腸道菌群在2型糖尿病中的作用機(jī)制及中藥的調(diào)控作用

周子鈞，紀(jì)越，李俊辰，宋逸飛，任桐

(1.天津中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院腎病科，天津 300382； 2.國(guó)家中醫(yī)針灸臨床醫(yī)學(xué)研究中心，天津 300382)

2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)是一種由于胰島素分泌不足或胰島素抵抗而引起的慢性代謝性疾病。研究表明，預(yù)計(jì)2045年T2DM將影響全球6.93億人[1]。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)認(rèn)為T2DM發(fā)病與氧化應(yīng)激、胰高血糖素分泌異常、炎癥反應(yīng)等因素密切相關(guān)，但具體機(jī)制尚未完全明確[2]。隨著對(duì)腸道菌群與T2DM關(guān)系研究的深入，近年來(lái)發(fā)現(xiàn)腸道菌群在T2DM的發(fā)病中也起重要作用[3]。在中醫(yī)學(xué)中，糖尿病被認(rèn)為是“消渴”病，“消渴”是一種由于先天不足、飲食失節(jié)、情志失調(diào)、勞倦內(nèi)傷等導(dǎo)致的以多飲、多尿、乏力、消瘦或尿糖高為主要癥狀的病癥，其臨床癥狀與糖尿病相似，病機(jī)多為陰津虧損、燥熱偏盛，故臨床上對(duì)糖尿病的治療大多以消渴論治。其中中藥治療T2DM的療效較好，同時(shí)具備毒副作用小、兼治并發(fā)癥的優(yōu)點(diǎn)，在臨床上發(fā)揮著重要作用[4]。由于中藥大多以口服劑型為主，腸道菌群在這些藥物發(fā)揮藥效的過(guò)程中起重要作用[5]，然而腸道菌群在T2DM發(fā)病中的作用及中藥與腸道菌群之間的調(diào)節(jié)機(jī)制尚未完全明確?，F(xiàn)就常見(jiàn)的腸道菌群及其代謝產(chǎn)物在T2DM發(fā)病過(guò)程中的作用以及中藥調(diào)節(jié)腸道菌群治療T2DM的具體機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 腸道菌群與T2DM的關(guān)系

人類腸道中共生著大量微生物，數(shù)量可達(dá)1014個(gè)，組成極其復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，并保持一種相對(duì)平衡狀態(tài)，維持機(jī)體的正常生理功能[6]。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)腸道菌群通過(guò)短鏈脂肪酸(short chain fatty acid,SCFA)代謝、膽汁酸代謝、支鏈氨基酸(branched chain amino acid,BCAA)代謝、脂多糖分泌等途徑在T2DM的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用，見(jiàn)圖1。研究表明，腸道菌群平衡失調(diào)可能導(dǎo)致T2DM的發(fā)生發(fā)展[7-8]，其中T2DM患者腸道菌群α、β多樣性均顯著降低，菌群豐度明顯減少[9]。動(dòng)物模型中，與正常組相比，T2DM組大鼠腸道中Bacteroidetes和Alistipes菌群數(shù)量均下調(diào)，而Firmicutes和Blautia菌群數(shù)量上調(diào)，F(xiàn)irmicutes/Bacteroidetes明顯升高[10]。但也有實(shí)驗(yàn)得出相反的結(jié)果，與正常組相比，T2DM組大鼠腸道中Firmicutes菌群數(shù)量減少，Bacteroidetes菌群豐度增加[11]。這可能與單個(gè)菌群的多個(gè)作用及菌群之間的相互作用有關(guān)，如Bacteroidetes菌群是革蘭陰性菌，數(shù)量增多會(huì)刺激脂多糖的分泌，進(jìn)而加劇胰島素抵抗[12]，但同時(shí)該菌群也包含SCFA產(chǎn)生菌(如Prevotella菌群)，其數(shù)量增多會(huì)刺激SCFA的分泌，緩解胰島素抵抗[13]。由此可見(jiàn)，腸道菌群通過(guò)多靶點(diǎn)、多途徑對(duì)T2DM進(jìn)行調(diào)控。此外，菌群衍生代謝物(如丙酸咪唑、琥珀酸和對(duì)甲酚)也與宿主胰島素抵抗相關(guān)，進(jìn)而影響T2DM的發(fā)生發(fā)展[14-15]。Deferribacteres菌群與鐵代謝有關(guān)[16]，鐵代謝異?？蓪?dǎo)致T2DM的發(fā)生[17]。以上證據(jù)表明，腸道菌群與T2DM密切相關(guān)，具體作用機(jī)制分為以下幾點(diǎn)。

1.1腸道菌群通過(guò)SCFA代謝影響T2DM SCFA是腸道菌群發(fā)酵食物產(chǎn)生的一種代謝產(chǎn)物，主要包含乙酸、丙酸和丁酸，其中丁酸是腸上皮細(xì)胞的主要能源之一，對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)分化起重要作用，主要由Firmicutes菌群產(chǎn)生；乙酸是膽固醇和脂肪酸合成的前體，而丙酸則是糖異生的底物，兩者主要由Bacteroidetes菌群產(chǎn)生[18-19]。SCFA在人體發(fā)揮重要的生理功能，如調(diào)節(jié)腸道菌群、維持酸性環(huán)境、提供能量以及維持腸黏膜屏障完整性等，其中丁酸鹽可抑制炎癥反應(yīng)，乙酸鹽和丙酸鹽可影響糖代謝[20]，所以SCFA常被認(rèn)為是預(yù)防和治療T2DM的營(yíng)養(yǎng)靶點(diǎn)[15]。Wang等[21]研究表明，調(diào)節(jié)腸道菌群有助于SCFA的轉(zhuǎn)化，而SCFA特別是丁酸鹽，可顯著抑制腫瘤壞死因子-α和白細(xì)胞介素-6等促炎因子的分泌，進(jìn)而改善胰島素抵抗。近年來(lái)有學(xué)者指出，紊亂的腸道菌群與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相互作用生成過(guò)多的乙酸鹽，通過(guò)腦-腸軸持續(xù)刺激胰島素分泌，最終導(dǎo)致胰島素抵抗[22]。此外，SCFA還可通過(guò)調(diào)節(jié)胃腸道激素分泌，改善胰島素敏感性，最終降低血糖。酪酪肽具有提高胰島素敏感性和改善胰島細(xì)胞功能的作用，而胰高血糖素樣肽1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)可促進(jìn)胰島素分泌、胰島β細(xì)胞修復(fù)再生。SCFA與G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor，GPR)41和GPR43結(jié)合可促使腸內(nèi)分泌酪酪肽和GLP-1，進(jìn)而刺激胰島素分泌[23-24]；同時(shí)SCFA與GPR41和GPR43的結(jié)合也可抑制核因子κB在宿主免疫細(xì)胞中的激活，減輕炎癥反應(yīng)，進(jìn)而保護(hù)胰島β細(xì)胞[18]。但有學(xué)者認(rèn)為，SCFA刺激酪酪肽和GLP-1的分泌可能與GPR41和GPR43無(wú)關(guān)，在離體實(shí)驗(yàn)中，GPR43特異性激動(dòng)劑對(duì)GLP-1和酪酪肽輸出無(wú)顯著影響，而GPR41特異性拮抗劑也未降低由乙酸和丁酸刺激的GLP-1或酪酪肽分泌[25]。但腸道菌群紊亂會(huì)嚴(yán)重影響SCFA的生成，進(jìn)而影響T2DM的發(fā)生發(fā)展[26]。

1.2腸道菌群通過(guò)膽汁酸代謝影響T2DM 膽汁酸是人體膽固醇代謝、脂質(zhì)消化和其他調(diào)節(jié)途徑的重要組成部分，在肝臟中膽汁酸與甘氨酸結(jié)合，于回腸處再攝取后到達(dá)腸-肝循環(huán)，以梭狀芽孢桿菌為主的部分菌群在膽鹽水解酶和7α脫羥酶的作用下，將初級(jí)膽汁酸轉(zhuǎn)化為次級(jí)膽汁酸，激活法尼醇X受體和GPR5等關(guān)鍵核受體[27]。其中，初級(jí)膽汁酸主要激活法尼醇X受體，次級(jí)膽汁酸主要激活GPR5，兩者均在維持糖代謝穩(wěn)態(tài)、改善胰島素抵抗過(guò)程中發(fā)揮重要作用[28]。膽汁酸和法尼醇X受體通過(guò)小異二聚體伴侶級(jí)聯(lián)抑制肝糖異生途徑中磷酸烯醇丙酮酸羧激酶、葡萄糖6磷酸酶和果糖1,6-二磷酸酶的活性，進(jìn)而抑制糖異生，改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)，緩解T2DM[29]；次級(jí)膽汁酸與GPR5結(jié)合，促進(jìn)GLP-1的分泌，上調(diào)胰島素分泌，緩解胰島素抵抗[30]。然而，有研究表明，長(zhǎng)期直接刺激法尼醇X受體也會(huì)減少膽汁酸池的容量，從而導(dǎo)致機(jī)體能量消耗的減少和胰島素抵抗的增強(qiáng)，反而誘發(fā)肥胖和糖尿病[31]。因此，維持膽汁酸代謝平衡對(duì)改善T2DM十分關(guān)鍵，而腸道菌群作為膽汁酸代謝中的重要一環(huán)，其平衡也至關(guān)重要。但腸道菌群對(duì)膽汁酸的調(diào)節(jié)不是單向的，如牛黃膽酸等初級(jí)膽汁酸也能向腸道細(xì)菌提供歸巢信號(hào)，促進(jìn)孢子萌發(fā)，使其可能以休眠和無(wú)毒的形式存在，并有利于抗生素和毒素引起的菌群失調(diào)的恢復(fù)[32]?？傊c道菌群紊亂，膽汁酸代謝平衡亦會(huì)隨之紊亂，反之亦然，最終影響正常的能量代謝，加劇T2DM進(jìn)程。

1.3腸道菌群通過(guò)BCAA代謝影響T2DM BCAA是指α碳上含有側(cè)鏈的氨基酸，包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸，是人體內(nèi)重要的營(yíng)養(yǎng)代謝信號(hào)分子，而BCAA的合成與腸道菌群密切相關(guān)，Prevotellacopri和Bacteroidesvulgatus菌群是合成BCAA的主要菌群，經(jīng)Prevotellacopri喂養(yǎng)3周正常小鼠血清中BCAA水平明顯升高[33]。多項(xiàng)研究認(rèn)為，BCAA及其代謝產(chǎn)物與胰島素抵抗密切相關(guān)[34-35]，高劑量的BCAA膳食可增加胰島素抵抗的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，并可加速T2DM的發(fā)展[36]。然而目前BCAA誘導(dǎo)胰島素抵抗的機(jī)制仍存在爭(zhēng)議，有學(xué)者認(rèn)為哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是BCAA和胰島素之間的中心信號(hào)[37]，BCAA和胰島素均可激活mTOR，被激活的mTOR激活核糖體蛋白S6激酶1，核糖體蛋白S6激酶1通過(guò)磷酸化S6調(diào)控信使RNA的翻譯啟動(dòng)[38]，而過(guò)度激活的核糖體蛋白S6激酶1和mTOR可負(fù)向調(diào)節(jié)蛋白激酶B，誘導(dǎo)胰島素底物受體1絲氨酸磷酸化，抑制胰島素底物受體1與胰島素受體之間的作用，從而發(fā)生胰島素抵抗[39]。有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，BCAA雖然對(duì)mTOR的生物活性有影響，但對(duì)糖尿病患者的代謝無(wú)明顯改變[40]，表明BCAA并非通過(guò)mTOR導(dǎo)致胰島素抵抗。此外，有研究表明BCAA可通過(guò)磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B途徑負(fù)性調(diào)控Krüppel樣因子15，進(jìn)而影響糖脂代謝[41-42]。表明腸道菌群所調(diào)控的BCAA代謝在T2DM的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。

1.4腸道菌群通過(guò)脂多糖影響T2DM 脂多糖又稱內(nèi)毒素，是腸道菌群中革蘭陰性菌細(xì)胞壁的組成成分，是體內(nèi)重要的炎癥刺激物。T2DM被認(rèn)為是一種慢性炎癥狀態(tài)，各種促炎因子在T2DM的發(fā)病中發(fā)揮重要作用，腸道菌群紊亂會(huì)產(chǎn)生大量的脂多糖，脂多糖與免疫細(xì)胞表面的Toll樣受體4結(jié)合，激活下游髓樣分化因子88和核因子κB等炎癥信號(hào)通路，促進(jìn)促炎因子(如腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-1和白細(xì)胞介素-6)的分泌，進(jìn)而誘導(dǎo)加重胰島素抵抗[43-47]。同時(shí)，異常的菌群(如Desulfovibrio菌群)也會(huì)導(dǎo)致腸壁通透性改變，促使脂多糖進(jìn)入血循環(huán)，形成內(nèi)毒素血癥，加劇炎癥反應(yīng)和胰島素抵抗[48]。此外，關(guān)于T2DM與炎癥反應(yīng)的研究指出，長(zhǎng)期高水平的脂多糖持續(xù)刺激可能使中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞產(chǎn)生耐受性，在受到刺激時(shí)不能分泌足夠的促炎因子，進(jìn)而影響機(jī)體的免疫應(yīng)答，表明脂多糖對(duì)T2DM的進(jìn)程有重要作用，因此改善腸道菌群，調(diào)控脂多糖分泌對(duì)T2DM的治療至關(guān)重要[49-50]。

2 中藥在治療T2DM中對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)

腸道菌群紊亂與T2DM的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，因此，調(diào)節(jié)腸道菌群，恢復(fù)菌群穩(wěn)態(tài)作為T2DM的新型治療方法備受關(guān)注，主要包括糞便移植、益生菌、減重手術(shù)和抗生素等。此外，中藥治療T2DM的療效較好，且具有毒副作用小、輔助降糖和同時(shí)治療并發(fā)癥等優(yōu)點(diǎn)[4]。中醫(yī)學(xué)中將糖尿病歸于“消渴”，其病機(jī)多為陰虛燥熱，并根據(jù)不同的證型采取不同的中藥進(jìn)行治療，但具體作用機(jī)制尚不明確[51]。中藥大多以口服劑型為主，腸道菌群在這些藥物發(fā)揮藥效的過(guò)程起重要作用，見(jiàn)圖2。研究中藥與腸道菌群相互作用的機(jī)制，可以更加合理且有效地使用中藥，同時(shí)為中醫(yī)藥治療T2DM的臨床應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

2.1中藥單體治療T2DM中對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié) 青錢柳是我國(guó)一種特有的藥食同源珍稀植物，具有改善血糖的作用。青錢柳多糖干預(yù)后，糖尿病大鼠腸道菌群中Spirochaetes和Proteobacteria菌群豐度明顯降低，而Ruminococcaceae、Eubacteriaceae和Lachnospiraceae菌群豐度顯著增高，其中Ruminococcaceae和Lachnospiraceae菌群被證明與SCFA的產(chǎn)生密切相關(guān)，具備分泌SCFA的能力；健康人體糞便樣本的體外培養(yǎng)中同樣觀察到青錢柳多糖可增加SCFA產(chǎn)生菌的菌群豐度，表明青錢柳多糖通過(guò)改善T2DM患者的腸道菌群促進(jìn)SCFA的分泌，進(jìn)而緩解T2DM[52]。

黃精在臨床上也常用來(lái)治療T2DM，其中黃精總皂苷和黃精總多糖是中藥黃精的主要活性成分，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中黃精總皂苷和黃精總多糖的干預(yù)均增加了糖尿病大鼠腸道菌群中Firmicutes菌群數(shù)量，減少了Bacteroidetes和Proteobacteria菌群數(shù)量，其中Bacteroidetes和Proteobacteria菌群數(shù)量與脂多糖的分泌呈正相關(guān)，表明黃精總皂苷和黃精總多糖能選擇性地促進(jìn)腸道菌群中一些有益細(xì)菌的生長(zhǎng)，抑制脂多糖的分泌，進(jìn)而改善胰島素抵抗[53]。其中黃精多糖還可通過(guò)調(diào)節(jié)SCFA產(chǎn)生菌(如Bifidobacterium、Streptococcus和Blautia菌群)，調(diào)節(jié)腸道菌群多樣性，促進(jìn)SCFA分泌，改善糖脂代謝紊亂[13]。

LPS：脂多糖；SCFA：短鏈脂肪酸；BCAA：支鏈氨基酸；T2DM：2型糖尿??；中藥復(fù)方AMC包含8味中藥(知母、苦瓜、黃連、丹參、紅曲米、蘆薈、五味子、干姜)

大黃蒽醌苷是傳統(tǒng)中藥大黃的生物活性成分之一，在治療T2DM、調(diào)節(jié)腸道菌群中也有較好的療效，實(shí)驗(yàn)表明大黃蒽醌苷能上調(diào)Lactobacillus、Roseburia和Akkermansia菌群豐度，進(jìn)而促進(jìn)SCFA的分泌，激活GLP-1/cAMP信號(hào)途徑，改善胰島素抵抗，此外大黃蒽醌苷還可降低Desulfovibrio菌群數(shù)量，減少脂多糖的分泌，保護(hù)腸道完整性，從而抑制慢性炎癥反應(yīng)，改善T2DM[48]。

小檗堿是黃連的主要有效成分，近年來(lái)已被證實(shí)在T2DM的治療中有較好的療效。以往研究認(rèn)為，小檗堿通過(guò)下調(diào)Firmicutes菌群豐度，上調(diào)Bacteroidetes菌群豐度，進(jìn)而抑制脂多糖分泌，促進(jìn)SCFA分泌，改善糖脂代謝[54]。近年研究指出，小檗堿還可能通過(guò)抑制BCAA的生成緩解胰島素抵抗，與T2DM組小鼠相比，小檗堿組小鼠體內(nèi)BCAA產(chǎn)生菌(如Streptococcaceae、Clostridiaceae和Prevotellaceae)菌群豐度明顯減少，血清BCAA顯著降低[55]。

2.2中藥復(fù)方治療T2DM中對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié) 黃芩-黃連是臨床常用于治療T2DM的藥物。一項(xiàng)對(duì)T2DM小鼠的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病組與黃芩-黃連干預(yù)組腸道菌群中Bacteroidetes和Firmicutes比例比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，指出黃芩-黃連可能通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群抑制脂多糖分泌，進(jìn)而抑制Toll樣受體4/髓樣分化因子88信號(hào)通路，減輕炎癥反應(yīng)，緩解胰島素抵抗[56]。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，經(jīng)過(guò)黃芩-黃連治療的T2DM大鼠腸道菌群中SCFA產(chǎn)生菌Bacteroidales S24-7 group_norank，[Eubacterium]nodatum group，Parasutterella，Prevotellaceae UCG-001，Ruminiclostridium，Ruminiclostridium 9菌群數(shù)量顯著增加，表明黃芩-黃連通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群增加SCFA的分泌，進(jìn)而改善胰島素抵抗[57]。

黃連解毒湯在臨床上常用來(lái)治療T2DM，黃連解毒湯通過(guò)上調(diào)Parabacteroides Blautia和Akkermansia菌群豐度，調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，促進(jìn)SCFA分泌，明顯改善T2DM大鼠的高血糖和炎癥反應(yīng)[58]。

瀉心湯出自張仲景的《金匱要略》，常用來(lái)治療脾胃系統(tǒng)疾病，臨床也常用于治療T2DM，有研究指出，經(jīng)瀉心湯治療T2DM大鼠腸道菌群中SCFA產(chǎn)生的Alloprevotella、Barnesiella、[Eubacterium] Ventriosum、Lachnospiraceae UCG-001、Papillibacter菌群豐度明顯增加，而Adlercreutzia和Blautia菌群豐度則降低，表明瀉心湯通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群上調(diào)SCFA的分泌，同時(shí)增加腸道完整性，抑制炎癥反應(yīng)，進(jìn)而改善胰島素抵抗[59]；Blautia菌群是一種產(chǎn)生乙酸的菌群，被認(rèn)為可改善T2DM，但在該實(shí)驗(yàn)中菌群豐度減少，可能是與相同功能的菌群競(jìng)爭(zhēng)抑制所致[59]。

金芪降糖片是臨床治療T2DM的中成藥，但具體機(jī)制尚未完全明確，有研究指出，低劑量的金芪降糖片通過(guò)上調(diào)Akkermansia菌群豐度促進(jìn)SCFA特別是丁酸的分泌，維持腸黏膜完整，抑制炎癥反應(yīng)，同時(shí)降低Desulfovibrio菌群數(shù)量，減少脂多糖的分泌，并抑制炎癥反應(yīng)，改善胰島素抵抗[60]。

中藥復(fù)方AMC(知母、苦瓜、黃連、丹參、紅曲米、蘆薈、五味子和干姜)治療T2DM的實(shí)驗(yàn)顯示，與二甲雙胍相比，AMC對(duì)T2DM的治療效果更好[5]。其中AMC通過(guò)改變腸道菌群結(jié)構(gòu)，增加SCFA產(chǎn)生菌(Blautia、Faecalibacterium、Roseburia等)的菌群豐度，改善T2DM患者的血脂、血糖代謝和胰島素抵抗，進(jìn)而緩解T2DM[5]。

3 小 結(jié)

腸道菌群通過(guò)SCFA代謝、膽汁酸代謝、BCAA代謝、脂多糖分泌等途徑與T2DM的發(fā)生密切相關(guān)，調(diào)節(jié)腸道菌群能明顯改善胰島素抵抗，緩解T2DM，這為T2DM的防治提供了新思路、新靶點(diǎn)。中醫(yī)藥作為我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)，對(duì)T2DM的治療效果顯著，中藥大多以口服為主，對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)在治療疾病中發(fā)揮著重要作用。中藥通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群改善T2DM患者體內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)、促進(jìn)有益菌群豐度增加，進(jìn)而緩解T2DM。但由于目前技術(shù)的局限性，仍有許多機(jī)制尚未完全明確，深入研究腸道菌群在中藥治療T2DM過(guò)程中的作用機(jī)制，將為中藥的臨床使用提供分子生物學(xué)支持，為中醫(yī)藥現(xiàn)代化提供理論基礎(chǔ)。