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?。╰ype 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T2DM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)。T2DM患者的腸道菌群含有大量革蘭陰性菌，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(duì)腸道菌群的組成和代謝與T2DM的相關(guān)研究進(jìn)行綜述。

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(guò)1 000種，數(shù)量達(dá)1014，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(wàn)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(yíng)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（short chain fatty acid，SCFA）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(duì)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(duì)“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(lái)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(wú)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]。由此可見(jiàn)，無(wú)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SCFA和琥珀酸等。SCFA 用于平衡腸道中的氧化還原狀態(tài)，通過(guò)結(jié)合G 蛋白耦聯(lián)受體41（G-protein coupled receptor 41，GPR41）和GPR43 抑制組蛋白脫乙酰酶活性來(lái)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(duì)體質(zhì)量、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)的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。如維生素K2 通過(guò)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T2DM[18]；維生素B 可通過(guò)miR21的甲基化影響T2DM 代謝相關(guān)基因[19]。

2 腸道菌群與T2DM的關(guān)系

2.1 腸道菌群相對(duì)豐度與T2DM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(duì)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(duì)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(shì)有明顯差異[20，23，24，49-58，60-63，65]。

SHARMA 等[22]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T2DM小鼠中觀察到。SEDIGHI 等[24]對(duì)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(duì)豐度更高。SHIN 等[25]發(fā)現(xiàn)T2DM 小鼠腸道中艾克曼菌（Akkermansia muciniphila）增加有利于T2DM 相關(guān)代謝改變以及癥狀改善。這與之前研究發(fā)現(xiàn)正常人群中艾克曼菌具有較高豐度的研究結(jié)果一致[26]。另有研究[22]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(shuō)明腸道菌群對(duì)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T2DM的關(guān)系（表1）

2.2.1 SCFASCFA 一般是由1～6個(gè)碳原子組成的有機(jī)酸，通過(guò)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′-monophosphateactivated protein kinase，AMPK）依賴性方式下調(diào)過(guò)氧化物酶受體增殖激活受體-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(guò)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(guò)影響肝臟和肌肉中的脂質(zhì)代謝對(duì)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(guò)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(duì)臨床治療T2DM 有重要意義[33，67]。

2.2.2 BCAABCAA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(guò)調(diào)節(jié)PI3K-AKT-mTOR 信號(hào)通路影響葡萄糖、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)合成及腸道免疫[38-39]。WANG 等[40]發(fā)現(xiàn)糖尿病與支鏈氨基酸濃度的相關(guān)性。FLORESGUERRERO 等[41]又對(duì)6 244例受試者進(jìn)行了7.5年的巢式病例對(duì)照研究（nested case control study，NCCS），發(fā)現(xiàn)支鏈氨基酸可以預(yù)測(cè)T2DM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(duì)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(duì)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(duì)糖尿病的作用復(fù)雜[35]。吲哚丙酸（indoleproprionic acid，IPA）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(wú)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(hào)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(guò)下調(diào)TLR 信號(hào)傳導(dǎo)來(lái)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(guò)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(jí)膽汁酸作為G-蛋白耦聯(lián)膽汁酸受體（G protein-coupled receptor for bile acids，TGR5）配體，通過(guò)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 三甲胺氧化物三甲胺氧化物（trimethylamine N-oxide，TMAO）的循環(huán)濃度是糖尿病的危險(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(hào)傳導(dǎo)分子和細(xì)胞受體配體能激活FXR和GPR，通過(guò)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(guò)抑制膽汁酸介導(dǎo)的肝臟FXR 信號(hào)傳導(dǎo)，影響肝臟葡萄糖的代謝[44]。

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

3 腸道菌群調(diào)控T2DM的作用機(jī)制（圖1）

3.1 SCFASCFA 可通過(guò)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(hào)通路，同時(shí)SCFA 也可刺激MKK3/p38/PRAK 乙?；?，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 BCAABCAAs 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(guò)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]。

3.3 膽汁酸膽汁酸對(duì)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(guò)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(hào)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(guò)促進(jìn)膽汁酸代謝細(xì)菌和抑制膽汁敏感細(xì)菌來(lái)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(zhǎng)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(hào)級(jí)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(duì)T2DM的作用與腸道菌群密切相關(guān)并依賴于FXR 信號(hào)，但其相關(guān)機(jī)制尚需進(jìn)一步探索。

膽固醇通過(guò)Cyp7α1 催化生成次級(jí)膽汁酸，次級(jí)膽汁酸結(jié)合TGR5 后刺激腸L 細(xì)胞合成和釋放GLP-1 改善T2DM[46]。FXR和TGR5 可以相互作用改善機(jī)體糖脂代謝，也可作為信號(hào)影響宿主不同的代謝過(guò)程，通過(guò)膽汁酸和腸道微生物群的相互作用改變代謝過(guò)程，對(duì)機(jī)體的葡萄糖穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生不同的效果[48]。

4 問(wèn)題與展望

圖1 腸道菌群與T2DM的作用機(jī)制Fig.1 Mechanism of intestinal flora and type 2 diabetes

T2DM患者腸道菌群種類和數(shù)量的改變?cè)斐赡c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(duì)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(duì)T2DM的影響有助于對(duì)T2DM 進(jìn)行早期干預(yù)，并對(duì)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(cè)手段的不同，當(dāng)前測(cè)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)并深入探索其相關(guān)機(jī)制。