基于腸道菌群探討運(yùn)動(dòng)改善2型糖尿病的可能機(jī)制①

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

近年來(lái)，全球糖尿病發(fā)病率呈持續(xù)上升趨勢(shì)。報(bào)告顯示，2019 年糖尿病患病率高達(dá)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(jī)制［2］。隨著各項(xiàng)高通量微生物研究技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，許多研究認(rèn)為腸道菌群失調(diào)及其代謝產(chǎn)物可能是導(dǎo)致T2DM 發(fā)展的潛在環(huán)境因素，并將其作為重要的干預(yù)靶點(diǎn)［3-4］。人體腸道菌群由多種因素調(diào)節(jié)，如遺傳、飲食因素［5］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)可通過(guò)對(duì)腸道菌群產(chǎn)生積極影響促進(jìn)宿主健康，但其確切機(jī)制尚未明確［6-7］。鑒于此，以腸道菌群為靶點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)干預(yù)很可能成為改善T2DM 生物學(xué)機(jī)制研究的新方向。本文旨在綜述運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)腸道菌群對(duì)T2DM的改善作用，為防治T2DM提供研究思路。

1 腸道菌群概述

機(jī)體腸道菌群的建立始于嬰兒出生時(shí)，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(dòng)態(tài)的、非穩(wěn)定的變化過(guò)程［8］。直到2～3 歲才形成類(lèi)似于成人的腸道菌群結(jié)構(gòu)并趨于穩(wěn)定，據(jù)估計(jì)，人體腸內(nèi)微生物數(shù)量超過(guò)1×1014個(gè)/ml，約為機(jī)體自身細(xì)胞數(shù)量的10 倍［9］?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)人體腸道內(nèi)的定植菌可分為9個(gè)菌門(mén)，包括厚壁菌門(mén)（Firmicutes）、擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）、變形桿菌（Proteobacteria）、放線菌門(mén)（Actinobacteria）、梭桿菌門(mén)（Fusobacteria）、疣狀球菌門(mén)（Verrucomicrobia）等，厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)為優(yōu)勢(shì)菌群，二者占比高達(dá)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(guān)系以維持動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，一方面參與機(jī)體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，如維生素、必需氨基酸的合成；另一方面可調(diào)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(jī)體內(nèi)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)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(qiáng)調(diào)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(mén)/擬桿菌門(mén)比例下降與肥胖、胰島素抵抗風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)［12］。相同基因型或飲食類(lèi)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(lèi)型無(wú)關(guān)［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(jì)數(shù)較高，而球狀梭菌和柔嫩梭菌計(jì)數(shù)較低。乳酸桿菌與糖化血紅蛋白呈正相關(guān)，而球狀梭菌、柔嫩梭菌與糖尿病參數(shù)呈負(fù)相關(guān)［15］。MOCANU 等［16］證實(shí)，采用糞菌移植結(jié)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(jié)合運(yùn)動(dòng)治療可能對(duì)改善腸道菌群失調(diào)起到協(xié)同加強(qiáng)作用，提高胰島素敏感性，未來(lái)的研究應(yīng)關(guān)注這種可能性［17］。因此，腸道菌群失調(diào)與T2DM 相關(guān)，通過(guò)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(yùn)動(dòng)對(duì)T2DM腸道菌群的影響

運(yùn)動(dòng)可減少脂質(zhì)沉積，調(diào)節(jié)能量代謝，是公認(rèn)的促進(jìn)健康的最佳手段之一。運(yùn)動(dòng)對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)具有良性刺激作用，不同的運(yùn)動(dòng)方式、強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間對(duì)腸道菌群的影響有所差異，近年來(lái)關(guān)于運(yùn)動(dòng)對(duì)T2DM 腸道微生物結(jié)構(gòu)影響的研究結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 運(yùn)動(dòng)對(duì)T2DM腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響Tab.1 Effects of exercise on gut microbiota in T2DM

4 運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)腸道菌群改善T2DM 的可能機(jī)制

目前仍缺乏運(yùn)動(dòng)對(duì)T2DM 特定菌群種類(lèi)改變的相關(guān)研究，證據(jù)表明，產(chǎn)丁酸鹽細(xì)菌減少和致病菌增加可導(dǎo)致腸黏膜屏障破壞，觸發(fā)炎癥反應(yīng)；與氧化應(yīng)激有關(guān)的微生物基因表達(dá)增加，胰島素敏感性降低［22-23］。此外，菌群代謝產(chǎn)物也參與糖代謝紊亂中涉及的內(nèi)毒素血癥、胰島細(xì)胞功能障礙等相關(guān)機(jī)制［24］。研究發(fā)現(xiàn)，移植運(yùn)動(dòng)訓(xùn)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(yùn)動(dòng)是否可以獨(dú)立影響腸道菌群尚未闡明，盡管多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異，但不能排除運(yùn)動(dòng)通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群改善T2DM進(jìn)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(chǎn)物，包括乙酸、丙酸和丁酸，補(bǔ)充SCFAs 可調(diào)節(jié)能量代謝，改善胰島素敏感性。運(yùn)動(dòng)可以提高梭狀芽孢桿菌科、乳桿菌科等產(chǎn)丁酸鹽類(lèi)菌群的豐度，提示運(yùn)動(dòng)對(duì)T2DM 的影響可能是通過(guò)調(diào)節(jié)菌群代謝產(chǎn)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(dǎo)腸道內(nèi)分泌細(xì)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(chǎn)生飽腹感，促胰島素分泌［26］；HAN 等［27］發(fā)現(xiàn)SCFAs 可通過(guò)激活GPR41 增加3T3-L1 脂肪細(xì)胞和C2C12 肌細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取；腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是細(xì)胞能量代謝的重要調(diào)節(jié)劑，SCFAs 可激活 骨 骼 肌 中AMPK-PGC-1α 通 路，上 調(diào)PGC-1α mRNA及蛋白表達(dá)，促進(jìn)線粒體生物合成，增強(qiáng)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(chǎn)生，Prevotella copri和Bacteroides vulgatus可促進(jìn)BCAAs 的生物合成，增加BCAAs 攝入會(huì)促進(jìn)T2DM 發(fā)展［29-30］。研究發(fā)現(xiàn)，BCAAs 合成酶和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因在T2DM 患者中聚集［31］。BCAAs 誘導(dǎo)胰島素抵抗的機(jī)制與PI3KAKT-mTOR 信號(hào)通路有關(guān)［32］。此外，運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的BCAAs 減少歸因于Prevotella copri復(fù)制速率降低速度和促進(jìn)參與BCAAs 降解的基因共同作用，進(jìn)而改善胰島素抵抗［25］。因此，BCAA 可能是運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)腸道菌群改善糖代謝的重要途徑之一，但運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)T2DM 有關(guān)的特定氨基酸種類(lèi)，以及如何通過(guò)此途徑改善胰島素抵抗等過(guò)程仍有待進(jìn)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(guò)酶促反應(yīng)參與BAs 的化學(xué)修飾，包括去結(jié)合、轉(zhuǎn)運(yùn)和7α-脫羥［33］。MERCER 等［34］發(fā)現(xiàn)，小鼠進(jìn)行4 周的自由輪轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)BAs 分泌，提高糞便BAs 水平。腸道菌群合成的BAs 可介導(dǎo)兩種受體信號(hào)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(xì)胞生長(zhǎng)因子FGF15或FGF19，改善肝糖和胰島素敏感性；誘導(dǎo)GLP-1分泌，調(diào)節(jié)糖代謝［35-36］；FXR 可增加PGC-1α 表達(dá)，進(jìn)而活化過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體-α（PPAR-α）表達(dá)，促進(jìn)脂肪酸代謝［35］。此外，BAs可誘導(dǎo)TGR-5激活cAMP，促進(jìn)2 型碘代甲狀腺素脫碘酶（DIO2）表達(dá)，DIO2可將四碘甲狀腺原氨酸轉(zhuǎn)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(xì)胞TGR-5 以促進(jìn)胰島素的合成與分泌［38］。

4.2 改善低度慢性炎癥反應(yīng) 研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)可以改變腸道菌群，減輕腸道滲漏，改善內(nèi)毒素癥，提示運(yùn)動(dòng)可能存在另一種抗炎作用［19］。炎癥因子的產(chǎn)生依靠模式識(shí)別受體（pattern recognition receptor，PRRs）調(diào)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(shí)別病原體相關(guān)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(jiàn)的PAMPs，較低水平的LPS 不會(huì)引發(fā)嚴(yán)重感染，但可使機(jī)體呈現(xiàn)持續(xù)的低度炎癥狀態(tài)，引發(fā)代謝性?xún)?nèi)毒素血癥，導(dǎo)致胰島細(xì)胞損傷［6］。

4.2.1 修復(fù)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(xì)胞間緊密連接蛋白（tight junctions，TJs）減少，從而增加LPS滲漏，LPS可通過(guò)阻斷TJs 的磷酸化和去磷酸化過(guò)程，降低ZO-1 在上皮細(xì)胞中的表達(dá)，加重炎癥反應(yīng)［39］。研究發(fā)現(xiàn)，為期6 個(gè)月的慢性運(yùn)動(dòng)（耐力、阻力和柔韌性訓(xùn)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(zhuǎn)輪訓(xùn)練6周的小鼠糞便移植到無(wú)菌小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)其結(jié)腸黏液層厚度增加，免疫細(xì)胞浸潤(rùn)減少［40］。長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可增加Lachnospiraceae和Faecalibacterium prausnitzii等產(chǎn)丁酸鹽細(xì)菌群的豐度，丁酸可調(diào)節(jié)中性粒細(xì)胞的功能和遷移，增加TJs 基因表達(dá)，抑制炎癥細(xì)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(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可提高IL-6、TNF-α 水平及NF-κB 蛋白表達(dá)，IL-6 可改變緊密連接蛋白ZO-1 在胞內(nèi)的錯(cuò)誤定位，改變肌動(dòng)蛋白結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白收縮［42］；對(duì)T2DM合并冠心病患者進(jìn)行為期12個(gè)月的聯(lián)合有氧與抗阻運(yùn)動(dòng)，并未發(fā)現(xiàn)腸漏標(biāo)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(yùn)動(dòng)干預(yù)的測(cè)定效果［43］。以上研究提示，不同訓(xùn)練方案對(duì)腸黏膜屏障的影響存在一定的差異。

4.2.2 改善內(nèi)毒素血癥 作為代謝性?xún)?nèi)毒素血癥的關(guān)鍵觸發(fā)因子，LPS 可通過(guò)LPS 結(jié)合蛋白（LBP）/CD14/TRL4 信號(hào)激活免疫細(xì)胞，這些信號(hào)可能滲入肝臟、脂肪組織和骨骼肌等組織導(dǎo)致全身炎癥［44］。在年輕女性中，急性離心運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可通過(guò)NF-κB 途徑和干擾素調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子3（IRF3）下游信號(hào)傳導(dǎo)阻止TLR4 激活［45］。Sestrins 是以Sestrin1、Sestrin2 及Sestrin3 三種形式存在于哺乳動(dòng)物體內(nèi)的應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白，在機(jī)體炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用［46］。研究報(bào)道，將巨噬細(xì)胞過(guò)表達(dá)Sesn2 后發(fā)現(xiàn)，其TNF-α、IL-6和IL-1β 等炎癥因子表達(dá)下降［46］。YU 等［47］在對(duì)小鼠進(jìn)行8 周的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)干預(yù)后發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)組小鼠腸道中產(chǎn)丁酸鹽細(xì)菌顯著增加，其肝臟中Sesn2 表達(dá)上升；在單獨(dú)使用丁酸鹽灌胃小鼠后也出現(xiàn)了類(lèi)似的表達(dá)結(jié)果，提示Sesn2 在此過(guò)程中具有重要作用。此外，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可降低肥胖兒童中NLR 家族Pyrin結(jié)構(gòu)域3 和caspase-1 水平，這些蛋白質(zhì)參與炎癥小體激活途徑［48］。

4.3 減輕氧化損傷 氧化應(yīng)激是T2DM 的重要誘因，LPS 可結(jié)合TLR4 激活NF-κB 與AP-1 信號(hào)途徑誘導(dǎo)大量活性氧（reactive oxygen，ROS）產(chǎn)生，從而損傷胰島β 細(xì)胞，引起胰島素抵抗［49］。腸道菌群在機(jī)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(jī)制可以部分解釋為螯合金屬離子，降低超氧陰離子和過(guò)氧化氫活性［50］。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)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(guò)氧化物酶活性，改善糖代謝［51］。此外，有研究報(bào)道，SCFAs調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激可通過(guò)抑制GPR43 和組蛋白去乙?；福╤istone deacetylase，HDAC）發(fā)揮作用［52-53］。運(yùn)動(dòng)通過(guò)腸道菌群改善氧化應(yīng)激目前未見(jiàn)報(bào)道，未來(lái)研究仍需進(jìn)一步探討該方面的機(jī)制。

4.4 調(diào)節(jié)肌因子 肌因子是由骨骼肌組織產(chǎn)生并分泌的細(xì)胞因子，其生物學(xué)效應(yīng)主要為運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生良性作用。IL-6是第一個(gè)在血液中被發(fā)現(xiàn)的肌肉因子，與巨噬細(xì)胞分泌IL-6 參與的炎癥機(jī)制相反，肌細(xì)胞釋放的IL-6 通過(guò)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(jìn)腸道L 細(xì)胞和胰島α 細(xì)胞分泌GLP-1 增加胰島素分泌［55］；腸道菌群在調(diào)節(jié)肌肉代謝中發(fā)揮重要作用，LAHIRI 等［56］發(fā)現(xiàn)，無(wú)菌小鼠的肌肉質(zhì)量和力量出現(xiàn)下降，甚至出現(xiàn)肌肉萎縮，采用SCFAs處理無(wú)菌小鼠后，其肌萎縮素1（Atrogin-1）表達(dá)降低，而生肌調(diào)節(jié)因子MyoD1 表達(dá)升高。提示肌因子可能參與運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)腸道微生物改善T2DM 過(guò)程，而目前并無(wú)相關(guān)研究證實(shí)。

5 小結(jié)與展望

綜上，大多數(shù)研究表明，運(yùn)動(dòng)對(duì)腸道菌群具有正向調(diào)節(jié)作用，運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)腸道菌群成為改善T2DM的部分機(jī)制仍存在爭(zhēng)議。目前，運(yùn)動(dòng)對(duì)腸道菌群及代謝影響結(jié)果出現(xiàn)差異的原因可能是遺傳、飲食結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)類(lèi)型、強(qiáng)度以及持續(xù)時(shí)間造成的。未來(lái)的研究應(yīng)考慮適當(dāng)干預(yù)持續(xù)時(shí)間和樣本量，并進(jìn)行長(zhǎng)期隨訪，還需關(guān)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(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)。因此，深入探究運(yùn)動(dòng)對(duì)腸道菌群的影響可為防治T2DM提供理論和實(shí)踐依據(jù)。