腸道菌群與兒童肥胖發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

朱彤彤, 葉進(jìn)

2017年,《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》指出在195個(gè)國家中,中國和印度是肥胖兒童人數(shù)最多的國家[1]。2020年,《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報(bào)告》指出我國6歲以下、6～17歲兒童及青少年超重及肥胖率為10.4%和19%[2]。兒童肥胖與青春期發(fā)育提前、心血管疾病、睡眠呼吸暫停密切相關(guān)[3-5],其發(fā)病機(jī)制除遺傳因素外,與營養(yǎng)不均衡、長(zhǎng)期久坐、內(nèi)分泌干擾物等有關(guān)[6-8]。近年來諸多研究闡述腸道菌群參與宿主炎癥反應(yīng),調(diào)控進(jìn)食行為和生物鐘相關(guān)基因表達(dá),影響能量穩(wěn)態(tài),從而導(dǎo)致肥胖,因此本文就當(dāng)前腸道菌群與兒童肥胖發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展作一綜述。

1 腸道菌群與兒童肥胖

1.1 生命早期腸道菌群的建立 生命早期是人體可塑性最強(qiáng)的階段,也是生長(zhǎng)發(fā)育的重要時(shí)期,腸道菌群在調(diào)節(jié)嬰兒神經(jīng)、免疫系統(tǒng)發(fā)育方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[9]。據(jù)統(tǒng)計(jì),人體腸道內(nèi)含有3.9×1013個(gè)細(xì)菌,與人體細(xì)胞數(shù)目接近,編碼的基因數(shù)是人類基因組的150倍[10-11]。目前科學(xué)界關(guān)于腸道菌群何時(shí)形成的觀點(diǎn)尚不統(tǒng)一,Aagaard等[12]通過基因測(cè)序發(fā)現(xiàn)胎盤中存在微生物,在羊水、臍帶血和胎糞中也陸續(xù)檢測(cè)到細(xì)菌DNA,形成“子宮內(nèi)定植”假說[13]。此后研究指出細(xì)菌源于測(cè)序過程中的交叉污染,為“子宮是無菌環(huán)境”的觀點(diǎn)提供有力證據(jù)[14-15]。出生后,腸道菌群的建立主要與分娩及喂養(yǎng)方式、抗生素暴露有關(guān),隨著飲食結(jié)構(gòu)的調(diào)整,3歲時(shí)兒童腸道菌群結(jié)構(gòu)及豐度與成人相似,并趨于穩(wěn)定[16]。

研究表明剖宮產(chǎn)、配方奶喂養(yǎng)及早期抗生素暴露增加兒童肥胖的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[17-19]。剖宮產(chǎn)分娩的嬰兒由于最先接觸母親皮膚,其腸道中葡萄球菌、鏈球菌、克雷伯菌等機(jī)會(huì)致病菌較多,擬桿菌和雙歧桿菌定植延遲,菌群穩(wěn)定性降低[20-21]。配方奶缺乏母乳中的人乳低聚糖、分泌型免疫球蛋白A等生物活性物質(zhì),嬰兒腸道中毛螺菌科豐度較高,雙歧桿菌屬豐度較低[18]?？股仄茐哪c道生態(tài)平衡,導(dǎo)致腸道中糞桿菌屬、克雷伯菌屬豐度增高,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明抗生素早期暴露的小鼠脂肪含量和胰島素抵抗指數(shù)較對(duì)照組增加[22]。

1.2 肥胖兒童腸道菌群結(jié)構(gòu)特征分析 Turnbaugh等[23]將ob/ob小鼠的腸道菌群灌胃到無菌小鼠后發(fā)現(xiàn)無菌小鼠體脂增加,表明肥胖小鼠的腸道菌群能從飲食中獲取更多能量。Ley等[24]檢測(cè)發(fā)現(xiàn)肥胖者腸道中厚壁菌門增多,擬桿菌門減少,但該觀點(diǎn)仍存在爭(zhēng)議[25-27]。隨著研究深入,腸道菌群與兒童肥胖的相關(guān)性逐漸受到重視,近3年諸多研究指出肥胖兒童腸道菌群與正常體質(zhì)量?jī)和嬖诓町?表1)。考慮到種族、地區(qū)以及沒有控制分娩及喂養(yǎng)方式等重要協(xié)變量的因素,這些研究并沒有指出肥胖兒童所特有的菌群結(jié)構(gòu)特征,但總體來說,肥胖兒童腸道中厚壁菌門(Tyzzerella 3、巨單胞菌屬、瘤胃球菌屬、真桿菌屬)相對(duì)豐度增加,擬桿菌門豐度降低;條件致病菌(普雷沃菌屬、韋榮菌科)豐度增加,益生菌(雙歧桿菌屬、乳酸桿菌屬、阿克曼菌、產(chǎn)丁酸的普拉梭菌)豐度降低。

表1 肥胖兒童腸道菌群結(jié)構(gòu)特征

2 腸道菌群與兒童肥胖的發(fā)病機(jī)制

2.1 誘導(dǎo)慢性炎癥反應(yīng) 肥胖是以脂肪組織過度沉積及脂質(zhì)代謝紊亂為特征的代謝性疾病,脂肪組織是一個(gè)分泌器官,釋放白細(xì)胞介素-6、瘦素、腫瘤壞死因子-α等,參與炎癥反應(yīng)、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝。上述研究指出肥胖兒童腸道中G-菌增多,而脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)是G-菌細(xì)胞壁的主要成分,通過受損的腸道屏障進(jìn)入血液。LPS與LPS結(jié)合蛋白和白細(xì)胞分化抗原14(cluster of differentiation 14,CD14)結(jié)合,激活Toll樣受體4(Toll-like receptor 4,TLR4),通過髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88,Myd88)信號(hào)通路,引起多種炎癥介質(zhì)的釋放,導(dǎo)致胰島素抵抗[34]。此外,LPS誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M1型極化,脂肪組織內(nèi)巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)增加,促進(jìn)血管生成和細(xì)胞外基質(zhì)重塑,引起脂質(zhì)代謝紊亂[35]。最近一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)lbp基因敲除的小鼠腸道內(nèi)擬桿菌屬和普氏菌屬相對(duì)豐度升高,抑制炎癥反應(yīng),維持腸道穩(wěn)態(tài)[36]。

腸道屏障既保護(hù)人體免受病原體侵襲,又通過其選擇性滲透作用吸收營養(yǎng)物質(zhì)。機(jī)體長(zhǎng)期慢性炎癥時(shí),腸道黏液過度分泌,耗竭杯狀細(xì)胞,加劇腸道黏膜損害,引起腸道通透性增加,促進(jìn)LPS易位,引發(fā)惡性循環(huán)[37]。由此可見,肥胖兒童腸道菌群失調(diào)以及腸道屏障功能受損,LPS進(jìn)入血液循環(huán)增多,引起機(jī)體低水平的慢性炎癥反應(yīng),導(dǎo)致肥胖的發(fā)生。

2.2 腸道菌群及其代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)能量穩(wěn)態(tài)

2.2.1 短鏈脂肪酸 短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)是腸道菌群發(fā)酵未消化碳水化合物的終產(chǎn)物,含有1～6個(gè)碳原子,主要包括乙酸、丙酸和丁酸,大部分被結(jié)腸細(xì)胞吸收,約5%通過糞便排出。SCFAs是機(jī)體重要的能量來源,乙酸參與膽固醇合成,丙酸是糖異生的重要底物,丁酸供應(yīng)結(jié)腸細(xì)胞60%～70%的能量需求[38]。近年來諸多研究指出肥胖兒童血清或糞便中的SCFAs含量與正常體質(zhì)量?jī)和嬖诓町?Gyarmati等[39]發(fā)現(xiàn)肥胖兒童糞便中丁酸、丙酸和異戊酸含量增加,與體脂分布的各項(xiàng)參數(shù)呈顯著正相關(guān)[40];與之相反,Barczyńska等[41]指出肥胖兒童糞便中總SCFAs含量較低。此外,Jaimes等[28]發(fā)現(xiàn)肥胖兒童糞便中丁酸、阿拉伯單糖、半乳糖含量增加,表明腸道中多糖分解增加。由于樣本量及量化方法的不同,且糞便中SCFAs含量并不能反映結(jié)腸中的實(shí)際濃度,故諸多研究結(jié)果存在差異,因此仍需深入研究SCFAs在機(jī)體代謝穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中的作用?？傊?肥胖兒童腸道菌群從飲食中攝取能量的能力增加,SCFAs生成增加,作為額外的能量參與宿主能量供應(yīng),促進(jìn)肥胖的發(fā)生。

2.2.2 次級(jí)膽汁酸 膽固醇通過膽固醇7α羥化酶(recombinant cytochrome P450 7A1,CYP7A1)等催化形成初級(jí)膽汁酸,隨后與牛磺酸或甘氨酸結(jié)合,轉(zhuǎn)運(yùn)至膽囊。餐后膽囊收縮,將結(jié)合膽汁酸釋放至腸道,90%～95%通過門靜脈被肝臟重吸收,其余部分排入糞便。腸道菌群對(duì)膽汁酸的去共軛、差向異構(gòu)化、7α脫羥基和酯化作用可以顯著改變其理化性質(zhì),進(jìn)而影響腸道吸收[42]。膽鹽水解酶(bile salt hydrolase,BSH)表達(dá)于乳桿菌屬、雙歧桿菌屬、擬桿菌屬等[43],將結(jié)合膽汁酸水解為游離膽汁酸,提高CYP7A1的表達(dá),抑制小腸上皮細(xì)胞吸收關(guān)鍵蛋白NPC1L1的表達(dá),降低機(jī)體對(duì)膽固醇的吸收[44-45]。研究指出與正常體質(zhì)量?jī)和啾?肥胖兒童腸道中含BSH的腸菌減少,從而不利于膽固醇向膽汁酸轉(zhuǎn)化,引起膽固醇升高[25]。

膽汁酸作為信號(hào)分子,與法尼醇受體(farnesoid X receptor,FXR)或G蛋白偶聯(lián)受體(takeda G protein-coupled receptor 5,TGR5)結(jié)合,調(diào)節(jié)糖脂代謝。FXR誘導(dǎo)小異源二聚體伴侶,下調(diào)固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白,抑制甘油三酯合成,促進(jìn)脂肪酸氧化,降低甘油三酯水平[46]。TGR5刺激腸L細(xì)胞分泌胰高血糖素肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1),提高胰島素敏感性[47]。Higgins等[48]研究發(fā)現(xiàn)肥胖兒童在接受口服脂肪耐量試驗(yàn)后,餐后膽汁酸降低,尤其是石膽酸和鵝脫氧膽酸。研究證實(shí)石膽酸是TGR5的激動(dòng)劑,鵝脫氧膽酸是FXR的配體,兩者含量的降低導(dǎo)致TGR5和FXR的激活受損,因此肥胖兒童膽汁酸代謝失衡,糖脂代謝紊亂。

2.3 調(diào)控?cái)z食行為 在脊椎動(dòng)物中,攝食行為受下丘腦穩(wěn)態(tài)環(huán)路和中腦邊緣多巴胺獎(jiǎng)賞環(huán)路的調(diào)節(jié)。下丘腦穩(wěn)態(tài)環(huán)路主要由弓狀核促進(jìn)食欲的神經(jīng)肽Y/刺鼠相關(guān)蛋白和抑制食欲的前阿黑皮素原/可卡因-安非他明調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄肽組成,兩類神經(jīng)元互相制衡,調(diào)控宿主食欲[49]。腸-腦軸是腸道菌群通過腸神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)形成雙向交互的神經(jīng)體液網(wǎng)絡(luò),腸道菌群通過分解吸收食物,刺激胃饑餓素、GLP-1等分泌,經(jīng)腸迷走神經(jīng)傳遞信號(hào)至下丘腦食欲調(diào)節(jié)中樞,參與食欲調(diào)控。中腦邊緣多巴胺能獎(jiǎng)賞環(huán)路主要由前額葉皮層、伏隔核、紋狀體和海馬體組成,多巴胺能神經(jīng)元釋放多巴胺,增加機(jī)體對(duì)食物的渴望。研究證實(shí)肥胖者腦干的中介中心性較低,調(diào)節(jié)飽腹感信號(hào)的穩(wěn)態(tài)環(huán)路受到破壞[50],同時(shí),Pujol等[51]通過靜息態(tài)腦功能磁共振成像發(fā)現(xiàn)肥胖兒童的眶額皮質(zhì)與杏仁核區(qū)域出現(xiàn)功能性結(jié)構(gòu)改變,大腦獎(jiǎng)勵(lì)系統(tǒng)的功能連通性減弱。此外,肥胖兒童長(zhǎng)期攝入高熱量飲食后,突觸后多巴胺2型受體降調(diào)節(jié),促使攝入更多食物以獲取滿足感,加劇肥胖[52]。

2.4 調(diào)節(jié)生物鐘相關(guān)基因表達(dá) 晝夜節(jié)律是生物體與自然環(huán)境周期性變化保持同步的內(nèi)部節(jié)律模式,受光線、進(jìn)食、溫度等影響,哺乳動(dòng)物的晝夜節(jié)律遵循一個(gè)約24 h的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)。下丘腦視交叉上核作為“起搏點(diǎn)”能夠調(diào)控睡眠-覺醒周期,并通過神經(jīng)體液信號(hào)協(xié)調(diào)腸道、肝臟等代謝器官的外周生物鐘,將生物鐘與代謝過程關(guān)聯(lián)起來,調(diào)節(jié)機(jī)體穩(wěn)態(tài)[53]。

近年來多項(xiàng)研究指出腸道菌群的豐度和功能具有晝夜節(jié)律,超過20%的腸菌操作性分類單元(operational taxonomic units,OTUs)在24 h內(nèi)表現(xiàn)出節(jié)律性振蕩,并受進(jìn)食時(shí)間和成分的影響以及中央生物鐘的調(diào)控[54]。Altaha等[55]研究發(fā)現(xiàn)Bmal1SCNfl/-小鼠腸菌物種豐富度的節(jié)律性消失,尤其是與SCFAs生成相關(guān)的菌群,表明生物鐘與腸道菌群互作調(diào)控宿主能量代謝。一方面,腸道菌群誘導(dǎo)組蛋白去乙?；?的表達(dá),激活雌激素相關(guān)受體α,誘導(dǎo)脂肪酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)基因CD36的轉(zhuǎn)錄[56]。另一方面,腸道菌群的鞭毛蛋白和LPS激活樹突狀細(xì)胞的TLRs,通過MyD88信號(hào)通路促進(jìn)白細(xì)胞介素-23釋放,誘導(dǎo)3型天然淋巴細(xì)胞(group 3 innate lymphoid cells,ILC3s)分泌白細(xì)胞介素-22,導(dǎo)致腸上皮細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄因子STAT3磷酸化,而后與時(shí)鐘基因REV-erbα啟動(dòng)子結(jié)合,導(dǎo)致Nfil13表達(dá)增加,促進(jìn)腸道上皮細(xì)胞吸收脂質(zhì)[57]。以上結(jié)果表明腸道菌群可通過生物鐘基因表達(dá),影響脂代謝,誘導(dǎo)肥胖的發(fā)生。

2.5 脾主運(yùn)化與腸道菌群 腸道菌群及其代謝產(chǎn)物參與食物消化吸收和代謝,與“脾氣散精,居中央灌四旁”的中醫(yī)理論相通。脾為氣血生化之源,運(yùn)輸水谷精微,化生氣血濡養(yǎng)全身,有助于機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育。小兒形氣未充,脾常不足,若嗜食肥甘厚味,導(dǎo)致脾胃受損,運(yùn)化無力,水液失于輸布,聚于體內(nèi)化生痰濕,留滯皮肉發(fā)為肥胖。濕阻氣機(jī),升降失調(diào),大腸傳導(dǎo)功能失常,腸道黏膜免疫失調(diào),腸道菌群穩(wěn)態(tài)失衡。此外,腸道菌群抵抗病原菌入侵,調(diào)節(jié)機(jī)體免疫,與“脾為之衛(wèi)”,脾氣旺盛則不易受外邪侵襲的理論具有相似之處[58]。因此脾主運(yùn)化功能與腸道菌群在消化吸收、抵御外邪方面密切相關(guān),脾失健運(yùn),痰濕內(nèi)生,腸道菌群失調(diào),糖脂代謝紊亂,免疫功能受損,促進(jìn)肥胖發(fā)生。

綜上所述,腸道菌群通過調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、增加能量攝取、引起膽汁酸信號(hào)通路激活受損、調(diào)控宿主進(jìn)食和生物鐘相關(guān)基因的表達(dá),參與肥胖的發(fā)生和發(fā)展。采取順產(chǎn)分娩、母乳喂養(yǎng)、避免抗生素早期暴露、調(diào)整膳食結(jié)構(gòu)、規(guī)律作息有助于防治兒童肥胖的發(fā)生。中醫(yī)藥治療兒童肥胖有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),通過健脾兼以化痰、利濕,調(diào)節(jié)津液輸布和氣機(jī)升降,結(jié)合針灸、艾灸等輔助療法,提高肥胖患兒的臨床療效,減少并發(fā)癥的出現(xiàn),因此深入探索中藥與腸道菌群的內(nèi)在聯(lián)系有助于為防治兒童肥胖提供新的思路。