丙酸通过上调GPR43介导粪便微生物移植对缺血再灌注损伤的肾脏保护作用

本研究揭示了粪便微生物移植（FMT）通过重塑肠道菌群、提升丙酸（Propionic acid）产量，进而激活GPR43受体，抑制NF-κB炎症通路与细胞凋亡，显著改善肾脏缺血再灌注损伤（IRI）。该发现为急性肾损伤（AKI）提供了基于肠-肾轴的微生态治疗新策略，丙酸及其信号通路成为潜在治疗靶点。

　　

引言

急性肾损伤（AKI）是全球医疗卫生系统面临的重大挑战，约20%–25%的住院患者受其影响，不仅导致死亡率显著上升（增加1.7至3.3倍），还常进展为慢性肾脏病（CKD）。肾脏缺血再灌注损伤（IRI）是引起AKI的主要原因之一，其特征为再灌注后加重的炎症反应与肾小管细胞凋亡。目前仍缺乏针对IRI的有效靶向治疗手段。

近年来，肠-肾轴在肾脏病理中的作用日益受到关注。肠道菌群失调——表现为微生物多样性降低和有益菌群减少——可加剧全身性炎症和肾功能障碍。尤其AKI相关的肠道菌群紊乱会破坏肠道屏障完整性，促进细菌移位和内毒素血症，从而放大肾损伤。

粪便微生物移植（FMT）作为一种已证明能有效对抗艰难梭菌感染和代谢性疾病的干预手段，近年来在肾脏疾病治疗中展现出潜力。本研究团队前期工作发现，将豚鼠粪便移植至Sprague-Dawley大鼠（SDRs）可通过重建肠道菌群功能网络改善草酸钙肾结石。受此启发，我们进一步探究FMT是否对肾脏IRI具有保护作用，并阐明其潜在机制。

材料与方法

实验选用雄性Sprague-Dawley大鼠（250–300 g）和豚鼠（300–350 g），所有动物实验均经武汉大学动物伦理委员会批准（WP20240357和WP20220064），并在无特定病原体（SPF）环境下进行。

肾脏IRI模型通过双侧肾门夹闭45分钟后恢复灌注建立。FMT实验分为对照组（Ctrl）、IRI组、生理盐水组（NS）、FMT组、IRI+FMT组和IRI+NS组，每组6只大鼠。FMT胶囊采用肠溶包衣制备，每粒含30 mg豚鼠粪便粉末，大鼠连续7天每日两次口服。

丙酸干预实验中，IRI+Prop组大鼠自由饮用含100 mM丙酸钠的饮水3周后构建IRI模型。通过16S rRNA测序分析肠道菌群，采用¹H-NMR spectroscopy检测粪便和血清中短链脂肪酸（SCFAs）水平。肾功能指标（BUN、Cr）、炎症因子（IL-1α、TNF-α、IL-6、MCP-1）通过ELISA、实时荧光定量PCR和Western blot进行评估。细胞凋亡采用TUNEL染色检测，增殖指标通过PCNA免疫组化分析。

结果

FMT改善IRI大鼠肾功能与组织病理损伤

与IRI+NS组相比，IRI+FMT组大鼠血清尿素氮和肌酐水平显著降低，表明肾功能明显改善。H&E染色显示，IRI+NS组肾组织出现严重的肾小管上皮空泡化、间质充血和水肿，而这些病理变化在IRI+FMT组中显著减轻。组织病理学评分进一步证实FMT对肾脏的保护作用。

FMT减轻局部与全身炎症反应

FMT预处理显著降低了系统性炎症反应，IRI+FMT组血清中促炎细胞因子（IL-1α、TNF-α、IL-6）和趋化因子（MCP-1）水平较IRI+NS组明显下降。在肾组织中，这些炎症介质的mRNA和蛋白表达也显著降低。Western blot分析显示，IRI+FMT组IκBα磷酸化水平受到抑制，表明NF-κB炎症信号通路被阻断。

FMT减少细胞凋亡并促进肾小管细胞增殖

TUNEL染色结果显示，IRI+FMT组肾小管细胞凋亡数量显著少于IRI+NS组。同时，PCNA免疫组化显示IRI+FMT组肾小管细胞增殖水平更高，阳性细胞计数明显增加。表明FMT不仅能减轻凋亡，还能促进损伤后的细胞修复与再生。

FMT重塑肠道菌群且丙酸与毛螺菌科正相关

16S rRNA测序分析表明，FMT处理后大鼠肠道菌群结构发生显著改变，β多样性分析显示IRI+FMT组与IRI+NS组明显分离。Shannon指数和Chao指数提示菌群均匀度和丰富度增加。分类学分析发现，IRI+FMT组毛螺菌科（Lachnospiraceae）在菌科水平相对丰度显著升高。

SCFAs检测结果显示，IRI+FMT组粪便中丙酸和异丁酸水平显著高于IRI+NS组，其中丙酸增幅最为显著。相关性分析表明，毛螺菌科丰度与丙酸含量呈正相关，提示毛螺菌科可能是丙酸的主要生产者。

丙酸介导FMT的保护作用

丙酸干预实验表明，IRI+Prop组血清丙酸水平显著升高，肾功能指标（BUN、Cr）改善，组织病理损伤减轻。与FMT效果类似，丙酸预处理也降低了全身和局部炎症反应，抑制了IκBα磷酸化，减少了肾小管细胞凋亡并促进了增殖。

丙酸通过GPR43信号发挥作用

Western blot和实时荧光定量PCR分析显示，IRI+Prop组GPR43表达显著上调，而GPR41表达无显著变化。表明丙酸可能通过GPR43而非GPR41受体介导其保护效应。

讨论

本研究系统阐述了FMT通过重塑肠道菌群——增加毛螺菌科丰度——提升丙酸产量，进而激活GPR43受体，抑制NF-κB炎症通路与细胞凋亡，最终减轻肾脏IRI的机制链条。丙酸作为关键介质，模拟了FMT的肾脏保护作用，而GPR43是其重要信号受体。

肠道菌群调控宿主生理功能的机制主要依赖其代谢产物。毛螺菌科通过丙二醇途径和丙烯酸途径产生丙酸，其中^pduP基因（编码丙醛脱氢酶）是前者的生物标志物，在毛螺菌科中广泛存在。本研究采用肠溶胶囊递送FMT，有效避免了胃酸对微生物的破坏，提高了移植菌群的存活率和定植效率。

丙酸干预虽显示出治疗潜力，但其临床转化仍面临挑战：半衰期短需频繁给药，且局部积累可能引起胃肠道刺激。开发缓释制剂（如pH敏感聚合物包衣、脂质纳米粒）或采用益生元策略富集内源性丙酸产生菌，可能是未来优化方向。

本研究也存在一定局限：FMT仅用于预防而非治疗；长期疗效（如纤维化进展）未评估；动物模型与人类菌群存在差异；GPR43的必要性需通过基因敲除进一步验证。未来需利用人源化菌群模型和单一定植实验验证因果关系。

结论

预防性FMT可通过调节肠道菌群组成，增加丙酸这一关键微生物代谢产物的水平，通过GPR43信号通路抑制NF-κB炎症反应和细胞凋亡，显著减轻肾脏缺血再灌注损伤，为临床防治AKI提供了新的微生态治疗策略。