腸道菌群與糖尿病

張潔，徐焱成，吳玉文

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活方式的改變，糖尿病、肥胖等代謝性疾病迅速發(fā)展，已成為全球最突出的社會問題。我國糖尿病發(fā)病率逐年升高，目前全國糖尿病患者人數(shù)近1 億人。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2017年全球范圍內(nèi)用于治療2 型糖尿?。═2DM）及其相關(guān)病癥的費用高達千億美元[1-3]。以往從人類基因分子水平去攻克疑難疾病，并沒有幫助人們找到徹底克服糖尿病的方法，科學(xué)家們開始將研究方向轉(zhuǎn)向腸道菌群[2-6]。隨著對腸道菌群認識的深入，腸道菌群作為環(huán)境因素在調(diào)節(jié)免疫及代謝性疾病發(fā)生中的作用逐漸被大家認識，目前己有大量國內(nèi)外研究關(guān)注腸道菌群與糖尿病發(fā)病機制的相關(guān)性[2，7-8]。本文重點闡述腸道菌群與不同類型糖尿病關(guān)系的研究進展，旨在為臨床研究提供參考。

1 正常人體腸道菌群的特點

迄今為止，已經(jīng)確定了約百個被稱為“門”的大型細菌群，每個細菌群都具有不同的生物學(xué)特點。正常人類腸道菌群的組成包括4 種主要的細菌門類：厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門和變形菌門。其中厚壁菌門和擬桿菌門占絕對優(yōu)勢，厚壁菌門在腸道菌群中占比最高（約50%～75%），由乳桿菌屬、支原體、芽胞桿菌屬、梭菌屬等200 多個菌屬組成；其次是擬桿菌門（約10%～50%），包括擬桿菌屬、普雷沃菌屬等20多種菌屬[9]；放線菌門占比位居第3，主要包括雙歧桿菌等；變形菌門位居第4，主要包括大腸桿菌等。

這些菌門分布在整個腸道內(nèi)，并決定不同的微生物生態(tài)系統(tǒng)[10]。研究表明宿主健康與腸道微生物群的多樣性和穩(wěn)定性有關(guān)[11]。腸道微生物群的構(gòu)成是由飲食、生活方式、抗生素和遺傳背景等動態(tài)決定的[12]。微生物群的腸道定植可能在出生時就開始了。嬰兒出生時腸道菌群主要是來自母體陰道的乳酸桿菌、普雷沃氏菌和小菌屬等，相比之下，剖宮產(chǎn)的新生兒顯示為葡萄球菌、棒狀桿菌和丙酸桿菌屬等[13]。在兒童早期，放線桿菌，特別是雙歧桿菌屬，在母乳喂養(yǎng)的嬰兒腸道糞腸桿菌中占主導(dǎo)地位。同時，嬰兒腸道也會受外界因素改變而產(chǎn)生新的微生物，這些外界因素包括固體食物的攝入、運動和疾病等，這也決定了其成年后腸道菌群的差異性[14]。

2 腸道菌群在不同類型糖尿病患者體內(nèi)的結(jié)構(gòu)特點

隨著基因測序方法的發(fā)展，由過去的一代、二代發(fā)展到目前的三代測序法，甚至通過宏基因組測序來揭開腸道菌群神秘的面紗，不僅能夠明確腸道菌群的組成、結(jié)構(gòu)分布，還能夠明確其功能并分析其與疾病的相關(guān)性。

2.1 腸道菌群在T2DM中的結(jié)構(gòu)特征

2.1.1 T2DM 患者腸道菌群結(jié)構(gòu)特征 與健康人群相比，T2DM 患者腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化[15-16]。Qin 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在健康對照組糞便樣本中產(chǎn)生的幾乎所有宏基因組菌種都來自產(chǎn)丁酸鹽細菌，包括梭菌屬、直腸真細菌屬、柔嫩梭菌屬、腸羅氏菌屬和Roseburia inulinivorans 菌屬等。相比之下，T2DM患者的菌種則來自條件致病菌，例如糞便擬桿菌屬、hathewayi梭菌、多枝梭菌、共生梭菌、遲緩埃格特菌、大腸桿菌，且T2DM 患者亦富含產(chǎn)硫酸鹽的脫硫弧菌屬。此外，在T2DM 患者中可見乳酸菌屬中的一部分致病菌或條件致病菌的豐度增加[18]。

Larsen 等[19]發(fā)現(xiàn)，與健康對照組相比，T2DM 組厚壁菌門相對豐度低，而擬桿菌門和變形菌門相對豐度高；T2DM 患者腸道厚壁菌門比例降低，擬桿菌門、大腸埃希菌等條件致病菌水平升高，雙歧桿菌等益生菌的含量明顯減少[20]；另有研究發(fā)現(xiàn)T2DM 患者中厚壁菌門和梭菌屬的比例顯著降低[21]。以上3項研究結(jié)果基本一致。

2.1.2 T2DM 患者腸道菌群與代謝指標的相關(guān)性 一項人類宏基因組關(guān)聯(lián)研究顯示，T2DM 患者中特定腸道菌群、細菌基因和代謝途徑有著顯著的相關(guān)性[19]。歐洲一項研究采用鳥槍測序法分別觀察了正常、糖耐量受損、T2DM 婦女的腸道菌群特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，T2DM 群體中，4 種乳酸菌屬數(shù)量增加，5種梭菌屬數(shù)量減少[20]。還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，與非糖尿病患者相比，T2DM患者乳桿菌屬豐度更高[22]（乳桿菌屬為乳酸菌科的一個屬）。在全部群體中，乳酸菌屬豐度與空腹血糖、糖化血紅蛋白（HbA1c）水平呈正相關(guān)；梭菌屬豐度與空腹血糖、HbA1c、胰島素、C 肽和三酰甘油（TG）水平呈負相關(guān)，與脂聯(lián)素、高密度脂蛋白（HDL）水平呈正相關(guān)[20]。血清脂聯(lián)素，即胰島素增敏激素，在T2DM 人群中水平下降。重要的是，這些乳酸菌屬和梭菌屬豐度與體質(zhì)量指數(shù)（BMI）、腰圍、腰臀比（WHR）水平均無關(guān)[20,23-25]。因此，通過將腸道菌群與代謝指標進行相關(guān)性研究，有助于進一步明確腸道菌群的功能。

2.2 腸道菌群在1 型糖尿病（T1DM）中的結(jié)構(gòu)特征 研究發(fā)現(xiàn)，T1DM 患者腸道菌群的結(jié)構(gòu)分布與正常對照者相比有顯著差異。芬蘭的一項研究分別選取了4例T1DM兒童和4例正常對照兒童，運用高通量測序技術(shù)測定腸道菌群的結(jié)構(gòu)分布，結(jié)果顯示，T1DM 兒童腸道菌群分布的多樣性和穩(wěn)定性較正常對照降低，表現(xiàn)為T1DM 患者擬桿菌門的卵圓形擬桿菌比例明顯增加[26]。隨后又有多項研究結(jié)果提示T1DM 兒童的腸道菌群分布是失衡的，放線菌門/厚壁菌門、厚壁菌門/擬桿菌門等菌群的比例降低，且產(chǎn)生丁酸鹽的有益菌群的豐度減少[27-31]。

我國學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，TIDM患者與正常對照組具有顯著差異的菌種來自于厚壁菌門，提示厚壁菌門中細菌的變化在T1DM患者中普遍存在。研究還發(fā)現(xiàn)厚壁菌門-梭菌目-瘤胃菌科下的Intestinimonas的豐度在T1DM 患者中顯著下降，該菌為產(chǎn)丁酸鹽的細菌之一[32]。總之，T1DM 患者的厚壁菌門中的產(chǎn)丁酸鹽的菌種豐度減少。

2.3 腸道菌群在妊娠期糖尿?。℅DM）患者的結(jié)構(gòu)特征 關(guān)于GDM 患者腸道菌群方面的研究報道較少。Koren 等[33]對 91 例正常妊娠婦女的 3 個妊娠階段，即T1期（1～12周）、T2期（13～27周）、T3期（28～40周）的腸道菌群進行宏基因組測序發(fā)現(xiàn)，腸道菌群在妊娠T1～T3期發(fā)生顯著變化，表現(xiàn)為T1期細菌的多樣性與妊娠前比較無明顯異常，而T3期則發(fā)現(xiàn)顯著異常，表現(xiàn)為變形菌門和放線菌門增加，但整體菌種豐度減少；當(dāng)轉(zhuǎn)移到無菌老鼠體內(nèi)，結(jié)果顯示，與T1期相比，T3期的腸道菌群改變更容易引起肥胖癥和胰島素抵抗。由于GDM診斷的時間標準為孕24～28周，處于 T2 期的尾聲、T3 期的開始，所以推斷 T3 期的腸道菌群特點容易引起肥胖和胰島素抵抗，這可能是GDM發(fā)病的原因之一。

Fugmann 等[34]研究了既往患有GDM、存在胰島素抵抗女性（試驗組）的糞便微生物群與健康對照組的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試驗組與健康對照組相比，腸道菌群以普氏菌屬占主導(dǎo)地位，厚壁菌門的相對豐度顯著降低。試驗組是既往患有GDM的患者，是未來患T2DM 高風(fēng)險人群，其上述腸道菌群特征提示以普氏菌屬占主導(dǎo)的腸道菌群與T2DM患病風(fēng)險之間有一定聯(lián)系。

有研究顯示，妊娠晚期合并GDM患者的腸道菌群構(gòu)成與血糖正常者不同，而與T2DM 患者相似。而且既往有GDM 病史者的腸道菌群在產(chǎn)后8 個月仍是異常的[35]。

也有不同于上述觀點的研究。Hasan 等[36]研究發(fā)現(xiàn)，GDM組和健康對照組之間的微生物構(gòu)成無顯著差異，提示在高風(fēng)險婦女中，GDM 易感性可能與腸道微生物群無關(guān)。上述研究得出的不同結(jié)論可能與一些干擾因素有關(guān)，包括宿主相關(guān)因素（如遺傳背景、年齡、性別、免疫系統(tǒng)和腸道動力）、治療（如抗生素和胃旁路術(shù)）和飲食（如碳水化合物、脂肪、益生元或益生菌）[37-38]。

3 腸道菌群參與糖尿病發(fā)生的機制

3.1 腸道菌群參與T2DM發(fā)生的機制

3.1.1 誘導(dǎo)胰島β 細胞的凋亡 研究發(fā)現(xiàn)，長期肥胖可導(dǎo)致腸道屏障功能通過多種機制發(fā)生改變，包括緊密連接蛋白ZO-1和Occludin分布的改變，引起內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)紊亂，進而改變腸道通透性，增加革蘭陰性菌群比例，導(dǎo)致其細胞壁成分脂多糖的分泌増加[39]。同時，人體內(nèi)的腸道緊密連接蛋白由于菌群比例的失衡而不能正常的表達，脂多糖也因腸道上皮通透性的増加在血液循環(huán)中不斷累積，形成所謂的“代謝性內(nèi)毒素血癥”[39-40]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，脂多糖能誘導(dǎo)全身性慢性炎癥的產(chǎn)生和發(fā)展[41]，不斷積累的氧化應(yīng)激產(chǎn)物和慢性炎癥可能會引起胰島β細胞的凋亡，最終導(dǎo)致T2DM的發(fā)生。

3.1.2 誘發(fā)或加重宿主的自身免疫反應(yīng) 丁酸鹽是短鏈脂肪酸（SCFAs）的主要成分，除了為宿主提供能量及細菌生長和繁殖所需的營養(yǎng)物質(zhì)外，還能提高結(jié)腸內(nèi)的酸性環(huán)境，抑制有害菌的生長，維持水電解質(zhì)平衡，抑制促炎因子的生成，從而有利于炎癥黏膜的修復(fù)。

當(dāng)具有將碳水化合物分解轉(zhuǎn)化為丁酸鹽功能的細菌減少時，腸道內(nèi)丁酸鹽濃度下降，可導(dǎo)致腸絨毛生長減慢、腸黏膜屏障受損、腸道通透性增加及腸道免疫失衡，進而誘發(fā)或加重宿主的自身免疫反應(yīng)，不僅與T2DM有關(guān)，而且在T1DM出現(xiàn)自身免疫性胰島炎癥的過程中也具有重要意義[42-44]。

3.1.3 誘導(dǎo)胰島素抵抗 法尼酯衍生物X 受體（FXR）是一種膽汁酸受體，有研究表明，與不會因飲食引起糖尿病的小鼠模型相比，因飲食引起糖尿病的小鼠模型中FXR的表達有所提高[45]，而FXR基因敲除小鼠可表現(xiàn)為肝臟和血漿中膽固醇和TG 水平升高[46]。因此若FXR的調(diào)節(jié)功能發(fā)生紊亂，則會造成體內(nèi)膽固醇、TG、葡萄糖的代謝紊亂，誘導(dǎo)胰島素抵抗而導(dǎo)致T2DM的發(fā)生。

另有研究發(fā)現(xiàn)，胰島素抵抗患者血漿代謝物支鏈氨基酸（BCAAs）水平升高，這與具有強化BCAAs生物合成潛能的腸道菌群，被剝奪了編碼細菌內(nèi)部的氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白的基因有關(guān)。普雷沃菌屬和普通擬桿菌被認為是推動BCAAs 和胰島素抵抗相關(guān)研究的主要物種。在小鼠實驗中已證實，普雷沃菌屬可誘發(fā)胰島素抵抗、加重糖耐量減低、增加血液循環(huán)中BCAAs水平[47]。

3.2 腸道菌群參與T1DM發(fā)生的機制 目前研究認為，腸道菌群通過改變腸道的屏障功能及腸道免疫系統(tǒng)參與T1DM 的發(fā)病過程[48]，可通過多種途徑影響機體免疫狀態(tài)的改變。首先，菌群失調(diào)會影響腸道黏膜屏障的完整性，腸道黏膜通透性的増加使其更易受到外界病毒或細菌的入侵[49]。其次，不同種類的細菌可活化腸道黏膜上不同的受體，從而使天然 T 細胞向 Th17 細胞或 Treg 細胞分化[50]。Th17 細胞主要是通過Toll樣受體2（TLR2）和主要組織相容性復(fù)合體（MHC）-Ⅰ類分子通路分化，而結(jié)腸中煙酰受體（Gpr109a）的活化可促進Treg 細胞的生成。同時也有研究證實，與健康受試者相比，T1DM 患者胰腺淋巴結(jié)中 Th17 和有缺陷的 Treg 比例更高[50]。后者結(jié)論與前者腸道菌群導(dǎo)致T1DM 的發(fā)病機制相符。

目前用于T1DM 研究的動物模型主要有2 種，NOD 鼠（non - obesity diabetes）和 BB-DP 鼠（biobreeding diabetes-prone），其均有自發(fā)糖尿病的傾向。在NOD鼠中自發(fā)性T1DM的發(fā)病率受動物居住設(shè)施的細菌環(huán)境影響[50]，也可受細菌的刺激，例如注射分枝桿菌或各種細菌產(chǎn)物[49]。研究發(fā)現(xiàn)無特殊病原體的NOD 鼠若缺乏MYD88 蛋白（能夠確定細菌刺激的多種先天免疫受體的連接物），則不會發(fā)展為T1DM[51]。因此，先天性自身免疫系統(tǒng)的腸道菌群的相互作用是一個改變T1DM傾向的關(guān)鍵的后天因素。

Toll 樣受體（TLRS）是先天的模式識別受體，涉及宿主防御、控制共生細菌和維持組織完整性。TLRS 在器官特異性自身免疫中的作用尚不清楚。MYD88 連接蛋白被多種 TLRS（除 TLR4 和 TLR3 外）和其他受體（如白細胞介素-1 受體）使用。為了驗證這些受體在NOD 鼠發(fā)生T1DM 過程中所起的作用，研究者敲除MYD88 基因，結(jié)果顯示，2 個敲除了MYD88基因的NOD種群均未發(fā)生糖尿病[51-52]。

3.3 腸道菌群參與GDM 發(fā)生的機制 近期研究發(fā)現(xiàn)，GDM 患者腸道菌群與T2DM 患者的腸道菌群具有相似性[35]。在GDM患者中，腸桿菌科細菌的相對豐度高于健康對照組，并發(fā)現(xiàn)腸道菌群失調(diào)狀態(tài)可能導(dǎo)致一系列慢性疾病，如結(jié)腸炎[53]、克羅恩病和急性膽囊炎[54]。既往研究表明，腸桿菌科可誘發(fā)炎癥，誘導(dǎo)結(jié)腸炎[29]，產(chǎn)生內(nèi)毒素的腸桿菌可導(dǎo)致無菌小鼠發(fā)生肥胖[11]。

功能分析發(fā)現(xiàn)，GDM 患者中膜轉(zhuǎn)運、能量代謝和磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（PTS）途徑增加。PTS 途徑負責(zé)通過外膜和內(nèi)膜運輸葡萄糖并催化碳水化合物的攝取。與這些途徑有關(guān)的腸道菌種相對豐度增加表明GDM 狀態(tài)的腸道環(huán)境可能加速細菌對作為能量的葡萄糖的使用。研究結(jié)果表明腸道菌群可能是GDM的潛在預(yù)測指標[6]。

4 展望

學(xué)者們除了研究糖尿病引起腸道菌群的變化以外，還研究了變化后的腸道菌群參與糖尿病發(fā)生的作用機制。腸道菌群作為一個“被遺忘的功能器官”，對其研究任重而道遠。隨著腸道菌群與疾病的相關(guān)性研究越來越受到重視，不斷有新的菌群物種被發(fā)現(xiàn)，利用腸道菌群來認識和治療糖尿病、肥胖以及與腸道菌群相關(guān)的其他疾病，以腸道菌群為基點尋找更加有效的治療方法將成為今后研究的重點。