基于腸道菌群探討運動改善2型糖尿病的可能機制①

楊 瓊 戴 霞 徐丹青 黎學穎 （廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院，南寧 530021）

近年來，全球糖尿病發(fā)病率呈持續(xù)上升趨勢。報告顯示，2019 年糖尿病患病率高達9.3%，患病人數(shù)上升至4.63 億，2 型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus，T2DM）約占所有糖尿病的90%［1］。T2DM 是由遺傳和環(huán)境因素共同作用的一種以高血糖為主要特征的代謝性疾病，胰島素抵抗和胰島素分泌不足是其主要的病理生理機制［2］。隨著各項高通量微生物研究技術的研發(fā)與應用，許多研究認為腸道菌群失調及其代謝產物可能是導致T2DM 發(fā)展的潛在環(huán)境因素，并將其作為重要的干預靶點［3-4］。人體腸道菌群由多種因素調節(jié)，如遺傳、飲食因素［5］。進一步研究發(fā)現(xiàn)，運動可通過對腸道菌群產生積極影響促進宿主健康，但其確切機制尚未明確［6-7］。鑒于此，以腸道菌群為靶點的運動干預很可能成為改善T2DM 生物學機制研究的新方向。本文旨在綜述運動調節(jié)腸道菌群對T2DM的改善作用，為防治T2DM提供研究思路。

1 腸道菌群概述

機體腸道菌群的建立始于嬰兒出生時，受母體、分娩方式、環(huán)境及飲食因素影響，腸道菌群一直處于動態(tài)的、非穩(wěn)定的變化過程［8］。直到2～3 歲才形成類似于成人的腸道菌群結構并趨于穩(wěn)定，據(jù)估計，人體腸內微生物數(shù)量超過1×1014個/ml，約為機體自身細胞數(shù)量的10 倍［9］?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)人體腸道內的定植菌可分為9個菌門，包括厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、變形桿菌（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、梭桿菌門（Fusobacteria）、疣狀球菌門（Verrucomicrobia）等，厚壁菌門和擬桿菌門為優(yōu)勢菌群，二者占比高達90%［10］。正常情況下，腸道菌群與人體、外界環(huán)境三者間形成互利共生關系以維持動態(tài)平衡狀態(tài)，一方面參與機體營養(yǎng)物質的消化吸收，如維生素、必需氨基酸的合成；另一方面可調節(jié)免疫功能，防御致病菌及條件致病菌侵入腸黏膜，保持機體內環(huán)境的相對穩(wěn)定，對維持人體健康具有重要作用［11］。

2 腸道菌群與T2DM

大量研究強調了腸道菌群組成在誘發(fā)T2DM 中的重要性。與正常飲食相比，高脂飲食可降低小鼠腸道菌群多樣性，厚壁菌門/擬桿菌門比例下降與肥胖、胰島素抵抗風險有關［12］。相同基因型或飲食類型的小鼠存在不同的葡萄糖代謝情況，其代謝和免疫特征主要取決于腸道微生物的多樣性和組成，與飲食類型無關［13-14］。研究發(fā)現(xiàn)，與健康人群相比，新診斷的T2DM 患者糞便中的乳酸桿菌計數(shù)較高，而球狀梭菌和柔嫩梭菌計數(shù)較低。乳酸桿菌與糖化血紅蛋白呈正相關，而球狀梭菌、柔嫩梭菌與糖尿病參數(shù)呈負相關［15］。MOCANU 等［16］證實，采用糞菌移植結合低發(fā)酵性纖維治療可重塑腸道微生物組成，有效改善肥胖和代謝綜合征患者的胰島素敏感性。有研究提出，合生元結合運動治療可能對改善腸道菌群失調起到協(xié)同加強作用，提高胰島素敏感性，未來的研究應關注這種可能性［17］。因此，腸道菌群失調與T2DM 相關，通過有效治療手段重塑腸道菌群組成可能成為防治T2DM的新方向。

3 運動對T2DM腸道菌群的影響

運動可減少脂質沉積，調節(jié)能量代謝，是公認的促進健康的最佳手段之一。運動對腸道菌群的調節(jié)具有良性刺激作用，不同的運動方式、強度及持續(xù)時間對腸道菌群的影響有所差異，近年來關于運動對T2DM 腸道微生物結構影響的研究結果詳見表1。

表1 運動對T2DM腸道菌群結構的影響Tab.1 Effects of exercise on gut microbiota in T2DM

4 運動調節(jié)腸道菌群改善T2DM 的可能機制

目前仍缺乏運動對T2DM 特定菌群種類改變的相關研究，證據(jù)表明，產丁酸鹽細菌減少和致病菌增加可導致腸黏膜屏障破壞，觸發(fā)炎癥反應；與氧化應激有關的微生物基因表達增加，胰島素敏感性降低［22-23］。此外，菌群代謝產物也參與糖代謝紊亂中涉及的內毒素血癥、胰島細胞功能障礙等相關機制［24］。研究發(fā)現(xiàn)，移植運動訓練后T2DM 患者糞便菌群可有效改善肥胖小鼠的胰島素抵抗［25］。運動是否可以獨立影響腸道菌群尚未闡明，盡管多項實驗結果存在差異，但不能排除運動通過調節(jié)腸道菌群改善T2DM進展的潛力。

4.1 改善能量代謝

4.1.1 短鏈脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）代謝途徑 SCFAs是腸道菌群酵解纖維的主要代謝終產物，包括乙酸、丙酸和丁酸，補充SCFAs 可調節(jié)能量代謝，改善胰島素敏感性。運動可以提高梭狀芽孢桿菌科、乳桿菌科等產丁酸鹽類菌群的豐度，提示運動對T2DM 的影響可能是通過調節(jié)菌群代謝產物改善血糖［9］。G 蛋白偶聯(lián)受體GPR41和GPR43是特異性SCFAs 受體，GPR41/43可誘導腸道內分泌細胞合成分泌胰高血糖素樣肽1（GLP-1）和胃腸多肽酪肽（PYY），使宿主產生飽腹感，促胰島素分泌［26］；HAN 等［27］發(fā)現(xiàn)SCFAs 可通過激活GPR41 增加3T3-L1 脂肪細胞和C2C12 肌細胞對葡萄糖的攝取；腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是細胞能量代謝的重要調節(jié)劑，SCFAs 可激活 骨 骼 肌 中AMPK-PGC-1α 通 路，上 調PGC-1α mRNA及蛋白表達，促進線粒體生物合成，增強葡萄糖的攝取和脂肪酸氧化作用［28］。

4.1.2 支 鏈 氨 基 酸（branched-chain amino acid，BCAA）代謝途徑 BCAAs 為人體必需的氨基酸，主要從飲食中獲得，并由腸道菌群代謝產生，Prevotella copri和Bacteroides vulgatus可促進BCAAs 的生物合成，增加BCAAs 攝入會促進T2DM 發(fā)展［29-30］。研究發(fā)現(xiàn)，BCAAs 合成酶和轉運蛋白基因在T2DM 患者中聚集［31］。BCAAs 誘導胰島素抵抗的機制與PI3KAKT-mTOR 信號通路有關［32］。此外，運動誘導的BCAAs 減少歸因于Prevotella copri復制速率降低速度和促進參與BCAAs 降解的基因共同作用，進而改善胰島素抵抗［25］。因此，BCAA 可能是運動調節(jié)腸道菌群改善糖代謝的重要途徑之一，但運動調節(jié)T2DM 有關的特定氨基酸種類，以及如何通過此途徑改善胰島素抵抗等過程仍有待進一步探究。

4.1.3 膽汁酸（bile acids，BAs）代謝途徑 BAs 以膽固醇為原料在肝臟中合成，腸道菌群可通過酶促反應參與BAs 的化學修飾，包括去結合、轉運和7α-脫羥［33］。MERCER 等［34］發(fā)現(xiàn)，小鼠進行4 周的自由輪轉運動可促進BAs 分泌，提高糞便BAs 水平。腸道菌群合成的BAs 可介導兩種受體信號分子途徑，包括法尼酯衍生物X受體（FXR）和G蛋白耦聯(lián)受體5（TGR-5）。FXR 可激活成纖維細胞生長因子FGF15或FGF19，改善肝糖和胰島素敏感性；誘導GLP-1分泌，調節(jié)糖代謝［35-36］；FXR 可增加PGC-1α 表達，進而活化過氧化物酶體增殖物激活受體-α（PPAR-α）表達，促進脂肪酸代謝［35］。此外，BAs可誘導TGR-5激活cAMP，促進2 型碘代甲狀腺素脫碘酶（DIO2）表達，DIO2可將四碘甲狀腺原氨酸轉化為三碘甲狀腺原氨酸，增加脂肪消耗，間接降低血糖［37］；體外研究發(fā)現(xiàn)，BAs 還可激活胰島β 細胞TGR-5 以促進胰島素的合成與分泌［38］。

4.2 改善低度慢性炎癥反應 研究發(fā)現(xiàn)，運動可以改變腸道菌群，減輕腸道滲漏，改善內毒素癥，提示運動可能存在另一種抗炎作用［19］。炎癥因子的產生依靠模式識別受體（pattern recognition receptor，PRRs）調控，包括Toll 樣受體（Toll-like receptors，TLRs）和NOD 樣受體（NOD-like receptors，NLRs），PRRs 可特異性識別病原體相關分子模式（pathogen associated molecular patterns，PAMPs）。革 蘭陰 性（G-）菌表面的脂多糖（LPS）是常見的PAMPs，較低水平的LPS 不會引發(fā)嚴重感染，但可使機體呈現(xiàn)持續(xù)的低度炎癥狀態(tài)，引發(fā)代謝性內毒素血癥，導致胰島細胞損傷［6］。

4.2.1 修復腸道黏膜屏障 腸黏膜損傷的主要特征是腸黏膜通透性增加和上皮細胞間緊密連接蛋白（tight junctions，TJs）減少，從而增加LPS滲漏，LPS可通過阻斷TJs 的磷酸化和去磷酸化過程，降低ZO-1 在上皮細胞中的表達，加重炎癥反應［39］。研究發(fā)現(xiàn)，為期6 個月的慢性運動（耐力、阻力和柔韌性訓練）可減少T2DM 患者腸道病原菌的定植，降低糞便ZO-1、LPS 和CPR 濃度［19］；將自由轉輪訓練6周的小鼠糞便移植到無菌小鼠體內，發(fā)現(xiàn)其結腸黏液層厚度增加，免疫細胞浸潤減少［40］。長期運動訓練可增加Lachnospiraceae和Faecalibacterium prausnitzii等產丁酸鹽細菌群的豐度，丁酸可調節(jié)中性粒細胞的功能和遷移，增加TJs 基因表達，抑制炎癥細胞因子釋放，發(fā)揮維持腸道上皮屏障的功能［41］；模擬高原運動訓練可提高IL-6、TNF-α 水平及NF-κB 蛋白表達，IL-6 可改變緊密連接蛋白ZO-1 在胞內的錯誤定位，改變肌動蛋白結構，調節(jié)肌動蛋白收縮［42］；對T2DM合并冠心病患者進行為期12個月的聯(lián)合有氧與抗阻運動，并未發(fā)現(xiàn)腸漏標志物I-FABP、LBP 的改善，但該研究并未排除飲食和藥物的影響，這可能減弱了運動干預的測定效果［43］。以上研究提示，不同訓練方案對腸黏膜屏障的影響存在一定的差異。

4.2.2 改善內毒素血癥 作為代謝性內毒素血癥的關鍵觸發(fā)因子，LPS 可通過LPS 結合蛋白（LBP）/CD14/TRL4 信號激活免疫細胞，這些信號可能滲入肝臟、脂肪組織和骨骼肌等組織導致全身炎癥［44］。在年輕女性中，急性離心運動訓練可通過NF-κB 途徑和干擾素調節(jié)轉錄因子3（IRF3）下游信號傳導阻止TLR4 激活［45］。Sestrins 是以Sestrin1、Sestrin2 及Sestrin3 三種形式存在于哺乳動物體內的應激誘導蛋白，在機體炎癥反應中發(fā)揮重要作用［46］。研究報道，將巨噬細胞過表達Sesn2 后發(fā)現(xiàn)，其TNF-α、IL-6和IL-1β 等炎癥因子表達下降［46］。YU 等［47］在對小鼠進行8 周的跑臺運動干預后發(fā)現(xiàn)，運動組小鼠腸道中產丁酸鹽細菌顯著增加，其肝臟中Sesn2 表達上升；在單獨使用丁酸鹽灌胃小鼠后也出現(xiàn)了類似的表達結果，提示Sesn2 在此過程中具有重要作用。此外，運動訓練可降低肥胖兒童中NLR 家族Pyrin結構域3 和caspase-1 水平，這些蛋白質參與炎癥小體激活途徑［48］。

4.3 減輕氧化損傷 氧化應激是T2DM 的重要誘因，LPS 可結合TLR4 激活NF-κB 與AP-1 信號途徑誘導大量活性氧（reactive oxygen，ROS）產生，從而損傷胰島β 細胞，引起胰島素抵抗［49］。腸道菌群在機體抗氧化系統(tǒng)中具有重要作用，攝入益生菌可有效提高抗氧化水平，益生菌的抗氧化機制可以部分解釋為螯合金屬離子，降低超氧陰離子和過氧化氫活性［50］。動物實驗表明，攝入副干酪乳桿菌NL41 可提高超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶活性，改善糖代謝［51］。此外，有研究報道，SCFAs調節(jié)氧化應激可通過抑制GPR43 和組蛋白去乙?；福╤istone deacetylase，HDAC）發(fā)揮作用［52-53］。運動通過腸道菌群改善氧化應激目前未見報道，未來研究仍需進一步探討該方面的機制。

4.4 調節(jié)肌因子 肌因子是由骨骼肌組織產生并分泌的細胞因子，其生物學效應主要為運動對機體產生良性作用。IL-6是第一個在血液中被發(fā)現(xiàn)的肌肉因子，與巨噬細胞分泌IL-6 參與的炎癥機制相反，肌細胞釋放的IL-6 通過激活骨骼肌中的AMPK或磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）增加葡萄糖攝取和脂肪氧化［54］；IL-6 可促進腸道L 細胞和胰島α 細胞分泌GLP-1 增加胰島素分泌［55］；腸道菌群在調節(jié)肌肉代謝中發(fā)揮重要作用，LAHIRI 等［56］發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠的肌肉質量和力量出現(xiàn)下降，甚至出現(xiàn)肌肉萎縮，采用SCFAs處理無菌小鼠后，其肌萎縮素1（Atrogin-1）表達降低，而生肌調節(jié)因子MyoD1 表達升高。提示肌因子可能參與運動調節(jié)腸道微生物改善T2DM 過程，而目前并無相關研究證實。

5 小結與展望

綜上，大多數(shù)研究表明，運動對腸道菌群具有正向調節(jié)作用，運動調節(jié)腸道菌群成為改善T2DM的部分機制仍存在爭議。目前，運動對腸道菌群及代謝影響結果出現(xiàn)差異的原因可能是遺傳、飲食結構、運動類型、強度以及持續(xù)時間造成的。未來的研究應考慮適當干預持續(xù)時間和樣本量，并進行長期隨訪，還需關注疾病的決定因素，如年齡、性別、合并癥等，這些因素很大可能影響疾病對運動的反應。因此，深入探究運動對腸道菌群的影響可為防治T2DM提供理論和實踐依據(jù)。