腸道菌群誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)與胰島素抵抗的相關(guān)性

歐雯欣，呂英

1.首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院長(zhǎng)學(xué)制兒科班, 北京 100069；2.金華市中心醫(yī)院，浙江 金華 321000

人類和所有與其接觸的外界微觀環(huán)境共生；它存在著十倍于體細(xì)胞或生殖細(xì)胞的微生物(微生物群)，代表了多于體細(xì)胞100～150倍的基因多樣性。這些細(xì)菌主要生活在腸道[1]，它們的分布因地區(qū)而異，并且受到PH、氧氣和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的影響[2]。胰島素抵抗(Insulin resistance，IR)作為糖尿病患者最常見的生理改變之一，是指單位濃度的胰島素其細(xì)胞效應(yīng)減弱 ,即組織對(duì)胰島素的敏感性下降[3]。其實(shí)質(zhì)為胰島素介導(dǎo)的細(xì)胞糖代謝能力的減低，但又不僅限于糖代謝范圍[4]。

2004年，F(xiàn)redrik B?ckhed等人通過對(duì)腸道無菌(Germ-free，GF)小鼠和常規(guī)小鼠(Conventional mice，CONV-R)的喂養(yǎng)試驗(yàn)檢測(cè)到后者體脂比的明顯增加，并觀察到胰島素抵抗現(xiàn)象，首次揭示了腸道菌群與胰島素抵抗的相關(guān)性[5]。隨后，Cani、Vijay-Kumar jiang 、Vrieze 、Emmanuelle Le Chatelier 等人的研究更加證實(shí)腸道菌群紊亂是產(chǎn)生胰島素抵抗中的重要機(jī)制之一[6-9]。為此，科學(xué)家們探索發(fā)現(xiàn)腸道菌群可能參與導(dǎo)致胰島素抵抗的四種機(jī)制，包括能量代謝障礙、炎癥反應(yīng)、腸道屏障功能破壞、免疫系統(tǒng)功能紊亂[10]。本文通過敘述腸道菌群紊亂的炎癥機(jī)制對(duì)胰島素抵抗發(fā)生發(fā)展的影響，為治療胰島素抵抗提供方向。

1 腸道菌群簡(jiǎn)述

腸道菌群是胃腸道內(nèi)微生物(細(xì)菌和微生物)的總稱(Gastrointestinal tract，GIT)[11]。對(duì)健康小鼠和人類腸道糞便的宏基因組分析顯示，腸道菌群主要有兩大類：擬桿菌和厚壁菌，且大多數(shù)研究顯示厚壁菌占優(yōu)勢(shì)[12,13]。然而，也有研究表明，在自然或是人工誘導(dǎo)的肥胖小鼠和人類中擬桿菌的比例大大增加[14]。這至少說明，基因和環(huán)境因素對(duì)腸道菌群的成分有很大的影響。

2 炎癥引起胰島素抵抗概述

肥胖現(xiàn)在遍布全世界。與肥胖相關(guān)的慢性低度炎癥導(dǎo)致胰島素敏感性降低，這使得肥胖成為胰島素抵抗和相關(guān)疾病(例如2型糖尿病和代謝綜合征)的主要風(fēng)險(xiǎn)因素[15]。IR包括多種疾病，如胰島素受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和線粒體功能缺陷[16,17]，微血管功能障礙[18,19]以及炎癥[20-22]?？梢?，炎癥是肥胖導(dǎo)致胰島素抵抗的中間因素。脂肪組織的增大和免疫細(xì)胞的浸潤(rùn)(主要是巨噬細(xì)胞)有助于促炎性細(xì)胞因子腫瘤壞死因子(Tumor necrosis factor-alpha, TNF-α)、白細(xì)胞介素-1β(Interleukin-1beta, IL-1β)、白細(xì)胞介素-6(Interleukin-6, IL-6)等的水平，后者通過活化IKKβ/NF-κB、JNK等炎癥信號(hào)通路，使得炎癥細(xì)胞因子大量釋放，隨血液循環(huán)到達(dá)胰島素作用的靶組織[20]，導(dǎo)致血清中因子譜改變，即胰島素增敏因子水平明顯降低，胰島素失敏因子水平明顯升高[23]，進(jìn)而抑制胰島素信號(hào)通路相關(guān)蛋白活性，誘導(dǎo)靶組織胰島素抵抗。

3 腸道菌群誘發(fā)炎癥反應(yīng)導(dǎo)致胰島素抵抗

已知腸道微生物群能改善飲食中的能量提取，調(diào)節(jié)脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)的血漿水平，這可能開始慢性低度炎癥，導(dǎo)致肥胖和2型糖尿病(Type 2 diabetes mellitus, T2DM)，并調(diào)節(jié)一些宿主基因、蛋白質(zhì)庫存和能源支出[24,25]。腸道上皮細(xì)胞間緊密連接蛋白含量減少，引起腸道屏障功能減弱，滲透性增加，腸道菌群代謝產(chǎn)物滲出及腸道菌群異位，刺激靶器官產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致胰島素抵抗[26]。同時(shí)，表觀遺傳學(xué)和炎性小體的作用也不容忽視。以下從三方面來主要說明腸道菌群誘發(fā)炎癥反應(yīng)的機(jī)制。

3.1 脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS) 根據(jù)革蘭氏染色，在腸道菌群中兩種最普遍門在臨床分類中屬于不同的組，即厚壁菌門是革蘭氏陽性的，而擬桿菌門是革蘭氏陰性菌。革蘭氏陰性菌含有脂多糖[27]，Toll樣受體4(Toll-like receptors 4, TLR4)的強(qiáng)激活劑和Toll樣受體組的受體，一種在大多數(shù)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中表達(dá)并識(shí)別病原體相關(guān)的分子模式(Pathogen-related molecular patterns,PAMP)。 LPS與TLR4的結(jié)合激活了廣泛的細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)途徑，誘導(dǎo)慢性亞臨床炎癥過程和細(xì)胞因子表達(dá)及分泌[28]。

3.1.1 LPS異位 數(shù)據(jù)顯示[29]，肥胖嚙齒類動(dòng)物和人類的循環(huán)LPS水平高。這與肥胖微生物群中厚壁菌門百分比增加不符。已經(jīng)表明LPS的這種增加與腸道緊密連接功能破壞，通透性增加直接相關(guān)。LPS異位可能是肥胖的人類和小鼠炎癥及胰島素抗性發(fā)展的早期因素[29,30]。

3.1.2 LPS與FetA相互作用 肥胖狀態(tài)下，脂肪組織介導(dǎo)的脂解作用增強(qiáng)和脂質(zhì)異常沉積，使循環(huán)血液中的游離脂肪酸(Nonesterif i ed fatty acid, FFA)水平明顯增加。有研究表明，來自于腸道菌群的LPS也能與游離脂肪酸(大部分為飽和脂肪酸)相互作用，引起炎癥反應(yīng)[31]。游離脂肪酸并不能直接活化 TLR4，而是通過肝蛋白胎球蛋白-A (Fetoglobulin-A, FetA)。循環(huán)中FFA的主要載體是FetA[32]。FetA 作為TLR4的內(nèi)生性配體，能活化其信號(hào)通路，促進(jìn)胰島素抵抗，F(xiàn)etA 缺乏時(shí)，TLR4 信號(hào)通路被阻斷，由 FFA 誘導(dǎo)的胰島素抵抗現(xiàn)象得到改善。另外，已經(jīng)證明，在肥胖個(gè)體和嚙齒動(dòng)物中，F(xiàn)etA的循環(huán)水平增加并且與體重相關(guān)[33]。

3.2 表觀遺傳學(xué)評(píng)估了三組受試者的腸道微生物群和TLR2和TLR4的表觀遺傳DNA甲基化的變化發(fā)現(xiàn)[34]：細(xì)胞壁成分涉及炎癥反應(yīng)的表觀遺傳調(diào)節(jié)；T2DM患者中TLR2啟動(dòng)子區(qū)域中7種CpG的甲基化顯著降低。細(xì)菌成分對(duì)受損腸道膜的滲透增加會(huì)誘發(fā)這種炎癥與炎癥分子如Toll樣受體(TLR)的表觀遺傳改變。雖然研究已經(jīng)表明，腸道菌群調(diào)節(jié)宿主細(xì)胞中DNA和組蛋白甲基化依賴性途徑[35]，但最新研究表明，組蛋白乙?；虷DACs是哺乳動(dòng)物細(xì)胞和腸道菌群之間最重要的環(huán)節(jié)。研究表明，腸上皮細(xì)胞特異的HDAC3表達(dá)喪失的小鼠基因表達(dá)的廣泛改變，組蛋白乙?；淖?，帕內(nèi)特細(xì)胞受損，使腸屏障功能降低。同時(shí)，腸道菌群組成顯著改變，炎癥易感性增加；但無菌對(duì)照組小鼠穩(wěn)態(tài)恢復(fù)[36]。

雖然破譯表觀基因組調(diào)控對(duì)腸道菌群誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)仍處于起步階段，但這些研究引發(fā)了幾個(gè)關(guān)于評(píng)估表觀基因組中腸道菌群的潛在相關(guān)性的問題，對(duì)探索其與胰島素抵抗的相關(guān)性有重大意義。

3.3 炎性小體炎性小體是一種存在于細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)多聚物，在先天免疫中起重要作用[37]。炎性小體通常存在于骨髓細(xì)胞，包括NRLPs，NALPs，ASC，Pycard和caspase1。炎性小體的主要功能是誘導(dǎo)IL-1β和IL-18的成熟，從而產(chǎn)生上述細(xì)胞因子應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)信號(hào)。炎性小體激活有兩條通路：一條是通過TLRs激活NFκB信號(hào)通路，促進(jìn)pro-IL-1β和pro-IL-18的基因轉(zhuǎn)錄；另一條是通過DAMPs或PAMPs激活炎性小體，招募caspase-1切割pro-IL-1β和IL-18前體[38]。體外研究表明，只有當(dāng)用LPS刺激細(xì)胞時(shí)，F(xiàn)FA或神經(jīng)酰胺才能激活BMDM中的炎性小體[39,40]。此外，多項(xiàng)研究結(jié)果表明炎性小體成分，包括NLRP3、Pycard、caspase-1或是ASC的缺失均可改善肥胖誘導(dǎo)的胰島素抵抗，并且抑制炎癥反應(yīng)[39-41]。但這幾項(xiàng)研究在炎性成分缺失對(duì)體重和肥胖的影響方面的細(xì)節(jié)不同，因此目前尚不完全清楚肥胖癥中炎性小體通路是否直接調(diào)節(jié)肥胖引起的炎癥反應(yīng)和胰島素抵抗，或是它可通過其他一些未知的簡(jiǎn)介機(jī)制改變體重和肥胖狀況。與野生型同窩小鼠相比，缺乏炎性小體的小鼠顯示出明顯的腸道菌群的改變，即擬桿菌門比例增加。同時(shí)釋放到血液循環(huán)中的腸道菌群產(chǎn)物(尤其是TLR4和TLR9)增加，誘導(dǎo)了炎癥反應(yīng)和胰島素抵抗[42]。

4 結(jié)語

腸道菌群誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)參與胰島素抵抗的產(chǎn)生。在這篇綜述中，我們探討了炎癥反應(yīng)產(chǎn)生的三種因素；LPS異位，表觀遺傳學(xué)改變以及炎性小體的作用。目前腸道菌群對(duì)胰島素抵抗產(chǎn)生的作用還在研究中，還有許多鮮為人知的因素參與腸道菌群誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)以及其導(dǎo)致的胰島素抵抗。相信在不久的將來，對(duì)該領(lǐng)域更加深入的研究會(huì)為胰島素抵抗及其合并癥找到更詳細(xì)的影響因素，探索出新的治療途徑。