糖尿病患者口腔細菌多樣性的變化

易祖木 王昕宇 伍穎穎

1.口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心四川大學華西口腔醫(yī)學院 成都 610041；

2.口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心四川大學華西口腔醫(yī)院種植科 成都 610041

糖尿病（diabetes mellitus，DM）是一種糖代謝紊亂的代謝性疾病，表現(xiàn)為高血糖和代謝紊亂。如果病情控制不好，可能會引起嚴重的并發(fā)癥，包括損傷、功能障礙和多器官衰竭等[1]。糖尿病與全身健康息息相關(guān)?？谇患膊∨c糖尿病之間存在密切的雙向關(guān)系。研究[2]發(fā)現(xiàn)，影響牙齒支撐結(jié)構(gòu)的局部牙周感染可通過將口腔致病細菌傳播到其他器官，促進全身炎癥狀態(tài)，增加糖尿病的患病風險。炎癥性牙周組織可能是內(nèi)分泌樣炎癥介質(zhì)的來源，從而導致胰島素抵抗增加[3]。已有多項研究[4-6]證實，糖尿病是牙周炎的主要危險因素之一。與慢性高血糖狀態(tài)相關(guān)的晚期糖基化終產(chǎn)物水平的增加，細菌細胞成分和產(chǎn)物（如脂多糖、內(nèi)毒素等）等多種因素會加重宿主細胞的炎癥反應，可能是導致糖尿病患者出現(xiàn)牙周炎的重要原因[7-8]。

口腔菌群是指在口腔中發(fā)現(xiàn)的微生物，是僅次于腸道的人類第二大微生物群落，主要定植在牙齒等硬組織和口腔黏膜等軟組織上[9]。迄今為止，人類口腔中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有700多種細菌，約有一半的細菌尚未命名，約1/3的細菌尚不能培養(yǎng)[10]。口腔表面覆蓋了大量的細菌，形成了細菌生物膜[11]。細菌生物膜在維持口腔穩(wěn)態(tài)，保護口腔和預防疾病發(fā)展中起到重要的作用?？谇痪荷鷳B(tài)平衡失調(diào)會引起一系列諸如齲齒、牙周炎、顱面骨骨髓炎等口腔感染性疾病[12]。致病菌密度增加，可導致其表面分子如脂多糖在宿主微環(huán)境的濃度增加，刺激炎癥介質(zhì)和細胞因子的產(chǎn)生，激活了大量有害的免疫反應，促進了諸如基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）等物質(zhì)的釋放[13]。MMP等物質(zhì)會參與細胞外基質(zhì)重構(gòu)和骨破壞過程，導致牙周炎產(chǎn)生[14-15]。

牙周病的始動因素是細菌。菌群的失調(diào)對健康和疾病有著重要的影響，影響包括牙周病在內(nèi)的多種病理過程[16]?？谇皇沁M入消化道和呼吸道的起始點，口腔菌群失調(diào)已成為許多菌群相關(guān)全身感染的主要原因之一[17-19]。糖尿病作為牙周病的主要危險因素之一，能否通過影響人體口腔細菌多樣性來影響牙周病的發(fā)生發(fā)展引發(fā)了廣泛的關(guān)注。實際上，在糖尿病患者中，已經(jīng)觀察到腸道菌群的分類和功能組成發(fā)生改變。一項對2型糖尿病患者腸道微生物分析的研究[20]發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病患者的特征是出現(xiàn)中度的細菌菌群失調(diào)，一些普遍產(chǎn)生丁酸鹽的細菌豐度下降，而各種機會致病菌的豐度增加。然而，關(guān)于糖尿病對于口腔細菌多樣性的影響目前還沒有定論。因此，本文綜述了近年來糖尿病對口腔細菌多樣性變化影響的研究進展，希望能為今后的疾病預防和治療提供依據(jù)。

1 糖尿病與口腔細菌多樣性

1.1 糖尿病對口腔細菌多樣性的影響

糖尿病對口腔菌群的影響這一問題已經(jīng)爭論了許多年，迄今為止依舊沒有定論。這個問題最早在20世紀80年代提出，當時的研究者[21]認為，糖尿病患者齦溝液中葡萄糖水平的升高可能會有利于某些特定細菌的生長，從而改變口腔細菌多樣性。此外，炎癥反應是連接糖尿病和牙周病的關(guān)鍵一環(huán)。一方面，伴有炎癥的全身性疾?。ㄈ缣悄虿。└菀滓鹧乐苎譡22]；另一方面，炎癥是這些全身性疾病的危險因素。牙周病相關(guān)細菌（如牙齦卟啉單胞菌）需要炎癥環(huán)境來提供關(guān)鍵的營養(yǎng)物質(zhì)，包括肽和血紅素衍生鐵在內(nèi)的組織分解產(chǎn)物[23]?？谇患毦赡苡兄谘乐懿『吞悄虿≈g的雙向關(guān)系[24]。

目前對糖尿病導致的口腔細菌多樣性變化已有較多研究，其中提及較多的是牙齦卟啉單胞菌（Porphyromonas gingivalis）。在牙周病疾病模型——多微生物協(xié)同作用和生物失調(diào)（polymicrobial synergy and dysbiosis，PSD）模型中，牙齦卟啉單胞菌是關(guān)鍵病原體之一，能通過與輔助病原體的互動交流，提高整個菌群的毒力[25]。Babaev等[26]發(fā)現(xiàn)，糖尿病與健康受試者的齦下菌群存在數(shù)量上的差異，尤其在牙周炎患者中，2型糖尿病的存在與牙齦卟啉單胞菌顯著增多有關(guān)。這種變化可能與血糖控制情況相關(guān)。Aoyama等[27]的研究發(fā)現(xiàn)，在血糖控制較差，即實驗室檢查糖化血紅蛋白A1c（hemoglobin A1c，HbA1c）>7%的患者中，牙齦卟啉單胞菌的含量明顯增加，這與Aemaimanan等[28]的研究結(jié)果類似。糖尿病患者口腔中牙齦卟啉單胞菌含量的升高，會促使炎癥細胞釋放大量的炎癥介質(zhì)[如白細胞介素（interleukin，IL）-1β、IL-6、IL-8和腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等]及相關(guān)的酶類（如MMP），從而促進牙周炎的發(fā)生發(fā)展。在PSD模型提出之前，牙齦卟啉單胞菌與福賽斯坦納菌（Tannerella forsythus）及齒垢密螺旋體（Treponema denticola）并稱為紅色復合體[29]，與牙周炎密切相關(guān)。已有不少研究[26-28]檢測了糖尿病患者口中紅色復合體的變化，結(jié)果顯示牙齦卟啉單胞菌數(shù)量變化最為明顯，福賽斯坦納菌和齒垢密螺旋體的數(shù)量也有所增加，這種變化似乎也與糖尿病對炎癥細胞的影響相關(guān)。然而，也有研究顯示出不同的結(jié)果。Ebersole等[30]與Casarin等[31]利用定量聚合酶鏈式反應法對糖尿病和非糖尿病患者口中菌群進行測序研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者口腔中牙齦卟啉單胞菌的數(shù)量并沒有明顯差異。da Cruz等[32]的研究顯示，糖尿病患者口中福賽斯坦納菌處于低水平的狀態(tài)；但作者認為出現(xiàn)這樣的結(jié)果可能與樣本量過小或與其實驗處理方式有關(guān)，對該結(jié)果應該謹慎考慮。

雖然有較多文獻報道了糖尿病所導致的其他口腔細菌的變化，但大部分研究僅僅只是檢測到了細菌的變化，而很少討論糖尿病與細菌變化之間的關(guān)系。關(guān)于糖尿病患者口中具核梭桿菌的變化已有較多的報道。在糖尿病患者的病變部位觀察到的具核梭桿菌比例高于非糖尿病患者[31,33]。有研究[34]證實，具核梭桿菌會促進體內(nèi)TNF-α的釋放，從而參與糖尿病和牙周炎的相互作用過程。具核梭桿菌能通過產(chǎn)生毒力因子、黏附于宿主分子并侵入宿主細胞等方式參與牙周炎的發(fā)生發(fā)展。由于該菌具有與其他可疑牙周致病菌聚集的能力，所以可同時在早期和晚期細菌生物膜形成的過程中充當橋梁的作用[35]。在Joaquim等[34]的研究中強調(diào)了性別在具核梭桿菌含量變化中的作用。該學者檢驗了糖尿病和非糖尿病患者的口腔細菌，除了女性糖尿病患者口腔具核梭桿菌數(shù)量增加外，并未發(fā)現(xiàn)其他口腔菌群存在差異。性別對口腔菌群影響的潛在機制包括遺傳、免疫及激素決定因素等，針對病原體的免疫反應可能受到性激素和X染色體編碼基因差異表達的影響，從而導致不同性別的糖尿病患者口腔中具核梭桿菌數(shù)量變化存在差異[36-37]。但Field等[38]的研究顯示，糖尿病對具核梭桿菌的數(shù)量并沒有明顯影響。還有研究[30,39]發(fā)現(xiàn)，二氧化碳噬纖維菌屬（Capnocytophaga）和伴放線聚集桿菌（Aggregatibacter actinomycete-mcomitans）會因糖尿病的存在而豐度提高。二氧化碳噬纖維菌屬是一種解糖生物，當其生長在高糖環(huán)境中時，其中一些的數(shù)量會增加，表現(xiàn)出高蛋白水解潛能[40]。此外，有研究[41]顯示，患有糖尿病的患者體內(nèi)針對二氧化碳噬纖維菌屬特異性抗原的抗體IgG會減少，這可能是該菌在糖尿病患者口腔中升高的原因之一。韋榮菌屬（Veillonella）、鏈球菌屬（Streptococcus）和奈瑟菌屬（Neisseria）在糖尿病患者口中豐度也顯著增加。有趣的是，這3種細菌在以往的研究[42-43]中被認為在健康人群口腔中廣泛存在，而隨著牙周病的發(fā)生其豐度逐漸下降。這些細菌在糖尿病患者口腔中數(shù)量的增加可能與糖尿病患者血清和齦溝液中葡萄糖含量增加，刺激了細菌的選擇性生長，促進兼性厭氧革蘭陽性發(fā)酵細菌的存活有關(guān)[31]。

在糖尿病患者口腔中，某些特異性細菌豐度提高的同時，也伴隨著另外一些細菌數(shù)量的減少，如嗜血桿菌和雙歧桿菌，這可能與優(yōu)勢菌種的存在有關(guān)[44-45]。有研究[46]發(fā)現(xiàn)，內(nèi)氏放線菌在糖尿病患者口腔中含量下降。該菌被認為是與健康相關(guān)的內(nèi)在控制菌種，具有高度的尿素酶活性，可能在調(diào)節(jié)牙菌斑酸堿平衡中起到重要作用[47-48]。目前相關(guān)研究大多只報道了數(shù)量減少的細菌種類，但是較少涉及其中的機制及可能的影響，需要更多研究進行探討。

雖然很多研究都發(fā)現(xiàn)糖尿病和非糖尿病患者的口腔菌群有差異，但也有許多研究者在實驗中發(fā)現(xiàn)二者口腔菌群的差異并不明顯。Taylor等[21]對糖尿病患者口腔細菌進行檢查，發(fā)現(xiàn)糖尿病的存在對牙周菌群的組成沒有顯著影響；此外，糖尿病患者的血糖控制水平也不會明顯影響其齦下生物膜的組成。這種現(xiàn)象也在其他研究[49-51]中被提及。糖尿病對紅色復合體的影響也存在爭議。在一些研究中，糖尿病患者口腔中紅色復合體的數(shù)量較非糖尿病患者并無明顯的變化[52-53]。同樣，也有研究[38,54-55]認為伴放線聚集桿菌和具核梭桿菌的含量不受糖尿病的影響。

由此可見，目前關(guān)于糖尿病對口腔細菌多樣性影響這一問題已進行了許多研究，然而結(jié)果并不一致。這可能與所使用的技術(shù)、標準化方法、樣本的差異（如樣本量大小、血糖控制水平和臨床特征的差異）等不同有關(guān)。Tam等[56]發(fā)現(xiàn)，口腔細菌與血糖水平之間的關(guān)系不能用橫斷面或縱向方法復制。通過進一步的對比研究，他們注意到多項關(guān)于糖尿病對口腔細菌多樣性影響的研究都沒有將體重視為潛在的混雜因素，而他們的研究則證實，體重與口腔細菌多樣性變化有關(guān)。此外，性別也是可能的影響因素[34]。其他混雜因素的存在都有可能解釋不同研究出現(xiàn)的相反的結(jié)果。這些混雜因素包括：1）血糖升高程度、病程和藥物治療；2）技術(shù)上的限制，如受到基于16S rDNA的微生物圖譜的局限性的影響，在這些16S區(qū)域，物種識別取決于那些可變區(qū)域的進化多樣化程度，而其他基因組區(qū)域可能對這種物種形成提供更多信息[57]；3）有限的縱向研究等。

1.2 糖尿病影響口腔菌群的可能機制

1.2.1 葡萄糖水平改變 齦溝液中葡萄糖的濃度與血清中葡萄糖濃度有關(guān)，高血糖可改變口腔環(huán)境（如唾液和齦溝液），以損害某些細菌為代價促進其他細菌的生長[58-59]。糖尿病齦溝內(nèi)基質(zhì)的改變可能會提供有利于某些細菌生長的微環(huán)境[60]。齦下微生物的營養(yǎng)主要依賴于齦溝液、脫落上皮和微生物產(chǎn)物，這些營養(yǎng)物質(zhì)不受葡萄糖水平升高的影響，因此，血糖控制較差（HbA1c≥8%）的糖尿病患者齦溝液中的高糖水平是齦下微生物碳水化合物的額外來源[61]。碳水化合物可導致產(chǎn)酸和耐酸物種的過度生長（如鏈球菌、韋榮菌等），減少細菌多樣性。葡萄糖發(fā)酵分解物（如乳酸鹽、琥珀酸鹽）可作為牙齒齦下部位復雜微生物食物鏈中其他細菌的底物。糖尿病會影響口腔菌群的代謝，導致細菌多樣性喪失。研究[61]發(fā)現(xiàn)，韋榮菌屬和普雷沃菌屬的成員能利用葡萄糖或其副產(chǎn)品產(chǎn)生羧酸，如乙酸、琥珀酸和丙酸。細胞外琥珀酸鹽在加劇炎癥過程中起作用；此外，組蛋白琥珀?；鸵宜猁}琥珀酰化、乙?；瘯绊懟虮磉_和DNA修復，并在包括糖尿病在內(nèi)的多種疾病中參與應激反應[62-63]。因此，唾液和齦溝液中葡萄糖水平改變可能導致與齲病、牙周病相關(guān)的細菌在唾液、齦上和齦下生物膜中的數(shù)量增加。

1.2.2 炎癥及炎癥因子 炎癥反應是連接糖尿病和牙周病的關(guān)鍵一環(huán)。糖尿病患者存在中性粒細胞、單核細胞、巨噬細胞等炎癥細胞功能障礙，中性粒細胞的趨化性、黏附性和吞噬作用也受到損害[64]。宿主對牙周病原菌的防御缺陷可促進細菌在牙周袋內(nèi)的存留。有研究[65]顯示，糖尿病與齦下菌群的大量改變沒有明顯的聯(lián)系，但會導致少數(shù)物種（包括關(guān)鍵病原體，即那些啟動級聯(lián)反應導致疾病的物種）豐度的輕微變化。這些關(guān)鍵病原體低水平的定植即可損害宿主的先天免疫，導致口腔協(xié)同致病菌數(shù)量增加，宿主的炎癥反應增強。因為炎癥反應的滲出物是菌群豐富的營養(yǎng)來源，所以炎癥環(huán)境有利于細菌的進一步生長[66-67]。炎癥反應可以進一步改變口腔菌群的組成，那些能夠更好地利用這種環(huán)境變化的細菌（如蛋白水解和非糖水解微生物）會從中獲益。這些變化會導致更強的炎癥和骨吸收，使細菌的生態(tài)位空間增加，即出現(xiàn)更深的牙周袋。

研究[68-69]發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者血糖控制較差（HbA1c>8%）與其炎癥因子水平升高有相關(guān)性。這些患者會出現(xiàn)IL-1β、IL-17、核因子κB受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）表達水平升高，同時抗炎細胞因子（如IL-4）表達水平下降。Xiao等[70]發(fā)現(xiàn)，糖尿病會降低患者口腔菌群多樣性。將糖尿病小鼠的口腔細菌轉(zhuǎn)移至無菌糖尿病小鼠，會導致其口腔菌群致病性更強，進一步研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病增強的IL-17在這一過程中發(fā)揮了重要的作用。糖尿病引起的慢性炎癥會導致菌群失調(diào)，從而增加其致病性；而抑制IL-17可以減輕炎癥反應，影響微生物的生長或定植。

炎癥因子對糖尿病的進展具有誘導作用。關(guān)鍵致病菌（如牙齦卟啉單胞菌）的脂多糖和菌毛會促使炎癥細胞釋放大量的炎癥介質(zhì)（如IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α等）及相關(guān)的酶類（如MMP等），使得牙周炎癥逐漸惡化成全身性炎癥，從而加劇糖尿病患者的胰島素抵抗，使得血糖更加難以控制（表現(xiàn)為糖化血紅蛋白水平升高）[71]。糖尿病患者口腔內(nèi)炎癥因子水平升高可導致口腔菌群失調(diào)，促進了牙周炎的發(fā)生發(fā)展，而這一變化反過來又誘導了糖尿病的進展。這進一步解釋了糖尿病和牙周疾病的雙向關(guān)系，而且細菌可能在其中扮演著重要的角色。

1.2.3 其他可能的原因 糖尿病對口腔細菌多樣性產(chǎn)生影響還可能與以下原因有關(guān)。1）口干癥狀。糖尿病患者的唾液流速降低，很容易出現(xiàn)口干癥狀[72]?？诟煽蓪е录毦鄻有詼p少[73]。2）口腔環(huán)境酸化。高血糖可能導致口腔酸度升高，擾亂口腔菌群[54]。3）免疫功能下降，可能會導致糖尿病患者口腔內(nèi)益生菌數(shù)量減少，致病性細菌數(shù)量增加[16]。4）糖尿病導致口腔中氧化還原電位、溫度、營養(yǎng)物質(zhì)的有效性和濃度等發(fā)生改變，影響細菌的生長和發(fā)育[74]。

2 總結(jié)

口腔菌群與人類健康息息相關(guān)。口腔菌群生態(tài)平衡失調(diào)，會引起一系列的口腔感染性疾病，同時也會影響全身性疾病的發(fā)生發(fā)展。鑒于口腔菌群在人類疾病發(fā)生發(fā)展中的重要作用，探究其與人類疾病的相互影響具有十分重要的意義。人們已經(jīng)對糖尿病患者口腔細菌的多樣性進行了大量的研究，然而各種研究結(jié)果并不一致。有的學者認為，由于糖尿病會導致口腔環(huán)境發(fā)生改變，勢必會影響口腔細菌多樣性的變化，表現(xiàn)為細菌的種類或數(shù)量與非糖尿病患者存在明顯差異。目前多數(shù)學者[26-27,34-35]認為，細菌可能是糖尿病和牙周疾病相互作用的關(guān)鍵一環(huán)。一方面，糖尿病所致的葡萄糖水平的改變影響了牙周細菌的組成；另一方面，糖尿病通過各種機制影響了炎癥細胞的功能，使得細菌易于定植于牙齦中，而細菌促進了各種炎癥細胞釋放炎癥介質(zhì)，增加了某些酶類的表達，導致局部炎癥惡化為全身性炎癥反應，使得血糖水平難以控制。目前需要更多的研究來深入探討糖尿病和口腔疾病的相互作用及其與口腔菌群的聯(lián)系。

然而，也有較多研究[21,49,52,54]認為糖尿病患者口腔細菌多樣性與非糖尿病患者的差異并不明顯，沒有令人信服的證據(jù)表明糖尿病對口腔細菌多樣性有顯著影響。因此，目前仍需要進行涉及相關(guān)問題的大樣本研究，這些研究可能會幫助人們得到一致的結(jié)果。隨著測序技術(shù)的發(fā)展，新一代的測序技術(shù)將提供更精準的結(jié)果。如全基因組測序具有更高的分辨率，能夠?qū)π蛄羞M行更具體的分類。隨著對糖尿病與口腔細菌多樣性關(guān)系了解的進一步加深，將會有助于人們進一步認識口腔菌群在口腔疾病與全身疾病雙向關(guān)系中的作用，從而更好地把握口腔疾病與全身性疾病的關(guān)系，進行更加精準的治療。通過進一步分析糖尿病對細菌影響的機制，有助于識別不同的生物標志物，并為臨床實踐中的靶向治療和個性化藥物治療提供理論基礎(chǔ)。