益生菌對2型糖尿病緩解作用的研究進(jìn)展

劉 佳，夏永軍，熊智強(qiáng)，宋 馨，艾連中，王光強(qiáng)

（上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院, 上海食品微生物工程技術(shù)研究中心, 上海 200093）

糖尿病是一種以高血糖為特征的慢性代謝疾病，由于老齡化、肥胖和生活方式的改變，糖尿病患者的數(shù)量在日益增加，據(jù)預(yù)測，2030年將有5.78億人患有糖尿病，2045年這一數(shù)字將增加51%（7億人）[1]。糖尿病患者的死亡人數(shù)和治療費(fèi)用也相當(dāng)大，2017年全球共有500萬糖尿病患者死亡，2017年全球糖尿病醫(yī)療支出估計(jì)為8500億美元[2]。糖尿病成為當(dāng)前世界各國共同面對的健康問題。糖尿病患者常伴有各種并發(fā)癥，是造成糖尿病患者致死、致殘的主要原因，主要包括視網(wǎng)膜病變、腎病、周圍神經(jīng)病變、足部潰瘍以及自主神經(jīng)病變等[3]。糖尿病主要分為3種類型：1型、2型和妊娠型糖尿病，其中2型糖尿?。═ype 2 diabetesmellitus，T2DM）約占總數(shù)的90%[4]，所以T2DM的防治，是糖尿病預(yù)防和治療的關(guān)鍵和重點(diǎn)。目前糖尿病患者主要依靠藥物維持血糖的穩(wěn)定，但是藥物會伴隨著較大的副作用，所以人們開始尋找“經(jīng)濟(jì)、天然、安全”的物質(zhì)替代藥物起到緩解糖尿病的作用。

經(jīng)過長期的研究發(fā)現(xiàn)益生菌在緩解糖尿病方面有著顯著的作用。益生菌是指當(dāng)攝入一定數(shù)量時，對機(jī)體發(fā)揮有益作用的活性微生物[5]。益生菌可以通過調(diào)節(jié)腸道菌群、增強(qiáng)免疫力、降低膽固醇等，對高血脂、肥胖、糖尿病等慢性代謝疾病起到一定的改善作用。因此，本文以益生菌為研究對象，從體外快速篩選降糖菌株的方法，體內(nèi)有效性的評價以及緩解2型糖尿病的機(jī)制三方面進(jìn)行了梳理，以期為緩解糖尿病相關(guān)機(jī)制的研究提供理論依據(jù)及相關(guān)功能性食品的開發(fā)提供有效指導(dǎo)。

1 體外降糖益生菌的篩選

目前有關(guān)體外篩選具有降糖潛力益生菌的方法主要包括兩個，分別為抑制α-葡萄糖苷酶的活性和抑制二肽基肽酶IV（Dipeptidyl peptidase IV，DPPIV）的活性。其中α-葡萄糖苷酶位于小腸刷狀緣處，其參與碳水化合物分解，將多糖、寡糖分解為單糖，促進(jìn)其吸收并進(jìn)入血液[6]。α-葡萄糖苷酶抑制劑通過抑制α-葡萄糖苷酶活性來降低餐后血糖。α-葡萄糖苷酶抑制劑結(jié)構(gòu)類似于寡糖，主要是通過競爭性的結(jié)合α-葡萄糖苷酶上的碳水化合物的結(jié)合位點(diǎn)，減少單糖的生成，降低血糖水平[7]。二肽基肽酶IV是一種絲氨酸蛋白酶，其作用底物包括胰高血糖素樣肽（Glucagonlike peptide，GLP）-1和葡萄糖依賴性促胰島素多肽（Glucose-dependent insulinotropic polypeptide，GIP）[8]。目前DPP-IV抑制劑是一種緩解T2DM的有效藥物，主要是通過保護(hù)GLP-1、GIP不被DPP-IV滅活，延長腸降血糖素激素的作用，從而維持血糖穩(wěn)態(tài)，有效控制T2DM患者血糖水平[9]。

α-葡萄糖苷酶抑制劑和DPP-IV抑制劑都能有效的降低血糖，控制糖尿病的發(fā)展，目前已在臨床上得到廣泛應(yīng)用，但是藥物治療常伴隨著不良的反應(yīng)和副作用，例如腹瀉、腹脹和肝功能受損等。因此需要尋求安全可靠的方法以抑制α-葡萄糖苷酶活性和DPP-IV的活性。大量研究發(fā)現(xiàn)益生菌能有效的抑制這兩種酶的活性，具有降血糖的潛力，從而起到緩解糖尿病的作用。Zeng等[10]從21株益生菌篩選得出植物乳桿菌ZF06-1，ZF06-3，IF2-14和短乳桿菌IF2-17具有較高的DPP-IV和α-葡萄糖苷酶抑制活性和益生菌特性，這也是首次表明乳酸桿菌能夠抑制DPP-IV和α-葡萄糖苷酶的活性。陳佩等[11]測定了7株乳酸菌的α-葡萄糖苷酶的抑制能力、抗氧化能力及其基本的益生特性，并以鼠李糖乳桿菌（Lactocobacillus rhamnosus）GG 為陽性對照菌株，發(fā)現(xiàn)干酪乳桿菌CCFM0412具有較好的α-葡萄糖苷酶的抑制率（29.61%）及較高的抗氧化能力，具有潛在的降糖作用。閆芬芬等[12]以13株乳酸桿菌為研究對象，通過測定菌株細(xì)胞代謝物（Cell-free excretory supernatants，CFS）和細(xì)胞內(nèi)容物（Cell-free extracts，CFE）對α-葡萄糖苷酶和DPP-IV活性的抑制率，來評定菌株的降糖作用，發(fā)現(xiàn)嗜酸乳桿菌KLDS1.1003的綜合性能最佳：其對α-葡萄糖苷酶的抑制率可達(dá)10.29%，對DPP-Ⅳ的抑制率為7.13%（CFS），50.14%（CFE），具有良好的降糖潛力和益生特性，有助于抗糖尿病益生菌的應(yīng)用。

體外降糖益生菌的篩選具有操作簡單方便、周期短和成本費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，但需進(jìn)一步利用動物和臨床實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。目前體外降糖益生菌的篩選主要是以α-葡萄糖苷酶和DPP-IV為靶點(diǎn)，期望探索更多的篩選靶點(diǎn)，更有利于糖尿病的防治。通過體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)益生菌可能具有降糖的潛力，那么需要進(jìn)一步通過體內(nèi)實(shí)驗(yàn)來評價益生菌是否能起到降低血糖效果。

2 益生菌改善糖尿病作用的體內(nèi)評價

糖尿病又被稱為是無形的殺手，因?yàn)楦哐菍θ梭w有害，但是人體毫無感覺。所以血糖的評價是預(yù)防和治療糖尿病的重要手段。其中T2DM的診斷包括以下3點(diǎn)：一天中任一時間血糖水平≥11.1 mmol·L-1（200 mg·dL-1）；空腹血糖（Fasting blood glucose，F(xiàn)BG）水平≥7.0 mmol·L-1（126 mg·dL-1）；口服葡萄糖 耐 量 實(shí) 驗(yàn)2 h血 糖 水 平≥11.1 mmol·L-1（200 mg·dL-1）[13]。并且有關(guān)報(bào)道指出空腹血糖和葡萄糖耐量實(shí)驗(yàn)（Oral Glucose Tolerance Test，OGTT）可用來評定胰島素敏感性[14]。相關(guān)報(bào)道也顯示糖尿病患者心臟衰竭的概率大于非糖尿病患者，并且血糖越高，心臟衰竭的概率越大[15]。新型冠狀病毒（Corona Virus Disease 2019，COVID-19）在糖尿病患者的死亡率高于非糖尿病患者，F(xiàn)BG＞7 mmol·L-1的死亡率高于FBG＜7 mmol·L-1[16]。可見血糖控制和改善葡萄糖耐量對于糖尿病患者的重要性。要研究益生菌對糖尿病的緩解作用，那么前提必須明確益生菌能否起到降血糖的作用。目前有許多研究表明益生菌能起到很好的降血糖的效果。Chen等[17]研究鼠李糖乳桿菌CCFM0528對T2DM小鼠的血糖耐受性的改善作用，經(jīng)過12周的干預(yù)，相對于模型組，鼠李糖乳桿菌CCFM0528血糖降低近43%，葡萄糖曲線下的面積（Area under the curve of bloodglucose，AUC）達(dá)35%。Sabico等[18]以阿拉伯國家的T2DM患者為研究對象，8株益生菌組合干預(yù)6個月，空腹血糖從基 線11.7 mmol·L-1降 至7.2 mmol·L-1，下降了38.5%。Cardinali等[19]報(bào)道了對常規(guī)藥物二甲雙胍治療無效的兩例T2DM患者，納豆枯草芽孢桿菌DG101干預(yù)4個月后，兩例患者的血糖都恢復(fù)正常水平（95 mg/dL）。同時也有比如干酪乳桿菌K11[20]，副干酪乳桿菌NL41[21]，動物雙歧桿菌01[22]，副干酪乳酸桿菌副干酪亞種NTU101[23]等也能在不同程度上降低血糖，起到緩解T2DM的作用。這說明來源不同的益生菌即使在不同的條件下，也能在一定程度上降低血糖，改善葡萄糖耐量，緩解T2DM的相關(guān)癥狀，所以有必要探討一下益生菌緩解T2DM的機(jī)制。

3 益生菌緩解糖尿病的機(jī)制

體內(nèi)評價確定了益生菌確實(shí)會對2型糖尿病患者的血糖、餐后血糖、葡萄糖耐有一定的改善作用，那么有必要從分子的角度出發(fā)，更深入總結(jié)概括益生菌對2型糖尿病的作用機(jī)制。許多研究表明益生菌在一定程度能對T2DM起緩解作用，主要機(jī)制包括改善腸道菌群，調(diào)整免疫炎癥反應(yīng)，改善腸道屏障功能，減少氧化應(yīng)激，增加短鏈脂肪酸的分泌等。并且各個機(jī)制之間是相互關(guān)聯(lián)共同緩解T2DM的發(fā)生和發(fā)展（表1）。

表1 不同益生菌對T2DM的影響Table 1 Effect of different probiotics on type 2 diabetes mellitus

3.1 改善腸道菌群

腸道菌群與人類的健康息息相關(guān)，腸道菌群是由1014種細(xì)菌組成，是人類細(xì)胞總數(shù)的10倍以上，所有腸道微生物的基因組被稱為“微生物組”，比人類核基因組大100多倍[29]。腸道菌群失調(diào)，腸道內(nèi)環(huán)境紊亂，人體便開始出現(xiàn)各種不適，甚至引發(fā)疾病。有關(guān)研究報(bào)道，與非糖尿病患者相比，T2DM患者糞便中普氏桿菌的濃度明顯低于正常組[30]。Larsen等[31]發(fā)現(xiàn)糖尿病組厚壁菌門和梭狀芽孢桿菌的比例顯著降低（P=0.03）。目前腸道菌群是治療T2DM的靶點(diǎn)之一。益生菌可以在人體腸道定植，改善人體腸道菌群，調(diào)節(jié)代謝，維護(hù)腸道系統(tǒng)平衡。王艷明等[32]發(fā)現(xiàn)復(fù)合益生菌組顯著降低厚壁菌門、放線菌門和大腸埃希菌屬水平、增加擬桿菌門和雙歧桿菌屬水平，從而降低空腹血糖，改善葡萄糖耐受能力。張海平等[33]給T2DM大鼠喂食碧悠益生菌發(fā)酵乳，與模型組對比，發(fā)現(xiàn)大鼠糞便中的大腸桿菌數(shù)量顯著降低且嗜酸乳桿菌、長雙歧桿菌和柔嫩梭菌的數(shù)量均顯著升高，空腹血糖顯著低于模型組。以上結(jié)果表明T2DM患者的腸道微生物的動態(tài)平衡被破壞，補(bǔ)充益生菌能改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，抑制有害菌繁殖，對T2DM的形成和發(fā)展有一定的預(yù)防作用。

3.2 調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)

正常情況下，腸道菌群處于動態(tài)平衡中，但是當(dāng)腸道菌群失調(diào)時，革蘭氏陽性細(xì)菌減少，革蘭氏陰性細(xì)菌增多，會導(dǎo)致內(nèi)毒素（Lipopolysaccharide，LPS）分泌增多，可能引發(fā)內(nèi)毒素血癥，導(dǎo)致胰島β細(xì)胞破壞或凋亡[34]；同時炎癥細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子-α（Tumor necrosis factor，TNF-α）、白 介 素（Interleukin，IL）-6的釋放增加以及抗炎細(xì)胞因子IL-10的減少，引發(fā)全身一系列的非特異性炎癥反應(yīng)，干擾胰島信號傳導(dǎo)，引發(fā)胰島素抵抗，從而引發(fā)T2DM的發(fā)生[35]。盧彩霞[36]研究顯示與健康對照組相比，T2DM患者體內(nèi)IL-6，TNF-α和IL-1β顯著升高，導(dǎo)致患者免疫功能衰弱，加重病情的發(fā)展。有報(bào)道顯示益生菌可以通過調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能，促進(jìn)抗炎因子的分泌和減少促炎因子的分泌，從而預(yù)防和控制T2DM的發(fā)生。Lim等[25]研究表明小鼠口服乳酸桿菌sakei OK67，可以通過減少促炎性細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β和IL-6的表達(dá)改善HFD誘導(dǎo)的高血糖。Chen等[17]研究顯示，鼠李糖乳桿菌CCFM0528增加血清中抗炎因子IL-4和IL-10的表達(dá)，減少TNF-α、IL-6和IL-8的表達(dá)，進(jìn)一步在脾臟中測定了這些炎癥因子的表達(dá)情況，更好的證實(shí)鼠李糖乳桿菌CCFM0528對糖尿病的保護(hù)作用是通過調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。

3.3 減少氧化應(yīng)激反應(yīng)

氧化應(yīng)激是指機(jī)體在遭受各種有害刺激時，體內(nèi)的氧化和抗氧化系統(tǒng)失衡，大量的自由基產(chǎn)生并聚合，導(dǎo)致組織損傷，引發(fā)各種疾病[37]。氧化應(yīng)激和糖尿病及糖尿病的并發(fā)癥關(guān)系密切，主要通過損傷胰島β細(xì)胞，降低組織對胰島素的敏感性，引起血糖升高，導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生和發(fā)展。付建芳等[38]研究表明相對于健康對照組，T2DM患者空腹和餐后2 h的SOD水平顯著降低，MDA水平顯著增加。而報(bào)道顯示抗氧化劑可以通過清除自由基中間產(chǎn)物終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，并通過中和自由基來抑制其他氧化反應(yīng)[39]，逆轉(zhuǎn)氧化應(yīng)激對機(jī)體造成的損害，緩解糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)展。益生菌被認(rèn)為是一種新興的有效抗氧化劑來源，Zheng等[40]報(bào)道攝入益生菌和合生元可顯著增加糖尿病患者的血清抗氧化指標(biāo)如：總抗氧化能力（Total antioxidant capacity，TAC）和谷胱甘肽（Glutathione，GSH），并降低丙二醛（Malondialdehyde，MDA）的表達(dá)。Zhang等[22]表明動物雙歧桿菌01可顯著恢復(fù)糖尿病大鼠肝臟超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、過 氧 化 氫 酶（Catalase，CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione peroxidase，GSH-Px）和GSH活性，降低MDA水平，同時增加Nrf2的表達(dá)，減少Keap1的表達(dá)，起到抗糖尿病的作用。Zhu等[21]研究發(fā)現(xiàn)與T2DM大鼠相比，喂養(yǎng)副干酪乳桿菌NL41能顯著性的增加肝臟中GSH、CAT、SOD的水平，降低MDA的含量，使血糖恢復(fù)至正常水平，保護(hù)了胰島β細(xì)胞的功能進(jìn)而緩解T2DM的發(fā)展。

3.4 增加短鏈脂肪酸的含量

短鏈脂肪酸（Short chain fatty acids，SCFAs）是腸道微生物發(fā)酵膳食纖維的主要產(chǎn)物，主要有乙酸、丙酸和丁酸，在宿主內(nèi)發(fā)揮著相應(yīng)的作用[41]。研究表明，SCFAs在調(diào)節(jié)宿主代謝中起著關(guān)鍵作用，SCFAs主要通過G蛋白質(zhì)偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptor，GPR）43和41發(fā)揮生物效應(yīng)[42]。SCFAs和GPRs的結(jié)合將刺激下游腸道激素GLP-1和胃腸多肽酪酪肽（Peptide y y，PYY）的分泌[43]，這兩種激素都能起到降低血糖的作用，從而緩解糖尿病的發(fā)生。潘虹等[44]研究發(fā)現(xiàn)高脂膳食大鼠的血糖顯著升高，糞便短鏈脂肪酸水平顯著降低，加速了2型糖尿病的發(fā)病進(jìn)程。朱曉振等[45]研究表明灌胃丙酸鈉可以顯著降低T2DM小鼠的血糖水平和胰島素抵抗?？梢姸替溨舅岷?型糖尿病的發(fā)展密切相關(guān)，而補(bǔ)充益生菌會增加短鏈脂肪酸的含量，起到降低血糖水平的作用。Li等[24]研究發(fā)現(xiàn)乳酸菌G15和Q14顯著增加了SCFAs細(xì)菌的產(chǎn)生（柔嫩梭菌和普氏擬桿菌），并且上調(diào)了乙酸鹽和丁酸鹽的濃度，同時結(jié)腸中GPR43 mRNA表達(dá)增加了1.5倍，激素GLP-1和PYY的濃度也顯著增加（P＜0.05），起到修復(fù)2型糖尿病小鼠葡萄糖不耐受的作用。許女等[46]報(bào)道植物乳桿菌173可以促進(jìn)SCFAs的產(chǎn)生，并且可以顯著提高大鼠腸道中GPR43和 GPR41基因的表達(dá)量，顯著改善了大鼠血糖、血脂和激素水平。白璐等[20]將干酪乳桿菌K11飼喂高脂飲食和STZ誘導(dǎo)的2型糖尿病小鼠，結(jié)果表明，與模型組大鼠相比，干酪乳桿菌K11治療顯著提升了乙酸、丙酸和丁酸的含量水平（69.61%、16.07%和52.69%），并且顯著增加了GLP-1的分泌，降低了T2DM小鼠的血糖。

3.5 調(diào)節(jié)腸道屏障

腸道屏障是機(jī)體防御功能的一道重要防線，腸道屏障功能主要是由腸黏膜屏障來實(shí)現(xiàn)的，腸粘膜屏障最為重要的是機(jī)械屏障，正常情況下能有效阻止細(xì)菌及LPS等有害物質(zhì)透過腸粘膜進(jìn)入血液，維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定[47]。當(dāng)腸道屏障功能損壞，腸黏膜屏障受損，腸道通透性增加，細(xì)菌內(nèi)毒素進(jìn)入血液，誘發(fā)炎癥和胰島素抵抗是導(dǎo)致2型糖尿病發(fā)生的重要原因[48]。Horton等[49]首次證明T2DM患者腸道通透性的變化，結(jié)果顯示T2DM患者腸道通透性顯著增加，并與炎癥因子TNF-α和IL-6水平的增加相關(guān)。因此，保護(hù)腸上皮緊密連接、維護(hù)黏膜屏障在糖尿病的防治中有著重要意義。Hung等[23]用副干酪乳桿菌亞種NTU101喂養(yǎng)高脂高果糖誘導(dǎo)的2型糖尿病大鼠，結(jié)果表明，9周副干酪乳桿菌亞種NTU101的治療可恢復(fù)結(jié)腸中緊密連接蛋白Occludin mRNA、肝臟GLUT2 mRNA和脂肪組織GLUT4 mRNA的表達(dá)，增加血清中LPS的分泌，明顯降低了大鼠的空腹血糖。許女等[46]研究表明給高脂飲食及注射STZ誘導(dǎo)的2型糖尿病大鼠喂食植物乳桿菌173，可以顯著上調(diào)腸道緊密連結(jié)蛋白ZO-1、Claudin、Occludin及黏蛋白MUC2 基因的表達(dá)，增強(qiáng)腸道黏膜屏障功能，從而起到降低血糖作用。

4 結(jié)語

本文闡述了體外具有降糖潛力益生菌的篩選方法，體內(nèi)評價益生菌的降糖效果和降糖機(jī)制，更好的為探索開發(fā)具有緩解甚至治療糖尿病的益生菌提供方向。但是糖尿病機(jī)制復(fù)雜多樣，個體之間存在著特異性，加之不同益生菌的作用機(jī)制及其效果也有所不同。因此，未來應(yīng)在綜合考慮以上各因素的基礎(chǔ)上探尋更多的降糖靶點(diǎn)，做到“對癥下藥”來更好的緩解糖尿病。同時還可以考慮復(fù)合益生菌產(chǎn)品的開發(fā)，通過不同菌株之間的協(xié)同作用更好的起到緩解糖尿病的作用。此外，目前體外篩選降糖菌株的方法比較單一，可以與更多的體內(nèi)降糖靶點(diǎn)相結(jié)合，在體外尋找更多篩選降糖菌株的方法，為具有緩解糖尿病作用的益生菌產(chǎn)品的研發(fā)奠定一定的基礎(chǔ)。