腸道菌群-膽汁酸軸與2型糖尿病關系的研究進展

周舒婕，楊陽，柯亭羽

(昆明醫科大學第二附屬醫院內分泌科，昆明 650101)

糖尿病是一種代謝性疾病，以血糖升高為主要特征，并伴隨視網膜病變、腎病、心血管并發癥等。由于人們生活水平的提高、社會節奏的加快、高鹽高脂高熱量的飲食習慣，及體力活動的缺乏、精神壓力等多重因素，糖尿病的患病率逐年增加。截至2019年，全球糖尿病患病率約為9.3%，預計2030年將升至10.2%，2045年升至10.9%[1]。根據病因不同，糖尿病分為1型、2型及其他特殊類型。與其他代謝性疾病類似，2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)的發病也是由遺傳和環境因素共同決定。胰島素抵抗及胰島β細胞功能缺陷是T2DM發病的主要機制，其中胰島素抵抗是關鍵。人類有超過330萬個腸道微生物基因[2]，目前已發現罹患糖尿病的風險與“人類第二大基因組”即腸道微生物組(也稱為腸道宏基因組)相關[3]。腸道菌群與其代謝產物膽汁酸相互作用，通過多種機制參與T2DM的發生發展，共同參與機體糖代謝穩態的調節。現就腸道菌群-膽汁酸軸與T2DM關系的研究進展予以綜述，以為防治T2DM提供新思路。

1 膽汁酸及膽汁酸信號通路

膽汁酸是機體內膽固醇的代謝產物，作為膽汁的重要組成成分，其主要作用為促進脂類消化吸收，防止結石形成。肝臟是合成膽汁酸的唯一場所，正常情況下，75%的膽固醇通過經典途徑合成初級膽汁酸，其余通過替代途徑合成。其中，膽固醇7α-羥化酶(cholesterol 7α-hydroxylase，CYP7A1)是經典途徑的限速酶，甾醇27-羥化酶是替代途徑的限速酶。初級膽汁酸[主要包括膽酸、鵝去氧膽酸(chenodeoxycholic acid，CDCA)]與甘氨酸或牛磺酸結合形成結合型膽汁酸后，經膽鹽輸出泵排泌到膽管，進入膽囊濃縮儲存。機體進餐后，膽囊收縮促使這種初級結合型膽汁酸分泌到腸道中，約95%的膽汁酸在回腸末端及結腸通過主動運輸的形式被重吸收入肝臟，這一過程稱為膽汁酸的肝腸循環。剩余未被重吸收的膽汁酸在遠端小腸和結腸部位，首先在膽鹽水解酶作用下去結合形成游離膽汁酸，再經7α-脫羥基酶作用由初級膽汁酸轉變為次級膽汁酸(脫氧膽酸、石膽酸)，最終從糞便排出[4-6]。膽汁酸循環過程中還可以發生硫酸化、差向異構化等變化，且不同結構的膽汁酸吸收轉運的方式也不同。肝腸循環使機體每日產生的有限膽汁酸得到最大程度的充分利用，降低了機體的消耗。膽汁酸作為信號分子與法尼醇X受體(farnesoid X receptor，FXR)、G蛋白偶聯膽汁酸受體5(G protein-coupled bile acid receptor 5，TGR5)等受體結合，可以調控膽汁酸合成并參與機體糖脂代謝及能量代謝，正常的膽汁酸信號通路與糖穩態的維持密切相關。FXR主要分布于細胞核，FXR在不同部位啟動不同的下游靶基因表達，負反饋抑制膽汁酸合成。在肝臟，FXR被膽汁酸激活后，小異二聚體伴侶表達增加，小異二聚體伴侶與肝受體同源蛋白1結合可抑制膽汁酸經典途徑合成所需的限速酶CYP7A1，從而減少膽汁酸合成[7]。TGR5由腸道L細胞表達，其與膽汁酸結合后，通過激活蛋白激酶A等激酶途徑引發一系列下游級聯反應，影響細胞能量代謝[8]。對小鼠模型的研究發現，TGR5調節細胞能量代謝還與誘導米色脂肪分化、重塑線粒體形態與結構、調節細胞呼吸等作用相關[9]。可見，膽汁酸信號通路是腸道菌群-膽汁酸軸發揮糖調節作用的關鍵步驟。

2 腸道菌群-膽汁酸軸及其與T2DM的關系

作為人體組成部分之一的腸道菌群，可以產生次級膽汁酸、短鏈脂肪酸、脂多糖、肽聚糖等各種有益或有害的代謝產物作用于人體[10-13]。而作為腸道微生物代謝產物之一的膽汁酸反過來又可以作用于腸道菌群。腸道菌群與膽汁酸之間有復雜、密切的聯系，兩者形成腸道菌群-膽汁酸軸，軸上任何一個環節出現問題，均將會通過一系列級聯反應影響機體代謝，從而參與各種代謝性疾病尤其是T2DM的發生發展。

2.1腸道菌群改變膽汁酸池從而影響糖代謝

2.1.1腸道菌群影響膽汁酸池的組成 人體腸道菌群包含的微生物超過100萬億個，其中主要包括擬桿菌門、厚壁菌門和放線菌門[14]。膽汁酸在肝臟合成，運輸到遠端回腸及結腸后發生的解共軛、脫羥基和脫氫反應是在腸道微生物的作用下完成。大部分腸道微生物具有膽鹽水解酶活性。其中，擬桿菌除了解離作用外，還可以將膽汁酸氧化、差向異構化及酯化[15]，厚壁菌門具有大部分腸道微生物不具備的7α-脫羥基作用[16]。經過腸道微生物的這些作用后，初級膽汁酸轉變成次級膽汁酸及其他數十種代謝產物，作為信號分子參與機體代謝。T2DM患者腸道菌群發生顯著變化，益生菌(如雙歧桿菌)數量減少，機會致病菌(擬桿菌、大腸埃希菌等產生內毒素的革蘭陰性菌)數量增多。此外，研究還發現，胰島素抵抗者腸道菌群中厚壁菌門與擬桿菌門比值升高[12]。糖代謝紊亂的患者循環中膽汁酸的含量及比例也發生變化，與正常人相比，糖耐量受損者和T2DM患者體內初級膽汁酸與次級膽汁酸比值下降[17]。據此推測，膽汁酸池與腸道菌群之間存在一定聯系。研究發現，傳統飼養的小鼠膽汁酸池種類遠多于無菌小鼠[16]。而使用抗生素后，依賴腸道菌群產生的次級膽汁酸比例顯著下降[18]。說明沒有腸道菌群的作用，膽汁酸的多樣性會減少。當具有解共軛、脫羥基等作用的細菌數量改變時，初級膽汁酸與次級膽汁酸的比例隨之發生變化。

2.1.2膽汁酸池的改變對糖代謝的影響 初級膽汁酸中的CDCA是經CYP7A1催化產生的非12α-羥化膽汁酸，是FXR的激動劑；而次級膽汁酸中的脫氧膽酸是FXR的部分拮抗劑[19]。另外，存在于小鼠體內的一種結合型膽汁酸——牛磺酸結合型鼠膽酸是FXR的天然拮抗劑[20]。由此可見，膽汁酸受體對不同結構膽汁酸的敏感性不同。小腸內葡萄糖的吸收主要依靠兩類轉運蛋白，即葡萄糖轉運蛋白和鈉-葡萄糖協同轉運蛋白。研究發現，具有FXR激活效應的膽汁酸通過磷酸化胞外信號調節激酶信號通路，使葡萄糖轉運蛋白2表達增多，促進腸道上皮細胞攝取葡萄糖；此外，FXR激活后通過影響氧化磷酸化過程減少腸上皮細胞能量生成[21]。另有研究發現，腸膽汁酸缺乏的患者更易發生高血糖，重癥腸膽汁酸缺乏患者血糖異常升高的比例約為30%[21]。可見，膽汁酸水平及比例改變會影響FXR激活效應，進而通過調控葡萄糖的吸收和能量代謝影響機體葡萄糖穩態。在遠端回腸，次級膽汁酸激活FXR后誘導成纖維細胞生長因子19(fibroblast growth factor 19，FGF19)表達[22]，FGF19通過激活促分裂原活化的蛋白激酶通路促進脂肪細胞攝取葡萄糖[23]，以改善胰島素敏感性和葡萄糖耐受性。胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)是一種腸促胰素，其通過與相應受體結合促進胰島素分泌、抑制胰高血糖素分泌、抑制食欲及延緩胃排空、刺激胰島β細胞增殖、抑制胰島β細胞凋亡等機制發揮降血糖的作用[24-25]。膽汁酸結合TGR5后促進腸道內分泌細胞分泌GLP-1，也可以對糖代謝產生積極影響[26]。膽固醇一部分在CYP7A1作用下直接轉變為非12α-羥化膽汁酸CDCA，另一部分再經甾醇12α-羥化酶作用形成12α-羥化膽汁酸即膽酸。且胰島素抵抗者甾醇 12α-羥化酶活性更高[27]，表明胰島素抵抗者膽酸與CDCA的比值增高。一項針對45例有妊娠期糖尿病病史女性的研究發現，非12α-羥化膽汁酸比例升高更有利于血糖控制[5]。值得注意的是，12α-羥化膽汁酸與非12α-羥化膽汁酸比值的增加與胰島素抵抗有關。因為膽酸與CDCA的分子結構不同，兩者的比值決定了膽汁酸池的疏水性，故推測，膽汁酸池比例改變引起的理化性質改變可影響胰島素敏感性。

正常情況下，膽汁酸作為信號分子激活膽汁酸受體觸發下游級聯反應來調節葡萄糖代謝、改變胰島素敏感性和影響能量消耗，當異常的腸道菌群打破膽汁酸池調控糖代謝平衡時，就會出現機體糖耐量的異常，甚至發展為糖尿病。然而，從空腹血糖受損發展為糖耐量異常，最后形成T2DM，腸道菌群和膽汁酸池在這個過程不同階段的具體變化研究還不夠充分和完善。因此，通過對腸道菌群和膽汁酸池進行動態跟蹤研究，將有利于人們在糖尿病發生發展的不同階段對糖穩態異常提出針對性的防治意見。

2.2膽汁酸影響腸道菌群從而調節糖代謝 膽汁酸可以通過干擾RNA的二級結構，影響細菌蛋白質合成[28]。且游離膽汁酸表現出強烈的細胞毒作用，對耐受性差的細菌，膽汁酸可以直接抑制其生長。另外，膽汁酸與FXR結合后引起免疫應答及誘導抗菌肽產生[29]，也會對細菌細胞膜造成破壞。上述作用導致的共同結果為隨著腸道遠端部位膽汁酸的蓄積，只有能夠耐受高膽汁酸濃度的微生物群才能在腸道中生存。van Best等[30]研究發現，結合型膽汁酸(如牛磺膽酸)可以增加新生小鼠腸道微生物種類，顯著降低大腸埃希菌的豐度，使腸道菌群組成更加接近成年小鼠，而熊脫氧膽酸卻沒有引起這種變化。在人體內，結合型膽汁酸同樣可以促進腸道菌群的多樣性[31]。可見，腸道從胎兒時期的無菌狀態到成年后擁有穩定的微生物群落生態系統，除了與出生后與母體及外部環境的接觸相關，膽汁酸也是促成腸道菌群多樣性及成熟的重要因素，且不同種類的膽汁酸對腸道菌群的影響不同。腸道菌群可以產生短鏈脂肪酸、氧化三甲胺、膽汁酸等代謝產物來調節葡萄糖及血脂能量代謝、影響腸道通透性、改變胰島素敏感性；產生單核細胞趨化蛋白1、γ干擾素等細胞因子引起慢性炎癥。同時，腸道菌群中的革蘭陰性菌可以產生脂多糖引起內毒素血癥[10,13,16,32]。因此，一旦腸道微生物系統的平衡被打破，就有可能發生T2DM、非酒精性脂肪肝等代謝性疾病。

2.3其他 減肥外科手術是目前肥胖癥患者減輕體重并獲得長期維持最有效的手段，迄今為止，已有50多種手術用于病態肥胖的治療[33]，其中胃繞道旁路手術(Roux-e-Y gastric bypass,RYGB)和垂直袖狀胃切除手術(vertical sleeve gastrectomy，VSG)使用最廣泛。有研究通過比較減肥手術和傳統減肥方法，發現對有糖尿病的肥胖癥患者，減肥手術在減重的同時還能明顯且持續地改善血糖水平[34]，說明減重手術的意義不僅是單純降低體重。傳統觀點認為，VSG、RYGB等減肥手術減輕體重主要通過減少胃容量及胃腸改道，從而限制營養物質的吸收。但Ryan等[35]研究發現，FXR基因正常小鼠行VSG后，腸道內與T2DM發病風險呈正相關的擬桿菌豐度降低，與T2DM發病風險呈負相關的羅氏菌豐度增加，然而在FXR基因被破壞以及沒有進行VSG的小鼠體內未發現擬桿菌和羅氏菌豐度的明顯變化，說明腸道菌群的改變是VSG后患者體重下降及血糖、糖化血紅蛋白等糖尿病指標控制良好的一個重要因素。RYGB和垂直帶狀胃成形術術后，機體胰島素抵抗和異常糖耐量改善的效果明顯，同時伴隨微生物組多樣性改變，VSG后血漿總膽汁酸水平升高[36-37]。說明胃容量機械性減少及營養物質吸收的限制并不是減肥手術起效的主要原因，手術減輕體重和改善胰島素抵抗主要與循環中膽汁酸含量增多及腸道菌群的改變相關。FXR基因敲除小鼠VSG后降低的體重會反彈[35]，說明減肥外科手術后長期的血糖達標和持久的減重效果與FXR信號通路對機體代謝的調控有關，也間接強調了膽汁酸的重要性。有研究通過比較RYGB與強化醫療管理的T2DM各項指標，發現行RYGB的患者在獲得更明顯體重下降的同時，在改善胰島素抵抗和減少其他降糖藥物使用等方面優于強化醫療管理的患者[22]。RYGB后，血清膽汁酸與FGF19水平升高，考慮與RYGB縮短消化道長度，使膽汁酸快速到達小腸末端，加速腸肝循環相關。可見，減肥外科手術對T2DM患者的積極影響與腸道菌群-膽汁酸軸相關，通過探索外科手術與體內神經、激素改變的聯系，使多學科聯合治療T2DM成為可能。

3 調節腸道菌群-膽汁酸軸防治T2DM

T2DM的藥物治療方法包括口服降糖藥物和皮下注射胰島素或胰高血糖素樣肽-1受體激動劑。這些藥物通過促進胰島素分泌、增加外周組織對胰島素的敏感性、抑制肝臟葡萄糖輸出、延緩小腸吸收碳水化合物、促進尿糖排泄等機制調節血糖，改善糖尿病抵抗。隨著研究的深入，人們逐漸發現降糖藥物傳統降糖機制以外的作用靶點，即腸道菌群和膽汁酸，發現其他非常規降糖藥物(降脂藥等)對T2DM患者紊亂的糖穩態和胰島素抵抗也具有調節作用。

3.1以腸道菌群為靶點 飲食中膳食纖維比例增高可以通過增加飽腹感、減少體重增加、降低血糖和膽固醇水平等對代謝健康起積極作用，從而降低肥胖、T2DM、心血管疾病的發生風險。研究發現，長期食用高動物蛋白、飽和脂肪酸的個體腸道內擬桿菌與普氏菌比例增高，富含植物纖維飲食習慣者腸道內擬桿菌與普氏菌比例降低，提示不健康的飲食習慣會改變腸道微生物穩態[11]。Arora等[38]研究發現，在小鼠的高脂飲食中添加食用纖維可顯著增加能量消耗和有益菌的數量，抑制體重增加。另有研究發現，二甲雙胍、阿卡波糖、西格列汀等藥物在降低血糖的同時，增加了腸道有益菌的數量[39]，其他藥物如小檗堿也被證實可以通過抑制部分腸道菌群對膽汁酸代謝的不良影響來發揮降低血糖的作用[40]。因此，補充益生菌可以增加降糖藥物效果，且抗高血糖藥物降低血糖的作用與腸道微生物比例、膽汁酸信號通路及糖脂代謝改變相關。然而，這些藥物的作用也受到飲食的影響，如高脂飲食增加腸道中革蘭陰性菌的數量，誘發內毒素血癥。所以合理的膳食搭配及藥物對腸道菌群產生積極影響，這在治療糖尿病方面具有潛在的臨床應用價值。

3.2以膽汁酸為靶點 T2DM患者空腹總膽汁酸在正常范圍高值時表現為胰島素敏感性減弱、胰島β細胞功能低下以及胰高血糖素水平異常升高[41]，提示空腹總膽汁酸增加可能對胰島β細胞和α細胞分泌產生不良影響，空腹總膽汁酸水平升高可能是一些慢性糖尿病并發癥發生的原因。膽汁酸增加與胰島素抵抗之間的相互作用增強促進了T2DM等代謝性疾病的發生發展，提示膽汁酸可作為治療此類疾病的靶點之一。如考來烯胺、考來替泊、考來維侖等膽汁酸結合劑在腸道中與膽汁酸大量結合，阻礙膽汁酸的重吸收，增加膽固醇的消耗，發揮降脂降糖作用。司維拉姆是一種不可吸收性胺類樹脂，可以結合消化道中的磷酸根并降低其吸收，臨床上主要用于治療高磷血癥，但它也具有結合膽汁酸的能力，可以干擾脂肪吸收。Br?nden等[42]研究發現，司維拉姆可以通過減少腸道和肝臟的FXR激活效應來介導降糖作用。這些以往用來降低血脂、減少血清游離膽汁酸的膽汁酸隔離劑可以通過影響膽汁酸信號通路而發揮降低血糖的作用。腸道FXR拮抗劑可減弱肝糖異生并降低腸道和血清神經酰胺水平，而TGR5激動劑可促進L細胞分泌GLP-1并激活棕色脂肪細胞的生熱作用[43]。通過外源補充膽汁酸替代品、膽汁酸隔離劑、腸道特異性FXR拮抗劑和TGR5激動劑來調控膽汁酸池的組成，以治療高血糖。但因為缺乏足夠的臨床研究，且這些藥物價格昂貴，所以其廣泛應用于臨床還需大量循證醫學證據支持。

4 小 結

T2DM患者體內腸道菌群組成及數量改變，影響膽汁酸池的組成和理化性質，進而影響膽汁酸的FXR、TGR5信號通路；受到膽汁酸的影響，不同菌群的比例和數量也發生改變。這一系列變化造成體內糖脂代謝的異常。因此，調節和維持腸道菌群及膽汁酸的正常代謝對防治T2DM具有重要意義。以腸道菌群-膽汁酸軸為靶點的治療方法不僅可以治療糖尿病及其并發癥，還有益于其他代謝性疾病的防治，具有潛在的臨床應用價值。雖然目前對腸道菌群與膽汁酸在T2DM發病中的具體機制認識還不夠充分，但通過糖尿病學、內分泌學、神經病學、基礎醫學及外科學等多學科共同探索，人們對有關信號通路改變的研究會逐漸深入，治療T2DM的思路將更加多元化。