腸道菌群調(diào)控2型糖尿病發(fā)生發(fā)展的研究進(jìn)展

郭麗璇 胡瓊英 熊大遷

1成都中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院（成都610075）；2成都中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院檢驗(yàn)科（成都610072）

2型糖尿病（Type 2 diabetes mellitus，T2DM）主要由外周組織胰島素抵抗或胰島β細(xì)胞胰島素分泌功能缺陷導(dǎo)致，以慢性高血糖為特征的慢性代謝性疾病，與腸道菌群密切相關(guān)［1］。腸道菌群是人體腸道微生態(tài)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)組成、能量代謝等均可影響2型糖尿病的發(fā)生發(fā)展及預(yù)后［2］。已有文獻(xiàn)表明T2DM患者的腸道細(xì)菌組成與T2DM的低度炎癥［3］、空腹血糖濃度及胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)［4］密切相關(guān)。另有研究顯示，2型糖尿病患者的腸道菌群含有大量革蘭氏陰性菌，產(chǎn)生內(nèi)毒素并被機(jī)體吸收，形成“代謝性內(nèi)毒素血癥”［5］。本文擬對腸道菌群的組成和代謝與2型糖尿病的相關(guān)研究進(jìn)行綜述，探討二者之間的聯(lián)系及相關(guān)機(jī)制。

1 腸道菌群與機(jī)體的關(guān)系

1.1 正常人體腸道菌群與機(jī)體平衡 腸道菌群是寄居在人體腸道中的微生物群，目前研究顯示，其種類超過1 000種，數(shù)量達(dá)1 014，且絕大多數(shù)為厭氧菌，和人體細(xì)胞之間的比例約為1.3∶1［6］。目前人類糞便微生物組已鑒定約990萬個(gè)微生物基因，是一個(gè)龐大的結(jié)構(gòu)和功能系統(tǒng)［7］。腸道內(nèi)的微生物主要包括擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門和放線菌門，其他菌門還包括螺旋菌門、藍(lán)菌門、疣微菌門等，其中厚壁菌和擬桿菌的比例高達(dá)90%［8］。不同的腸道細(xì)菌與宿主的營養(yǎng)吸收和代謝息息相關(guān)，如厚壁菌主要與食物中熱量攝取有關(guān)，而擬桿菌與短鏈脂肪酸的形成相關(guān)，這些細(xì)菌的相關(guān)功能互相依存制約，形成生態(tài)平衡［9-10］。腸道菌群不僅在組成和功能上具有一定的穩(wěn)定性，當(dāng)平衡被干擾時(shí)還可以進(jìn)行“微生物恢復(fù)”［11］，如處于穩(wěn)態(tài)的腸道菌群對食品添加劑、外界的感染、抗生素治療或者劇烈飲食等干擾產(chǎn)生相對“抵抗力”以維持機(jī)體的內(nèi)穩(wěn)態(tài)［12］。另一方面，腸道菌群抵抗力與微生物群的多樣性密切相關(guān)（也是個(gè)體水平差異的來源），當(dāng)腸道微生態(tài)的抵抗力降低時(shí)可干擾腸道菌群的多樣性，可使其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生持久性變化，原始的生物群落無法“復(fù)原”，造成腸道菌群的生態(tài)失調(diào)，促使其達(dá)到一種新的具有更強(qiáng)恢復(fù)力的“病態(tài)平衡”，使T2DM等慢性病的易感性增加［13］。說明腸道菌群豐度變化在T2DM的發(fā)生發(fā)展中扮演著關(guān)鍵的角色。由此可見，無論在生理還是病理情況下，人體和腸道菌在腸道內(nèi)均形成了的一種相互平衡的微生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 腸道菌群代謝物與機(jī)體的關(guān)系 人類腸道微生物組基因數(shù)目龐大，與宿主基因有明顯的差異，且腸道共生菌能完成人體自身不能進(jìn)行的代謝活動(dòng)。腸道菌群可發(fā)酵膳食纖維等難消化的碳水化合物，產(chǎn)生重要的代謝物，如短鏈脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）和琥珀酸等。SCFA用于平衡腸道中的氧化還原狀態(tài)，通過結(jié)合G蛋白偶聯(lián)受體41（G?protein coupled receptor 41，GPR41）和GPR43抑制組蛋白脫乙酰酶活性來發(fā)揮作用［14］。SCFA主要包括乙酸，丙酸和丁酸，在腸道中的含量摩爾比分別為60∶20∶20，已證實(shí)SCFA對體重、葡萄糖穩(wěn)態(tài)和胰島素敏感性存在積極的調(diào)節(jié)作用［15-16］。

氨基酸代謝是與胰島素敏感性相關(guān)最為主要的代謝途徑，包括支鏈氨基酸（branched?chain amino acid，BCAA），芳香族氨基酸等代謝［17］。宿主的芳香族氨基酸和BCAA供應(yīng)主要由腸道微生物群完成。纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸等支鏈氨基酸可被細(xì)菌進(jìn)一步分解形成支鏈脂肪酸；苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸等芳香族氨基酸則進(jìn)一步被分解為酚類和吲哚類物質(zhì)，有利于合成人體中多種維生素如維生素K和部分B族維生素等。維生素K2通過維生素K依賴性蛋白骨鈣素、抗炎特性及降脂作用等提高胰島素敏感性，改善2型糖尿?。?8］；維生素B可通過miR21的甲基化影響T2DM代謝相關(guān)基因［19］。

2 腸道菌群與2型糖尿病的關(guān)系

2.1 腸道菌群相對豐度與2型糖尿病的關(guān)系T2DM患者腸道菌群的特征是中度微生物菌群失調(diào)，大量文獻(xiàn)顯示梭菌綱（Clostridiales）等產(chǎn)丁酸鹽的細(xì)菌豐度下降，擬桿菌（Bacteroidetes）、部分芽孢桿菌（Bacilli）和部分變形桿菌（Proteobacteria）為機(jī)會(huì)致病菌，在T2DM患者中的豐度增加，且微生物的氧化應(yīng)激抗性功能增強(qiáng)［20-22，24，33，53，55-58，61-62，70］。T2DM小鼠腸道中擬桿菌門和疣微菌門的豐度均減少，但厚壁菌、變形桿菌和還原硫酸鹽的脫硫桿菌門較正常對照均升高［23，49-52，54，59，60，63-65］。研究發(fā)現(xiàn)，在綱水平上，T2DM小鼠和人類T2DM患者的腸道菌群與正常對照菌群豐度變化明顯；其中，兩者擬桿菌綱、梭菌綱和β變形桿菌綱的豐度改變趨勢有明顯差異［20，23，24，49-58，60-63，65］。

近年來有研究對T2DM模型肥胖小鼠和非肥胖小鼠的腸道菌群進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，T2DM肥胖小鼠乳酸桿菌（Lactobacillus）豐度更高，其中蘇黎世菌（Turicibacter）屬和梭菌（Clostridiaceae）屬SMB53僅在T2DM小鼠中觀察到［22］。MansourSedighi等對T2DM人群和正常人群的糞便樣品中微生物組進(jìn)行分析，證實(shí)了T2DM患者的腸道菌群中具有高豐度的乳酸桿菌（Lactobacillus），而健康人群腸道菌群中雙歧桿菌（Bifidobacterium）相對豐度更高［24］。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)T2DM小鼠腸道中艾克曼菌（Akkermansiamuciniphila）增加有利于T2DM相關(guān)代謝改變以及癥狀改善［25］。這與之前研究發(fā)現(xiàn)正常人群中Akkermansiamuciniphila具有較高豐度的研究結(jié)果一致［26］。另有研究發(fā)現(xiàn)，相同基因型和相似飲食模式的小鼠因?yàn)槟c道菌群的差異出現(xiàn)不同的葡萄糖代謝情況，說明腸道菌群對T2DM相關(guān)代謝的影響至關(guān)重要［22］。

2.2 腸道菌群代謝物與2型糖尿病的關(guān)系（表1）

2.2.1 SCFA SCFA一般是由1～6個(gè)碳原子組成的有機(jī)酸，通過腸道微生物分解發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生，包括甲酸、乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸和戊酸［27］。乙酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽以腺苷一磷酸激活的蛋白激酶（Adenosine 5′?monophosphate?activated protein kinase，AMPK）依賴性方式下調(diào)過氧化物酶體增殖激活受體-γ調(diào)節(jié)肝臟脂質(zhì)并維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)，但SCFA激活A(yù)MPK的機(jī)制尚不清楚［28］。此外，有研究證實(shí)通過肝臟增加丙酸鹽通量可減少肝內(nèi)甘油三酯，維持肝臟和葡萄糖穩(wěn)態(tài)［29］。乙酸與脂肪細(xì)胞脂肪分解相關(guān)，可使肝臟中脂肪生成基因的轉(zhuǎn)錄物減少，腹肌中肌紅蛋白和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（glucose transporter type 4，Glut4）基因的轉(zhuǎn)錄物增加，故乙酸可以通過影響肝臟和肌肉中的脂質(zhì)代謝對抗肥胖相關(guān)T2DM［30］。游離脂肪酸受體2（free fat acid receptor 2，F(xiàn)FAR2）和FFAR3兩個(gè)SCFA受體是GPRs的亞類，在胰腺β細(xì)胞中共表達(dá)形成受體異聚體，異聚體可以通過CATPB和YM25489敏感機(jī)制誘導(dǎo)p38磷酸化［31］，激活細(xì)胞MKK3/P38/PRAK途徑改善飲食引起的胰島素抵抗和T2DM代謝異常，對臨床治療T2DM有重要意義［33，67］?？傊?，SCFA可協(xié)同作用機(jī)體各器官組織全面改善腸道菌群、肝臟和糖脂代謝的體內(nèi)平衡。

2.2.2 BCAA BCAA是指α碳上含有分支側(cè)鏈的氨基酸，屬于必需氨基酸，不僅是合成含氮化合物的底物，還通過調(diào)節(jié)PI3K?AKT?mTOR信號通路影響葡萄糖、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)合成及腸道免疫［38，39］。有學(xué)者對2 422例血糖正常受試者進(jìn)行隨訪，測定了12年后（有人發(fā)展成為糖尿病有人血糖正常）他們的血清代謝物譜，分析出前五位的血清差異代謝物為丙氨酸、酪氨酸、異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸，其中異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸為支鏈氨基酸，確定了糖尿病與支鏈氨基酸濃度的相關(guān)性［40］。之后JOSE等［41］又對6 244例受試者進(jìn)行了7.5年的巢式病例對照研究（nested case control study，NCCS），發(fā)現(xiàn)支鏈氨基酸可以預(yù)測2型糖尿病的發(fā)展，其機(jī)制主要與胰島素抵抗相關(guān)，且不受其他因素的影響。研究顯示增加BCAA攝入量對T2DM葡萄糖穩(wěn)態(tài)具有積極作用［68］。

2.2.3 芳香族烴類 芳香族烴類，包括吲哚、吲哚乙酸和吲哚丙酸，是腸道微生物分解色氨酸產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，也是芳香族烴類受體配體，對代謝類疾病有改善作用［34］。吲哚既可以促進(jìn)GLP?1的分泌，也能抑制其分泌，對糖尿病的作用復(fù)雜［35］。吲哚丙酸（indoleproprionic acid，IPA）是一種與膳食纖維攝入量密切相關(guān)，僅由微生物群分解膳食色氨酸產(chǎn)生的脫氨代謝產(chǎn)物，在宿主血清中積累并表現(xiàn)出高度的個(gè)體差異。IPA在宿主體內(nèi)作為孕烷X受體（pregnane X receptor，PXR）的配體與微生物組α多樣性正相關(guān)，與T2DM的發(fā)生的呈負(fù)相關(guān)［36］。IPA與PXR結(jié)合可調(diào)節(jié)腸道屏障功能，研究表明，PXR缺陷型（Nr1i2-/-）小鼠因無法與IPA結(jié)合，腸道上皮細(xì)胞通透性明顯增大，同時(shí)Toll樣受體（Toll?like receptor，TLR）信號傳導(dǎo)途徑上調(diào)，但Nr1i2-/-Tlr4-/-小鼠中腸道上皮屏障功能缺陷得到糾正，故IPA可與PXR相互作用通過下調(diào)TLR信號傳導(dǎo)來強(qiáng)化腸道屏障［37］。

2.2.4 膽汁酸 膽汁酸是由肝臟中的膽固醇合成的內(nèi)源性分子，通過腸道微生物群進(jìn)一步代謝后激活腸道、肝臟和外周受體調(diào)節(jié)T2DM相關(guān)代謝，是微生物產(chǎn)生的重要代謝產(chǎn)物［45］。人類主要膽汁酸是鵝去氧膽酸（chenodeoxycholic acid，CDCA）和膽酸（cholic acid，CA），而嚙齒動(dòng)物產(chǎn)生CA和鼠膽酸（muricholic acids，MCAs）［45］。腸道菌群不僅可以調(diào)節(jié)膽汁酸在肝臟合成的膽固醇7α-羥化酶（cholesterol 7α?hydroxylase，CYP7α1）等關(guān)鍵酶活性，參與膽汁酸的合成代謝與微生物轉(zhuǎn)化，也可以產(chǎn)生次級膽汁酸作為G-蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體（G protein?coupled receptor for bile acids，TGR5）配體，通過核受體法尼醇X受體（Farnesoid X receptor，F(xiàn)XR）和TGR5兩種途徑調(diào)節(jié)膽汁酸的合成和代謝，進(jìn)一步刺激胰腺GLP?1的釋放，調(diào)控葡萄糖代謝［66］。

2.2.5 三甲胺氧化物 有文獻(xiàn)報(bào)道腸道菌群代謝產(chǎn)物三甲胺氧化物（trimethyla?mine N?oxide，TMAO）的循環(huán)濃度與糖尿病發(fā)病率正相關(guān)，是糖尿病的危險(xiǎn)因素之一［42］。一方面TMAO依賴性升高的N-亞硝基化合物被證實(shí)是包括糖尿病在內(nèi)的胰島素抵抗性疾病的驅(qū)動(dòng)因素［43］；另一方面，由于膽汁酸作為信號傳導(dǎo)分子和細(xì)胞受體配體能激活FXR和GPR，通過FXR抑制糖異生基因的表達(dá)，在葡萄糖的代謝中發(fā)揮重要作用，而TMAO則可通過抑制膽汁酸介導(dǎo)的肝臟FXR信號傳導(dǎo)，影響肝臟葡萄糖的代謝［44］。

3 腸道菌群調(diào)控2型糖尿病的作用機(jī)制（圖1）

3.1 SCFA SCFA可通過抑制蛋白脫乙?；福╤istone deacetylase，HDAC）和激活MKK3/p38/PRAK途徑減輕高胰島素血癥和全身胰島素抵抗［67］。SCFA抑制HDAC可促進(jìn)MKK3和p38的磷酸化，增強(qiáng)PPAK的磷酸化，進(jìn)一步激活MKK3/p38/PRAK信號通路，同時(shí)SCFA也可刺激MKK3/p38/PRAK乙酰化，促進(jìn)GLP?1受體的保護(hù)作用，改善T2DM代謝異常和T2DM并發(fā)的心臟功能障礙［69］。

3.2 BCAA BCAAs主要激活磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）?AKT（也稱為蛋白激酶B，PKB）途徑誘導(dǎo)mTOR調(diào)節(jié)葡萄糖和脂質(zhì)的代謝［38］。BCAA的減少激活PI3K?AKT通路，同時(shí)降低mTOR活性，但是亮氨酸可通過傳感器Sestrin2正向調(diào)控TORC1防止血漿葡萄糖濃度增加，改善胰島素抵抗，刺激骨骼肌吸收葡萄糖，還可以預(yù)防內(nèi)臟肥胖和高胰島素血癥的發(fā)展［38］。

表1 T2DM相關(guān)的腸道菌群代謝物及作用機(jī)制Tab.1 Metabolites of intestinal flora and mechanism related to T2DM

圖1 腸道菌群與2型糖尿病的作用機(jī)制Fig.1 Mechanism of intestinal flora and type 2 diabetes

3.3 膽汁酸 膽汁酸由肝臟生成經(jīng)腸道菌群轉(zhuǎn)化后對人體糖類代謝有至關(guān)重要的作用。膽汁酸合成受到FXR負(fù)反饋抑制的嚴(yán)格調(diào)節(jié)，F(xiàn)XR通過腸道微生物影響膽汁酸合成代謝，調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)［45］。肝腸均為FXR信號依賴性糖脂調(diào)控的中樞器官。在肝臟中，F(xiàn)XR抑制膽汁酸主要合成途徑的Cyp7α1基因的表達(dá)［47］。FXR介導(dǎo)的膽汁酸改變依賴于腸道微生物群，膽汁酸也可通過促進(jìn)膽汁酸代謝細(xì)菌和抑制膽汁敏感細(xì)菌來調(diào)節(jié)腸道微生物群落［66］。除了肝臟外，腸上皮細(xì)胞中的FXR被遠(yuǎn)端回腸中的膽汁酸激活，誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞生長因子（fibroblast growth factor，F(xiàn)GF）表達(dá)后與肝臟中的FGFR4/b?klotho異二聚體復(fù)合物結(jié)合，觸發(fā)JNK和ERK信號級聯(lián)反應(yīng)，抑制Cyp7α1的表達(dá)和高血糖素樣肽1（glucagon?like peptide，GLP?1）的合成［71］。膽汁酸對T2DM的作用與腸道菌群密切相關(guān)并依賴于FXR信號，但其相關(guān)機(jī)制尚需進(jìn)一步探究。

膽固醇通過Cyp7α1催化生成次級膽汁酸，次級膽汁酸結(jié)合TGR5后刺激腸L細(xì)胞合成和釋放GLP?1改善2型糖尿?。?6］。FXR和TGR5可以相互作用改善機(jī)體糖脂代謝，也可作為信號影響宿主不同的代謝過程，通過膽汁酸和腸道微生物群的相互作用改變代謝過程，對機(jī)體的葡萄糖穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生不同的效果［48］。

4 問題與展望

最近幾十年，高通量測序技術(shù)為腸道菌群的探索挖掘了新的可能性，使我們對T2DM與腸道菌群及其代謝物之間的關(guān)系有更深入的認(rèn)識(shí)。T2DM患者腸道菌群種類和數(shù)量的改變造成腸道菌群失調(diào)和代謝物的變化，涉及腸道屏障完整性、腸道免疫、炎癥、氧化應(yīng)激、糖脂代謝和腸道微生態(tài)平衡等。腸道菌群代謝物對T2DM的糖類代謝和相關(guān)并發(fā)癥有不同程度的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)也可以影響腸道菌群，但代謝物影響T2DM的機(jī)制尚需進(jìn)一步挖掘和驗(yàn)證。研究腸道菌群的結(jié)構(gòu)及其代謝產(chǎn)物對T2DM的影響有助于對T2DM進(jìn)行早期干預(yù)，并對T2DM的微生態(tài)制劑的治療以及菌群移植相關(guān)治療提供進(jìn)一步證據(jù)。但是，由于鑒定深度的不同和檢測手段的差異，當(dāng)前測定的菌群豐度和基因豐度在數(shù)量和表現(xiàn)方式上均有差異，且目前鑒定的細(xì)菌種類局限，腸道菌群與T2DM之間的相關(guān)性也需要更多大規(guī)模前瞻性實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)并深入探索相關(guān)機(jī)制。