腸道菌群與肥胖、糖尿病關(guān)系的研究進(jìn)展

袁宵瀟，羅飛宏

(復(fù)旦大學(xué)附屬兒科醫(yī)院內(nèi)分泌科，上海 201102)

肥胖和2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)是全球流行病。2000年，全球成人糖尿病患者約1.51億，到2017年已達(dá)4.25億，預(yù)計2045年糖尿病患者總?cè)藬?shù)超過6.29億[1]。全球女性青少年中，肥胖的患病率從1975年的0.7%上升到2016年的5.6%[2]。糖尿病、肥胖是基因和環(huán)境因素共同作用的代謝性疾病，對人類和動物模型的研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群與代謝性疾病密切相關(guān)，但具體因果關(guān)系尚未闡明。目前已知的腸道菌群有500～1 000種，有約100萬億細(xì)菌組成，可編碼約330萬個特異性基因。門水平的腸道菌群包括擬桿菌門、厚壁菌門、放線菌門、變形菌門和疣微菌門，各菌群根據(jù)pH梯度和氧含量不同而分布在胃腸道的不同部位。腸道菌群代謝過程17.9%歸因于遺傳(主要指垂直傳遞)，67.7%受到環(huán)境、飲食等外在因素的影響[3]。

腸道菌群被稱為攜帶人體“第二基因”的“隱形器官”，逐漸成為研究熱點，甚至被認(rèn)為是內(nèi)分泌器官。腸道菌群結(jié)構(gòu)和功能改變可促進(jìn)肥胖，肥胖者腹部脂肪的堆積導(dǎo)致肝臟、肌肉等組織對葡萄糖的利用下降；此外，肥胖者體內(nèi)非酯化脂肪酸和炎癥因子水平升高可產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和氧化應(yīng)激，進(jìn)而導(dǎo)致胰島素抵抗，糖尿病發(fā)病風(fēng)險與肥胖程度及其持續(xù)時間密切相關(guān)。現(xiàn)就腸道菌群與肥胖和糖尿病關(guān)系的研究進(jìn)展予以闡述。

1 循證依據(jù)

1.1腸道菌群與T2DM T2DM是以進(jìn)行性胰島β細(xì)胞功能障礙和胰島素抵抗為特點的糖脂代謝疾病。T2DM與腸道菌群失調(diào)相關(guān)，Larsen等[4]對比18對健康男性和超重T2DM男性的研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者厚壁菌門細(xì)菌數(shù)量明顯減少，擬桿菌門細(xì)菌(大腸埃希菌、沙門菌、擬桿菌和變形桿菌)數(shù)量增多，擬桿菌門與厚壁菌門比值與糖耐量降低呈正相關(guān)。但另有研究發(fā)現(xiàn)，T2DM中厚壁菌門與擬桿菌門比值相對升高。Karlsson等[5]的研究發(fā)現(xiàn)，與正常人群糞便相比，T2DM患者糞便中有4種乳酸菌增加，5種梭狀芽孢桿菌減少，糖化血紅蛋白和血糖水平與乳酸菌豐度呈正相關(guān)，與梭菌豐度呈負(fù)相關(guān)。Koh等[6]的研究發(fā)現(xiàn)，咪唑丙酸(T2DM相關(guān)的腸道菌群代謝組氨酸產(chǎn)物)通過p38γ/p62/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白C1通路影響胰島素抵抗，導(dǎo)致胰島素信號受損。腸道菌群的變化(如擬桿菌門與厚壁菌門比值降低、產(chǎn)丁酸鹽菌減少等)均與T2DM密切相關(guān)，對腸道菌群的研究可為T2DM的防治提供新思路。

1.2腸道菌群與1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus，T1DM) T1DM是一種器官特異性的自身免疫疾病，由胰島β細(xì)胞破壞或功能衰竭導(dǎo)致胰島素分泌不足，是遺傳、免疫、環(huán)境等多種因素共同作用的結(jié)果，但具體機(jī)制尚不清楚。隨著高通量測序技術(shù)組學(xué)時代的到來，人們對腸道菌群有了新的認(rèn)識，腸道菌群可能作為環(huán)境因素參與T1DM的發(fā)生發(fā)展。Wen等[7]發(fā)現(xiàn)，在無特定病原體條件下，敲除髓樣分化因子88非肥胖型糖尿病小鼠未發(fā)生T1DM；而無菌環(huán)境對敲除髓樣分化因子88非肥胖型糖尿病小鼠無保護(hù)作用，表明細(xì)菌可通過髓樣分化因子88通路影響T1DM的發(fā)生。一項針對漢族T1DM患者的研究發(fā)現(xiàn)，T1DM患者腸道擬桿菌增多，厚壁菌減少，且擬桿菌豐度與自體抗體呈正相關(guān)，而糞桿菌豐度與糖化血紅蛋白呈負(fù)相關(guān)[8]。

1.3腸道菌群與肥胖癥 腸道菌群可影響宿主能量代謝、免疫系統(tǒng)和炎癥反應(yīng)，影響肥胖、胰島素抵抗等代謝綜合征。Gordon團(tuán)隊首次提出“腸道菌群作為環(huán)境因素調(diào)節(jié)脂肪存儲”觀點，并發(fā)現(xiàn)肥胖者腸道厚壁菌增多而擬桿菌減少，擬桿菌與厚壁菌比值下降[9]。趙立平團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)，接種陰溝腸桿菌的無菌小鼠出現(xiàn)肥胖和胰島素抵抗現(xiàn)象，且Fial基因活性明顯降低，提示陰溝腸桿菌可抑制Fial活性，導(dǎo)致肥胖；降低腸道陰溝腸桿菌數(shù)量后，小鼠體重明顯下降[10]。Liu等[11]對中國肥胖人群腸道菌群特征的研究發(fā)現(xiàn)，多形擬桿菌可降低血清谷氨酸水平，促進(jìn)脂肪分解代謝；行Roux-en-Y胃旁路術(shù)后，肥胖患者腸道的多形擬桿菌數(shù)量明顯增多，血清谷氨酸水平明顯降低。

此外，腸道菌群可協(xié)同生物鐘，通過捕獲來自視神經(jīng)的光線調(diào)節(jié)NFIL3轉(zhuǎn)錄因子，從而調(diào)控脂肪攝入和儲存，因此，夜間工作者的代謝性疾病患病率更高。Thaiss[12]研究發(fā)現(xiàn)，菌群通過血清多胺影響宿主生物鐘和代謝節(jié)律，而擾動生物鐘可促使菌群向“肥胖型”轉(zhuǎn)化，且肥胖者減肥成功后，與肥胖相關(guān)的菌群長期存在，菌群“記憶”可促進(jìn)體重反彈，與菌群降解膳食黃酮引起的能耗減少有關(guān)。但也有研究認(rèn)為肥胖與腸道菌群不存在關(guān)聯(lián)，這一爭議可能與飲食、地理及微生物分析法等因素的差異性有關(guān)。

2 相關(guān)機(jī)制

2.1慢性炎癥與免疫機(jī)制 肥胖及糖尿病等代謝性疾病是慢性低度炎癥性疾病。脂多糖是革蘭陰性桿菌細(xì)胞壁主要活性成分，當(dāng)腸屏障破壞時，黏膜通透性增加，毒素、食物抗原和感染因子從胃腸腔移位到靶組織，如脂多糖釋放進(jìn)入血液循環(huán)，與CD14形成脂多糖-脂多糖結(jié)合蛋白-CD14復(fù)合物，引起一系列非特異性炎癥級聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-6等大量炎癥因子的轉(zhuǎn)錄合成，引發(fā)肥胖和糖尿病等全身慢性非特異性炎癥。Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)不僅發(fā)揮先天免疫應(yīng)答作用，還能誘導(dǎo)有益細(xì)菌的耐受，維持體內(nèi)平衡。研究發(fā)現(xiàn)，代謝綜合征患者TLR表達(dá)活性增強(qiáng)，TLR2或TLR缺乏時，糖尿病腎病等并發(fā)癥的發(fā)生率降低[13]。Alam等[14]發(fā)現(xiàn)，腸道菌群缺乏可導(dǎo)致小鼠腸內(nèi)輔助性T細(xì)胞1、輔助性T細(xì)胞17、調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化失衡。此外，胰島調(diào)節(jié)性T細(xì)胞還有助于致糖尿病性T細(xì)胞的調(diào)控。未來可能通過T細(xì)胞免疫干預(yù)的方式改變腸道生物學(xué)特性，以治療T1DM。由此可見，慢性炎癥與免疫應(yīng)答在肥胖、胰島素抵抗和糖尿病的發(fā)展中至關(guān)重要。

2.2短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs) SCFAs主要是膳食纖維經(jīng)腸道菌群發(fā)酵代謝的產(chǎn)物，在腸道細(xì)胞增殖和肥胖整體調(diào)控中起主導(dǎo)作用。擬桿菌主要產(chǎn)生乙酸鹽和丙酸鹽，厚壁菌產(chǎn)生丁酸鹽，SCFAs類型受到厚壁菌和擬桿菌比例的影響。乙酸是膽固醇合成的底物，丙酸影響脂肪生成和糖異生，丁酸是結(jié)腸細(xì)胞的主要能量來源，可提高胰島素敏感性，并發(fā)揮抗炎、抗肥胖作用。

SCFAs可通過結(jié)腸黏膜上的非酯化脂肪酸受體2調(diào)節(jié)血糖，還可作為能量調(diào)節(jié)的信號分子激活G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptor，GPR)41和GPR43。SCFAs與GPR43結(jié)合可抑制炎癥反應(yīng)，誘導(dǎo)胰高血糖素樣肽1產(chǎn)生，調(diào)節(jié)血糖穩(wěn)態(tài)。SCFAs與GPR41結(jié)合后促進(jìn)酪酪肽產(chǎn)生，抑制腸道蠕動并提高胰島素敏感性[15]。近年開發(fā)了新型靶向給藥系統(tǒng)，在近端結(jié)腸輸送丙酸鹽，以降低超重者的能量攝入[16]。補(bǔ)充膳食SCFAs能夠改善肥胖者的血糖水平，并提高胰島素敏感性?？梢?，腸道菌群可通過其代謝產(chǎn)物SCFAs影響宿主代謝，SCFAs、胃腸激素和血糖穩(wěn)態(tài)之間存在相互關(guān)系。

2.3膽汁酸鹽 腸道菌群是膽汁酸合成代謝的“調(diào)節(jié)器”，影響膽汁酸毒性、疏水性和調(diào)節(jié)作用。初級膽汁酸為腸道菌群提供生長信號，促進(jìn)休眠和無毒形式孢子萌發(fā)，并促進(jìn)抗生素等因素引起的菌群失調(diào)的恢復(fù)。糞膽酸調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，糞膽酸水平升高使厚壁菌增加，而擬桿菌減少。膽汁酸與法尼酯X受體和GPR結(jié)合，促進(jìn)褐色脂肪組織消耗能量，改善肥胖和胰島素抵抗。微生物通過產(chǎn)生的激動劑和拮抗劑調(diào)節(jié)GPR5和法尼酯X受體，進(jìn)而影響宿主生理。研究發(fā)現(xiàn)，無菌大鼠的膽固醇含量較常規(guī)飼養(yǎng)大鼠高，后續(xù)研究也發(fā)現(xiàn)，無菌動物腸道中結(jié)合膽汁酸水平升高，糞便排泄減少[17]。

Kuno等[18]利用抗生素制備菌群失調(diào)小鼠模型的研究發(fā)現(xiàn)，次級膽汁酸可影響部分糖脂代謝的分子機(jī)制，抗生素菌群失調(diào)組小鼠血糖和三酰甘油水平較正常對照組小鼠分別下降64%和43%，而補(bǔ)充次級膽汁酸和抗生素時，小鼠糖脂水平恢復(fù)正常。Zheng等[19]將膽汁酸加入正常小鼠飲食的研究發(fā)現(xiàn)，小鼠體質(zhì)指數(shù)顯著升高，且其腸道菌群結(jié)構(gòu)近似肥胖小鼠；而將法尼酯X受體激動劑GW4064加入高脂小鼠飲食，膽汁酸合成受到抑制，小鼠體質(zhì)指數(shù)、腸道菌群結(jié)構(gòu)均趨向正常，可見腸道菌群可通過調(diào)控膽汁酸代謝參與肥胖、糖尿病等疾病的發(fā)展。因此，干預(yù)膽汁酸代謝有望成為肥胖、糖尿病等代謝性疾病研究的新方向[20]。

3 干預(yù)措施

3.1飲食干預(yù) 膳食纖維可增加飽腹感、提高胰島素敏感性、維持糖脂代謝平衡。流行病學(xué)研究表明，膳食纖維可提高腸道微生物多樣性，與T2DM發(fā)病率成反比，如增加高纖維食物的攝入可使普氏菌增加。趙立平團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，高膳食纖維可促進(jìn)有益菌(產(chǎn)乙酸和丁酸等)增加，并抑制產(chǎn)吲哚和硫化氫細(xì)菌[21]。研究發(fā)現(xiàn)，綠茶多酚可調(diào)節(jié)糖尿病小鼠的腸道菌群，并可通過抑制β細(xì)胞損傷改善血糖[22]。另有研究表明，高纖維食物可增加腸道吲哚丙酸的產(chǎn)生，吲哚丙酸可通過促進(jìn)β細(xì)胞分泌預(yù)防T2DM[23]。一項對2 339名70～90歲歐洲人的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地中海飲食可使人群總死亡率降低23%[24]。西式飲食損害小鼠結(jié)腸黏液層的滲透性和生長能力，而雙歧桿菌和菊粉可部分恢復(fù)腸黏膜屏障效應(yīng)。另有研究表明，飲食的西方化使菌群多樣性減少，導(dǎo)致原生菌群喪失、纖維相關(guān)酶的降解減少、優(yōu)勢菌株從普氏菌向擬桿菌轉(zhuǎn)變，飲食西方化的程度越大，對腸道微生物的危害越大，此現(xiàn)象在肥胖者和二代移民中更顯著[25]。以上研究為腸道菌群在飲食、代謝與健康相互關(guān)系的探索提供新思路。

3.2益生元和益生菌 益生菌能改善腸道菌群紊亂、降低黏膜通透性、減輕腸道炎癥反應(yīng)，益生元可刺激腸道有益菌生長繁殖，改善糖耐量。乳桿菌和雙歧桿菌廣泛用于胃腸功能紊亂的治療，如艱難梭菌感染[26]。黏桿菌屬A是一種可降解黏蛋白的細(xì)菌，其高豐度與肥胖、糖尿病等代謝狀態(tài)改善相關(guān)。Plovier等[27]研發(fā)了非復(fù)制型、巴氏滅菌黏桿菌屬A制劑，可改善肥胖和糖尿病小鼠模型的糖代謝。有Meta分析顯示，短期(≤12周)補(bǔ)充益生菌可降低體質(zhì)指數(shù)，但效果欠佳。益生菌對抗生素所致腸道菌群改變的恢復(fù)可能無效，甚至對菌群的恢復(fù)不利[28]。一項對隨機(jī)臨床試驗的系統(tǒng)回顧研究未發(fā)現(xiàn)益生菌在腸道持續(xù)定植的證據(jù)[29]，因此，益生菌和益生元對代謝性疾病的作用有待進(jìn)一步探究。

3.3藥物 目前，關(guān)于二甲雙胍的主要作用位點及降糖機(jī)制仍存在爭議。近年研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍主要作用于腸道菌群。對199例T2DM患者和544名健康人的薈萃分析發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍對腸道菌群構(gòu)成有顯著影響[30]。二甲雙胍通過增加胰高血糖素樣肽-1、SCFAs以及甘氨酸水平誘導(dǎo)微生物群改變，并恢復(fù)葡萄糖感應(yīng)，觸發(fā)鈉葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)載體1依賴途徑以調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)[31]。此外，二甲雙胍還通過抑制脆弱擬桿菌生長，降低該菌膽鹽水解酶活性，使甘氨熊去氧膽酸水平升高，以不依賴于腺苷酸活化的蛋白激酶方式抑制法尼酯X受體信號，從而改善代謝。Gu等[32]研究發(fā)現(xiàn)，阿卡波糖可使T2DM患者腸道雙歧桿菌、乳酸菌等顯著增加，并使梭菌和擬桿菌明顯減少；此外，對血漿和糞便膽汁酸的研究證實，阿卡波糖可改變膽汁酸代謝譜，影響宿主膽汁酸信號，改善機(jī)體代謝，如降低血漿及糞便的毒性次級膽汁酸濃度，此功能與腸道菌群的次級膽汁酸代謝功能一致。

中藥可改善腸道菌群組成和病理狀態(tài)。靈芝可將厚壁菌門與擬桿菌門比值降至正常，小檗堿可通過免疫調(diào)節(jié)防止非肥胖型糖尿病小鼠罹患T1DM。中藥通過改變腸道菌群預(yù)防疾病的具體機(jī)制尚不清楚，有待廣泛深入的研究。

3.4Roux-en-Y胃旁路術(shù) Roux-en-Y胃旁路術(shù)與微生物群改變和膽汁酸代謝有關(guān)，術(shù)后變形菌增加，血漿膽汁酸升高，多數(shù)T2DM患者術(shù)后數(shù)天內(nèi)血糖恢復(fù)正常。飲食誘導(dǎo)肥胖C57BL/6J小鼠行Roux-en-Y胃旁路術(shù)后1周，其腸道菌群構(gòu)成改變，5周后腸道菌群趨于穩(wěn)定，且擬桿菌、疣微菌、變形菌增加。將經(jīng)Roux-en-Y胃旁路術(shù)減重小鼠腸道菌群接種于無菌小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠的胰島素敏感性改善，三酰甘油水平降低，體重顯著減輕[33]。Liou等[34]的研究發(fā)現(xiàn)，行Roux-en-Y胃旁路術(shù)小鼠的體重明顯減輕，而假手術(shù)組小鼠術(shù)后2～3周體重回升，且減肥手術(shù)組小鼠糞便中的能量含量更高，血糖和胰島素水平也明顯改善。故認(rèn)為，減肥手術(shù)可通過減少攝入和增加排泄來減輕體重、改善機(jī)體糖代謝。

3.5糞便移植(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT) FMT是分析疾病因果關(guān)系的有效工具。對18例接受瘦者FMT肥胖者的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)MT肥胖者肝臟和外周組織胰島素敏感性顯著改善，產(chǎn)丁酸鹽菌明顯增加[35]。Ridaura等[36]發(fā)現(xiàn)，接受肥胖供體來源FMT無菌小鼠的體重較接受瘦供體來源無菌小鼠增加更多。目前關(guān)于FMT的研究較少，其具體作用機(jī)制尚不清楚，仍有待進(jìn)一步的深入研究。

3.6遺傳工程菌群 近年來，表達(dá)治療因子的轉(zhuǎn)基因細(xì)菌成為遺傳代謝性疾病研究的新方向，目前工程菌主要包括大腸埃希菌Nissle 1917、乳酸乳球菌、卵形擬桿菌和干酪乳桿菌等。大腸埃希菌Nissle 1917可表達(dá)一種脂類前體分子——N-?；字Ｒ掖及罚梢疬M(jìn)食減少和體重減輕。應(yīng)用改造工程菌的方法治療自身免疫性疾病的嘗試也在進(jìn)行，如利用經(jīng)遺傳修飾產(chǎn)生胰高血糖素樣肽-1的重組乳酸乳球菌刺激糖尿病小鼠的胰島素分泌，此外，還可通過增加表達(dá)胰島素前體基因和免疫抑制因子基因的工程菌逆轉(zhuǎn)糖尿病小鼠的糖尿病癥狀，但目前工程菌的研究仍處于實驗階段，尚需進(jìn)一步的深入研究。

4 小 結(jié)

腸道菌群調(diào)控宿主免疫、營養(yǎng)、能量代謝等過程。菌群失調(diào)參與肥胖和糖尿病等代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展，其機(jī)制包括引起慢性低度炎癥、生成短鏈脂肪酸、調(diào)節(jié)膽汁酸鹽合成代謝等。通過以糾正腸道菌群失調(diào)為靶標(biāo)的干預(yù)手段(如調(diào)整飲食結(jié)構(gòu)、補(bǔ)充益生元和益生菌、藥物治療、Roux-en-Y胃旁路術(shù)、糞便移植、遺傳工程菌等)治療肥胖和糖尿病，因此，調(diào)節(jié)腸道菌群成為肥胖和糖尿病研究的新方向。目前，臨床用于調(diào)節(jié)腸道菌群的治療方法較少，效果有限，需要結(jié)合宏基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)的研究進(jìn)行較大樣本的前瞻性研究。在精確醫(yī)學(xué)背景下，未來可能將個性化、具有遺傳修飾的微生物群用于代謝性疾病的防治，通過飲食影響菌群的“菌群營養(yǎng)學(xué)”有望成為新型治療方法的核心?？梢?，對腸道菌群的研究將為肥胖、糖尿病等代謝性疾病的早期防治提供新的思路。