腸黏膜屏障在1型糖尿病中的作用研究進展①

宋超杰 張小莉 陳換換 唐 聰 （河南中醫藥大學，鄭州 450046）

1型糖尿病（diabetes mellitus type 1，T1DM）是一種自身免疫性疾病，好發于兒童和青少年，其發病與遺傳和環境因素密切相關。全球糖尿病地圖（IDF Diabetes Atlas）第9版顯示，T1DM發病率呈逐年上升趨勢，2019年中國兒童和青少年（0～19歲）T1DM患者近5萬，位居世界第四［1］。因此，研究T1DM的發病機制、尋求防治T1DM的有效方法尤為重要。PEET等［2］研究表明，HLA（人類白細胞抗原）編碼位點是T1DM易感性最重要的位點，約70%T1DM患者攜帶HLA等位基因，各種HLA基因型可能影響新生兒微生物定植。近年腸道菌群失調被認為是引發T1DM的重要環境因素［3-4］。研究表明，腸道菌群失衡可引起腸道通透性增加，使條件致病菌及內毒素易位至胰腺淋巴結，進而引發T1DM［5-6］。調控腸道菌群、改善腸黏膜屏障可顯著改善 T1DM［7-10］。

1 腸黏膜屏障

腸黏膜屏障主要由免疫屏障、機械屏障、化學屏障、微生物屏障四部分組成，這些功能分別對應相應的結構基礎，任一方面損傷均可能導致細菌、內毒素移位，引發腸道炎癥。

1.1 腸黏膜免疫屏障 腸道是人體最大的免疫器官，約占外周免疫細胞的70%。腸黏膜免疫屏障包括腸相關淋巴組織（gut-associated lymphoid tissue，GALT）和彌散淋巴細胞。GALT主要指分布于腸道集合的淋巴小結，是免疫應答的誘導和活化部位。彌散淋巴細胞是腸黏膜免疫的效應部位。腸道免疫系統的效應部分包括樹突狀細胞（dendritic cell，DC）、M細胞、腸巨噬細胞、黏膜層淋巴細胞、腸上皮內淋巴細胞和分泌IgA的漿細胞，其中分泌性IgA是胃腸道和黏膜表面的主要免疫效應分子，對腸黏膜免疫起重要作用，是防御致病菌在腸黏膜黏附和定植的第一道防線。

1.2 腸黏膜機械屏障 腸黏膜機械屏障作為第一道屏障能防止腸道毒性物質進入全身循環，由腸上皮細胞、上皮細胞間緊密連接及覆蓋在上皮細胞表面的黏液層共同構成。腸上皮細胞由5種細胞組成：吸收細胞、產生黏液的杯狀細胞、分泌激素的腸內分泌細胞、呈遞抗原的潘氏細胞和M細胞。潘氏細胞位于腸道隱窩基底部，分泌抗生素，如防御素、cathelicidins抗菌肽（CAMP）。細胞間緊密連接主要由緊密連接蛋白組成，包括咬合蛋白（Occludin）、閉合蛋白（Claudin）、帶狀閉合蛋白（Zonula occludens，ZO）家族、連接黏附因子等。

1.3 腸黏膜化學屏障 腸黏膜化學屏障由胃腸道分泌的胃酸、膽汁、黏液、各種酶、黏多糖等組成。腸黏液與漿細胞分泌的IgA結合用于腸道細菌的免疫選擇，且抑制病原微生物定植于腸上皮［11-12］。脂肪酸合酶是一種由杯狀細胞分泌的調節黏蛋白2的合成酶，在保護腸上皮細胞中發揮重要作用。

1.4 腸黏膜微生物屏障 人體腸道內微生物種類有500～1 000種，數量為1×1013～1×1014個，以革蘭氏陰性菌為主的擬桿菌門和以革蘭氏陽性菌為主的厚壁菌門為優勢菌群［13］。腸道菌群按功能可分為3類：益生菌、致病菌和條件致病菌。正常菌群在人體腸道內黏附、定植和繁殖，形成一層“菌膜屏障”，抵抗并排斥病原菌定植、入侵，以維護機體內環境穩定。腸道菌群失衡可引發機體免疫失調、代謝紊亂及炎癥性疾病等。

2 腸黏膜屏障參與T1DM的可能作用機制

研究表明，腸道菌群失調，尤其是腸道中革蘭氏陰性菌增加，其細胞壁結構中的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）釋放產生大量內毒素，破壞腸道黏膜，導致腸壁滲漏，并可吸收入血，進一步刺激免疫細胞分泌炎癥因子，如 TNF-α、IL-17 等［14］。SOFI等［15］研究表明，T1DM患者血漿中LPS增多，其原因可能為T1DM患者腸道通透性增加，LPS通過受損的腸黏膜屏障入血。目前認為T1DM患者腸道免疫屏障、機械屏障、化學屏障、微生物屏障功能受損與腸道菌群失衡密切相關，但機制未明。

腸黏膜屏障完整性不僅對胃腸道健康發揮作用，且對其他組織器官的正常功能也至關重要［16］。研究發現，非肥胖糖尿病（nonobese diabetes，NOD）小鼠及鏈脲佐菌素（streptozocin,STZ）誘導的T1DM小鼠胰腺淋巴結中發現易位的腸道細菌，其可能作用機制為腸黏膜屏障功能受損促進細菌由腸道向胰腺淋巴結轉移［5-6］。此外，這些易位細菌激活胰腺淋巴結內的CD11b+髓細胞內的NLR家族成員核苷酸結合寡聚化結構域2（NOD2）受體，從而促進致病性T輔助細胞1（T helper type 1，Th1）和Th17分化，參與T1DM發病過程［6］。

3 T1DM患者及動物模型腸黏膜屏障改變

3.1 T1DM中腸黏膜免疫屏障改變 MIRANDA等［5］研究發現，4～6周齡NOD小鼠結腸IgA水平降低，腸黏膜屏障功能明顯缺陷。研究發現，缺乏TLR接頭分子髓樣分化因子88（MyD88-/-）的NOD小鼠在SPF級環境下可避免糖尿病發生［17］。MACPHERSON等［18］將MyD88-/-NOD小鼠腸道菌群移植給NOD小鼠，可觸發腸道調節性免疫應答，并增加IgA和TGF-β表達，改善腸黏膜屏障功能障礙，保護NOD小鼠避免T1DM發生。

3.2 T1DM中腸黏膜機械屏障改變 通過乳果糖-甘露糖滲透實驗測定腸道滲透性，BOSI 等［19］發現T1DM患者腸道滲透性均大于正常人群。動物模型及臨床試驗進一步得知，T1DM個體腸道中緊密連接蛋白ZO-1、Claudin、Occuludin等含量不同程度降低，腸絨毛長度、黏液厚度及隱窩深度也有不同程度降低［13，20］。MC GUCKIN 等［21］發現，T1DM 患者潘氏細胞數正常，但殺菌活性降低，表明T1DM與潘氏細胞活性降低有關，而非細胞數量變化。易患糖尿病生物繁殖型糖尿病（DP-BB）大鼠是一種自發T1DM模型，VISSER等［22］發現DP-BB大鼠結腸中Claudin-1、Claudin-2、Occludin水平降低，且腸道通透性升高。

3.3 T1DM中腸黏膜化學屏障改變 WEI等［23］研究表明，FAS水平降低與STZ誘導的T1DM小鼠黏液厚度減少及腸道炎癥有關。MIRANDA等［5］研究發現，與非肥胖糖尿病抗性（NOR）小鼠相比，NOD小鼠腸黏液分泌減少，分泌型IgA水平降低，這些腸道改變多發生于T1DM前。

3.4 T1DM中腸黏膜微生物屏障改變 大量研究表明，T1DM 患者和動物模型存在腸道菌群失調，主要表現在結構和功能上，如菌群多樣性下降、擬桿菌門/厚壁菌門比升高、乳桿菌屬和雙歧桿菌屬數減少、產丁酸鹽的細菌如Roseburia faecis和Faecalibacterium prausnitzii顯著減少等［10，24-25］。表1 總結了涉及T1DM患者及動物模型腸道菌群變化的研究。

表1 T1DM患者及動物模型腸道菌群變化Tab.1 Changes of intestinal flora in T1DM patients and animal model

4 保護腸黏膜屏障改善T1DM

4.1 孕期治療改善后代腸道菌 NEEDELL等［7］在孕前T1DM大鼠飲用水中加入SCFAs（甲酸、丙酸、丁酸）補充劑，發現子代大鼠腸道菌群中雙歧桿菌、梭狀芽胞桿菌豐度降低，推測SCFAs通過調節腸道菌群減輕胰島炎癥、降低T1DM發生率。相反，從斷奶開始服用SCFAs飲水的大鼠不能避免T1DM發生。孕期和哺乳期給予雌性NOD小鼠無麩質飲食，可明顯降低其后代T1DM發病率，后代腸道菌群豐度提高，尤其是Akkermansia菌和Proteobacteria菌，此外，與普通飲食小鼠相比，無麩質飲食小鼠后代腸道Treg細胞增加，而胰腺CD11b+DC減少［35］。表明孕前或哺乳期給予T1DM孕鼠特殊飲食可通過改變子代腸道菌群組成減少T1DM發生。

4.2 菌群移植改善T1DM 糞便微生物菌群移植（fecal microbiota transplantation，FMT）是T1DM的有效治療方法，已用于多種疾病防治，如克羅恩病、2型糖尿病、潰瘍性結腸炎［3，36-37］。將MyD88缺陷型NOD小鼠糞便菌群移植給野生型NOD小鼠可減輕胰島炎癥，延緩T1DM發展［34］。乳酸桿菌和梭菌為腸道益生菌，其數量增加可降低T1DM發病率。向NOD小鼠移植Akkermansia muciniphila可延緩T1DM發展，腸黏液和Treg細胞數增加，血清細菌內毒素水平和胰島TLR表達降低［38］。VALLADARES 等［39］從抗糖尿病大鼠腸道中分離出約翰遜氏乳桿菌N6.2移植給DP-BB大鼠，可減輕T1DM。

4.3 補充益生菌改善T1DM 益生菌是一種活的微生物，以單獨或多種形式應用時可維持宿主健康，對腸黏膜屏障完整性具有調節作用，通過多種機制發揮作用，包括抑制病原菌生長、促進黏液產生、改善腸道上皮完整性、調節菌群紊亂和免疫系統等。

益生菌通過改善胰島整體功能和腸道-胰腺免疫調節調控T1DM發生發展。2004年至2014年，對美國和歐洲8 676例有T1DM遺傳風險的嬰兒進行前瞻性研究發現，嬰兒出生27 d開始通過飲食補充劑和/或強化嬰兒配方食品服用益生菌，其胰島自身免疫風險降低，原因可能為益生菌可重塑腸道菌群影響對環境暴露的免疫應答，降低T1DM發病率［40］。每天補充酪酸梭狀芽孢桿菌CGMCC0313.1可延緩T1DM發作，與腸道中Treg細胞向胰腺遷移及腸道、胰腺淋巴結、胰腺中Th1、Th2和Th17水平降低有關［41］。GROELE等［42］給予T1DM患兒鼠李糖乳桿菌GG和乳酸雙歧桿菌Bb12組成的混合益生菌，可恢復其腸道菌群失衡，調節免疫細胞并維持胰島細胞數量和增殖，進而改善T1DM。表明益生菌在控制T1DM方面作用較好。

4.4 補充SCFAs改善T1DM 腸道菌群與胰腺的相互作用也通過菌群代謝產物SCFAs發揮作用［43］。特殊飼料喂養的NOD小鼠可產生大量SCFAs，避免NOD小鼠發生T1DM［44］。與對照組兒童相比，胰島自身免疫病和T1DM患兒SCFAs細菌豐度降低［45］。研究發現，由胰島β細胞特異性表達的CAMP與T1DM 密切相關，并受 SCFAs影響［46-47］。丁酸鹽（SCFAs的一種）干預的NOD小鼠可通過重塑腸道菌群改善T1DM［48］。且丁酸鹽干預8 d后，NOD小鼠胰腺淋巴結及脾臟中Treg細胞數增加，胰腺CAMP表達升高，說明腸道菌群及其代謝產物與胰島在糖尿病治療中具有重要作用［49］。十二指腸淋巴結與胰腺淋巴結存在淋巴連接，有學者認為其是內分泌與外周腸源性相交的通道，由于胰腺淋巴結能排出乳糜微粒吸收腸道抗原，因此腸道菌群改變及腸屏障功能障礙均可能引發T1DM［50］。

5 展望

T1DM是一種胰島β細胞被定向破壞導致胰島素分泌不足的自身免疫性慢性疾病。腸道菌群作為環境因素更多地參與T1DM發病過程。最近研究發現，腸屏障功能紊亂與T1DM患者自身免疫功能增強有關。腸道菌群失衡與T1DM密切相關，表現為腸道菌群豐度及多樣性變化，腸道免疫系統過度活化和腸道上皮通透性改變，腸腔內抗原、微生物易位至其他組織器官，包括胰腺和胰腺淋巴結。但菌群失衡、腸黏膜屏障受損可能導致T1DM發病的機制尚不清楚。

調節腸道菌群是改善T1DM的新方法，致力于改善腸道菌群豐度和多樣性的方法仍處于不斷探索中。嬰兒在早期生活中增加益生菌攝入、將健康供體腸道微生物群移植給有T1DM傾向的個體、給予益生菌或修復缺失的細菌是很有前途的T1DM治療方法。但這些治療方法面臨許多挑戰，包括在菌群移植過程中某些疾病傳播的可能性，在準備過程中益生菌與其他菌污染的可能性。需要繼續研究腸道菌群在胰島自身免疫性疾病發展中的作用，以期提供更好的T1DM防治新方法。