腸道菌群與糖尿病

張潔，徐焱成，吳玉文

隨著社會經濟的發展和人們生活方式的改變，糖尿病、肥胖等代謝性疾病迅速發展，已成為全球最突出的社會問題。我國糖尿病發病率逐年升高，目前全國糖尿病患者人數近1 億人。統計數據顯示，2017年全球范圍內用于治療2 型糖尿病（T2DM）及其相關病癥的費用高達千億美元[1-3]。以往從人類基因分子水平去攻克疑難疾病，并沒有幫助人們找到徹底克服糖尿病的方法，科學家們開始將研究方向轉向腸道菌群[2-6]。隨著對腸道菌群認識的深入，腸道菌群作為環境因素在調節免疫及代謝性疾病發生中的作用逐漸被大家認識，目前己有大量國內外研究關注腸道菌群與糖尿病發病機制的相關性[2，7-8]。本文重點闡述腸道菌群與不同類型糖尿病關系的研究進展，旨在為臨床研究提供參考。

1 正常人體腸道菌群的特點

迄今為止，已經確定了約百個被稱為“門”的大型細菌群，每個細菌群都具有不同的生物學特點。正常人類腸道菌群的組成包括4 種主要的細菌門類：厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門和變形菌門。其中厚壁菌門和擬桿菌門占絕對優勢，厚壁菌門在腸道菌群中占比最高（約50%～75%），由乳桿菌屬、支原體、芽胞桿菌屬、梭菌屬等200 多個菌屬組成；其次是擬桿菌門（約10%～50%），包括擬桿菌屬、普雷沃菌屬等20多種菌屬[9]；放線菌門占比位居第3，主要包括雙歧桿菌等；變形菌門位居第4，主要包括大腸桿菌等。

這些菌門分布在整個腸道內，并決定不同的微生物生態系統[10]。研究表明宿主健康與腸道微生物群的多樣性和穩定性有關[11]。腸道微生物群的構成是由飲食、生活方式、抗生素和遺傳背景等動態決定的[12]。微生物群的腸道定植可能在出生時就開始了。嬰兒出生時腸道菌群主要是來自母體陰道的乳酸桿菌、普雷沃氏菌和小菌屬等，相比之下，剖宮產的新生兒顯示為葡萄球菌、棒狀桿菌和丙酸桿菌屬等[13]。在兒童早期，放線桿菌，特別是雙歧桿菌屬，在母乳喂養的嬰兒腸道糞腸桿菌中占主導地位。同時，嬰兒腸道也會受外界因素改變而產生新的微生物，這些外界因素包括固體食物的攝入、運動和疾病等，這也決定了其成年后腸道菌群的差異性[14]。

2 腸道菌群在不同類型糖尿病患者體內的結構特點

隨著基因測序方法的發展，由過去的一代、二代發展到目前的三代測序法，甚至通過宏基因組測序來揭開腸道菌群神秘的面紗，不僅能夠明確腸道菌群的組成、結構分布，還能夠明確其功能并分析其與疾病的相關性。

2.1 腸道菌群在T2DM中的結構特征

2.1.1 T2DM 患者腸道菌群結構特征 與健康人群相比，T2DM 患者腸道菌群結構發生顯著變化[15-16]。Qin 等[17]研究發現，在健康對照組糞便樣本中產生的幾乎所有宏基因組菌種都來自產丁酸鹽細菌，包括梭菌屬、直腸真細菌屬、柔嫩梭菌屬、腸羅氏菌屬和Roseburia inulinivorans 菌屬等。相比之下，T2DM患者的菌種則來自條件致病菌，例如糞便擬桿菌屬、hathewayi梭菌、多枝梭菌、共生梭菌、遲緩埃格特菌、大腸桿菌，且T2DM 患者亦富含產硫酸鹽的脫硫弧菌屬。此外，在T2DM 患者中可見乳酸菌屬中的一部分致病菌或條件致病菌的豐度增加[18]。

Larsen 等[19]發現，與健康對照組相比，T2DM 組厚壁菌門相對豐度低，而擬桿菌門和變形菌門相對豐度高；T2DM 患者腸道厚壁菌門比例降低，擬桿菌門、大腸埃希菌等條件致病菌水平升高，雙歧桿菌等益生菌的含量明顯減少[20]；另有研究發現T2DM 患者中厚壁菌門和梭菌屬的比例顯著降低[21]。以上3項研究結果基本一致。

2.1.2 T2DM 患者腸道菌群與代謝指標的相關性 一項人類宏基因組關聯研究顯示，T2DM 患者中特定腸道菌群、細菌基因和代謝途徑有著顯著的相關性[19]。歐洲一項研究采用鳥槍測序法分別觀察了正常、糖耐量受損、T2DM 婦女的腸道菌群特征。結果發現，T2DM 群體中，4 種乳酸菌屬數量增加，5種梭菌屬數量減少[20]。還有學者發現，與非糖尿病患者相比，T2DM患者乳桿菌屬豐度更高[22]（乳桿菌屬為乳酸菌科的一個屬）。在全部群體中，乳酸菌屬豐度與空腹血糖、糖化血紅蛋白（HbA1c）水平呈正相關；梭菌屬豐度與空腹血糖、HbA1c、胰島素、C 肽和三酰甘油（TG）水平呈負相關，與脂聯素、高密度脂蛋白（HDL）水平呈正相關[20]。血清脂聯素，即胰島素增敏激素，在T2DM 人群中水平下降。重要的是，這些乳酸菌屬和梭菌屬豐度與體質量指數（BMI）、腰圍、腰臀比（WHR）水平均無關[20,23-25]。因此，通過將腸道菌群與代謝指標進行相關性研究，有助于進一步明確腸道菌群的功能。

2.2 腸道菌群在1 型糖尿病（T1DM）中的結構特征 研究發現，T1DM 患者腸道菌群的結構分布與正常對照者相比有顯著差異。芬蘭的一項研究分別選取了4例T1DM兒童和4例正常對照兒童，運用高通量測序技術測定腸道菌群的結構分布，結果顯示，T1DM 兒童腸道菌群分布的多樣性和穩定性較正常對照降低，表現為T1DM 患者擬桿菌門的卵圓形擬桿菌比例明顯增加[26]。隨后又有多項研究結果提示T1DM 兒童的腸道菌群分布是失衡的，放線菌門/厚壁菌門、厚壁菌門/擬桿菌門等菌群的比例降低，且產生丁酸鹽的有益菌群的豐度減少[27-31]。

我國學者研究發現，TIDM患者與正常對照組具有顯著差異的菌種來自于厚壁菌門，提示厚壁菌門中細菌的變化在T1DM患者中普遍存在。研究還發現厚壁菌門-梭菌目-瘤胃菌科下的Intestinimonas的豐度在T1DM 患者中顯著下降，該菌為產丁酸鹽的細菌之一[32]。總之，T1DM 患者的厚壁菌門中的產丁酸鹽的菌種豐度減少。

2.3 腸道菌群在妊娠期糖尿病（GDM）患者的結構特征 關于GDM 患者腸道菌群方面的研究報道較少。Koren 等[33]對 91 例正常妊娠婦女的 3 個妊娠階段，即T1期（1～12周）、T2期（13～27周）、T3期（28～40周）的腸道菌群進行宏基因組測序發現，腸道菌群在妊娠T1～T3期發生顯著變化，表現為T1期細菌的多樣性與妊娠前比較無明顯異常，而T3期則發現顯著異常，表現為變形菌門和放線菌門增加，但整體菌種豐度減少；當轉移到無菌老鼠體內，結果顯示，與T1期相比，T3期的腸道菌群改變更容易引起肥胖癥和胰島素抵抗。由于GDM診斷的時間標準為孕24～28周，處于 T2 期的尾聲、T3 期的開始，所以推斷 T3 期的腸道菌群特點容易引起肥胖和胰島素抵抗，這可能是GDM發病的原因之一。

Fugmann 等[34]研究了既往患有GDM、存在胰島素抵抗女性（試驗組）的糞便微生物群與健康對照組的差異。結果發現，試驗組與健康對照組相比，腸道菌群以普氏菌屬占主導地位，厚壁菌門的相對豐度顯著降低。試驗組是既往患有GDM的患者，是未來患T2DM 高風險人群，其上述腸道菌群特征提示以普氏菌屬占主導的腸道菌群與T2DM患病風險之間有一定聯系。

有研究顯示，妊娠晚期合并GDM患者的腸道菌群構成與血糖正常者不同，而與T2DM 患者相似。而且既往有GDM 病史者的腸道菌群在產后8 個月仍是異常的[35]。

也有不同于上述觀點的研究。Hasan 等[36]研究發現，GDM組和健康對照組之間的微生物構成無顯著差異，提示在高風險婦女中，GDM 易感性可能與腸道微生物群無關。上述研究得出的不同結論可能與一些干擾因素有關，包括宿主相關因素（如遺傳背景、年齡、性別、免疫系統和腸道動力）、治療（如抗生素和胃旁路術）和飲食（如碳水化合物、脂肪、益生元或益生菌）[37-38]。

3 腸道菌群參與糖尿病發生的機制

3.1 腸道菌群參與T2DM發生的機制

3.1.1 誘導胰島β 細胞的凋亡 研究發現，長期肥胖可導致腸道屏障功能通過多種機制發生改變，包括緊密連接蛋白ZO-1和Occludin分布的改變，引起內源性大麻素系統紊亂，進而改變腸道通透性，增加革蘭陰性菌群比例，導致其細胞壁成分脂多糖的分泌増加[39]。同時，人體內的腸道緊密連接蛋白由于菌群比例的失衡而不能正常的表達，脂多糖也因腸道上皮通透性的増加在血液循環中不斷累積，形成所謂的“代謝性內毒素血癥”[39-40]。進一步研究發現，脂多糖能誘導全身性慢性炎癥的產生和發展[41]，不斷積累的氧化應激產物和慢性炎癥可能會引起胰島β細胞的凋亡，最終導致T2DM的發生。

3.1.2 誘發或加重宿主的自身免疫反應 丁酸鹽是短鏈脂肪酸（SCFAs）的主要成分，除了為宿主提供能量及細菌生長和繁殖所需的營養物質外，還能提高結腸內的酸性環境，抑制有害菌的生長，維持水電解質平衡，抑制促炎因子的生成，從而有利于炎癥黏膜的修復。

當具有將碳水化合物分解轉化為丁酸鹽功能的細菌減少時，腸道內丁酸鹽濃度下降，可導致腸絨毛生長減慢、腸黏膜屏障受損、腸道通透性增加及腸道免疫失衡，進而誘發或加重宿主的自身免疫反應，不僅與T2DM有關，而且在T1DM出現自身免疫性胰島炎癥的過程中也具有重要意義[42-44]。

3.1.3 誘導胰島素抵抗 法尼酯衍生物X 受體（FXR）是一種膽汁酸受體，有研究表明，與不會因飲食引起糖尿病的小鼠模型相比，因飲食引起糖尿病的小鼠模型中FXR的表達有所提高[45]，而FXR基因敲除小鼠可表現為肝臟和血漿中膽固醇和TG 水平升高[46]。因此若FXR的調節功能發生紊亂，則會造成體內膽固醇、TG、葡萄糖的代謝紊亂，誘導胰島素抵抗而導致T2DM的發生。

另有研究發現，胰島素抵抗患者血漿代謝物支鏈氨基酸（BCAAs）水平升高，這與具有強化BCAAs生物合成潛能的腸道菌群，被剝奪了編碼細菌內部的氨基酸轉運蛋白的基因有關。普雷沃菌屬和普通擬桿菌被認為是推動BCAAs 和胰島素抵抗相關研究的主要物種。在小鼠實驗中已證實，普雷沃菌屬可誘發胰島素抵抗、加重糖耐量減低、增加血液循環中BCAAs水平[47]。

3.2 腸道菌群參與T1DM發生的機制 目前研究認為，腸道菌群通過改變腸道的屏障功能及腸道免疫系統參與T1DM 的發病過程[48]，可通過多種途徑影響機體免疫狀態的改變。首先，菌群失調會影響腸道黏膜屏障的完整性，腸道黏膜通透性的増加使其更易受到外界病毒或細菌的入侵[49]。其次，不同種類的細菌可活化腸道黏膜上不同的受體，從而使天然 T 細胞向 Th17 細胞或 Treg 細胞分化[50]。Th17 細胞主要是通過Toll樣受體2（TLR2）和主要組織相容性復合體（MHC）-Ⅰ類分子通路分化，而結腸中煙酰受體（Gpr109a）的活化可促進Treg 細胞的生成。同時也有研究證實，與健康受試者相比，T1DM 患者胰腺淋巴結中 Th17 和有缺陷的 Treg 比例更高[50]。后者結論與前者腸道菌群導致T1DM 的發病機制相符。

目前用于T1DM 研究的動物模型主要有2 種，NOD 鼠（non - obesity diabetes）和 BB-DP 鼠（biobreeding diabetes-prone），其均有自發糖尿病的傾向。在NOD鼠中自發性T1DM的發病率受動物居住設施的細菌環境影響[50]，也可受細菌的刺激，例如注射分枝桿菌或各種細菌產物[49]。研究發現無特殊病原體的NOD 鼠若缺乏MYD88 蛋白（能夠確定細菌刺激的多種先天免疫受體的連接物），則不會發展為T1DM[51]。因此，先天性自身免疫系統的腸道菌群的相互作用是一個改變T1DM傾向的關鍵的后天因素。

Toll 樣受體（TLRS）是先天的模式識別受體，涉及宿主防御、控制共生細菌和維持組織完整性。TLRS 在器官特異性自身免疫中的作用尚不清楚。MYD88 連接蛋白被多種 TLRS（除 TLR4 和 TLR3 外）和其他受體（如白細胞介素-1 受體）使用。為了驗證這些受體在NOD 鼠發生T1DM 過程中所起的作用，研究者敲除MYD88 基因，結果顯示，2 個敲除了MYD88基因的NOD種群均未發生糖尿病[51-52]。

3.3 腸道菌群參與GDM 發生的機制 近期研究發現，GDM 患者腸道菌群與T2DM 患者的腸道菌群具有相似性[35]。在GDM患者中，腸桿菌科細菌的相對豐度高于健康對照組，并發現腸道菌群失調狀態可能導致一系列慢性疾病，如結腸炎[53]、克羅恩病和急性膽囊炎[54]。既往研究表明，腸桿菌科可誘發炎癥，誘導結腸炎[29]，產生內毒素的腸桿菌可導致無菌小鼠發生肥胖[11]。

功能分析發現，GDM 患者中膜轉運、能量代謝和磷酸轉移酶系統（PTS）途徑增加。PTS 途徑負責通過外膜和內膜運輸葡萄糖并催化碳水化合物的攝取。與這些途徑有關的腸道菌種相對豐度增加表明GDM 狀態的腸道環境可能加速細菌對作為能量的葡萄糖的使用。研究結果表明腸道菌群可能是GDM的潛在預測指標[6]。

4 展望

學者們除了研究糖尿病引起腸道菌群的變化以外，還研究了變化后的腸道菌群參與糖尿病發生的作用機制。腸道菌群作為一個“被遺忘的功能器官”，對其研究任重而道遠。隨著腸道菌群與疾病的相關性研究越來越受到重視，不斷有新的菌群物種被發現，利用腸道菌群來認識和治療糖尿病、肥胖以及與腸道菌群相關的其他疾病，以腸道菌群為基點尋找更加有效的治療方法將成為今后研究的重點。