生態病因學：腸道菌群失調與2型糖尿病

江楊洋(綜述)，王旭東(審校)

(南京中醫大學，南京 210023)

隨著環境和飲食結構的改變，全球面臨著嚴重的健康問題。根據國際糖尿病聯盟統計，2000年全球有糖尿病患者1.51億，而2010年全球有糖尿病患者2.85億，按目前速度增長的話，估計到2030年全球將有近5億人患糖尿病[1]。而我國2000～2009年診斷糖尿病患者從1055.07萬增長到2456.84萬,人口變化和患病率增長分別增加416.12萬和659.66萬[2]。近10年研究發現，腸道菌群與肥胖、2型糖尿病等代謝性疾病的發生密切相關，2012年腸道微生物與2型糖尿病的宏基因組關聯分析表明2型糖尿病可能與腸道菌群存在相關性，明確了中國人群中的糖尿病患者與非糖尿病患者在腸道微生物組成上的差異[3]。該文從腸道菌群角度來探討2型糖尿病的康復機制，從而為2型糖尿病的康復提供新思路。

1 腸道菌群概述

腸道菌群是一個龐大的群體。人體腸道寄主100萬億微生物，腸道內每1014 mL空間內最多可包含幾千種，人體腸道菌群的平均重量為1.5 kg[4]。腸道微生物的數量是人體細胞數量的10倍，人體微生物組的宏基因組測序表明，共有330萬個非冗余基因，而其中99%以上的基因源于細菌[5]。此基因組比人類基因組大150倍。但所有的哺乳動物出生時是不攜帶任何微生物的，出生后從母體和環境中按一定順序定植菌群，且大部分定植在腸道，隨后保持種類和數量的動態平衡。歐洲分子生物學實驗室的Peer Bork等按嬰兒時期首個定植腸道的菌群將人類腸道菌群分為3種菌型，并且這種菌型不會因個體的種族、性別、體質量、健康程度或者年齡的變化而改變[6]。

腸道菌群按屬可分10～15個屬；按種分類可分成500種；按照菌株在宿主體內的生化反應及對宿主的作用效果又可分成三大類：有益性、雙向性和有害性。有益菌群是腸道的優勢菌群，占99%～99.9%，如雙歧桿菌、乳桿菌和消化球菌等。人體與腸道菌群間是一種相互依存、互利共生的關系：①腸道菌群以人體消化的食物殘渣和胃腸道作為自身生存的條件和環境，并幫助人體消化食物，合成維生素，完成自身細胞無法完成的任務。②腸道菌群不僅能分解體內產生的一些毒害物質保護腸屏障，如可分解致使腸漏的硫酸鹽，而且還能參與腸道上皮細胞的生長、分化，抑制炎性細胞因子的形成，刺激免疫應答，維持腸道的pH值，促進腸道蠕動，維持腸道微環境的內穩定。

2 腸道菌群與2型糖尿病

糖尿病是一種由基因和環境共同影響的代謝性疾病。由于過去十幾年中，糖尿病和肥胖的發病率不斷增加，這使遺傳在代謝性疾病的影響有所降低。另一方面，隨著對腸道菌群的研究，發現腸道菌群與肥胖、2型糖尿病等代謝性疾病有著緊密聯系。首先，Gordon 實驗室的一系列研究表明腸道菌群在“門”水平上的差異是取決于體質量水平，臨床研究也證實在肥胖患者的腸道中表現為低豐度的擬桿菌和高豐度的厚壁菌門[7-8]。繼而在2010年,Zhao[9]研究發現,糖尿病模型動物腸道中乳酸菌數量明顯下降。臨床研究表明,相對于正常者2型糖尿病患者腸道中硬壁菌門/梭菌門顯著降低。另外,β變形菌比例在糖尿病組顯著升高,并與血糖濃度顯著相關。Larsen等[10]的研究首次表明了2型糖尿病與非糖尿病患者之間微生物種群的變化，但該研究的受試者數量較少。在2012年我國科學家基于新一代鳥槍法深度測序技術研發出一種新的宏基因組關聯分析方法,通過該方法對345名中國人的腸道微生物進行兩階段宏基因組關聯分析,共鑒定出約6萬個2型糖尿病相關的分子標記,從而從分子層面上明確了中國人群中的糖尿病患者與非糖尿病患者在腸道微生物組成上的差異[3]。在最新對糖尿病患者腸道菌群的研究中，江美玲等[11]應用菌屬16srRNA V3序列特異性引物，進行實時熒光定量聚合酶鏈反應分析，發現糖尿病組柔嫩梭菌類群、雙歧桿菌屬、腸球菌屬數量較對照組顯著增加，擬桿菌屬數量較對照組顯著減少。以上研究表明，腸道菌群與2型糖尿病相關，且在2型糖尿病的腸道中出現一定的菌群失調。

2型糖尿病患者的腸道菌群會出現菌群失調，那菌群失調是否可能成為2型糖尿病發病機制之一，早在1981年，LeRoith等[12]發現有一種大腸埃希菌能產生胰島素樣物質,這種物質進入血液后與胰島素的靶細胞結合封閉了胰島素受體,使真正的胰島素無法發揮作用,于是血糖不能被吸收和利用而導致糖尿病。Rabot等[13]發現飼以高脂飲食的無菌小鼠消耗的熱量較少、在糞便中排出的脂類較多，且體質量小于高脂飲食喂養的傳統小鼠。無菌小鼠的空腹和非空腹胰島素血癥也有所減少，葡萄糖耐量有所改善。這些結果顯示，腸道菌群對胰島素敏感性產生一定的作用。Burcelin等[14]通過使用無菌小鼠的研究表明,腸道菌群是引發代謝障礙的原因。另外，Zhang等[15]在人類腸道菌群改變對葡萄糖不耐癥的影響研究中，運用16srDNA測序-高通量測序方法，評估代謝參數之間的相關性和菌群多樣性，發現其兩者間有著顯著的關聯性。此為腸道菌群的結構可調控糖尿病的發病機制研究提供了證據。

3 腸道菌群影響2型糖尿病機制研究

腸道菌群主要通過對腸道內能源獲取作用、調節脂肪儲存及影響脂肪因子、調節代謝性內毒素血癥誘發的炎癥等機制影響肥胖和2型糖尿病的發生和發展。

3.1腸道內能源獲取 糖尿病康復原則之一是控制熱量的攝入，減輕胰島素的負擔，維持合理的體質量。而腸道菌群可通過膳食纖維獲取能源來影響肥胖。其表現在腸道菌群分解消化多糖為短鏈脂肪酸，每日為正常成人提供334.7～836.8 kJ或每日能量攝入量的4%～10%[16]。這些短鏈脂肪酸中，最豐富的是乙酸、丙酸和丁酸。前兩者被吸收進入門靜脈循環，而后者則是結腸的能量來源。當腸道缺乏丁酸時，腸道上皮細胞會自我吞噬減少細胞，從而維持能量平衡[17]。Sleeth等[18]在腸道受體表達中檢測出非酯化脂肪酸受體2和非酯化脂肪酸受體3，表明短鏈脂肪酸也參與控制食欲。Lin等[19]的研究發現，丁酸和丙酸可通過獨立的非酯化脂肪酸受體來調節胃腸激素，減少食物的攝入，從而預防飲食引起的肥胖和胰島素抵抗。宏基因組分析ob/ob盲腸菌群表明，ob/ob特定的腸道菌群富含能夠利用發酵的膳食纖維基因。楊曉慶等[20]在研究小鼠腸道菌群代謝產物與糖尿病的相關性中發現，糖尿病組小鼠糞便中乙酸、丙酸和正丁酸水平顯著低于正常組及高脂組,提示糖尿病小鼠的腸道微生態系統出現紊亂,可能存在著生成乙酸、丙酸和正丁酸的某些厭氧益生菌的缺失或減少,致使腸道菌群對宿主代謝產生異常影響,引發代謝紊亂。Cani等[21]研究發現，腸道菌群可發酵膳食纖維，促進近端結腸L細胞的分化，增加健康人群餐后胰島素樣生長因子的分泌。腸道菌群可影響能源獲取的觀點也已在人體得到證實。Jumpertz等[22]報道，攝入卡路里量的比例與糞便中擬桿菌門的豐度呈正相關，與糞便中厚壁桿菌門的豐度呈負相關。

腸道菌群不僅影響能源的獲取，而且還影響能量的消耗。早期研究顯示，無菌鼠的基礎代謝率、心排血量、體溫均低于傳統鼠，表明菌群可能會影響動物的能量消耗[23]。Fleissner等[24]的研究也證實，在高脂飲食中無菌鼠相對于傳統鼠體質量會增加并伴隨著更低的能量消耗。但目前腸道菌群影響能量的消耗在臨床還未見報道。

3.2調節脂肪儲存及影響脂肪因子 2型糖尿病患者體內，胰島素脂肪細胞因子都處于紊亂狀態，如2型糖尿病患者體內瘦素水平較正常對照者顯著升高[25]。眾多研究表明，這些脂肪因子與胰島素抵抗及糖尿病密切相關，而微生物群的移植實驗證實，體內脂肪儲存取決于不同的腸道菌群的作用。Xiong等[26]研究表明，腸道菌群代謝產生的短鏈脂肪酸(如丙酸和丁酸)可增加瘦素基因的表達。B?ckhed等[27]發現，無菌普通C57BL/6小鼠從常規飼養小鼠遠端大腸定植正常菌群后，體內的脂肪含量和胰島素抵抗在14 d內增加了60%，盡管此階段減少了食物的攝入量。但脂肪總量增加是因脂肪細胞過度肥大，而非數量增加所致，其機制可能是腸道菌群影響禁食脂肪誘導因子。禁食脂肪誘導因子是循環脂蛋白脂肪酶抑制因子，可調控三酰甘油在脂肪細胞中的沉積。B?ckhed等[28]的研究發現，剔除禁食脂肪誘導因子基因的無菌小鼠，飲食引起的肥胖更易發生。禁食脂肪誘導因子抑制脂蛋白脂酶,從而阻斷脂肪酸三酰甘油吸收到組織和上調脂肪酸氧化，解偶聯蛋白解離，脂肪儲存量減少。Aornsson等[29]用益生菌干酪乳桿菌和結腸細胞的培養及干酪乳桿菌定植無菌小鼠腸道進行研究，發現禁食脂肪誘導因子的表達明顯增加，同時小鼠血漿極低密度脂蛋白顆粒中三酰甘油水平增加，表明干酪乳桿菌通過增加禁食脂肪誘導因子的表達來減少脂肪存儲。綜上所述，腸道菌群是一個影響機體能源獲取和能量儲存的重要因素。

3.3調節代謝性內毒素血癥誘發的炎癥 糖尿病是以低水平的炎癥狀態為特征的代謝性疾病，而腸道菌群衍生的脂多糖是參與炎癥和代謝性疾病的發生和發展的因素。脂多糖是革蘭陰性菌外膜的一個組件，它的增加可誘發小鼠產生輕度慢性炎癥，導致胰島素抵抗[30]。Muccioli等[31]的研究表明，這可能是由于宿主產生了內源性大麻素。以下動物實驗可表明腸道菌群、脂多糖、飲食和胰島素敏感性之間的關系：①Cani等[30]向正常小鼠長期注射脂多糖，發現可導致小鼠的肥胖和肝臟胰島素抵抗。Toll樣受體4缺陷小鼠喂食高脂飲食后卻不會出現高脂飲食誘導的肥胖和胰島素抵抗[32]。②Erridge等[33]研究表明，高脂飲食小鼠的內毒素血癥有所增加。③Cani等[34]發現用氨芐青霉素，新霉素處理ob/ob小鼠或高脂肪的飲食喂養的小鼠，會改變腸道菌群的位置，并減少內毒素血癥，改善糖耐量。對于喂食高脂老鼠給予益生元治療可顯著減少脂多糖及肝臟和脂肪組織中炎癥標志物，并增強整個身體葡萄糖耐受性[35]。綜上所述，高脂飲食、血漿的脂多糖增加會對糖代謝產生不利影響，而調節腸道菌群可以減輕內毒素血癥和胰島素抵抗。

脂多糖在肥胖和肥胖相關的胰島素抵抗和低度炎癥的發展中起著至關重要的作用，臨床研究也證實了這一點。在50例2型糖尿病橫斷面研究中發現，空腹脂多糖水平差異性顯著大于年齡、體質量指數等指標[36]。Creely等[36]用胰島素增敏劑治療2型糖尿病患者10周后發現，內毒素血癥和胰島素水平均有所下降，并且內毒素血癥變化越大，胰島素敏感性改變越大。在糖尿病發病風險因子分析中發現，脂多糖活性最高四分位數和最低四分位數相比，有52%患糖尿病的風險增加，說明較高的脂多糖活性是2型糖尿患病的危險因素之一[37]。綜上所述，病腸道菌群參與糖尿病的發病機制過程中，代謝內毒素血癥引起的低水平炎癥是關鍵環節。

4 腸道菌群的調節方法

針灸對腸道菌群也有一定的調節作用。在針灸減肥患者腸道菌群的變化規律探討中，通過對14例針灸減肥病例的大便標本進行細菌培養，結果發現單純性肥胖患者和健康人比較，其腸球菌明顯高于健康組，而類桿菌低于健康組；在治療3個療程后針灸減肥有效率為72.22%，并且腸球菌明顯減少，類桿菌明顯增多，且治療后腸球菌及類桿菌的數量與健康組無明顯差異[38]。提示針灸減肥過程可能主要通過對腸球菌及類桿菌的數量調節而達到減肥的目的。雖無艾灸在飲食誘導的模型中對腸道菌群影響的報道，但有研究表明艾灸關元灸可有效升高腸道中雙歧桿菌、乳酸桿菌兩種厭氧菌及大腸埃希菌、腸球菌兩種需氧菌的菌群數量，調整腸道菌群失調，并可改善慢性疲勞狀態[39]。因此，針灸調節腸道菌群有望成為2型糖尿病的康復新方法。

5 小 結

飲食結構改變是導致2型糖尿病發生、發展的主要誘因之一，而飲食結構的改變會直接影響腸道菌群，甚至腸道菌群紊亂，而腸道菌群則會通過對腸道內能源獲取作用、調節脂肪儲存及影響脂肪因子、調節代謝性內毒素血癥誘發的炎癥等機制來影響2型糖尿病發生及發展。因此，可以認為腸道菌群紊亂是2型糖尿病發生、發展的原因之一。另一方面，可以通過內源性增加有益菌群來扶植腸道菌群，從而預防和治療2型糖尿病。并且外源性針灸調節腸道菌群有望成為2型糖尿病的康復新方法。

[1] International Diabetes Federation.Diabetes Atlas(third edition)[R].2006:http://www.eatlas.idf.org/

[2] 王海鵬，孟慶躍.2000-2009年我國成年人診斷糖尿病流行趨勢分析[J].中國預防醫學雜志，2013，14(2)：132-135.

[3] Qin J,Li Y,Cai Z,etal.A metagenome-wide association study of gut microbiota in type 2 diabetes[J].Nuter,2012,490(7418):55-61.

[4] Turnbaugh PJ,Ley RE,Hamady M,etal.The human microbiome project[J].Nature,2007,449(7164):804-810.

[5] Qin J,Li R,Raes J,etal.A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing[J].Nature,2010,464(7285):59-65.

[6] Arumugam M,Raes J,Pelletier E,etal.Enterotypes of the human gut microbiome[J].Nature,2011,473(7346):174-180.

[7] Ley RE,Turnbaugh PJ,Klein S,etal.Microbial ecology:human gut microbes associated with obesity[J].Nature,2006,444(7122):1022-1023.

[8] Ley RE,B?ckhed F,Turnbaugh P,etal.Obesity alters gut microbial ecology[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2005,102(31):11070-11075.

[9] Zhao L.Genomics:the tale of our other genome[J].Nature,2010,465(7300):879-880.

[10] Larsen N,Vogensen FK,van den Berg FW,etal.Gut microbiota in human adults with type 2 diabetes differs from non-diabetic adults[J].PLoS One,2010,5(2):e9085.

[11] 江美玲，許岸高.2型糖尿患者腸道菌群特征分析[J].廣東醫學，2013，34(13)：2006-2010.

[12] LeRoith D,Shiloach J,Roth J,etal.Insulin or a closely related molecule is native to Escherichia coli[J].J Biol Chem,1981,256(13):6533-6536.

[13] Rabot S,Membrez M,Bruneau A,etal.Germ-free C57BL/6J mice are resistant to high-fat-diet-induced insulin resistance and have altered cholesterol metabolism[J].FASEB J,2010,24(12):4948-4959.

[14] Burcelin R,Serino M,Chabo C,etal.Gut microbiota and diabetes:from pathogenesis to therapeutic perspective[J].Acta Diabetol,2011,48(4):257-273.

[15] Zhang X,Shen D,Fang Z,etal.Human gut microbiota changes reveal the progression of glucose intolerance[J].PLoS One,2013,8(8):e71108.

[16] Xu J,Gordon JI.Honor thy ”symbionts[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2003,100(18):10452-10459.

[17] Young VB.The intestinal microbiota in health and disease[J].Curr Opin Gastroenterol,2012,28(1):63-69.

[18] Sleeth ML,Thompson EL,Ford HE,etal.Free fatty acid receptor 2 and nutrient sensing:a proposed role for fibre,fermentable carbohydrates and short-chain fatty acids in appetite regulation[J].Nutr Res Rev,2010,23(1):135-145.

[19] Lin HV,Frassetto A,Kowalik EJ Jr,etal.Butyrate and propionate protect against diet-induced obesity and regulate gut hormones via free fatty acid receptor independent mechanisms[J].PLoS One,2012,7(4):e35240.

[20] 楊曉慶，李琳琳，王燁.小鼠腸道菌群代謝產物與糖尿病的相關性研究[J].中國微生態學雜志，2011，23(2)：134-136.

[21] Cani PD,Hoste S,Guiot Y,etal.Dietary non-digestible carbohy-drates promote L-cell differentiation in the proximal colon of rats[J].Br J Nutr,2007,98(1):32-37.

[22] Jumpertz R,Le DS,Turnbaugh PJ,etal.Energy-balance studies reveal associations between gut microbes,caloric load,and nutrient absorption in humans[J].Am J Clin Nutr,2011,94(1):58-65.

[23] Harris K,Kassis A,Major G,etal.Is the gut microbiota a new factor contributing to obesity and its metabolic disorders?[J].J Obes,2012,2012:879151.

[24] Fleissner CK,Huebel N,Abd El-Bary MM,etal.Absence of intestinal microbiota does not protect mice from diet-induced obesity[J].Br J Nutr,2010,104(6):919-929.

[25] 吳軍發，吳毅，胡永善，等.運動對2型糖尿病大鼠脂肪組織中肥胖基因表達的影響[J].中國運動醫學雜志，2003，22(2)：116-120.

[26] Xiong Y,Miyamoto N,Shibata K,etal.Short-chain fatty acids stimulate leptin production in adipocytes through the G protein-coupled receptor GPR41[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2004,101(4):1045-1050.

[27] B?ckhed F,Ding H,Wang T,etal.The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2004,101(44):15718-15723.

[28] B?ckhed F,Manchester JK,Semenkovich CF,etal.Mechanisms underlying the resistance to diet-induced obesity in germ-free mice[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2007,104(3):979-984.

[29] Aornsson L,Hunag Y,Parini P,etal.Decreased fat storage by Lactobacillus paraeasei is associated with increased levels of an giopoietin-like4 protein(ANGPTIA)[J].PLoS One,2010,5(9):e13087.

[30] Cani PD,Amar J,Iglesias MA,etal.Metabolic endotoxemia initiates obesity and insulin resistance[J].Diabetes,2007,56(7):1761-1772.

[31] Muccioli GG,Naslain D,B?ckhed F,etal.The endocannabinoid system links gut microbiota to adipogenesis links gut microbiota to adipogenesis[J].Mol Syst Biol,2010,6(6):392.

[32] Davis JE,Gabler NK,Walker-Daniels J,etal.Tlr-4 deficiency selectively protects against obesity induced by diets high in saturated fat[J].Obesity,2008,16(6):1248-1255.

[33] Erridge C,Attina T,Spickett CM,etal.A high-fat meal induces low-grade endotoxemia:evidence of a novel mechanism of postprandial inflammation[J].Am J Clin Nutr,2007,86(5):1286-1292.

[34] Cani PD,Bibiloni R,Knauf C,etal.Changes in gut microbiota control metabolic endotoxemia-induced inflammation in high-fat diet-induced obesity and diabetes in mice[J].Diabetes,2008,57(6):1470-1481.

[35] Cani PD,Neyrinck AM,Fava F,etal.Selective increases of bifidobacteria in gut microflora improve high-fat-diet-induced diabetes in mice through a mechanism associated with endotoxaemia[J].Diabetologia,2007,50(11):2374-2383.

[36] Creely SJ,McTernan PG,Kusminski CM,etal.Lip polysaccharide activates an innate immune system response in human adipose tissue in obesity and type 2diabetes[J].Am J Physiol Endocrinol Metabvol,2007,292(3):E740-E747.

[37] Pussinen PJ,Havulinna AS,Lehto M,etal.Endotoxemia is associated with an increased risk of incident diabetes[J].Diabetes Care,2011,34(2):392-307.

[38] 周莉萍，胡玲香，鄧雪梅，等.針灸減肥進程中患者腸道菌群的變化規律探討[J].四川中醫，2011，29(9)：124-126.

[39] 成澤成，陳以國，張濤.溫和灸對慢性疲勞大鼠腸道菌群的影響[J].中國中醫藥信息雜志，2013，20(1)：45-47.