠的动物研究中，丁酸已被证明可保护肾脏免受缺血-再灌注损伤——这一过程在移植肾脏中由于获取、保存、植入期间的缺血条件以及随后的再灌注而发生。减少肾缺血-再灌注损伤对肾移植的成功至关重要，因为它可能导致肾移植物的急性或慢性排斥。
最近的研究还强调了肠道微生物组代谢物在各种情况下调节免疫系统的重要作用。在癌症免疫学领域，丁酸、丙酸和乙酸等代谢物已被证明可增强自然杀伤细胞的抗肿瘤活性。此外，甲酸已被证明可促进CD8+ T细胞在抗肿瘤反应中的增殖和功能性。此外，与高纤维饮食（瓜尔胶与纤维素）一样，补充乙酸钠与改善肾移植物耐受性相关，可防止急性和慢性排斥。这种效果通过GPR信号通路诱导调节性T细胞发育而介导。此外，肠道微生物群的代谢物与调节性B细胞的生成和维持相关，有助于减少皮肤移植物排斥。
另一方面，Yang等人证明，高可溶性纤维饮食促进小鼠结直肠肿瘤发生，即使与不溶性纤维混合。高可溶性纤维（如菊粉和瓜尔胶）的过量调节肠道微生物群，诱导菌群失调，富集脆弱拟杆菌并耗尽假长双歧杆菌。这种菌群失调伴随着代谢变化，包括血清胆汁酸升高、粪便丁酸增加和肌苷水平降低，这些效应在富含不溶性纤维（如纤维素）的饮食中未观察到。同样，最近的另一项研究发现，加工的部分水解瓜尔胶增加了小鼠结肠炎和结肠肿瘤发生的易感性。虽然人类研究尚未验证这一假设，但考虑饮食中可溶性纤维的量如何影响高纤维和益生元饮食的长期益处很重要。
结论
总之，这些发现表明肠道菌群失调与移植物排斥相关。尽管关于高纤维饮食、益生元、益生菌和合生元在移植患者中的使用需要更多研究，特别是关于儿科人群的有效性和安全性，但似乎通过消耗产生短链脂肪酸的饮食来调节肠道微生物组可能具有治疗意义，通过增强免疫调节反应和改善移植结果。另一方面，最近的研究将高可溶性纤维的使用与动物模型中结肠炎和结肠肿瘤发生的易感性增加相关联。然而，尚未在人类中进行观察性研究。同样，SINERGY II临床试验表明，长期合生元治疗可能促进CKD患者的肾衰竭，这突显了进行更大规模临床试验和更好地理解干预时间与所用前、益生菌和合生元类型之间相关性的必要性。
考虑到移植受者由于慢性免疫抑制而已经面临恶性肿瘤风险增加，考虑这些类型干预的潜在风险很重要。此外，Singer等人发表的DIGEST研究协议可能首次提供关于高可溶性纤维（菊粉）在肾移植受者中作用的见解。然而，他们将在移植后仅随访患者12周，表明需要进行更长期随访的研究。因此，未来研究和更大规模的临床试验也是必要的，以确定纤维亚型是否会在长期内干扰肾移植物耐受性和移植后恶性肿瘤中观察到的效果。
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