腸道菌群-膽汁酸軸與2型糖尿病關(guān)系的研究進(jìn)展

周舒婕，楊陽，柯亭羽

(昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院內(nèi)分泌科，昆明 650101)

糖尿病是一種代謝性疾病，以血糖升高為主要特征，并伴隨視網(wǎng)膜病變、腎病、心血管并發(fā)癥等。由于人們生活水平的提高、社會節(jié)奏的加快、高鹽高脂高熱量的飲食習(xí)慣，及體力活動的缺乏、精神壓力等多重因素，糖尿病的患病率逐年增加。截至2019年，全球糖尿病患病率約為9.3%，預(yù)計(jì)2030年將升至10.2%，2045年升至10.9%[1]。根據(jù)病因不同，糖尿病分為1型、2型及其他特殊類型。與其他代謝性疾病類似，2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)的發(fā)病也是由遺傳和環(huán)境因素共同決定。胰島素抵抗及胰島β細(xì)胞功能缺陷是T2DM發(fā)病的主要機(jī)制，其中胰島素抵抗是關(guān)鍵。人類有超過330萬個腸道微生物基因[2]，目前已發(fā)現(xiàn)罹患糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)與“人類第二大基因組”即腸道微生物組(也稱為腸道宏基因組)相關(guān)[3]。腸道菌群與其代謝產(chǎn)物膽汁酸相互作用，通過多種機(jī)制參與T2DM的發(fā)生發(fā)展，共同參與機(jī)體糖代謝穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)?，F(xiàn)就腸道菌群-膽汁酸軸與T2DM關(guān)系的研究進(jìn)展予以綜述，以為防治T2DM提供新思路。

1 膽汁酸及膽汁酸信號通路

膽汁酸是機(jī)體內(nèi)膽固醇的代謝產(chǎn)物，作為膽汁的重要組成成分，其主要作用為促進(jìn)脂類消化吸收，防止結(jié)石形成。肝臟是合成膽汁酸的唯一場所，正常情況下，75%的膽固醇通過經(jīng)典途徑合成初級膽汁酸，其余通過替代途徑合成。其中，膽固醇7α-羥化酶(cholesterol 7α-hydroxylase，CYP7A1)是經(jīng)典途徑的限速酶，甾醇27-羥化酶是替代途徑的限速酶。初級膽汁酸[主要包括膽酸、鵝去氧膽酸(chenodeoxycholic acid，CDCA)]與甘氨酸或牛磺酸結(jié)合形成結(jié)合型膽汁酸后，經(jīng)膽鹽輸出泵排泌到膽管，進(jìn)入膽囊濃縮儲存。機(jī)體進(jìn)餐后，膽囊收縮促使這種初級結(jié)合型膽汁酸分泌到腸道中，約95%的膽汁酸在回腸末端及結(jié)腸通過主動運(yùn)輸?shù)男问奖恢匚杖敫闻K，這一過程稱為膽汁酸的肝腸循環(huán)。剩余未被重吸收的膽汁酸在遠(yuǎn)端小腸和結(jié)腸部位，首先在膽鹽水解酶作用下去結(jié)合形成游離膽汁酸，再經(jīng)7α-脫羥基酶作用由初級膽汁酸轉(zhuǎn)變?yōu)榇渭壞懼?脫氧膽酸、石膽酸)，最終從糞便排出[4-6]。膽汁酸循環(huán)過程中還可以發(fā)生硫酸化、差向異構(gòu)化等變化，且不同結(jié)構(gòu)的膽汁酸吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的方式也不同。肝腸循環(huán)使機(jī)體每日產(chǎn)生的有限膽汁酸得到最大程度的充分利用，降低了機(jī)體的消耗。膽汁酸作為信號分子與法尼醇X受體(farnesoid X receptor，F(xiàn)XR)、G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體5(G protein-coupled bile acid receptor 5，TGR5)等受體結(jié)合，可以調(diào)控膽汁酸合成并參與機(jī)體糖脂代謝及能量代謝，正常的膽汁酸信號通路與糖穩(wěn)態(tài)的維持密切相關(guān)。FXR主要分布于細(xì)胞核，F(xiàn)XR在不同部位啟動不同的下游靶基因表達(dá)，負(fù)反饋抑制膽汁酸合成。在肝臟，F(xiàn)XR被膽汁酸激活后，小異二聚體伴侶表達(dá)增加，小異二聚體伴侶與肝受體同源蛋白1結(jié)合可抑制膽汁酸經(jīng)典途徑合成所需的限速酶CYP7A1，從而減少膽汁酸合成[7]。TGR5由腸道L細(xì)胞表達(dá)，其與膽汁酸結(jié)合后，通過激活蛋白激酶A等激酶途徑引發(fā)一系列下游級聯(lián)反應(yīng)，影響細(xì)胞能量代謝[8]。對小鼠模型的研究發(fā)現(xiàn)，TGR5調(diào)節(jié)細(xì)胞能量代謝還與誘導(dǎo)米色脂肪分化、重塑線粒體形態(tài)與結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)細(xì)胞呼吸等作用相關(guān)[9]?？梢?，膽汁酸信號通路是腸道菌群-膽汁酸軸發(fā)揮糖調(diào)節(jié)作用的關(guān)鍵步驟。

2 腸道菌群-膽汁酸軸及其與T2DM的關(guān)系

作為人體組成部分之一的腸道菌群，可以產(chǎn)生次級膽汁酸、短鏈脂肪酸、脂多糖、肽聚糖等各種有益或有害的代謝產(chǎn)物作用于人體[10-13]。而作為腸道微生物代謝產(chǎn)物之一的膽汁酸反過來又可以作用于腸道菌群。腸道菌群與膽汁酸之間有復(fù)雜、密切的聯(lián)系，兩者形成腸道菌群-膽汁酸軸，軸上任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，均將會通過一系列級聯(lián)反應(yīng)影響機(jī)體代謝，從而參與各種代謝性疾病尤其是T2DM的發(fā)生發(fā)展。

2.1腸道菌群改變膽汁酸池從而影響糖代謝

2.1.1腸道菌群影響膽汁酸池的組成 人體腸道菌群包含的微生物超過100萬億個，其中主要包括擬桿菌門、厚壁菌門和放線菌門[14]。膽汁酸在肝臟合成，運(yùn)輸?shù)竭h(yuǎn)端回腸及結(jié)腸后發(fā)生的解共軛、脫羥基和脫氫反應(yīng)是在腸道微生物的作用下完成。大部分腸道微生物具有膽鹽水解酶活性。其中，擬桿菌除了解離作用外，還可以將膽汁酸氧化、差向異構(gòu)化及酯化[15]，厚壁菌門具有大部分腸道微生物不具備的7α-脫羥基作用[16]。經(jīng)過腸道微生物的這些作用后，初級膽汁酸轉(zhuǎn)變成次級膽汁酸及其他數(shù)十種代謝產(chǎn)物，作為信號分子參與機(jī)體代謝。T2DM患者腸道菌群發(fā)生顯著變化，益生菌(如雙歧桿菌)數(shù)量減少，機(jī)會致病菌(擬桿菌、大腸埃希菌等產(chǎn)生內(nèi)毒素的革蘭陰性菌)數(shù)量增多。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，胰島素抵抗者腸道菌群中厚壁菌門與擬桿菌門比值升高[12]。糖代謝紊亂的患者循環(huán)中膽汁酸的含量及比例也發(fā)生變化，與正常人相比，糖耐量受損者和T2DM患者體內(nèi)初級膽汁酸與次級膽汁酸比值下降[17]。據(jù)此推測，膽汁酸池與腸道菌群之間存在一定聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)飼養(yǎng)的小鼠膽汁酸池種類遠(yuǎn)多于無菌小鼠[16]。而使用抗生素后，依賴腸道菌群產(chǎn)生的次級膽汁酸比例顯著下降[18]。說明沒有腸道菌群的作用，膽汁酸的多樣性會減少。當(dāng)具有解共軛、脫羥基等作用的細(xì)菌數(shù)量改變時，初級膽汁酸與次級膽汁酸的比例隨之發(fā)生變化。

2.1.2膽汁酸池的改變對糖代謝的影響 初級膽汁酸中的CDCA是經(jīng)CYP7A1催化產(chǎn)生的非12α-羥化膽汁酸，是FXR的激動劑；而次級膽汁酸中的脫氧膽酸是FXR的部分拮抗劑[19]。另外，存在于小鼠體內(nèi)的一種結(jié)合型膽汁酸——?；撬峤Y(jié)合型鼠膽酸是FXR的天然拮抗劑[20]。由此可見，膽汁酸受體對不同結(jié)構(gòu)膽汁酸的敏感性不同。小腸內(nèi)葡萄糖的吸收主要依靠兩類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，即葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。研究發(fā)現(xiàn)，具有FXR激活效應(yīng)的膽汁酸通過磷酸化胞外信號調(diào)節(jié)激酶信號通路，使葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2表達(dá)增多，促進(jìn)腸道上皮細(xì)胞攝取葡萄糖；此外，F(xiàn)XR激活后通過影響氧化磷酸化過程減少腸上皮細(xì)胞能量生成[21]。另有研究發(fā)現(xiàn)，腸膽汁酸缺乏的患者更易發(fā)生高血糖，重癥腸膽汁酸缺乏患者血糖異常升高的比例約為30%[21]?？梢?，膽汁酸水平及比例改變會影響FXR激活效應(yīng)，進(jìn)而通過調(diào)控葡萄糖的吸收和能量代謝影響機(jī)體葡萄糖穩(wěn)態(tài)。在遠(yuǎn)端回腸，次級膽汁酸激活FXR后誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞生長因子19(fibroblast growth factor 19，F(xiàn)GF19)表達(dá)[22]，F(xiàn)GF19通過激活促分裂原活化的蛋白激酶通路促進(jìn)脂肪細(xì)胞攝取葡萄糖[23]，以改善胰島素敏感性和葡萄糖耐受性。胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)是一種腸促胰素，其通過與相應(yīng)受體結(jié)合促進(jìn)胰島素分泌、抑制胰高血糖素分泌、抑制食欲及延緩胃排空、刺激胰島β細(xì)胞增殖、抑制胰島β細(xì)胞凋亡等機(jī)制發(fā)揮降血糖的作用[24-25]。膽汁酸結(jié)合TGR5后促進(jìn)腸道內(nèi)分泌細(xì)胞分泌GLP-1，也可以對糖代謝產(chǎn)生積極影響[26]。膽固醇一部分在CYP7A1作用下直接轉(zhuǎn)變?yōu)榉?2α-羥化膽汁酸CDCA，另一部分再經(jīng)甾醇12α-羥化酶作用形成12α-羥化膽汁酸即膽酸。且胰島素抵抗者甾醇 12α-羥化酶活性更高[27]，表明胰島素抵抗者膽酸與CDCA的比值增高。一項(xiàng)針對45例有妊娠期糖尿病病史女性的研究發(fā)現(xiàn)，非12α-羥化膽汁酸比例升高更有利于血糖控制[5]。值得注意的是，12α-羥化膽汁酸與非12α-羥化膽汁酸比值的增加與胰島素抵抗有關(guān)。因?yàn)槟懰崤cCDCA的分子結(jié)構(gòu)不同，兩者的比值決定了膽汁酸池的疏水性，故推測，膽汁酸池比例改變引起的理化性質(zhì)改變可影響胰島素敏感性。

正常情況下，膽汁酸作為信號分子激活膽汁酸受體觸發(fā)下游級聯(lián)反應(yīng)來調(diào)節(jié)葡萄糖代謝、改變胰島素敏感性和影響能量消耗，當(dāng)異常的腸道菌群打破膽汁酸池調(diào)控糖代謝平衡時，就會出現(xiàn)機(jī)體糖耐量的異常，甚至發(fā)展為糖尿病。然而，從空腹血糖受損發(fā)展為糖耐量異常，最后形成T2DM，腸道菌群和膽汁酸池在這個過程不同階段的具體變化研究還不夠充分和完善。因此，通過對腸道菌群和膽汁酸池進(jìn)行動態(tài)跟蹤研究，將有利于人們在糖尿病發(fā)生發(fā)展的不同階段對糖穩(wěn)態(tài)異常提出針對性的防治意見。

2.2膽汁酸影響腸道菌群從而調(diào)節(jié)糖代謝 膽汁酸可以通過干擾RNA的二級結(jié)構(gòu)，影響細(xì)菌蛋白質(zhì)合成[28]。且游離膽汁酸表現(xiàn)出強(qiáng)烈的細(xì)胞毒作用，對耐受性差的細(xì)菌，膽汁酸可以直接抑制其生長。另外，膽汁酸與FXR結(jié)合后引起免疫應(yīng)答及誘導(dǎo)抗菌肽產(chǎn)生[29]，也會對細(xì)菌細(xì)胞膜造成破壞。上述作用導(dǎo)致的共同結(jié)果為隨著腸道遠(yuǎn)端部位膽汁酸的蓄積，只有能夠耐受高膽汁酸濃度的微生物群才能在腸道中生存。van Best等[30]研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)合型膽汁酸(如?；悄懰?可以增加新生小鼠腸道微生物種類，顯著降低大腸埃希菌的豐度，使腸道菌群組成更加接近成年小鼠，而熊脫氧膽酸卻沒有引起這種變化。在人體內(nèi)，結(jié)合型膽汁酸同樣可以促進(jìn)腸道菌群的多樣性[31]?？梢姡c道從胎兒時期的無菌狀態(tài)到成年后擁有穩(wěn)定的微生物群落生態(tài)系統(tǒng)，除了與出生后與母體及外部環(huán)境的接觸相關(guān)，膽汁酸也是促成腸道菌群多樣性及成熟的重要因素，且不同種類的膽汁酸對腸道菌群的影響不同。腸道菌群可以產(chǎn)生短鏈脂肪酸、氧化三甲胺、膽汁酸等代謝產(chǎn)物來調(diào)節(jié)葡萄糖及血脂能量代謝、影響腸道通透性、改變胰島素敏感性；產(chǎn)生單核細(xì)胞趨化蛋白1、γ干擾素等細(xì)胞因子引起慢性炎癥。同時，腸道菌群中的革蘭陰性菌可以產(chǎn)生脂多糖引起內(nèi)毒素血癥[10,13,16,32]。因此，一旦腸道微生物系統(tǒng)的平衡被打破，就有可能發(fā)生T2DM、非酒精性脂肪肝等代謝性疾病。

2.3其他 減肥外科手術(shù)是目前肥胖癥患者減輕體重并獲得長期維持最有效的手段，迄今為止，已有50多種手術(shù)用于病態(tài)肥胖的治療[33]，其中胃繞道旁路手術(shù)(Roux-e-Y gastric bypass,RYGB)和垂直袖狀胃切除手術(shù)(vertical sleeve gastrectomy，VSG)使用最廣泛。有研究通過比較減肥手術(shù)和傳統(tǒng)減肥方法，發(fā)現(xiàn)對有糖尿病的肥胖癥患者，減肥手術(shù)在減重的同時還能明顯且持續(xù)地改善血糖水平[34]，說明減重手術(shù)的意義不僅是單純降低體重。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，VSG、RYGB等減肥手術(shù)減輕體重主要通過減少胃容量及胃腸改道，從而限制營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。但Ryan等[35]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)XR基因正常小鼠行VSG后，腸道內(nèi)與T2DM發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)的擬桿菌豐度降低，與T2DM發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān)的羅氏菌豐度增加，然而在FXR基因被破壞以及沒有進(jìn)行VSG的小鼠體內(nèi)未發(fā)現(xiàn)擬桿菌和羅氏菌豐度的明顯變化，說明腸道菌群的改變是VSG后患者體重下降及血糖、糖化血紅蛋白等糖尿病指標(biāo)控制良好的一個重要因素。RYGB和垂直帶狀胃成形術(shù)術(shù)后，機(jī)體胰島素抵抗和異常糖耐量改善的效果明顯，同時伴隨微生物組多樣性改變，VSG后血漿總膽汁酸水平升高[36-37]。說明胃容量機(jī)械性減少及營養(yǎng)物質(zhì)吸收的限制并不是減肥手術(shù)起效的主要原因，手術(shù)減輕體重和改善胰島素抵抗主要與循環(huán)中膽汁酸含量增多及腸道菌群的改變相關(guān)。FXR基因敲除小鼠VSG后降低的體重會反彈[35]，說明減肥外科手術(shù)后長期的血糖達(dá)標(biāo)和持久的減重效果與FXR信號通路對機(jī)體代謝的調(diào)控有關(guān)，也間接強(qiáng)調(diào)了膽汁酸的重要性。有研究通過比較RYGB與強(qiáng)化醫(yī)療管理的T2DM各項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)行RYGB的患者在獲得更明顯體重下降的同時，在改善胰島素抵抗和減少其他降糖藥物使用等方面優(yōu)于強(qiáng)化醫(yī)療管理的患者[22]。RYGB后，血清膽汁酸與FGF19水平升高，考慮與RYGB縮短消化道長度，使膽汁酸快速到達(dá)小腸末端，加速腸肝循環(huán)相關(guān)?？梢?，減肥外科手術(shù)對T2DM患者的積極影響與腸道菌群-膽汁酸軸相關(guān)，通過探索外科手術(shù)與體內(nèi)神經(jīng)、激素改變的聯(lián)系，使多學(xué)科聯(lián)合治療T2DM成為可能。

3 調(diào)節(jié)腸道菌群-膽汁酸軸防治T2DM

T2DM的藥物治療方法包括口服降糖藥物和皮下注射胰島素或胰高血糖素樣肽-1受體激動劑。這些藥物通過促進(jìn)胰島素分泌、增加外周組織對胰島素的敏感性、抑制肝臟葡萄糖輸出、延緩小腸吸收碳水化合物、促進(jìn)尿糖排泄等機(jī)制調(diào)節(jié)血糖，改善糖尿病抵抗。隨著研究的深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)降糖藥物傳統(tǒng)降糖機(jī)制以外的作用靶點(diǎn)，即腸道菌群和膽汁酸，發(fā)現(xiàn)其他非常規(guī)降糖藥物(降脂藥等)對T2DM患者紊亂的糖穩(wěn)態(tài)和胰島素抵抗也具有調(diào)節(jié)作用。

3.1以腸道菌群為靶點(diǎn) 飲食中膳食纖維比例增高可以通過增加飽腹感、減少體重增加、降低血糖和膽固醇水平等對代謝健康起積極作用，從而降低肥胖、T2DM、心血管疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，長期食用高動物蛋白、飽和脂肪酸的個體腸道內(nèi)擬桿菌與普氏菌比例增高，富含植物纖維飲食習(xí)慣者腸道內(nèi)擬桿菌與普氏菌比例降低，提示不健康的飲食習(xí)慣會改變腸道微生物穩(wěn)態(tài)[11]。Arora等[38]研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠的高脂飲食中添加食用纖維可顯著增加能量消耗和有益菌的數(shù)量，抑制體重增加。另有研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍、阿卡波糖、西格列汀等藥物在降低血糖的同時，增加了腸道有益菌的數(shù)量[39]，其他藥物如小檗堿也被證實(shí)可以通過抑制部分腸道菌群對膽汁酸代謝的不良影響來發(fā)揮降低血糖的作用[40]。因此，補(bǔ)充益生菌可以增加降糖藥物效果，且抗高血糖藥物降低血糖的作用與腸道微生物比例、膽汁酸信號通路及糖脂代謝改變相關(guān)。然而，這些藥物的作用也受到飲食的影響，如高脂飲食增加腸道中革蘭陰性菌的數(shù)量，誘發(fā)內(nèi)毒素血癥。所以合理的膳食搭配及藥物對腸道菌群產(chǎn)生積極影響，這在治療糖尿病方面具有潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值。

3.2以膽汁酸為靶點(diǎn) T2DM患者空腹總膽汁酸在正常范圍高值時表現(xiàn)為胰島素敏感性減弱、胰島β細(xì)胞功能低下以及胰高血糖素水平異常升高[41]，提示空腹總膽汁酸增加可能對胰島β細(xì)胞和α細(xì)胞分泌產(chǎn)生不良影響，空腹總膽汁酸水平升高可能是一些慢性糖尿病并發(fā)癥發(fā)生的原因。膽汁酸增加與胰島素抵抗之間的相互作用增強(qiáng)促進(jìn)了T2DM等代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展，提示膽汁酸可作為治療此類疾病的靶點(diǎn)之一。如考來烯胺、考來替泊、考來維侖等膽汁酸結(jié)合劑在腸道中與膽汁酸大量結(jié)合，阻礙膽汁酸的重吸收，增加膽固醇的消耗，發(fā)揮降脂降糖作用。司維拉姆是一種不可吸收性胺類樹脂，可以結(jié)合消化道中的磷酸根并降低其吸收，臨床上主要用于治療高磷血癥，但它也具有結(jié)合膽汁酸的能力，可以干擾脂肪吸收。Br?nden等[42]研究發(fā)現(xiàn)，司維拉姆可以通過減少腸道和肝臟的FXR激活效應(yīng)來介導(dǎo)降糖作用。這些以往用來降低血脂、減少血清游離膽汁酸的膽汁酸隔離劑可以通過影響膽汁酸信號通路而發(fā)揮降低血糖的作用。腸道FXR拮抗劑可減弱肝糖異生并降低腸道和血清神經(jīng)酰胺水平，而TGR5激動劑可促進(jìn)L細(xì)胞分泌GLP-1并激活棕色脂肪細(xì)胞的生熱作用[43]。通過外源補(bǔ)充膽汁酸替代品、膽汁酸隔離劑、腸道特異性FXR拮抗劑和TGR5激動劑來調(diào)控膽汁酸池的組成，以治療高血糖。但因?yàn)槿狈ψ銐虻呐R床研究，且這些藥物價(jià)格昂貴，所以其廣泛應(yīng)用于臨床還需大量循證醫(yī)學(xué)證據(jù)支持。

4 小 結(jié)

T2DM患者體內(nèi)腸道菌群組成及數(shù)量改變，影響膽汁酸池的組成和理化性質(zhì)，進(jìn)而影響膽汁酸的FXR、TGR5信號通路；受到膽汁酸的影響，不同菌群的比例和數(shù)量也發(fā)生改變。這一系列變化造成體內(nèi)糖脂代謝的異常。因此，調(diào)節(jié)和維持腸道菌群及膽汁酸的正常代謝對防治T2DM具有重要意義。以腸道菌群-膽汁酸軸為靶點(diǎn)的治療方法不僅可以治療糖尿病及其并發(fā)癥，還有益于其他代謝性疾病的防治，具有潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值。雖然目前對腸道菌群與膽汁酸在T2DM發(fā)病中的具體機(jī)制認(rèn)識還不夠充分，但通過糖尿病學(xué)、內(nèi)分泌學(xué)、神經(jīng)病學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)及外科學(xué)等多學(xué)科共同探索，人們對有關(guān)信號通路改變的研究會逐漸深入，治療T2DM的思路將更加多元化。