腸道菌群與糖尿病、肥胖等代謝性疾病研究進展

王 鴻 綜述，熊 霞 審校

（西南醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院皮膚科，四川瀘州 646000）

全球疾病負擔(dān)（GBD）研究報告指出，肥胖在各個國家逐年增加，從1980年開始，肥胖發(fā)生率較前增加一倍，肥胖年輕化嚴重[1]。糖尿病、肥胖等代謝性疾病是基因-環(huán)境共同作用而導(dǎo)致的疾病，其危險因素包括年齡、家族史、生活方式、飲食、微生物等。而研究顯示環(huán)境作用遠遠大于遺傳作用，近年來有研究提出環(huán)境方面的腸道微生物作用不容忽視。本文從腸道菌群與糖尿病、肥胖等代謝性疾病進展作如下綜述。

1 人體腸道菌群

在人體腸道內(nèi)存在1 000種以上的微生物種類，主要包括擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門和放線菌門，其他菌門有螺旋菌門、藍菌門、疣微菌門等。腸道微生物群落在保護宿主抵抗病原微生物、調(diào)節(jié)免疫、調(diào)節(jié)代謝過程中起著重要的作用，甚至被認為是一種內(nèi)分泌器官。近年來腸道菌群紊亂參與疾病發(fā)生發(fā)展已成為國際研究熱點，目前研究的疾病有多發(fā)性硬化、炎癥性腸病、肥胖、高血壓病、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、自閉癥等[2]。

2 腸道菌群與代謝性疾病

2.1 糖尿病

2.1.1 糖尿病人腸道菌群特點

Larsen等人在2010年首次研究報道了2型糖尿病人和正常對照組腸道菌群在門的水平上的組成顯著不同。此后，其他科研結(jié)果顯示2型糖尿病體質(zhì)指數(shù)（BMI）依賴的腸道微環(huán)境改變[3]。

許多研究結(jié)果意見不一，大多數(shù)研究都發(fā)現(xiàn)2型糖尿病人腸道中厚壁菌門（Firmicutes）與擬桿菌門（Bacteroidetes）之間的比值相對升高[4]。然而其他研究卻顯示相對于非糖尿病對照組，糖尿病患者腸道菌群中厚壁菌門和梭菌綱（Clostridia）豐度減低，擬桿菌門豐度顯著增加，其豐度和血漿葡萄糖濃度顯著相關(guān)。在結(jié)直腸息肉病人中發(fā)現(xiàn)擬桿菌門/厚壁菌門比例和Bacteroides-Prevotella/C.coccoides-Eubacterium比例與空腹血糖水平升高相關(guān)[5]。另外有研究使用鳥槍法測序發(fā)現(xiàn)2型糖尿病患者糞菌中有4種乳酸菌數(shù)量增加，與空腹血糖和糖基化血紅蛋白A1c（HbA1c）呈正相關(guān)。5種梭狀芽孢桿菌（Clostridium）的豐度隨著空腹血糖、HbA1c、胰島素、c肽和血漿甘油三酯升高而降低，與脂聯(lián)素（adiponectin）、高密度脂蛋白、淀粉和葡萄糖、果糖和甘露糖代謝、氨基酸/離子/單糖轉(zhuǎn)運的ABC蛋白增加呈正相關(guān)[6]。對345名中國糖尿病人糞菌分析顯示，有些普遍的產(chǎn)丁酸類細菌大量減少，各種機會致病菌增加，還原硫酸和抗氧化應(yīng)激作用增加，進而可能會增加對多種疾病的易感性[7]。雖然對與2型糖尿病中究竟是哪種特定的細菌顯著改變還未達成共識，一種常見的觀察結(jié)果是，丁酸鹽產(chǎn)生的細菌數(shù)量大量減少。Forslund等人發(fā)現(xiàn)，之前觀察到的糖尿病腸道微生物群的差異如乳桿菌和大腸桿菌的增加很大程度上可以用二甲雙胍治療來解釋[3]。

2.1.2 血清支鏈氨基酸

2型糖尿病肥胖患者血清支鏈氨基酸（BCAA）含量比瘦的患者高出約20%，顯示空腹血清BCAA水平與2型糖尿病有一定關(guān)系[8-9]。通過研究277例非糖尿病病人顯示，其中胰島素抵抗個體的血清代謝組BCAA水平明顯升高，具有合成脂多糖和支鏈氨基酸潛力的菌群增加，同時編碼支鏈氨基酸的細菌內(nèi)轉(zhuǎn)運蛋白的基因相應(yīng)缺失，導(dǎo)致BCAA傳輸?shù)郊毦毎⒓淄樯珊捅嵫趸瘽摿档蚚10]。進一步研究發(fā)現(xiàn)Prevotellacopri和Bacteroidesvulgatus是推動支鏈氨基酸生物合成和胰島素抵抗的主要物種。觀察HF中加入P.copri實驗組和小鼠對照組，在實驗組中發(fā)現(xiàn)Prevotellacopri可升高外周循環(huán)中血清中的支鏈氨基酸水平，引起腸道炎癥反應(yīng)，葡萄糖耐受性下降，胰島素敏感性減低，引起胰島素抵抗。通過糞便移植也可使胰島素抵抗表型轉(zhuǎn)變[11]。

2.1.3 胰高血糖素樣肽

胰高血糖素樣肽（glucagon-like peptide-1，GLP-1）是一種促胰島素激素，來源于腸內(nèi)分泌細胞-L細胞[12]。目前基于GLP-1的療法成為控制2型糖尿病病人的血糖升高的重要方法，我們利用具有差異的腸道微生物紊亂和GLP-1敏感性降低的2型糖尿病小鼠模型，發(fā)現(xiàn)一種特定的回腸菌群可通過腸神經(jīng)系統(tǒng)(ENS)使神經(jīng)元型一氧化氮合酶(neuronal oxide synthase，nNOS)和GLP-1受體(GLP-1r)mRNA表達下調(diào)，通過NOD2/TLR4/CD14機制使GLP-1r介導(dǎo)的NO的產(chǎn)生減少，迷走神經(jīng)傳入神經(jīng)沖動減少，進一步影響腸-腦軸活化，減少胰島素分泌和加速胃排空，從而降低血糖[13-14]。

2.1.4 短鏈脂肪酸

由圖6可知，紫菜的水分含量隨著微波時間的增長而降低。在18 min時水分含量最低為3.3%。這是由于堆積厚度、微波功率不變的前提下，微波時間越久，紫菜受熱時間越久，水分散發(fā)越多，所以水分含量逐漸降低。綜合感官評分和水分含量選定微波時間為6，9，12 min作為正交試驗的3個水平。

人體不能消化的食物經(jīng)腸道細菌發(fā)酵產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸（SCFAs），主要包括丁酸鹽、乙酸鹽和丙酸鹽，其在糖尿病中發(fā)揮重要作用。SCFAs可以影響腸細胞生長分化。人體直腸或靜脈注射乙酸鹽可使PYY和GLP-1血漿濃度增加，健康女性補充丙酸鹽7周減少空腹血糖水平和口服葡萄糖耐量試驗期間增加胰島素分泌與排出。顯示SCFAs、腸內(nèi)分泌激素和葡萄糖穩(wěn)態(tài)之間存在一定關(guān)系[15]。最近研究顯示血液中乙酸鹽水平升高可引起胰島素抵抗和胃饑餓素（ghrelin）的產(chǎn)生[4]。

大多數(shù)研究都發(fā)現(xiàn)2型糖尿病人Intestinibacter減少，埃希菌屬（Escherichia）增加，丁酸鹽產(chǎn)量減少[16]。腸道細菌產(chǎn)生的丁酸鹽可以預(yù)防和抵御肥胖小鼠體內(nèi)的胰島素抵抗。SCFAs能通過結(jié)腸粘膜游離脂肪酸受體2（FFAR2)，促進葡萄糖體內(nèi)平衡[5]。此外SCFAs還可作為能量調(diào)節(jié)的信號分子刺激消化道黏膜壁上的L細胞分泌腦腸肽，通過L細胞表面的GPCR43和GPCR41發(fā)揮降血糖的功能[12]。

2.1.5 toll樣受體

缺乏微生物模式識別受體TLR5的小鼠表現(xiàn)出食欲旺盛、肥胖和代謝綜合征的特點。當(dāng)這些小鼠的腸道微生物被移植到具有完整toll樣受體5(TLR5)基因的無菌小鼠中，受體小鼠也表現(xiàn)出了類似代謝綜合癥，表明腸道菌群在這類表型中具有重要作用。TLR2基因缺乏的老鼠腸道微生物厚壁菌門豐度增加和放線菌門豐度減少（來源雙歧桿菌屬）[17]。低水平的雙歧桿菌（放線菌門）可導(dǎo)致腸道通透性增高，從而使細菌內(nèi)毒素如脂多糖LPS吸收入血增多，免疫系統(tǒng)將LPS識別為觸發(fā)TLR的微生物模式信號，導(dǎo)致炎癥和胰島素抵抗[5]。

2.1.6 膽汁酸

膽汁酸可維持腸道正常屏障，抑制腸道微生物過度增長，調(diào)節(jié)體內(nèi)能量平衡。其主要經(jīng)過以下信號分子通路發(fā)揮作用：有絲分裂激活的蛋白激酶（MAPK）通路，法尼酯衍生物X受體（FXR）通路。在小鼠實驗中，該途徑能夠改善Ⅱ型糖尿病的高血脂與高血糖情況。G蛋白偶聯(lián)的受體（GPCR）TGR5途徑，膽汁酸可以通過該受體使環(huán)腺苷酸（cAMP）增加，加速甲狀腺激素的前體甲狀腺素(T4）轉(zhuǎn)化為三碘原腺氨酸（T3），促進脂肪組織代謝和能量消耗，進一步阻止肥胖和胰島素抵抗的產(chǎn)生。因此腸道菌群的紊亂，使膽汁酸由結(jié)合型轉(zhuǎn)換為游離型過程受阻，使體內(nèi)游離膽汁酸的水平下降，進而抑制腸道微生物的作用減弱，又會加劇腸道菌群失調(diào)[12]。

2.2 肥胖

2.2.1 肥胖患者腸道菌群特點

在人與小鼠中，肥胖與腸道微生物多樣性下降相關(guān)，肥胖者腸道中厚壁菌門豐度增加、擬桿菌門豐度減少。厚壁菌門可以將這些多糖轉(zhuǎn)換為可吸收的單糖類和短鏈脂肪酸，產(chǎn)生更多可吸收的能源，導(dǎo)致體重增加和肥胖[18]。一些研究前瞻性研究表明在兒童期腸道中金黃色葡萄球菌水平較高的和較低水平的雙歧桿菌的個體在成年更容易超重。

2.2.2 糞菌移植

將來自肥胖小鼠和瘦老鼠的腸道微生物，分別移植到無菌的瘦老鼠身上，且每天攝入的熱量相同。2周后，移植肥胖小鼠菌群的老鼠變得肥胖，而移植瘦小鼠菌群的瘦弱的老鼠仍然維持原來體重[18]，且瘦的無菌小鼠對肥胖具有抵抗力[20]。通過糞菌喂養(yǎng)后變胖和變瘦的小鼠一起喂養(yǎng)，相互喂養(yǎng)糞菌，肥胖小鼠變瘦，并且其腸道菌群與瘦小鼠類似，證明瘦小鼠的腸道微生物可以主導(dǎo)控制肥胖小鼠的腸道微生物[21]。

糞菌移植后血循環(huán)的瘦素和葡萄糖水平增加，進一步機理研究論證得出腸道菌群可上調(diào)碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（ChREBP）/肝甾醇反應(yīng)元素結(jié)合蛋白a-1（SREBP-1）促進了從腸道吸收單糖和誘導(dǎo)機體肝臟脂肪生成，進而導(dǎo)致體重上升，脂肪細胞肥大和胰島素抵抗[17]。

2.2.3 法尼酯衍生物受體

法尼酯衍生物受體（FXR）受體缺乏的小鼠其腸道擬桿菌門豐度增加，而厚壁菌門豐度減低，與無菌小鼠一樣可以抵御食源性肥胖和改善糖代謝，肝脂肪變性減少。高脂飲食喂養(yǎng)的FXR-/-（FXR敲除）的小鼠和WT（野生型）小鼠的糞菌分別移植到無菌小鼠體內(nèi)。接受了FXR-/-菌群的小鼠其體重增加減低，葡萄糖代謝得到改善，肝臟中與脂蛋白攝取相關(guān)的基因如Cd36，Apoc2 and Vldlr的表達減少。說明了FXR缺乏的小鼠腸道微生物能直接促進小鼠瘦的體型。操作FXR信號或者腸道微環(huán)境可以作為新的診治途徑。但是FXR基因發(fā)揮作用需要腸道微生物參與，在腸道微生物不存在的情況下，血清膽汁酸成分不受FXR作用干擾，腸道微生物存在時，F(xiàn)XR基因缺乏對血清膽汁酸有重要作用[22]。

2.2.4 減重

進行了Roux-en-Y胃旁路術(shù)（RYGB）的肥胖小鼠與假手術(shù)對照組相比，達到了預(yù)期的體重減少值，其腸道微生物特征也跟著改變。將進行了RYGB手術(shù)的小鼠糞菌定植到假手術(shù)的小鼠體內(nèi)同樣觀察到體重降低，盡管其未達到手術(shù)組水平[23]。當(dāng)肥胖的人控制飲食和減肥后，其腸道微生物中擬桿菌門/厚壁菌門比值增加[21]。其中擬桿菌門增加(3%至15%)和厚壁菌門豐度減少，這些變化與體重減輕的百分比有關(guān)，而與飲食上改變無關(guān)。證明腸道微生物組成與肥胖相關(guān)，但是因果聯(lián)系不清楚[17]。

2.3 非酒精性脂肪性肝病

2.3.1 腸道菌群特點

通過糞菌16SRNA測序分析揭示了新陳代謝正常的個體與有非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)和非酒精性脂肪性肝炎（NASH）的個體有明顯差異。NAFLD患者中乳酸菌門和厚壁菌門[17]高表達，可以加速肥胖和NAFLD。將肥胖小鼠糞菌移植到無菌非肥胖小鼠體內(nèi)后，其合成脂肪的基因表達增加，甘油三酯積累增加，導(dǎo)致肝脂肪變性[20]。

2.3.2 可能機制

膽固醇轉(zhuǎn)換成牛磺β鼠膽酸(Tβ MCA)并分泌到腸道中。在小鼠小腸下端被膽汁鹽水解酶（BSH）水解成β迷迭香酸（β MCA）和牛磺酸。在肥胖小鼠中，在肝臟產(chǎn)生的內(nèi)源性FXR激動劑，刺激回腸中FXR導(dǎo)致神經(jīng)酰胺產(chǎn)生增加。神經(jīng)酰胺可使SREBP-1信號增加，導(dǎo)致脂肪酸合成增加和脂肪肝，另一方面神經(jīng)酰胺進入細胞及線粒體內(nèi)膜導(dǎo)致線粒體應(yīng)激和線粒體滲透性增加，線粒體損傷可導(dǎo)致活性氧增加和細胞凋亡。

用tempol或抗生素或Gly-MCA可使小鼠腸道中乳酸桿菌水平和BSH活性降低，導(dǎo)致Tβ MCA（FXR的拮抗劑）水平升高，從而抑制腸上皮細胞的FXR。神經(jīng)酰胺水平下降，肝脂肪合成和脂肪變性減少，減輕肥胖和胰島素抵抗。提示乳酸桿菌在NAFLD中可能發(fā)揮作用，但其具體機制還需要進一步研究[24]。

3 結(jié) 論

近年來研究證明腸道菌群與肥胖、2型糖尿病和其他代謝性疾病密切相關(guān)，但是其因果關(guān)系不清楚，隨著宏基因組學(xué)和功能基因組學(xué)等技術(shù)的進步，我們有更多的研究方法來揭示腸道微生物在這些疾病發(fā)生發(fā)展中所起的作用及具體機制，為進一步腸道菌群干預(yù)等治療方法奠定基礎(chǔ)[25]。

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