高脂飲食下腸道菌群導(dǎo)致肥胖的機(jī)制及其干預(yù)的研究進(jìn)展

熊家瑤，李志勇

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬永川醫(yī)院內(nèi)分泌科，重慶 402160)

肥胖的發(fā)生率逐年上升，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年全球成人的肥胖率為12%，預(yù)計(jì)到2025年，全球肥胖流行率男性為18%，女性為21%[1-2]。肥胖與2型糖尿病、心血管疾病和各種癌癥等疾病的發(fā)病率密切相關(guān)，會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)負(fù)擔(dān)。多種理論及研究對(duì)全球肥胖流行進(jìn)行了解釋和探索，最終將其原因歸結(jié)于高脂肪和高能量密集飲食的供應(yīng)和消耗[3]。

腸道微生物群為人類健康做出了貢獻(xiàn)，但在特定條件下，微生物群失調(diào)可造成疾病[4-5]。在人體腸道中存在約為人體細(xì)胞數(shù)量10倍的微生物，90%為厚壁菌門和擬桿菌門[6]。Ley等[7]研究表明，在相同富含多糖飲食的條件下，遺傳性胖鼠、瘦鼠和野生型小鼠的腸道細(xì)菌組成存在差異，且觀察發(fā)現(xiàn)，胖鼠擬桿菌門相對(duì)豐度降低、厚壁菌門增加。Turnbaugh等[8]將瘦鼠和胖鼠的腸道微生物移植至無菌小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，在無菌小鼠體脂增加方面，胖鼠腸道菌群的作用明顯大于瘦鼠，說明腸菌的變化與肥胖及相關(guān)共患病存在聯(lián)系，且在治療代謝性疾病中有潛在的應(yīng)用價(jià)值[1]。現(xiàn)就高脂飲食下腸道微生物的組成和功能變化及其導(dǎo)致肥胖的可能機(jī)制、通過改變腸道微生物群來治療肥胖的策略予以綜述。

1 腸道菌群組成與高脂肪飲食誘發(fā)肥胖的關(guān)系

1.1高脂肪飲食改變腸道微生物群的豐度 高脂飲食可通過改變胃腸道中定植菌群的組成和功能造成肥胖，然而腸道菌群導(dǎo)致肥胖的確切途徑未知。飼喂高脂飲食的雄性小鼠腸道細(xì)菌的厚壁菌門相對(duì)豐度增加，高脂喂養(yǎng)雌性小鼠體內(nèi)厚壁細(xì)菌豐度的增加速度低于雄性小鼠，雌性小鼠和雄性小鼠之間腸道菌群的差異可能與肥胖飲食中與性別相關(guān)的體重增加呈負(fù)相關(guān)[9]。研究也指出，高脂飲食可影響腸道菌群的相對(duì)豐度，如益生菌雙歧桿菌和阿克曼氏菌在高脂喂養(yǎng)后豐度均減少[10]。

1.2長(zhǎng)期飲食習(xí)慣可決定腸道菌群的結(jié)構(gòu) 22個(gè)新測(cè)序的糞便宏基因組研究確定了3個(gè)腸內(nèi)型集群(B型、P型、R型)，證實(shí)了長(zhǎng)期飲食習(xí)慣是影響腸道菌群結(jié)構(gòu)的決定性因素，且腸道菌群的變異通常是分層變異而不是連續(xù)變異，進(jìn)一步表明均衡宿主-菌共生狀態(tài)種類有限，且腸道菌群可能對(duì)飲食和藥物攝入的反應(yīng)不同[11]。一項(xiàng)對(duì)98個(gè)個(gè)體糞便樣品的分析發(fā)現(xiàn)，糞便菌群主要由擬桿菌和普氏菌水平區(qū)分為兩種腸型：①B型腸內(nèi)型集群(擬桿菌屬)，與動(dòng)物脂肪和蛋白質(zhì)長(zhǎng)期攝入相關(guān)；②P型腸內(nèi)型集群(普雷沃氏菌屬)，與糖類長(zhǎng)期攝入相關(guān)[12]。

1.3腸道菌群與代謝疾病有關(guān) 腸道菌群最早發(fā)現(xiàn)于肥胖代謝疾病的研究過程中。一項(xiàng)研究在小鼠進(jìn)食量無差異的前提下，分別觀察高脂喂養(yǎng)及低脂喂養(yǎng)的無菌、有菌小鼠的體重變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高脂喂養(yǎng)小鼠中無菌小鼠的體重增加顯著低于有菌小鼠，說明無菌小鼠缺乏腸道菌群，可以抵抗高脂飲食引起的肥胖，宿主能量代謝受腸道菌群的影響[13]。另有研究顯示，疣微菌門黏液素降解菌(akkermansia muciniphila，Akk)可能有益于改善體脂、空腹血糖、空腹胰島素、胰島素抵抗、瘦素水平、炎癥反應(yīng)和腸道通透性，這說明腸道菌群可能與代謝疾病有關(guān)[9]。

2 腸道菌群導(dǎo)致飲食肥胖的機(jī)制

2.1能量攝取與吸收 短鏈脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)是纖維素通過體內(nèi)腸道菌群發(fā)酵產(chǎn)生的非酯化脂肪酸，其中，乙酸、丙酸和丁酸占比較大，占總量的95%。腸道菌群產(chǎn)生后，SCFAs首先被腸上皮細(xì)胞使用，丁酸可調(diào)節(jié)腸上皮細(xì)胞的細(xì)胞周期中各個(gè)環(huán)節(jié)，通過促進(jìn)腸道分泌抗菌肽改善腸保護(hù)屏障，也是腸上皮能量來源的一部分；同時(shí)，SCFAs還可通過血液進(jìn)入肝臟、肌肉調(diào)節(jié)全身能量代謝，且肥胖個(gè)體厚壁細(xì)菌增加(大部分厚壁菌為產(chǎn)丁酸菌)，可使宿主從飲食中攝取能量的能力增加[14]。Turnbaugh等[8]研究顯示，相同食物喂養(yǎng)下肥胖小鼠糞便中剩余能量更少，即吸收的能量更多。

2.2腸道內(nèi)分泌系統(tǒng)調(diào)節(jié) Akk菌被稱為“減肥細(xì)菌”，屬于腸道細(xì)菌，占腸道菌群的3%～5%，Akk菌可以改變機(jī)體某些部位處理脂肪的模式、調(diào)節(jié)腸道內(nèi)黏液厚度、維持腸道屏障完整性、減少糖類吸收從而達(dá)到減肥的目的，如Akk菌可促進(jìn)某些腸肽釋放(如胰高血糖素樣肽從L細(xì)胞的釋放)從而降低血糖、改善糖尿病及肥胖[15]。另一項(xiàng)研究在非酯化脂肪酸受體2敲除小鼠的結(jié)腸內(nèi)注入300 μL的0.9%氯化鈉溶液或180 mmol/L的丙酸，結(jié)果顯示與輸注0.9%氯化鈉溶液相比，輸注丙酸使門靜脈厭食性腸激素肽YY和胰高血糖素樣肽1(glucagon-like peptide 1，GLP-1)在血漿中的濃度分別升高1.3倍和1.6倍[16]。

2.3腸道通透性與全身及腦部炎癥 研究顯示，2-花生四烯醇能降低代謝內(nèi)毒素血癥和全身炎癥，而2-棕櫚酸甘油則能增強(qiáng)2-花生四烯醇的抗炎作用[16]。相反，Akk菌可通過增加2-花生四烯醇、2-棕櫚酸甘油改善肥胖飲食誘導(dǎo)的結(jié)腸黏膜屏障功能障礙。Bruce-Keller等[17]在正常飲食條件下對(duì)成年雄性小鼠進(jìn)行細(xì)菌耗竭、移植實(shí)驗(yàn)，然后重新植入高脂肪飲食或?qū)φ诊嬍澄桂B(yǎng)小鼠來源的腸道菌群，經(jīng)過全面的行為和生化分析后發(fā)現(xiàn)來自高脂肪飲食的腸道細(xì)菌增加了小鼠腸道通透性和全身炎癥。而Braniste等[18]發(fā)現(xiàn)，暴露于無病原體腸道菌群的無菌成年小鼠的緊密連接蛋白Occludin和claudin-5的表達(dá)增加，血腦屏障通透性降低，說明腸道菌群與腦部炎癥相關(guān)。

2.4腸道菌群和神經(jīng)系統(tǒng)的基因表達(dá) 腸道菌群可以通過體液、細(xì)胞和神經(jīng)通路誘發(fā)全身性炎癥和中樞性炎癥，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中的小膠質(zhì)細(xì)胞是大腦中的免疫細(xì)胞，快速感知神經(jīng)障礙并在損傷中被激活，活化的小膠質(zhì)細(xì)胞在數(shù)量和形態(tài)上有明顯的變化并遷移到損傷部位以執(zhí)行多種功能，如對(duì)壞死細(xì)胞的吞噬作用、增加促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生等。小膠質(zhì)細(xì)胞部分表面分子在成熟過程中受到強(qiáng)烈的發(fā)育調(diào)控，并且呈下降趨勢(shì)，在無菌條件下，這些表面分子及平均熒光強(qiáng)度均增加，而小膠質(zhì)細(xì)胞活化分子未受到調(diào)節(jié)，說明無菌小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞具有不成熟的表型，且腸道菌群在小膠質(zhì)細(xì)胞的成熟和形成穩(wěn)定狀態(tài)非常重要[19]。未成熟或畸形小膠質(zhì)細(xì)胞表現(xiàn)為樹突長(zhǎng)度大，段數(shù)、分支點(diǎn)和終端點(diǎn)多，細(xì)胞的體積增加。為了進(jìn)一步證實(shí)腸道菌群有助于小膠質(zhì)細(xì)胞成熟，Erny等[19]將小鼠分為3組：無菌組、特定菌群組(接種僅含3種特定腸道菌群的無菌小鼠)、無特定病原體組(接種復(fù)合腸道菌群的無菌小鼠)，研究發(fā)現(xiàn)特定菌群組小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞完全成熟，當(dāng)該組小鼠與無特定病原體組小鼠合籠6 周后小膠質(zhì)細(xì)胞表現(xiàn)更為成熟，說明有限的宿主腸道菌群不足以誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞成熟，移植復(fù)合菌群可部分恢復(fù)小膠質(zhì)細(xì)胞的功能。此外，用SCFAs處理的無菌小鼠中小膠質(zhì)細(xì)胞的成熟程度接近特定菌群小鼠，非酯化脂肪酸受體2敲除后無特定病原體小鼠中的小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量與野生型小鼠相似，但小膠質(zhì)細(xì)胞顯示未成熟類型，提示SCFAs通過G蛋白偶聯(lián)受體-43將無菌小鼠的非成熟表型神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒毂硇蚚20]。

迷走神經(jīng)傳入神經(jīng)元遠(yuǎn)端位于腸黏膜中，它將信息傳遞到大腦，在脂多糖的影響下調(diào)節(jié)食物攝入。一項(xiàng)研究通過外科手術(shù)植入滲透泵，將恒定的、低劑量的脂多糖注入大鼠腹腔內(nèi)12.5 μg/(kg·h)共6周，結(jié)果表明脂多糖可以減少瘦素誘導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3基因磷酸化并減少迷走神經(jīng)傳入瘦素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，盡管下丘腦瘦素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)不變，但這些發(fā)現(xiàn)提供了一種可能的機(jī)制，通過這種機(jī)制，腸道菌群的變化可以促進(jìn)食欲，最終可導(dǎo)致肥胖[21]。由此可解釋患有肥胖和2型糖尿病的患者會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)自主神經(jīng)功能紊亂和迷走神經(jīng)活動(dòng)減少的癥狀。

肥胖相關(guān)的菌群可抑制下丘腦飽食感因子阿黑皮素原的表達(dá)，促進(jìn)下丘腦饑餓感因子刺豚鼠基因相關(guān)蛋白和神經(jīng)肽Y因子的表達(dá)[10]。人結(jié)直腸胰癌細(xì)胞H716衍生自低分化的盲腸腺癌，屬于人GLP-1分泌細(xì)胞系，能夠在脂肪酸、糖蛋白、膽堿能激動(dòng)劑、蛋白激酶A和蛋白激酶C及激活劑的刺激下分泌GLP-1。Yadav等[22]研究證實(shí)，使用丁酸培養(yǎng) NCI-H716細(xì)胞檢測(cè)到活性GLP-1水平和基因表達(dá)水平明顯升高。

根據(jù)上述研究結(jié)論得知，腸道菌群可通過上述機(jī)制增加宿主吸收能量的能力、影響高脂飲食下人和動(dòng)物的能量代謝平衡，但是確切途徑尚不清楚。腸道菌群的代謝產(chǎn)物丙酸可通過非酯化脂肪酸受體2刺激小鼠GLP-1和門靜脈厭食性腸激素肽YY的分泌調(diào)節(jié)內(nèi)分泌系統(tǒng)，并且腸道菌群通過其代謝物增加腸道通透性、腦部及全身性炎癥，通過多種途徑引發(fā)中樞炎癥，引起中樞小膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)、功能改變以及代謝相關(guān)基因表達(dá)異常，也可減弱迷走神經(jīng)信號(hào)增加炎癥和代謝并發(fā)癥，最終導(dǎo)致攝食及能量代謝改變。

3 靶向腸道菌群治療肥胖

隨著對(duì)腸道菌群的深入了解，人們開始探討靶向腸道菌群治療肥胖的方法，目前存在5種治療方法：益生菌、益生元和其他膳食成分、藥物、手術(shù)和糞便移植[4]。

3.1益生菌 在一項(xiàng)納入14項(xiàng)超重人群使用乳酸菌治療的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)中，通過觀察體重、體質(zhì)指數(shù)、腹圍和脂肪量等指標(biāo)的變化發(fā)現(xiàn)，9項(xiàng)研究提示體重或體脂出現(xiàn)減少，2項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)體重增加，進(jìn)一步說明超重人群中乳酸菌對(duì)體重和體脂的影響可能存在應(yīng)變差異[23]。一項(xiàng)研究通過分離腸系膜神經(jīng)束，記錄傳入神經(jīng)纖維束多單元細(xì)胞外軌跡，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，益生菌鼠李糖乳桿菌組腸系膜傳入神經(jīng)纖維束基礎(chǔ)放電頻率瞬時(shí)增加，提示其可能避免肥胖發(fā)生[24]。益生菌合劑(VSL#3)含有8種高濃度活細(xì)菌(含有1種嗜熱鏈球菌，3種雙歧桿菌菌株和4種乳酸菌菌株)，不含腸球菌，并且已通過臨床研究證實(shí)其有效性和安全性[25]。益生菌合劑(VSL#3)可改變小鼠飼養(yǎng)調(diào)節(jié)基因的表達(dá)水平，并提高丁酸和GLP-1的水平。

3.2益生元及其他膳食成分 多種益生菌菌株可降低非酒精性脂肪性肝病患者的體質(zhì)指數(shù)、促進(jìn)GLP-1分泌、改善肝臟脂肪變性[25]。脂多糖亦可稱為內(nèi)毒素，是細(xì)菌壁成分，入血可引發(fā)炎癥進(jìn)而造成胰島素抵抗和肥胖等代謝紊亂。一項(xiàng)對(duì)30例肥胖女性的研究隨機(jī)給予菊粉型果聚糖或安慰劑口服治療3個(gè)月后發(fā)現(xiàn)，服用益生元的肥胖患者中雙歧桿菌和乳酸桿菌的豐度相應(yīng)增加，脂肪產(chǎn)生顯著減少，血液脂多糖水平顯著降低[26]。

3.3藥物 利拉魯肽能抑制肝臟生成葡萄糖，減少脂肪沉積于肝臟和脂肪組織，并促進(jìn)骨骼肌進(jìn)行脂肪酸β氧化，對(duì)腸道微生物區(qū)系的豐度和多樣性有顯著影響，減少了肥胖相關(guān)腸菌表型，增加了瘦型相關(guān)的腸菌表型。利拉魯肽通過調(diào)節(jié)腸道微生物群的結(jié)構(gòu)而降低體重，獨(dú)立于血糖狀態(tài)[27]。利拉魯肽改變了治療組的總組成和體重相關(guān)系統(tǒng)類型的相對(duì)豐度，如增加了Akk菌的豐度[28]。Akk菌在飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠腸道內(nèi)可改善宿主的葡萄糖穩(wěn)態(tài)，增加Akk菌的豐度可降低腸道通透性[29]。Shin等[29]研究發(fā)現(xiàn)，Akk菌的相對(duì)豐度隨著二甲雙胍對(duì)小鼠肥胖的緩解作用增強(qiáng)而增加，提示腸道微生物區(qū)系的調(diào)節(jié)可能是二甲雙胍抗糖尿病的作用機(jī)制之一。

3.4手術(shù) Roux-en-Y胃旁路手術(shù)(Roux-en-Y Gastric Bypass，RYGB)是治療嚴(yán)重肥胖的有效方法之一。益處包括體重顯著減輕、改善或緩解2型糖尿病或其他與肥胖相關(guān)的合并癥。Liou等[30]將飲食誘導(dǎo)的肥胖RYGB小鼠、假手術(shù)組體重控制匹配小鼠和假手術(shù)組小鼠的盲腸內(nèi)容物分別移植至無菌組觀察14 d，結(jié)果表明，將RYGB術(shù)后的飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠的盲腸內(nèi)容物移植至無菌小鼠可使后者體重和體脂減少。Palleja等[31]對(duì)RYGB術(shù)后的肥胖患者的研究中發(fā)現(xiàn)在減肥和代謝改善的同時(shí)，腸道微生物多樣性在RYGB后的前3個(gè)月內(nèi)增加，并在1年后保持在較高水平，且腸道微生物區(qū)系呈現(xiàn)出多樣性增加、成分改變等特點(diǎn)。

3.5糞便菌群移植 近年來，出現(xiàn)了許多創(chuàng)新性腸道菌群干預(yù)方法，以糞便菌群移植為代表。糞便微生物菌群移植主要是在肥胖、2型糖尿病或其他患者腸道內(nèi)植入代謝健康供體的糞便菌群，取代紊亂的腸道菌群以達(dá)到治療目的。糞便菌群移植在臨床上主要作為炎癥性腸病的治療方法，Vrieze等[32]研究發(fā)現(xiàn)，糞便菌群移植同樣可以調(diào)節(jié)代謝，將瘦型供體的糞便菌群或供體自體的糞便菌群移植到代謝綜合征患者的腸道中發(fā)現(xiàn)，移植瘦型供體的糞便菌群后，真桿菌、小腸羅氏菌等產(chǎn)丁酸菌豐度升高，且胰島素敏感性明顯增加。

4 小 結(jié)

在過去的10年中，越來越多的證據(jù)表明腸道微生物群、下丘腦和肥胖之間存在聯(lián)系[14,15,22]。腸道微生物通過內(nèi)分泌、免疫和神經(jīng)系統(tǒng)造成肥胖，可能的發(fā)生機(jī)制是高脂飲食改變了胃腸道中定植的菌群的組成和功能，增加了能量的攝入并增加了肥胖短鏈脂肪酸的產(chǎn)生。某些腸道菌群還可通過增加腸道通透性、全身性炎癥反應(yīng)、活化神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞間接影響下丘腦基因表達(dá)和迷走神經(jīng)活動(dòng)而過度飲食導(dǎo)致肥胖癥的發(fā)生。近年來，通過靶向腸道菌群實(shí)現(xiàn)對(duì)肥胖癥干預(yù)的治療應(yīng)運(yùn)而生，包括益生菌、益生元、藥物、手術(shù)和糞便移植。目前，高脂飲食下腸道菌群導(dǎo)致肥胖的機(jī)制仍需進(jìn)一步研究，但通過腸道菌群來治療和預(yù)防代謝性疾病不久將會(huì)被實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)ふ业礁咝А⒏憬莸姆逝指深A(yù)措施。