Mikrobiom: metabolom otkriva doprinos crijevo-bubrežne osi na bubrežnu bolest
Feb 22, 2022
Yuan-Yuan Chen1†, Dan‑Qian Chen1†et al
Sažetak
Disbioza predstavlja promjene u sastavu i strukturi zajednice crijevnih mikrobioma (mikrobioma), što može diktirati fiziološki fenotip (zdravlje ili bolest). Nedavni tehnološki napredak i napori u metagenomskim i metabolomičkim analizama doveli su do dramatičnog rasta u našem razumijevanju mikrobioma, ali još uvijek, mehanizmi na kojima se temelji interakcija crijevnog mikrobioma i domaćina u zdravom ili bolesnom stanju i dalje su nedostižni i njihovo je razjašnjenje u povojima. Poremećaj normalne crijevne mikrobiote može dovesti do crijevne disbioze, disfunkcije crijevne barijere i bakterijske translokacije. Prekomjerni uremijski toksini nastaju kao rezultat promjene crijevne mikrobiote, uključujući indoksil sulfat, p-krezil sulfat i trimetilamin-N-oksid, a svi su uključeni u varijante procesabubregbolestirazvoj. Ovaj pregled usredotočen je na patogenu povezanost između crijevne mikrobiote i bolesti bubrega (os crijeva-bubreg), pokrivajućiCKD, IgA nefropatija, nefrolitijaza, hipertenzija, akutnabubregozljeda, hemodijaliza i peritonealna dijaliza u poliklinici. Ciljane intervencije uključujući probiotičke, prebiotičke i simbiotičke mjere raspravljaju se zbog njihovog potencijala ponovnog uspostavljanja simbioze i učinkovitijih strategija za liječenjebubreg bolestipredlažu se pacijenti. Nova saznanja o disbiozi crijevne mikrobiote kod bubrežnih bolesti korisna su za razvoj novih terapijskih strategija za prevenciju ili ublažavanje bubrežnih bolesti i komplikacija.
Ključne riječi:Mikrobiom, crijevna mikrobiota, metabolom,Bubregbolesti, probiotici
Kontakt:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791
Pozadina
Mikrobiota u zdravim ljudskim crijevima složena je zajednica od više od 100 bilijuna mikrobnih stanica među kojima je više od 1000 različitih vrsta [1]. U zdravom stanju ovi mikrobi žive u komenzalnom odnosu sa svojim domaćinom, modulirajući imunološki sustav, štiteći od patogena i regulirajući endogeni metabolizam ugljikohidrata i lipida, pridonoseći tako prehrambenoj ravnoteži [2]. Promjene u mikrobiomu sve su više povezane s razvojem raznih bolesti kao što su pretilost, rak, dijabetes, upalne bolesti crijeva, kardiovaskularne bolesti ibubregbolest[3]. Na slici 1 prikazana je disbioza crijevnog mikrobioma na utjecaj različitih bolesti. Disbioza u crijevnoj mikrobioti povezana je s napredovanjem raznihbubregbolesti[4–10]. Zapravo, disbioza se često opaža u uremičnim stanjima karakterističnim za zadržavanje uremijskih toksina, od kojih većina potječe od neuravnotežene fermentacije dušikovih metabolita. Ovi uremijski toksini pridonose progresiji i komplikacijama CKD [11-15].
Ovaj pregled usredotočen je na patogenu povezanost između crijevne mikrobiote ibubregbolesti (crijeva –bubregosi), koji se dotiču kronične bubrežne bolesti, hemodijalize, peritonealne dijalize, imunoglobulinske A nefropatije (IgAN), nefrolitijaze, hipertenzije i akutnebubregozljeda(AKI) pacijenata. Dok razmišljamo o relevantnim studijama i sažimamo nagomilane nalaze, dolazimo do napomene da su prebiotici i probiotici, kao i njihova kombinacija, važne pomoćne terapije za liječenje KBB-a. Disbiotička crijevna mikrobiota predstavlja potencijalni terapeutski cilj za sprječavanje ili iskorištavanje komplikacija.
Primjena pristupa mikrobioma crijeva – metaboloma u proučavanju mikrobiote crijeva
Uspostava naprednih tehnologija sekvenciranja sljedeće generacije, uključujući metagenomiku i analizu sekvenci 16S ribosomske RNA (rRNA), olakšala je analizu mnogo većeg broja crijevnih mikroorganizama. Oba pristupa imaju svoje jedinstvene prednosti. Metagenomsko sekvenciranje ima za cilj određivanje "što oni mogu učiniti" nasumičnim sekvenciranjem sve ekstrahirane DNK u uzorku [16], dok je analiza 16S rRNA bila korisnija u pronalaženju "tko je tamo?" sekvenciranjem konzerviranog gena 16S rRNA koji je prisutan u svim bakterijama [17]. Funkcionalna analiza metagenomike sačmarice uvelike ovisi o našem temeljnom znanju o tome kako sekvence gena kodiraju enzimske ili druge funkcije, a metaboličke baze podataka kao što su KEGG i MetaCyc izvrsni su resursi u tom pogledu. Slika 2 sažima neke metodologije korištene u proučavanju mikrobioma. Unatoč određenom napretku u radnom tijeku sekvenciranja mikrobioma, istraživanje crijevnog mikrobioma suočava se s mnogim izazovima. Ograničeno razumijevanje mikrobne funkcije u uzročnosti bolesti ozbiljno otežava stvaranje hipoteza o složenim mehaničkim vezama između crijevnog mikrobioma i bolesti. Metabolomika bi mogla pružiti neke važne informacije o crijevnom mikrobiomu.
Metabolomika je definirana kao "kvantitativno mjerenje dinamičkog višeparametarskog metaboličkog odgovora živih organizama na patofiziološku stimulaciju ili genetske modifikacije" [18-21]. Kao važan alat za razumijevanje funkcije crijevne mikrobiote, metabolomika se pojavila kao sustavni pristup endogenim metabolitima niske molekularne težine i može ispitati njihove promjene nakon bolesti, toksične izloženosti ili genetske varijacije [22-24]. Spektroskopija protonske nuklearne magnetske rezonancije i pristupi koji se temelje na spektrometriji masa glavni su analitički alati za istraživanje metabolomike [24, 25]. Kao snažna analitička platforma, metabolomika se nedavno naširoko primjenjuje za olakšavanje dijagnoze i prognoze raznih bolesti, otkrivanje biomarkera, farmaceutski razvoj i procjenu učinkovitosti/toksičnosti lijekova [26-31]. Metabolomika se široko koristi u studijama raznih bolesti bubrega [18-20]. Unatoč tome, primjena metabolomike na uzorcima bubrežnih bolesti pod utjecajem crijevnog mikrobioma je rijetka. Takva je studija ključna za razumijevanje veza između crijevne mikrobiote i bolesti bubrega.
Općenito, djetinjstvo podataka o crijevnom mikrobiomu i metabolomu zahtijeva potrebu za daljnjim razumijevanjem mehanizama i fenotipova u vezama između crijevne mikrobiote i bubrežnih bolesti kroz multi-omičko istraživanje.
Preslušavanje ispod osi crijeva i bubrega
Mikrobiom crijeva kao potencijalni izvor uremijskih toksina
Uremični toksini tradicionalno se kategoriziraju na temelju fizikalno-kemijskih karakteristika koje utječu na njihovo uklanjanje tijekom dijalize. Te su sadržavale molekule slabo topljive u vodi (molekulska težina < 500="" da),="" veće="" srednje="" molekule="" (molekulska="" težina=""> 500 Da) i molekule vezane na proteine. Uremični toksini također se mogu klasificirati na temelju njihovog mjesta nastanka: endogeni (metabolizam sisavaca), egzogeni (dijeta) ili mikrobni. Trenutno poznati uremički toksini koji potječu iz crijeva uključuju indoksil sulfat, p-krezil sulfat, indol-3 octenu kiselinu, TMAO i fenilacetilglutamin; utvrđeno je da su oni povezani s kardiovaskularnim bolestima, smrtnošću od kronične bubrežne bolesti i drugim toksičnim djelovanjem na krajnje organe.
Indoksil sulfat i indol-3 octena kiselina nastaju metabolizmom triptofana iz hrane [32, 33]. Triptofan se metabolizira u indol triptofanazom crijevnih bakterija kao što je Escherichia coli; nakon intestinalne apsorpcije, indol se sulfatira u indoksil sulfat u jetri. Indoksil sulfat se normalno izlučuje urinom; ne može se učinkovito očistiti konvencionalnom hemodijalizom zbog visokog afiniteta vezanja za albumin [34].
p-krezol/p-krezil sulfat nastaje katabolizmom fenilalanina i tirozina pomoću anaerobnih crijevnih bakterija. P-Krezol konjugiraju crijevni mikrobi u p-krezil sulfat i p-krezil glukuronid. p-krezil sulfat je toksin zbog svoje visoke koncentracije u cirkulaciji i biokemijskog utjecaja na tijelo [35]. p-krezol se također konjugira u jetri te se može natjecati s ksenobioticima koji imaju ili sličnu strukturu ili dio u strukturi kostura, što zauzvrat može utjecati na njihove odgovarajuće farmakokinetičke/farmakodinamičke profile (uključujući toksičnost/štetne učinke) [25] .
TMAO je toksični metabolit dobiven iz crijeva iz bakterijskog metabolizma kvaternih amina koji uključuju betain, l-karnitin ili fosfatidilkolin koji oslobađaju trimetilamin [36]. Trimetilamin se apsorbira i pretvara u TMAO pomoću enzima flavin monooksigenaze u jetri. Za razliku od toksičnih metabolita vezanih za proteine kao što su indoksil sulfat i p-krezil sulfat, TMAO se može učinkovito ukloniti dijalizom.
Fenilacetilglutamin je još jedan produkt mikroba debelog crijeva, proizveden fermentacijom fenilalanina. Mikrobi metaboliziraju fenilalanin u feniloctenu kiselinu, koja se podvrgava konjugaciji s glutaminom u fenilacetilglutamin. Kao i TMAO, može se dijalizirati. Dokazano je da uremično stanje izaziva promjene u crijevnoj mikrobioti. Unatoč tome što nema značajnih razlika u ukupnoj količini mikroorganizama, opisana je erozija aerobnih bakterija od strane anaerobnih bakterija (osobito Lactobacillus i Bifidobacterium) [37, 38]. Porast anaerobnih bakterija pospješio je razgradnju dušikovih spojeva u pogoršanom uremijskom stanju [39].
Disbioza crijevne mikrobiote i disfunkcijacrijevno-epitelne barijere
Intestinalni epitel je jedan sloj stanica epitela u obliku stupca koji odvaja crijevni lumen od lamine proprie koja leži ispod [40]. Ima važnu ulogu u apsorpciji hranjivih tvari i prirodna je barijera koja sprječava ili inhibira sustavnu translokaciju patogena i antigena [40]. Te su stanice međusobno povezane tijesnim spojevima, tvoreći multifunkcionalni kompleks kao brtvu između susjednih epitelnih stanica [40]. Probiotičke bakterije poboljšavaju funkciju crijevne epitelne barijere i kod životinja i kod ljudi [41]. Tretiranje monoslojeva ljudskih epitelnih stanica metabolitima iz Bifidobacterium dojenčadi rezultiralo je povećanjem proteina uskog spoja ZO-1 i okludina, a opet smanjenjem klaudina-2, stoga je selektivnost uskog spoja naznačena [42]. Štoviše, komenzalne bakterije pomažu u održavanju crijevne epitelne barijere suzbijanjem crijevne upale [43].
Prvo, urea se hidrolizira ureazom da bi se dobio amonijak i karbamat koji se spontano raspadaju da bi se dobila druga molekula amonijaka i bikarbonata. Amonijak zatim prolazi kiselo-baznu reakciju s vodom dajući amonijev hidroksid. Urea iz krvi difundira u lumen crijeva i metabolizirana je ureazom dobivenom iz bakterija, proizvodeći NH3 koji se hidrolizira u NH4OH, koji nagriza epitelnu barijeru [38, 44]. To je dodatno stimuliralo priljev leukocita, što je izazvalo drugi mehanizam prema kojem lokalna upala i proizvodnja citokina induciraju retrakciju i endocitozu transcelularnih proteina uskog spoja (claudins i occludin) [45]. Kao što je gore spomenuto, SCFA iz crijevnih bakterija bio je važan izvor hranjivih tvari za enterocite, a teoretski, promjena u populaciji bakterija ugrozila je zdravlje epitelne barijere.
Probavni mikrobiom bolesnika s bubrežnim bolestima
Bolesti bubrega bile su povezane s kongestijom crijevne stijenke, edemom crijevne stijenke, usporenim crijevnim tranzitom, metaboličkom acidozom, čestom uporabom antibiotika, smanjenom konzumacijom dijetalnih vlakana i oralnim unosom željeza, što utječe na uske spojeve crijeva, dovodi do povećane crijevne propusnosti i regeneracije translokacija bakterijskih metaboličkih produkata kroz crijevnu barijeru [46-49]. Kao posljedica toga, izaziva se imunološki odgovor [46]. Imunološki odgovor objašnjava sustavnu upalu koja doprinosi pogoršanju bolesti bubrega [3, 50]. Štoviše, povećano gastrointestinalno izlučivanje ureje rezultiralo je disbiozom crijevne mikrobiote i povećanim stvaranjem toksičnog amonijaka. Osim toga, dodatak uree u vodi za piće pridonio je promjeni bakterijske crijevne mikrobiote [51]. Slika 3 prikazuje doprinos osi crijevo-bubreg bubrežnoj fibrozi kroz disbiozu crijevne mikrobiote i disregulaciju endogenih metabolita.
Crijevna mikrobiota u CKD
Sve je više dokaza koji upućuju na to da je crijevni mikrobiom promijenjen u bolesnika s KBB-om. Otprilike, 190 mikrobnih operativnih taksonomskih jedinica (OTU) bilo je značajno različito u obilju kada je crijevni mikrobiom pacijenata sa završnom fazom bubrežne bolesti (ESRD) uspoređen sa zdravim kontrolama [52]. Niži broj obitelji Lactobacillaceae i Prevotellaceae (obje se smatraju normalnom mikrobiotom debelog crijeva) i 100 puta veći broj Enterobacteria i Enterococci vrsta (koje su normalno prisutne u nižem udjelu) utvrđen je u bolesnika s KBB-om [52]. Broj aerobnih bakterija, uključujući vrste Enterococci i Enterobacteria, bio je veći u bolesnika s ESRD nego u zdravih kontrolnih osoba [53]. Disbioza crijevne mikrobiote u bolesnika s kroničnom bubrežnom bolesti pridonijela je povišenoj koncentraciji uremičnog toksina što je zauzvrat pospješilo progresiju kronične bubrežne bolesti [54, 55]. Neravnoteža crijevne mikrobiote kod CKD-a javlja se i kvantitativno i kvalitativno, često je popraćena povećanjem Lachnospiraceae, Enterobacteriaceae i određenih Ruminococcaceae, te smanjenjem nekih Prevotellaceae, Bacteroidaceae i određenih Lactobacillus i Bifidobacterium vrsta [56]. Apsolutna količina ukupnih bakterija značajno je smanjena u bolesnika s ESRD. Prevotella je prevladavala u zdravih kontrola, dok je Bacteroides bio obogaćen u bolesnika s ESRD-om. Bakterije koje proizvode butirat, uključujući Roseburia, Faecalibacterium, Clostridium, Coprococcus i Prevotella, smanjene su u bolesnika s ESRD [57].
Naše su studije dalje pokazale da su poremećaji regulacije oksidativnog stresa i upale povezani s poremećajima metabolizma aminokiselina, lipida, purina i lipida u serumu kod KBB [58, 59], koji su povezani s metabolizmom crijevne mikrobiote. Osim toga, nedavne kliničke studije pokazale su da su trigliceridi u krvi i razina HDL-kolesterola te predviđeni metabolički odgovor na prehranu i lijekove povezani sa sastavom crijevne mikrobiote [60]. Oštećena
bubrežna funkcija i disbioza crijevne mikrobiote pridonijeli su povećanom TMAO u bolesnika s KBB [61]. Fekalni uzorci bolesnika s kroničnom bubrežnom bolesti i zdravih kontrola primijenjeni su miševima C57BL/6 liječenim antibioticima, a miševi koji su primili crijevnu mikrobiotu bolesnika s kroničnom bubrežnom bolesti imali su značajno viši TMAO u plazmi i drugačiji sastav crijevne mikrobiote od usporednih miševa [61]. Osim toga, mikrobna ureaza metabolizirala je amonijak iz uree. Amonijak bi mogao uzrokovati veliki poremećaj strukture i funkcije crijevne epitelne barijere, što bi dovelo do translokacije uremičkih toksina, antigena, endotoksina i crijevnih mikrobnih organizama/proizvoda koji potječu iz crijeva u cirkulaciju [44, 62, 63]. Indoksil sulfat i p-krezil sulfat povezani su s povećanim upalnim biomarkerima u bolesnika s kroničnom bubrežnom bolesti stadija 3-4, kao što su glutation peroksidaza i interleukin-6 [64]. Druga je studija otkrila da je 19 mikrobnih obitelji koje su bile dominantne u bolesnika s ESRD-om, 12 posjedovalo ureazu (Alteromona-disease, Clostridiaceae, Cellulomonadaceae, Dermabacteraceae, Halomonadaceae, Enterobacteriaceae, Methylococcaceae, Moraxellaceae, Micrococcaceae, Polyangiaceae, Xanthomonadaceudomonae), i Psea5 posjeduju urikaze (porodice Cellulomonadaceae, Micrococcaceae, Dermabacteraceaea, Xanthomonadaceae i Polyangiaceae), a 3 su posjedovale enzime koji stvaraju indol i p-krezil (tj. obitelji koje posjeduju triptofanazu: Clostridiaceae, Verrucomicrobiaceae i Enterobacteriaceae) [65]. Prevotellaceae i Lactobacillaceae, dvije obitelji koje posjeduju SCFA(butirat) koji stvaraju enzime, bili su među četiri mikrobne obitelji koje su bile iscrpljene u bolesnika s ESRD [65].
Na temelju metabolomike, naše prethodne studije pokazale su da su poremećaji metabolizma aminokiselina, lipida i purina u serumu [66-70], kao i metabolizma žučne kiseline i fosfolipida u fecesu, povezani s CKD štakorima [71, 72]. Poremećaj crijevne barijere kod CKD-a doveo je do translokacije uremičkih toksina porijeklom iz bakterija u sistemsku cirkulaciju, izazivajući tako upalu i stimulaciju leukocita. Koristeći metode metabolomike, naše prethodne studije pokazale su da su poremećaji regulacije oksidativnog stresa i upale povezani s poremećajima metabolizma aminokiselina, metilamina, purina i lipida u serumu u bolesnika s KBB-om [31, 73-75].
Probavna mikrobiota u bolesnika na hemodijalizi i peritonealnoj dijalizi
Zamjenom funkcije izlučivanja bubrega, dijaliza je namijenjena uklanjanju kompleksa simptoma poznatog kao uremički sindrom. Hemodijaliza je omogućila preživljavanje za više od milijun ljudi diljem svijeta koji imaju ESRD s ograničenom ili nikakvim radom bubrega [76, 77]. Putem metabolomičkih metoda, naše prethodne studije pokazale su da su uremijski toksini i otpadni proizvodi u hemodijalizi uklonili veliki broj identificiranih i još neidentificiranih metabolita [78]. Analiza figenetičkih mikronizova pokazala je crijevni mikrobiom bolesnika s ESRD-om na hemodijalizi i usporedila ih sa zdravim pojedincima, pokazujući porast Proteobacteria (prvenstveno Gammaproteobacteria), Actinobacteria i Firmicutes (posebno subfilum Clostridia) [52]. Međutim, bolesnici na hemodijalizi pokazali su više upalne biomarkere i uremijske toksine od bolesnika koji nisu na dijalizi [79]. Interleukin-6 i MCP-1, dva upalna biomarkera, bili su u pozitivnoj korelaciji s indoksil sulfatom i p-krezil sulfatom [79]. Snižene razine uremičkih toksina rezultirale su smanjenom ekspresijom upalnih biomarkera [80]. Probavni mikrobiom u pedijatrijskih pacijenata koji su na hemodijalizi uspoređivan je s mikrobiomima zdravih osoba [81]. Bakteroidi su značajno povećani, dok je proteobakterija značajno smanjena u pacijenata na hemodijalizi u usporedbi sa zdravim pojedincima [81]. Dodatno, fekalna analiza pokazala je da pacijenti na dijalizi pokazuju smanjeni broj bakterija koje mogu proizvesti SCFA butirat [65].
Jedno je istraživanje opisalo smanjenje crijevnih Firmicutes i Actinobacteria, osobito Bifidobacterium catenulatum, Bifidobacterium bifdum, Bifidobacterium long, Lactobacillus Plantarum i Lactobacillus paracasei u pacijenata na peritonealnoj dijalizi [82]. Općenito, bolesnici s CKD-om pokazali su nižu intestinalnu kolonizaciju vrsta Bifidobacterium i Lactobacillus [56]. Stoga je smanjena populacija i raznolikost Lactobacillus i Bifdobacterium u pacijenata na peritonealnoj dijalizi povezana s nekoliko nuspojava. Pedijatrijski pacijenti na peritonealnoj dijalizi pokazali su relativno manju brojnost crijevnih bakterija unutar Firmicutes i Actinobacteria, dok je proteobacteria bila značajno povećana [81]. Povećan broj proteobakterija (bakterija koje oksidiraju željezo) bio je povezan s oralnim dodacima željeza u bolesnika na peritonealnoj dijalizi. Osim toga, pacijenti na peritonejskoj dijalizi pojačali su intestinalnu apsorpciju glukoze iz dijalizata peritonejske dijalize koji je potaknuo bakterije Enterobacteriaceae koje mogu fermentirati glukozu [81]. Uzimajući u obzir translokaciju crijevne mikrobiote u peritonealnu šupljinu, pretpostavlja se da je povećanje Enterobacteriaceae odgovorno za razvoj peritonitisa u pacijenata na peritonejskoj dijalizi budući da je obitelj Enterobacteriaceae činila do 12 posto svih epizoda peritonitisa u tih bolesnika [83].
Crijevna mikrobiota u IgAN-u
Budući da je imunoglobulin A (IgA) široko zastupljen u imunološkom sustavu crijevne sluznice, disbioza crijevne mikrobiote igra ulogu u patogenezi IgAN-a [55]. Kronične bakterijske infekcije i disbioza crijevne mikrobiote potaknule su epitelne stanice na izlučivanje čimbenika aktiviranja B stanica i liganda koji inducira proliferaciju koji je ubrzao prekomjernu proizvodnju IgA. Uz to, kod IgAN-a je pronađena disbioza crijevne mikrobiote [55]. Isključive razlike u crijevnoj mikrobioti i sastavu metaboloma istražene su u bolesnika s IgAN-om i zdravih kontrolnih osoba [84, 85], a crijevna mikrobiota i urinarni metaboliti (uključujući slobodne aminokiseline i organske hlapljive metabolite) bili su značajno promijenjeni između pacijenata s progresornim i ne- progresorni IgAN [86]. Nagađalo se da su povišene slobodne aminokiseline u serumu koje su pridonijele patologiji IgAN-a vjerojatno bile povezane sa smanjenom apsorpcijom gastrointestinalnih proteina, što je vjerojatno poboljšalo mikrobnu proteolizu, promijenilo mikrobiotu i pridonijelo povišenoj razini fekalnog p-krezola. Postojala je potencijalna veza između bakterijskih lipopolisaharida i hipogalaktozilacije IgA. Bakterijski lipopolisaharid mogao bi stimulirati sustavni upalni odgovor, a lipopolisaharidi su bili uključeni u hiperprodukciju i hipogalaktozilaciju IgA1, važnu patogenezu uključenu u IgAN [87].
Crijevna mikrobiota u nefrolitijazi
Nefrolitijaza je složena bolest koju mogu uzrokovati genetski i različiti okolišni čimbenici. Bubrežni kamenci su male naslage koje se nakupljaju u bubrezima, a sastoje se od kalcija, fosfata i drugih sastojaka hrane. Hiperoksalurija je važan čimbenik rizika za pojavu nefrolitijaze budući da 75 posto bubrežnih kamenaca sadrži kalcijev oksalat [88]. Budući da se ljudsko tijelo uglavnom oslanja na crijevnu mikrobiotu za homeostazu oksalata, strance oksalobakterije privukle su pozornost u medicini [89]. Te Oxalobacterformigenes, kao bakterija koja razgrađuje oksalate u crijevnom traktu, pokazala je zdravstvene dobrobiti kroz homeostazu oksalne kiseline [90]. Pokazan je obrnuti odnos između ponovljenih bubrežnih kamenaca i crijevne kolonizacije s Oxalobacterformigenes, što je smanjilo koncentraciju oksalata koja je bila dostupna za apsorpciju konstantnim brzinama u crijevima. Oxalobacterformigenes može smanjiti izlučivanje oksalata urinom i zaštititi od stvaranja bubrežnih kamenaca od kalcijeva oksalata [91, 92]. Osim toga, mikrobiom crijeva sudjelovao je u patofiziologiji stvaranja bubrežnih kamenaca [92]. Bolesnici s nefrolitijazom imali su jedinstvenu crijevnu mikrobiotu u usporedbi sa zdravom kontrolom [93]. Bacteroides spp. bio je obilniji u stvarateljima bubrežnih kamenaca, dok je Prevotella spp. bio je obilniji u zdravih kontrola [93].
Osim toga, cijanurna kiselina je proizvedena iz melamina u crijevima mikrobnom transformacijom i služila je kao sastavni dio bubrežnih kamenaca odgovornih za bubrežnu toksičnost izazvanu melaminom kod štakora [94]. Klebsiella je naknadno identificirana u izmetu i mogla je izravno pretvoriti melamin u cijanurnu kiselinu. Štakori kolonizirani s Klebsiella terrigenous pokazali su pojačanu nefrotoksičnost izazvanu melaminom [94]. Trenutačno dostupni podaci potvrđuju da bi manipulacija crijevnim bakterijama mogla pružiti novu terapiju za pacijente s bubrežnim kamencima u budućnosti.
Probavni mikrobiom kod hipertenzije
Bolesnici s povišenim sistoličkim krvnim tlakom i CKD otkrili su promijenjen bakterijski sastav i smanjeno bogatstvo bakterijama [95]. Obilje crijevnih mikroba, Firmicutes i Bacteroidetes, povezano je s povišenim krvnim tlakom u nekoliko modela hipertenzije [96]. Zabilježeno je da je glavna komponenta olfaktornog puta u bubrezima, Olfr78, bio olfaktorni receptor izražen u bubrežnom jukstaglomerularnom aparatu, gdje je posredovao u lučenju renina kao odgovor na SCFA. SCFA su bili krajnji proizvodi fermentacije crijevne mikrobiote i apsorbirani su u cirkulaciju [97]. Još jedna moguća veza između crijevne mikrobiote i hipertenzije bio je metabolizam kolina i fosfatidilkolina u crijevnoj mikrobioti, koji je metabolizirao trimetilamin u TMAO. Trimetilamina ima u izobilju u crvenom mesu i može se metabolizirati crijevnom mikrobiotom prehrambenog l-karnitina, a dalje se može metabolizirati u TMAO i ubrzati aterosklerozu kod miševa [98].
Mikrobiom crijeva kod akutne ozljede bubrega
Nedavno je nekoliko studija pokazalo da crijevna mikrobiota može regulirati AKI. Jedan mogući mehanizam bilo je renoprotektivno djelovanje SCFA protiv ishemijsko-reperfuzijske ozljede u modelima. SCFA s antiinfantatornim svojstvima proizvela je crijevna mikrobiota [99]. Liječenje s tri glavna SCFA (acetat, propionat i butirat) poboljšalo je bubrežnu disfunkciju i smanjilo upalu. Nadalje, mikrobiota crijeva pokazala je širi utjecaj i ulogu u autoimunim bolestima bubrega putem svojih imunomodulatornih učinaka, poznatih po učinku na polarizaciju podskupova T-stanica i prirodnih stanica ubojica [32].
Probiotičke, prebiotičke i sinbiotske intervencije za ublažavanje poremećaja crijevnog mikrobioma kod bolesti bubrega
Upotreba probiotika i prebiotika uobičajena je terapija. Probiotici su živi organizmi uneseni hranom ili dodacima koji mogu promicati zdravlje domaćina. Probiotici se sastoje od živih bakterija, poput vrsta laktobacila, streptokoka i bifidobakterija, koje bi mogle promijeniti crijevnu mikrobiotu i utjecati na upalno stanje kako bi se proizvela manje patogena mikroflora i time smanjilo stvaranje uremičkih toksina. Pilot multinacionalno ispitivanje u bolesnika sa stadijima 3 i 4 KBB-a pokazalo je značajno smanjenu ureu u krvi i poboljšanu kvalitetu života nakon liječenja Lactobacillus acidophilus, Streptococcus thermophileslus i Bifidobacterium formulacijom Renadyla tijekom 6 mjeseci [100]. Međutim, naknadno randomizirano kontrolirano ispitivanje u 22 bolesnika nije uspjelo smanjiti uremijske toksine u plazmi niti poboljšati kvalitetu života [101]. Nekoliko koristi od probiotika moglo bi se objasniti trajnim promjenama uzrokovanim uremijom u biokemijskom miljeu crijeva te prehrambenim i medicinskim režimima koji su doveli do nepovoljnog miljea za simbiotičku mikrobiotu [102]. Kako bi se riješio ovaj nedostatak, jedno je ispitivanje istraživalo kombinaciju probiotičkih i prebiotičkih terapija tijekom 6 tjedana kod bolesnika s kroničnom bubrežnom bolesti prije dijalize i pokazalo je smanjenu razinu p-krezil sulfata u serumu i promjene crijevnog mikrobioma [103]. Stoga je izbor probiotičkog mikroba važan. Uključivanje bakterija koje su eksprimirale ureazu s namjerom da metaboliziraju crijevnu ureu uzrokovalo je povećane nizvodne produkte NH3 i NH4OH i pospješilo upalu crijevne stijenke [102, 104].
Prebiotici su neprobavljivi ugljikohidrati koji selektivno stimuliraju rast i aktivnost korisnih crijevnih bakterija u debelom crijevu, kao što su bifidobakterije [105]. Prebiotici potiču rast bifidobakterija i laktobacila na račun drugih skupina bakterija u crijevima [105]. Prebiotik p-inulin obogaćen oligofruktozom također je regulirao gubitak težine, inhibirao upalu i poboljšao metaboličku funkciju [105]. Serumski p-krezol i indoksil sulfat sniženi su oralnim unosom p-inulina u bolesnika na hemodijalizi [106]. Međutim, hranjenje uremijskih štakora liječenih škrobom otpornim na amilozu moglo bi poboljšati klirens kreatinina i smanjiti upalu i fibrozu bubrega [107]. Polupročišćena dijeta s malo vlakana ili dijeta s visokim sadržajem vlakana značajno je poboljšala metabolome u serumu, urinu i crijevnoj tekućini popraćena smanjenjem disbioze crijevne mikrobiote [108]. Otporni škrobovi dospjeli su neprobavljeni u debelo crijevo i metabolizirale su ih bakterije u SCFA koje su bile važne hranjive tvari za enterocite. Dodatak oligofruktoza-inulina ili rezistentnog škroba značajno je smanjio cirkulirajući indoksil sulfat i p-krezil sulfat u pacijenata na hemodijalizi [106, 109].
Sinbiotici su kombinacija prebiotika i probiotika. Liječenje lijekom Probinul neutro, sinbiotičko liječenje, pokazalo je smanjenje ukupnog p-krezola u plazmi bez poboljšanja gastrointestinalnih simptoma u 30 bolesnika s CKD stadijima 3-4 tijekom 4 tjedna [110]. Ispitivanje SINERGY pokazalo je smanjenje serumskog p-krezil sulfata, ali ne i indoksil sulfata i povoljnu promjenu u mikrobiomu stolice u 37 bolesnika s CKD stadijima 4–5 [103]. Liječenje kombinacijom Lactobacillus casei soja Shirota i Bifidobacterium breve soja Yakult plus galaktooligosaharida pokazalo je značajno smanjenje serumskog p-krezola i poboljšanje količine i kvalitete stolice u devet pacijenata na hemodijalizi tijekom 2 tjedna [39]. Nedavno je multicentrično istraživanje u 42 bolesnika na hemodijalizi pokazalo poboljšanje gastrointestinalnih simptoma i smanjenje C-reaktivnog proteina nakon 2 mjeseca liječenja [111].
Zaključne napomene
Sve više dokaza pokazalo je postojanje dvosmjernog odnosa između domaćina i crijevnog mikrobioma u bolesnika s različitim bolestima bubrega. Postoji hitna potreba za dodatnim studijama za daljnju karakterizaciju crijevnog mikrobioma kod bubrežnih bolesti i istraživanje odnosa između različitih bubrežnih bolesti i crijevnog mikrobioma. Intestinalna upala i razgradnja epitelne barijere ubrzavaju sustavnu translokaciju uremijskih toksina bakterijskog podrijetla uključujući indoksil sulfat, p-krezil sulfat i TMAO, te uzrokuju oštećenje bubrega, kardiovaskularnog i endokrinog sustava uzrokovano oksidativnim stresom. Nedavno je proučavanje osi crijevo-bubreg otvorilo nove terapijske puteve za upravljanje upalama, ozljedama bubrega i uremije kako bi se spriječili štetni ishodi kod bolesnika s KBB-om. Primijenjene su brojne obećavajuće intervencije kako bi se poništila neravnoteža crijevne mikrobiote i usporilo napredovanje bubrežnih bolesti. Probiotici ili njihovi nusproizvodi korišteni su za razvoj inovativnih intervencija usmjerenih na signaliziranje koje nadmašuju tradicionalne lijekove s očitim nuspojavama. Odabir specifičnih vrsta probiotika s dobro poznatim metaboličkim funkcijama mogao bi ublažiti različita bolesna stanja. Na primjer, Streptococcus thermophiles može se koristiti za smanjenje ureje iz uremije. Potrebna je buduća pažnja i ispitivanje ovih intervencija kako bi se znanje o mikrobioti dovelo u praktičnu korist za pacijente s KBB-om. Međutim, intervencije je potrebno dodatno ispitati u velikim ispitivanjima prije nego što mogu postati primarna terapija za bolesnike s bubrežnim bolestima.
Metagenomika i metabolomika korištene su za istraživanje funkcije ključnih niskomolekularnih endogenih metabolita izvedenih iz mikrobioma crijeva u bolestima bubrega. Razumijevanje metaboličkih sposobnosti crijevne mikrobiote vrlo je važno u razjašnjavanju njihove funkcije na zdravlje i bolest. Iako je analiza sekvenciranja 16S rRNA korištena za prikladno ispitivanje sastava i strukture mikrobioma crijeva, informacije o učincima njihovih metabolita bile su ograničene nepotpunim znanjem u bazama podataka o bakterijskom genomu. Metagenomičko sekvenciranje iskopava više znanja o postojećim genima, ali funkcije većine tih gena ostaju nepoznate. KEGG i MetaCyc su najopsežnije baze podataka za povezivanje ortolognih skupina gena s reakcijama i metabolitima. Kako bi se postigla učinkovitija kombinacija mikrobioma i metaboloma za razumijevanje metabolizama crijevnih mikroba u kontekstu bubrežne bolesti, potrebno je razviti napredne metode multiomične integracije. Kako bismo unaprijedili naše razumijevanje funkcionalnog potencijala crijevne mikrobiote povezane s domaćinom, možemo popuniti praznine u gore spomenutim bazama podataka sekvenciranjem genoma, neciljanom biokemijom i funkcionalnim studijama. Stoga, čak i uz ove goleme izazove, sve više studija pokazalo je da su ključni mikrobi i njihovi enzimi/metaboliti potencijalne mete medicinskih intervencija u kontekstu bubrežnih bolesti. S poboljšanim razumijevanjem metaboličkog međudjelovanja između mikrobioma i domaćina, mogu se istražiti novi prebiotici i probiotici, a personalizirano liječenje CKD-a koje koristi znanje o crijevnom mikrobiomu i njihovoj interakciji s domaćinom postat će izvedivo.
Cistanche deserticola sprječava bolesti bubrega, kliknite ovdje za uzorak
Reference
1. De Sordi L, Khanna V, Debarbieux L. Probavna mikrobiota olakšava driftove u genetskoj raznolikosti i infektivnosti bakterijskih virusa. Mikrob stanica domaćin. 2017;22(801-808):e803.
2. Rooks MG, Garrett WS. Crijevna mikrobiota, metaboliti i imunitet domaćina. Nat Rev Immunol. 2016;16:341–52.
3. Li DY, Tang WHW. Doprinos crijevne mikrobiote i njihovih metabolita kardiovaskularnim komplikacijama kod kronične bubrežne bolesti. Semin Nefrol. 2018;38:193-205.
4. Afsar B, Vaziri ND, Aslan G, Tarim K, Kanbay M. Crijevni hormoni i crijevna mikrobiota: implikacije na funkciju bubrega i hipertenziju. 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, et al. Promjene crijevnog mikrobioma i metaboloma u serumu kod pretilosti i nakon intervencije mršavljenja. 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, et al. Metformin mijenja crijevni mikrobiom osoba s prethodno neliječenim dijabetesom tipa 2, pridonoseći terapijskim učincima lijeka. 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, et al. Međudjelovanje genetike domaćina i crijevne mikrobiote u pozadini nastanka i kliničke prezentacije upalne bolesti crijeva. Crijevo. 2018;67:108–19.
8. Böhm M, Schumacher H, Teo KK, Lonn EM, Mahfoud F, Mann JFE, Mancia G, Redon J, Schmieder RE, Sliwa K, et al. Postignuti krvni tlak i kardiovaskularni ishodi kod visokorizičnih pacijenata: rezultati ispitivanja ONTARGET i Transcend. Lanceta. 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, et al. Globalno zdravlje bubrega
2017. i dalje: plan za uklanjanje praznina u skrbi, istraživanju i politici. Lanceta. 2017;390:1888-917.
10. Al Khodor S, Shatat IF. Probavni mikrobiom i bubrežna bolest: dvosmjerni odnos. Pediatr Nephrol. 2017;32:921-31.
11. Nallu A, Sharma S, Ramezani A, Muralidharan J, Raj D. Mikrobiom crijeva u kroničnoj bolesti bubrega: izazovi i prilike. Transl Res. 2017;179:24–37.
12. Ramezani A, Massy ZA, Meijers B, Evenepoel P, Vanholder R, Raj DS. Uloga crijevnog mikrobioma u uremiji: potencijalni terapijski cilj. Am J Kidney Dis. 2016;67:483–98.
13. Di Iorio BR, Marzocco S, Nardone L, Sirico M, De Simone E, Di Natale G, Di Micco L. Urea i oštećenje osi crijevo-bubreg kod kronične bolesti bubrega. G Ita Nefrol. 2017;34:1–11.
14. Ma SX, Shang YQ, Zhang HQ, Su W. Mehanizmi djelovanja i terapeutski ciljevi fibroze bubrega. J Nephrol Adv. 2018;1:4–14.
15. Chen DQ, Hu HH, Wang YN, Feng YL, Cao G, Zhao YY. Prirodni proizvodi za prevenciju i liječenje bolesti bubrega. Fitomedicina. 2018;50:50–60.
16. Lepage P, Leclerc MC, Joossens M, Mondot S, Blottiere HM, Raes J, Ehr‑lich D, Dore J. Metagenomski uvid u mikrobiom našeg crijeva. Crijevo. 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 ribosomske baze podataka (RDP‑II): uvođenje myRDP prostora i javnih podataka kontrolirane kvalitete. Nucleic Acids Res. 2007;35:D169–72.
18. Zhao YY, Lin RC. Metabolomika u nefrotoksičnosti. Adv Clin Chem. 2014;65:69-89.
19. Zhao YY, Vaziri ND, Lin RC. Lipidomika: novi uvid u bolesti bubrega. Adv Clin Chem. 2015;68:153–75.
20. Zhao YY. Metabolomika u kroničnoj bubrežnoj bolesti. Clin Chim Acta. 2013;422:59-69.
