基于腸道菌群治療2型糖尿病的研究進(jìn)展

殷瑞霞 皇甫建 肖 瑞

1 內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特市 010110； 2 內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院內(nèi)分泌科； 3 內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)分子病理學(xué)重點實驗室

2型糖尿病(Type 2 diabetes mellitus，T2DM)是一組由遺傳因素及環(huán)境因素共同作用導(dǎo)致的以胰島素抵抗和胰島素分泌不足為主要特征的代謝性疾病。2017年全世界約有4.25億人患糖尿病，預(yù)計到2045年這一數(shù)字將超過6.29億，其中T2DM患者占所有糖尿病患者的90%～95%。越來越多的研究表明，腸道菌群失調(diào)通過復(fù)雜的機(jī)制誘發(fā)腸道局部和全身慢性低度炎癥反應(yīng)，參與T2DM和肥胖等代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展。因此，相關(guān)的機(jī)制研究和基于腸道菌群防治T2DM的研究成為近年來的研究熱點。

1 腸道菌群概述

人體內(nèi)定植于胃腸道的微生物約占1kg，數(shù)量超過1014，是人體細(xì)胞數(shù)的10倍多，可大致可分為有益菌、條件致病菌、有害菌三類，有益菌主要包括乳酸桿菌、雙歧桿菌、類桿菌等, 約占99%，對維持人體正常生理功能具有重要的作用；條件致病菌如腸球菌、腸桿菌等，在腸道微生態(tài)處平衡狀態(tài)時無害, 在特定條件下具有侵襲性；病原菌也稱有害菌, 很少長期定植在腸道內(nèi)。正常狀態(tài)下腸道菌群相對穩(wěn)定，細(xì)菌的高代謝活性與宿主的免疫系統(tǒng)相互作用影響，在腸道內(nèi)保持共生與拮抗的關(guān)系，參與人體各種生理和病理過程。

2 腸道菌群失調(diào)與T2DM

2.1 代謝性內(nèi)毒素血癥與T2DM 脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)是革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁的主要成分。T2DM患者腸道內(nèi)有害菌群增多, 有益菌群減少，LPS大量入血。LPS與脂多糖結(jié)合蛋白(LBP)、CD14結(jié)合，構(gòu)成LPS-LBP-CD14復(fù)合物，激活Toll樣受體4(Toll-like receptor-4,TLR-4)，通過TLR4/MyD88依賴性信號通路激活免疫細(xì)胞，致腸道局部炎癥持續(xù)惡化；還通過激活核因子κB (Nuclear factor κB, NF-κB)，增加腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-1(Interleukin, IL-1)、IL-6等促炎細(xì)胞因子轉(zhuǎn)錄并大量釋放，產(chǎn)生炎性級聯(lián)反應(yīng)；此外，LPS和炎癥因子能活化脂肪、肝臟和肌肉組織中的巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞，誘導(dǎo)組織慢性持續(xù)炎癥，加重胰島素抵抗[1]。

2.2 短鏈脂肪酸與T2DM 腸道厭氧菌發(fā)酵宿主結(jié)腸內(nèi)不可消化的復(fù)雜碳水化合物，產(chǎn)生乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸(Short chain fatty acids, SCFAs)。SCFAs激活腸上皮的受體GPR41、GPR43，促進(jìn)胃腸激肽YY(PYY)、胰高血糖素樣肽-1(Glucagon-like peptide-1,GLP-1)分泌，延長食物轉(zhuǎn)運(yùn)時間，增加能量利用率。乙酸鹽是哺乳動物肝內(nèi)糖異生和脂肪生成的主要底物。丙酸鹽與丁酸鹽通過互補(bǔ)機(jī)制調(diào)節(jié)糖異生基因表達(dá)。丁酸鹽通過調(diào)節(jié)人樹突狀細(xì)胞，抑制組蛋白去乙?；富钚?，弱化了脂肪細(xì)胞與巨噬細(xì)胞間炎癥相互作用；同時可能與結(jié)腸上皮細(xì)胞增殖有密切關(guān)系，在改善內(nèi)毒素血癥中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

2.3 膽汁酸信號通路與T2DM 膽汁酸(Bile acids, BAs)是膽固醇代謝的衍生產(chǎn)物，BAs參與血糖調(diào)節(jié)的主要受體是核受體法尼醇X受體(Farnesoid X receptor,FXR)。FXR在肝臟和腸道高表達(dá)，可刺激胰島β細(xì)胞分泌胰島素，增加脂肪細(xì)胞對胰島素的敏感性；同時促進(jìn)L細(xì)胞分泌GLP-1，改善血糖控制。Parséus等人研究[2]表明，腸道菌群通過影響B(tài)As譜和嚴(yán)格的FXR依賴方式促進(jìn)飲食誘導(dǎo)的肥胖、脂肪炎癥和肝臟脂肪變性，參與胰島素抵抗及T2DM的發(fā)生。相反，Zheng等人研究[3]發(fā)現(xiàn)，Bas似乎也能通過FXR介導(dǎo)的通路對腸道菌群進(jìn)行修飾。

3 基于腸道菌群治療T2DM的研究進(jìn)展

3.1 飲食干預(yù) 膳食纖維能增加飽腹感、減少體重增加、降低血糖和膽固醇水平，同時能明顯增加腸道菌群多樣性。Meta分析[4]顯示，每日增加15～30g纖維攝入即可降低糖尿病成年人過早死亡風(fēng)險。Weickert 等人研究[5]表明，高度不溶性谷類食物和全谷類食物的攝入量與該影響密切相關(guān)，它們發(fā)酵程度低，不易引起餐后血糖波動，還可能通過干擾膳食蛋白質(zhì)的吸收，改善雷帕霉素/S6K1途徑介導(dǎo)的胰島素抵抗；此外，水果和蔬菜中多為可溶性膳食纖維，易于發(fā)酵形成短鏈脂肪酸和黏性凝膠從而延緩吸收，能增加能量利用率，降低腸道炎癥反應(yīng)。支鏈氨基酸(Branched-chain amino acids，BCAA)占總蛋白攝入量的20%，被認(rèn)為是增加T2DM發(fā)病風(fēng)險的潛在因素。Karusheva等人[6]研究表明，短期減少膳食中BCAA攝入量可顯著降低膳食誘導(dǎo)的胰島素分泌，改善餐后胰島素敏感性，提高白色脂肪組織的線粒體效率；隨實驗實間延長，循環(huán)中成纖維細(xì)胞生長因子-21的濃度和腸道擬桿菌豐度增加，但全身胰島素敏感性不受影響。綜上，合理增加飲食中高不溶性膳食纖維并減少BCAA攝入，或可作為飲食干預(yù)T2DM的一種研究思路。

3.2 益生菌、益生元和合生元 益生菌產(chǎn)品是一種或多種微生物菌株的混合物，能抵抗高脂飲食誘導(dǎo)的小鼠胰島素抵抗和糖尿病的進(jìn)展，并能降低內(nèi)臟與皮下脂肪比率[7]。最新一項隨機(jī)雙盲臨床研究[8]，給志愿者口服Akkermansia菌補(bǔ)充劑3個月，肥胖患者空腹胰島素水平下降約30%，血LPS下降，胰島素敏感性相應(yīng)提高，且受試者表現(xiàn)出良好的安全性和耐受性。Akkermansia菌定植于腸黏膜層并調(diào)節(jié)基礎(chǔ)代謝，有可能成為新一代的益生菌。益生元是指宿主微生物選擇性作用、對宿主健康有益的底物。Zhao等人[9]研究表明，海參多糖能改善Goto-Kakizaki大鼠糖耐量，增加腸道中產(chǎn)SCFAs菌并減少糞便中的機(jī)會性細(xì)菌病原體，且高劑量海參多糖可顯著上調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體α(Peroxisome proliferator-activated receptor-α，PPAR-α)、PPAR-γ、磷酸肌酶-3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)、蛋白激酶B(Protein kinase B，PKB/AKT)、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-4(Glucose transporter-4,GLUT4)和抗凋亡蛋白-2(anti-apoptotic,Bcl-2)的基因表達(dá)，并下調(diào)促凋亡蛋白(pro-apoptotic,Bax)和CD36的基因表達(dá)水平，具有改善T2DM的潛力。合生元是益生菌和益生元的組合，二者的健康益處協(xié)同增效。目前，益生元、益生菌和合生元已被證明在改善T2DM代謝紊亂中有積極作用，但劑量與療效的關(guān)系尚未量化，且臨床試驗的可重復(fù)性仍需研究驗證。

3.3 降糖藥物 二甲雙胍是T2DM治療的一線用藥，二甲雙胍治療個體的腸道菌群具有更高的產(chǎn)丁酸和丙酸潛力，較高水平的SCFAs可恢復(fù)鈉葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體-1(Sodium-glucose transporter-1,SGLT1)的表達(dá)并增強(qiáng)腸道葡萄糖攝??；另外，二甲雙胍治療組腸桿菌豐度減少、大腸桿菌增加，大腸桿菌對氧化應(yīng)激具有抗性，這可能是二甲雙胍參與抵抗腸道炎癥的間接證據(jù)，同時大腸桿菌的增加可能與二甲雙胍的胃腸道不良反應(yīng)相關(guān)[10]。另有研究[11]，給予高淀粉飲食小鼠大劑量阿卡波糖治療，能產(chǎn)生與二甲雙胍類似的療效，但停藥后菌群組成迅速恢復(fù)?？梢?，腸道菌群或許是抗高血糖藥物發(fā)揮作用的潛在承擔(dān)者。

3.4 減肥手術(shù) 減肥手術(shù)是治療T2DM及干預(yù)病態(tài)肥胖相關(guān)高血糖的有效措施之一。Roux-en-Y胃旁路術(shù)及袖狀胃切除術(shù)是兩種常用術(shù)式，現(xiàn)有研究表明，單吻合胃旁路術(shù)較二者似乎能獲得更長效的減肥效果[12]。Dao等人研究[13]表明，減肥手術(shù)能實現(xiàn)T2DM的中長期緩解，腸道菌群對宿主葡萄糖代謝的影響可能是飲食依賴性的；此外，手術(shù)部位下段Akkermansia相對增加或可促進(jìn)術(shù)后腸道菌群重組，但重度肥胖者術(shù)后Akkermansia 菌豐度的增加與代謝有利改善可能無關(guān)。減肥手術(shù)機(jī)制復(fù)雜，不能簡單以減少胃腸道吸收量來解釋，其之于改善術(shù)后血糖控制，除快速的減重外，似乎可解釋為早期肝臟胰島素敏感性增強(qiáng)和隨后的外周胰島素敏感性改善，以及與餐后GLP-1過度分泌相關(guān)的餐后胰島素分泌增加[14]。

3.5 中草藥和植物提取化合物 近年來，中草藥及植物提取化合物治療T2DM相關(guān)研究逐漸增加。He等人[15]發(fā)現(xiàn)，黃連素能降低全身LPS水平，通過Wnt/β-catenin信號通路拮抗LPS的信號介導(dǎo)作用，改善腸通透性，抑制脂肪細(xì)胞增生，減輕胰島素抵抗。Li等人研究[16]表明，氧化小檗堿通過下調(diào)TLR4和MyD88的蛋白表達(dá)，明顯抑制TLR4/MyD88/NF-κB信號通路。Xu等人[17]發(fā)現(xiàn)，來源于茯苓的16α-羥基-氫化松苓酸能改善TNF-α誘導(dǎo)的Caco-2單層腸上皮損傷，抑制LPS誘導(dǎo)的NO生成和下游炎癥因子的表達(dá)，通過糖皮質(zhì)激素受體介導(dǎo)的PI3K/Akt/NF-κB途徑改善了腸屏障功能。可見，中草藥及植物提取化合物不但對下調(diào)腸道菌群失調(diào)相關(guān)炎癥反應(yīng)有積極作用，且能促進(jìn)腸屏障結(jié)構(gòu)恢復(fù)，有較大研究潛力，或可作為治療性飲食成為靶向治療T2DM的一種新策略。

3.6 糞菌移植(Fecal microbiota transplantation,FMT) FMT在T2DM的治療當(dāng)中有廣闊的應(yīng)用前景，有研究[18]給肥胖受者在接受瘦供者糞菌移植后，腹部脂肪明顯減少。Kootte等人[19]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)MT發(fā)揮抗代謝紊亂的作用與FMT受者治療前腸道菌群基線組成相關(guān)。Wang等人研究[20]表明，F(xiàn)MT能通過上調(diào)T2DM小鼠胰島細(xì)胞抗凋亡蛋白Bcl-2表達(dá)，減少胰島β凋亡同時促再生；通過抑制胰腺組織中炎癥因子分泌、增加抗炎因子分泌，改善胰腺慢性炎癥反應(yīng)，從而緩解高血糖癥。總之，F(xiàn)MT可能通過轉(zhuǎn)移供者代謝譜達(dá)到有益目的，但同時存在較大移植風(fēng)險，因此供體的前期篩查方法、供受雙方腸道菌群結(jié)構(gòu)與移植后受者代謝變化的相關(guān)性仍是研究的重點。

4 小結(jié)

腸道菌群失調(diào)與T2DM之間的相互作用機(jī)制復(fù)雜，基于腸道菌群治療T2DM的研究目前仍處于探索階段，尋求療效確切、作用持久的靶向治療方案成為新要求。目前，相較FMT的移植風(fēng)險、減肥手術(shù)的嚴(yán)格指征、藥物干預(yù)的依從性差，精準(zhǔn)飲食、益生菌、益生元和合生元體現(xiàn)出更為優(yōu)勢的研究前景，但飲食研究干擾因素多，益生菌門類多、同一菌屬不同亞組間存在異質(zhì)性，且近年來益生元內(nèi)容顯著擴(kuò)大，為達(dá)個性化精準(zhǔn)治療，未來需結(jié)合多組學(xué)研究深入探討。