乳酸菌改善糖尿病代謝作用機(jī)制研究進(jìn)展

羅龍龍，任衛(wèi)合，蔡林海，劉斯汝，烏拉木別克·對(duì)謝喀德爾，Sharizah Alimat，丁功濤，宋 禮，羅 麗，陳士恩,,

（1.西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州 730124；2.西北民族大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究中心，中國(guó)-馬來(lái)西亞國(guó)家聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730124；3.甘肅省農(nóng)業(yè)工程規(guī)劃院，甘肅 蘭州 730046；4.馬來(lái)西亞化學(xué)局，飲用水食品和環(huán)境安全分析中心，雪蘭莪州八達(dá)靈再也 46661；5.甘南州牦牛乳研究院，甘肅合作 747000）

糖尿病是一類胰島素分泌缺陷或障礙引起的代謝性疾病，分為I 型和II 型。目前世界患有糖尿病的人數(shù)逐年增加，據(jù)國(guó)際糖尿病聯(lián)盟（IDF）數(shù)據(jù)，2017 年全球糖尿病患者約有4.25 億人，其中約80%的患者集中在中低收入國(guó)家，預(yù)計(jì)到2045 年患病人數(shù)可能達(dá)到6.29 億[1]。在這些病患中，中國(guó)占1.14 億并且有逐年上漲的趨勢(shì)[2-3]，這些患者中II 型糖尿?。═2DM）患者占90%以上。因此，糖尿病的預(yù)防和治療具有重要的意義。T2DM 主要癥狀為胰島素分泌不足、胰島素敏感性降低或者兩者皆有[4]，其次為脂肪、蛋白質(zhì)、水、電解質(zhì)代謝紊亂?，F(xiàn)在應(yīng)用較為廣泛的降糖藥物主要為雙胍類、促胰島素分泌類（包括磺酰脲類和非磺酰脲類）、噻唑烷二酮類、葡萄糖苷酶抑制劑等。然而傳統(tǒng)治療藥物仍然具有很大的局限性，例如腫脹、脹氣、腹瀉和繼發(fā)性衰竭、治療效果不理想等[5]，因此繼續(xù)尋找或開發(fā)新的降糖藥物是目前急需解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

乳酸菌是一類能分解碳水化合物產(chǎn)生大量乳酸的細(xì)菌統(tǒng)稱。乳酸菌分布廣泛，種類繁多，按照其形態(tài)分為球菌和桿菌，按生長(zhǎng)溫度可分為高溫型菌和中溫型菌。按來(lái)源可分為動(dòng)物源與植物源乳酸菌，按照發(fā)酵類型可分為異型發(fā)酵菌和同型發(fā)酵菌[6]。作為一種益生菌，乳酸菌功能豐富，具有增強(qiáng)機(jī)體免疫功能、降低膽固醇、緩解乳糖不耐受、預(yù)防癌癥、維持腸道微生態(tài)平衡等功能[7-9]。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)攝入乳酸菌能夠抑制α-葡萄糖苷酶[10]、豐富腸道菌群[11]、調(diào)節(jié)代謝的途徑[12]從而發(fā)揮治療糖尿病的作用。乳酸菌作為一種天然產(chǎn)物，具有副作用小的優(yōu)勢(shì)，降血糖乳酸菌的開發(fā)為未來(lái)治療和預(yù)防糖尿病能夠提供一種新的思路，對(duì)未來(lái)減少糖尿病患者的數(shù)量有著積極的作用。

本文主要從乳酸菌抑制α-葡萄糖苷酶活性[10]、調(diào)節(jié)胰島素信號(hào)傳導(dǎo)通路、糖代謝通路、脂代謝通路[12]、改善腸道菌群的豐度和完整性[11]等方面進(jìn)行論述。通過(guò)探討乳酸菌對(duì)II 型糖尿病造成的代謝損傷進(jìn)行改善修復(fù)，以期為未來(lái)研究乳酸菌改善糖尿病造成的機(jī)體損傷和預(yù)防糖尿病提供新的參考和思路。

1 對(duì)α-葡萄糖苷酶的抑制作用

在糖尿病的治療中，以抑制α-葡萄糖苷酶為主要的治療方法，其具體機(jī)制為α-葡萄糖苷酶抑制劑能夠競(jìng)爭(zhēng)性地與α-葡萄糖苷酶上的位點(diǎn)相結(jié)合，使攝入的食物中糖類分解降低，使多余的糖類物質(zhì)直接被排入大腸，從而降低了餐后血糖，見(jiàn)圖1。目前治療糖尿病的藥物中主要作用機(jī)制為抑制α-葡萄糖苷酶。例如米格列醇(Miglitol)、阿卡波糖（Acarbose）和伏格列波糖（Voglibose）等[13]，但是藥物的副作用很多，而乳酸菌引起的副作用少，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖1 抑制α-葡萄糖苷酶降低血糖原理Fig.1 Principle of inhibiting α-glucosidase to lower blood sugar

α-葡萄糖苷酶是一類能分解碳水化合物的關(guān)鍵酶統(tǒng)稱，廣泛分布在小腸各段上，主要位于小腸粘膜細(xì)胞刷狀緣上，在糖代謝中占據(jù)重要地位，篩選降血糖乳酸菌時(shí)其對(duì)α-葡萄糖苷酶的抑制作用是重要參考指標(biāo)。通過(guò)抑制α-葡萄糖苷酶能控制糖類進(jìn)入體內(nèi)代謝循環(huán)，降低血糖值。它的抑制與糖代謝相關(guān)。但目前研究中篩選降血糖乳酸菌是通過(guò)體外對(duì)α-葡萄糖苷酶抑制能力來(lái)進(jìn)行判別是否具有降血糖功能。因此研究α-葡萄糖苷酶的抑制能力十分重要。Li 等[14]從車前草中分離出植物乳桿菌對(duì)α-葡萄糖苷酶抑制能力達(dá)到32.19%，并且在隨后的研究結(jié)果中證明通過(guò)體外對(duì)乳酸菌α-葡萄糖苷酶抑制能力進(jìn)行篩選后，其在治療糖尿病中也表現(xiàn)出良好的效果。副干酪乳桿菌對(duì)糖尿病模型小鼠有良好的治療效果，并且能夠?qū)ι笜?biāo)的進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)α-葡萄糖苷酶的抑制能力達(dá)到31.89%[15]。因此，抑制α-葡萄糖苷酶的能力是降血糖乳酸菌篩選的重要指標(biāo)，也是乳酸菌治療糖尿病的作用機(jī)制之一。

2 乳酸菌對(duì)代謝通路的改善

糖尿病是一種代謝疾病，會(huì)導(dǎo)致多器官的并發(fā)癥。其對(duì)各種代謝途徑均會(huì)產(chǎn)生影響，主要為胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、糖代謝通路、脂質(zhì)代謝通路。而乳酸菌的攝入能通過(guò)影響其信號(hào)通路進(jìn)而對(duì)糖尿病造成的損傷起到改善作用。

2.1 乳酸菌攝入對(duì)胰島素信號(hào)傳導(dǎo)通路的調(diào)節(jié)

胰島素信號(hào)通路的功能障礙可能導(dǎo)致代償性高胰島素血癥，從而產(chǎn)生胰島素抵抗。乳酸菌能夠?qū)σ葝u素信號(hào)傳導(dǎo)通路中的相關(guān)分子進(jìn)行調(diào)控，對(duì)相關(guān)通路的信號(hào)分子進(jìn)行激活，促進(jìn)胰島素分泌，并對(duì)胰島素抵抗進(jìn)行改善，恢復(fù)胰島素的代謝功能[16]。近些年研究了乳酸菌對(duì)胰島素信號(hào)傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)作用，對(duì)乳酸菌治療影響胰島素抵抗的具體機(jī)制進(jìn)行了探討。

Li 等[17]研究發(fā)現(xiàn)口服酪乳桿菌可以通過(guò)PI3K/Akt 信號(hào)通路調(diào)節(jié)胰島素抵抗，通過(guò)介導(dǎo)PI3K/Akt 信號(hào)通路的激活，從而減輕T2DM 大鼠的胰島素抵抗。進(jìn)一步研究攝入乳酸菌對(duì)胰島素信號(hào)通路的調(diào)節(jié)，Korkmaz 等[18]發(fā)現(xiàn)攝入乳酸菌有效地促進(jìn)了IRS-1、eNOS 和AKT 的蛋白表達(dá)，然后對(duì)胰島素代謝通路進(jìn)行了調(diào)節(jié)，證明了乳酸菌的攝入能調(diào)節(jié)胰島素信號(hào)傳導(dǎo)途徑。Sumlu 等[19]研究發(fā)現(xiàn)飲食中的高果糖通過(guò)降低大鼠的IRS-1/2、PI3K、AKT和eNOS 的表達(dá)來(lái)抑制肝胰島素信號(hào)傳導(dǎo)，而植物乳桿菌的補(bǔ)充可以逆轉(zhuǎn)肝臟IRS-1/AKT/eNOS信號(hào)的減弱，恢復(fù)胰島素信號(hào)的傳導(dǎo)，瑞士乳桿菌也可以調(diào)節(jié)IRS-1 表達(dá)。

胰島素在細(xì)胞內(nèi)的作用是通過(guò)其受體（IR）的激活來(lái)啟動(dòng)的，信號(hào)通過(guò)IRS-1 和IRS-2 傳遞給其主要效應(yīng)器AKT 和eNOS[19]。在對(duì)模型小鼠的組織器官研究中，IR-1、IRS-2 和AKT 的表達(dá)或磷酸化降低，能夠揭示器官中胰島素抵抗的水平[20]。

2.2 乳酸菌攝入對(duì)糖代謝通路的調(diào)節(jié)

攝入乳酸菌能緩解糖尿病引起的高血糖，具體降低血糖的方式可分為兩種。乳酸菌能夠通過(guò)兩種途徑對(duì)單糖進(jìn)行分解代謝，即6-磷酸葡萄糖的形式進(jìn)入糖酵解或萊洛伊爾（Leloir）途徑進(jìn)行代謝；通過(guò)影響機(jī)體內(nèi)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)因子進(jìn)而從糖的重吸收等方面去影響葡萄糖的代謝。

在最近的研究中發(fā)現(xiàn)，腎臟中的特異性葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體SGLT2 和特殊果糖轉(zhuǎn)運(yùn)體GLUT5 這兩種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)上調(diào)，能使腎小管葡萄糖重吸收增加，進(jìn)而表明胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)下腎胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和SGLT2、GLUT5 表達(dá)之間的關(guān)系[21]。植物乳桿菌和瑞士乳桿菌的攝入降低了SGLT2 表達(dá)，限制了葡萄糖的重吸收，進(jìn)而對(duì)血糖進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，GSK-3B 是一種絲氨酸激酶，在肝糖原合成過(guò)程中起重要作用，它能抑制肝糖原合成酶（GS）活性，降低肝糖原合成。因此，抑制gsk-3B 可通過(guò)增加糖原合成和胰島素敏感性來(lái)改善T2D[22]。已有研究表明，副干酪鏈球菌能下調(diào)GSK-3 的表達(dá)，增加肝糖原含量，對(duì)糖尿病進(jìn)行治療[23]。Yadav 等[24]研究發(fā)現(xiàn)在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠中，葡萄糖的過(guò)度生成可能與肝臟糖異生作用的過(guò)度或組織對(duì)葡萄糖的利用降低有關(guān)。兩種糖異生關(guān)鍵酶，即葡萄糖-6-磷酸酶（G6Pase）和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（pepck）的RNA 表達(dá)在糖尿病患者的肝臟中增加[25]。用益生菌發(fā)酵乳治療后，肝臟中這些酶和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)明顯正?；虼私档土搜褐械钠咸烟撬?。

2.3 乳酸菌攝入對(duì)脂質(zhì)代謝通路的調(diào)節(jié)

糖尿病除了導(dǎo)致高血糖癥狀外，還能夠誘發(fā)高脂血癥。因此，脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)在糖尿病中起到重要影響。乳酸菌攝入能夠通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)通路降低血液中脂質(zhì)水平，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群對(duì)脂質(zhì)代謝通路進(jìn)行調(diào)控。

此前，有研究發(fā)現(xiàn)乳酸菌可以降低血液中的總膽固醇和低密度脂蛋白水平，并且對(duì)肝臟中的脂肪含量有著改善作用[26]。脂肪細(xì)胞分化的主要信號(hào)通路為：Wnt 信號(hào)通路、PPAR 通路、SREBP 通路、細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶/絲裂原活化蛋白激酶（ERK-MAPK）信號(hào)通路、單磷酸腺苷/蛋白激酶A（cAMP/PKA）信號(hào)通路和Hedgehog 信號(hào)通路[27]。通過(guò)之前的研究發(fā)現(xiàn)高糖飲食能夠顯著誘導(dǎo)大鼠肝臟產(chǎn)生脂質(zhì)的基因，具體表現(xiàn)為SREBP-1c、FAS 和Elvol6 的表達(dá)上調(diào)，而通過(guò)攝入具有治療糖尿病效果的乳酸菌后，基因的表達(dá)得到明顯的改善，對(duì)肝臟中的脂質(zhì)積聚有抑制作用[28]。SREBP-1c 是SREBP 家族成員之一，參與脂肪酸代謝過(guò)程中酶的合成，如FAS[29]。蛋白水解酶S1P 和S2P 有助于SREBP 前體成熟，調(diào)節(jié)脂質(zhì)合成相關(guān)基因的表達(dá)。而在最近的研究中，發(fā)現(xiàn)短鏈脂肪酸（Short-chain fatty acid，簡(jiǎn)稱SCFAs）對(duì)腸道的脂代謝通路有影響，SCFAs 中的丁酸能夠激活脂代謝相關(guān)信號(hào)通路[12]。乳酸菌通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群進(jìn)而對(duì)肝臟中的脂代謝水平進(jìn)行了調(diào)節(jié)。路曉杰等[30]研究發(fā)現(xiàn)腸道菌含量升高，顯著抑制了脂質(zhì)代謝異常，而通過(guò)調(diào)整腸道微生物的比例，可顯著減少脂肪的堆積，并可普遍緩解脂質(zhì)代謝異常的病理癥狀。腸道內(nèi)微生物可以直接或間接影響脂質(zhì)代謝，還可以發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生SCFAs，在能量和脂質(zhì)代謝中起著重要的作用[31]。Qian 等[32]研究發(fā)現(xiàn)乳酸菌具有促進(jìn)小腸內(nèi)SCFAs 生成，影響肥胖小鼠脂質(zhì)代謝過(guò)程，調(diào)節(jié)小鼠脂質(zhì)代謝的作用。Zhao 等[33]發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌的補(bǔ)充增加了因高脂飲食減弱的AMPK 磷酸化，隨后增加了ACC 磷酸化水平。這些數(shù)據(jù)表明，植物乳桿菌NA136 的補(bǔ)充是通過(guò)AMPK 途徑磷酸化ACC，抑制SREBP-1/FAS 信號(hào)來(lái)達(dá)到降脂的目的。Park 等[34]研究發(fā)現(xiàn)益生菌可以改變腸道菌群，而腸道微生物群會(huì)顯著影響宿主的脂質(zhì)代謝。益生菌處理導(dǎo)致下調(diào)SREBP1、FAS 和SCD1 的表達(dá)，進(jìn)而對(duì)脂肪生成進(jìn)行抑制（見(jiàn)表1）。

表1 乳酸菌對(duì)代謝通路的調(diào)節(jié)Table 1 Regulation of metabolic pathways by lactic acid bacteria

3 乳酸菌攝入對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)

3.1 腸道菌群對(duì)炎癥修復(fù)作用

越來(lái)越多的研究證明II 型糖尿病與腸道菌群之間存在著聯(lián)系，而在研究乳酸菌治療糖尿病對(duì)腸道菌群所產(chǎn)生的具體影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，糖尿病和高脂飲食能夠使腸道內(nèi)的SCFAs 含量降低，乳酸菌攝入能夠通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群的豐度和含量進(jìn)而調(diào)節(jié)SCFAs，恢復(fù)腸道內(nèi)SCFAs 水平[35]。

Horie 等[35]對(duì)比分析了正常小鼠與T2DM 小鼠的腸道菌群，發(fā)現(xiàn)正常小鼠與糖尿病小鼠的腸道菌群的數(shù)量有著明顯的差異，這說(shuō)明糖尿病患者的腸道穩(wěn)態(tài)發(fā)生了改變。腸道菌群組成的調(diào)節(jié)可能有助于SCFAs 的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而對(duì)炎癥反應(yīng)有良好的治療效果。研究表明，腸道內(nèi)的SCFA 包括乙酸、丙酸和丁酸[36]。而通過(guò)補(bǔ)充乳酸菌，腸道內(nèi)的產(chǎn)酸菌豐度提高，進(jìn)而恢復(fù)腸道內(nèi)短鏈脂肪酸含量，SCFAs 對(duì)腸道內(nèi)的炎癥因子等有調(diào)節(jié)作用，因此發(fā)揮治療糖尿病的功能[37]。Wang 等[38]通過(guò)給糖尿病模型小鼠連續(xù)喂食干酪乳桿菌，對(duì)模型小鼠的腸道菌群的豐度和數(shù)量有著顯著的調(diào)節(jié)作用，并且對(duì)其涉及途徑研究發(fā)現(xiàn)，益生菌可以通過(guò)調(diào)節(jié)益生菌-腸道菌群-丁酸鹽-炎癥途徑來(lái)治療糖尿病造成的危害。通過(guò)對(duì)羅伊氏乳桿菌[39]的研究也證明了降血糖乳酸菌可以通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群影響腸道SCFAs 的含量，進(jìn)而對(duì)糖尿病造成的損傷起到治療效果。因此，降血糖乳酸菌可通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群的豐度、維持腸道微生物的穩(wěn)態(tài)和調(diào)節(jié)腸道激素的水平，進(jìn)而對(duì)糖尿病造成的損傷進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2 腸道菌群修復(fù)調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)水平

攝入乳酸菌可以改善腸道菌群的完整性，降低全身內(nèi)毒素（LPS）水平、增加胰高血糖素樣肽-1（GLP-1），降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，提高外周胰島素敏感性，進(jìn)而對(duì)糖尿病造成的損傷起到治療作用。

研究乳酸菌治療糖尿病的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期的高脂飲食喂養(yǎng)會(huì)導(dǎo)致腸道環(huán)境中菌群的降低和LPS 水平的升高[40]。在正常情況下，LPS 的滲漏是由腸道完整性控制的，而腸道完整性是由緊密連接蛋白（TJPs）維持的。TJPs 可防止LPS 進(jìn)入全身循環(huán)，但高脂飲食的攝入降低了TJP 的表達(dá)[41]。而乳酸菌可以通過(guò)對(duì)腸道完整性的修復(fù)從而改善這一情況。另外，研究表明腸道微生物群和多器官功能障礙之間存在著動(dòng)態(tài)的串?dāng)_，而某些菌株特異性益生菌可以對(duì)代謝紊亂起到有益的作用。通過(guò)口服攝入乳酸菌修復(fù)腸道菌群，可以治療糖尿病造成的損傷。這一途徑主要是調(diào)節(jié)了腸道菌群的數(shù)量以及種類，恢復(fù)正常腸道菌群水平，對(duì)體內(nèi)異常的代謝水平進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.3 通過(guò)腸道菌群預(yù)防糖尿病

高脂飲食的增加能使腸道菌群構(gòu)成發(fā)生變化[42]，而腸道內(nèi)的部分菌能夠分泌有害物質(zhì)對(duì)胰島細(xì)胞產(chǎn)生危害。乳酸菌的攝入能夠補(bǔ)充腸道菌群的豐度，抑制腸道內(nèi)有害細(xì)菌的生長(zhǎng)，對(duì)糖尿病起到預(yù)防的作用。Dumas 等[43]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群中含有谷氨酸脫羧酶，這說(shuō)明某些菌具有合成或分泌谷氨酸的能力，而谷氨酸的分泌能夠使腸源淋巴細(xì)胞破壞胰島細(xì)胞，從而引起糖尿病。而乳酸菌的攝入使腸道菌群得到補(bǔ)充，并且抑制其他菌的生長(zhǎng)，從而起到預(yù)防糖尿病的作用。

4 總結(jié)

糖尿病是一種代謝疾病，可以影響多器官多途徑的代謝。而目前通過(guò)乳酸菌改善糖尿病造成的損傷具有良好的效果，隨著對(duì)乳酸菌改善糖尿病損傷的進(jìn)一步研究，其具體機(jī)制也逐漸被發(fā)現(xiàn)。首先乳酸菌能夠通過(guò)抑制α-葡萄糖苷酶使進(jìn)入體內(nèi)的小分子糖含量降低，從而對(duì)餐后血糖的升高起到降低的作用。隨后通過(guò)改善腸道菌群的豐度和構(gòu)成，影響腸道菌群進(jìn)而對(duì)胰島素信號(hào)傳導(dǎo)通路、糖代謝和脂代謝進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而對(duì)糖尿病造成的一系列損傷進(jìn)行修復(fù)。綜上，乳酸菌能夠通過(guò)改善胰島素抵抗，調(diào)節(jié)胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、脂質(zhì)代謝、糖代謝，恢復(fù)腸道菌群對(duì)糖尿病造成的損傷進(jìn)行改善。

在針對(duì)乳酸菌降血糖的研究中，主要集中在通過(guò)腸道菌群的重建和豐富菌群數(shù)量以調(diào)節(jié)其他代謝途徑來(lái)治療糖尿病引起的并發(fā)癥，并對(duì)其具體機(jī)理進(jìn)行探究。乳酸菌作為一種天然產(chǎn)物，其毒副作用小，效果好。未來(lái)作為糖尿病的輔助治療藥物或者潛在開發(fā)藥物有著極大的前景。但目前食源性乳酸菌的臨床試驗(yàn)還很少，糖尿病人機(jī)體防御力很弱，而乳酸菌攝入可能引發(fā)感染。因此對(duì)可食用乳酸菌的篩選是未來(lái)研究的重要方向。另外很多乳酸菌并不適宜在腸道內(nèi)定植，因此通過(guò)生物工程的技術(shù)對(duì)乳酸菌進(jìn)行改造也是未來(lái)乳酸菌研究新的思路和方向。