腸道細菌與肥胖及2型糖尿病關(guān)系的研究進展

袁冰舒，趙海龍，李麗娟

肥胖和2型糖尿病（type 2 diabetes，T2DM）均是臨床常見的代謝紊亂性疾病。目前，全球兒童和成人的肥胖患病率分別為5.0%和12.0%，我國是肥胖人口最多的國家［1］。國際糖尿病聯(lián)合會調(diào)查表明，全世界約有4.15億的成年人患有糖尿?。╠iabetes mellitus，DM），其中90%的患者為T2DM，亞洲是T2DM流行的主要地區(qū)，我國亦是T2DM患者最多的國家［2］。以往研究表明，肥胖及T2DM的發(fā)生主要與遺傳、環(huán)境、飲食、藥物等有關(guān)，但對其發(fā)病機制的研究仍存在大量空白［2-3］。腸道菌群定植于哺乳動物的腸道中，可受遺傳、飲食等多種因素影響而發(fā)生改變。近年來越來越多的研究表明，腸道菌群改變常伴發(fā)炎癥免疫反應(yīng)及代謝改變等，腸道菌群可能通過這些改變參與肥胖及T2DM的發(fā)生發(fā)展［4］。本文對腸道菌群與肥胖及T2DM關(guān)系的相關(guān)研究進展綜述如下。

1 腸道菌群概述

健康人的腸道內(nèi)寄居著種類繁多的微生物，這些微生物被稱為腸道菌群。腸道菌群的細胞總數(shù)可達1014個，與人體細胞總數(shù)之比為1∶1［5］。腸道菌群主要包括：放線菌門（Actinobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、硬壁菌門（Firmicutes）、柔膜菌門（Tenericutes）、梭桿菌門（Fusobacteria）、變形菌門（Proteobacteria）、螺旋體門（Spirochaetes）、互養(yǎng)菌門（Synergistetes）、疣微菌門（Verrucomicrobia）及異常球菌-棲熱菌門（Deinococcus-Thermus）等，其中硬壁菌門占80%左右［6］。腸道菌群按一定的比例組合，各菌種間互相制約，互相依存，在質(zhì)和量上形成一種生態(tài)平衡，這對維護人體的健康非常重要。腸道菌群出現(xiàn)生態(tài)失衡時，可導(dǎo)致多種疾病的產(chǎn)生，如肥胖及T2DM。腸道菌群的構(gòu)成及功能可受遺傳、飲食、免疫及藥物等因素的影響而發(fā)生改變，進而可能通過炎癥免疫反應(yīng)及代謝途徑等影響宿主的糖脂代謝，導(dǎo)致肥胖及T2DM的發(fā)生發(fā)展［4］。

2 腸道菌群與肥胖及T2DM的關(guān)系

2.1腸道菌群與肥胖 肥胖是一種慢性代謝性疾病，與遺傳、環(huán)境和代謝等多種因素有關(guān)［3］，目前其發(fā)病機制仍未明確。Gao等［7］比較了39例肥胖兒童和38例正常兒童的糞便細菌，發(fā)現(xiàn)肥胖兒童腸道菌群的多樣性低于正常兒童。Just等［8］研究表明，無菌小鼠即使給予高脂飲食也不會出現(xiàn)肥胖。Wang等［9］研究發(fā)現(xiàn)，低熱量飲食小鼠的體質(zhì)量較正常飲食小鼠減輕，其腸道擬桿菌門和放線菌門的相對豐度增加，硬壁菌門和疣微菌門的相對豐度下降。Hou等［10］研究了我國肥胖兒童糞便的菌群組成情況，發(fā)現(xiàn)肥胖兒童腸道硬壁菌門/擬桿菌門的比值較健康兒童增高；而在采用飲食干預(yù)減輕肥胖兒童的體質(zhì)量后，腸道放線菌門雙歧桿菌（Bifidobacterium）和硬壁菌門乳酸桿菌（Lactobacillus）的數(shù)量明顯增加，提示腸道硬壁菌門/擬桿菌門的比值增高與肥胖有關(guān)。Wang等［9］研究發(fā)現(xiàn)，把正常小鼠和纖瘦小鼠的腸菌移植至肥胖小鼠體內(nèi)，與移植了正常小鼠腸菌的肥胖小鼠相比，移植了纖瘦小鼠腸菌的肥胖小鼠的體脂明顯降低，腸道菌群組成亦有所改變，表現(xiàn)為腸道硬壁菌門和放線菌門的相對豐度增加，擬桿菌門的相對豐度下降，提示腸道菌群參與肥胖的發(fā)病，且其機制非常復(fù)雜。Goodrich等［11］研究證實，肥胖患者腸道硬壁菌門小克里斯滕森氏菌（Christensenella minuta）的相對豐度較健康人群低，而將小克里斯滕森氏菌移植至肥胖小鼠體內(nèi)，其肥胖程度有所減輕。Gao等［12］研究發(fā)現(xiàn)，與健康人群相比，肥胖患者腸道放線菌門雙歧桿菌、硬壁菌門糞桿菌屬（faecalibacterium）以及瘤胃菌科（Ruminococcaceae）的相對豐度顯著降低，而硬壁菌門芽孢桿菌（Bacillus）、潛在致病菌如梭桿菌門梭桿菌屬（Fusobacterium）和變形菌門大腸桿菌志賀菌（Escherichia-Shigella）的相對豐度顯著增加。Wang等［13］研究發(fā)現(xiàn)，與正常小鼠相比，肥胖小鼠腸道硬壁菌門/擬桿菌門的比值增加，脫鐵桿菌門（Deferribacteres）的相對豐度也增加，但放線菌門雙歧桿菌及疣微菌門嗜黏蛋白-艾克曼菌（Akkermansia muciniphila）的相對豐度降低；當(dāng)肥胖小鼠的體質(zhì)量減輕時，可逆轉(zhuǎn)這種變化。另外，增加嗜黏蛋白-艾克曼菌的相對豐度可使肥胖小鼠在飲食不改變的條件下減輕體質(zhì)量［14］。上述研究提示，腸道菌群參與了肥胖的發(fā)病。

2.2腸道菌群與T2DM DM是危害人類健康的常見代謝性疾病。DM分為1型糖尿?。╰ype 1 diabetes，T1DM）、T2DM、妊娠期糖尿病以及特殊類型糖尿病，其中90%為T2DM［15］。DM主要是遺傳、感染和環(huán)境等多種因素相互作用而引起，發(fā)病的主要環(huán)節(jié)為胰島素分泌減少（T1DM為主）和胰島素抵抗（insulin resistance，IR）效應(yīng)（T2DM為主）。但這兩個環(huán)節(jié)的發(fā)生機制尚未闡明。近年有研究顯示，與健康對照組相比，T2DM患者存在中度腸道微生態(tài)失衡以及各種機會致病菌增加［16］。Just等［8］研究發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠即使給予高脂飲食也不會出現(xiàn)葡萄糖耐受不良。Lippert等［17］研究發(fā)現(xiàn)，糖代謝紊亂的患者腸道硬壁菌門毛螺科菌（Lachnospiraceae）及擬桿菌門丹毒絲菌科（Erysipelotrichaceae）的相對豐度較正常人群增加。DM的發(fā)展過程中一般均要經(jīng)歷DM前期的環(huán)節(jié)，DM前期是正常糖代謝向DM發(fā)展的關(guān)鍵階段，在該階段個體亦存在空腹血糖受損及糖耐量降低的現(xiàn)象［15］。Allin等［18］研究發(fā)現(xiàn)，DM前期患者腸道硬壁菌門梭菌目（Clostridiales）和疣微菌門嗜黏蛋白-艾克曼菌的相對豐度較健康者降低，并且腸道菌群的多樣性與糖代謝紊亂的嚴(yán)重程度呈負相關(guān)。Leite等［19］對20例T2DM患者和22例健康對照者的腸道菌群構(gòu)成進行比較，結(jié)果顯示，T2DM患者擬桿菌門普氏菌（Prevotella copri）及普通擬桿菌（Bacteroides vulgatus）的相對豐度較健康對照者增加。另外，Udayappan等［20］研究顯示，肥胖伴有IR的患者腸道變形菌門皮氏羅爾斯頓菌（Ralstonia pickettii）的相對豐度較健康對照組顯著增加。上述研究提示，正常DM發(fā)展至DM前期再發(fā)展至T2DM的過程中，伴隨著腸道菌群組成和種屬的變化，并且腸道菌群失調(diào)發(fā)生在DM之前，腸道菌群的改變可作為DM的潛在危險信號和防治的重要靶點。

3 腸道菌群參與肥胖及T2DM發(fā)病的可能機制

3.1腸道菌群通過炎癥免疫途徑影響糖脂代謝 大量的研究表明，慢性低度炎癥與IR、肥胖及T2DM密切相關(guān)，但其作用機制尚不明確。有研究認為，內(nèi)毒素血癥可能是介導(dǎo)腸道菌群改變促進肥胖及T2DM發(fā)生的重要途徑［21］。內(nèi)毒素是革蘭陰性菌細胞壁的結(jié)構(gòu)成分，主要為脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）。Li等［22］研究發(fā)現(xiàn)，與正常對照組相比，高脂喂養(yǎng)的肥胖小鼠血清LPS和腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α）水平明顯升高，而TNF-α水平與血脂水平及IR效應(yīng)呈正相關(guān)；同時患者腸道硬壁菌門和變形菌門的相對豐度增加，而擬桿菌門、放線菌門及疣微菌門的相對豐度降低，提示血清LPS和TNF-α的高水平與腸道菌群改變有關(guān)，這極可能是肥胖個體IR產(chǎn)生的重要基礎(chǔ)。在正常情況下，由于腸壁具有機械和微生物屏障功能，LPS入血量較少，但若腸壁的屏障功能下降即可造成LPS入血量增加。Wang等［23］研究發(fā)現(xiàn)，高脂飲食可造成肥胖小鼠腸道革蘭陰性菌大量繁殖，后者可破壞腸道的黏膜屏障，使腸壁的通透性增加，LPS大量入血并誘發(fā)炎癥免疫反應(yīng)。在LPS結(jié)合蛋白的介導(dǎo)下，入血后的LPS首先與細胞表面的CD14受體結(jié)合，所形成的復(fù)合物可被免疫細胞表面的toll樣受體4（toll-like receptors 4，TLR4）識別，通過MyD88依賴性信號傳導(dǎo)通路激活c-JUN氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）-核轉(zhuǎn)錄因子-κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）途徑，促進炎性免疫因子白細胞介素（interleukin，IL）-6及TNF-α等大量生成，TNF-α又可誘導(dǎo)前脂肪細胞產(chǎn)生IL-6。IL-6可下調(diào)前脂肪細胞葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白-4及胰島素受體底物-1（insulin receptor substrate-1，IRS-1）的表達；TNF-α與肝細胞和骨骼肌細胞胰島素受體結(jié)合后，可抑制IRS磷酸化并降低其活性，這些變化均可降低胰島素 信 號 傳 遞 的 效 應(yīng) ，導(dǎo) 致 IR 發(fā) 生［21，24-26］。Birchenough等［27］研究還發(fā)現(xiàn)，高脂飲食小鼠的腸道細菌可降解其腸道黏蛋白，導(dǎo)致腸道黏膜通透性增加，腸道屏障功能降低，但這是否是高脂飲食小鼠腸道LPS入血量增加的機制尚需進一步證實。Plovier等［14］增加了肥胖小鼠腸道嗜黏蛋白-艾克曼菌的相對豐度，該腸菌的膜蛋白Amuc_1100可通過激活Toll樣受體2上調(diào)腸上皮通透性相關(guān)分子緊密連接蛋白3的表達，改善腸道屏障功能，并減少LPS入血量，同時恢復(fù)組織對胰島素的敏感性以及降低血漿三酰甘油水平。Zhang等［28］研究發(fā)現(xiàn)，T2DM大鼠在補充嗜黏蛋白-艾克曼菌后，血清LPS及TNF-α水平均明顯下降，同時肝糖原減少、血漿高密度脂蛋白膽固醇（HDL-C）水平升高，從而改善病情。上述研究提示，腸道菌群改變可通過LPS介導(dǎo)炎癥免疫反應(yīng)，誘發(fā)脂質(zhì)代謝異常及IR效應(yīng)，這可能是肥胖及T2DM發(fā)生的重要機制。

3.2腸道菌群通過代謝途徑影響糖脂代謝

3.2.1腸道菌群改變膽汁酸代謝 膽汁酸（bile acids，BAs）來源于肝臟的膽固醇代謝。膽汁酸分為初級膽汁酸（鵝去氧膽酸和膽酸）和次級膽汁酸（石膽酸和脫氧膽酸），初級膽汁酸在腸道細菌的參與下轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸。Zheng等［29］研究發(fā)現(xiàn)，與正常對照組相比，高脂喂養(yǎng)的肥胖小鼠腸道菌群失調(diào)，其盲腸內(nèi)容物膽汁酸水平顯著升高；腸道硬壁菌門和變形菌門的相對豐度與膽汁酸水平呈正相關(guān)，而疣微菌門的相對豐度與膽汁酸水平呈負相關(guān)。Gu等［30］研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者血漿總膽汁酸水平較健康對照組顯著升高，使用降糖藥后血漿總膽汁酸及次級膽汁酸水平降低，初級膽汁酸水平升高，同時腸道菌群發(fā)生改變，表現(xiàn)為硬壁菌門乳酸桿菌和放線菌門雙歧桿菌的相對豐度增加。膽汁酸可激活肝細胞法尼醇X受體（farnesoid X receptor，F(xiàn)XR），上調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α（Peroxisome proliferator-activated receptorgamma coactivator 1-alpha,PGC-1α）的表達，進而上調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體α（peroxisome proliferators-activated receptorsα,PPARα）的表達，促進肝臟糖異生功能。FXR還可通過誘導(dǎo)肝臟小異源二聚體伴侶表達，降低肝細胞核因子4α水平，進而降低脂代謝轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子過氧化物酶體增殖劑激活受體γ的表達，最終導(dǎo)致脂質(zhì)合成減少［31-32］。Kuno等［33］研究表明，給予小鼠抗生素后，腸道硬壁菌門Clostridium cluster XI和Clostridium cluster XIVa及擬桿菌門脆弱擬桿菌的數(shù)量減少，次級膽汁酸生成減少，進而通過降低孕烷X受體和維生素D受體的活性，降低血清三酰甘油水平；該研究還證實，應(yīng)用抗生素后肝臟的糖原合成酶表達上調(diào)，后者通過增加糖原的合成降低血糖水平，在補充次級膽汁酸后血糖水平可恢復(fù)；另外，次級膽汁酸水平降低后，一方面可抑制肝臟糖原磷酸化酶和糖原脫支酶的表達，從而抑制細胞糖原的分解；另一方面可下調(diào)肝臟淀粉結(jié)合域蛋白1的表達，抑制溶酶體糖原分解，進一步降低血糖水平。上述研究提示，腸道細菌可通過影響膽汁酸的代謝，從而影響糖脂代謝。

3.2.2腸道菌群改變短鏈脂肪酸代謝 短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）是膳食纖維被腸菌發(fā)酵的主要產(chǎn)物，主要包括丁酸、丙酸和乙酸。SCFAs有益于維持糖脂代謝。目前研究證實，與SCFAs產(chǎn)生有關(guān)的腸菌有放線菌門假鏈狀雙歧桿菌（Bifidobacterium pseudocatenulatum）等。高脂喂養(yǎng)的DM小鼠血漿乙酸水平升高，胰島游離脂肪酸受體2（free fatty acid receptor 2，F(xiàn)FAR2）和游離脂肪酸受體3（free fatty acid receptor 3，F(xiàn)FAR3）的表達水平亦升高，過量的乙酸與胰腺β細胞FFAR2和FFAR3結(jié)合后，抑制胰高血糖素樣肽-1（glucagonlikepeptide1，GLP-1）通過G蛋白偶聯(lián)介導(dǎo)的胰島素分泌［34］。Zhao等［35］研究發(fā)現(xiàn)，與T2DM常規(guī)治療組相比，給予富含膳食纖維飲食干預(yù)的T2DM患者腸道放線菌門假鏈狀雙歧桿菌的相對豐度顯著增加，同時血漿SCFAs水平升高，GLP-1和酪酪肽分泌增加，血漿糖化血紅蛋白水平降低。另外，采用假鏈狀雙歧桿菌干預(yù)高脂喂養(yǎng)的小鼠后，小鼠的體質(zhì)量、體脂、空腹血糖及IR水平等指標(biāo)均有所改善。上述研究提示，腸道菌群可能通過改變SCFAs代謝參與肥胖和DM的發(fā)病。

3.2.3腸道菌群改變支鏈氨基酸代謝 支鏈氨基酸（branched-chain amino acids，BCAAs）是人體必需氨基酸，包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸。腸道菌群擬桿菌門普氏菌和普通擬桿菌等均可產(chǎn)生BCAAs。BCAAs可通過刺激生長激素和胰島素的釋放參與調(diào)節(jié)糖脂代謝。Pedersen等［36］比較了75例T2DM患者和277例健康者的腸道菌群、IR及血清代謝組學(xué)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，T2DM患者腸道擬桿菌門普氏菌和普通擬桿菌的相對豐度以及血清BCAAs水平均增高，且血清BCAAs水平增高與IR的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。另外，采用普氏菌干預(yù)可增加小鼠血清BCAAs水平，并與小鼠IR及葡萄糖耐受不良的效應(yīng)呈同步改變。Andersson-Hall等［37］分析了健康者、糖耐量受損及T2DM患者的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，糖耐量受損患者及T2DM患者血清BCAAs水平較健康者高，且BCAAs水平與血清三酰甘油水平及IR效應(yīng)呈正相關(guān)。上述研究提示，腸道菌群改變可通過影響B(tài)CAAs的代謝促進脂代謝異常、IR和葡萄糖耐受不良的發(fā)生，這可能亦是肥胖和T2DM發(fā)病的重要機制。

3.3腸道菌群通過生物鐘途徑影響糖脂代謝 哺乳動物的生物鐘包括中樞生物鐘和外周生物鐘。中樞生物鐘位于下丘腦視交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN），其可自主獨立產(chǎn)生并維持周期節(jié)律，發(fā)出的信息能控制機體的行為和生理節(jié)律。外周生物鐘存在于除SCN以外的多數(shù)組織，如肌肉、肝臟等，主要參與調(diào)控機體的代謝活動。生物鐘基因的mRNA和蛋白表達均表現(xiàn)出24 h的振蕩周期，此振蕩周期是生物鐘節(jié)律產(chǎn)生的前提［38］。有研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動物腸道菌群擬桿菌門和硬壁菌門等多種細菌的相對豐度呈現(xiàn)晝夜節(jié)律變化，而飲食改變或鐘基因缺失均可破壞腸菌的晝夜節(jié)律，導(dǎo)致肥胖發(fā)生以及胰島素敏感性降低［39］。目前研究已證實生物鐘紊亂與肥胖及DM的發(fā)生密切相關(guān)，且近期研究證實腸道菌群和生物鐘異常必須同時存在，才可導(dǎo)致肥胖及糖代謝異常的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，高脂飲食導(dǎo)致的肥胖是通過腸道菌群改變生物鐘實現(xiàn)的，腸道LPS穿過腸上皮屏障后激活腸固有層樹突狀細胞的TLR-MyD88信號通路，誘導(dǎo)IL-23表達后，刺激腸固有淋巴細胞產(chǎn)生IL-22，IL-22隨后引起小腸上皮細胞生物鐘負性調(diào)控的鐘基因孤兒核受體Rev-Erbα的表達增加，導(dǎo)致腸道對脂質(zhì)的吸收增加，引起高脂血癥、脂肪肝、肥胖及IR等［40］。上述研究提示，腸道菌群可通過介導(dǎo)腸上皮細胞的生物鐘改變，影響糖脂代謝，這亦可能是肥胖及T2DM等代謝綜合征發(fā)生的重要機制。

綜上所述，種類極多、數(shù)量龐大的腸道菌群在腸道形成了一種微生態(tài)系統(tǒng)，這種微生態(tài)系統(tǒng)與機體的多種生理活動和病理變化密切相關(guān)。腸道菌群可通過影響炎癥免疫功能，改變膽汁酸、SCFAs和BCAAs代謝以及干擾生物鐘節(jié)律等，降低個體糖脂代謝能力，促進肥胖及T2DM的發(fā)生，但其具體作用機制尚不明確，仍有待進一步研究驗證。