基于腸道菌群探討多糖干預2型糖尿病的研究進展

唐志雁，袁平川,3，柳春燕,3，王國棟,3*

1皖南醫學院藥學院藥物研發中心；2安徽省多糖藥物工程技術研究中心安徽省皖南地區植物藥活性物質篩選與再評價工程實驗室；3活性生物大分子研究安徽省重點實驗室，蕪湖 241002

2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)為糖尿病中較常見的一種類型，以高血糖為主要特征，發病機制較為復雜，如未及時治療控制，往往會引起嚴重的并發癥，威脅著人類身體健康，研究發現其發病與氧化應激、胰島素抵抗、炎癥反應等因素密切相關，但具體機制尚未明確[1,2]。隨著T2DM患病率持續上升，人們對其研究也不斷地深入，普遍認為腸道菌群失調是T2DM的重要危險因素[3]。腸道菌群失調可引起全身慢性低水平炎癥，進而導致肥胖和胰島素抵抗，且T2DM患者腸道菌群結構和分布與正常人明顯不同，這是由于腸道微生態中各種微生物豐度的變化所致[4,5]。

多糖是由十個及以上單糖通過糖苷鍵結合成的高分子化合物，其單糖組成或相同或不同，分子結構復雜且龐大，并擁有著豐富的自然界資源，安全性高，毒副作用小，具有諸多藥理活性，例如降血糖、抗氧化、抗炎、抗腫瘤以及免疫調節等[6-9]。其中，多糖在降血糖方面表現出較好的效果，如黃連多糖能明顯改善T2DM大鼠的空腹血糖水平且具有良好的降脂效果[10]。盡管不同多糖之間降血糖的機制可能存在差異，或同時存在多種機制，但主要是在修復胰島細胞、增加胰島素含量、增加胰島素敏感性、改善胰島素抵抗、增加糖代謝關鍵酶活性、增加肝糖原合成以及調節腸道菌群等方面發揮作用[8]。多糖與腸道菌群之間的相互作用機制已成為研究熱點，越來越多的研究表明多糖可以通過調節腸道菌群，維持腸道微生物之間的結構穩定，預防腸道功能異常，從而調節糖代謝紊亂[11]。而且腸道菌群也可以將多糖代謝利用，增加短鏈脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)含量、改善腸道酸性環境、促進擬桿菌等有益菌生長、為腸道和肝臟提供能量、增強腸道屏障功能、增加胰島素敏感性以及改善胰島素抵抗等。本文查閱近幾年相關的文獻并進行整理，對腸道菌群于T2DM的影響、多糖與腸道菌群的相互作用對T2DM發生發展的影響進行綜述，為T2DM與腸道菌群之間機制研究以及開發治療T2DM的活性多糖提供思路，并為T2DM的治療提供更多安全有效的選擇。

1 腸道菌群與2型糖尿病

人類腸道共生著大量微生物群，是一個復雜的生態系統，千差萬別，種類可達1000多種，其數量和多樣性可隨年齡的增長而增加，可以調節宿主與環境之間的相互作用[12,13]。人們普遍認為腸道微生物區系在維持宿主健康和誘發多種疾病方面起著關鍵作用。例如，腸道微生物區系可以幫助宿主獲取能量。相比之下，腸道微生物區系失調可能與許多疾病有關，包括炎癥性腸道疾病、結直腸癌，以及腸外疾病，比如糖尿病。飲食被廣泛認為是影響人體腸道微生物區系組成和功能的主要因素。例如，富含非淀粉、不可消化的多糖和膳食纖維的飲食主要是通過降低Firmicutes(厚壁菌門)與Bacteroidetes(擬桿菌門)之間的比例來影響腸道微生物區系[14]。

腸道菌群的變化與T2DM的發生和發展有著密切的聯系，研究表明，移植到無菌小鼠體內的T2DM小鼠的糞便細菌引起了糖尿病樣改變[15]，相反，將正常小鼠的糞便細菌移植到db/db小鼠體內可以改善新陳代謝[16]。T2DM患者腸道菌群結構和分布與正常人明顯不同，這是由于腸道微生態中各種微生物豐度的變化所致。對動物模型的比較分析表明，糖尿病小鼠的Lactobacillus(乳酸桿菌)比例高于正常小鼠[17]。此外，正常人腸道微生態中的Bifidobacterias(雙歧桿菌)水平較高[18]，相比之下，T2DM患者腸道菌群中的丁酸產生菌、Lactobacillus和AkkermansiaMuciniphila(嗜粘蛋白-阿克曼氏菌)的組成有較大差異[19]。

腸道菌群影響T2DM的機制可能包括影響腸道激素、食欲、能量消耗以及炎癥反應等，作用媒介主要包括SCFAs、脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)、膽汁酸(bile acids，BAs)以及支鏈氨基酸(branched-chain amino acids，BCAAs)。腸道微生物可通過發酵食物殘渣中的碳水化合物產生SCFAs來改善結腸中的酸性環境，抑制有害細菌的生長，從而預防腸功能異常。且SCFAs已被證明能通過抑制組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases，HDACs)在糖尿病中發揮抗炎作用[20]。同時，腸道微生物群能夠產生許多可誘導外周組織炎癥的物質，如肽聚糖和LPS，這些物質在從腸腔進入血液時會引起胰島素抵抗和T2DM[21-23]。在人體腸道中，Bacillus-pumilus(短小芽孢桿菌)和普通類桿菌能夠促進BCAAs的生物合成，但它們缺乏運輸系統，不能將產生的BCAAs轉運到細菌細胞中，從而導致血清BCAAs水平增加和胰島素抵抗[24]。其他的腸道菌群作用媒介還包括、吲哚、神經遞質等。

1.1 腸道菌群影響短鏈脂肪酸(SCFAs)含量

SCFAs可通過一系列與食欲調節、能量消耗、葡萄糖穩態和免疫調節相關的組織特異性機制直接調節宿主代謝健康，在為結腸上皮提供能量、抑制致病性腸道細菌以及調節糖脂質代謝和免疫系統方面起著關鍵作用，因此，微生物腸源性SCFAs含量的增加被認為是有益于健康的[25,26]。SCFAs主要包括乙酸、丙酸和丁酸，作為腸道菌群的發酵產物，現有研究表明，SCFAs可以調節血糖和調節腸道功能[27,28]。其中，丁酸鹽是結腸細胞的主要能量來源，已被發現可以增加線粒體活性，預防代謝性內毒素血癥，且可抑制腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白細胞介素-6(IL-6)等促炎因子的分泌，改善胰島素敏感性，具有抗炎潛力，增強腸道屏障功能[29]。另外，乙酸鹽可用作膽固醇或脂肪酸前體，丙酸是糖異生的底物[30]。SCFAs可以通過上調肌肉和肝臟中的蛋白激酶信號來改善胰島素敏性。SCFAs還可通過與G蛋白偶聯受體結合，促進胃腸激肽YY(peptide-YY，PYY)、胰高血糖素-1分泌(glucagon-like peptide-1，GLP-1)，從而促進胰島素分泌[31]。而腸道菌群的紊亂可能會影響體內SCFAs的合成以及代謝，使胰島素敏感性降低以及胰島素分泌紊亂，從而導致T2DM發生。

1.2 腸道菌群影響脂多糖(LPS)分泌

LPS作為革蘭氏陰性細菌細胞壁中的一種主要成分，是炎癥中的主要致病因子[32]。TLR4和NF-κB信號通路是LPS介導的信號傳導通路中重要的下游信號通路，TLR4受體可識別并結合LPS，進而激活NF-κB信號通路，從而誘導TNF-α、IL-1、IL-6等促炎因子的釋放，導致炎癥的發生和加重胰島素抵抗[33]。表明LPS以及炎癥因子在T2DM的發生中起重要作用，而腸道菌群的紊亂會導致大量的LPS以及其他炎癥因子的釋放，引發慢性持續性炎癥與胰島素抵抗，進而導致T2DM的發生發展。

1.3 腸道菌群影響支鏈氨基酸(BCAAs)的合成

BCAAs是指α碳上含有支鏈的氨基酸，即亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸，研究發現，體內BCAAs水平會影響血液中胰島素的敏感性[34]。Horiuchi等[35]發現減少小鼠食物中的蛋白含量時會使其胰島素分泌降低，而在飲食中補充BCAAs(亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸)后則可改善小鼠胰島素分泌并使其達到正常水平。此外，過高水平的BCAAs可能會引起胰島素抵抗，高水平的BCAAs尤其是亮氨酸可作為上游的營養信號持續激活mTOR通路，抑制轉錄因子Kruppel樣因子15(Kruppel-like factor 15,KLF15)的表達，而KLF15是葡萄糖、脂質、膽汁酸以及氨基酸代謝的重要調節因子，可使胰島素敏感性增強，糖原合成增多[36,37]。體內BCAAs的合成與腸道菌群密切相關，且體內BCAAs及其代謝物的水平也影響著腸道菌群的變化[38]。因此，腸道菌群可通過影響BCAAs的水平代謝來影響胰島素敏感性等，對于T2DM的發生發展起著至關重要的作用。

1.3 腸道菌群影響膽汁酸(BAs)信號通路

BAs是在肝細胞中產生的膽固醇分解代謝產物，合成后，BAs與一種氨基酸結合并分泌到膽汁中，被回腸末端的腸細胞主動重吸收，并通過門靜脈到達肝細胞，在那里被吸收和循環。然而，一部分BAs逃逸回腸吸收，被腸道微生物修飾，隨后通過在結腸中的被動擴散吸收，因此，在肝臟、膽汁和腸道中都存在高水平的BAs[39]。BAs主要激活法尼醇X受體(farnesoid X receptor,FXR)，次級膽汁酸主要激活G蛋白偶聯膽汁酸受體(G protein-coupled bile acid receptor 1,TGR5)，在調節全身糖脂代謝以及改善胰島素抵抗方面發揮重要作用[40]。同時維持腸道內屏障結構的通透性和完整性，減少促炎因子的釋放。BAs的產生和代謝需要腸道菌群的參與，且在腸道菌群的作用下，BAs信號增強，腸道優勢菌群的變化會減弱FRX和TGR5的激活，導致糖脂代謝紊亂，可能會導致T2DM的發生發展[31]

2 多糖調節腸道菌群對T2DM的影響

2.1 多糖調節腸道菌群

多糖是一種豐富的天然產物，其來源包括藥用植物、谷物、水果、蔬菜、食用菌和藥用食品，具有抗糖尿病的潛力[41]。按不同來源可分為動物多糖、植物多糖以及微生物多糖。盡管多糖難以被胃腸道酶吸收和加工，但其作為每天攝入碳水化合物的重要來源，被認為是能影響腸道微生物區系種群和代謝的益生元。未消化的多糖進入大腸，在那里它們被腸道微生物進一步降解和發酵[42,43]。多糖可以影響腸道微生物區系的結構和功能，并通過重塑腸道微生態或腸道內穩態對人體健康起到調節作用[44]。例如，Ding等[45]發現枸杞多糖可以促進SCFAs的產生，調節腸道微生物區系的組成，增加Bacteroidtes、Lactobacillus和Clostridium(梭狀桿菌)的相對豐度，這些與免疫調節特性呈正相關。另外，有研究發現殼聚糖可以通過降低Firmicutes與Bacteroidetes之間的比例來降低結腸的炎癥水平，從而改善宿主的腸道健康[46]。魷魚墨汁多糖能降低化療損傷小鼠結腸中的促炎性細菌的比例，如Ruminococcus(瘤胃球菌)、Bilophila(嗜膽菌屬)、Oscillospira(顫螺菌屬)、Dorea(加德納菌)和Mucispirillum(黏液螺旋菌屬)等，特別是Mucispirillum，它能在結腸黏膜破壞初期快速成長，導致炎性疾病的發生[47]。

2.2 腸道菌群代謝利用多糖的機制

腸道微生物區系包含許多編碼各種碳水化合物活性酶的基因，而這些酶在人類基因組中幾乎不存在[48]。因此，多糖在體內的消化很大程度上依賴于腸道內的微生物，大部分未被消化的多糖通過胃腸道到達結腸，由腸道菌群通過碳水化合物活性酶類(CAZymes)以及相關的糖結合蛋白將多糖降解利用[49]。例如，Ai等[50]發現鮑魚多糖不會在消化液中被降解，可以安全到達遠端腸道，由Bifidobacterias和Bacteroidtes發酵利用。降解多糖產生的代謝產物如寡糖、SCFAs以及一些其他的次級代謝產物，一方面可以為宿主以及腸道菌群提供能量來源，另一方面還可以影響腸道環境，如調節腸道pH、促進有益菌生長、抑制有害菌等[42]。

成人腸道微生物區系主要由Firmicutes和Bacteroidetes兩大類桿菌組成[51]，而腸道中復雜碳水化合物的降解利用主要是由Bacteroidetes來完成的，其擁有編碼了糖結合蛋白(SGBPs)、CAZymes和轉運蛋白系統的多糖利用位點(Puls)，能夠將多糖降解為單糖以及一些其他的小分子糖類化合物。在Puls中，SGBPs將多糖募集到細胞外膜，通過外膜上的特異性內切糖苷水解酶或多糖裂解酶將多糖分解生成低聚糖，然后經由TonB依賴轉運蛋白或SGBP復合物穿過外膜。一旦到達周質，獨特的寡糖特征就可作為目標聚糖的代理，并與跨內膜傳感器或調節器結合從而誘導Puls表達。最后，由外源CAZymes(其數量反映了同源多糖連接的復雜性)作用產生單糖/雙糖，通過內膜運輸進入代謝途徑[52]。

2.3 多糖通過調節腸道菌群影響2型糖尿病

2.3.1 動物多糖調節腸道菌群影響T2DM

動物多糖作為多糖大家庭的一員，來源分布廣泛，幾乎存在于所有動物的器官中，包括糖原、甲殼素、肝素、硫酸軟骨素、透明質酸以及硫酸角質素等，具有降血糖、調節血脂、抗腫瘤以及抗炎等作用[53]。

有研究發現動物多糖可通過影響腸道菌群的結構組成以及參與SCFAs代謝等途徑影響機體的代謝，Ma等[54]研究了牡蠣多糖的消化以及益生特性，發現其可以增加結腸SCFAs的合成，調節微生物群落的組成和多樣性，特別是增加有益細菌的豐度，如Bacteroides、Prevotella(普雷沃氏菌)和Faecalibacterium(普拉梭菌)。繼而改善胰島素抵抗、增加胰島素敏感性。

Zhao等[55]發現海參多糖能明顯改善T2DM大鼠糖耐量異常，調節血脂和激素水平，且可通過降低T2DM大鼠腸道內Furmicutes、Proteobacteria(變形菌門)、Spirochaetes(螺旋體門)和Actinobacteria(放線菌門)等條件致病菌，增加Bacteroidetes、Cyanobacteria(藍細菌)以及TM7等有益菌的比例，有效地優化T2DM大鼠腸道微生物區系的組成，增加SCFAs的產生，從而改善T2DM大鼠的癥狀。

2.3.2 植物多糖調節腸道菌群影響T2DM

植物多糖具有多種生物活性和保健功效，通常被認為是藥食兩用植物中的天然活性大分子[56]。近年來，越來越多具有降血糖活性的植物多糖從植物中被分離出來，經過研究，很多植物多糖都能通過影響體內腸道菌群來參與T2DM的發生發展。

Li等[57]發現羊棲菜(Sargassumfusiforme)多糖聯合小劑量阿卡波糖，對大鼠空腹血糖、TC和TG等有著良好的控制效果，可明顯減輕大鼠T2DM癥狀以及改善胰島素抵抗，且調節了腸道菌群的組成，顯著恢復了其腸道菌群的有益成分，包括Bacteroides、Lachnospira(毛螺菌屬)、Bifidobacterium在內的有益菌數量增加，并使Escherichia(大腸桿菌)、Shigella(志賀桿菌)等致病菌減少，其機制可能是增加SCFAs的生成來發揮作用。Jia等[58]研究發現羊棲菜(Hizikiafusifarme)多糖單獨使用亦可恢復T2DM大鼠腸道菌群的有益組成，相關分析表明糖尿病的改善與其干預腸道菌群的改變密切相關。

青錢柳多糖能治療T2DM，但其不能被人體直接消化吸收。Yao等[59]研究發現通過青錢柳多糖治療后的T2DM大鼠血糖水平降低，糖耐量和血脂指標改善，且腸道菌群有明顯的變化，包括Ruminococcus_bromii、Anaerotruncus_colihominis、Clostridium_methylpentosum和Intestinimonas_butyriciproducens等11種菌屬均增加，而這些菌屬均為體內SCFAs的產生菌，另外，青錢柳多糖可顯著刺激SCFAs受體GPR41、GPR43和GPR109a，并伴有GLP-1和PYY表達上調，這可能是青錢柳多糖治療T2DM的一種機制。

Wu等[60]建立T2DM小鼠模型，研究了南瓜多糖降糖降脂作用以及與腸道微生物調節相關的潛在機制，結果表明，南瓜多糖治療后，T2DM小鼠的空腹血糖值、胰島素抵抗和血脂水平降低，南瓜多糖增加了T2DM小鼠腸道菌群的多樣性，增加了可產生包括丁酸在內的SCFAs產生菌的豐度，增加體內SCFAs的含量，減少了包括Clostridium、Thermoanaerobe、Symbioticbacteria(共生菌)、Deinococcus(異常球菌)、Vibriohaematococcus、Proteusgamma、Corio等在內的有害菌，明顯改善了小鼠的T2DM癥狀。

丹參是一種常用的中藥，對于糖尿病合并慢性心臟病患者有著良好的療效，從丹參中提取出的丹參多糖能改善T2DM大鼠的胰島素抵抗[61]。Wang等[62]發現丹參多糖能改善高脂喂養的小鼠腸道Cyanobacteria的豐度，而Cyanobacteria的豐度與體內LPS的分泌和胰島素抵抗密切相關，此外，補充丹參多糖還能提高小鼠體內乙酸和丁酸等SCFAs的濃度。

菊粉是植物中一種儲備性多糖，為一種功能性成分，已被用于動物和人體研究的各種功效研究中，它被回腸末端的腸道微生物群修飾，以發揮其益生元作用，促進良好的消化健康，影響脂質代謝，改善免疫系統和炎癥性疾病，并在保持血糖和胰島素為最佳水平方面起到有益的作用[63,64]。Li等[65]對關于菊粉對于不同時期T2DM小鼠的影響進行了研究，發現膳食菊粉可通過抑制炎癥和調節腸道微生物區系，緩解T2DM的不同階段，結果顯示，經過菊粉干預的T2DM小鼠空腹血糖、糖化血紅蛋白和血脂等指標出現了明顯的改善作用，IL-6和TNF-α等炎癥因子減少，腸道微生物區系測序分析門水平和屬水平的結果顯示，菊粉處理的T2DM小鼠Cyanobacteria和Bacteroides數量增加，Mucispirillum和Ruminiclostridium-6數量下降，而呈現下降趨勢的這兩種菌均具有促炎作用，提示菊粉可通過調節腸道菌群來逆轉促炎作用并減輕小鼠的T2DM。

2.3.3 微生物多糖調節腸道菌群影響T2DM

微生物多糖主要來源于真菌、細菌和藻類等，包括胞外多糖、胞壁多糖以及胞內多糖。其因無毒安全、生產周期短、易于分離純化等特點研究較多，逐漸成為植物和動物等多糖以外的另一個研究熱點。

靈芝屬于擔子菌綱多孔菌科真菌，包括多糖、三萜、甾醇等化學成分[66]。靈芝多糖作為微生物多糖，可調節腸道菌群，Chen等[67]發現靈芝多糖能改善T2DM大鼠體內Blautia(布魯菌)，Dehalobacterium(嗜鹽桿菌)、Parabacteroides和Bacteroides含量較低的情況，并能降低潛在致病菌Aerococcus(氣球菌)、Ruminococcus、Corynebactrium(棒狀桿菌)以及Proteus的相對豐度，使T2DM大鼠腸道微生物區系恢復到正常水平，恢復腸道細菌群落紊亂的氨基酸代謝、碳水化合物代謝、炎性物質代謝和核酸代謝，且可與宿主的代謝產物相互作用來實現其抗糖尿病作用。

灰樹花常被用作食用和藥用真菌，以β-葡聚糖為主的灰樹花多糖具有很高的藥用價值，灰樹花多糖分解產生的鼠李糖、巖藻糖、甘露糖和半乳糖等可被腸道菌群利用來產生SCFAs，改變腸道菌群組成[68,69]。Guo等[70]研究了灰樹花多糖對于T2DM小鼠的降糖降脂效果以及腸道菌群的影響，結果顯示，灰樹花多糖能明顯改善T2DM小鼠的空腹血糖值以及糖耐量，顯示出了較好的降糖效果，相比于糖尿病組小鼠，多糖給藥組小鼠的Roseburia(羅氏菌屬)、Lachnoclostridium(酪酸桿菌)、Lachnospiraceae-NK4AB6-group和Alistipes(另枝菌屬)數量增加且伴隨著SCFAs含量的增加，相反，Enterococcus(腸球菌)、Aerococcus、Streptococcus(鏈球菌)和Staphylococcus(葡萄球菌)等菌群數量降低。

桑黃是一種廣受歡迎的藥用蘑菇，含有多糖、三萜以及呋喃等多種生物活性成分，具有降血糖、抗炎和抗腫瘤等眾多藥理活性[71]。Liu等[72]研究了桑黃多糖和腸道微生物區系的相互作用，以及對于T2DM的影響，發現桑黃多糖可通過增加SCFAs產生菌的數量來增加SCFAs的水平以維持腸道屏障功能，降低血液中脂多糖含量，從而有助于減輕全身炎癥反應，逆轉胰島素抵抗，這些SCFAs產生菌包括Lachnospiraceae-NK4A136、Lachnospiraceae-UCG-006、Roseburia、Prevotella9、Blautia、Ruminiclostridium-9、Eubacterium_xylanophilum、Anaerotruncus(厭氧球菌)以及Oscillibacter(顫螺菌屬)，同時也降低了Escherichia等可促進LPS分泌的菌屬。

3 小結與展望

糖尿病及其并發癥嚴重影響著人類生命健康，發病機制復雜，需要從不同角度去研究治療糖尿病及其并發癥。腸道菌群影響著體內SCFAs生成、膽汁酸和支鏈氨基酸代謝以及內毒素的分泌，在T2DM復雜機制研究中有著至關重要的作用。因此，發展能通過調節腸道菌群來治療T2DM的天然藥物是當前趨勢。多糖安全且毒副作用小，具有良好的益生元效應和血糖調控作用[8,41]。多糖影響體內腸道菌群的結構，其所改變的菌群類型并不固定，但大多都是通過增加有益菌的含量，如Bacteroides、丁酸產生菌；減少Shigella、Escherichia等有害菌；并增加SCFAs的含量，影響包括LPS在內等物質的代謝，從而改善T2DM引起的腸道內生態紊亂，這對于緩解并治療T2DM有著重要的意義。

盡管多糖在調控血糖和維持腸道菌群方面表現出良好的治療效果，但目前多糖的研究與開發仍面臨著重大的挑戰。主要表現在：多糖結構復雜不均一，關于多糖化學結構的表征頗具挑戰性，難以明確構效關系，體內代謝研究也較為匱乏，不同來源的多糖分離難度不一且質量難以控制。并且，腸道菌群種類繁多，不同來源多糖對腸道菌群結構組成的影響也不盡相同。此外，目前多糖與腸道菌群相互作用的研究多數僅限于動物實驗層面。因此，基于腸道菌群研究多糖對T2DM的作用，首先需要明確多糖的結構及質量控制標準，在此基礎上，明確多糖的構效關系，深入探討多糖對腸道菌群的影響，擴大多糖的臨床應用范圍，可為開發維持腸道穩態、防治T2DM的活性多糖提供新思路以及依據。