榮獲第19屆國家新創獎 - 台大「Lm 腎性益生菌」研究及成果介紹

腎友須知：
1. 現行腎臟病治療策略包含透過藥物治療來延緩腎功能惡化、降低心血管風險、治療貧血及酸鹼失衡等併發症，同時結合調整飲食生活型態來保護腎臟健康，當腎功能惡化至末期腎臟病時透析治療或腎臟移植可能是必須的治療方式，而腎性益生菌等營養品及輔助療法都不應視為取代現有治療的替代方案。
2. 本文旨在探討腎臟保健相關研究進展，並介紹腸道健康和腎臟健康之間的關聯，不建議過度解讀研究成果。
3. 腎友使用保健食品前，請先諮詢腎臟科醫師及醫療團隊，以確認是否符合個人需求。

 

不可不「腎」的台灣新國病 - 慢性腎臟病

近年來慢性腎臟病之高發生率及高盛行率使腎臟保健成為全球關注議題，而台灣末期腎臟病罹病率排名世界第一是聞名的「腎病王國」[1]，目前每十位民眾中就有一位已經罹患慢性腎臟病，健保署公布目前洗腎人口數已超過 9 萬人創下歷年新高[2]，健保醫療費用支出亦長年高居首位達 513 億元是台灣社會棘手的健康議題。 

目前慢性腎臟病罹病率仍每年節節攀升一直無法有效預防及治療，目前迫切需要預防或輔助療法在可維持病患生活品質的前提下，達到減緩疾病惡化的目的並提供有效的腎臟保健；而近年來腸道微生物的代謝和慢性腎臟病之間的關係逐漸受到重視，益生菌應用於降低尿毒素、改善慢性腎臟病與提升腎友生活品質已見到顯著效果，但國內仍缺乏可滿足上述需求的腎臟病專用「腎性益生菌」，台大便以此目標著手研究並成功開發LM機能益生菌。

慢性腎臟病必須控制尿毒素

慢性腎臟病定義為持續三個月以上的腎臟結構或功能之異常，隨著腎功能惡化會於體內持續堆積尿毒素造成尿毒症，除了傷害體內器官、導致慢性發炎、也加速慢性腎臟病的進展，更與心臟血管疾病死亡率有高度相關。

尿毒素依生理和化學特性分成小分子水溶性化合物、中分子化合物，及小分子親蛋白質化合物共三類，其中小分子親蛋白質尿素素已證實會造成細胞傷害、發炎反應並加速慢性腎臟病惡化，此類毒素以硫酸吲哚酚(Indoxyl sulfate, IS)和對硫甲酚(p-Cresyl sulfate, PCS)為代表，當腎功能越差可見血中的硫酸吲哚酚及對硫甲酚的濃度也越高[3]，而此兩種尿毒素的生成與腸道微生物息息相關，我們飲食中的蛋白質被消化分解成色胺酸、苯丙胺酸及酪胺酸等胺基酸後，會被腸道特定微生物例如大腸桿菌代謝為尿毒素的前驅物也就是尿毒素的原料吲哚及對甲酚(Indole & p-Cresol)，再被腸黏膜吸收，經血液流至肝臟後中便會形成硫酸吲哚酚及對硫甲酚進入血液循環影響腎臟等器官，因此控制尿毒素必須從「腸」計議。

慢性腎臟病造成腸腎軸失調進而產生大量尿毒素

慢性腎臟病患者因為腎功能衰退無法排出毒素、加上飲食限制及服用藥物等因素破壞了腸道菌叢的平衡(Dysbiosis)，研究發現腎小球腎炎患者之腸道菌相多樣性與豐富程度皆顯著下降出現腸道菌叢失衡的現象，其中比菲德氏菌及乳酸桿菌等益菌比例下降[4]，而梭狀桿菌、大腸桿菌等分解蛋白質的壞菌(pathobionts)增加；其他研究指出，末期腎臟病患腸道中生成尿毒素的特定菌相增加，正是尿毒素生成量上升之主因[5]。

腸道菌叢失衡同時會破壞結腸上皮細胞緊密連結和降低上皮細胞存活率造成腸漏症(Gut leak syndrome)，一旦腸道的保護屏障出現破口便有利於細菌及毒素進入體內引發一系列發炎反應[6]，進一步傷害腎臟、心血管、免疫系等器官運作。

因此，腸道菌叢失衡和慢性腎臟病直接的「腸腎軸(Gut kidney axis)」失調可解釋全身性尿毒症的來源，若不加以控制可能會衍生特定的毒素累積同時破壞腸壁上皮細胞大量進入血液循環，加重腎臟負擔加速慢性腎臟病惡化 [7]。

慢性腎臟病輔助療法 - LM腎性益生菌之開發

益生菌具有改善腸道菌叢組成及恆定之功效，故有高度潛力作為慢性腎臟病有效的保健策略，目前人體實驗結果指出攝食益生菌可降低尿毒素含量，使腸道菌相中益生菌組成比例增加，除可改善腸道不適症狀之外，亦對延緩腎臟病患病程惡化具有正面助益。[8,9,10]

有鑑於國內目前缺乏腎臟病專用可標靶性降低尿毒素之腎性益生菌，本研究室透過專利技術著手開發可降低腸道尿毒素前驅物質，具有延緩腎臟功能退化功效之新穎性益生菌株，可應用作為預防或輔助治療慢性腎臟病之保健食品，說明開發步驟及實驗成果如下[11]：

(一) 第一步：菌株篩選純化及鑑定

篩選菌株是決定益生菌保健食品是否有功效最關鍵的步驟，本研究室針對尿毒素前趨物吲哚及對甲酚自行開發體外腸道模擬篩選培養基，可快速初步篩選菌株出具有潛力之菌株，接著進行菌株鑑定透過16S rRNA以及持家基因序列確認潛力菌株的身分。

同時，益生菌必須能耐胃酸、抗膽鹼，在通過腸胃道消化系統後仍保有一定數量之活菌才能在體內發揮增加健康之益生特性，因此必須進行潛力菌株模擬胃腸液耐受性評估，配置腸胃道模擬液，並於其中加入對應之消化酵素，藉此評估潛力菌株在腸道環境耐受消化作用之能力優劣。

（二）第二步：益生菌株配方混合比例試驗

本研究室進一步將上述篩選出的潛力菌株進行混合搭配，評估不同組合潛力菌株降低腸道模擬環境中尿毒素前趨物之能力，選擇其中清除效果最佳之兩株菌Lactobacillus paracasei MFM 18及Lactobacillus plantarum MFM 30-3搭配組合並命名為LM配方菌株(Lactobacillus Mix)。

（三）第三步：以動物試驗評估LM益生菌改善慢性腎臟病之功效性

在精選出LM配方菌株後，本研究室以此進行慢性腎臟小鼠試驗來驗證LM益生菌改善慢性腎臟病病徵之能力，判斷是否具有延緩慢性腎臟病之功效性；實驗動物隨機分為控制組、慢性腎臟病組、及慢性腎臟病餵食LM益生菌組。於誘發慢性腎臟病前先行管餵LM益生菌兩周，兩周後再同時管餵含0.2% adenine之飼料以持續誘發慢性腎臟病共17天，待完成慢性腎臟病誘發後將飼料更換為不含誘發劑之一般飼料。

經動物試驗評估，相較於健康控制組腎臟外觀平滑且顏色紅潤，慢性腎臟病組腎臟外觀皺縮且顏色較蒼白，而腎臟功能指標血液中尿素氮及肌酸酐分析方面，慢性腎臟病組顯著上升，顯示腎臟功能的衰退。由組織病理切片分析顯示，慢性腎臟病組在腎臟間質組織具有明顯病理惡化如白血球浸潤、纖維化，合併腎小管擴大、退化、壞死及結晶之沉積；而包氏囊間隙亦有擴大之情形，顯示慢性腎臟病組具有慢性腎臟病相似的病理發展特徵。（圖1.）

（四）LM益生菌改善慢性腎臟病實驗成果

• 改善腎功能血液指標：LM益生菌餵食組可顯著降低腎臟功能指標血液中尿素氮指數BUN，肌酸酐指數Creatinine則具有下降之趨勢。
• 延緩腎臟組織功能惡化：組織病理分析，LM益生菌可延緩腎臟病理惡化之情形，如白血球浸潤、纖維化、腎小管擴大、退化、壞死及結晶之沉積皆顯著降低，而包氏囊間隙擴大情形亦得到減緩；組織纖維化程度分析試驗上也可見LM益生菌降低纖維化面積。由此結果得知，LM益生菌可透過延緩腎臟病程發展並降低纖維化程度，使腎臟維持較佳的功能性。
• 減輕氧化壓力：氧化壓力指標分析，LM益生菌餵食後雖無法改變慢性腎臟病所引起對穀胱甘肽之消耗，但可回復由慢性腎臟病所引起之超氧化物歧化酶及穀胱甘肽過氧化物酶變化，呈現與正常組相似之趨勢。
• 降低腎臟發炎反應：腎臟組織發炎相關指標分析，LM益生菌組可降低腎臟組織促發炎因子骨髓過氧化酵素之蛋白質表現，並可調控細胞激素TNF-alpha及IL-6之含量，使其回復至與健康控制組相似之水準。

圖1. 腎病組比起健康對照組於腎臟切片中可見顯著的纖維化現象，而服用LM益生菌可以顯著降低纖維化面積達13%(#p<0.05)。

圖2. 腎病組比起健康對照組有更高的尿素氮及肌酐酸指數(*p<0.05)，而服用LM益生菌可以顯著降低血中尿素氮指數(#p<0.05)，肌酐酸指數亦有下降趨勢。

圖3. 腎病組比起健康對照組有更高的血中尿毒素濃度(*p<0.05)，而服用LM益生菌可以顯著降低血中尿毒素濃度。 (#p<0.05)

進一步分析作用機制可確認LM腎性益生菌顯著降低血液中尿毒素硫酸吲哚酚及對硫甲酚含量、提升實驗動物之腸道屏障能力降低腸道通透性，並可增加糞便中短鏈脂肪酸乙酸的含量。因此可以合理推測，餵食LM益生菌可改變腸道菌叢，調控腸道菌叢之平衡，維持良好的腸道屏障能力，降低血液中尿毒素之濃度，進而減少毒素物質累積對腎臟組織之傷害，改善慢性腎臟病所引起之氧化壓力及發炎現象而使腎臟保留較佳的功能。

LM腎性益生菌應用於腎臟保健之未來展望

慢性腎臟病為全球共同關注的健康議題，本研究室所篩選之LM益生菌可介入腸腎軸，藉由吸附或代謝腸道中之尿毒素前驅物、調控腸道菌組成及降低氧化壓力之機制而達到降低腎臟受損，延緩腎臟病病程發展。相較於目前慢性腎臟病的治療方式，使用「腎性益生菌」作為預防或輔助治療的腎臟保健食品，可提供慢性腎臟病一種效果良好且無副作用的益腎菌微生物療法，並可用於開發各類健康保健食品，於腎臟病的預防及延緩應有無限潛力，有助民眾迎向腎利人生。

 LM益生菌因其獨創性及實用價值取得台灣發明專利(發明第I770811號)

參考文獻：

1. Jankowski J, Floege J, Fliser D, et al. Cardiovascular disease in chronic kidney disease pathophysiological insights and therapeutic options. Circulation. 2021;143:1157–1172.
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4. De Angelis, M., Montemurno, E., Piccolo, M., Vannini, L., Lauriero, G., Maranzano, V., Gozzi, G., Serrazanetti, D., Dalfino, G., Gobbetti, M. and Gesualdo. L. (2014) Microbiota and metabolome associated with immunoglobulin A nephropathy (IgAN). PLoS One. 9:
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8. Hida, M., Aiba, Y., Sawamura, S., Suzuki, N., Satoh, T. and Koga, Y. 1996. Inhibition of the accumulation of uremic toxins in the blood and their precursors in the feces after oral administration of Lebenin, a lactic acid bacteria preparation, to uremic patients undergoing hemodialysis. Nephron. 74: 349-355.
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10. Viramontes-Hörner, D., Márquez-Sandoval, F., Martín-del-Campo, F., Vizmanos-Lamotte, B., Sandoval-Rodríguez, A., Armendáriz-Borunda, J., García-Bejarano, H., Renoirte-López, K. and García-García, G. (2015) Effect of a symbiotic gel (Lactobacillus acidophilus + Bifidobacterium lactis + inulin) on presence and severity of gastrointestinal symptoms in hemodialysis patients. Journal of Renal Nutrition 25: 284-91.
11. Hsiaowen Huang, Kuanyi Li, Yajane Lee, and Mingju Chen. (2021) Preventive Effects of Lactobacillus Mixture against Chronic Kidney Disease Progression through Enhancement of Beneficial Bacteria and Downregulation of Gut-Derived Uremic Toxins. J. Agric. Food Chem. 2021, 69, 7353−7366