急性肾损伤通过破坏转硫途径诱发肠道损伤的机制研究：谷胱甘肽耗竭与微生物群失调的作用

急性肾损伤（AKI）常导致多器官功能障碍，但其引发肠道损伤的机制尚不明确。本研究揭示AKI通过抑制宿主和微生物的转硫途径（CBS/CSE和CBL/CGS），减少抗氧化剂谷胱甘肽（GSH）合成，破坏肠道屏障功能并加剧炎症。补充GSH可逆转该损伤，为AKI的肠-肾轴治疗提供新靶点。

　　

急性肾损伤（Acute Kidney Injury, AKI）是临床常见的危重症，以肾功能急剧恶化为特征，常发生于肾脏移植、外科手术或危重患者中。尽管肾脏替代疗法不断进步，AKI仍具有高死亡率，尤其当累及多器官时。研究发现，AKI不仅损害肾脏本身，还会引发远端器官损伤，其中肠道是最常受累的器官之一。AKI可导致肠道炎症、微生物群失调以及肠道屏障功能受损，形成“肠漏”，但这一过程的具体机制尚未完全阐明。氧化应激作为AKI和远端器官损伤的重要介质，其与肠道微生物群的相互作用仍知之甚少。因此，探究AKI如何通过氧化应激影响肠道健康，特别是抗氧化防御系统的关键组成部分——谷胱甘肽（Glutathione, GSH）的代谢，具有重要的科学和临床意义。

为了深入解析AKI引发肠道损伤的分子机制，研究人员聚焦于转硫途径（Transsulfuration Pathway）——这一在硫氨基酸代谢和抗氧化防御中扮演核心角色的生化通路。在哺乳动物细胞中，谷胱甘肽的合成依赖于半胱氨酸的供应，而半胱氨酸可通过反向转硫途径（Reverse Transsulfuration Pathway）从头合成，该途径由胱硫醚β-合酶（Cystathionine Beta-Synthase, CBS）和胱硫醚γ-裂解酶（Cystathionine Gamma-Lyase, CSE）催化。与此同时，肠道微生物群则通过正向转硫途径（Forward Transsulfuration Pathway）参与硫氨基酸代谢，其关键酶为胱硫醚β-裂解酶（Cystathionine Beta-Lyase, CBL）和胱硫醚γ-合酶（Cystathionine Gamma-Synthase, CGS），它们可能共同维持着肠道内的氧化还原稳态。本研究旨在探讨AKI是否通过扰乱宿主和微生物的转硫途径，耗竭谷胱甘肽，从而削弱肠道抗氧化防御能力，最终导致肠道屏障损伤和炎症反应。相关研究成果发表在《iScience》上。

本研究主要采用了以下关键技术方法：通过大鼠肾脏缺血（45分钟）-再灌注（24小时）手术构建AKI模型；利用比色法检测血浆肌酐、内毒素及肠道氧化应激标志物（MDA, GSH, GSSG）；通过实时荧光定量PCR（qPCR）和蛋白质免疫印迹（Western Blot）分析基因和蛋白表达；采用电泳迁移率变动分析（EMSA）检测转录因子Sp1的DNA结合活性；运用16S rRNA测序和PICRUSt2功能预测分析肠道微生物群的组成和功能；并使用人源Caco-2肠道上皮细胞系进行体外机制验证。

Kidney ischemia-reperfusion injured the kidney and intestine

研究人员通过大鼠肾脏缺血再灌注手术成功诱导了AKI模型，表现为血浆肌酐水平显著升高。AKI同时导致血浆内毒素水平上升，肠道紧密连接蛋白（Occludin和ZO-1）的mRNA表达下调，提示肠道通透性增加。组织学检查发现，AKI组大鼠空肠绒毛高度与隐窝深度的比值降低，并伴有炎症灶。此外，空肠中炎症因子IL-6、NLRP3和TNF-α的mRNA表达显著升高。这些结果表明肾脏缺血再灌注成功引起了肾脏和肠道损伤。

Kidney ischemia-reperfusion increased oxidative stress in the intestine

对肠道氧化应激状态的评估显示，AKI大鼠空肠中的脂质过氧化终产物丙二醛（Malondialdehyde, MDA）水平显著升高，而关键抗氧化剂还原型谷胱甘肽（GSH）水平下降，氧化型谷胱甘肽（GSSG）水平升高，导致GSH/GSSG比值降低。在肠道内容物（Digesta）中，GSH水平同样降低，GSSG水平升高，GSH/GSSG比值下降。这些数据表明，肾脏缺血再灌注导致了肠道氧化应激。

Effect of kidney ischemia-reperfusion on the reverse transsulfuration pathway and glutathione synthesizing enzymes

机制探索发现，AKI显著降低了空肠中反向转硫途径关键酶CBS和CSE的mRNA和蛋白表达水平。而负责谷胱甘肽合成的酶（Gclc, Gclm, GS）的表达未见显著变化。进一步研究发现，转录因子Sp1（已知可调控CBS和CSE的表达）的DNA结合活性在AKI大鼠空肠中显著降低。同时，空肠和肠道内容物中的半胱氨酸浓度显著下降。这些结果提示，AKI可能通过抑制Sp1活性，下调CBS和CSE的表达，进而损害半胱氨酸的生物合成。

Effect of kidney ischemia-reperfusion on gut microbiota and the forward transsulfuration pathway in bacteria

肠道微生物群分析显示，AKI改变了菌群结构，β-多样性存在显著差异。变形菌门（Proteobacteria）丰度增加。LEfSe分析表明，Escherichia-Shigella、Parasutterella、Alloprevotella和Bacteroides等菌属在AKI大鼠中富集，而Lachnospiraceae_NK4A136_group和unclassified Prevotellaceae等有益菌减少。功能预测提示，AKI大鼠微生物群中 several 硫相关代谢通路发生变化。更重要的是，编码细菌正向转硫途径关键酶CBL的基因（patB/malY和metC）的丰度发生改变，其中丰度更高的patB/malY在AKI组中表达降低。这些发现表明，AKI altered the gut microbiota composition and disrupted microbial gene expression in the forward transsulfuration pathway。

Correlation between the glutathione levels and the expression of enzymes in the transsulfuration pathway

相关性分析显示，空肠和内容物中的GSH水平与宿主肠道上皮CBS和CSE的蛋白表达呈正相关。空肠GSH水平与微生物patB/malY丰度呈正相关，与metC丰度呈负相关。内容物GSH水平仅与patB/malY丰度呈正相关。这些结果综合表明，宿主和微生物群中转硫途径的同时抑制影响了肠道内谷胱甘肽和硫氨基酸的稳态。

Inhibition of the transsulfuration pathway decreased glutathione and increased inflammatory cytokines in Caco-2 cells

为验证转硫途径的作用，研究人员在Caco-2细胞中使用CBS/CSE抑制剂氨基氧乙酸（Aminooxyacetic Acid, AOAA）进行处理。抑制转硫途径后，细胞内GSH水平下降，脂质过氧化（MDA）水平升高，炎症细胞因子（IL-6, TNF-α, NLRP3）的mRNA表达上调，紧密连接蛋白（ZO-1, Occludin）的表达下调。而补充外源性GSH则可以逆转AOAA诱导的脂质过氧化、炎症因子表达升高和紧密连接蛋白表达降低。这些体外实验结果证实，抑制转硫途径会减少GSH水平，增加氧化应激和炎症反应，并损害肠道屏障功能。

DISCUSSION

本研究得出结论，AKI可通过抑制宿主肠道上皮细胞的反向转硫途径（CBS/CSE-Sp1轴）和微生物群的正向转硫途径（CBL-patB/malY），减少半胱氨酸的可用性，从而限制谷胱甘肽的合成。这削弱了肠道的抗氧化防御能力，导致氧化应激、炎症反应加剧，并破坏紧密连接蛋白和肠道屏障功能，最终引发肠道损伤。同时，AKI导致的微生物群失调，特别是具有促炎潜力的细菌富集和有益菌减少，进一步加剧了肠道抗氧化防御系统的紊乱。

该研究的重要意义在于首次系统地揭示了转硫途径在AKI诱导的肠道损伤中的核心作用，并强调了宿主-微生物群互作在维持肠道氧化还原稳态中的重要性。研究结果表明，恢复谷胱甘肽水平或靶向转硫途径可能成为缓解AKI相关肠道功能障碍和全身并发症的新型治疗策略。未来的研究可探索通过药理或遗传学方法调控转硫途径中的酶，以期为此类患者提供新的治疗思路。