肥胖IGT人群腸道菌群特點(diǎn)及其作用機(jī)制與治療的研究進(jìn)展

張顥齡，鄒本良，張廣德

(1.中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院研究生院，北京 100700； 2.中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院西苑醫(yī)院內(nèi)分泌科，北京 100091)

糖耐量減低(impaired glucose tolerance，IGT)為糖尿病前期狀態(tài)之一。據(jù)報(bào)道，中國(guó)成人糖尿病前期患病率高達(dá)35.7%，其中IGT人群約占70%[1]，這預(yù)示著中國(guó)2型糖尿病人群將大大增加。因此，在IGT階段進(jìn)行早期積極的預(yù)防、干預(yù)，對(duì)延緩、阻止 2型糖尿病的發(fā)生具有重要意義。腸道菌群作為維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的重要微生物群體，其數(shù)量龐大、種類繁多，直接影響著人體能量物質(zhì)的吸收和代謝，參與調(diào)節(jié)腸道的分泌功能和非特異性免疫功能，是人體天然的生物屏障。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群紊亂與人體疾病狀態(tài)息息相關(guān)，不僅參與腸道疾病[2]、自身免疫性疾病[3]、腫瘤[4]等多種疾病的發(fā)生，還與肥胖、糖尿病等代謝性疾病相互影響[5-6]，參與其發(fā)生與轉(zhuǎn)歸，且以腸道菌群為靶點(diǎn)的治療策略在糖尿病及糖尿病前期的臨床治療中具有良好的應(yīng)用前景?，F(xiàn)從IGT人群腸道菌群特點(diǎn)出發(fā)，探討腸道菌群通過(guò)影響胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)水平改善糖脂代謝的作用機(jī)制，并探究減少、延緩2型糖尿病發(fā)生、發(fā)展的有效干預(yù)措施，以為尋找2型糖尿病的預(yù)防和治療靶點(diǎn)提供新思路。

1 肥胖IGT人群腸道菌群特點(diǎn)

研究發(fā)現(xiàn)，正?？崭寡侨巳号cIGT人群間的腸道菌群結(jié)構(gòu)存在明顯差異，證明在糖尿病發(fā)生前即存在菌群移位[7]。其腸道菌群特點(diǎn)如下：

1.1菌群多樣性降低 腸道菌群多樣性的降低在一定程度上推動(dòng)了糖尿病的發(fā)生與發(fā)展。研究顯示，與糖耐量正常人群相比，糖尿病前期及糖尿病人群的腸道菌群類型顯著減少，且葡萄糖耐受能力與腸道菌群多樣性呈正相關(guān)[8]。在菌群數(shù)量方面，糖尿病前期及糖尿病人群的糖代謝水平下降，腸道細(xì)菌總量隨之減少[9]。若將正常人群的腸道定植菌群移植到肥胖、2型糖尿病患者體內(nèi)，隨著腸道菌群多樣性的增加，胰島素敏感性隨之升高[10]。

1.2菌群比例失調(diào) 肥胖人群腸道的擬桿菌門豐度降低，厚壁菌門豐度升高，經(jīng)過(guò)低熱量飲食的減重后可以糾正這一狀態(tài)[11]。Petriz等[12]分析肥胖大鼠運(yùn)動(dòng)減重后的腸道菌群物種及豐度，發(fā)現(xiàn)其乳酸桿菌豐度明顯升高。熊青等[13]發(fā)現(xiàn)，糖尿病前期患者的腸道微生物不僅總量減少，且存在菌群比例失調(diào)，其中雙歧桿菌屬含量升高，而變形桿菌、乳酸桿菌屬含量下降。另有研究證實(shí)，與正常人群相比，糖尿病前期和2型糖尿病患者的擬桿菌/厚壁菌比值明顯下降[14]。在糖尿病前期向糖尿病的發(fā)展過(guò)程中，主要表現(xiàn)為有益菌比例下降，條件致病菌比例升高[15]，表明菌群比例失調(diào)特別是有益菌的減少，與機(jī)體糖脂代謝紊亂密切相關(guān)。

1.3與胰島素抵抗及血糖水平相關(guān) 腸道微生態(tài)受胰島素抵抗和血糖波動(dòng)的影響。楊曉慶等[16]以高脂飼料喂養(yǎng)聯(lián)合腹腔注射鏈脲佐菌素誘導(dǎo)建立2型糖尿病小鼠模型，并檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其糞便中的乙酸、丙酸和正丁酸等腸道菌群代謝產(chǎn)物水平均低于健康小鼠，表明隨著糖代謝水平的下降，腸道菌群的生長(zhǎng)代謝受到抑制。同時(shí)對(duì)糖尿病前期人群的腸道菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，也得出一致結(jié)論[13]。

2 腸道菌群參與葡萄糖代謝的途徑

GLP-1是一種由小腸遠(yuǎn)端、直腸和結(jié)腸的L細(xì)胞分泌的腸源性激素，是腸-胰島素軸的重要介質(zhì)，具有抑制胰島β細(xì)胞凋亡，促進(jìn)胰島β細(xì)胞生成及分化，改善胰島β細(xì)胞功能，刺激胰島素分泌和釋放等生理功能。腸道菌群廣泛分布于整個(gè)胃腸道，直接作用于腸道內(nèi)分泌腺體，可通過(guò)多種途徑影響GLP-1的分泌，從而預(yù)防及延緩IGT及2型糖尿病的發(fā)生發(fā)展。

2.1膽汁酸代謝 近年來(lái)，膽汁酸被認(rèn)為是影響全身能量代謝過(guò)程的重要調(diào)節(jié)因子，膽汁酸代謝受腸道菌群的影響。正常情況下，腸道益生菌促進(jìn)機(jī)體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化與吸收，不僅參與調(diào)節(jié)糖、脂肪代謝，對(duì)膽汁酸代謝也起著重要的調(diào)控作用。腸道菌群在膽汁酸鹽水解酶和7α脫氫酶的作用下將初級(jí)膽汁酸轉(zhuǎn)變?yōu)榇渭?jí)膽汁酸，次級(jí)膽汁酸作為信號(hào)分子，激活核激素受體(法尼醇X受體和G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體等一系列核受體)，進(jìn)而參與肝臟膽汁酸合成、腸道膽汁酸重吸收等過(guò)程[17]。在遠(yuǎn)端小腸，初級(jí)膽汁酸激活法尼醇X受體，不僅能刺激腸上皮細(xì)胞合成和釋放成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子19，還能作用于腸道L細(xì)胞的G蛋白偶聯(lián)受體5，促進(jìn)腸道多肽的分泌，如GLP-1的釋放，調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和血糖水平，參與維持機(jī)體的糖代謝穩(wěn)態(tài)[18-19]。

2.2短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)代謝 腸道菌群參與SCFAs的代謝，SCFAs主要包括甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等，是腸道微生物對(duì)食物中的糖類、蛋白質(zhì)、氨基酸發(fā)酵降解后產(chǎn)生的重要代謝產(chǎn)物，既能反映人體腸道厭氧菌的活性和代謝情況，又可以調(diào)節(jié)腸道菌群，保護(hù)腸上皮屏障功能，抑制腸道炎癥因子，維持腸道微生物穩(wěn)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)給人體靜脈注射SCFAs可刺激腸道L細(xì)胞分泌GLP-1，調(diào)節(jié)人體代謝[20]。G蛋白偶聯(lián)受體是介導(dǎo)腸道L細(xì)胞合成并釋放GLP-1的重要SCFAs受體，乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽分別通過(guò)與G蛋白偶聯(lián)受體43、G蛋白偶聯(lián)受體41的特異性結(jié)合將其活化，調(diào)控腸道內(nèi)分泌功能，從而促進(jìn)GLP-1的分泌[21]。腸道菌群紊亂時(shí)，SCFAs在腸道內(nèi)的激素調(diào)節(jié)作用明顯受限，使得遠(yuǎn)端小腸和結(jié)腸上皮的L細(xì)胞對(duì)胃腸肽類激素的表達(dá)能力受到抑制。另有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)特定菌群比例失調(diào)時(shí)，G蛋白偶聯(lián)受體43的表達(dá)也受到限制，可通過(guò)攝入外源性SCFAs改善[22]。

2.3慢性炎癥損傷 腸道微生物影響著宿主的腸壁通透性及腸道的分泌功能，腸道菌群紊亂主要表現(xiàn)為革蘭陰性菌數(shù)量明顯增多，脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)作為革蘭陰性菌的細(xì)胞壁成分之一，被認(rèn)為是腸道微生物系統(tǒng)觸發(fā)胰島素抵抗與低級(jí)別炎癥的關(guān)鍵因素[23]。LPS經(jīng)受損的腸道屏障入血后，與機(jī)體免疫系統(tǒng)CD14/Toll樣受體4及其下游因子相互作用，激活炎癥信號(hào)通路，引起機(jī)體慢性低活度炎癥狀態(tài)，導(dǎo)致代謝性內(nèi)毒素血癥[24]，進(jìn)而造成腸道L細(xì)胞炎癥損傷，GLP-1分泌減少，從而促進(jìn)肥胖、胰島素抵抗等代謝疾病的發(fā)生。

2.4腸道屏障損傷 緊密連接蛋白作為腸道上皮細(xì)胞與相鄰細(xì)胞間的連接物質(zhì)，直接決定著腸道屏障功能。腸道微生物結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致緊密連接蛋白 Occludin和Claudin-1 的表達(dá)水平下降，使得腸道通透性增加，促進(jìn)內(nèi)源性細(xì)菌毒素LPS入血，炎癥因子(腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-6等)水平升高，影響GLP-1分泌，從而介導(dǎo)肥胖與胰島素抵抗的發(fā)生[25]。

2.5支鏈氨基酸代謝 支鏈氨基酸可以發(fā)揮“促胰島素”樣效應(yīng)。有文獻(xiàn)報(bào)道，與安慰劑或靜脈注射支鏈氨基酸相比，口服支鏈氨基酸誘導(dǎo)的GLP-1和葡萄糖依賴型促胰島素釋放肽應(yīng)答水平較高，血糖水平顯著下降，提示支鏈氨基酸可能通過(guò)胃腸道某些路徑發(fā)揮作用[26]。通過(guò)對(duì)胰島素抵抗的非糖尿病人群的腸道菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，具有合成LPS與支鏈氨基酸潛力的菌群明顯增加[27]。但這一效應(yīng)是否由腸道菌群介導(dǎo)，以及如何通過(guò)腸道菌群實(shí)現(xiàn)有待進(jìn)一步研究。

3 以腸道菌群為靶點(diǎn)的治療策略

3.1中藥 IGT屬于中醫(yī)學(xué)的“消渴”“脾癉”范疇，《黃帝內(nèi)經(jīng)》中記載：“肥者令人內(nèi)熱，甘者令人中滿，故其氣上溢，轉(zhuǎn)為消渴”，認(rèn)為消渴之病機(jī)為陰虛內(nèi)熱、脾虛痰壅、肝腎不足。目前，已證實(shí)清熱、滋陰、補(bǔ)益脾腎類中藥及復(fù)方對(duì)IGT及2型糖尿病狀態(tài)腸道菌群結(jié)構(gòu)有明顯的調(diào)節(jié)作用。

3.1.1中藥單體 目前研究最多的為黃連提取物鹽酸小檗堿。研究發(fā)現(xiàn)，高脂喂養(yǎng)肥胖大鼠的胃腸道雙歧桿菌、乳酸菌等保護(hù)性細(xì)菌減少，大腸桿菌、腸球菌等革蘭陰性細(xì)菌明顯增加，而鹽酸小檗堿干預(yù)可以部分糾正這一狀態(tài)，同時(shí)空腹血糖、LPS、胰島素抵抗指數(shù)均有所降低[28]，其機(jī)制可能與作用于腸上皮緊密連接蛋白，保護(hù)腸道的屏障功能有關(guān)[29]。此外，具有瀉下清熱作用的大黃，使用其主要成分之一大黃酸治療后，糖尿病小鼠腸道中的擬桿菌增加，厚壁菌減少，同時(shí)血糖、體重均得到控制，提示其抗高血糖作用的機(jī)制可能與調(diào)整腸道菌群結(jié)構(gòu)有關(guān)[30]。

有學(xué)者對(duì)鏈脲佐菌素腹腔注射誘導(dǎo)的糖尿病小鼠模型進(jìn)行地黃水蘇糖灌胃治療發(fā)現(xiàn)，其降糖效果與二甲雙胍相當(dāng)，但改善腸道菌群作用明顯優(yōu)于二甲雙胍[31]。麥冬的有效成分麥冬多糖MDG-1與腸道菌群之間可形成良性循環(huán)，對(duì)高脂飼料喂養(yǎng)的肥胖小鼠進(jìn)行MDG-1灌胃干預(yù)12周后，一方面可以提高擬桿菌門/厚壁菌門的比例，改善其代謝譜；另一方面，MDG-1須經(jīng)腸道菌群降解后才可被宿主吸收利用，發(fā)揮其促進(jìn)代謝的作用[32]。另外，口服石斛多酚水提物可有效調(diào)節(jié)糖尿病小鼠腸道內(nèi)涉及糖類及脂質(zhì)代謝的微生物組，減輕氧化應(yīng)激，發(fā)揮抗糖尿病作用[33]。

口服黃精皂苷與黃精多糖均對(duì)糖尿病大鼠腸道菌群有調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而減少LPS、增加SCFAs，對(duì) 2型糖尿病起治療作用[34]；白術(shù)的乙醇提取物可以通過(guò)調(diào)節(jié)GLP-1受體/磷脂酰肌醇-3-羥激酶/胰十二指腸同源框因子-1通路和腸道菌群結(jié)構(gòu)，減少內(nèi)毒素，改善胰島素抵抗來(lái)改善糖尿病小鼠的糖脂代謝[35]；黃芪多糖可通過(guò)降低革蘭陰性菌(如變形菌門)細(xì)菌豐度，提高擬桿菌與厚壁菌相對(duì)豐度，從而減輕肥胖小鼠體重[36]。

3.1.2中藥復(fù)方 傳統(tǒng)中醫(yī)中藥多采用復(fù)方形式，注重君臣佐使相互配伍，合而發(fā)揮效用。從現(xiàn)代藥理學(xué)角度，中藥復(fù)方具有多成分、多靶點(diǎn)、綜合調(diào)理等特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)某些中藥復(fù)方，如葛根芩連湯[5]、千金黃連丸[37]、黃連溫膽湯[38]，以及現(xiàn)代研究自擬方，如溫陽(yáng)益氣活血方[39](組成包括丹參、赤芍、桃仁、當(dāng)歸、桂枝)、參芪復(fù)方[40](組成包括人參、黃芪、山茱萸、山藥、天花粉、生地黃、丹參、熟大黃)等，均對(duì)機(jī)體糖代謝有良好的調(diào)節(jié)作用，其可能是通過(guò)扶植有益菌，抑制致病菌，調(diào)整腸道微生態(tài)平衡實(shí)現(xiàn)。

3.2降糖藥 目前已有研究證實(shí)，部分降糖藥除原有機(jī)制外，還具有通過(guò)調(diào)整腸道菌群調(diào)控糖代謝穩(wěn)態(tài)的作用。如二甲雙胍可改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，使梭狀芽孢桿菌、雙歧桿菌豐度明顯升高[41-42]，且服用二甲雙胍2型糖尿病患者的腸道產(chǎn)生SCFAs的菌群豐度明顯提高[43]，膽汁酸代謝也得到改善[44]，其作用機(jī)制可能為二甲雙胍能夠上調(diào)與脂肪酸及鞘脂代謝相關(guān)的18條KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes)代謝通路[42]，從而改善代謝途徑，減輕胰島素抵抗。此外，阿卡波糖也具有增加2型糖尿病患者腸道菌群數(shù)量，降低血清炎癥因子水平的作用[45]。

3.3熱量限制 飲食熱量與腸道菌群失調(diào)也存在密切聯(lián)系。文獻(xiàn)報(bào)道，肥胖胰島素抵抗模型大鼠經(jīng)食物熱量限制干預(yù)后，體重、內(nèi)臟脂肪體重比均明顯下降[46]，其機(jī)制可能與熱量限制后腸道中的膽汁酸水平升高，腸道內(nèi)脂質(zhì)吸收增加有關(guān)[47]。同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)，熱量限制對(duì)腸道微生物有很強(qiáng)的導(dǎo)入作用[48]。食物的種類和數(shù)量是影響腸道菌群組成的主要因素，攝入熱量越低的食物，腸道有益菌的種類越豐富，數(shù)量越多，從而改善機(jī)體糖代謝過(guò)程[49]。

3.4抗生素 抗生素的使用一直存在爭(zhēng)議?？股氐臑E用可導(dǎo)致腸道菌群移位，使非肥胖糖尿病小鼠腸道內(nèi)的致糖尿病微生物群增加，有益微生物群減少，從而加速糖尿病的發(fā)生，這種糖尿病易感性可能與糞便SCFAs減少有關(guān)[50]。然而，對(duì)高脂飲食小鼠進(jìn)行合理的抗生素干預(yù)，可使擬桿菌門和厚壁菌門水平顯著降低，改善的腸道內(nèi)環(huán)境通過(guò)降低循環(huán)LPS及炎癥因子(腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-6)水平，從而改善胰島素抵抗和糖代謝[51]。

3.5益生菌 益生菌是調(diào)節(jié)腸道微生物群的有效手段，但益生菌補(bǔ)充劑是否可以通過(guò)改變2型糖尿病患者腸道微生物群來(lái)改善代謝譜仍存在爭(zhēng)議。Brown等[50]研究發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)充益生菌不足以糾正由抗生素引發(fā)的非肥胖型糖尿病小鼠的腸道菌群紊亂，也不能延遲糖尿病的發(fā)生；而另一項(xiàng)納入12項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)的Meta分析肯定了益生菌制劑降低空腹血糖、提高高密度脂蛋白的效果，但在糖化血紅蛋白、胰島素抵抗、三酰甘油、膽固醇方面差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[52]。Balakumar等[53]研究表明，益生菌具有類二甲雙胍作用，可以阻止高脂飼料喂養(yǎng)小鼠胰島素抵抗和糖尿病的發(fā)生。因此，益生菌制劑可能成為預(yù)防及治療糖尿病的新型腸道微生態(tài)治療手段。

4 小 結(jié)

雖然腸道菌群參與糖尿病發(fā)病的機(jī)制尚未完全明確，但不可否認(rèn)，不良生活方式、藥物濫用以及肥胖等導(dǎo)致的腸道微生態(tài)改變對(duì)機(jī)體糖代謝紊亂發(fā)揮重要作用，且腸道菌群紊亂及其引發(fā)的一系列代謝、結(jié)構(gòu)與功能異常，如膽汁酸與SCFAs代謝紊亂、腸道屏障結(jié)構(gòu)破壞、腸道激素分泌功能失調(diào)等，早在臨床診斷糖尿病前的IGT狀態(tài)即可存在。因此，在IGT階段，采取有效的干預(yù)手段調(diào)節(jié)腸道菌群、恢復(fù)菌群穩(wěn)態(tài)有望成為延緩2型糖尿病發(fā)生、發(fā)展的新方法；同時(shí)，未來(lái)需對(duì)改善糖脂代謝起關(guān)鍵作用的細(xì)菌種屬及其作用機(jī)制進(jìn)行深入探索，以采取針對(duì)性的治療手段。