腸黏膜屏障在1型糖尿病中的作用研究進(jìn)展①

宋超杰 張小莉 陳換換 唐 聰 （河南中醫(yī)藥大學(xué)，鄭州 450046）

1型糖尿病（diabetes mellitus type 1，T1DM）是一種自身免疫性疾病，好發(fā)于兒童和青少年，其發(fā)病與遺傳和環(huán)境因素密切相關(guān)。全球糖尿病地圖（IDF Diabetes Atlas）第9版顯示，T1DM發(fā)病率呈逐年上升趨勢(shì)，2019年中國(guó)兒童和青少年（0～19歲）T1DM患者近5萬(wàn)，位居世界第四［1］。因此，研究T1DM的發(fā)病機(jī)制、尋求防治T1DM的有效方法尤為重要。PEET等［2］研究表明，HLA（人類(lèi)白細(xì)胞抗原）編碼位點(diǎn)是T1DM易感性最重要的位點(diǎn)，約70%T1DM患者攜帶HLA等位基因，各種HLA基因型可能影響新生兒微生物定植。近年腸道菌群失調(diào)被認(rèn)為是引發(fā)T1DM的重要環(huán)境因素［3-4］。研究表明，腸道菌群失衡可引起腸道通透性增加，使條件致病菌及內(nèi)毒素易位至胰腺淋巴結(jié)，進(jìn)而引發(fā)T1DM［5-6］。調(diào)控腸道菌群、改善腸黏膜屏障可顯著改善 T1DM［7-10］。

1 腸黏膜屏障

腸黏膜屏障主要由免疫屏障、機(jī)械屏障、化學(xué)屏障、微生物屏障四部分組成，這些功能分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，任一方面損傷均可能導(dǎo)致細(xì)菌、內(nèi)毒素移位，引發(fā)腸道炎癥。

1.1 腸黏膜免疫屏障 腸道是人體最大的免疫器官，約占外周免疫細(xì)胞的70%。腸黏膜免疫屏障包括腸相關(guān)淋巴組織（gut-associated lymphoid tissue，GALT）和彌散淋巴細(xì)胞。GALT主要指分布于腸道集合的淋巴小結(jié)，是免疫應(yīng)答的誘導(dǎo)和活化部位。彌散淋巴細(xì)胞是腸黏膜免疫的效應(yīng)部位。腸道免疫系統(tǒng)的效應(yīng)部分包括樹(shù)突狀細(xì)胞（dendritic cell，DC）、M細(xì)胞、腸巨噬細(xì)胞、黏膜層淋巴細(xì)胞、腸上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞和分泌IgA的漿細(xì)胞，其中分泌性IgA是胃腸道和黏膜表面的主要免疫效應(yīng)分子，對(duì)腸黏膜免疫起重要作用，是防御致病菌在腸黏膜黏附和定植的第一道防線。

1.2 腸黏膜機(jī)械屏障 腸黏膜機(jī)械屏障作為第一道屏障能防止腸道毒性物質(zhì)進(jìn)入全身循環(huán)，由腸上皮細(xì)胞、上皮細(xì)胞間緊密連接及覆蓋在上皮細(xì)胞表面的黏液層共同構(gòu)成。腸上皮細(xì)胞由5種細(xì)胞組成：吸收細(xì)胞、產(chǎn)生黏液的杯狀細(xì)胞、分泌激素的腸內(nèi)分泌細(xì)胞、呈遞抗原的潘氏細(xì)胞和M細(xì)胞。潘氏細(xì)胞位于腸道隱窩基底部，分泌抗生素，如防御素、cathelicidins抗菌肽（CAMP）。細(xì)胞間緊密連接主要由緊密連接蛋白組成，包括咬合蛋白（Occludin）、閉合蛋白（Claudin）、帶狀閉合蛋白（Zonula occludens，ZO）家族、連接黏附因子等。

1.3 腸黏膜化學(xué)屏障 腸黏膜化學(xué)屏障由胃腸道分泌的胃酸、膽汁、黏液、各種酶、黏多糖等組成。腸黏液與漿細(xì)胞分泌的IgA結(jié)合用于腸道細(xì)菌的免疫選擇，且抑制病原微生物定植于腸上皮［11-12］。脂肪酸合酶是一種由杯狀細(xì)胞分泌的調(diào)節(jié)黏蛋白2的合成酶，在保護(hù)腸上皮細(xì)胞中發(fā)揮重要作用。

1.4 腸黏膜微生物屏障 人體腸道內(nèi)微生物種類(lèi)有500～1 000種，數(shù)量為1×1013～1×1014個(gè)，以革蘭氏陰性菌為主的擬桿菌門(mén)和以革蘭氏陽(yáng)性菌為主的厚壁菌門(mén)為優(yōu)勢(shì)菌群［13］。腸道菌群按功能可分為3類(lèi)：益生菌、致病菌和條件致病菌。正常菌群在人體腸道內(nèi)黏附、定植和繁殖，形成一層“菌膜屏障”，抵抗并排斥病原菌定植、入侵，以維護(hù)機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。腸道菌群失衡可引發(fā)機(jī)體免疫失調(diào)、代謝紊亂及炎癥性疾病等。

2 腸黏膜屏障參與T1DM的可能作用機(jī)制

研究表明，腸道菌群失調(diào)，尤其是腸道中革蘭氏陰性菌增加，其細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）釋放產(chǎn)生大量?jī)?nèi)毒素，破壞腸道黏膜，導(dǎo)致腸壁滲漏，并可吸收入血，進(jìn)一步刺激免疫細(xì)胞分泌炎癥因子，如 TNF-α、IL-17 等［14］。SOFI等［15］研究表明，T1DM患者血漿中LPS增多，其原因可能為T(mén)1DM患者腸道通透性增加，LPS通過(guò)受損的腸黏膜屏障入血。目前認(rèn)為T(mén)1DM患者腸道免疫屏障、機(jī)械屏障、化學(xué)屏障、微生物屏障功能受損與腸道菌群失衡密切相關(guān)，但機(jī)制未明。

腸黏膜屏障完整性不僅對(duì)胃腸道健康發(fā)揮作用，且對(duì)其他組織器官的正常功能也至關(guān)重要［16］。研究發(fā)現(xiàn)，非肥胖糖尿病（nonobese diabetes，NOD）小鼠及鏈脲佐菌素（streptozocin,STZ）誘導(dǎo)的T1DM小鼠胰腺淋巴結(jié)中發(fā)現(xiàn)易位的腸道細(xì)菌，其可能作用機(jī)制為腸黏膜屏障功能受損促進(jìn)細(xì)菌由腸道向胰腺淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移［5-6］。此外，這些易位細(xì)菌激活胰腺淋巴結(jié)內(nèi)的CD11b+髓細(xì)胞內(nèi)的NLR家族成員核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域2（NOD2）受體，從而促進(jìn)致病性T輔助細(xì)胞1（T helper type 1，Th1）和Th17分化，參與T1DM發(fā)病過(guò)程［6］。

3 T1DM患者及動(dòng)物模型腸黏膜屏障改變

3.1 T1DM中腸黏膜免疫屏障改變 MIRANDA等［5］研究發(fā)現(xiàn)，4～6周齡NOD小鼠結(jié)腸IgA水平降低，腸黏膜屏障功能明顯缺陷。研究發(fā)現(xiàn)，缺乏TLR接頭分子髓樣分化因子88（MyD88-/-）的NOD小鼠在SPF級(jí)環(huán)境下可避免糖尿病發(fā)生［17］。MACPHERSON等［18］將MyD88-/-NOD小鼠腸道菌群移植給NOD小鼠，可觸發(fā)腸道調(diào)節(jié)性免疫應(yīng)答，并增加IgA和TGF-β表達(dá)，改善腸黏膜屏障功能障礙，保護(hù)NOD小鼠避免T1DM發(fā)生。

3.2 T1DM中腸黏膜機(jī)械屏障改變 通過(guò)乳果糖-甘露糖滲透實(shí)驗(yàn)測(cè)定腸道滲透性，BOSI 等［19］發(fā)現(xiàn)T1DM患者腸道滲透性均大于正常人群。動(dòng)物模型及臨床試驗(yàn)進(jìn)一步得知，T1DM個(gè)體腸道中緊密連接蛋白ZO-1、Claudin、Occuludin等含量不同程度降低，腸絨毛長(zhǎng)度、黏液厚度及隱窩深度也有不同程度降低［13，20］。MC GUCKIN 等［21］發(fā)現(xiàn)，T1DM 患者潘氏細(xì)胞數(shù)正常，但殺菌活性降低，表明T1DM與潘氏細(xì)胞活性降低有關(guān)，而非細(xì)胞數(shù)量變化。易患糖尿病生物繁殖型糖尿?。―P-BB）大鼠是一種自發(fā)T1DM模型，VISSER等［22］發(fā)現(xiàn)DP-BB大鼠結(jié)腸中Claudin-1、Claudin-2、Occludin水平降低，且腸道通透性升高。

3.3 T1DM中腸黏膜化學(xué)屏障改變 WEI等［23］研究表明，F(xiàn)AS水平降低與STZ誘導(dǎo)的T1DM小鼠黏液厚度減少及腸道炎癥有關(guān)。MIRANDA等［5］研究發(fā)現(xiàn)，與非肥胖糖尿病抗性（NOR）小鼠相比，NOD小鼠腸黏液分泌減少，分泌型IgA水平降低，這些腸道改變多發(fā)生于T1DM前。

3.4 T1DM中腸黏膜微生物屏障改變 大量研究表明，T1DM 患者和動(dòng)物模型存在腸道菌群失調(diào)，主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)和功能上，如菌群多樣性下降、擬桿菌門(mén)/厚壁菌門(mén)比升高、乳桿菌屬和雙歧桿菌屬數(shù)減少、產(chǎn)丁酸鹽的細(xì)菌如Roseburia faecis和Faecalibacterium prausnitzii顯著減少等［10，24-25］。表1 總結(jié)了涉及T1DM患者及動(dòng)物模型腸道菌群變化的研究。

表1 T1DM患者及動(dòng)物模型腸道菌群變化Tab.1 Changes of intestinal flora in T1DM patients and animal model

4 保護(hù)腸黏膜屏障改善T1DM

4.1 孕期治療改善后代腸道菌 NEEDELL等［7］在孕前T1DM大鼠飲用水中加入SCFAs（甲酸、丙酸、丁酸）補(bǔ)充劑，發(fā)現(xiàn)子代大鼠腸道菌群中雙歧桿菌、梭狀芽胞桿菌豐度降低，推測(cè)SCFAs通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群減輕胰島炎癥、降低T1DM發(fā)生率。相反，從斷奶開(kāi)始服用SCFAs飲水的大鼠不能避免T1DM發(fā)生。孕期和哺乳期給予雌性NOD小鼠無(wú)麩質(zhì)飲食，可明顯降低其后代T1DM發(fā)病率，后代腸道菌群豐度提高，尤其是Akkermansia菌和Proteobacteria菌，此外，與普通飲食小鼠相比，無(wú)麩質(zhì)飲食小鼠后代腸道Treg細(xì)胞增加，而胰腺CD11b+DC減少［35］。表明孕前或哺乳期給予T1DM孕鼠特殊飲食可通過(guò)改變子代腸道菌群組成減少T1DM發(fā)生。

4.2 菌群移植改善T1DM 糞便微生物菌群移植（fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT）是T1DM的有效治療方法，已用于多種疾病防治，如克羅恩病、2型糖尿病、潰瘍性結(jié)腸炎［3，36-37］。將MyD88缺陷型NOD小鼠糞便菌群移植給野生型NOD小鼠可減輕胰島炎癥，延緩T1DM發(fā)展［34］。乳酸桿菌和梭菌為腸道益生菌，其數(shù)量增加可降低T1DM發(fā)病率。向NOD小鼠移植Akkermansia muciniphila可延緩T1DM發(fā)展，腸黏液和Treg細(xì)胞數(shù)增加，血清細(xì)菌內(nèi)毒素水平和胰島TLR表達(dá)降低［38］。VALLADARES 等［39］從抗糖尿病大鼠腸道中分離出約翰遜氏乳桿菌N6.2移植給DP-BB大鼠，可減輕T1DM。

4.3 補(bǔ)充益生菌改善T1DM 益生菌是一種活的微生物，以單獨(dú)或多種形式應(yīng)用時(shí)可維持宿主健康，對(duì)腸黏膜屏障完整性具有調(diào)節(jié)作用，通過(guò)多種機(jī)制發(fā)揮作用，包括抑制病原菌生長(zhǎng)、促進(jìn)黏液產(chǎn)生、改善腸道上皮完整性、調(diào)節(jié)菌群紊亂和免疫系統(tǒng)等。

益生菌通過(guò)改善胰島整體功能和腸道-胰腺免疫調(diào)節(jié)調(diào)控T1DM發(fā)生發(fā)展。2004年至2014年，對(duì)美國(guó)和歐洲8 676例有T1DM遺傳風(fēng)險(xiǎn)的嬰兒進(jìn)行前瞻性研究發(fā)現(xiàn)，嬰兒出生27 d開(kāi)始通過(guò)飲食補(bǔ)充劑和/或強(qiáng)化嬰兒配方食品服用益生菌，其胰島自身免疫風(fēng)險(xiǎn)降低，原因可能為益生菌可重塑腸道菌群影響對(duì)環(huán)境暴露的免疫應(yīng)答，降低T1DM發(fā)病率［40］。每天補(bǔ)充酪酸梭狀芽孢桿菌CGMCC0313.1可延緩T1DM發(fā)作，與腸道中Treg細(xì)胞向胰腺遷移及腸道、胰腺淋巴結(jié)、胰腺中Th1、Th2和Th17水平降低有關(guān)［41］。GROELE等［42］給予T1DM患兒鼠李糖乳桿菌GG和乳酸雙歧桿菌Bb12組成的混合益生菌，可恢復(fù)其腸道菌群失衡，調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞并維持胰島細(xì)胞數(shù)量和增殖，進(jìn)而改善T1DM。表明益生菌在控制T1DM方面作用較好。

4.4 補(bǔ)充SCFAs改善T1DM 腸道菌群與胰腺的相互作用也通過(guò)菌群代謝產(chǎn)物SCFAs發(fā)揮作用［43］。特殊飼料喂養(yǎng)的NOD小鼠可產(chǎn)生大量SCFAs，避免NOD小鼠發(fā)生T1DM［44］。與對(duì)照組兒童相比，胰島自身免疫病和T1DM患兒SCFAs細(xì)菌豐度降低［45］。研究發(fā)現(xiàn)，由胰島β細(xì)胞特異性表達(dá)的CAMP與T1DM 密切相關(guān)，并受 SCFAs影響［46-47］。丁酸鹽（SCFAs的一種）干預(yù)的NOD小鼠可通過(guò)重塑腸道菌群改善T1DM［48］。且丁酸鹽干預(yù)8 d后，NOD小鼠胰腺淋巴結(jié)及脾臟中Treg細(xì)胞數(shù)增加，胰腺CAMP表達(dá)升高，說(shuō)明腸道菌群及其代謝產(chǎn)物與胰島在糖尿病治療中具有重要作用［49］。十二指腸淋巴結(jié)與胰腺淋巴結(jié)存在淋巴連接，有學(xué)者認(rèn)為其是內(nèi)分泌與外周腸源性相交的通道，由于胰腺淋巴結(jié)能排出乳糜微粒吸收腸道抗原，因此腸道菌群改變及腸屏障功能障礙均可能引發(fā)T1DM［50］。

5 展望

T1DM是一種胰島β細(xì)胞被定向破壞導(dǎo)致胰島素分泌不足的自身免疫性慢性疾病。腸道菌群作為環(huán)境因素更多地參與T1DM發(fā)病過(guò)程。最近研究發(fā)現(xiàn)，腸屏障功能紊亂與T1DM患者自身免疫功能增強(qiáng)有關(guān)。腸道菌群失衡與T1DM密切相關(guān)，表現(xiàn)為腸道菌群豐度及多樣性變化，腸道免疫系統(tǒng)過(guò)度活化和腸道上皮通透性改變，腸腔內(nèi)抗原、微生物易位至其他組織器官，包括胰腺和胰腺淋巴結(jié)。但菌群失衡、腸黏膜屏障受損可能導(dǎo)致T1DM發(fā)病的機(jī)制尚不清楚。

調(diào)節(jié)腸道菌群是改善T1DM的新方法，致力于改善腸道菌群豐度和多樣性的方法仍處于不斷探索中。嬰兒在早期生活中增加益生菌攝入、將健康供體腸道微生物群移植給有T1DM傾向的個(gè)體、給予益生菌或修復(fù)缺失的細(xì)菌是很有前途的T1DM治療方法。但這些治療方法面臨許多挑戰(zhàn)，包括在菌群移植過(guò)程中某些疾病傳播的可能性，在準(zhǔn)備過(guò)程中益生菌與其他菌污染的可能性。需要繼續(xù)研究腸道菌群在胰島自身免疫性疾病發(fā)展中的作用，以期提供更好的T1DM防治新方法。