益生菌改善老年人群糖脂代謝紊亂和代謝綜合征相關的腸道菌群失調

梁長林 楊磊

(吉林省腫瘤醫(yī)院，吉林 長春 130013)

目前，肥胖和代謝紊亂已是世界范圍內高度流行的疾病，并對公共健康、經(jīng)濟和社會福祉等多方面產生負面影響。由于腸道菌群直接參與宿主的能量代謝，因此，腸道菌群組成和結構的改變與功能性胃腸疾病、肥胖、糖尿病(DM)等息息相關。糖脂代謝紊亂的老年患者的菌群結構與健康人群存在顯著差異。為了改善宿主腸道菌群狀態(tài)，進而更好地發(fā)揮其在維持能量、代謝、免疫等方面起到的重要作用，益生菌療法似乎是一種安全性高、成本低、廣為接受的治療Ⅱ型DM合并代謝綜合征的最新手段，在重塑腸道菌群微環(huán)境方面具有良好的應用前景。本文詳細論述了Ⅱ型DM(T2DM)與腸道菌群的關系及糖脂代謝異常受試者中腸道菌群特征，并系統(tǒng)地闡述了益生菌在調控血糖方面的研究現(xiàn)狀。

1 代謝綜合征概述

代謝綜合征往往是中心性肥胖、胰島素抵抗、血脂異常和高血壓等多個危險因素匯聚之后共同導致的不良結果〔1〕。長期以高脂肪(反式脂肪酸)和精制碳水化合物為主的飲食習慣也是代謝綜合征發(fā)生的公認因素。普遍認為T2DM與代謝綜合征具有共同的病理基礎(中心性肥胖造成的胰島素抵抗)，因此T2DM患者合并代謝綜合征的患病率較高〔2〕。此外，代謝綜合征患者還會增加高血壓、心腦血管疾病發(fā)生的風險。

2 DM、肥胖、老齡化與腸道菌群的關系

2.1DM與腸道菌群 DM是一種常見的慢性代謝性疾病，其主要分型包括Ⅰ型DM(T1DM)、T2DM、妊娠糖尿病。我國DM的特點主要是以T2DM為主，最典型的病理學特征為胰島素調控葡萄糖代謝能力的下降(胰島素抵抗)，伴隨胰島β細胞功能缺陷所導致的胰島素分泌(相對)減少。目前引發(fā)T2DM主要的危險因素包括遺傳因素、高熱量攝入和缺乏運動。此外，根據(jù)最新的證據(jù)顯示，T2DM的發(fā)展與腸道菌群有重要的關聯(lián)，主要表現(xiàn)在能量代謝、腸道屏障完整性、代謝相關信號轉導等方面〔3〕。

2.2肥胖與腸道菌群 肥胖是T2DM發(fā)展的最重要誘因之一，有研究表明瘦人和肥胖人群的腸道菌群組成存在差異，肥胖與菌群組成之間的相關性是誘導T2DM發(fā)生的主要原因〔4〕。肥胖人群腸道中厚壁菌門的相對豐度較高，擬桿菌門的相對豐度較低，而厚壁菌與擬桿菌的比率還可能會隨著肥胖加劇而上升，最終腸道菌群的多樣性下降〔5,6〕。腸道菌群對肥胖的影響還涉及脂肪褐化。補充特定的腸道微生物可增加高脂喂養(yǎng)小鼠的褐色脂肪組織標志物解耦聯(lián)蛋白(UCP-1)、PR結構域蛋白(PRDM16)、過氧化物酶體增殖物受體γ共激活因子(PGC)-1α和沉默信息調節(jié)因子(SIRT)1的信使核糖核酸(mRNA)水平，以三酰甘油形式儲藏能量的白色脂肪發(fā)生褐化，有利于改善肥胖〔7〕。

2.3老齡化與腸道菌群 隨著人口老齡化進程的不斷加快，老年T2DM的患病率逐年上升，這就使得老年群體的腸道菌群朝著多樣性減少、個體間差異顯著的方向發(fā)生改變〔8〕。相比于60～78歲并患有T2DM平均病程(6.2±1.8)年的老人，擬桿菌和腸桿菌在健康老年人的腸道菌群中豐度更低(P<0.05)；而乳桿菌、雙歧桿菌、普雷沃菌豐度更高(P<0.05)；胰島素抵抗指數(shù)(HOMA-IR)、白細胞介素(IL)-6、IL-22、腫瘤壞死因子(TNF)-α和γ干擾素(IFN-γ)炎癥因子表達水平降低〔9〕。因此，當腸道菌群發(fā)生紊亂，會引起機體慢性炎癥的長期存在。

3 腸道菌群與T2DM的關系

健康的腸道微環(huán)境對宿主有益，腸道菌群在T2DM中發(fā)揮的主要功能表現(xiàn)在改善代謝、抑制病原菌及修復腸道屏障等方面。腸道菌群通過維持腸道屏障的完整性，保護腸上皮細胞免受外源性病原體的侵擾，最終促進宿主的健康。炎癥反應、抗生素的使用、壓力、年齡等諸多因素可能是導致腸道菌群平衡破壞的主要原因。此外，菌群失調又與心血管疾病、自身免疫病、T2DM一系列疾病相關〔10,11〕。

T2DM導致的腸道菌群紊亂可直接導致低度炎癥的發(fā)生。腸道菌群的組成在DM前期(胰島素抵抗)疾病的發(fā)展中起著重要作用。因此，研究T2DM患者的腸道菌群特征，并評估某些微生物豐度與臨床指標之間的相關性是闡明腸道菌群在老年T2DM發(fā)生和發(fā)展中的重要方式〔12〕。

諸多研究證實，T2DM患者腸道菌群的主要特征是丁酸產生菌減少。Sabatino等〔13〕測序結果顯示在T2DM患者中丁酸生成菌豐度呈現(xiàn)中度失調，參與氧化應激微生物的基因表達量增加，導致機體呈現(xiàn)促炎狀態(tài)，血清中脂多糖(LPS)濃度上升，最終增加了腸道的通透性。腸道菌群失調所導致的腸道通透性增加，勢必會對腸道屏障功能造成損傷，使腸黏膜的免疫反應發(fā)生改變，進而導致T2DM的發(fā)展或惡化〔14〕。Qin等〔15〕發(fā)現(xiàn)健康受試者中富含多種產丁酸菌，T2DM患者的腸道菌群特征是丁酸生成菌減少，且伴隨多種條件致病菌的定植。當糖代謝異常時，革蘭陰性菌等致病菌的比例上調，其細胞壁LPS的分泌增加，從而改變腸黏膜的通透性，引發(fā)慢性炎癥〔16〕。有研究顯示，在T2DM患者糞便中分離出的嗜菌群豐度顯著增加，并推測該菌可以通過降解黏蛋白，產生硫化氫氣體，進而破壞腸道屏障〔17〕。革蘭陰性菌穿過腸道屏障抵達上皮細胞后，通過激活表面的Toll樣受體，從而激活核轉錄因子NF-κB通路，促進TNF-α,IL-6,IL-1等炎癥因子的表達。

此外，腸道菌群可以在無氧條件下通過分解機體難以消化的復雜碳水化合物等成分產生短鏈脂肪酸(SCFA)，為機體供能的同時還參與調節(jié)糖代謝。腸道菌群主要產生乙酸、丙酸和丁酸，乙酸和丙酸主要由擬桿菌門產生，丁酸主要由厚壁菌門產生。當腸道菌群失調時，SCFA的產生也受到影響〔18〕。有研究發(fā)現(xiàn)丁酸具有刺激肽1樣胰高血糖素(GLP-1)的分泌、減少脂肪細胞炎癥、提高胰島素敏感性的功能，這對于緩解T2DM尤為重要〔19〕。

4 腸道菌群特征

4.1糖代謝紊亂為主的代謝綜合征患者腸道菌群的特征 代謝綜合征是指人體中三大產能營養(yǎng)素(碳水化合物、脂肪、蛋白質)發(fā)生代謝紊亂的病理狀態(tài)，也是一種復雜的代謝紊亂癥候群。而隨著年齡的不斷增長及各種疾病的發(fā)展，導致腸道菌群的組成時刻發(fā)生著改變。臨床上通過口服糖耐量試驗(OGTT)對糖代謝情況進行判斷，依據(jù)不同糖代謝受損程度分為糖耐量正常、空腹血糖受損、糖耐量異常、DM。以糖代謝紊亂為主的腸道菌群主要具有以下特征(部分致病菌豐度升高、益生菌豐度降低)。

在一項關于老年人糖代謝紊亂的研究中檢測到丹麥絲菌和毛螺菌作為特征微生物出現(xiàn)在糖代謝受損的受試者中，相比于正常的糖耐量受試者，其相對豐度更高(P<0.05)，并且通過相關性熱圖分析，其豐度的升高與糖代謝紊亂的臨床指標如：糖化血紅蛋白(HbA1c)、胰島素、血糖水平呈顯著正相關，與脂肪因子(脂聯(lián)素和瘦素)分泌呈現(xiàn)負相關〔20〕。此外，丹毒絲菌是一種人畜共患病的病原菌，感染該菌后在組織病理水平上可觀察到多組織器官的毛細血管腫脹，中性粒細胞及單核巨噬細胞浸潤，促使腸道炎癥的發(fā)生〔21〕。與健康老年人相比，老年T2DM患者的腸道菌群發(fā)生嚴重失調，雙歧桿菌、乳桿菌豐度顯著下降。造成這一現(xiàn)象主要的原因可能是糖代謝紊亂引起的腸道內環(huán)境(包括pH值、氧濃度、糖類構成比例)發(fā)生改變，進而對益生菌的活性造成影響〔22〕。益生菌的減少可能會對條件致病菌的抵抗能力減弱，從而導糖代謝紊亂患者腸道致病菌增多，加重腸道菌群失調。

4.2脂代謝紊亂為主的代謝綜合征患者腸道菌群的特征 脂代謝紊是指由先天或獲得性因素導致的血液和組織器官中脂質含量異常的現(xiàn)象，血液中脂質含量過高或過低都會對健康產生影響。血脂代謝紊亂往往伴隨著血清中膽固醇、三酰甘油、低密度脂蛋白的異常升高和高密度膽固醇的異常降低。而腸道菌群能夠間接影響脂類代謝的過程。腸道菌群對人體無法利用的膳食纖維進行發(fā)酵，產生一系列短鏈脂肪酸(SCFAs，包括乙酸、丙酸、丁酸)。這些SCFA在能量和脂質代謝中發(fā)揮了重要作用。有研究表明了SCFAs的配體作用，通過激活G蛋白耦聯(lián)受體(GPCRs)進而影響宿主代謝。當游離脂肪酸受體2(GPR43/FFAR2)被SCFAs激活后，胰島素的敏感性得到了提高，同時抑制多種炎癥信號的通路〔23〕。而丁酸生成菌豐度降低是T2DM合并脂代謝紊亂患者腸道菌群具有的主要特征〔13〕。

4.3非代謝綜合征人群腸道菌群的特征 健康受試者的腸道內寄居著種類繁多、數(shù)量驚人的微生物。主要包括放線菌門、擬桿菌門、厚壁菌門、梭桿菌門、變形菌門等〔24〕。健康的腸道菌群按照一定比例組合，各菌種間相互制約，相互依存，達成微生態(tài)平衡。而多爾菌,布勞特菌,顫螺菌,黃色瘤胃球菌則作為一組核心微生物成員，在糖代謝正常和糖代謝異常人群中共同存在〔24〕。而糖耐量正常的受試者中除了包含上述菌屬外，還檢測到厚壁菌門中的糞球菌屬、厭氧菌屬、瘤胃球菌屬及擬桿菌門中的擬桿菌屬、里肯內拉科菌屬〔20〕。通過宏基因組學對T2DM組和對照組中的腸道菌群進行Alpha多樣性分析，結果顯示健康受試者(對照組)的菌群多樣性豐富〔25〕。

5 益生菌和益生元在T2DM中的應用

益生菌是一類對宿主有益的活性微生物的總稱，廣泛存在于我們日常食用的發(fā)酵食品中。乳酸菌作為一種常見的益生菌，在許多方面為機體提供保護，如調節(jié)血漿膽固醇水平、治療多種消化道疾病、改善腸道微生物環(huán)境、增強免疫力等。優(yōu)秀的益生菌往往可以最大量地直達腸道，同時自身的代謝產物對一些腸道致病菌具有較強的殺菌能力，發(fā)揮著改善腸道菌群的重要作用〔26〕。最近的研究提出了多種關于T2DM的治療機制，以證明益生菌是作為治療代謝疾病的良好選擇。益生菌往往通過改善腸道完整性、降低全身LPS水平和提高外周胰島素敏感性，改善T2DM的癥狀〔27〕。

腸道是消化吸收的重要場所，腸黏膜上皮細胞在抑制黏連、防止病原菌入侵等方面具有重要作用。腸屏障功能的完整性依賴于上皮細胞間的多種黏附結構，其中由閉鎖蛋白和連接蛋白家族蛋白組成的緊密連接是最主要的黏附模式。研究顯示，糖代謝紊亂患者的腸道通透性增強，而益生菌可以通過增加糖酵解所產生的SCFAs促進GLP-1分泌，GLP-1是一種由腸道內分泌L細胞產生的促胰島素，既促進胰島素分泌細胞的增殖，同時抑制胰高血糖素的水平，對改善T2DM“三多一少”的特征有重要的調節(jié)作用〔28〕。也有研究發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌通過產生乙酸，作用腸道上皮細胞，抑制大腸埃希菌O157:H7的感染和易位〔29〕。不同的益生菌菌株對T2DM的臨床模型和動物模型均顯示出了良好的治療效果，如降低血脂和促炎因子TNF-α、IL-6、IL-β的水平。Kobyliak等〔30〕對T2DM患者進行益生菌治療，觀察到HbA1c顯著下降了0.39%，組織中細胞因子TNF-α和IL-β的表達顯著下調。Brando等〔31〕首次表明布拉氏酵母菌與血糖控制、心血管保護和改善動物模型中的炎癥狀況密切相關。這些結果意味著益生菌不僅參與炎癥通路的調節(jié)，而且對腸道屏障的建立也有幫助。

采用富含益生元的功能性食品可能比活的益生菌更容易被機體吸收。益生元是不易消化的食物成分，可選擇性地刺激結腸中一種或少數(shù)細菌的生長和活性。當T2DM患者的腸道環(huán)境發(fā)生改變時，雙歧桿菌、乳酸桿菌等正常菌群會受到抑制，腸桿菌豐度增加，導致菌群內環(huán)境失調，而這種失調所導致的血脂代謝異常反過來會進一步加重腸道菌群的紊亂，以此形成惡性循環(huán)。已有研究表明新型植物纖維(如聚葡萄糖和可溶性玉米纖維)可作為益生菌來調節(jié)腸道菌群，這兩種纖維均可使有益菌如糞桿菌數(shù)量增加，而單獨食用可溶性玉米纖維的受試者中乳桿菌數(shù)量也顯著增加〔32〕。

綜上，腸道菌群失調與糖脂代謝紊亂的發(fā)生相輔相成。益生菌能夠定植在人體腸道中，當攝入適量具有活性的益生菌時，能夠下調促炎因子的表達，防止腸道致病菌引起的感染與易位，從而改善腸道通透性、降低自身免疫應答反應、增加胰島素敏感性；益生元能夠選擇性的刺激某種益生菌的生長，進而改善腸道微生態(tài)系統(tǒng)。食用益生菌或益生元似乎是一種治療T2DM效果良好的策略，且具有廣泛的發(fā)展前景。