腸道菌群與2 型糖尿病的關(guān)系及研究進(jìn)展

何嘉騏，張 靜，倪 軍

隨著人們對(duì)于腸道菌群和T2DM 發(fā)生發(fā)展的關(guān)系研究的深入，人類在探索治療諸如肥胖、胰島素抵抗以及糖尿病的新靶點(diǎn)方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。該文就腸道菌群如何誘發(fā)T2DM 以及其與糖尿病發(fā)生發(fā)展的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1 腸道菌群概述

腸道菌群是人體腸道的正常微生物，其構(gòu)成有細(xì)菌、古細(xì)菌、真菌等［1］?！罢！钡哪c道菌群以厭氧細(xì)菌為主，大約500～1000 種，它們只屬于已知的少數(shù)細(xì)菌門。研究表明，韌皮菌門和細(xì)菌門是其中最豐富的門，其他還包括一些蛋白質(zhì)菌門、維氏桿菌門、放線桿菌門、鐮刀菌門以及藍(lán)藻門等［2］。這些腸道菌群可以被當(dāng)作是一個(gè)器官中的器官，它與人類一起進(jìn)化，形成一種共生關(guān)系，進(jìn)而產(chǎn)生生理上的動(dòng)態(tài)平衡［1］。人類為微生物提供了一個(gè)營養(yǎng)豐富的腸道環(huán)境，而微生物群則貢獻(xiàn)了人類自身不能實(shí)現(xiàn)且不可或缺的功能，比如合成一些維生素，消化一些復(fù)合多糖，更能提供一個(gè)免疫環(huán)境［3］。這些寄居在人類腸道中的共生菌對(duì)腸道黏膜免疫系統(tǒng)的正常發(fā)育和功能產(chǎn)生影響，同時(shí)也能誘導(dǎo)免疫球蛋白（IgA）的產(chǎn)生和加強(qiáng)上皮屏障，并且，通過合成短鏈脂肪酸，主要是乙酸、丙酸和丁酸，對(duì)腸上皮細(xì)胞的增殖和分化產(chǎn)生積極的影響。此外丁酸和丙酸還可以調(diào)節(jié)腸道生理和免疫功能，乙酸可作為脂肪生成和糖異生的底物。這些共生菌還可以介導(dǎo)各種代謝效應(yīng)，其中在人類腸道中，核心的代謝效應(yīng)是碳水化合物發(fā)酵，我們每天所需能量的10%都來自于結(jié)腸發(fā)酵［1，4］。

大量研究表明，約在生命的前3 年，腸道菌群已經(jīng)變得相對(duì)穩(wěn)定了。僅有30%～40%的微生物可以通過包括飲食方式、運(yùn)動(dòng)、細(xì)菌感染、抗生素應(yīng)用以及外科治療等因素來改變［5］。因此，腸道微生物種群的建立以及這些腸道菌群的進(jìn)一步調(diào)節(jié)對(duì)于人類自身生命健康的維持是至關(guān)重要的。

2 腸道菌群與2 型糖尿病

糖尿病患者90%以上為T2DM，T2DM 的診斷、預(yù)防和治療已成為一個(gè)緊迫的研究課題。T2DM 是由遺傳和環(huán)境因素共同引起慢性血糖升高的一種代謝性疾病，伴有β 細(xì)胞胰島素分泌的不足和胰島素作用（脂肪、肌肉、肝臟等部位）的缺陷［6］。許多的證據(jù)表明炎癥、激素、肥胖、脂肪分布、胰島素抵抗與T2DM 之間都有著流行病學(xué)和臨床相關(guān)性，但截止到今天，T2DM 的發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明。早在2010 年，Larsen 等人首次研究了關(guān)于T2DM 患者和對(duì)照組腸道菌群之間的差異性，該實(shí)驗(yàn)研究了36名成年男性，其中18 人被診斷為2 型糖尿病。采用實(shí)時(shí)定量PCR （qPCR）對(duì)糞便細(xì)菌的組成進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)一組受試者（n=20）進(jìn)行16S rRNA 基因V4區(qū)的標(biāo)記編碼擴(kuò)增子焦磷酸測(cè)序。發(fā)現(xiàn)糖尿病組厚壁菌門和梭狀芽孢桿菌門的比例明顯下降 （P=0.03）；糖尿病患者腸道內(nèi)變形菌門比例明顯上升（P=0.02），且與血漿葡萄糖濃度正相關(guān)（P=0.04）；糖尿病患者擬桿菌門比例輕度上升，擬桿菌門與厚壁菌門比值和糖耐量減低呈正相關(guān)［7］。這些實(shí)驗(yàn)為T2DM 的研究打開了新的思路。最近十幾年來，越來越多的證據(jù)表明腸道菌群和T2DM 的發(fā)生發(fā)展有著重要的聯(lián)系，主要表現(xiàn)在能量代謝、代謝信號(hào)、免疫系統(tǒng)的形成以及腸道屏障的完整性和移動(dòng)性等方面［8］。而且關(guān)于腸道菌群和T2DM 相關(guān)性的研究也逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)。Wang 等［9］學(xué)者更是將腸道菌群與T2DM 的研究系統(tǒng)地分為蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和元組學(xué)，這些方法已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。

2.1 腸道菌群與肥胖、血脂異常目前，全世界有5 億多的成年人超重［體重指數(shù)（BMI）為25.0～29.9 kg/m2］，并且有2.5 億的肥胖者 （bmi≥30 kg/m2）［10］。肥胖已經(jīng)被證實(shí)與T2DM、腦血管疾病和癌癥等一些慢性疾病有重要關(guān)聯(lián)［11］，并且越來越多的證據(jù)表明腸道菌群失調(diào)與肥胖和代謝紊亂有關(guān)，某些腸道微生物能抑制或減弱與慢性炎癥有關(guān)的免疫反應(yīng)［12］。Le Chatelier 等［13］強(qiáng)調(diào)，肥胖患者與非肥胖患者相比，通常腸道菌群基因數(shù)量較少，腸道細(xì)菌豐度較低。Tsai 等［14］的研究認(rèn)為腸道菌群參與肥胖發(fā)展的機(jī)制可能包括：（1）增加膳食能量的獲??；（2）促進(jìn)脂肪沉積；（3）可能改變運(yùn)動(dòng)活動(dòng)；（4）對(duì)飽脹感有中樞作用；（5）引起全身炎癥。在這其中，人們對(duì)于腸道菌群與膽汁酸的研究一直是比較熱門的，微生物群不僅參與膽汁酸的合成和修飾，而且可以調(diào)節(jié)腸道內(nèi)膽汁酸的攝取，與無菌飼養(yǎng)小鼠相比，常規(guī)飼養(yǎng)小鼠的小腸中負(fù)責(zé)攝取膽汁酸的轉(zhuǎn)運(yùn)體（ASBT）減少［15］。在大量小鼠實(shí)驗(yàn)中，補(bǔ)充膽汁酸可以減少高脂飲食誘導(dǎo)的小鼠體重增加，減輕胰島素抵抗，并且核法尼醇X 受體（FXR）及其下游靶基因FGF15/19 具有調(diào)節(jié)糖脂代謝的作用。此外，通過作用于GPR TGR5，膽汁酸也能促進(jìn)胰高血糖素樣肽-1（GLP1）的分泌［16，17］。這些實(shí)驗(yàn)研究都充分證明了腸道菌群與血脂異常、肥胖乃至T2DM 都有著密切的聯(lián)系。

2.2 腸道菌群與免疫、炎癥反應(yīng)一方面，腸道菌群可以通過對(duì)短鏈脂肪酸（SCFAs）的代謝來實(shí)現(xiàn)對(duì)人類宿主的免疫功能及炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)。CANFORA等［18］認(rèn)為飲食中適當(dāng)補(bǔ)充一些短鏈脂肪酸（SCFAs）能夠改善血糖水平和增強(qiáng)胰島素敏感性。這些膽汁酸和短鏈脂肪酸（SCFAs），包括乙酸、丙酸和丁酸在腸道中可以被微生物群降解［19］。SCFAs 被認(rèn)為具有免疫調(diào)節(jié)作用，可以降低腸道通透性［20］。Zaibi 等［21］研究發(fā)現(xiàn)SCFAs 通過兩種機(jī)制作用于白細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞來影響腸道免疫功能：（1） 激活G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）（GPR41 和GPR43）；（2）抑制組蛋白去乙?；?（HDAC），SCFAs 不僅能調(diào)節(jié)多種白細(xì)胞功能，比如趨化因子CINC-2 和MCP1 等的產(chǎn)生以及細(xì)胞因子（如IL-10、IL-6、IL-2 和腫瘤壞死因子-α）的產(chǎn)生，也可以影響白細(xì)胞向炎癥病灶遷移以及破壞微生物病原體的能力［22-24］。另一方面，近些年來對(duì)LPS 的研究也越來越多，LPS 又稱內(nèi)毒素，是革蘭陰性菌細(xì)胞壁外膜的主要成分，由革蘭陰性菌溶解后釋放，是引發(fā)系統(tǒng)炎性反應(yīng)的關(guān)鍵因子。LPS 被釋放入血循環(huán)后，與脂多糖結(jié)合蛋白（LBP）結(jié)合，再與其受體CD14 結(jié)合，構(gòu)成LPS-LBP-CD14復(fù)合物，激活Toll 樣受體4（TLR-4），引發(fā)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致大量炎癥因子的轉(zhuǎn)錄合成，參與炎性反應(yīng)和代謝性疾病的發(fā)生［25］。Cani 等［26］的研究表明，用高脂飼料喂養(yǎng)小鼠后，其血漿LPS 水平會(huì)顯著升高。他們還得出結(jié)論，這種慢性代謝性內(nèi)毒素血癥可能導(dǎo)致肥胖和胰島素抵抗。長(zhǎng)期慢性炎癥反應(yīng)和免疫紊亂使得胰島細(xì)胞受損以及胰島素抵抗的發(fā)生，如果不進(jìn)行干預(yù)，最終會(huì)導(dǎo)致T2DM 的發(fā)生［27］，種種研究表明，腸道菌群功能的紊亂和免疫系統(tǒng)的失調(diào)以及T2DM 的發(fā)生和發(fā)展有密不可分的關(guān)系。

3 腸道菌群與2 型糖尿病發(fā)生發(fā)展的關(guān)系

3.1 合理使用抗生素抗生素的使用可能會(huì)影響體重，早在青霉素問世后不久，人們就發(fā)現(xiàn)在家畜飼料中加入抗生素可以增加動(dòng)物的生長(zhǎng)速度以及飼料的利用率。并且，使用抗生素會(huì)短期改變腸道微生物群的種類和數(shù)量，并且大量研究表明，應(yīng)用抗生素與肥胖和T2DM 的發(fā)生有關(guān)聯(lián)［28］。但是過往的實(shí)驗(yàn)中均沒有發(fā)現(xiàn)抗生素對(duì)空腹血糖、內(nèi)源性葡萄糖生成、餐后糖耐量和肝臟胰島素敏感性等方面有顯著的影響。所以在合理應(yīng)用抗生素的同時(shí)也要積極地探索其背后的原理，以提供更多的理論支持。

3.2 善用益生菌益生菌治療糖尿病的一項(xiàng)重要機(jī)制是促進(jìn)了SCFAs 的產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)分泌激素的分泌，來影響體內(nèi)葡萄糖的水平。Yadav 等［29］的一項(xiàng)研究證實(shí)了某些益生菌通過增加丁酸的產(chǎn)生來誘導(dǎo)胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）分泌的作用機(jī)制，而GLP-1 的增加不僅能促進(jìn)胰島素分泌，抑制胰高血糖素分泌，而且可以導(dǎo)致胃排空延遲，食欲、攝食量減少［30］。其他可能的作用機(jī)制還包括通過NF-κB信號(hào)通路減少促炎細(xì)胞因子、降低腸道通透性和降低氧化應(yīng)激等。益生菌可以有效對(duì)抗糖尿病，但是，目前沒有確切的證據(jù)說明其具體的機(jī)制和臨床指標(biāo)之間的關(guān)系，這仍需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來支撐［31］。

3.3 作用于腸道的降糖藥大量研究表明針對(duì)不同的病理生理過程，降糖藥物在治療T2DM 中起到了至關(guān)重要的作用。降糖藥物可以影響腸道菌群的組成，影響SCFAs 的產(chǎn)生，而腸道菌群和SCFAs 則對(duì)胰高血糖素具有積極的影響［32］。此外，腸道菌群的改變也有可能改善降糖藥物的不良反應(yīng)［33］。二甲雙胍是治療T2DM 使用最廣泛的藥物。胍和半乳糖是山茱萸的有效成分，實(shí)驗(yàn)證明，這些成分可以有效地減少T2DM 患者的高血糖、尿糖以及多尿癥狀，而二甲雙胍也是其中毒性最低的，并且憑借它的安全性、有效性和經(jīng)濟(jì)性被大多數(shù)權(quán)威機(jī)構(gòu)推薦為T2DM 藥物治療的第一線藥物［34］。最近，人們開始關(guān)注二甲雙胍對(duì)免疫系統(tǒng)的影響，有研究表明二甲雙胍抑制氧化磷酸化導(dǎo)致腺苷酸激活蛋白激酶（AMPK）激活，并且也已經(jīng)被用作是上調(diào)AMPK 的工具［35］，而最新的研究認(rèn)為AMPK 可以影響T 細(xì)胞的效應(yīng)反應(yīng)，從而影響免疫反應(yīng)［36］，但是這方面的影響還沒有詳細(xì)的臨床研究，仍需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來填補(bǔ)這一空缺。阿卡波糖是一種經(jīng)典的α-葡萄糖苷酶抑制劑，它能夠抑制將寡糖分解為腸腔內(nèi)的單糖和雙糖的酶，從而延遲葡萄糖吸收來降低餐后血糖水平［37］，最近一系列的實(shí)驗(yàn)闡明了阿卡波糖和腸道微生物群的關(guān)系，比如在一項(xiàng)應(yīng)用阿卡波糖治療組，和不用阿卡波糖治療組的對(duì)照試驗(yàn)中，在基線階段糖尿病患者的長(zhǎng)雙歧桿菌水平低于健康志愿者，糞腸球菌水平高于健康志愿者。治療4 周后，阿卡波糖治療的患者表現(xiàn)為長(zhǎng)雙歧桿菌增多，脂多糖和凝血酶原激活物抑制劑-1 水平降低［38］。這些研究提示阿卡波糖能調(diào)節(jié)T2DM 患者腸道微生物群，從而調(diào)節(jié)機(jī)體的代謝，對(duì)T2DM 的治療有極大的積極作用。

3 小 結(jié)

世界衛(wèi)生組織（WHO）預(yù)測(cè)，如果不進(jìn)行有效的干預(yù)，到2030 年，T2DM 將成為世界第七大病死原因。人類在不斷地探索干預(yù)和防治T2DM 的有效方式，隨著腸道菌群對(duì)于免疫系統(tǒng)、代謝功能以及藥物代謝影響能力的不斷揭示，它們?cè)絹碓奖徽J(rèn)為是控制血糖和治療T2DM 的新希望。但是人類如果想要取得更加有效的成果，仍需要大量的研究數(shù)據(jù)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)與臨床試驗(yàn)缺乏都是未來研究需要解決的問題。