腸道菌群與2型糖尿病發(fā)病機(jī)制相關(guān)性的研究進(jìn)展

劉玉鑫，韓迎香，包愛玲，王雅菲，托婭*

(1內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，呼和浩特 010110；2內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院檢驗科，呼和浩特 010050)

2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)對公共衛(wèi)生、經(jīng)濟(jì)和社會福利造成多種影響，已成為世界范圍內(nèi)的一個主要問題。根據(jù)國際糖尿病聯(lián)合會糖尿病地圖集數(shù)據(jù)，20～79歲成年人中，糖尿病患者人數(shù)由2006年的2.46億增加到2019年的4.63億，預(yù)計到2045年，全球患者數(shù)將上升至6.93億; 其中，T2DM患者占比90%～95%[1-3]。且糖尿病及其后果也給國家衛(wèi)生保健系統(tǒng)和國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大壓力，預(yù)計到2030年，全球管理成本可能高達(dá)2.1萬億美元[3]，并隨著糖尿病患病率不斷上升，這一財政負(fù)擔(dān)可能會持續(xù)增加。

目前，臨床上難以成功預(yù)防和(或)治療T2DM的原因在于對其危險因素和發(fā)病機(jī)制缺乏更全面、更深入的認(rèn)識。T2DM被認(rèn)為是多風(fēng)險因素造成(圖1)，遺傳易感和環(huán)境因素是其發(fā)生發(fā)展的重要因素[4,5]。研究表明，表觀遺傳學(xué)介導(dǎo)基因組和環(huán)境因素之間相互作用，在T2DM的發(fā)病機(jī)制中特別重要[6]。此外，最近已經(jīng)闡明T2DM發(fā)生發(fā)展中腸道菌群的貢獻(xiàn)[7]，大多數(shù)與T2DM相關(guān)的環(huán)境因素與腸道菌群會相互作用[8]。本文通過闡述腸道菌群在T2DM發(fā)病機(jī)制中的潛在作用，旨在提供一些機(jī)制上的見解，并進(jìn)行綜述以提供理論依據(jù)和文獻(xiàn)參考。

圖1 T2DM的易感風(fēng)險因素Figure 1 Susceptibility risk factors of T2DMT2DM: type 2 diabetes mellitus

1 腸道菌群概述

腸道菌群是指富集在人體腸道黏膜表面的數(shù)量巨大、種類豐富的微生物群落。據(jù)統(tǒng)計，健康成人腸道微生物群約100萬億個，是人類細(xì)胞10倍，包含超過35 000種細(xì)菌，有人類“第二基因組”之稱[9,10]。嬰兒自出生起，腸道菌群的早期建立和初始定植即受到分娩方式、喂養(yǎng)方式、衛(wèi)生條件和抗生素使用的影響，后隨年齡增長，腸道菌群數(shù)量增多，多樣性更豐富，僅在2～3歲時即可達(dá)到與成人相似水平，并因長期飲食習(xí)慣的確定菌群結(jié)構(gòu)而趨于穩(wěn)定[9]。但菌群密度和多樣性在人體消化道解剖結(jié)構(gòu)間表現(xiàn)出顯著差異。在數(shù)量上，厚壁菌門和擬桿菌門占據(jù)主導(dǎo)地位，其次是放線菌門和變形菌門[9]。腸道菌群與腸道黏膜互利共生，可為宿主提供互補(bǔ)的遺傳資源。在阻斷病原微生物黏附聚集、維持腸道屏障結(jié)構(gòu)的完整性、促進(jìn)機(jī)體腸道免疫系統(tǒng)的發(fā)育和調(diào)節(jié)、參與營養(yǎng)代謝和能量轉(zhuǎn)化過程中，腸道菌群發(fā)揮重要作用[9,11]。

2 腸道菌群與T2DM相關(guān)性

隨著近年對腸道菌群研究愈加深入，腸道微生態(tài)備受全球糖尿病學(xué)者關(guān)注。大規(guī)模宏基因組分析顯示，T2DM患者腸道內(nèi)細(xì)菌結(jié)構(gòu)和數(shù)量與健康人相比具有顯著變化，主要表現(xiàn)為有益菌比例和數(shù)量下降，條件致病菌增多。腸道中度生物失調(diào)狀態(tài)下，微生物丁酸產(chǎn)生能力降低，參與維生素合成的基因表達(dá)減少，而參與氧化應(yīng)激的微生物基因表達(dá)增加，血清脂多糖濃度增高的促炎環(huán)境的形成[12]。研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生態(tài)影響能量代謝并與臨床指標(biāo)存在一定相關(guān)性。Blandino等[13]指出乳酸桿菌與空腹血糖和糖化血紅蛋白水平呈正相關(guān)；而梭菌屬某些種與空腹血糖、糖化血紅蛋白、胰島素、C肽和血漿甘油三酯水平呈負(fù)相關(guān)，與脂聯(lián)素和高密度脂蛋白水平呈正相關(guān)。但由于患者腸道菌群分布缺乏一致性，菌群波動后果與臨床指標(biāo)相關(guān)性尚需不同地區(qū)、種族和更大數(shù)量的人群信息進(jìn)一步研究闡明。在最近相關(guān)研究中，Whang等[14]提出抗糖尿病藥物-腸道微生物群雙向作用理論。一方面，藥物可以控制腸道菌群的組成和代謝能力；相反，腸道菌群的代謝活動及其產(chǎn)物也會影響藥物代謝效果。研究發(fā)現(xiàn)，臨床一線抗糖尿病藥物二甲雙胍的使用增加了下段腸道嗜粘蛋白-阿克曼氏菌和小腸上段中乳酸桿菌的豐度，而腸球菌、腸桿菌等有害菌明顯被抑制，這二者均有助于二甲雙胍的抗糖尿病作用[14]。此外，諸多研究證實攝入益生菌或益生元等微生態(tài)制劑可調(diào)節(jié)能量代謝，改善糖尿病狀態(tài)[15,16]。因此，建立腸道菌群失調(diào)與T2DM的相關(guān)關(guān)系，研究腸道微生物群及其代謝產(chǎn)物在該疾病狀態(tài)下的生物特征，或可為新“藥”甚至個體化藥物的開發(fā)提供重要信息，在T2DM治療方面實現(xiàn)突破性進(jìn)展。

3 腸道菌群影響T2DM相關(guān)病理生理機(jī)制

T2DM以胰島素抵抗伴胰島β細(xì)胞功能缺陷導(dǎo)致胰島素分泌不足為顯著病理生理學(xué)特征。腸道菌群及其代謝產(chǎn)物通過影響短鏈脂肪酸、膽汁酸代謝以及內(nèi)毒素反應(yīng)等多機(jī)制破壞胰島細(xì)胞功能，降低機(jī)體對胰島素敏感性，并通過復(fù)雜信號通路干擾機(jī)體糖脂代謝，進(jìn)而促進(jìn)其發(fā)生和發(fā)展。

3.1 腸道菌群調(diào)節(jié)短鏈脂肪酸代謝

短鏈脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)是腸道菌群分解膳食纖維或抗性淀粉等碳水化合物產(chǎn)生的最終產(chǎn)物，不僅在促進(jìn)腸黏膜修復(fù)，改善腸道功能方面作用顯著，且可直接或間接作為信號分子影響能量代謝或外周組織的功能。一方面，SCFAs在體內(nèi)作為重要能量來源物質(zhì)，每日提供人體高達(dá)10%的能量需求，直接控制肝臟能量合成，保持最佳葡萄糖-能量水平[17,18]。另一方面，很多證據(jù)支持SCFAs通過識別和激活人類細(xì)胞系中G蛋白偶聯(lián)受體41(G-protein-coupled receptor 41，GPR41)和GPR43，誘導(dǎo)胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)和胃腸多肽酪酪肽(peptide YY，PYY)分泌，影響糖代謝的全身效應(yīng)[19]。研究認(rèn)為SCFAs可能通過腦-腸軸調(diào)控GLP-1和PYY釋放，增強(qiáng)飽腹感，間接降低食欲以減少食物攝入[20]。在肝臟中，SCFAs已顯示出減少糖酵解和糖異生、增加糖原合成和脂肪酸的氧化作用[21]。乙酸鹽作為膽固醇合成、脂肪生成和葡萄糖穩(wěn)態(tài)過程中的底物和信號分子。而丙酸鹽在膽固醇合成中除可作為底物外，也可作為抑制劑。其抑制作用可能與代謝產(chǎn)物甲基丙二酰輔酶A和琥珀酰輔酶A有關(guān)[18]。對于胰島功能，GPR43激活后促使腸L細(xì)胞釋放GLP-1，引起胰島β細(xì)胞增殖和胰島素分泌量增加，并提高胰島素敏感性，循壞血糖水平得到改善[17]。至于腸外效應(yīng)，SCFAs通過調(diào)節(jié)AMP激酶活性增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)子蛋白4表達(dá)，從而改善骨骼肌和脂肪組織對葡萄糖的攝取[21]。腎臟中GPR41活化似乎可降低血壓，這對T2DM介導(dǎo)的腎損害具有保護(hù)作用[22]。此外，值得關(guān)注的是SCFAs被認(rèn)為是腸道菌群和免疫系統(tǒng)之間的媒介，介導(dǎo)腸道免疫平衡。有研究指出，SCFAs在固有免疫方面可作為組蛋白去乙酰化酶抑制劑，導(dǎo)致核因子-κB失活并減少腫瘤壞死因子-α等促炎因子的產(chǎn)生，從而調(diào)節(jié)腸巨噬細(xì)胞等單個核細(xì)胞功能[19]。在適應(yīng)性免疫調(diào)節(jié)過程中，研究發(fā)現(xiàn)丁酸鹽與原始T細(xì)胞向調(diào)節(jié)性T細(xì)胞分化有關(guān)，而乙酸鹽和丙酸鹽對調(diào)節(jié)性T細(xì)胞向腸道遷移至關(guān)重要[23,24]。綜上，SCFAs在調(diào)節(jié)機(jī)體代謝方面具有重要意義，但鑒于其在多個組織中的不同受體和功能，尚無法全面描述SCFAs在T2DM發(fā)病機(jī)制和發(fā)展中的作用。

3.2 腸道菌群調(diào)節(jié)膽汁酸代謝

膽汁酸是一種兩親性類固醇分子，是肝臟中膽固醇代謝的終產(chǎn)物。腸道菌群依賴法尼醇X受體(farnesoid X receptor，F(xiàn)XR)和G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1(G protein coupled bile acid receptor 1，GPBAR1)介導(dǎo)肝腸信號轉(zhuǎn)導(dǎo)軸在膽汁酸合成、修飾和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中起關(guān)鍵作用[25]。這兩種特異性受體活化轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)和信號級聯(lián)，通過主要作用于肝臟組織和外周器官，影響膽汁酸、脂質(zhì)和碳水化合物代謝、能量消耗和炎癥相關(guān)基因的表達(dá)和活性[26,27]。但腸道菌群異位造成的膽汁酸代謝過程受阻，該結(jié)果又將加劇腸道菌群失衡，如此不良循環(huán)的接續(xù)發(fā)生，導(dǎo)致正常代謝通路紊亂，最終嚴(yán)重影響機(jī)體能量轉(zhuǎn)化。有研究指出肝臟膽汁酸-FXR信號可通過減少肝臟糖異生并誘導(dǎo)肝糖原合成來調(diào)節(jié)餐后血糖水平，但在動物試驗中尚未取得一致性結(jié)論。膽汁酸激活GPBAR1可促進(jìn)腸L細(xì)胞產(chǎn)生和分泌GLP-1，該肽作用于胰島β細(xì)胞，調(diào)節(jié)葡萄糖刺激的胰島素分泌[20]。然而，在大多數(shù)人類和動物研究中，腸道FXR激活會引發(fā)機(jī)體高血糖這一負(fù)面影響，而GPBAR1信號則可改善血糖水平和能量穩(wěn)態(tài)[28]。小鼠腸道特異性敲除FXR基因可降低胰島素抵抗和肝臟甘油三脂積累，而在巨噬細(xì)胞和骨髓細(xì)胞中敲除GPBAR1會加劇脂肪組織炎癥和胰島素抵抗，這提示GPBAR1在T2DM發(fā)病機(jī)制中可能具有保護(hù)作用[22]。所以考慮激活GPBAR1信號并阻斷FXR信號的活化可能成為控制T2DM患者血糖狀態(tài)的新方式，鑒于不同模型研究結(jié)果的差異，仍需進(jìn)一步工作對以上結(jié)論加以驗證。

3.3 腸道菌群調(diào)節(jié)內(nèi)毒素血癥

T2DM是以長期慢性低水平炎癥為特征的代謝性疾病，可能與腸道屏障破壞導(dǎo)致血漿脂多糖含量增高相關(guān)[25]。脂多糖又稱內(nèi)毒素，是革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁的主要組成成分，具有免疫激活和強(qiáng)烈的致炎效應(yīng)。內(nèi)毒素血癥的嚴(yán)重程度不僅與腸道緊密蛋白減少、腸道通透性增加密切相關(guān)，而且高脂飲食導(dǎo)致內(nèi)毒素水平顯著增加。在高脂飲食誘導(dǎo)的模型中，雙歧桿菌數(shù)量與門靜脈血漿高濃度脂多糖呈顯著負(fù)相關(guān)。高脂飲食會引起腸道菌群異位，革蘭氏陰性桿菌數(shù)量上升，而雙歧桿菌和乳酸桿菌等益生菌數(shù)量下降[20,29]。這種菌群紊亂產(chǎn)生的大量脂多糖參與代謝性內(nèi)毒素血癥的發(fā)展，并進(jìn)一步加劇宿主炎癥反應(yīng)、胰島素抵抗和其他代謝紊亂。一項系統(tǒng)綜述指出，正常飲食生長的小鼠連續(xù)低劑量[300 μg/(kg·d)]注射脂多糖，將導(dǎo)致小鼠體質(zhì)量增加、脂肪組織積累、代謝改變和促炎分子表達(dá)增加。在人體研究中，大腸桿菌脂多糖(3 ng/kg)暴露已被證明會促進(jìn)系統(tǒng)性胰島素抵抗和脂肪組織相關(guān)炎癥[30]。分子研究表明，脂多糖促進(jìn)核因子-κB和c-Jun N末端激酶途徑活化，這兩者均與肌肉組織、脂肪組織、肝臟組織和下丘腦胰島素抵抗的發(fā)展和胰島素信號缺失有關(guān)[31]。另外，脂多糖與葡萄糖磷酸異構(gòu)酶錨定蛋白CD14形成復(fù)合物，為腸細(xì)胞基底膜和循環(huán)免疫細(xì)胞質(zhì)膜上的Toll樣受體4所識別，通過多種細(xì)胞內(nèi)信號通路誘導(dǎo)炎性因子，如干擾素、腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-1β和白細(xì)胞介素-6等釋放，激活一系列非特異性免疫反應(yīng)，這種炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激可抑制胰島素受體底物激活，誘導(dǎo)胰島素抵抗和胰島β細(xì)胞結(jié)構(gòu)損傷甚至死亡[32]，同時釋放的促炎因子促進(jìn)動脈粥樣硬化斑塊的形成和破裂，提高了T2DM引發(fā)的心血管風(fēng)險[19]。

3.4 腸道菌群調(diào)節(jié)其他代謝物

腸道菌群代謝產(chǎn)生多種生物活性小分子，相關(guān)代謝物譜有助于解釋T2DM潛在發(fā)病機(jī)制。既往研究表明支鏈氨基酸、芳香氨基酸、三酰甘油以及氧化三甲胺等與胰島素抵抗密切相關(guān)[33-37]。高水平循環(huán)支鏈氨基酸(亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸)與胰島素抵抗和T2DM事件風(fēng)險呈正相關(guān)。除對胰島素敏感性的影響外，血漿支鏈氨基酸的升高對胰島β細(xì)胞產(chǎn)生巨大分泌壓力，最終導(dǎo)致β細(xì)胞功能障礙[34,38]。多組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),胰島素抵抗患者腸道菌群具有豐富的循環(huán)支鏈氨基酸生物合成潛力，其中普通擬桿菌和普雷沃氏菌是聯(lián)系胰島素抵抗和循環(huán)支鏈氨基酸的主要物種[33]。另一種人體必須芳香氨基酸——色氨酸，有利于維持腸道屏障完整性，約4%～6%可以直接被腸道細(xì)菌利用。色氨酸的兩種代謝產(chǎn)物吲哚酚硫酸鹽和對甲酚硫酸鹽可刺激腸L細(xì)胞中GLP-1釋放和胰島β細(xì)胞分泌胰島素[30]。更多研究發(fā)現(xiàn)三酰甘油和三酰甘油/高密度脂蛋白膽固醇比率都與胰島素抵抗呈正相關(guān)，故這兩個變量或可考慮作為穩(wěn)態(tài)模型-胰島素抵抗指數(shù)的替代指標(biāo)[35]。另外，一個前瞻性隊列研究表明偶數(shù)鏈飽和脂肪酸與T2DM發(fā)病率呈正相關(guān)，而奇數(shù)鏈飽和脂肪酸和長鏈飽和脂肪酸與T2DM發(fā)病率呈負(fù)相關(guān)[36]。氧化三甲胺和丙酸咪唑分別作用于不同途徑而影響胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[37]。然而，以上相關(guān)研究并不多，甚至存在爭議。因此需要更充分的研究以確定腸道菌群代謝產(chǎn)物與T2DM潛在的機(jī)制聯(lián)系。

綜上，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物通過復(fù)雜的分子信號網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)宿主能量代謝，而影響T2DM的發(fā)生發(fā)展。隨著宏基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)等多組學(xué)技術(shù)愈發(fā)成熟，腸道菌群與宿主代謝性疾病的互作關(guān)系進(jìn)一步明確，為腸道菌群作為T2DM治療的潛在靶標(biāo)提供更有力證據(jù)。近年來，直接或間接補(bǔ)充益生菌或益生元、糞菌移植以及構(gòu)建工程菌和噬菌體等方式在調(diào)節(jié)宿主免疫、抗氧化應(yīng)激和糾正代謝紊亂等方面已取得一定積極療效[37]，其中影響程度的不一致性似乎與治療類型和地域分布差異等因素有關(guān)。未來仍需要大量實驗和長期的臨床研究探索以調(diào)控腸道微生態(tài)為中心的更有效的治療途徑。