腸道菌群在二甲雙胍降糖機(jī)制中的作用研究進(jìn)展

馮靜 滕振杰 陳樹春 宋光耀

(河北省人民醫(yī)院 1內(nèi)分泌科 河北省代謝病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050051；2神經(jīng)內(nèi)三科)

二甲雙胍因其安全有效、費(fèi)用低、心血管獲益等特點(diǎn)，是目前2型糖尿病(T2DM)患者應(yīng)用最廣泛的降糖藥物〔1,2〕，但其具體作用機(jī)制仍不清楚。目前認(rèn)為二甲雙胍的主要降糖機(jī)制是通過磷酸腺苷(AMP)激活的蛋白激酶(AMPK)依賴〔3〕和非AMPK依賴〔4〕途徑實(shí)現(xiàn)抑制糖異生的作用。然而研究發(fā)現(xiàn)，靜脈注射二甲雙胍比口服降糖效果差很多〔5〕，二甲雙胍通過腸道相關(guān)通路也可發(fā)揮降糖作用〔6〕。近期嚙齒類動(dòng)物研究〔7〕和臨床試驗(yàn)〔8〕表明，腸道菌群的改變有利于二甲雙胍發(fā)揮降糖作用。本文主要闡述二甲雙胍通過腸道菌群發(fā)揮降糖作用的研究進(jìn)展。

1 二甲雙胍通過腸道菌群降糖的機(jī)制

1.1改變腸道營養(yǎng)物質(zhì)感受器途徑 研究表明〔8,9〕，二甲雙胍能夠改變糖尿病動(dòng)物模型近段腸道中的腸道菌群，給予高脂飲食會(huì)降低小腸上段乳酸桿菌的豐度，二甲雙胍預(yù)處理之后就能對抗這種改變〔10〕，然而給予糖尿病模型小鼠口服抗生素后，就會(huì)削弱二甲雙胍的降糖能力〔7〕，這提示腸道菌群的改變參與了二甲雙胍的降糖機(jī)制。

二甲雙胍誘導(dǎo)腸道菌群改變從而改善糖代謝的可能機(jī)制之一就是通過改變腸道營養(yǎng)物質(zhì)感受器途徑。給無菌級(jí)的小鼠接種健康喂養(yǎng)小鼠的菌群，能夠改變很多小腸近端和遠(yuǎn)端糖脂代謝相關(guān)基因〔11,12〕如CD36，脂肪酸結(jié)合蛋白(FABP)4，乙酰輔酶A合成酶，脂代謝相關(guān)蛋白的表達(dá)水平。

研究發(fā)現(xiàn)〔13〕，在給予髙脂飲食之前，給予二甲雙胍預(yù)處理，能夠阻止高脂飲食造成的葡萄糖感受器的損害，這一作用就是通過改變小腸上段腸道菌群實(shí)現(xiàn)的。二甲雙胍能夠增加高脂飲食嚙齒類動(dòng)物的乳酸桿菌豐度，乳酸桿菌增加營養(yǎng)物質(zhì)感受器如鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SGLT)1的表達(dá)，恢復(fù)小腸上段葡萄糖的感知功能、增加腸道葡萄糖攝取，從而使高脂飲食大鼠的葡萄糖刺激的胰升糖素樣肽(GLP)-1分泌功能得到恢復(fù)，發(fā)揮降糖機(jī)制。未來將通過移植感興趣的純種菌屬，進(jìn)一步研究引起小腸上段葡萄糖感受器改變的特異菌屬。

總之，二甲雙胍可通過改變小腸上段腸道菌群來調(diào)節(jié)腸道營養(yǎng)物質(zhì)感受器、恢復(fù)SGLT1依賴的葡萄糖信號(hào)通路，從而調(diào)節(jié)糖代謝平衡。

1.2調(diào)節(jié)短鏈脂肪酸(SCFA)生成 腸道菌群的改變能夠影響腸道代謝組學(xué)，丁酸鹽、乙酸鹽等這些腸源性的代謝產(chǎn)物影響了宿主的胰島素抵抗(IR)，進(jìn)而影響血糖控制。二甲雙胍通過調(diào)節(jié)SCFA生成是其另外降糖途徑之一。

Forslund等〔9〕研究結(jié)果表明，二甲雙胍治療組，顯著增加大腸埃希菌屬的豐度，降低Intestinibacter菌屬豐度，增加菌毛的黏附力，導(dǎo)致乙酸、丙酸和丁酸等SCFA生成明顯增加。另有研究發(fā)現(xiàn)〔8〕，與無糖尿病的受試者相比，接受二甲雙胍治療的糖尿病組，丁酸弧菌、雙歧桿菌、巨型球菌、普氏菌屬等豐度增加，上述菌屬的增加也會(huì)使SCFA產(chǎn)生增加；相反，如果糖尿病患者未服用二甲雙胍，真菌屬和核菌屬豐度增加〔14〕，SCFA產(chǎn)生下降〔9〕。

SCFA產(chǎn)生增加，能夠通過互補(bǔ)機(jī)制觸發(fā)腸道糖異生(IGN)。丙酸鹽，本身就是IGN的作用底物，通過門脈神經(jīng)系統(tǒng)和脂肪酸受體(FFAR)3〔15,16〕，激活I(lǐng)GN基因的表達(dá)。丁酸鹽通過作用于腸細(xì)胞環(huán)磷酸腺苷(cAMP)依賴途徑激活I(lǐng)GN基因表達(dá)。在嚙齒類動(dòng)物，IGN的增加能夠降低肝臟糖異生、減輕食欲和體重，從而改善糖代謝，有利于能量代謝平衡。這揭示了SCFA在二甲雙胍與腸道菌群之間的調(diào)節(jié)機(jī)制〔9〕。

1.3調(diào)控金屬蛋白的基因表達(dá) 在一項(xiàng)隨機(jī)雙盲的研究中〔17〕，將單純T2DM 患者分為對照組和二甲雙胍組，觀察4個(gè)月，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍能夠顯著影響腸道菌群。這一結(jié)果通過后續(xù)的亞組試驗(yàn)進(jìn)一步得到驗(yàn)證，即實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，繼續(xù)給予6個(gè)月的二甲雙胍治療。將二甲雙胍治療組的糞便移植到無菌小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，接受移植后糖耐量明顯改善。為了更加直接探討二甲雙胍與腸道菌群的相互作用，在腸道模擬器中，收集并孵育二甲雙胍治療組的糞便樣本，在進(jìn)一步的轉(zhuǎn)錄分析中發(fā)現(xiàn)二甲雙胍主要影響兩大菌屬的生理功能參與的信號(hào)通路，而這些相關(guān)的基因主要編碼金屬蛋白或金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。一些已知的金屬蛋白能夠?qū)е耇2DM的病理生理進(jìn)展〔18〕。另外，研究表明，二甲雙胍對哺乳動(dòng)物肝細(xì)胞系的作用是依賴于這類藥物的金屬結(jié)合特性〔19〕。這是第1次發(fā)現(xiàn)二甲雙胍和腸道菌群產(chǎn)生的金屬結(jié)合蛋白之間的聯(lián)系。然而，還需要進(jìn)一步的代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)學(xué)的研究，去探究微生物代謝或蛋白質(zhì)是如何與宿主相互作用來改善宿主代謝的。

1.4炎癥反應(yīng) 腸道菌群在能量代謝和肥胖相關(guān)的代謝性疾病方面發(fā)揮重要作用〔20〕。此外，腸道菌群通過影響腸道中的免疫平衡狀態(tài)〔21〕，使細(xì)胞因子產(chǎn)生增加，由此導(dǎo)致的長期慢性炎癥反應(yīng)會(huì)引發(fā)IR、高血脂等代謝紊亂〔22〕。

研究表明，二甲雙胍通過調(diào)節(jié)腸道菌群改善了老年小鼠的代謝指標(biāo)，這一效應(yīng)與炎癥免疫反應(yīng)有關(guān)〔23〕。研究顯示，二甲雙胍治療后附睪脂肪組織中白細(xì)胞介素(IL)-6表達(dá)水平下降，IL-6的表達(dá)水平與擬桿菌和Butyricimonas的豐度顯著負(fù)相關(guān)〔23〕。因此二甲雙胍治療之后IL-6水平下調(diào)很可能與擬桿菌和Butyricimonas豐度增加有關(guān)〔23〕。另有研究發(fā)現(xiàn)，IL-6下調(diào)與腸道菌群對胰島素信號(hào)通路的調(diào)節(jié)作用有關(guān)〔24〕。IL-1β，在肥胖相關(guān)的炎癥反應(yīng)和IR中發(fā)揮重要作用〔25〕。IL-1β的信號(hào)通路通過激活信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子(STAT)3〔26〕，與IL-6的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)之間存在交叉。研究中也證實(shí)IL-1β的表達(dá)和擬桿菌、Butyricimonas的豐度呈負(fù)相關(guān)〔23〕。

二甲雙胍引起的艾克曼菌和Butyricimonas菌的豐度增加在下調(diào)IL-1β〔7〕和IL-6〔27〕中發(fā)揮重要作用。因此，特定菌屬豐度可以改善炎癥免疫反應(yīng)，從而參與了二甲雙胍改善代謝指標(biāo)的相關(guān)機(jī)制。

1.5增強(qiáng)腸道黏膜屏障功能 二甲雙胍有50%的生物利用率，在腸道和血漿暴露的濃度幾乎是相等的，但是二甲雙胍在腸道聚積的濃度約是血漿的300倍〔28〕，使得腸道成為人體內(nèi)二甲雙胍的儲(chǔ)備地。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，同時(shí)給予二甲雙胍和廣譜抗生素雞尾酒，二甲雙胍的降糖效應(yīng)會(huì)消失〔7〕。

研究表明，給予高脂飲食小鼠二甲雙胍，能夠增加艾克曼菌屬的豐度。這一菌屬能夠降解黏多糖〔8〕，增強(qiáng)腸道的黏膜屏障功能發(fā)揮保護(hù)機(jī)體的作用。艾克曼菌與腸道健康有關(guān)，在維持黏膜層完整性方面發(fā)揮重要作用，降低促炎性因子脂多糖的遷移，改善血糖控制〔29〕。

此外，二甲雙胍使雙歧桿菌豐度增加，其能夠作為單碳來源促進(jìn)胃黏蛋白生長，基因組分析結(jié)果顯示這類細(xì)菌能夠利用宿主的黏多糖，可能與艾克曼菌作用類似，在胃腸道健康中起保護(hù)作用〔8〕。

1.6調(diào)節(jié)GLP-1 腸道菌群還能影響GLP-1的生理功能〔30〕。研究發(fā)現(xiàn)〔31〕二甲雙胍能夠增加T2DM患者腸道乳酸桿菌的豐度，補(bǔ)充含有乳酸桿菌的益生菌能夠產(chǎn)生類似二甲雙胍的作用，改善IR、降低高血糖〔32〕。更進(jìn)一步的研究表明，這些代謝指標(biāo)的改善與血漿GLP-1水平增加有關(guān)〔32〕。乳酸桿菌數(shù)量下降與GLP-1抵抗有關(guān)，這與腸神經(jīng)源性一氧化氮合成改變有關(guān)〔32〕。然而乳酸桿菌是如何影響GLP-1分泌的仍不清楚，乳酸桿菌很可能與葡萄糖感受器相互作用，調(diào)節(jié)GLP-1發(fā)揮作用〔33〕。

綜上，二甲雙胍相關(guān)的腸道菌群的特點(diǎn)表明二甲雙胍可以通過新的作用機(jī)制來發(fā)揮降糖作用。腸道菌群通過改變腸道營養(yǎng)物質(zhì)感受器途徑、調(diào)節(jié)短鏈脂肪酸生成、調(diào)控金屬蛋白的基因表達(dá)、增強(qiáng)腸道黏膜屏障功能、調(diào)節(jié)GLP-1等機(jī)制發(fā)揮降糖作用。二甲雙胍與腸道菌群的作用越來越密切，需要更進(jìn)一步的研究來發(fā)現(xiàn)更多的機(jī)制。