益生菌干預II型糖尿病的作用及潛在機制研究進展

吳 濤，張永莉，李宗琪，田慧穎，張國華

（1.天津科技大學食品營養與安全國家重點實驗室/食品生物技術教育部工程研究中心，天津 300457；2.山西大學 生命科學學院，山西 太原 030006）

Ⅱ型糖尿病（TypeⅡdiabetes mellitus，T2DM）是一種主要受遺傳和環境因素影響的慢性代謝疾病，它的主要特征是機體發生胰島素抵抗和胰島素生成不足[1]。目前，據估計2019年全球約有4.63億人患有糖尿病，如果不采取有效的管控和治療措施，預計到2030年將有5.78億人患有糖尿病，并且這個數字還將持續增加[2]。而其中的Ⅱ型糖尿病約占糖尿病總數的90%，現已經成為全球性的重大危機[3-4]?，F在針對Ⅱ型糖尿病主要治療方法是使用降糖藥物，如二甲雙胍、米格列醇、伏格列波糖、格列本脲、胰高血糖素樣肽-受體激動劑（GLP-1RAs）、雙肽肽-4（DPP-4）抑制劑和鈉-葡萄糖協同轉運蛋白-2（SGLT-2）抑制劑等，但它們在發揮降血糖作用的同時也會伴有低血糖、體質量增加、水腫和惡心等副作用[5-7]。因此，目前大多數有關Ⅱ型糖尿病的研究主要集中于探索新型無毒副作用的治療方法。

此外，腸道菌群的調控作用與肥胖、Ⅱ型糖尿病等多種慢性代謝疾病有著緊密的聯系，并且大量的研究也表明，腸道菌群的調節對緩解Ⅱ型糖尿病起到了顯著的作用[8-9]。但Ⅱ型糖尿病的確切發病機制尚不清楚，針對腸道菌群調控下Ⅱ型糖尿病的發病機制也在不斷探索研究中。現今伴隨著新一代DNA測序技術平臺的發展[10]，其中如16S核糖體RNA（16S ribosomal RNA，16S rRNA）等基因擴增子測序技術得到了廣泛應用，因而，腸道菌群變化與Ⅱ型糖尿病發生、發展之間的聯系也被深入研究。益生菌作為一類有益的腸道菌群，在調節和維持腸道菌群穩態方面發揮了重要的作用[11]。近年來研究發現，一些種類的益生菌具有穩定腸道菌群、提高系統免疫力、抗炎、抗氧化應激反應、降血糖和調節膽固醇代謝等益生作用，故益生菌也被廣泛地用來研究改善Ⅱ型糖尿病的作用效果[11-16]。

目前，大量的動物試驗結果也表明，一些種類的雙歧桿菌（Bifidobacterium）、植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）、干酪乳桿菌（Lactobacillus casei）和鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus）等益生菌通過增加腸道有益菌比例及改善腸道菌群失調，從而緩解體內代謝紊亂和平衡能量消耗，進而表現出顯著的降血糖作用[17-19]。

文章就益生菌對Ⅱ型糖尿病的改善作用、調控Ⅱ型糖尿病的作用途徑進行了綜述，詳細介紹了益生菌對Ⅱ型糖尿病患者機體炎癥、腸黏膜屏障、糖脂代謝、氧化應激的調節作用，并對益生菌在Ⅱ型糖尿病中的應用前景進行了分析，以期未來可以充分挖掘益生菌的降血糖功效，為開發益生菌有關的功能保健食品提供思路。

1 益生菌對II型糖尿病的影響

1.1 益生菌對Ⅱ型糖尿病的改善作用

益生菌是一類對宿主健康有促進作用的活性微生態制劑，其改善腸道、提高免疫力、抗氧化和調節血脂代謝等功能性質已被消費者廣泛接受和認可[20-21]。其中，近年來大量的動物試驗和臨床試驗的研究結果顯示，多種益生菌對Ⅱ型糖尿病具有顯著改善效果。羅宏等[22]對高脂飼料聯合鏈脲佐菌素誘導的Ⅱ型糖尿病模型大鼠每日給予12 mL 1.0×109cfu/mL的植物乳桿菌C88，連續灌胃28 d后發現，植物乳桿菌C88可有效改善Ⅱ型糖尿病大鼠高血糖和血脂代謝紊亂。具體表現為植物乳桿菌C88可以極顯著改善Ⅱ型糖尿病大鼠體內異常的血糖、血脂含量（P＜0.01）和顯著降低腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細胞介素-6（IL-6）和脂多糖等炎癥相關的因子水平（P＜0.05），并且還通過提高回腸組織中腸道通透性相關蛋白的表達以修復腸道屏障功能，以此來發揮對Ⅱ型糖尿病的積極影響。雙歧桿菌是一種常見的益生菌，WU等[18]研究結果顯示，無論高劑量還是低劑量雙歧桿菌在連續灌胃6周后都能顯著降低Ⅱ型糖尿病大鼠HbA1c、FBG、空腹胰島素含量和甘油三酯水平（P＜0.05），并極顯著升高血漿中PYY含量（P＜0.01）。除了通過動物試驗取得的成果外，通過對Ⅱ型糖尿病患者補充一定劑量益生菌的臨床試驗也得到了相似的正向結果。RAYGAN等[23]采用益生菌和硒聯合補充以探究其對患有冠心病的Ⅱ型糖尿病患者體內代謝指標的影響，試驗中患者被隨機分成2組，分別給予硒200 mg/d加8.0×109cfu/d益生菌（n=27）和安慰劑（n=27）干預12周。結果表明，與安慰劑組相比，服用益生菌加硒可降低空腹血糖和胰島素抵抗，特別是極顯著降低體內胰島素含量、胰島素抵抗動態平衡模型評估（HOMA-IR）和胰島素敏感指數（QUICKI）（P＜0.001）。同時，還能降低體內甘油三酯、低密度脂蛋白和總膽固醇含量，并且明顯提高總抗氧化能力和總谷胱甘肽含量（P＜0.001）。研究結果可表明，益生菌和硒聯合補充可以極顯著提高胰島素敏感性并改善患有冠心病的Ⅱ型糖尿病患者體內代謝狀況。而KASSAIAN等[24]在一項為期24周的雙盲、隨機、安慰劑對照的平行組臨床試驗中，將120名糖尿病前期成年人隨機分配接受益生菌、合生菌或安慰劑。試驗期間每日給予4.0×109cfu復合益生菌（由凍干嗜酸乳桿菌、乳酸雙歧桿菌和長雙歧桿菌等組成），并將以上述劑量的益生菌與菊粉為主要成分補充給合生菌干預組。結果表明，與安慰劑組相比，補充益生菌和合生菌可顯著降低空腹血糖值（P＜0.05），而試驗期間補充益生菌體內的穩態模型評估-B細胞功能（HOMA-B）和胰島素敏感指數（QUICKI）保持不變。因此，相比于單獨補充益生菌組，合生菌補充劑改善糖尿病前期個體的血糖效果更佳。

綜上所述可以得知，雖然益生菌對Ⅱ型糖尿病患者的作用效果可能因菌種不同和個體差異而表現出輕微的差別，但總的來說，Ⅱ型糖尿病機體在攝入益生菌后可出現積極的影響（表1）。

表1 不同種類益生菌改善II型糖尿病的作用Tab.1 Effects of different kinds of probiotics on improvement of typeⅡdiabetes mellitu

1.2 益生菌調控Ⅱ型糖尿病的作用途徑

雖然目前的研究結果可證實益生菌具有改善Ⅱ型糖尿病的作用，但體內的代謝調節是通過多種途徑共同發揮作用。同時也由于Ⅱ型糖尿病發病機制復雜，因而益生菌作用于Ⅱ型糖尿病的確切調控途徑也有待進一步更深入的探索。根據目前已取得的研究成果，可得知Ⅱ型糖尿病體內攝入益生菌后可改善其腸道菌群結構，積極調控體內胃腸激素，使體內各種異常表達的細胞因子及基因趨于正常水平并修復損傷的組織細胞，可增強體內胰島素敏感性并緩解胰島素抵抗現象，如圖1所示。

圖1 益生菌對Ⅱ型糖尿病的作用Fig.1 Effects of probiotics on typeⅡdiabetes mellitu

1.2.1 益生菌對Ⅱ型糖尿病患者機體炎癥的調節作用Ⅱ型糖尿病與促炎細胞因子、趨化因子和炎癥蛋白水平的升高有關，因此，低度全身炎癥被認為在Ⅱ型糖尿病和Ⅱ型糖尿病相關并發癥的發生中起關鍵作用[30，32-34]。最新的臨床試驗研究結果也表明，Ⅱ型糖尿病患者體內IL-6、TNF-α和IL-32的水平顯著高于正常人[35]。LIU等[36]研究表明，IL-38的高水平表達可提高Ⅱ型糖尿病兒童體內的胰島素敏感性，并且還可以通過抑制IL-36的功能來延緩小鼠模型中Ⅱ型糖尿病的發展。而先前的研究也表明，Ⅱ型糖尿病體內腸道菌群嚴重紊亂可引起腸道菌群移位及有害菌比例增加，導致體內循環脂多糖水平升高，激活體內免疫系統，使得細胞因子水平異常表達，因而伴有全身低度炎癥。ZHANG等[26]通過給高脂飲食結合低劑量鏈脲佐菌素誘導的Ⅱ型糖尿病SD大鼠每日灌胃1.0×109cfu動物雙歧桿菌01后發現，補充動物雙歧桿菌01可以顯著降低Ⅱ型糖尿病體內的脂多糖濃度和促炎細胞因子TNF-α的水平，同時增加體內抗炎細胞因子IL-10水平，結果表明了該菌具有顯著緩解II型糖

尿病及體內腸道炎癥的作用。此外，近幾年的研究也不斷發現，許多益生菌具有降低Ⅱ型糖尿病體內的促炎細胞因子和改善免疫調節的作用，比如嗜酸乳桿菌La-5、動物雙歧桿菌乳酸亞種BB-12、發酵乳桿菌、干酪乳桿菌W56、鼠李糖乳桿菌GG、植物乳桿菌LC27和長雙歧桿菌LC67等，可以顯著降低Ⅱ型糖尿病體內脂多糖、TNF-α、IL-1β和IL-6的水平并顯著增加IL-10含量，從而緩解T2MD體內胰島素抵抗現象[23,29-30,37-38]。

1.2.2 益生菌對Ⅱ型糖尿病患者機體中腸黏膜屏障的調節腸黏膜屏障是宿主抵御病原體入侵的第一道防線，它是由不同上皮細胞緊密連接組成的物理屏障、專性厭氧菌與腸上皮緊密結合形成的微生物屏障以及分布于腸道的相關淋巴組織形成的免疫屏障構成的重要防護組織[39]。而體內脂多糖含量較高可引起胃腸損傷，包括改變腸上皮細胞的運輸功能和腸屏障功能，使緊密連接蛋白凋亡和降解，從而導致腸上皮細胞通透性增加[31]。同時，TNF-α的異常表達可通過激活肌球蛋白輕鏈（myosin light chain，MLC）激酶下調ZO-1和收縮細胞，從而導致腸道微生物屏障損傷，使細菌或細菌產物可通過腸黏膜進行移位[40]。因此，當腸道黏膜屏障完整性被體內高水平的脂多糖和TNF-α等細胞炎性因子破壞時會直接對機體產生不利的影響，使腸道微生物區系發生紊亂、激活免疫應答反應以及允許腸道有害微生物轉入到體內循環。而對于Ⅱ型糖尿病體內的腸黏膜屏障完整性進行探究后發現，其體內相關的緊密連接蛋白（ZO-1、Occludin和Claudin）和黏蛋白2（MUC2）等的表達顯著下調，并且通過組織病理學觀察Ⅱ型糖尿病體內結腸組織腺體大量丟失，還伴有腺體萎縮和局部炎性細胞浸潤的現象[41-42]。LI等[42]研究發現，乳酸桿菌G15和Q14可通過下調革蘭氏陰性細菌相關的脂多糖分泌和上調產生SCFAs的細菌及相關的GPR43途徑，可以顯著提高上述有關緊密連接蛋白基因的表達水平及緩解結腸組織受損情況，以腸道微生物依賴性的方式緩解Ⅱ型糖尿病。而在近期另一項研究中也發現了植物乳桿菌、瑞士乳桿菌、乳酸球菌和戊糖乳桿菌等14種復合益生菌也可以顯著降低糞便和血清中的脂多糖水平，并顯著上調Ⅱ型糖尿病大鼠結腸組織中的相關緊密連接蛋白（claudin-1）和MUC2的mRNA水平，發揮出改善腸道屏障功能[28]。此外，這14種復合益生菌還能通過上調磷脂酰肌醇3-激酶/磷酸化絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶（phosphatidylinositol 3-kinase/phosphorylated serine-threonine protein kinase，PI3K/AKT）的活性，改善胰腺功能，抑制胰腺細胞凋亡。

1.2.3 益生菌對Ⅱ型糖尿病患者機體糖脂代謝的調節糖脂代謝異常是Ⅱ型糖尿病的典型特征之一，也是研究改善及治療Ⅱ型糖尿病的重要出發點。T2MD體內腸道微生物嚴重紊亂可能會影響肝臟、肌肉和脂肪等主要代謝器官的葡萄糖穩態和胰島素抵抗，導致糖代謝相關基因表達異常[14]?，F有的研究結果顯示，益生菌可以通過調控胃腸激素的釋放和相關基因的表達來改善糖脂代謝，如動物芽孢桿菌01可以顯著降低Ⅱ型糖尿病大鼠肝臟中糖異生關鍵酶：磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK）和葡萄糖-6-磷酸酶（glucose-6-phosphatase，G6Pase）及大鼠糖 原 合 成 酶 激 酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK-3β）的mRNA表達，同時上調了葡萄糖激酶（glucokinase，GCK）和糖原合成酶（glycogen synthase，GS）的mRNA表達，具有促進肝糖原形成以及改善肝臟組織受損的作用[26]。相同的是，鼠李糖乳桿菌MTCC：5957、鼠李糖乳桿菌MTCC：5897和發酵乳桿菌MTCC：5898也可以使糖尿病大鼠肝臟糖異生相關的G6Pase和PEPCK基因的表達顯著下降，以減緩肝臟糖異生的產生[43]。上述的益生菌還對體內血脂代謝產生相同且積極的影響，可降低血清中總膽固醇、總甘油三酯及低密度脂蛋白膽固醇含量，而增加高密度脂蛋白膽固醇的水平。此外，還發現鼠李糖乳桿菌L12和嗜酸乳桿菌等益生菌可以顯著降低α-葡萄糖苷酶途徑中鈉葡萄糖共轉運體1（sodium glucose cotransporter 1，SGLT-1）和葡萄糖轉運體2（Glucose Transporter type 2，GLUT-2）的表達，從而對α-葡萄糖苷酶有抑制作用并降低葡萄糖轉運，有利于降低體內的葡萄糖水平[27]。

GLP-1是一種由腸L細胞釋放的胃腸激素，它主要作用于胰腺內分泌細胞，在葡萄糖穩態中起重要作用，除了直接與胰腺β細胞相互作用外，它還可由神經介導通過減少胃腸道分泌和胃運動來延緩胃排空[44-45]。最近的研究發現，副乳桿菌1F-20、發酵乳桿菌F40-4和動物雙歧桿菌亞種等菌株通過上調STC-1細胞的胰高血糖素原基因（proglucagon gene，GCG）和PYY基因，促進GLP-1和PYY的分泌，并且它們的代謝產物可以通過調節過氧化物酶體增殖物激活受體-α（peroxisome proliferator activated receptor-α，PPARα）、甾醇調節元件結合蛋白-1C（sterol regulatory element binding protein-1C，SREBP-1C）和含3個斑點樣磷脂酶結構域（patatin-like phospholipase domain containing 3，PNPLA3）等調節基因到達肝臟以改善脂質蓄積，并通過上調PI3K/AKT活性來增加葡萄糖攝取，以恢復胰島素信號系統[41]。

1.2.4 益生菌對Ⅱ型糖尿病患者機體氧化應激的調節Ⅱ型糖尿病體內由于血糖濃度較高會促進線粒體活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產生，ROS可直接增加炎癥因子和黏附因子的表達，增加氧化低密度脂蛋白的形成，加劇胰島素抵抗并激活泛素化相關途徑，以降低脂聯素水平、腺苷酸活化蛋白激酶（activated protein kinase，AMPK）和內皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）的激活[46]。因此，Ⅱ型糖尿病體內過量的ROS不僅會反過來加重糖尿病的發展，同時還可能導致糖尿病的并發癥如動脈粥樣硬化癥等的發生。

VALENLIA等[47]研究發現，Ⅱ型糖尿病大鼠肝腎組織中CAT、SOD和谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione peroxidase，GPX）等活性氧清除酶的活性失衡，從而引發自由基的產生，而補充植物乳桿菌1058能顯著提高上述活性氧清除酶的水平，改善體內氧化應激并發揮抗糖尿病和抗氧化作用。此外，YADAV等[43]和GAO等[48]研 究 發 現，發酵 乳桿菌MTCC:5898和植物乳桿菌NCU116等益生菌具有提升Ⅱ型糖尿病機體抗氧化的能力，可以提高Ⅱ型糖尿病大鼠肝腎中SOD、CAT和GPX水平，降低糖尿病大鼠的炎癥和氧化應激，提高血清胰島素水平。

2 益生菌在Ⅱ型糖尿病中的應用前景

目前，隨著國內外對益生菌的益生價值不斷深入探索，益生菌緩解Ⅱ型糖尿病的作用也被肯定，因此，越來越多的益生菌也被用于改善Ⅱ型糖尿病的研究過程，也不斷有研究者從健康人體腸道、人類母乳、泡菜鹵水和發酵乳中分離出益生菌，并通過體外試驗研究其抗氧化、抗炎、降血糖和降血脂等的作用，比如已發現的地衣芽孢桿菌KT921419、解淀粉芽孢桿菌KT921420、枯草芽孢桿菌KT921421、副乳桿菌M7和植物乳桿菌C70等已被證實具有體外抗炎和降血糖作用[49-52]。但它們還有待進行動物試驗和臨床試驗以驗證其在體內對宿主免疫系統和嚴重紊亂的腸道菌群的干預作用，防止因為益生菌的降血糖潛力不同和宿主差異而對其有效性出現誤判。此外，近年來也在不斷加大益生菌對代謝紊亂、結腸炎、抗氧化、酒精性及非酒精性脂肪肝等的作用研究，這些研究進展也對探究益生菌在II型糖尿病體內發揮具體作用機制有指導價值[52-57]。未來，也仍需要大力開展有關益生菌改善II型糖尿病的作用及作用途徑的相關研究工作，以擴大具有降血糖作用的菌的數目和發現益生菌的作用機制。

3 結論

越來越多的研究證明，腸道菌群與II型糖尿病發生、發展之間存在著緊密的聯系，在基于腸道菌群誘導發展的II型糖尿病的思路下，通過攝入益生菌來改善II型糖尿病的治療思路得到了許多動物和臨床試驗的驗證。目前的研究結果可證明益生菌具有改善II型糖尿病的作用，但其作用效果可能會因菌種不同和個體差異而出現一定的波動。同時，益生菌也可能會對部分實驗對象產生耐藥性或者其他不利的影響，這都需要經過綜合考慮之后，針對特定的益生菌菌株開展全面的研究。此外，也需要對已確定具有緩解II型糖尿病作用的益生菌菌株進行進一步的研究，來探究其調節免疫反應、糖脂代謝以及氧化應激的具體作用途徑，以期未來可以充分挖掘益生菌的降血糖功效，為開發益生菌有關的功能保健食品提供思路。