腸道微生物與2型糖尿病免疫相關性的研究進展

李金燕，楊帆

（1.桂林醫學院，廣西 桂林 541000；2.桂林醫學院附屬醫院，廣西 桂林 541000）

糖尿病主要包括2 型糖尿病、1 型糖尿病、妊娠糖尿病及其他特殊類型糖尿病，其中1 型糖尿病主要與自身免疫相關，2 型糖尿病與免疫之間也可能有密切關系。隨著研究的深入，發現包括糖尿病在內的多種代謝性疾病與免疫之間均有緊密關系，并逐漸衍生出免疫代謝這一概念。有研究顯示，腸道微生物的基因總量與人體自身基因數量比值約為9∶1，且腸道微生物被證實與多系統疾病緊密相關，如糖尿病、高血壓、冠心病、帕金森、腸道炎性疾病、多囊卵巢綜合征等[1]。隨著飲食習慣、生活方式的改變，肥胖人群數量逐年上升，糖尿病的危險因素增加，導致糖尿病患者數量增加，2017 年我國糖尿病人群約占全球糖尿病人群的1/4，達1.14億人。據最新健康中國行動數據估計，截至2019年，我國糖尿病人群總數量達1.5 億人，并呈不斷上升趨勢[2]。迫切需要探究影響及治療糖尿病的新途徑，因此，探討腸道菌群與糖尿病之間的免疫關系，可能為糖尿病免疫治療的發展提供新思路。

1 2型糖尿病的發病機制

2型糖尿病的發病機制始終是內分泌研究領域的熱點，不少學者致力于從分子水平上研究糖尿病的發病機制，并不斷取得新進展。目前，研究發現2型糖尿病的發病機制主要與遺傳易感性、生活方式、腸道菌群、肥胖、化學物質影響等多種因素密切相關。全基因組分析被作為2 型糖尿遺傳學研究的主要分析標準工具，早在2017年就已發現，其與人體中32個基因密切相關，并分布于15條常染色體中，體現糖尿病基因水平上的復雜多樣與普遍[3]。雖然越來越多遺傳易感基因被不斷發現，但目前已知大多數遺傳易感基因與糖尿病發病之間的相關性，呈低中度水平。飲食結構多樣化及生活方式的調整，高脂高糖飲食，使肥胖人群數量不斷增長，除遺傳基因易感性的作用外，肥胖本身可導致胰島素抵抗，引起血糖升高。

近年來研究腸道菌群與糖尿病之間的相關性及探討其中的機制成為持續不衰的熱點，糖尿病患者的腸道菌群發生變化已被證實[4]。在2013 年至2017 年4 年間發表的文章占過去40年有關腸道菌群出版物的4/5，充分肯定這一領域的重要性。目前，認為腸道細菌可能通過產生各種代謝產物，影響不同菌群的種類、數量、比例，造成機體內毒素血癥、長期慢性低度炎癥反應，破壞腸上皮壁屏障的完整性及影響自身免疫平衡等，參與糖尿病的發病機制[5]。

2 腸道菌群及其代謝產物對機體免疫的作用

2.1 腸道菌群對機體免疫平衡的作用 胃腸道作為直接連接外界與內環境的渠道，有數量極其龐大的微生物群，而機體在這種內外協調中始終保持穩態，最主要由于胃腸道菌群與機體之間的能量協調、信息交流、反饋。腸道菌群在宿主能量攝入、信息交流反饋、炎癥反應、免疫調控中均發揮重要作用。當新生兒從母親陰道分娩到首次接觸乳房開始，被認為是腸道菌群開始建立的標志，長大至2～3歲時，腸道微生物的數量及種類基本接近成人[6]。成人腸道菌群約包括100～150個不同種屬的細菌，厚壁菌門、擬桿菌門這兩種有益細菌占據重量級地位，約占總數的90%[7]。腸道微生物能長期維持與胃腸道之間的免疫平衡，與腸道微生物作用密不可分。美國布朗大學通過研究發現，小鼠腸道中微生物具有識別對人體有益及有害的細菌，并反饋性調節宿主免疫系統，使對宿主有益的菌群更好存活。進一步探索機制，被認為是腸道中存在的某些細菌，具有平衡視黃酸水平的作用，繼而避免宿主免疫過度激活。現發現厚壁菌門中重要的梭狀芽胞桿菌屬細菌具有促使維生素A轉化為視黃酸的作用，并可能通過調節某些蛋白質水平實現[8]。德國基爾大學的研究團隊揭露腸道免疫穩定性的維持必須在宿主免疫系統和微生物之間共同協調和維持。其中，在宿主與微生物免疫平衡中，調節性T細胞在相互免疫調節過程中起關鍵的作用[9]。腸道微生物與腸道免疫之間的穩態一旦破壞，可引起肥胖、糖尿病、腸道炎性疾病、肝代謝異常、腫瘤、抑郁等多種重要疾病。

2.2 腸道菌群的代謝產物對宿主免疫的作用 通過基因測序分析顯示，腸道微生態系統囊括990 萬基因，總重量接近1.5～2 kg[10]。腸道菌群數量龐大、種類繁多，腸道微生物的代謝產物對宿主營養物質吸收、能量攝入具有關鍵的作用，當腸道菌群紊亂時，達到一定程度，即可形成慢性低度炎癥反應，通過多種代謝產物，影響機體免疫系統。在一定條件下，腸道菌群發生移位，原有菌群總數及比例發生改變，在此失衡環境下，腸道革蘭氏陰性菌所占比例增加形成細菌的裂解，體內脂多糖（LPS）產生及釋放增加，當腸道黏膜通透性增加時，LPS 即可通過腫脹的黏膜屏障入血，可通過不同途徑作用于脂肪及巨噬細胞，釋放多種炎癥因子，造成機體慢性低度炎癥反應，引起胰島素抵抗。原有研究反復強調腸道革蘭氏陰性菌LPS 的免疫激活作用，但有新研究顯示，不同細菌LPS 結構不同，可能起相反的作用。大腸桿菌LPS 為腸道革蘭陰性菌中常見的LPS 可引起機體免疫激活，但擬桿菌LPS 不會激活機體免疫，并且可抑制其他細菌LPS 引起宿主免疫反應，增加機體內毒素耐受[11]。當LPS 入血后，CD14 介導LPS 識別固有免疫的 TOLL 樣受體（TLR-4），并形成LPS 與CD14/TLR-4 蛋白復合物，可通過MyD88 依賴途徑，轉錄因子NF-KB可被激活并結合細胞核內DNA，導致各種炎癥因子，如TNF-a、IL-12 和IL-6 的釋放[12]，造成機體低級別炎癥反應，在炎癥環境中，胰島素靶組織如肝臟、骨骼肌細胞、脂肪細胞對胰島素敏感性下降，引起胰島素抵抗。腸道中多種短鏈脂肪酸（SCFAs），主要由乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽等組成。短鏈脂肪酸可通過免疫系統介導其抗炎特性，并被認為是腸道細菌與機體免疫之間重要的通信介質。當腸道細菌產短鏈脂肪酸下降時，腸道黏膜通透性增加，腸道細菌可通過通透性增加的腸黏膜進入血液，引起炎癥反應[13]。通過比較2型糖尿病人群與正常人群中糞便菌群的變化，發現2型糖尿病中產丁酸鹽的細菌數量下降，繼而推測，維持穩定量的產丁酸菌可能對人體有益，可減少2型糖尿病的發生。其中丁酸鹽介導的2型糖尿病與機體免疫之間的研究引起廣泛注意，因為丁酸鹽可通過多途徑影響機體免疫系統。丁酸鹽產生的信號可被游離脂肪酸受體（FFAR）識別并傳遞給腸道免疫細胞，通過多蛋白炎性復合物介導腸道免疫反應，它可以有效維持抗炎和促炎之間的炎癥狀態平衡[14]。此類脂肪酸受體屬于G蛋白偶聯受體。Zhang等[15]通過在ad/db小鼠中補充丁酸鹽，發現丁酸鹽可明顯增加G 蛋白偶聯受體43（GPR43）水平，同時細胞膜上的葡萄糖協同轉運蛋白（SGLT1）及葡萄糖轉運蛋白2（GLUT2）水平上調。并發現糖原合酶激酶3（GSK3）被激活，而細胞內信號傳導蛋白激酶B（PKB）活性受抑制。表示丁酸鹽促進肝內糖原代謝，可能通過GPR43-AKT-GSK3 信號通路實現。在建立T2DM 小鼠模型后，持續每天腹腔內注射丁酸鈉（500 mg/kg）6周，發現糖尿病小鼠血糖下降，進一步研究發現，丁酸鹽可通過降低內質網磷酸化的Ⅰ型跨膜ER駐留蛋白激酶（p-PERK）水平來激活CCAAT/增強子結合蛋白同源蛋白（CHOP）和磷酸化的真核起始因子2α（p-eIF2α）以及轉錄因子（ATF4）等相關因子的表達，延緩2型糖尿病的發展[16]。2018 年，Ara Koh 研究團隊發現，丙酸咪唑在肥胖的T2DM 患者門靜脈血漿中有更高的代謝水平。通過進一步研究發現，早期2型糖尿病患者體內丙酸咪唑的代謝水平明顯高于糖耐量正常的人群。通過動物和體外實驗模型，認為丙酸咪唑可通過激活p38-p62-mTORC1 通路抑制mTORC1 復合物的形成，并能抑制胰島素受體信號影響胰島素受體底物蛋白的形成[17]。

3 機體對腸道菌群及其代謝產物的免疫應答

腸道微生物組成龐大而復雜的生態系統寄存于宿主腸道中，而機體免疫系統作為抵御病原體的至關重要的防線，勢必會產生相互應答。其中包括經典免疫應答及細胞免疫應答。先天免疫系統可以通過上皮細胞和腸吞噬細胞的表面表達蛋白toll 樣受體5（TLR5），在感知鞭毛蛋白時，TLR5可激活抗微生物肽的產生和趨化因子的分泌，繼而趨化嗜中性粒細胞。也可通過腸道免疫感知鞭毛蛋白后，引起細胞內蛋白質NOD 樣受體4 激活了炎性復合物，導致細胞死亡。同時細菌鞭毛蛋白也是急性感染和慢性炎癥性疾病中T 細胞抗原和體液免疫細胞靶標。腸道抗IgA，能一定程度上抑制鞭毛細菌的總量，使其維持在低水平狀態[18-20]。先天免疫還可以刺激腸道產生速激肽（一種在胰島素信號傳導中起重要作用的胰島素樣蛋白）。Watnick 的實驗團隊發現，當醋酸用于無菌果蠅時，先天免疫途徑激活，速激肽產生；當產乙酸菌在腸道產乙酸時，宿主免疫主動識別，先天性免疫激活，促使速激肽水平上調，維持血糖、血脂穩定[21]。美國芝加哥大學科學家在《Immunity》期刊上指出，機體的免疫系統對健康菌群具有保護作用，可一定程度上增強對有害菌株的響應能力。作為腸道中常見的有益菌種，脆弱擬桿菌（bacteroidesbacteroides fragilis，B.fragilis），在共生殖菌因子（ccfABCDE，CCF）調節下包裹在多糖制成的厚莢膜B.fragilis 中，它可以有效地避免宿主免疫攻擊，使脆弱擬桿菌能在黏膜上定植及維持單一菌株的穩定。但即使能較大程度的避免免疫的攻擊作用，機體也確實產生針對B.fragilis莢膜結合的IgA抗體。抗體IgA與腸道中存在的被認為是對人體有益的大部分細菌能和平共處，甚至還可以幫助B.fragilis緊密粘附于腸道上皮。但如小鼠缺乏IgA，B.fragilis 將很難定植于腸道表面并保持持續穩定。體現腸道IgA 對腸道中有益菌群的定植是非常有必要的[22]。多種有益菌落在腸道中定植，維持腸道菌落穩態，可能減少2 型糖尿病的發生。機體產生的干擾素-γ（IFNγ）對某些病原體入侵及感染性疾病的發生具有積極影響，但高水平的干擾素-γ，能下調葡萄糖代謝能力。Greer RL等[23]研究人員發現，人體在腸道微生物Akkermansia muciniphila作用下上調IFNγ，當IFNγ 增長時，可影響機體葡萄糖代謝能力，具體機制待進一步明確。T 淋巴細胞作為重要的腸免疫調節細胞（IIC），是腸道菌群與糖尿病溝通的重要橋梁細胞。T淋巴細胞不僅具有調節自身免疫的作用，還能保護胰島細胞，調節糖脂代謝及改善胰島素抵抗，但并非所有的T 淋巴細胞亞群均具有改善胰島素抵抗的作用，關鍵取決于亞群之間的分化及分化間比例[24]。腸道菌群及代謝與機體免疫之間相互影響通路多，作用機制復雜，有待更多研究證實。

4 腸道菌群的研究應用

隨機選取2 型糖尿病人群，均服用益生菌一段時間，通過終點時糞便標本分析，發現腸道有益菌群數量較前增加，且條件致病菌比例下降，胰島素抵抗得到一定程度改善[25]。不僅口服益生菌可增加胰島素敏感性，改善糖尿病，通過調節飲食結構、多種運動方式、補充益生元和糞便微生物移植等方式調整腸道微生物群結構可能有助于保護腸道黏膜屏障、降低腸道炎癥反應及調節腸道免疫，改善葡萄糖代謝和胰島素抵抗。多項研究發現，經典口服降糖藥物阿卡波糖及二甲雙胍可能通過腸道吸收影響菌群，改善胰島素抵抗，下調血糖水平[26-27]。腸道菌群作為腸道中數量龐大的定居者，影響腸道環境，對很多重要疾病的發生及藥物治療效果具有重要作用。通過干預腸道菌群的數量及構成，影響抗腫瘤藥物、自身免疫性疾病、消化道炎性疾病等療效的報道也不斷增加[28-30]。

5 討論

腸道菌群與2型糖尿病免疫之間的密切關聯已被廣泛研究并得到認可，通過調節腸道菌群以防治糖尿病的相關機制也被深入探討，糖尿病患者與健康受試人群之間的糞便菌群存在一定的差異。腸道菌種繁多，很多腸道微生物具體生物學作用尚不明確，數據龐大的無基因組數據可能導致不同的結論，實際上飲食習慣、藥物使用、大便頻率的改變、合并其他免疫性疾病或合并胃腸道本身疾病均可影響腸道微生物的組成。同種菌群在腸道的不同部位是否扮演相同的角色，甚至起相反的作用，目前尚不清楚。因此，不能單純關注菌群的數量及比例決定某種菌群的好與壞。須明白腸道除細菌外也存在其他重要微生物，如病毒、寄生蟲、噬菌體、真菌等，這些因素均應被綜合考慮。相信未來在大量研究學者的不斷深入研究下，必將逐步明確其機制，造福人類。