Mikrobiom:metabolom ujawnia udział osi jelitowo-nerkowej w chorobie nerek

Yuan-Juan Chen^1†, Dan‑Qian Chen^1†i inni

Abstrakcyjny

Dysbioza reprezentuje zmiany w składzie i strukturze zbiorowiska mikrobiomu jelitowego (mikrobiomu), które mogą dyktować fenotyp fizjologiczny (zdrowie lub chorobę). Ostatnie postępy technologiczne i wysiłki w analizach metagenomicznych i metabolomicznych doprowadziły do ​​dramatycznego wzrostu naszej wiedzy na temat mikrobiomu, ale nadal mechanizmy leżące u podstaw interakcji mikrobiomu jelitowego z żywicielem w stanie zdrowym lub chorym pozostają nieuchwytne, a ich wyjaśnienie jest w powijakach. Zakłócenie normalnej mikroflory jelitowej może prowadzić do dysbiozy jelitowej, dysfunkcji bariery jelitowej i translokacji bakterii. Nadmierna ilość toksyn mocznicowych jest wytwarzana w wyniku zmian mikroflory jelitowej, w tym siarczan indoksylu, siarczan p-krezylu i N-tlenek trimetyloaminy, wszystkie zaangażowane w różne procesynerkachorobyrozwój. Niniejszy przegląd skupia się na patogennym związku między mikrobiotą jelitową a chorobami nerek (oś jelito-nerki), obejmującCKD, IgA nefropatia, kamica nerkowa, nadciśnienie, ostrenerkauraz, hemodializa i dializa otrzewnowa w klinice. Omówiono ukierunkowane interwencje, w tym środki probiotyczne, prebiotyczne i symbiotyczne, pod kątem ich potencjału przywrócenia symbiozy oraz bardziej skutecznych strategii leczenianerka chorobysugeruje się pacjentów. Nowe spostrzeżenia na temat dysbiozy mikroflory jelitowej w chorobach nerek są pomocne w opracowaniu nowych strategii terapeutycznych w zapobieganiu lub łagodzeniu chorób i powikłań nerek.

Słowa kluczowe:Mikrobiom, mikrobiota jelitowa, Metabolom,Nerkachoroby, Probiotyki

Kontakt:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791

Tło

Mikrobiota w zdrowych jelitach człowieka to złożona społeczność ponad 100 bilionów komórek drobnoustrojów, wśród których znajduje się ponad 1000 różnych gatunków [1]. W zdrowym stanie drobnoustroje te żyją w komensalnej relacji z gospodarzem, modulując układ odpornościowy, chroniąc przed patogenami oraz regulując endogenny metabolizm węglowodanów i lipidów, przyczyniając się w ten sposób do utrzymania równowagi żywieniowej [2]. Zmiany w mikrobiomie są coraz częściej powiązane z rozwojem różnych chorób, takich jak otyłość, nowotwory, cukrzyca, nieswoiste zapalenia jelit, choroby układu krążenia inerkachoroba[3]. Rycina 1 przedstawia dysbiozę mikrobiomu jelitowego na wpływ różnych chorób. Dysbioza w mikroflorze jelitowej jest powiązana z postępem różnychnerkachoroby[4–10]. W rzeczywistości dysbioza jest często obserwowana w stanach mocznicowych charakterystycznych dla zatrzymywania toksyn mocznicowych, z których większość pochodzi z niezrównoważonej fermentacji metabolitów azotu. Te toksyny mocznicowe przyczyniają się do progresji i powikłań PChN [11–15].

Niniejszy przegląd skupia się na patogennym związku między mikrobiotą jelitową anerkachoroby (jelit–nerkaosi), dotykając CKD, hemodializa, dializa otrzewnowa, nefropatia immunoglobuliny A (IgAN), kamica nerkowa, nadciśnienie i ostrenerkauraz(AKI) pacjentów. Gdy zastanawiamy się nad odpowiednimi badaniami i podsumowujemy narastające wyniki, dochodzimy do wniosku, że prebiotyki i probiotyki oraz ich połączenia są ważnymi terapiami uzupełniającymi w leczeniu PChN. Dysbiotyczna mikroflora jelitowa stanowi potencjalny cel terapeutyczny w zapobieganiu lub ograniczaniu powikłań.

Zastosowanie podejść do mikrobiomu jelitowo-metabolomicznego do badania mikrobioty jelitowej

Wprowadzenie zaawansowanych technologii sekwencjonowania nowej generacji, w tym metagenomiki i analizy sekwencji 16S rybosomalnego RNA (rRNA), ułatwiło analizę znacznie większej liczby mikroorganizmów jelitowych. Oba podejścia mają swoje unikalne zalety. Sekwencjonowanie metagenomiczne ma na celu określenie „co mogą zrobić” poprzez losowe sekwencjonowanie całego wyekstrahowanego DNA w próbce [16], podczas gdy analiza 16S rRNA była bardziej użyteczna w poszukiwaniu „kto tam?” poprzez sekwencjonowanie konserwatywnego genu 16S rRNA obecnego we wszystkich bakteriach [17]. Analiza funkcjonalna za pomocą metagenomiki shotgun w dużym stopniu zależy od naszej podstawowej wiedzy na temat tego, jak sekwencje genów kodują funkcje enzymatyczne lub inne, a bazy danych metabolicznych, takie jak KEGG i MetaCyc, są wspaniałymi zasobami w tym zakresie. Rysunek 2 podsumowuje niektóre metodologie zastosowane w badaniu mikrobiomu. Pomimo pewnych postępów w przepływach pracy sekwencjonowania mikrobiomu, badania nad mikrobiomem jelitowym stoją przed wieloma wyzwaniami. Ograniczone zrozumienie funkcji drobnoustrojów w przyczynach choroby poważnie utrudnia generowanie hipotez dotyczących złożonych mechanistycznych powiązań między mikrobiomem jelitowym a chorobami. Metabolomika może dostarczyć ważnych informacji na temat mikrobiomu jelitowego.

Metabolomika została zdefiniowana jako „ilościowy pomiar dynamicznej wieloparametrycznej odpowiedzi metabolicznej organizmów żywych na stymulację patofizjologiczną lub modyfikacje genetyczne” [18–21]. Metabolomika, jako ważne narzędzie do zrozumienia funkcji mikroflory jelitowej, pojawiła się jako systematyczne podejście do endogennych metabolitów o niskiej masie cząsteczkowej i może badać ich zmiany po chorobie, ekspozycji na toksyny lub zmienności genetycznej [22–24]. Spektroskopia protonowego magnetycznego rezonansu jądrowego i podejścia oparte na spektrometrii mas są głównymi narzędziami analitycznymi w badaniach metabolomicznych [24, 25]. Jako potężna platforma analityczna, metabolomika jest ostatnio szeroko stosowana w celu ułatwienia diagnozowania i prognozowania różnych chorób, odkrywania biomarkerów, rozwoju farmaceutycznego oraz oceny skuteczności/toksyczności leków [26–31]. Metabolomika znalazła szerokie zastosowanie w badaniach nad różnymi chorobami nerek [18–20]. Niemniej jednak, zastosowanie metabolomiki w próbkach pochodzących z chorób nerek, na które wpływ ma mikrobiom jelitowy, jest rzadkie. Takie badanie jest niezbędne do zrozumienia powiązań między mikrobiotą jelitową a chorobami nerek.

Ogólnie rzecz biorąc, niemowlęctwo zarówno w danych dotyczących mikrobiomu jelitowego, jak i metabolomu wymaga dalszego zrozumienia mechanizmów i fenotypów w powiązaniach między mikrobiotą jelitową a chorobami nerek poprzez badania multiomiczne.

Przesłuch leżący u podstaw osi jelitowo-nerkowej

Mikrobiom jelitowy jako potencjalne źródło toksyn mocznicowych

Toksyny mocznicowe są tradycyjnie klasyfikowane na podstawie właściwości fizykochemicznych wpływających na ich klirens podczas dializy. Tese zawierały cząsteczki słabo rozpuszczalne w wodzie (masa cząsteczkowa < 500="" da),="" większe="" cząsteczki="" średnie="" (masa="" cząsteczkowa=""> 500 Da) oraz cząsteczki związane z białkami. Toksyny mocznicowe można również klasyfikować na podstawie miejsca ich pochodzenia: endogenne (metabolizm ssaków), egzogenne (dieta) lub mikrobiologiczne. Obecnie znane toksyny mocznicowe pochodzące z jelit obejmują siarczan indoksylu, siarczan p-krezylu, kwas indolo-3octowy, TMAO i fenyloacetyloglutaminę; stwierdzono, że są one powiązane z chorobami sercowo-naczyniowymi, śmiertelnością w PChN i innymi toksycznymi narządami końcowymi.

Siarczan indoksylu i kwas indolo-3octowy są wytwarzane przez metabolizm tryptofanu w diecie [32, 33]. Tryptofan jest metabolizowany do indolu przez tryptofanazę bakterii jelitowych, takich jak Escherichia coli; po wchłonięciu jelitowym indol jest siarczanowany do siarczanu indoksylu w wątrobie. Siarczan indoksylu jest zwykle wydalany z moczem; nie może być skutecznie oczyszczony przez konwencjonalną hemodializę ze względu na duże powinowactwo wiązania z albuminami [34].

Siarczan p-krezolu/p-krezylu jest wytwarzany z katabolizmu fenyloalaniny i tyrozyny przez bakterie jelitowe beztlenowe. p-Krezol jest sprzęgany przez drobnoustroje jelitowe z siarczanem p-krezylu i glukuronidem p-krezylu. Siarczan p-krezylu jest toksyną ze względu na wysokie stężenie w krążeniu i biochemiczny wpływ na organizm [35]. p-Krezol jest skoniugowany również w wątrobie, jak również może konkurować z ksenobiotykami o podobnej budowie lub ugrupowaniu w budowie szkieletu, co z kolei może wpływać na ich odpowiedni profil farmakokinetyczny/farmakodynamiczny (w tym toksyczność/działanie niepożądane) [25]. .

TMAO jest toksycznym metabolitem pochodzącym z jelit, powstającym w wyniku bakteryjnego metabolizmu amin czwartorzędowych, w tym betainy, l-karnityny lub fosfatydylocholiny, które uwalniają trimetyloaminę [36]. Trimetyloamina jest wchłaniana i przekształcana w TMAO przez enzymy monooksygenazy flawinowej w wątrobie. W przeciwieństwie do toksycznych metabolitów związanych z białkami, takich jak siarczan indoksylu i siarczan p-krezylu, TMAO można skutecznie usunąć za pomocą dializy.

Fenyloacetyloglutamina to kolejny produkt drobnoustrojów okrężnicy, wytwarzany w wyniku fermentacji fenyloalaniny. Mikroby metabolizują fenyloalaninę do kwasu fenylooctowego, który ulega sprzężeniu z glutaminą, tworząc fenyloacetyloglutaminę. Podobnie jak TMAO, można go dializować. Wykazano, że stan mocznicowy wywołuje zmiany w mikrobiocie jelitowej. Pomimo braku istotnych różnic w całkowitej ilości drobnoustrojów opisano erozję bakterii tlenowych przez bakterie beztlenowe (zwłaszcza Lactobacillus i Bifidobacterium) [37, 38]. Wzrost liczby bakterii beztlenowych sprzyjał degradacji związków azotu w pogarszającym się stanie mocznicowym [39].

Dysbioza mikroflory jelitowej i dysfunkcjabariery jelitowo-nabłonkowej

Nabłonek jelitowy to pojedyncza warstwa komórek nabłonka walcowatego, która oddziela światło jelita od leżącej poniżej blaszki właściwej [40]. Odgrywa ważną rolę w wchłanianiu składników odżywczych i stanowi naturalną barierę, która zapobiega lub hamuje ogólnoustrojową translokację patogenów i antygenów [40]. Komórki te są połączone ścisłymi połączeniami, tworząc wielofunkcyjny kompleks jako uszczelnienie między sąsiadującymi komórkami nabłonka [40]. Bakterie probiotyczne poprawiają funkcję bariery nabłonkowej jelit zarówno u zwierząt, jak iu ludzi [41]. Traktowanie monowarstw ludzkich komórek nabłonkowych metabolitami z niemowląt Bifidobacterium spowodowało wzrost białek połączeń ścisłych ZO-1 i okludyny, ale spadek klaudyny-2, odtąd wskazywano na selektywność połączenia ścisłego [42]. Ponadto bakterie komensalne pomagają utrzymać barierę nabłonkową jelit poprzez hamowanie zapalenia jelit [43].

Najpierw mocznik jest hydrolizowany przez ureazę z wytworzeniem amoniaku i karbaminianu, które samorzutnie rozkładają się, dając drugą cząsteczkę amoniaku i wodorowęglanu. Następnie amoniak ulega reakcji kwasowo-zasadowej z wodą, w wyniku czego powstaje wodorotlenek amonu. Mocznik z krwi dyfunduje do światła jelita i jest metabolizowany przez ureazę pochodzenia bakteryjnego, wytwarzając NH3 hydrolizowany do NH4OH, który niszczy barierę nabłonkową [38, 44]. To dodatkowo stymulowało napływ leukocytów, co wywołało drugi mechanizm, w którym miejscowy stan zapalny i wytwarzanie cytokin indukowały retrakcję i endocytozę transkomórkowych białek ścisłych połączeń (klaudyny i okludyny) [45]. Jak wspomniano powyżej, krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe pochodzące z bakterii jelitowych były ważnym źródłem składników odżywczych dla enterocytów i teoretycznie zmiana w populacji bakterii zagroziła zdrowiu bariery nabłonkowej.

Mikrobiom jelitowy u pacjentów z chorobami nerek

Choroby nerek wiązały się z przekrwieniem ściany jelita, obrzękiem ściany jelita, powolnym pasażem okrężniczym, kwasicą metaboliczną, częstym stosowaniem antybiotyków, zmniejszonym spożyciem błonnika pokarmowego i doustnym przyjmowaniem żelaza, które wpływają na ciasne połączenia jelit, prowadzą do zwiększonej przepuszczalności jelit i powodują translokacja bakteryjnych produktów przemiany materii przez barierę jelitową [46–49]. W konsekwencji wywoływana jest odpowiedź immunologiczna [46]. Odpowiedź immunologiczna wyjaśnia ogólnoustrojowe zapalenie, które przyczynia się do pogarszania się choroby nerek [3, 50]. Ponadto zwiększone wydzielanie mocznika z przewodu pokarmowego powodowało dysbiozę mikroflory jelitowej i zwiększone tworzenie toksycznego amoniaku. Ponadto suplementacja mocznikiem w wodzie pitnej przyczyniła się do zmiany mikroflory bakteryjnej jelit [51]. Rycina 3 przedstawia wpływ osi jelito-nerka na zwłóknienie nerek poprzez dysbiozę mikroflory jelitowej i rozregulowanie endogennych metabolitów.

Mikrobiota jelitowa w PChN

Coraz więcej dowodów sugeruje, że mikrobiom jelitowy uległ zmianie u pacjentów z PChN. Około 190 drobnoustrojowych operacyjnych jednostek taksonomicznych (OTU) różniło się znacząco pod względem liczebności, gdy mikrobiom jelitowy pacjentów ze schyłkową niewydolnością nerek (ESRD) porównywano ze zdrowymi osobami kontrolnymi [52]. U pacjentów z PChN stwierdzono mniejszą liczbę rodzin Lactobacillaceae i Prevotellaceae (obydwie uważane są za prawidłową mikroflorę okrężnicy) oraz 100 razy większą liczbę gatunków Enterobacteria i Enterococci (które normalnie występują w mniejszym odsetku) [52]. Liczba bakterii tlenowych, w tym gatunków Enterococci i Enterobacteria, była wyższa u pacjentów z ESRD niż u osób zdrowych [53]. Dysbioza mikroflory jelitowej u pacjentów z PChN przyczyniała się do podwyższenia stężenia toksyny mocznicowej, co z kolei sprzyjało progresji PChN [54, 55]. Zaburzenia równowagi mikroflory jelitowej w CKD występowały zarówno ilościowo, jak i jakościowo, często towarzyszy mu wzrost liczby Lachnospiraceae, Enterobacteriaceae i niektórych Ruminococcaceae oraz spadek niektórych gatunków Prevotellaceae, Bacteroidaceae, a zwłaszcza gatunków Lactobacillus i Bifidobacterium [56]. Bezwzględna ilość bakterii ogółem była znacznie zmniejszona u pacjentów ze schyłkową niewydolnością nerek. Prevotella dominował u zdrowych osób z grupy kontrolnej, podczas gdy Bacteroides był wzbogacony u pacjentów z ESRD. Liczba bakterii wytwarzających maślan, w tym Roseburia, Faecalibacterium, Clostridium, Coprococcus i Prevotella, została zmniejszona u pacjentów ze schyłkową niewydolnością nerek [57].

Nasze badania wykazały ponadto, że rozregulowanie stresu oksydacyjnego i stanu zapalnego było związane z zaburzeniami metabolizmu aminokwasów, lipidów, puryny i lipidów w surowicy w PChN [58, 59], które są związane z metabolizmem mikroflory jelitowej. Ponadto ostatnie badania kliniczne wykazały, że stężenie triglicerydów we krwi i cholesterolu HDL oraz przewidywana odpowiedź metaboliczna na dietę i lek były związane ze składem mikroflory jelitowej [60]. Upośledzony

czynność nerek i dysbioza mikroflory jelitowej przyczyniły się do zwiększenia TMAO u pacjentów z CKD [61]. Próbki kału od pacjentów z CKD i osób zdrowych podawano myszom C57BL/6, którym podawano antybiotyk, a myszy, które otrzymały mikroflorę jelitową od pacjentów z CKD, miały znacznie wyższe TMAO w osoczu i inny skład mikroflory jelitowej niż myszy porównawcze [61]. Poza tym amoniak był metabolizowany z mocznika przez mikrobiologiczną ureazę. Amoniak może spowodować masywne zakłócenie struktury i funkcji bariery nabłonkowej jelit, prowadząc do translokacji do krążenia toksyn mocznicowych, antygenów, endotoksyn i drobnoustrojów jelitowych [44, 62, 63]. Siarczan indoksylu i siarczan p-krezylu wiązały się ze zwiększeniem biomarkerów stanu zapalnego u pacjentów w stadium 3–4 CKD, takich jak peroksydaza glutationowa i interleukina-6 [64]. Inne badanie wykazało, że 19 rodzin drobnoustrojów, które dominowały wśród pacjentów z ESRD, 12 miało ureazę (Alteromona-disease, Clostridiaceae, Cellulomonadaceae, Dermabacteraceae, Halomonadaceae, Enterobacteriaceae, Methylococcaceae, Moraxellaceae, Micrococcaia- urykazy (rodziny Cellulomonadaceae, Micrococcaceae, Dermabacteraceaea, Xanthomonadaceae i Polyangiaceae), a 3 posiadały enzymy tworzące indol i p-krezyl (tj. rodziny posiadające tryptofanazę: Clostridiaceae, Verrucomicrobiaceae [65] i Enterobacteriaceae). Prevotellaceae i Lactobacillaceae, dwie rodziny posiadające SCFAEnzymy tworzące (maślan) należały do ​​czterech rodzin drobnoustrojów, które zostały wyczerpane u pacjentów z ESRD [65].

Opierając się na metabolomice, nasze wcześniejsze badania wykazały, że zaburzenia metabolizmu aminokwasów, lipidów, puryny w surowicy [66–70] oraz metabolizmu kwasów żółciowych i fosfolipidów w kale są związane ze szczurami z PChN [71, 72]. Naruszenie bariery jelitowej w PChN prowadziło do translokacji toksyn mocznicowych pochodzenia bakteryjnego do krążenia ogólnoustrojowego, wywołując w ten sposób stan zapalny i stymulację leukocytów. Wykorzystując metody metabolomiczne, nasze wcześniejsze badania wykazały, że zaburzenia regulacji stresu oksydacyjnego i stanu zapalnego były związane z zaburzeniami metabolizmu aminokwasów, metyloaminy, puryny i lipidów w surowicy u pacjentów z PChN [31, 73–75].

Mikrobiota jelitowa u pacjentów poddawanych hemodializie i dializie otrzewnowej

Poprzez zastąpienie funkcji wydalniczej nerek dializa ma na celu wyeliminowanie zespołu objawów znanego jako zespół mocznicowy. Hemodializa umożliwiła przeżycie ponad milionowi ludzi na całym świecie z ESRD z ograniczoną lub brakiem czynności nerek [76, 77]. Dzięki metodom metabolomicznym nasze poprzednie badania wykazały, że toksyny mocznicowe i produkty przemiany materii w hemodializie usunęły dużą liczbę zidentyfikowanych i jeszcze niezidentyfikowanych metabolitów [78]. Analiza mikromacierzy fitogenicznych wykazała mikrobiom jelitowy pacjentów z ESRD poddawanych hemodializie i porównała ich z osobami zdrowymi, wykazując wzrost liczby Proteobacteria (głównie Gammaproteobacteria), Actinobacteria i Firmicutes (zwłaszcza podtypu Clostridia) [52]. Jednak pacjenci hemodializowani wykazywali wyższe biomarkery stanu zapalnego i toksyn mocznicowych niż pacjenci niedializowani [79]. Interleukina-6 i MCP-1, dwa biomarkery zapalne, były dodatnio skorelowane z siarczanem indoksylu i siarczanem p-krezylu [79]. Obniżony poziom toksyn mocznicowych skutkował obniżoną ekspresją biomarkerów stanu zapalnego [80]. Porównano mikrobiom jelitowy pacjentów pediatrycznych poddawanych hemodializie z mikrobiomem osób zdrowych [81]. Bacteroidetes były znacznie zwiększone, podczas gdy Proteobacteria były znacznie zmniejszone u pacjentów hemodializowanych w porównaniu z osobami zdrowymi [81]. Dodatkowo analiza kału wykazała, że ​​pacjenci dializowani wykazywali zmniejszoną liczbę bakterii, które są w stanie wytworzyć maślan SCFA [65].

W jednym badaniu opisano spadek liczby Firmicutes jelitowych i Actinobacteria, zwłaszcza Bifidobacterium catenulatum, Bifidobacterium bifdum, Bifidobacterium long, Lactobacillus Plantarum i Lactobacillus paracasei u pacjentów dializowanych otrzewnowo [82]. Ogólnie rzecz biorąc, pacjenci z PChN wykazywali mniejszą kolonizację jelit przez gatunki Bifidobacterium i Lactobacillus [56]. Dlatego zmniejszenie populacji i różnorodności Lactobacillus i Bifdobacterium u pacjentów dializowanych otrzewnowo wiązało się z kilkoma działaniami niepożądanymi. Pacjenci pediatryczni poddawani dializie otrzewnowej wykazywali stosunkowo mniejszą liczebność bakterii jelitowych w Firmicutes i Actinobacteria, podczas gdy Proteobacteria były znacznie zwiększone [81]. Zwiększona liczba proteobakterii (bakterie utleniające żelazo) była związana z doustną suplementacją żelaza u pacjentów dializowanych otrzewnowo. Ponadto pacjenci dializowani otrzewnowo nasilali jelitowe wchłanianie glukozy z dializatu otrzewnowego, co sprzyjało fermentacji glukozy przez bakterie Enterobacteriaceae [81]. Biorąc pod uwagę translokację mikroflory jelitowej do jamy otrzewnej, przypuszczano, że wzrost liczby Enterobacteriaceae był odpowiedzialny za rozwój zapalenia otrzewnej u pacjentów dializowanych otrzewnowo, ponieważ rodzina Enterobacteriaceae stanowiła do 12% wszystkich epizodów zapalenia otrzewnej u tych pacjentów [83].

Mikrobiota jelitowa w IgAN

Ponieważ immunoglobulina A (IgA) jest powszechnie obecna w układzie odpornościowym błony śluzowej jelit, dysbioza mikroflory jelitowej odgrywa rolę w patogenezie IgAN [55]. Przewlekłe infekcje bakteryjne i dysbioza mikroflory jelitowej wzmocniły komórki nabłonkowe do wydzielania czynników aktywujących limfocyty B i ligandu indukującego proliferację, co przyspieszyło nadprodukcję IgA. Dodatkowo w IgAN stwierdzono dysbiozę mikroflory jelitowej [55]. Wyłączne różnice w mikroflorze jelitowej i składzie metabolomu były badane u pacjentów z IgAN i zdrowymi kontrolami [84, 85], a mikroflora jelitowa i metabolity w moczu (w tym wolne aminokwasy i organiczne lotne metabolity) były istotnie zmienione u pacjentów z progresją i bez progresywny IgAN [86]. Spekulowano, że podwyższone wolne aminokwasy w surowicy przyczyniające się do patologii IgAN były prawdopodobnie związane z obniżoną absorpcją białek żołądkowo-jelitowych, co prawdopodobnie nasilało proteolizę drobnoustrojów, zmieniało mikroflorę i przyczyniało się do podwyższonego poziomu p-krezolu w kale. Istniał potencjalny związek między lipopolisacharydami bakteryjnymi a hipogalaktozylacją IgA. Lipopolisacharyd bakteryjny mógł stymulować ogólnoustrojową odpowiedź zapalną, a lipopolisacharydy były zaangażowane w nadprodukcję i hipogalaktozylację IgA1, ważnej patogenezy związanej z IgAN [87].

Mikrobiota jelitowa w kamicy nerkowej

Kamica nerkowa to złożona choroba, która może być spowodowana przez czynniki genetyczne i różne czynniki środowiskowe. Kamienie nerkowe to małe złogi gromadzące się w nerkach, składające się z wapnia, fosforanów i innych składników żywności. Hiperoksaluria jest ważnym czynnikiem ryzyka wystąpienia kamicy nerkowej, ponieważ 75% kamieni nerkowych zawiera szczawian wapnia [88]. Ponieważ organizm ludzki opiera się głównie na mikrobiocie jelitowej w celu utrzymania homeostazy szczawianu, obcy bakterie Oxalobacter zwrócili uwagę w medycynie [89]. Te Oxalobacterformigenes, jako bakteria rozkładająca szczawian w przewodzie pokarmowym, wykazała korzyści zdrowotne poprzez homeostazę kwasu szczawiowego [90]. Wykazano odwrotną zależność między nawracającymi kamieniami nerkowymi a kolonizacją jelit przez Oxalobacterformigenes, która zmniejszała stężenie szczawianu dostępnego do wchłaniania w jelicie ze stałą szybkością. Oxalobacterformigenes może obniżyć wydalanie szczawianu z moczem i chronić przed tworzeniem się kamieni nerkowych ze szczawianu wapnia [91, 92]. Poza tym mikrobiom jelitowy uczestniczył w patofizjologii powstawania kamieni nerkowych [92]. Pacjenci z kamicą nerkową posiadali unikalną mikroflorę jelitową w porównaniu ze zdrowymi kontrolami [93]. Bacteroides spp. był bardziej obfity w substancje tworzące kamienie nerkowe, podczas gdy Prevotella spp. był bardziej obfity w zdrowych kontrolach [93].

Ponadto kwas cyjanurowy był wytwarzany z melaminy w jelitach w wyniku transformacji mikrobiologicznej i służył jako integralny składnik kamieni nerkowych odpowiedzialnych za toksyczność nerkową wywołaną melaminą u szczurów [94]. Klebsiella została następnie zidentyfikowana w kale i mogła bezpośrednio przekształcać melaminę w kwas cyjanurowy. Szczury skolonizowane przez Klebsiella terrigenous wykazywały zaostrzoną nefrotoksyczność wywołaną melaminą [94]. Dostępne obecnie dane potwierdzają, że manipulacja bakteriami jelitowymi może w przyszłości zapewnić nową terapię u pacjentów z kamieniami nerkowymi.

Mikrobiom jelitowy w nadciśnieniu

Pacjenci z podwyższonym skurczowym ciśnieniem krwi i PChN wykazywali zmieniony skład bakteryjny i zmniejszone bogactwo bakterii [95]. Obfitość drobnoustrojów jelitowych, Firmicutes i Bacteroidetes, wiąże się z podwyższonym ciśnieniem krwi w kilku modelach nadciśnienia [96]. Doniesiono, że głównym składnikiem szlaku węchowego w nerkach, Olfr78, był receptor węchowy wyrażany w nerkowym aparacie przykłębuszkowym, gdzie pośredniczył w wydzielaniu reniny w odpowiedzi na SCFA. SCFA były produktami końcowymi fermentacji przez mikrobiotę jelitową i były wchłaniane do krążenia [97]. Innym możliwym powiązaniem między mikroflorą jelitową a nadciśnieniem był metabolizm mikroflory jelitowej choliny i fosfatydylocholiny, które metabolizowały trimetyloaminę do TMAO. Trimetyloamina występuje obficie w czerwonym mięsie i może być metabolizowana przez mikrobiotę jelitową z dietetyczną l-karnityną, a następnie może być metabolizowana do TMAO i przyspieszonej miażdżycy u myszy [98].

Mikrobiom jelit w ostrym uszkodzeniu nerek

Ostatnio kilka badań wykazało, że mikroflora jelitowa może regulować AKI. Jednym z możliwych mechanizmów było renoprotekcyjne działanie SCFA przeciwko uszkodzeniu niedokrwienno-reperfuzyjnemu w modelach. SCFA o właściwościach przeciwzapalnych były produkowane przez mikrobiotę jelitową [99]. Leczenie trzema głównymi SCFA (octanem, propionianem i maślanem) poprawiło dysfunkcję nerek i zmniejszyło stan zapalny. Ponadto mikrobiota jelitowa wykazywała szerszy wpływ i rolę w autoimmunologicznych chorobach nerek poprzez swoje działanie immunomodulujące, znane ze swojego wpływu na polaryzację podzbiorów komórek T i komórek NK [32].

Interwencje probiotyczne, prebiotyczne i synbiotyczne w celu złagodzenia zaburzeń mikrobiomu jelitowego w chorobach nerek

Stosowanie probiotyków i prebiotyków to powszechne terapie. Probiotyki to żywe organizmy spożywane z pokarmem lub suplementami, które mogą promować zdrowie gospodarza. Probiotyki składają się z żywych bakterii, takich jak gatunki Lactobacilli, Streptococci i Bifidobacteria, które mogą zmieniać mikroflorę jelitową i wpływać na stan zapalny, wytwarzając mniej patogenną mikroflorę, a tym samym zmniejszać wytwarzanie toksyn mocznicowych. Pilotażowe międzynarodowe badanie u pacjentów z CKD w stadium 3 i 4 wykazało znaczne zmniejszenie stężenia mocznika we krwi i poprawę jakości życia po leczeniu preparatem Renadyl Lactobacillus acidophilus, Streptococcus thermophileslus i Bifidobacterium przez ponad 6 miesięcy [100]. Jednak obserwacyjne randomizowane, kontrolowane badanie z udziałem 22 pacjentów nie wykazało obniżenia stężenia toksyn mocznicowych w osoczu i nie poprawiło jakości życia [101]. Nieliczne korzyści z probiotyków można wytłumaczyć utrzymującymi się zmianami wywołanymi mocznicą w środowisku biochemicznym jelit oraz schematami żywieniowymi i leczniczymi, które prowadziły do ​​niekorzystnego środowiska dla symbiotycznej mikroflory [102]. Aby rozwiązać ten problem, jedno badanie oceniało kombinację terapii probiotycznych i prebiotycznych w ciągu 6 tygodni u pacjentów z CKD przed dializą i wykazało obniżone stężenie p-krezylu w surowicy i zmiany mikrobiomu jelitowego [103]. Dlatego ważny jest wybór drobnoustroju probiotycznego. Włączenie bakterii, które eksprymowały ureazę z zamiarem metabolizowania mocznika w jelitach, powodowało wzrost ilości produktów późniejszych NH3 i NH4OH oraz sprzyjało zapaleniu ściany jelita [102, 104].

Prebiotyki to niestrawne węglowodany, które selektywnie stymulują wzrost i aktywność pożytecznych bakterii jelitowych w okrężnicy, takich jak Bifidobacteria [105]. Prebiotyki promują wzrost gatunków Bifidobacteria i Lactobacilli kosztem innych grup bakterii w jelitach [105]. Prebiotyczna p-inulina wzbogacona w oligofruktozę regulowała również utratę masy ciała, hamowała stany zapalne i poprawiała funkcje metaboliczne [105]. P-krezol i siarczan indoksylu w surowicy są obniżane przez doustne przyjmowanie p-inuliny u pacjentów hemodializowanych [106]. Jednak karmienie szczurów z mocznicą leczonych skrobią kukurydzianą odporną na amylozę może poprawić klirens kreatyniny oraz zmniejszyć stan zapalny i zwłóknienie nerek [107]. Częściowo oczyszczona dieta o niskiej zawartości błonnika lub dieta bogata w błonnik istotnie poprawiła metabolizm w surowicy, moczu i płynie jelitowym, czemu towarzyszyło zmniejszenie dysbiozy mikroflory jelitowej [108]. Skrobia oporna przechodziła do okrężnicy w postaci niestrawionej i była metabolizowana przez bakterie do SCFA, które były ważnymi składnikami odżywczymi dla enterocytów. Suplementacja oligofruktozy-inuliny lub skrobi opornej istotnie obniżyła krążący siarczan indoksylu i p-krezylu u pacjentów hemodializowanych [106, 109].

Synbiotyki to połączenie zabiegów prebiotycznych i probiotycznych. Leczenie Probinul neutro, leczenie synbiotyczne, wykazało zmniejszenie całkowitego p-krezolu w osoczu bez poprawy objawów żołądkowo-jelitowych w 30 stadiach 3–4 pacjentów z PChN przez 4 tygodnie [110]. Badanie SINERGY wykazało zmniejszenie stężenia p-krezylu w surowicy, ale nie siarczanu indoksylu oraz korzystną zmianę mikrobiomu stolca w 37 stopniach 4–5 pacjentów z PChN [103]. Leczenie kombinacją Lactobacillus casei szczep Shirota i Bifidobacterium breve szczep Yakult plus galaktooligosacharydy wykazało istotne zmniejszenie p-krezolu w surowicy oraz poprawę ilości i jakości stolca u dziewięciu pacjentów poddawanych hemodializie przez 2 tygodnie [39]. Niedawno w wieloośrodkowym badaniu z udziałem 42 pacjentów poddawanych hemodializie wykazano poprawę objawów żołądkowo-jelitowych i zmniejszenie stężenia białka C-reaktywnego po 2 miesiącach leczenia [111].

Uwagi końcowe

Coraz więcej dowodów wskazuje na istnienie dwukierunkowego związku między gospodarzem a mikrobiomem jelitowym u pacjentów z różnymi chorobami nerek. Istnieje pilna potrzeba przeprowadzenia dalszych badań w celu dalszego scharakteryzowania mikrobiomu jelitowego w chorobach nerek i zbadania związku między różnymi chorobami nerek a mikrobiomem jelitowym. Zapalenie jelit i rozpad bariery nabłonkowej przyspieszają ogólnoustrojową translokację toksyn mocznicowych pochodzenia bakteryjnego, w tym siarczanu indoksylu, siarczanu p-krezylu i TMAO, i powodują uszkodzenie nerek, układu sercowo-naczyniowego i hormonalnego spowodowane stresem oksydacyjnym. Niedawno badanie osi jelito-nerka otworzyło nowe możliwości terapeutyczne w leczeniu stanu zapalnego, uszkodzenia nerek i mocznicy w celu zapobiegania niekorzystnym skutkom u pacjentów z PChN. Podjęto wiele obiecujących interwencji, aby odwrócić nierównowagę mikroflory jelitowej i spowolnić postęp chorób nerek. Probiotyki lub ich produkty uboczne zostały wykorzystane do opracowania innowacyjnych interwencji ukierunkowanych na sygnalizację, które przewyższają tradycyjne leki z oczywistymi skutkami ubocznymi. Wybór konkretnych gatunków probiotycznych o dobrze znanych funkcjach metabolicznych może złagodzić różne stany chorobowe. Na przykład termofile Streptococcus można stosować do zmniejszania mocznika z mocznicy. Przyszła uwaga i analiza tych interwencji są wymagane, aby wiedza o mikrobiocie przyniosła praktyczne korzyści dla pacjentów z CKD. Jednak interwencje muszą być dalej badane w dużych badaniach, zanim staną się podstawową terapią pacjentów z chorobami nerek.

Metagenomika i metabolomika zostały wykorzystane do zbadania funkcji kluczowych endogennych metabolitów o niskiej masie cząsteczkowej pochodzących z mikrobiomu jelitowego w chorobach nerek. Zrozumienie możliwości metabolicznych mikroflory jelitowej jest bardzo ważne w wyjaśnieniu ich funkcji w zakresie zdrowia i chorób. Chociaż zastosowano analizę sekwencjonowania 16S rRNA w celu wygodnego zbadania składu i struktury mikrobiomu jelitowego, informacje na temat ich efektów metabolitów były ograniczone przez niepełną wiedzę w bakteryjnych bazach danych genomowych. Sekwencjonowanie metagenomiczne wydobywa więcej wiedzy na temat istniejących genów, ale funkcje większości z tych genów pozostają nieznane. KEGG i MetaCyc to najobszerniejsze bazy danych do łączenia ortologicznych grup genów z reakcjami i metabolitami. Aby osiągnąć skuteczniejszą kombinację mikrobiomu i metabolomu w celu zrozumienia metabolizmu drobnoustrojów jelitowych w kontekście choroby nerek, należy opracować zaawansowane wieloomowe metody integracji. Aby pogłębić naszą wiedzę na temat funkcjonalnego potencjału mikroflory jelitowej związanej z gospodarzem, możemy wypełnić luki we wspomnianych bazach danych poprzez sekwencjonowanie genomu, nieukierunkowaną biochemię i badania funkcjonalne. Tak więc, nawet przy tych ogromnych wyzwaniach, coraz więcej badań wykazało, że kluczowe drobnoustroje i ich enzymy/metabolity są potencjalnymi celami interwencji medycznych w kontekście chorób nerek. Dzięki lepszemu zrozumieniu wzajemnego oddziaływania metabolicznego między mikrobiomem a gospodarzem, nowe prebiotyki i probiotyki mogą być badane, a spersonalizowane leczenie PChN, które wykorzystuje wiedzę o mikrobiomie jelitowym i ich interakcjach z gospodarzem, stanie się możliwe.

Cistanche deserticola zapobiega chorobie nerek, kliknij tutaj, aby pobrać próbkę

Bibliografia

1. De Sordi L, Khanna V, Debarbieux L. Mikrobiota jelitowa ułatwia zmiany w różnorodności genetycznej i zakaźności wirusów bakteryjnych. Mikrob gospodarza komórkowego. 2017;22(801–808):e803.

2. Rooks MG, Garrett WS. Mikrobiota jelitowa, metabolity i odporność gospodarza. Nat Rev Immunol. 2016;16:341–52.

3. Li DY, Tang WHW. Udział mikroflory jelitowej i jej metabolitów w powikłaniach sercowo-naczyniowych w przewlekłej chorobie nerek. Nefrol nasienia. 2018;38:193–205.

4. Afsar B, Vaziri ND, Aslan G, Tarim K, Kanbay M. Hormony jelitowe i mikrobiota jelitowa: implikacje dla czynności nerek i nadciśnienia. J Am Soc Hypertens. 2016;10:954-61.

5. Liu R, Hong J, Xu X, Feng Q, Zhang D, Gu Y, Shi J, Zhao S, Liu W, Wang X i in. Zmiany w mikrobiomie jelitowym i metabolomie surowicy w otyłości i po interwencji odchudzającej. Nat Med. 2017;23:859–68.

6. Wu H, Esteve E, Tremaroli V, Khan MT, Caesar R, Manners‑Holm L, Stahlman M, Olsson LM, Serino M, Planas‑Felix M i in. Metformina zmienia mikrobiom jelitowy osób z wcześniej nieleczoną cukrzycą typu 2, przyczyniając się do działania terapeutycznego leku. Nat Med. 2017;23:850-8.

7. Imhann F, Vich Vila A, Bonder MJ, Fu J, Gevers D, Visschedijk MC, Spekhorst LM, Alberts R, Franke L, van Dullemen HM i in. Wzajemne oddziaływanie genetyki gospodarza i mikroflory jelitowej leżącej u podstaw wystąpienia i klinicznej manifestacji nieswoistego zapalenia jelit. Jelito. 2018;67:108–19.

8. Böhm M, Schumacher H, Teo KK, Lonn EM, Mahfoud F, Mann JFE, Mancia G, Redon J, Schmieder RE, Śliwa K i in. Osiągnięte ciśnienie krwi i wyniki sercowo-naczyniowe u pacjentów wysokiego ryzyka: wyniki z badań ONTARGET i badań transcend. Lancet. 2017;389:2226–37.

9. Levin A, Tonelli M, Bonventre J, Coresh J, Donner J‑A, Fogo AB, Fox CS, Gansevoort RT, Heerspink HJL, Jardine M i in. Globalne zdrowie nerek

Rok 2017 i później: plan działania na rzecz wypełniania luk w opiece, badaniach i polityce. Lancet. 2017;390:1888-917.

10. Al Khodor S, Szatat IF. Mikrobiom jelit i choroba nerek: zależność dwukierunkowa. Pediatr Nefrol. 2017;32:921–31.

11. Nallu A, Sharma S, Ramezani A, Muralidharan J, Raj D. Mikrobiom jelitowy w przewlekłej chorobie nerek: wyzwania i możliwości. Rozdz. 2017;179:24–37.

12. Ramezani A, Massy ZA, Meijers B, Evenepoel P, Vanholder R, Raj DS. Rola mikrobiomu jelitowego w mocznicy: potencjalny cel terapeutyczny. Am J Nerki Dis. 2016;67:483-98.

13. Di Iorio BR, Marzocco S, Nardone L, Sirico M, De Simone E, Di Natale G, Di Micco L. Mocznik i upośledzenie osi jelitowo-nerkowej w przewlekłej chorobie nerek. G Ita Nefrol. 2017;34:1–11.

14. Ma SX, Shang YQ, Zhang HQ, Su W. Mechanizmy działania i cele terapeutyczne zwłóknienia nerek. J Nephrol Przysł. 2018;1:4–14.

15. Chen DQ, Hu HH, Wang YN, Feng YL, Cao G, Zhao YY. Naturalne produkty do zapobiegania i leczenia chorób nerek. Fitomedycyna. 2018;50:50–60.

16. Lepage P, Leclerc MC, Joossens M, Mondot S, Blottiere HM, Raes J, Ehrlich D, Dore J. Metagenomiczny wgląd w mikrobiom naszych jelit. Jelito. 2013;62:146–58.

17. Cole JR, Chai B, Farris RJ, Wang Q, Kulam‑Syed‑Mohideen AS, McGarrell DM, Bandela AM, Cardenas E, Garrity GM, Tiedje JM. Projekt bazy danych rybosomów (RDP‑II): wprowadzenie przestrzeni myRDP i danych publicznych o kontrolowanej jakości. Kwasy nukleinowe Res. 2007;35:D169–72.

18. Zhao YY, Lin RC. Metabolomika w nefrotoksyczności. Adv Clin Chem. 2014;65:69–89.

19. Zhao YY, Vaziri ND, Lin RC. Lipidomika: nowe spojrzenie na chorobę nerek. Adv Clin Chem. 2015;68:153–75.

20. Zhao YY. Metabolomika w przewlekłej chorobie nerek. Clin Chim Acta. 2013;422:59–69.