腸道菌群調控2型糖尿病發生發展的研究進展

郭麗璇 胡瓊英 熊大遷

1成都中醫藥大學醫學技術學院（成都610075）；2成都中醫藥大學附屬醫院檢驗科（成都610072）

2型糖尿?。═ype 2 diabetes mellitus，T2DM）主要由外周組織胰島素抵抗或胰島β細胞胰島素分泌功能缺陷導致，以慢性高血糖為特征的慢性代謝性疾病，與腸道菌群密切相關［1］。腸道菌群是人體腸道微生態的重要組成部分，其結構組成、能量代謝等均可影響2型糖尿病的發生發展及預后［2］。已有文獻表明T2DM患者的腸道細菌組成與T2DM的低度炎癥［3］、空腹血糖濃度及胰島素抵抗狀態［4］密切相關。另有研究顯示，2型糖尿病患者的腸道菌群含有大量革蘭氏陰性菌，產生內毒素并被機體吸收，形成“代謝性內毒素血癥”［5］。本文擬對腸道菌群的組成和代謝與2型糖尿病的相關研究進行綜述，探討二者之間的聯系及相關機制。

1 腸道菌群與機體的關系

1.1 正常人體腸道菌群與機體平衡 腸道菌群是寄居在人體腸道中的微生物群，目前研究顯示，其種類超過1 000種，數量達1 014，且絕大多數為厭氧菌，和人體細胞之間的比例約為1.3∶1［6］。目前人類糞便微生物組已鑒定約990萬個微生物基因，是一個龐大的結構和功能系統［7］。腸道內的微生物主要包括擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門和放線菌門，其他菌門還包括螺旋菌門、藍菌門、疣微菌門等，其中厚壁菌和擬桿菌的比例高達90%［8］。不同的腸道細菌與宿主的營養吸收和代謝息息相關，如厚壁菌主要與食物中熱量攝取有關，而擬桿菌與短鏈脂肪酸的形成相關，這些細菌的相關功能互相依存制約，形成生態平衡［9-10］。腸道菌群不僅在組成和功能上具有一定的穩定性，當平衡被干擾時還可以進行“微生物恢復”［11］，如處于穩態的腸道菌群對食品添加劑、外界的感染、抗生素治療或者劇烈飲食等干擾產生相對“抵抗力”以維持機體的內穩態［12］。另一方面，腸道菌群抵抗力與微生物群的多樣性密切相關（也是個體水平差異的來源），當腸道微生態的抵抗力降低時可干擾腸道菌群的多樣性，可使其結構產生持久性變化，原始的生物群落無法“復原”，造成腸道菌群的生態失調，促使其達到一種新的具有更強恢復力的“病態平衡”，使T2DM等慢性病的易感性增加［13］。說明腸道菌群豐度變化在T2DM的發生發展中扮演著關鍵的角色。由此可見，無論在生理還是病理情況下，人體和腸道菌在腸道內均形成了的一種相互平衡的微生態系統。

1.2 腸道菌群代謝物與機體的關系 人類腸道微生物組基因數目龐大，與宿主基因有明顯的差異，且腸道共生菌能完成人體自身不能進行的代謝活動。腸道菌群可發酵膳食纖維等難消化的碳水化合物，產生重要的代謝物，如短鏈脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）和琥珀酸等。SCFA用于平衡腸道中的氧化還原狀態，通過結合G蛋白偶聯受體41（G?protein coupled receptor 41，GPR41）和GPR43抑制組蛋白脫乙酰酶活性來發揮作用［14］。SCFA主要包括乙酸，丙酸和丁酸，在腸道中的含量摩爾比分別為60∶20∶20，已證實SCFA對體重、葡萄糖穩態和胰島素敏感性存在積極的調節作用［15-16］。

氨基酸代謝是與胰島素敏感性相關最為主要的代謝途徑，包括支鏈氨基酸（branched?chain amino acid，BCAA），芳香族氨基酸等代謝［17］。宿主的芳香族氨基酸和BCAA供應主要由腸道微生物群完成。纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸等支鏈氨基酸可被細菌進一步分解形成支鏈脂肪酸；苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸等芳香族氨基酸則進一步被分解為酚類和吲哚類物質，有利于合成人體中多種維生素如維生素K和部分B族維生素等。維生素K2通過維生素K依賴性蛋白骨鈣素、抗炎特性及降脂作用等提高胰島素敏感性，改善2型糖尿病［18］；維生素B可通過miR21的甲基化影響T2DM代謝相關基因［19］。

2 腸道菌群與2型糖尿病的關系

2.1 腸道菌群相對豐度與2型糖尿病的關系T2DM患者腸道菌群的特征是中度微生物菌群失調，大量文獻顯示梭菌綱（Clostridiales）等產丁酸鹽的細菌豐度下降，擬桿菌（Bacteroidetes）、部分芽孢桿菌（Bacilli）和部分變形桿菌（Proteobacteria）為機會致病菌，在T2DM患者中的豐度增加，且微生物的氧化應激抗性功能增強［20-22，24，33，53，55-58，61-62，70］。T2DM小鼠腸道中擬桿菌門和疣微菌門的豐度均減少，但厚壁菌、變形桿菌和還原硫酸鹽的脫硫桿菌門較正常對照均升高［23，49-52，54，59，60，63-65］。研究發現，在綱水平上，T2DM小鼠和人類T2DM患者的腸道菌群與正常對照菌群豐度變化明顯；其中，兩者擬桿菌綱、梭菌綱和β變形桿菌綱的豐度改變趨勢有明顯差異［20，23，24，49-58，60-63，65］。

近年來有研究對T2DM模型肥胖小鼠和非肥胖小鼠的腸道菌群進行分析發現，T2DM肥胖小鼠乳酸桿菌（Lactobacillus）豐度更高，其中蘇黎世菌（Turicibacter）屬和梭菌（Clostridiaceae）屬SMB53僅在T2DM小鼠中觀察到［22］。MansourSedighi等對T2DM人群和正常人群的糞便樣品中微生物組進行分析，證實了T2DM患者的腸道菌群中具有高豐度的乳酸桿菌（Lactobacillus），而健康人群腸道菌群中雙歧桿菌（Bifidobacterium）相對豐度更高［24］。另一項研究發現T2DM小鼠腸道中艾克曼菌（Akkermansiamuciniphila）增加有利于T2DM相關代謝改變以及癥狀改善［25］。這與之前研究發現正常人群中Akkermansiamuciniphila具有較高豐度的研究結果一致［26］。另有研究發現，相同基因型和相似飲食模式的小鼠因為腸道菌群的差異出現不同的葡萄糖代謝情況，說明腸道菌群對T2DM相關代謝的影響至關重要［22］。

2.2 腸道菌群代謝物與2型糖尿病的關系（表1）

2.2.1 SCFA SCFA一般是由1～6個碳原子組成的有機酸，通過腸道微生物分解發酵碳水化合物產生，包括甲酸、乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸和戊酸［27］。乙酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽以腺苷一磷酸激活的蛋白激酶（Adenosine 5′?monophosphate?activated protein kinase，AMPK）依賴性方式下調過氧化物酶體增殖激活受體-γ調節肝臟脂質并維持葡萄糖穩態，但SCFA激活AMPK的機制尚不清楚［28］。此外，有研究證實通過肝臟增加丙酸鹽通量可減少肝內甘油三酯，維持肝臟和葡萄糖穩態［29］。乙酸與脂肪細胞脂肪分解相關，可使肝臟中脂肪生成基因的轉錄物減少，腹肌中肌紅蛋白和葡萄糖轉運蛋白（glucose transporter type 4，Glut4）基因的轉錄物增加，故乙酸可以通過影響肝臟和肌肉中的脂質代謝對抗肥胖相關T2DM［30］。游離脂肪酸受體2（free fat acid receptor 2，FFAR2）和FFAR3兩個SCFA受體是GPRs的亞類，在胰腺β細胞中共表達形成受體異聚體，異聚體可以通過CATPB和YM25489敏感機制誘導p38磷酸化［31］，激活細胞MKK3/P38/PRAK途徑改善飲食引起的胰島素抵抗和T2DM代謝異常，對臨床治療T2DM有重要意義［33，67］。總之，SCFA可協同作用機體各器官組織全面改善腸道菌群、肝臟和糖脂代謝的體內平衡。

2.2.2 BCAA BCAA是指α碳上含有分支側鏈的氨基酸，屬于必需氨基酸，不僅是合成含氮化合物的底物，還通過調節PI3K?AKT?mTOR信號通路影響葡萄糖、脂質和蛋白質合成及腸道免疫［38，39］。有學者對2 422例血糖正常受試者進行隨訪，測定了12年后（有人發展成為糖尿病有人血糖正常）他們的血清代謝物譜，分析出前五位的血清差異代謝物為丙氨酸、酪氨酸、異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸，其中異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸為支鏈氨基酸，確定了糖尿病與支鏈氨基酸濃度的相關性［40］。之后JOSE等［41］又對6 244例受試者進行了7.5年的巢式病例對照研究（nested case control study，NCCS），發現支鏈氨基酸可以預測2型糖尿病的發展，其機制主要與胰島素抵抗相關，且不受其他因素的影響。研究顯示增加BCAA攝入量對T2DM葡萄糖穩態具有積極作用［68］。

2.2.3 芳香族烴類 芳香族烴類，包括吲哚、吲哚乙酸和吲哚丙酸，是腸道微生物分解色氨酸產生的代謝產物，也是芳香族烴類受體配體，對代謝類疾病有改善作用［34］。吲哚既可以促進GLP?1的分泌，也能抑制其分泌，對糖尿病的作用復雜［35］。吲哚丙酸（indoleproprionic acid，IPA）是一種與膳食纖維攝入量密切相關，僅由微生物群分解膳食色氨酸產生的脫氨代謝產物，在宿主血清中積累并表現出高度的個體差異。IPA在宿主體內作為孕烷X受體（pregnane X receptor，PXR）的配體與微生物組α多樣性正相關，與T2DM的發生的呈負相關［36］。IPA與PXR結合可調節腸道屏障功能，研究表明，PXR缺陷型（Nr1i2-/-）小鼠因無法與IPA結合，腸道上皮細胞通透性明顯增大，同時Toll樣受體（Toll?like receptor，TLR）信號傳導途徑上調，但Nr1i2-/-Tlr4-/-小鼠中腸道上皮屏障功能缺陷得到糾正，故IPA可與PXR相互作用通過下調TLR信號傳導來強化腸道屏障［37］。

2.2.4 膽汁酸 膽汁酸是由肝臟中的膽固醇合成的內源性分子，通過腸道微生物群進一步代謝后激活腸道、肝臟和外周受體調節T2DM相關代謝，是微生物產生的重要代謝產物［45］。人類主要膽汁酸是鵝去氧膽酸（chenodeoxycholic acid，CDCA）和膽酸（cholic acid，CA），而嚙齒動物產生CA和鼠膽酸（muricholic acids，MCAs）［45］。腸道菌群不僅可以調節膽汁酸在肝臟合成的膽固醇7α-羥化酶（cholesterol 7α?hydroxylase，CYP7α1）等關鍵酶活性，參與膽汁酸的合成代謝與微生物轉化，也可以產生次級膽汁酸作為G-蛋白偶聯膽汁酸受體（G protein?coupled receptor for bile acids，TGR5）配體，通過核受體法尼醇X受體（Farnesoid X receptor，FXR）和TGR5兩種途徑調節膽汁酸的合成和代謝，進一步刺激胰腺GLP?1的釋放，調控葡萄糖代謝［66］。

2.2.5 三甲胺氧化物 有文獻報道腸道菌群代謝產物三甲胺氧化物（trimethyla?mine N?oxide，TMAO）的循環濃度與糖尿病發病率正相關，是糖尿病的危險因素之一［42］。一方面TMAO依賴性升高的N-亞硝基化合物被證實是包括糖尿病在內的胰島素抵抗性疾病的驅動因素［43］；另一方面，由于膽汁酸作為信號傳導分子和細胞受體配體能激活FXR和GPR，通過FXR抑制糖異生基因的表達，在葡萄糖的代謝中發揮重要作用，而TMAO則可通過抑制膽汁酸介導的肝臟FXR信號傳導，影響肝臟葡萄糖的代謝［44］。

3 腸道菌群調控2型糖尿病的作用機制（圖1）

3.1 SCFA SCFA可通過抑制蛋白脫乙?；福╤istone deacetylase，HDAC）和激活MKK3/p38/PRAK途徑減輕高胰島素血癥和全身胰島素抵抗［67］。SCFA抑制HDAC可促進MKK3和p38的磷酸化，增強PPAK的磷酸化，進一步激活MKK3/p38/PRAK信號通路，同時SCFA也可刺激MKK3/p38/PRAK乙?；龠MGLP?1受體的保護作用，改善T2DM代謝異常和T2DM并發的心臟功能障礙［69］。

3.2 BCAA BCAAs主要激活磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）?AKT（也稱為蛋白激酶B，PKB）途徑誘導mTOR調節葡萄糖和脂質的代謝［38］。BCAA的減少激活PI3K?AKT通路，同時降低mTOR活性，但是亮氨酸可通過傳感器Sestrin2正向調控TORC1防止血漿葡萄糖濃度增加，改善胰島素抵抗，刺激骨骼肌吸收葡萄糖，還可以預防內臟肥胖和高胰島素血癥的發展［38］。

表1 T2DM相關的腸道菌群代謝物及作用機制Tab.1 Metabolites of intestinal flora and mechanism related to T2DM

圖1 腸道菌群與2型糖尿病的作用機制Fig.1 Mechanism of intestinal flora and type 2 diabetes

3.3 膽汁酸 膽汁酸由肝臟生成經腸道菌群轉化后對人體糖類代謝有至關重要的作用。膽汁酸合成受到FXR負反饋抑制的嚴格調節，FXR通過腸道微生物影響膽汁酸合成代謝，調節葡萄糖穩態［45］。肝腸均為FXR信號依賴性糖脂調控的中樞器官。在肝臟中，FXR抑制膽汁酸主要合成途徑的Cyp7α1基因的表達［47］。FXR介導的膽汁酸改變依賴于腸道微生物群，膽汁酸也可通過促進膽汁酸代謝細菌和抑制膽汁敏感細菌來調節腸道微生物群落［66］。除了肝臟外，腸上皮細胞中的FXR被遠端回腸中的膽汁酸激活，誘導成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor，FGF）表達后與肝臟中的FGFR4/b?klotho異二聚體復合物結合，觸發JNK和ERK信號級聯反應，抑制Cyp7α1的表達和高血糖素樣肽1（glucagon?like peptide，GLP?1）的合成［71］。膽汁酸對T2DM的作用與腸道菌群密切相關并依賴于FXR信號，但其相關機制尚需進一步探究。

膽固醇通過Cyp7α1催化生成次級膽汁酸，次級膽汁酸結合TGR5后刺激腸L細胞合成和釋放GLP?1改善2型糖尿病［46］。FXR和TGR5可以相互作用改善機體糖脂代謝，也可作為信號影響宿主不同的代謝過程，通過膽汁酸和腸道微生物群的相互作用改變代謝過程，對機體的葡萄糖穩態產生不同的效果［48］。

4 問題與展望

最近幾十年，高通量測序技術為腸道菌群的探索挖掘了新的可能性，使我們對T2DM與腸道菌群及其代謝物之間的關系有更深入的認識。T2DM患者腸道菌群種類和數量的改變造成腸道菌群失調和代謝物的變化，涉及腸道屏障完整性、腸道免疫、炎癥、氧化應激、糖脂代謝和腸道微生態平衡等。腸道菌群代謝物對T2DM的糖類代謝和相關并發癥有不同程度的調節作用，同時也可以影響腸道菌群，但代謝物影響T2DM的機制尚需進一步挖掘和驗證。研究腸道菌群的結構及其代謝產物對T2DM的影響有助于對T2DM進行早期干預，并對T2DM的微生態制劑的治療以及菌群移植相關治療提供進一步證據。但是，由于鑒定深度的不同和檢測手段的差異，當前測定的菌群豐度和基因豐度在數量和表現方式上均有差異，且目前鑒定的細菌種類局限，腸道菌群與T2DM之間的相關性也需要更多大規模前瞻性實驗進一步認識并深入探索相關機制。