從“腸道菌群-代謝物-免疫軸”探究1型糖尿病的發(fā)病機(jī)制與治療策略

鄧明群 肖新華

腸道菌群是寄生在人體腸道中微生物的總稱，被稱為人類的“第二個基因組”。近年來，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群在人類健康中扮演重要角色。T1D是以胰島功能破壞為特征的多種因素導(dǎo)致的自身免疫性疾病。除遺傳因素外，飲食、藥物、環(huán)境多種因素參與T1D的發(fā)病機(jī)制，而以上這些因素都和腸道菌群密切相關(guān)。近年來研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群可能在T1D的發(fā)病機(jī)制中具有重要作用，但具體機(jī)制不明。

一、腸道菌群的結(jié)構(gòu)和功能

腸道菌群是寄生在人體腸道中微生物的總稱，由超過 3500 種細(xì)菌組成， 其中95%以上可歸為3個菌門: 厚壁菌門、擬桿菌門和放線菌門。人類腸道菌群中以厚壁菌門和擬桿菌門占絕對優(yōu)勢，其中厚壁菌門細(xì)菌數(shù)量最多，包括乳桿菌屬、支原體、芽孢桿菌屬、梭菌屬等200多種菌屬。成人腸道定植的細(xì)菌數(shù)量多達(dá)1014，重約1～2kg, 編碼基因總量是人類編碼基因數(shù)量的大約100 倍，被統(tǒng)稱為宏基因組(metagenome)，也被稱為人類的“第二個基因組”[1]。腸道菌群在人類健康中扮演重要角色，參與多種重要的生理功能，包括：參與食物的消化吸收，如纖維素的消化、膳食脂肪及脂溶性維生素的吸收等；通過發(fā)酵食物產(chǎn)生短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFAs)，如乙酸、丙酸、丁酸等；參與合成宿主所需的氨基酸；調(diào)節(jié)膽汁酸相關(guān)的代謝等[2, 3]。此外，腸道微生物還可以改變腸道的滲透性，影響腸上皮細(xì)胞間的緊密連接，維持腸上皮細(xì)胞的完整性，進(jìn)而影響腸道免疫功能。

二、腸道菌群紊亂與糖代謝異常密切相關(guān)

近年來研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群與糖尿病、肥胖等多種代謝相關(guān)疾病密切相關(guān)。腸道菌群在糖尿病方面的研究最早來自中國，這一里程碑式的研究發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病(type 2 diabetes, T2D)患者出現(xiàn)以Roseburiaintestinals和Faecalibacteriumprausnitzii等產(chǎn)丁酸鹽細(xì)菌減少為特點的腸道菌群紊亂，而機(jī)會性致病菌(Bacteroidescaccae)、大腸桿菌(Escherichiacoli)、脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)以及多種梭菌目增加[4]。來自歐洲的研究發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)果，提示T2D患者可能存在其特有的腸道菌群特征，T2D的發(fā)生、發(fā)展可能與腸道菌群的改變有關(guān)[5]。進(jìn)一步研究顯示，腸道菌群通過直接或間接參與炎性反應(yīng)、產(chǎn)生短鏈脂肪酸等代謝產(chǎn)物影響能量代謝、調(diào)控膽汁酸合成從而影響膽汁酸與法尼酯X受體(farnesoid X receptor,FXR)和G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體(gprotein-coupled bile acid receptor, TGR5)結(jié)合等多種途徑調(diào)節(jié)糖代謝。此外，近年來研究發(fā)現(xiàn)，外科減重手術(shù)、二甲雙胍、拜糖平、利拉魯肽等多種T2D治療手段可能是通過改變腸道菌群而改善糖代謝[6～8]。

越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群與T1D也存在密切關(guān)系。BBDP大鼠(biobreeding diabetes- prone rat)是研究T1D的一種重要的自發(fā)性疾病動物模型。BBDP大鼠與人類1型糖尿病存在很多相似之處，包括基因易感性、以及環(huán)境因素對疾病的影響等。與BBDR大鼠(biobreeding diabetes-resistant rat)比較，BBDP大鼠中乳桿菌屬(Lactobacillus)、Bryantella、雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)和Turicibacter下降，而擬桿菌屬(Bacteroides)、真桿菌(Eubacterium)和瘤胃球菌屬 (Ruminococcus)增加。與動物實驗結(jié)果相一致，T1D患者腸道菌群與健康對照也存在差異， 表現(xiàn)為厚壁菌門(Firmicutes)/擬桿菌門(Bacteroidetes)比例下降，梭狀芽胞桿菌(Clostridium)、擬桿菌屬(Bacteroides)和韋榮球菌屬(Veillonella)增加[9]。并且，T1D患者腸道菌群的多樣性和穩(wěn)定性也下降。

三、腸道菌群紊亂參與自身免疫性疾病

腸道是人體內(nèi)最大的免疫器官，存在著大量與宿主共生的微生物，免疫系統(tǒng)和腸道微生物之間相互作用、共同進(jìn)化，維持機(jī)體的免疫穩(wěn)態(tài)。免疫系統(tǒng)對腸道菌群的形成和重塑有著重要作用[10]。反之，腸道菌群對天然免疫和適應(yīng)性免疫均有重要的影響[11]。當(dāng)微生物和免疫系統(tǒng)之間的穩(wěn)態(tài)遭到破壞時，自身免疫性疾病即可能發(fā)生。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群紊亂與多種自身免疫性疾病有關(guān)，包括炎性腸病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、過敏性哮喘、T1D等[12,13]。

腸道菌群結(jié)構(gòu)變化以及某些特定菌屬與T1D自身抗體的出現(xiàn)具有相關(guān)性，提示腸道菌群可能通過影響自身免疫參與T1D的發(fā)生、發(fā)展[14,15]。研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群參與調(diào)節(jié)天然免疫穩(wěn)態(tài)[16,17]。腸道菌群紊亂可以破壞腸黏膜屏障，導(dǎo)致脂多糖(LPS)和脂肪酸泄漏，進(jìn)而激活Toll樣受體4(Toll-like receptor 4, TLR4)并導(dǎo)致代謝相關(guān)炎癥[18]。MyD88是識別微生物刺激的天然免疫受體的調(diào)節(jié)因子。研究發(fā)現(xiàn)，缺乏MyD88的T1D模型鼠NOD小鼠(non-obesity diabetes mouse)的腸道菌群會發(fā)生改變，并可免于發(fā)生糖尿病。并且，將這種腸道菌群移植給野生型NOD鼠可以減輕胰島炎并延緩自身免疫性糖尿病的發(fā)生[19]。除天然免疫的參與外，在適應(yīng)性免疫方面，調(diào)節(jié)性與致病性免疫之間的失衡是T1D發(fā)生的關(guān)鍵免疫機(jī)制[20]。一方面，研究發(fā)現(xiàn)，外周血Th細(xì)胞的分化受到微生物的調(diào)節(jié)，節(jié)絲狀菌可以促進(jìn)Th17細(xì)胞的生成和成熟，某些梭菌屬促進(jìn)小鼠結(jié)腸中調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(tregulatory cells, Tregs)的生成[21,22]。另一方面，新近研究表明，腸道菌群的組成與結(jié)構(gòu)是胰島素反應(yīng)性CD8+T細(xì)胞擴(kuò)增和活化的重要影響因素。

四、“腸道菌群-代謝物-免疫軸”在T1D發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用

近年來，腸道菌群調(diào)節(jié)免疫的分子機(jī)制逐漸得到探究。研究發(fā)現(xiàn)，許多共生菌的代謝物可以直接作用于免疫系統(tǒng)，短鏈脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)為腸道共生菌作用于未消化的碳水化合物所產(chǎn)生的最重要的代謝產(chǎn)物，對宿主免疫系統(tǒng)具有廣泛的作用[23]。早在2003年，研究發(fā)現(xiàn)SCFAs可作為配體與G蛋白偶聯(lián)受體 (G protein-coupled receptors, GPCRs), 游離脂肪酸受體2 (Free fatty acid 2, FFA2)和3 (FFA3)等受體結(jié)合，從細(xì)胞層面發(fā)揮生物學(xué)功能[24]。Sun等[25]發(fā)現(xiàn)，與健康對照比較，NOD鼠SCFAs降低，尤其是丁酸。而在T1D患者中，產(chǎn)丁酸鹽細(xì)菌較健康人減少。因此，產(chǎn)丁酸菌在T1D中發(fā)揮重要作用。一方面，丁酸通過誘導(dǎo)黏蛋白合成在維持腸上皮細(xì)胞間的緊密連接中發(fā)揮重要作用，如腸上皮的完整性遭到破壞，可導(dǎo)致“腸道泄露(gut leaky)”，從而激活TLR4，參與T1D的發(fā)生、發(fā)展。另一方面，研究發(fā)現(xiàn)，共生菌產(chǎn)生的丁酸鹽通過抑制組蛋白去乙酰酶(histone deacetylase, HDAC)活性，減少樹突細(xì)胞前炎性因子表達(dá)，促進(jìn)胸腺外Tregs細(xì)胞誘導(dǎo)分化。因此，產(chǎn)丁酸鹽菌可能通過影響Tregs細(xì)胞數(shù)量和功能參與T1D的發(fā)生、發(fā)展。丙酸鹽同樣可以抑制HDAC，因此也可以促進(jìn)Tregs的生成。除丁酸鹽和丙酸鹽，研究發(fā)現(xiàn)乙酸鹽可能通過直接或間接作用促進(jìn)T細(xì)胞凋亡，在減少免疫反應(yīng)性T細(xì)胞中發(fā)揮著獨特作用[21]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群產(chǎn)生的SCFAs可以調(diào)控β細(xì)胞產(chǎn)生導(dǎo)管素相關(guān)的抗菌肽(cathelicidin related antimicrobial peptide, CRAMP)。CRAPM在T1D的發(fā)生中發(fā)揮重要作用，NOD鼠中CRAMP存在缺陷，而給予糖尿病前期小鼠CRAMP則可以促進(jìn)胰島上Tregs細(xì)胞產(chǎn)生而減少T1D的發(fā)生[25]。綜上所述，腸道菌群通過其代謝物與免疫系統(tǒng)相互作用影響T1D的發(fā)生、發(fā)展，即“腸道菌群-代謝物-免疫軸”參與T1D的發(fā)病機(jī)制。

五、“腸道菌群-代謝物-免疫軸”對T1D防治策略的啟示

從“腸道菌群-代謝物-免疫軸”探究T1D發(fā)病機(jī)制，將對T1D的防治提供新的思路。目前尚有正在進(jìn)行的探究LactobacillusrhamnosusGG和BifidobacteriumlactisBb12對新診斷T1D兒童胰島功能保護(hù)作用的臨床試驗(NCT03032354)，結(jié)果尚待公布。腸道菌群受飲食影響明顯，研究發(fā)現(xiàn)，給予產(chǎn)乙酸和丁酸菌群的飲食可以保護(hù)NOD鼠免于發(fā)生T1D。二甲雙胍是最普通的治療糖尿病的一線藥物，但其降糖機(jī)制至今尚未完全闡明。近年來研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍改變T2D患者腸道菌群結(jié)構(gòu)可能是其發(fā)揮降糖作用的重要機(jī)制。Forslund等[26]研究發(fā)現(xiàn)，T2D患者二甲雙胍治療后的腸道菌群發(fā)生變化，表現(xiàn)為產(chǎn)乳酸菌群的活躍現(xiàn)象消失，而產(chǎn)丁酸和丙酸鹽菌群的豐度提高。如前述，產(chǎn)丁酸菌減少也是T1D患者腸道菌群的重要特征，二甲雙胍在T1D患者中使用將如何影響菌群，對病情進(jìn)展及血糖控制有何作用將是未來值得研究的方向。

六、展 望

腸道菌群是人體最重要的免疫器官，是人類“第二個基因組”。近年來腸道菌群受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群參與多種疾病的發(fā)生。目前研究表明T1D患者存在腸道菌群紊亂，并且腸道菌群失調(diào)通過調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)參與T1D的發(fā)病過程。其中，代謝物作為重要媒介參與腸道菌群調(diào)節(jié)免疫的分子機(jī)制，即“腸道菌群-代謝物-免疫軸”在T1D發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用。長期以來，胰島素都是大多數(shù)T1D患者治療的唯一選擇，但從“腸道菌群-代謝物-免疫軸”角度，筆者獲得了對T1D防治策略的重要啟示，益生菌、口服降糖藥均可能通過“腸道菌群-代謝物-免疫軸”影響T1D的發(fā)生、發(fā)展，從而發(fā)揮控制血糖并減少并發(fā)癥的作用，因此，從菌群代謝物角度探究T1D的新型防治策略是未來的重要議題。