益生菌和小檗堿對腸道菌群失調(diào)誘導糖尿病預防的研究

欒艷平，蘇 峰，倪 軍，張 靜，何嘉騏，喬澤淵

糖尿病是一組由于缺乏足夠的胰島素作用而以慢性高血糖為主要特征的疾病。目前，全球糖尿病患者的數(shù)量已超過4.22 億，預計到2035 年將達到5.92 億[1]。環(huán)境條件的變化，如飲食、衛(wèi)生、抗生素的使用和其他醫(yī)療習慣，與糖尿病發(fā)病率的增長密切相關。研究表明，腸道菌群與糖尿病的發(fā)生、發(fā)展有一定相關性[2]。許多藥物以不同的方式發(fā)揮作用使血糖水平恢復正常，這些藥物可以增加胰島素的產(chǎn)生和利用，減少糖的產(chǎn)生和吸收，阻礙葡萄糖吸收和增加尿中葡萄糖的排泄。益生菌、小檗堿的應用已逐漸成為預防和治療糖尿病的常用藥物。

1 腸道菌群概述

人體的消化道內(nèi)存在著數(shù)量大、種類多的微生物，統(tǒng)稱腸道菌群, 它和腸道屏障一起參與免疫、感覺、神經(jīng)和腸內(nèi)分泌系統(tǒng)[3]?；?6S rRNA 基因測序，目前已報道52 種公認的細菌門，約5 種已知存在于哺乳動物胃腸道體內(nèi)，其中厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、變形菌門占細菌總數(shù)的97%以上[4]。不同細菌門之間的最佳相互作用形成了一個完整而平衡的細菌生態(tài)系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，與健康人相比，患2 型糖尿病時，增高的血糖引起腸道內(nèi)厚壁菌門明顯減少，β 變形菌明顯增多，而擬桿菌/厚壁菌門的比值與增高的血糖呈正比[5]。還有研究發(fā)現(xiàn)，患2 型糖尿病時，腸道內(nèi)有益菌如雙歧桿菌、乳酸桿菌的數(shù)量顯著低于健康人，而腸道內(nèi)腸球菌、腸桿菌數(shù)目高于健康人，且存在明顯的腸道細菌功能紊亂[6]。

2 腸道菌群與糖尿病的關系

2.1 調(diào)節(jié)炎癥反應 糖尿病是一種以低水平的慢性炎癥為特征的代謝性疾病。脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）是G-菌細胞壁外膜的主要成分，又稱內(nèi)毒素。飲食誘導的腸道菌群紊亂，使LPS 結合蛋白（LBP）轉移到血清中，LPS 與先天免疫細胞表面的CD14 和Toll 樣受體4 復合物（TLR4）結合，導致激活多種炎癥信號通路，使腫瘤壞死因子-α（tumour necrosis factor-α，TNF-α）過度表達，促進全身慢性炎癥反應，其中促炎因子以白介素-1（interleukin-1，IL-1）、白介素-6（interleukin-6，IL-6）、TNF-α 的表達增加為主，然而這些促炎細胞因子干擾胰島素信號傳導通路[7]。例如，TNF-α 可以誘導胰島素抵抗增加，使胰島素受體底物（insulin receptor substrate，IRS）-1 上絲氨酸殘基失活的磷酸化，以及胰島素受體（insulin receptor，IRc）和IRS-1 表達，引起血糖升高[8]。

2.2 調(diào)節(jié)短鏈脂肪酸代謝 腸道微生物群落通過膳食纖維發(fā)酵促進人體代謝，腸道碳水化合物發(fā)酵的結果是產(chǎn)生短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）。SCFAs 對激素分泌的影響主要通過激活Gq 偶聯(lián)受體FFA2 的數(shù)量增加，尤其是對胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）、酪酪肽（peptide YY，PYY）細胞的表達，而PYY 和GLP-1 在肥胖和糖尿病的發(fā)病過程中, 調(diào)節(jié)食物攝入和促進胰島素分泌，從而發(fā)揮降低血糖的功能[9]。Canfora 等[10]報道提出，日常飲食中補充SCFAs 可以降低血糖和改善胰島素敏感性。

2.3 調(diào)節(jié)膽汁酸代謝 膽汁酸（bile acids，BAs）是膽固醇分解代謝的最終產(chǎn)物。BAs 通過激活法尼酯衍生物X 受體（farnesoid X receptor，F(xiàn)XR）和膽汁酸G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR1，TGR-5）信號通路，參與糖及脂類的代謝。BAs 激活FXR 在腸道的刺激成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor，F(xiàn)GF）15/19 的合成參與脂質(zhì)和碳水化合物的代謝，維持體內(nèi)血脂、血糖和BAs 平衡[11]。

3 益生菌對腸道菌群失調(diào)誘導糖尿病的作用研究

益生菌是一類對機體有益的活性微生物，定植于腸道、生殖系統(tǒng)內(nèi)，能產(chǎn)生健康功效從而改善機體微生態(tài)平衡、發(fā)揮有益作用的活性有益微生物的總稱[12]。益生菌通過改善腸道黏膜完整性，減少細菌入侵引起的全身炎癥，抑制LPS 的作用增加，降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，改善外周血胰島素敏感性；通過改善糖耐量受損、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、改善抗氧化狀態(tài)、調(diào)節(jié)腸道菌群等作用發(fā)揮抗糖尿病作用和SCFA 組成[13]?，F(xiàn)在研究比較益生菌和益生菌產(chǎn)品對空腹血糖的影響水平，以糖化血紅蛋白、空腹胰島素水平、胰島素抵抗、胰島素敏感性，確定最佳干預周期改善糖尿病前期患者的血糖控制[14]。在“益生菌-腸道微生物-SCFAs-炎癥/GLP-1”軸上，益生菌的表達不僅與胃腸道細菌相互作用，也可能受到腸道細菌的基因型影響宿主生物體。

益生菌可以激活不同的代謝途徑。益生菌的攝取量可增加腸道內(nèi)有益菌（如雙歧桿菌）的數(shù)量，刺激上皮細胞防御大腸桿菌的感染，減輕全身炎癥[15]。Amar等[16]實驗顯示，正常小鼠經(jīng)過高脂飼料誘導的糖尿病初期，腸腔內(nèi)黏附的G- 菌數(shù)目較前明顯增多，經(jīng)過腸腔黏膜定植的樹突細胞一系列的吞噬作用，遷徙進入血液中，釋放炎性因子誘導低水平的炎性反應；經(jīng)過雙歧桿菌制劑6 周的干預治療，腸道內(nèi)大腸桿菌的數(shù)量明顯較前減少，降低細菌在腸黏膜附著和易位的機會，形成有益的腸道微生態(tài)環(huán)境，降低高脂飲食誘導的低水平炎性反應狀態(tài)，減少LPS 進入血液，進而減少了促炎因子的釋放，改善宿主的葡萄糖耐受性，提高小鼠的胰島素敏感性。Chen 等[17]研究顯示正常小鼠經(jīng)過高脂聯(lián)合鏈脲佐菌素誘導形成糖尿病小鼠后，血清中TNF-α和IL- 8 水平增加，然而經(jīng)過喂食乳桿菌一段時間，發(fā)現(xiàn)轉錄因子NF-κB 向細胞核轉移減少，蛋白激酶B 的降解減少，由LPS 導致TLR4 的激活降低，抑制炎性因子TNF-α、IL-6、IL-8 增加，同時誘導IL-4、IL-10 的水平增加，起到改善胰島素抵抗的作用。

腸道內(nèi)SCFAs 是研究益生菌對腸道微生物結構和代謝影響的指標。乳酸菌可通過糖酵解途徑產(chǎn)生丙酮酸等碳水化合物終產(chǎn)物發(fā)酵產(chǎn)生SCFAs。雙歧桿菌在限制碳水化合物合成的過程中主要利用發(fā)酵途徑產(chǎn)生乙酸和甲酸鹽，在碳水化合物過多時產(chǎn)生乙酸和乳酸鹽。在分析不同微生物群組成下SCFAs 濃度時，強調(diào)了乳酸菌和雙歧桿菌產(chǎn)生SCFAs 的能力[18]。研究人員用3 種益生菌混合物喂養(yǎng)正常小鼠，一段時間后發(fā)現(xiàn)糞便中SCFAs 水平較前增多，而乳糖水平較前減少，說明益生菌引起腸道內(nèi)產(chǎn)SCFAs 的細菌增多[19]。近期的臨床試驗也證實了加絲乳桿菌治療有改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)、降低腹部脂肪和體重的療效[20]。據(jù)報告成年女性在服用乳酸桿菌bb12 后，大約95%～99%的SCFAs 被結腸重新吸收，或由腸道微生物群進一步代謝，因此糞便排泄的變化表明腸道產(chǎn)物存在較大差異[21]。

雙歧桿菌補充物選擇性的增加已被證明可以改善腸內(nèi)分泌L 細胞的增殖，提高GLP-1、GLP-2 水平，從而加快能量的代謝，起到保護胰島β 細胞的功能和預防2 型糖尿病的作用[22]。Balakumar 等[23]研究證明，益生菌和/或益生菌與抗糖尿病藥物（如二甲雙胍和西格列?。┞?lián)合使用已被證明可以通過腸促胰島素調(diào)節(jié)改善小鼠的血糖和胰島素敏感性。Simon 等[24]報道，2型糖尿病患者經(jīng)特定的乳酸菌菌株治療后，胰島素可以通過增加腸促胰島素的釋放適當分泌，這意味著口服一種特定的菌株可能作為一種新的治療方法，以改善葡萄糖依賴的胰島素釋放。

益生元、益生菌影響B(tài)As 代謝。在腸道菌群和葡萄糖穩(wěn)態(tài)之間，乳酸菌和雙歧桿菌可將初級BAs 轉化為可活化的次級BAs，刺激腸道L 細胞分泌GLP-1[25]。Pedersen 等[26]研究表明，乳酸菌和雙歧桿菌具有減少食欲、降低食物攝入量、促進體重減輕和內(nèi)臟脂肪減少的有益作用。Ishimwe 等[27]指出，給小鼠同時喂食膽固醇含量高的食物和不同劑量（108 或109 CFU/ml）的干酪乳桿菌F0822，3 周后發(fā)現(xiàn)血清膽固醇和TC 的濃度比未給予干酪乳桿菌F0822 低。臨床發(fā)現(xiàn)，與正常人比較，肥胖者服用嗜酸乳桿菌和加色乳酸菌后，脂肪量、血糖值和胰島素抵抗均明顯下降[28]。

4 小檗堿對腸道菌群失調(diào)誘導糖尿病的作用研究

小檗堿（berberine，BBR），又稱黃連素、小蘗堿、小檗鹼，是一種具有廣泛藥理作用的天然異喹啉生物堿，可從黃連、黃柏等中藥材中提取，具有抗菌、抗腫瘤、降血脂、降血糖、降低血小板聚集、抗心律失常、保護缺血心肌、降血壓及免疫調(diào)節(jié)等作用[29]。小檗堿具有顯著的抑菌作用，既往以廣譜抗菌藥物應用于臨床，對G+、G-菌均有抑制作用，低濃度的小檗堿可以起到抑菌作用，而高濃度的小檗堿產(chǎn)生殺滅細菌的作用[30]。最近小檗堿已被證明可以調(diào)節(jié)腸道微生物群，反映腸道菌群的變化。Cui 等[31]實驗顯示，不同濃度的小檗堿在腸道中對乳桿菌、雙歧桿菌、腸桿菌和腸球菌的影響有較大差異。小檗堿對益生菌如雙歧桿菌和乳桿菌具有明顯的促進作用，對病原菌如腸球菌和腸桿菌具有明顯的抑制作用。

小檗堿的口服生物利用度較差，血藥濃度低，小檗堿被認為是P-糖蛋白的底物（P-glycoprotein，P-gp），P-gp 對小檗堿的吸收有重要作用[32]。許多學者認為，小檗堿的降糖作用并不是經(jīng)口服進胃吸收之后產(chǎn)生的，而是在腸道內(nèi)發(fā)揮作用[33]。小檗堿降低血糖機制:增加胰島素敏感性，增加胰島素分泌，減輕體重和血脂水平，降低糖耐量和胰島素抵抗；促進磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/Akt 的活化刺激糖酵解，抑制肝臟糖異生；通過激活腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）通路，升高GLP-1 水平，逆轉線粒體功能障礙，減少內(nèi)皮微粒介導的氧化應激，抑制炎癥[34]。

小檗堿對炎癥因子起到抑制作用。研究發(fā)現(xiàn)，小檗堿能降低高脂喂養(yǎng)大鼠血清IL-1 的mRNA 水平，使LBP 和單核細胞趨化蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1）下降，改善系統(tǒng)性炎性反應[35]。動物研究發(fā)現(xiàn)，小檗堿具有明顯的抗炎作用，可降低胰島素抵抗大鼠模型血清IL-6、IL-17、TNF-α 水平和絲氨酸磷酸化顯著下降，上調(diào)抗炎癥因子如IL-10 的表達，增加胰島素敏感性[36]。

小檗堿可以通過腸道使SCFAs 的產(chǎn)生增多。Wang等[37]實驗顯示，當給予ob/ob 小鼠口服小檗堿100 mg/（kg·d）、10 d，對糞便標本應用rRNA 基因16S V3 和V4區(qū)域的條碼焦磷酸檢測細菌組成，發(fā)現(xiàn)小鼠腸道內(nèi)擬桿菌數(shù)量明顯增多，產(chǎn)丙酸鹽、丁酸鹽的量增加。小檗堿已被證明具有抗肥胖作用，并通過調(diào)節(jié)腸道微生物來預防高脂飲食肥胖大鼠的胰島素抵抗[38]。

不同劑量的小檗堿增加了初級BAs，而降低了次級BAs。FXR 與小檗堿濃度升高呈正相關，而次級BAs和細菌，包括嗜酸乳桿菌、鼠李乳桿菌和乳酸乳球菌呈陰性與小檗堿濃度升高相關。Zhang 等[39]指出，在正常小鼠的飲食中增加一定量的小檗堿連續(xù)10 d，發(fā)現(xiàn)初級BAs 增加，次級BAs 減少；此外，高劑量的小檗堿使小鼠回腸末端擬桿菌增加。

在一項病例對照研究中，將200 例2 型糖尿病患者隨機分為二甲雙胍組和小檗堿組，服用二甲雙胍500 mg 3 次/d，小檗堿500 mg 3 次/d，持續(xù)治療3 個月，與二甲雙胍進行比較，用小檗堿治療的糖尿病患者在小檗堿治療3 個月后，空腹及隨機血糖、糖化血紅蛋白1、血清肌酐、血清膽固醇、血清甘油三酯、血清低密度脂蛋白膽固醇、高密度脂蛋白膽固醇、空腹胰島素水平均有統(tǒng)計學意義 （P＜ 0.05）[40]。

5 結 語

腸道菌群影響機體代謝、能量吸收、腸壁通透性及腸道的內(nèi)分泌功能，菌群失調(diào)會導致胰島β 細胞被自身免疫系統(tǒng)破壞，出現(xiàn)1 型糖尿病；會增加炎癥細胞因子的表達，導致胰島素抵抗和2 型糖尿病。特定的益生菌（如雙歧桿菌、乳桿菌）、小檗堿可以通過改善腸道菌群固有結構及其代謝影響整個腸道的微生態(tài)，進而調(diào)節(jié)宿主的代謝、免疫功能等。因此，全面了解糖尿病整個過程中腸道菌群的變化規(guī)律，從而通過應用益生菌、小檗堿調(diào)節(jié)糖尿病患者腸道菌群的結構，有望成為預防和控制糖尿病的新途徑，將為糖尿病的治療提供新方法。