腸道菌群與代謝性疾病的研究進展

歐陽曉俊

南京醫科大學附屬老年醫院(江蘇省老年病醫院)老年醫學科,南京 210024

在過去十余年里，關于腸道菌群與代謝性疾病取得了大量研究進展。個體腸道微生態系統的建立開始于出生之時，其構成是飲食、種族、遺傳、藥物等復雜因素的相互作用，特別是宿主的一些代謝紊亂被認為與炎癥相關腸道菌群構成有關，進一步顯示腸道微生態對宿主代謝性疾病的重要作用。

1 腸道菌群與能量穩態

腸道菌群對于機體能量獲取十分重要。腸道微生物酵解能力只要提高1%即可在每日8 368 kJ基礎能量上額外提供83.68 kJ能量，導致每年體質量增加1 kg[1]。第一個兩者因果聯系證據來自2004年。即使多攝入了29%熱量，無菌小鼠仍比常規小鼠脂肪組織減少40%[2]。在沒有改變進食量情況下，將常規小鼠糞便菌群移植到無菌小鼠，無菌小鼠體脂增加了57%，并伴有肝臟三酰甘油水平增加和胰島素抵抗加重[3]。腸道菌群在保持健康能量穩態中發揮重要作用，大量研究探索了其可能機制：(1)腸道菌群可以增加小腸絨毛毛細血管密度，促進腸上皮的發育，從而影響胃腸道生理和動力，促進飲食熱量攝取。(2)腸道菌群可以在遠端腸道將食物中多糖酵解為短鏈脂肪酸(SCFAs)，被結腸細胞和宿主利用。SCFAs是宿主能量來源，與減少炎癥，提高飽腹感，正性代謝作用相關。SCFAs可以作為配體直接激活G蛋白耦合受體(如GPR41和GPR43)，刺激胃腸激素如胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)、瘦素、肽YY(PYY)等釋放，改變腸道動力，促進營養吸收。丙酸和丁酸還可以通過誘導腸道糖異生和交感神經活動來改善葡萄糖和能量穩態。少量丙酸，丁酸和大量乙酸進入循環，也可直接影響外周脂肪組織，肝臟，肌肉的代謝和功能。循環中的乙酸可能被大腦吸收，并通過中樞自我調節機制調節飽腹感。(3)腸道菌群可以影響不同代謝器官尤其是腸道、肝臟和肌肉過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARs)活性[4]。PPARs是配體激活型轉錄因子，屬于核受體超家族，可以作為脂肪酸感受器調節多種糖脂和能量代謝過程[5]。(4)腸道菌群可以下調腸道表達禁食誘導脂肪因子(FIAF)，抑制脂肪組織中的脂蛋白脂肪酶。FIAF激活脂蛋白的分解，將三酰甘油轉化為游離脂肪酸被肌肉和脂肪組織利用。抑制FIAF可促進三酰甘油在脂肪細胞的儲存[2]。(5)腸道菌群可以抑制腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)釋放，導致線粒體脂肪酸氧化的下調，酮體產生，葡萄糖攝取，胰島素分泌和脂肪合成以及膽固醇和三酰甘油增加[6]。(6)腸道菌群也是調節膽汁酸合成重要的代謝因子。Parseus等[7]認為腸道菌群通過調節膽汁酸受體影響膽酸合成和肝臟三酰甘油聚集，促進高脂誘導肥胖。次級膽汁酸是G蛋白偶聯受體TGR5的激動劑。TGR5在肝臟Kupffer細胞，免疫細胞，棕色脂肪組織和腸內分泌細胞中表達。活化TGR5刺激小腸L細胞分泌GLP-1，促進棕色脂肪組織的產熱從而增加能量消耗減少飲食引起的肥胖[8]。(7)腸道菌群可以通過將膽堿轉化為三甲胺，調節膽堿的生物利用度并間接影響三酰甘油在肝臟的儲存。膽堿是合成細胞膜和線粒體膜主要成分磷脂酰膽堿的必需營養素，也是極低密度脂蛋白(VLDL)的主要成分。缺乏VLDL轉運三酰甘油到肝細胞，是肝臟發生脂肪變性的中心機制。(8)腸道菌群可以產生影響宿主的代謝分子，如脂多糖(LPS)，是革蘭陰性細菌膜的主要成分，LPS水平升高增加2型糖尿病風險并激活固有免疫系統，通過促進炎性反應加重胰島素抵抗。也有研究認為腸源性LPS可以提高脂肪組織巨噬細胞募集，促進炎性反應，但是并沒有影響葡萄糖代謝[9]。

2 腸道菌群與肥胖

肥胖是由于能量攝取提高和消耗減少。人類研究和動物模型均發現肥胖存在腸道微生態改變，通常為菌群種類減少或者比例失調。Tomas報道小鼠高脂飲食后厚壁菌(Firmicutes)、蛋白菌(Proteobacteria)提高，疣微菌(Verrucomicrobia)和擬桿菌(Bacteroidetes)降低[10]。比較瘦小鼠和肥胖小鼠腸道細菌構成顯示擬桿菌和厚壁菌的豐度不同，且厚壁菌和擬桿菌的比率與飲食誘導肥胖表型呈正相關。這些菌群變化在恢復正常飲食后可以完全逆轉，說明飲食是肥胖腸道菌群變化的主要促成因素。Ridaura等[11]探索了腸道菌群與肥胖間的因果關系，從肥胖存在差異的同胞胎小鼠分別移植腸菌給無菌小鼠，被移植肥胖腸菌的小鼠體質量和脂肪量增加明顯超過被移植瘦腸菌小鼠。另外，將肥胖小鼠與瘦小鼠共同居住，比與肥胖小鼠共居體質量增加較少，且腸道菌群構成轉向瘦小鼠狀態。肥胖小鼠與瘦小鼠共居時擬桿菌增加，支鏈氨基酸分解代謝的蛋白表達增加，產生SCFAs 增多。這些結果表明，小鼠腸道微生態系統主要受飲食影響，部分受居住環境影響。

人類研究也表明肥胖者腸道微生態系統發生了改變。Thingholm等[12]報道德國人群代謝隊列，肥胖與腸道菌群改變，以及腸道微生物模式相應的血清代謝產物水平變化相關。Turnbaugh等[3]觀察到肥胖和瘦者遠端腸道的微生物菌群存在差異，和瘦個體相比，肥胖者厚壁菌水平提高，擬桿菌減少。限制飲食體質量下降后，擬桿菌數量相對增加。有研究認為肥胖擬桿菌與厚壁菌比率下降導致更有效水解多糖，從食物中獲取更多脂肪[13]。然而，也有研究沒有發現肥胖伴有擬桿菌與厚壁菌比例減少[14]。

3 腸道菌群與2型糖尿病

2型糖尿病產生丁酸細菌量減少，乳酸桿菌量提高[15-16]。應用胃腸宏基因組模型能預測2型糖尿病相關表型[16]，提示腸道菌群可能成為預測2型糖尿病新的生物標志。Karlsson等[16]研究發現T2DM 患者糖化血紅蛋白和血糖水平與乳酸菌豐度呈正相關，與梭菌豐度呈負相關。許娟等比較糖尿病小鼠菌群結構及多樣性與正常小鼠菌群存在差異，移植糖尿病小鼠菌群的無菌小鼠腎臟病理結構出現異常，且尿微量白蛋白水平升高[17]。

細菌與2型糖尿病相關性可能存在種族差異。阿克曼氏菌具有降解黏蛋白特性，在一個中國2型糖尿病[15]患者隊列中發現該菌很豐富。但是這一發現在歐洲隊列中沒有得到證實[16]。相反，在歐洲人群中，肥胖者較少出現嚴重代謝綜合征伴有阿克曼氏菌水平升高[18]。飲食中補充阿克曼氏菌導致肥胖小鼠循環中LPS水平減少，脂質氧化提高[19]，與改善糖耐量和減少炎癥有關[20]。中國2型糖尿病患者主要產丁酸菌及其產丁酸功能顯著低于健康人群，而條件致病性的腸桿菌產LPS、硫化氫促炎功能及支鏈氨基酸轉運功能的水平則顯著高于健康人群。這些變化可能與糖尿病患者的腸黏膜屏障受損及腸道炎癥水平增加有關[15]。

4 腸道菌群與非酒精性脂肪肝(NAFLD)

腸道菌群促進營養分子吸收到門靜脈和全身循環，并與免疫系統相互作用。因此，可以通過調節免疫細胞和代謝產物影響宿主甚至較遠的靶器官[21]。腸道菌群對NAFLD作用包括調控能量平衡，保持胃腸道通透性，控制炎癥，調節膽堿和膽酸代謝，提高內源性乙醇產生[22-23]。

Yuan等[24]報道中國人隊列中高產乙醇肺炎克雷伯菌(HiAlcKpn)與五分之三NAFLD患者有關。將臨床分離的NAFLD患者HiAlcKpn通過灌胃移植到小鼠，誘導了小鼠NAFLD發生。糞菌移植(FMT)治療有效地糾正了高脂飲食(HFD)誘導的腸道菌群紊亂，有益細菌克里斯滕森菌科(Christensenellaceae)和乳酸桿菌豐度提高。FMT后肝內脂質積累明顯減少，肝內促炎細胞因子和非酒精性脂肪性肝病活動度評分(NAS)下降[25]。

5 腸道菌群影響因素與代謝病關系

許多研究表明早期腸道菌群變化對于宿主代謝有長期作用。出生后第一年的生活對個體腸道微生物組成有關鍵影響。出生6個月嬰兒使用抗生素提高了7歲時超重風險[26]。另一項研究發現，超重青少年對飲食和運動減肥計劃的反應依賴于治療前初始微生物群。類似的，小鼠斷奶前使用抗生素導致肥胖和成年后代謝性疾病[27]。

飲食影響腸道菌群。動物和人類研究均表明24 h內急性飲食改變引起腸道菌群明顯變化[28]。無菌小鼠對飲食誘導肥胖的抵抗依賴于飲食中宏量營養素結構，進食無蔗糖的高脂飲食可以導致其肥胖發生[29]。飲食脂肪來源也很重要，常規小鼠喂養含豬油高脂飲食導致肥胖，如果轉為富含多不飽和脂肪酸的魚油則不出現肥胖[30]。Turnbaugh研究團隊還證明不管何種基因型小鼠，給予高脂肪高糖飲食均影響了菌群結構，這表明飲食對腸道菌群的影響甚至可以凌駕于宿主遺傳學之上[31]。近來報道表明肥胖者和瘦者對食物能量應答存在差異[32]。這些發現可以幫助理解腸道菌群和飲食之間的相互作用，說明一方面代謝紊亂腸道菌群發生改變，影響了食物能量吸收，另一方面飲食也改變了腸道菌群可能導致代謝病發生。

減重手術引起了微生物群顯著改變。17名肥胖T2DM接受了非外科十二指腸空腸造口吻合術，體質量和糖化血紅蛋白均改善，同時伴有小腸糞菌數量的改變[33]。代謝手術減少了產生丁酸細菌的豐度，提高蛋白質細菌豐度[34]，表明了旁路手術后一些有益的代謝效應可能通過改變腸道菌群介導。

抗生素的使用對腸道微生物的普遍影響也越來越受關注。廣譜抗生素可以顯著降低糖尿病小鼠的空腹血糖水平以及腸道菌群多樣性[35]。萬古霉素治療降低了代謝綜合征患者產丁酸細菌的豐度，降低了胰島素敏感性[36]。一些藥物可能通過影響腸道菌群發揮作用，反過來腸道菌群也可能影響患者對于藥物的反應。健康人或T2DM者服用二甲雙胍前后的腸道菌群變化的顯著特征一致[37]。具備擬桿菌型的患者服用阿卡波糖后胰島素抵抗顯著改善，但是普氏菌型的患者則未見明顯效果。擬桿菌型的降糖外獲益也要比普氏型的患者明顯[38]。一些中藥對腸道菌群的影響也越來越得到關注。鹽酸小檗堿治療降低了T2DM患者厚壁菌，提高了乳酸桿菌和擬桿菌[39]。

目前，不同腸道共生菌特征對藥物療效的不同反應機制尚未明確，將是靶向腸道的代謝病治療亟待解決的新問題，同時也給代謝病的精準治療帶來新的方向。

24 h晝夜生物節律幾乎參與所有生命形式的代謝穩態調節，如喂養與禁食，活動與睡眠等，并協調多個組織的生理反應，以最大限度地提高代謝適應。現代人類行為與我們祖先所適應的晝夜自然規律越來越脫節，比如時差和倒夜班工作，均提高代謝紊亂的發生。腸道菌群幫助腸道和外周器官建立合適水平的生物鐘基因表達。抗生素治療、HFD改變了生物鐘基因表達。抗生素治療的小鼠表現出代謝異常，包括體質量增加、肥胖增加和血糖升高，這些與觀察到的生物鐘改變相對應[40]。

總之，飲食、宿主基因、代謝狀態等都是腸道菌群結構的驅動因素，這些因素之間的相互作用可能是個體腸道微生態學的主要決定因素。

6 針對腸道菌群治療代謝性疾病

在代謝性疾病中應用益生菌和益生元調節腸道菌群和改善宿主代謝已經被廣泛研究。某些細菌種類，如雙歧桿菌已經證明能改善葡萄糖穩態[41]，減少體質量增加和脂肪量，恢復葡萄糖介導的高脂飲食小鼠胰島素分泌。羅伊乳桿菌促進肥胖伴糖耐量異常患者胰高血糖素釋放提高胰島素分泌[42]。Goodrich等[43]證實克里斯滕森菌科家族成員，可能有益生菌作用，預防肥胖。FMT是重塑腸道微生態系統的有效途徑。盡管手術操作需要不斷改進，所涉及的機制也需要進一步的探索，FMT在代謝性疾病仍然具有較廣的治療前景。

益生元是通過選擇性刺激細菌生長和(或)激活一種或有限數量的結腸細菌影響宿主的有益食物成分。益生元由低聚糖或者短鏈多糖組成，通常存在普通食品，如蔬菜和全麥谷物，也可添加在酸奶中。包括果糖-低聚糖(FOS)，菊粉(長鏈果糖-低聚糖)，半乳糖-低聚糖(GOS)等，由腸道微生物轉化為SCFAs并同時選擇性刺激結腸細菌增殖。益生元刺激雙歧桿菌生長可以提高葡萄糖耐量，改善胰島素分泌，降低肝臟、腎臟和血脂水平，緩解炎癥狀態[44]。聯合聚葡萄糖和乳酸雙歧桿菌B420治療降低了高脂喂養小鼠紫單胞菌豐度。這種膳食補充劑能抑制小腸輔助T細胞17(Th17)細胞浸潤，預防代謝炎癥與2型糖尿病[45]。然而，也有許多研究表明益生元干預僅僅輕度改善甚至沒有改變代謝紊亂。益生元可以改善健康人胰島素敏感性，但是在一項女性肥胖治療中沒有明顯效果[46]，這可能是由于與小鼠相比人類益生元使用劑量相對較低，也說明益生元對機體代謝改善效應存在個體差異，需要采取個體化治療方案。

益生元和益生菌在代謝性疾病和相關病理中的作用需要進一步的探索。尤其是關于益生菌和益生元治療合適劑量和適用人群研究十分有價值，可以幫助我們理解針對腸道菌群干預應答的差異，以及基因、環境、腸道菌群等因素對治療的影響。

7 小結

大量研究探索了腸道菌群對于代謝性疾病的影響，然而，這些研究中大多是橫斷面研究或僅證實微生物調節和特定疾病關聯性。要明確腸道菌群是否與代謝性疾病存在因果聯系，需要進一步前瞻性研究并證實其潛在的分子機制。鑒于基因和人類微生物多樣性和復雜的微生物-飲食間相互作用，需要個體化的治療策略。總之，腸道菌群在代謝性疾病中有巨大的治療潛力和重要作用。未來有望通過腸道菌群對人群代謝性疾病風險預測分層，并根據個人飲食生活習慣、微生態環境以及體質狀況采取個性化的精準干預手段。