腸道菌群與代謝性疾病的研究進展

歐陽曉俊

南京醫(yī)科大學(xué)附屬老年醫(yī)院(江蘇省老年病醫(yī)院)老年醫(yī)學(xué)科,南京 210024

在過去十余年里，關(guān)于腸道菌群與代謝性疾病取得了大量研究進展。個體腸道微生態(tài)系統(tǒng)的建立開始于出生之時，其構(gòu)成是飲食、種族、遺傳、藥物等復(fù)雜因素的相互作用，特別是宿主的一些代謝紊亂被認為與炎癥相關(guān)腸道菌群構(gòu)成有關(guān)，進一步顯示腸道微生態(tài)對宿主代謝性疾病的重要作用。

1 腸道菌群與能量穩(wěn)態(tài)

腸道菌群對于機體能量獲取十分重要。腸道微生物酵解能力只要提高1%即可在每日8 368 kJ基礎(chǔ)能量上額外提供83.68 kJ能量，導(dǎo)致每年體質(zhì)量增加1 kg[1]。第一個兩者因果聯(lián)系證據(jù)來自2004年。即使多攝入了29%熱量，無菌小鼠仍比常規(guī)小鼠脂肪組織減少40%[2]。在沒有改變進食量情況下，將常規(guī)小鼠糞便菌群移植到無菌小鼠，無菌小鼠體脂增加了57%，并伴有肝臟三酰甘油水平增加和胰島素抵抗加重[3]。腸道菌群在保持健康能量穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，大量研究探索了其可能機制：(1)腸道菌群可以增加小腸絨毛毛細血管密度，促進腸上皮的發(fā)育，從而影響胃腸道生理和動力，促進飲食熱量攝取。(2)腸道菌群可以在遠端腸道將食物中多糖酵解為短鏈脂肪酸(SCFAs)，被結(jié)腸細胞和宿主利用。SCFAs是宿主能量來源，與減少炎癥，提高飽腹感，正性代謝作用相關(guān)。SCFAs可以作為配體直接激活G蛋白耦合受體(如GPR41和GPR43)，刺激胃腸激素如胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)、瘦素、肽YY(PYY)等釋放，改變腸道動力，促進營養(yǎng)吸收。丙酸和丁酸還可以通過誘導(dǎo)腸道糖異生和交感神經(jīng)活動來改善葡萄糖和能量穩(wěn)態(tài)。少量丙酸，丁酸和大量乙酸進入循環(huán)，也可直接影響外周脂肪組織，肝臟，肌肉的代謝和功能。循環(huán)中的乙酸可能被大腦吸收，并通過中樞自我調(diào)節(jié)機制調(diào)節(jié)飽腹感。(3)腸道菌群可以影響不同代謝器官尤其是腸道、肝臟和肌肉過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARs)活性[4]。PPARs是配體激活型轉(zhuǎn)錄因子，屬于核受體超家族，可以作為脂肪酸感受器調(diào)節(jié)多種糖脂和能量代謝過程[5]。(4)腸道菌群可以下調(diào)腸道表達禁食誘導(dǎo)脂肪因子(FIAF)，抑制脂肪組織中的脂蛋白脂肪酶。FIAF激活脂蛋白的分解，將三酰甘油轉(zhuǎn)化為游離脂肪酸被肌肉和脂肪組織利用。抑制FIAF可促進三酰甘油在脂肪細胞的儲存[2]。(5)腸道菌群可以抑制腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)釋放，導(dǎo)致線粒體脂肪酸氧化的下調(diào)，酮體產(chǎn)生，葡萄糖攝取，胰島素分泌和脂肪合成以及膽固醇和三酰甘油增加[6]。(6)腸道菌群也是調(diào)節(jié)膽汁酸合成重要的代謝因子。Parseus等[7]認為腸道菌群通過調(diào)節(jié)膽汁酸受體影響膽酸合成和肝臟三酰甘油聚集，促進高脂誘導(dǎo)肥胖。次級膽汁酸是G蛋白偶聯(lián)受體TGR5的激動劑。TGR5在肝臟Kupffer細胞，免疫細胞，棕色脂肪組織和腸內(nèi)分泌細胞中表達?；罨疶GR5刺激小腸L細胞分泌GLP-1，促進棕色脂肪組織的產(chǎn)熱從而增加能量消耗減少飲食引起的肥胖[8]。(7)腸道菌群可以通過將膽堿轉(zhuǎn)化為三甲胺，調(diào)節(jié)膽堿的生物利用度并間接影響三酰甘油在肝臟的儲存。膽堿是合成細胞膜和線粒體膜主要成分磷脂酰膽堿的必需營養(yǎng)素，也是極低密度脂蛋白(VLDL)的主要成分。缺乏VLDL轉(zhuǎn)運三酰甘油到肝細胞，是肝臟發(fā)生脂肪變性的中心機制。(8)腸道菌群可以產(chǎn)生影響宿主的代謝分子，如脂多糖(LPS)，是革蘭陰性細菌膜的主要成分，LPS水平升高增加2型糖尿病風險并激活固有免疫系統(tǒng)，通過促進炎性反應(yīng)加重胰島素抵抗。也有研究認為腸源性LPS可以提高脂肪組織巨噬細胞募集，促進炎性反應(yīng)，但是并沒有影響葡萄糖代謝[9]。

2 腸道菌群與肥胖

肥胖是由于能量攝取提高和消耗減少。人類研究和動物模型均發(fā)現(xiàn)肥胖存在腸道微生態(tài)改變，通常為菌群種類減少或者比例失調(diào)。Tomas報道小鼠高脂飲食后厚壁菌(Firmicutes)、蛋白菌(Proteobacteria)提高，疣微菌(Verrucomicrobia)和擬桿菌(Bacteroidetes)降低[10]。比較瘦小鼠和肥胖小鼠腸道細菌構(gòu)成顯示擬桿菌和厚壁菌的豐度不同，且厚壁菌和擬桿菌的比率與飲食誘導(dǎo)肥胖表型呈正相關(guān)。這些菌群變化在恢復(fù)正常飲食后可以完全逆轉(zhuǎn)，說明飲食是肥胖腸道菌群變化的主要促成因素。Ridaura等[11]探索了腸道菌群與肥胖間的因果關(guān)系，從肥胖存在差異的同胞胎小鼠分別移植腸菌給無菌小鼠，被移植肥胖腸菌的小鼠體質(zhì)量和脂肪量增加明顯超過被移植瘦腸菌小鼠。另外，將肥胖小鼠與瘦小鼠共同居住，比與肥胖小鼠共居體質(zhì)量增加較少，且腸道菌群構(gòu)成轉(zhuǎn)向瘦小鼠狀態(tài)。肥胖小鼠與瘦小鼠共居時擬桿菌增加，支鏈氨基酸分解代謝的蛋白表達增加，產(chǎn)生SCFAs 增多。這些結(jié)果表明，小鼠腸道微生態(tài)系統(tǒng)主要受飲食影響，部分受居住環(huán)境影響。

人類研究也表明肥胖者腸道微生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了改變。Thingholm等[12]報道德國人群代謝隊列，肥胖與腸道菌群改變，以及腸道微生物模式相應(yīng)的血清代謝產(chǎn)物水平變化相關(guān)。Turnbaugh等[3]觀察到肥胖和瘦者遠端腸道的微生物菌群存在差異，和瘦個體相比，肥胖者厚壁菌水平提高，擬桿菌減少。限制飲食體質(zhì)量下降后，擬桿菌數(shù)量相對增加。有研究認為肥胖擬桿菌與厚壁菌比率下降導(dǎo)致更有效水解多糖，從食物中獲取更多脂肪[13]。然而，也有研究沒有發(fā)現(xiàn)肥胖伴有擬桿菌與厚壁菌比例減少[14]。

3 腸道菌群與2型糖尿病

2型糖尿病產(chǎn)生丁酸細菌量減少，乳酸桿菌量提高[15-16]。應(yīng)用胃腸宏基因組模型能預(yù)測2型糖尿病相關(guān)表型[16]，提示腸道菌群可能成為預(yù)測2型糖尿病新的生物標志。Karlsson等[16]研究發(fā)現(xiàn)T2DM 患者糖化血紅蛋白和血糖水平與乳酸菌豐度呈正相關(guān)，與梭菌豐度呈負相關(guān)。許娟等比較糖尿病小鼠菌群結(jié)構(gòu)及多樣性與正常小鼠菌群存在差異，移植糖尿病小鼠菌群的無菌小鼠腎臟病理結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常，且尿微量白蛋白水平升高[17]。

細菌與2型糖尿病相關(guān)性可能存在種族差異。阿克曼氏菌具有降解黏蛋白特性，在一個中國2型糖尿病[15]患者隊列中發(fā)現(xiàn)該菌很豐富。但是這一發(fā)現(xiàn)在歐洲隊列中沒有得到證實[16]。相反，在歐洲人群中，肥胖者較少出現(xiàn)嚴重代謝綜合征伴有阿克曼氏菌水平升高[18]。飲食中補充阿克曼氏菌導(dǎo)致肥胖小鼠循環(huán)中LPS水平減少，脂質(zhì)氧化提高[19]，與改善糖耐量和減少炎癥有關(guān)[20]。中國2型糖尿病患者主要產(chǎn)丁酸菌及其產(chǎn)丁酸功能顯著低于健康人群，而條件致病性的腸桿菌產(chǎn)LPS、硫化氫促炎功能及支鏈氨基酸轉(zhuǎn)運功能的水平則顯著高于健康人群。這些變化可能與糖尿病患者的腸黏膜屏障受損及腸道炎癥水平增加有關(guān)[15]。

4 腸道菌群與非酒精性脂肪肝(NAFLD)

腸道菌群促進營養(yǎng)分子吸收到門靜脈和全身循環(huán)，并與免疫系統(tǒng)相互作用。因此，可以通過調(diào)節(jié)免疫細胞和代謝產(chǎn)物影響宿主甚至較遠的靶器官[21]。腸道菌群對NAFLD作用包括調(diào)控能量平衡，保持胃腸道通透性，控制炎癥，調(diào)節(jié)膽堿和膽酸代謝，提高內(nèi)源性乙醇產(chǎn)生[22-23]。

Yuan等[24]報道中國人隊列中高產(chǎn)乙醇肺炎克雷伯菌(HiAlcKpn)與五分之三NAFLD患者有關(guān)。將臨床分離的NAFLD患者HiAlcKpn通過灌胃移植到小鼠，誘導(dǎo)了小鼠NAFLD發(fā)生。糞菌移植(FMT)治療有效地糾正了高脂飲食(HFD)誘導(dǎo)的腸道菌群紊亂，有益細菌克里斯滕森菌科(Christensenellaceae)和乳酸桿菌豐度提高。FMT后肝內(nèi)脂質(zhì)積累明顯減少，肝內(nèi)促炎細胞因子和非酒精性脂肪性肝病活動度評分(NAS)下降[25]。

5 腸道菌群影響因素與代謝病關(guān)系

許多研究表明早期腸道菌群變化對于宿主代謝有長期作用。出生后第一年的生活對個體腸道微生物組成有關(guān)鍵影響。出生6個月嬰兒使用抗生素提高了7歲時超重風險[26]。另一項研究發(fā)現(xiàn)，超重青少年對飲食和運動減肥計劃的反應(yīng)依賴于治療前初始微生物群。類似的，小鼠斷奶前使用抗生素導(dǎo)致肥胖和成年后代謝性疾病[27]。

飲食影響腸道菌群。動物和人類研究均表明24 h內(nèi)急性飲食改變引起腸道菌群明顯變化[28]。無菌小鼠對飲食誘導(dǎo)肥胖的抵抗依賴于飲食中宏量營養(yǎng)素結(jié)構(gòu)，進食無蔗糖的高脂飲食可以導(dǎo)致其肥胖發(fā)生[29]。飲食脂肪來源也很重要，常規(guī)小鼠喂養(yǎng)含豬油高脂飲食導(dǎo)致肥胖，如果轉(zhuǎn)為富含多不飽和脂肪酸的魚油則不出現(xiàn)肥胖[30]。Turnbaugh研究團隊還證明不管何種基因型小鼠，給予高脂肪高糖飲食均影響了菌群結(jié)構(gòu)，這表明飲食對腸道菌群的影響甚至可以凌駕于宿主遺傳學(xué)之上[31]。近來報道表明肥胖者和瘦者對食物能量應(yīng)答存在差異[32]。這些發(fā)現(xiàn)可以幫助理解腸道菌群和飲食之間的相互作用，說明一方面代謝紊亂腸道菌群發(fā)生改變，影響了食物能量吸收，另一方面飲食也改變了腸道菌群可能導(dǎo)致代謝病發(fā)生。

減重手術(shù)引起了微生物群顯著改變。17名肥胖T2DM接受了非外科十二指腸空腸造口吻合術(shù)，體質(zhì)量和糖化血紅蛋白均改善，同時伴有小腸糞菌數(shù)量的改變[33]。代謝手術(shù)減少了產(chǎn)生丁酸細菌的豐度，提高蛋白質(zhì)細菌豐度[34]，表明了旁路手術(shù)后一些有益的代謝效應(yīng)可能通過改變腸道菌群介導(dǎo)。

抗生素的使用對腸道微生物的普遍影響也越來越受關(guān)注。廣譜抗生素可以顯著降低糖尿病小鼠的空腹血糖水平以及腸道菌群多樣性[35]。萬古霉素治療降低了代謝綜合征患者產(chǎn)丁酸細菌的豐度，降低了胰島素敏感性[36]。一些藥物可能通過影響腸道菌群發(fā)揮作用，反過來腸道菌群也可能影響患者對于藥物的反應(yīng)。健康人或T2DM者服用二甲雙胍前后的腸道菌群變化的顯著特征一致[37]。具備擬桿菌型的患者服用阿卡波糖后胰島素抵抗顯著改善，但是普氏菌型的患者則未見明顯效果。擬桿菌型的降糖外獲益也要比普氏型的患者明顯[38]。一些中藥對腸道菌群的影響也越來越得到關(guān)注。鹽酸小檗堿治療降低了T2DM患者厚壁菌，提高了乳酸桿菌和擬桿菌[39]。

目前，不同腸道共生菌特征對藥物療效的不同反應(yīng)機制尚未明確，將是靶向腸道的代謝病治療亟待解決的新問題，同時也給代謝病的精準治療帶來新的方向。

24 h晝夜生物節(jié)律幾乎參與所有生命形式的代謝穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，如喂養(yǎng)與禁食，活動與睡眠等，并協(xié)調(diào)多個組織的生理反應(yīng)，以最大限度地提高代謝適應(yīng)?，F(xiàn)代人類行為與我們祖先所適應(yīng)的晝夜自然規(guī)律越來越脫節(jié)，比如時差和倒夜班工作，均提高代謝紊亂的發(fā)生。腸道菌群幫助腸道和外周器官建立合適水平的生物鐘基因表達?？股刂委?、HFD改變了生物鐘基因表達?？股刂委煹男∈蟊憩F(xiàn)出代謝異常，包括體質(zhì)量增加、肥胖增加和血糖升高，這些與觀察到的生物鐘改變相對應(yīng)[40]。

總之，飲食、宿主基因、代謝狀態(tài)等都是腸道菌群結(jié)構(gòu)的驅(qū)動因素，這些因素之間的相互作用可能是個體腸道微生態(tài)學(xué)的主要決定因素。

6 針對腸道菌群治療代謝性疾病

在代謝性疾病中應(yīng)用益生菌和益生元調(diào)節(jié)腸道菌群和改善宿主代謝已經(jīng)被廣泛研究。某些細菌種類，如雙歧桿菌已經(jīng)證明能改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)[41]，減少體質(zhì)量增加和脂肪量，恢復(fù)葡萄糖介導(dǎo)的高脂飲食小鼠胰島素分泌。羅伊乳桿菌促進肥胖伴糖耐量異常患者胰高血糖素釋放提高胰島素分泌[42]。Goodrich等[43]證實克里斯滕森菌科家族成員，可能有益生菌作用，預(yù)防肥胖。FMT是重塑腸道微生態(tài)系統(tǒng)的有效途徑。盡管手術(shù)操作需要不斷改進，所涉及的機制也需要進一步的探索，F(xiàn)MT在代謝性疾病仍然具有較廣的治療前景。

益生元是通過選擇性刺激細菌生長和(或)激活一種或有限數(shù)量的結(jié)腸細菌影響宿主的有益食物成分。益生元由低聚糖或者短鏈多糖組成，通常存在普通食品，如蔬菜和全麥谷物，也可添加在酸奶中。包括果糖-低聚糖(FOS)，菊粉(長鏈果糖-低聚糖)，半乳糖-低聚糖(GOS)等，由腸道微生物轉(zhuǎn)化為SCFAs并同時選擇性刺激結(jié)腸細菌增殖。益生元刺激雙歧桿菌生長可以提高葡萄糖耐量，改善胰島素分泌，降低肝臟、腎臟和血脂水平，緩解炎癥狀態(tài)[44]。聯(lián)合聚葡萄糖和乳酸雙歧桿菌B420治療降低了高脂喂養(yǎng)小鼠紫單胞菌豐度。這種膳食補充劑能抑制小腸輔助T細胞17(Th17)細胞浸潤，預(yù)防代謝炎癥與2型糖尿病[45]。然而，也有許多研究表明益生元干預(yù)僅僅輕度改善甚至沒有改變代謝紊亂。益生元可以改善健康人胰島素敏感性，但是在一項女性肥胖治療中沒有明顯效果[46]，這可能是由于與小鼠相比人類益生元使用劑量相對較低，也說明益生元對機體代謝改善效應(yīng)存在個體差異，需要采取個體化治療方案。

益生元和益生菌在代謝性疾病和相關(guān)病理中的作用需要進一步的探索。尤其是關(guān)于益生菌和益生元治療合適劑量和適用人群研究十分有價值，可以幫助我們理解針對腸道菌群干預(yù)應(yīng)答的差異，以及基因、環(huán)境、腸道菌群等因素對治療的影響。

7 小結(jié)

大量研究探索了腸道菌群對于代謝性疾病的影響，然而，這些研究中大多是橫斷面研究或僅證實微生物調(diào)節(jié)和特定疾病關(guān)聯(lián)性。要明確腸道菌群是否與代謝性疾病存在因果聯(lián)系，需要進一步前瞻性研究并證實其潛在的分子機制。鑒于基因和人類微生物多樣性和復(fù)雜的微生物-飲食間相互作用，需要個體化的治療策略?？傊?，腸道菌群在代謝性疾病中有巨大的治療潛力和重要作用。未來有望通過腸道菌群對人群代謝性疾病風險預(yù)測分層，并根據(jù)個人飲食生活習(xí)慣、微生態(tài)環(huán)境以及體質(zhì)狀況采取個性化的精準干預(yù)手段。