袁宵瀟，羅飛宏

(復旦大學附屬兒科醫(yī)院內(nèi)分泌科，上海 201102)

肥胖和2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)是全球流行病。2000年，全球成人糖尿病患者約1.51億，到2017年已達4.25億，預計2045年糖尿病患者總?cè)藬?shù)超過6.29億[1]。全球女性青少年中，肥胖的患病率從1975年的0.7%上升到2016年的5.6%[2]。糖尿病、肥胖是基因和環(huán)境因素共同作用的代謝性疾病，對人類和動物模型的研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群與代謝性疾病密切相關(guān)，但具體因果關(guān)系尚未闡明。目前已知的腸道菌群有500～1 000種，有約100萬億細菌組成，可編碼約330萬個特異性基因。門水平的腸道菌群包括擬桿菌門、厚壁菌門、放線菌門、變形菌門和疣微菌門，各菌群根據(jù)pH梯度和氧含量不同而分布在胃腸道的不同部位。腸道菌群代謝過程17.9%歸因于遺傳(主要指垂直傳遞)，67.7%受到環(huán)境、飲食等外在因素的影響[3]。

腸道菌群被稱為攜帶人體“第二基因”的“隱形器官”，逐漸成為研究熱點，甚至被認為是內(nèi)分泌器官。腸道菌群結(jié)構(gòu)和功能改變可促進肥胖，肥胖者腹部脂肪的堆積導致肝臟、肌肉等組織對葡萄糖的利用下降；此外，肥胖者體內(nèi)非酯化脂肪酸和炎癥因子水平升高可產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和氧化應(yīng)激，進而導致胰島素抵抗，糖尿病發(fā)病風險與肥胖程度及其持續(xù)時間密切相關(guān)?，F(xiàn)就腸道菌群與肥胖和糖尿病關(guān)系的研究進展予以闡述。

1 循證依據(jù)

1.1腸道菌群與T2DM T2DM是以進行性胰島β細胞功能障礙和胰島素抵抗為特點的糖脂代謝疾病。T2DM與腸道菌群失調(diào)相關(guān)，Larsen等[4]對比18對健康男性和超重T2DM男性的研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者厚壁菌門細菌數(shù)量明顯減少，擬桿菌門細菌(大腸埃希菌、沙門菌、擬桿菌和變形桿菌)數(shù)量增多，擬桿菌門與厚壁菌門比值與糖耐量降低呈正相關(guān)。但另有研究發(fā)現(xiàn)，T2DM中厚壁菌門與擬桿菌門比值相對升高。Karlsson等[5]的研究發(fā)現(xiàn)，與正常人群糞便相比，T2DM患者糞便中有4種乳酸菌增加，5種梭狀芽孢桿菌減少，糖化血紅蛋白和血糖水平與乳酸菌豐度呈正相關(guān)，與梭菌豐度呈負相關(guān)。Koh等[6]的研究發(fā)現(xiàn)，咪唑丙酸(T2DM相關(guān)的腸道菌群代謝組氨酸產(chǎn)物)通過p38γ/p62/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白C1通路影響胰島素抵抗，導致胰島素信號受損。腸道菌群的變化(如擬桿菌門與厚壁菌門比值降低、產(chǎn)丁酸鹽菌減少等)均與T2DM密切相關(guān)，對腸道菌群的研究可為T2DM的防治提供新思路。

1.2腸道菌群與1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus，T1DM) T1DM是一種器官特異性的自身免疫疾病，由胰島β細胞破壞或功能衰竭導致胰島素分泌不足，是遺傳、免疫、環(huán)境等多種因素共同作用的結(jié)果，但具體機制尚不清楚。隨著高通量測序技術(shù)組學時代的到來，人們對腸道菌群有了新的認識，腸道菌群可能作為環(huán)境因素參與T1DM的發(fā)生發(fā)展。Wen等[7]發(fā)現(xiàn)，在無特定病原體條件下，敲除髓樣分化因子88非肥胖型糖尿病小鼠未發(fā)生T1DM；而無菌環(huán)境對敲除髓樣分化因子88非肥胖型糖尿病小鼠無保護作用，表明細菌可通過髓樣分化因子88通路影響T1DM的發(fā)生。一項針對漢族T1DM患者的研究發(fā)現(xiàn)，T1DM患者腸道擬桿菌增多，厚壁菌減少，且擬桿菌豐度與自體抗體呈正相關(guān)，而糞桿菌豐度與糖化血紅蛋白呈負相關(guān)[8]。

1.3腸道菌群與肥胖癥 腸道菌群可影響宿主能量代謝、免疫系統(tǒng)和炎癥反應(yīng)，影響肥胖、胰島素抵抗等代謝綜合征。Gordon團隊首次提出“腸道菌群作為環(huán)境因素調(diào)節(jié)脂肪存儲”觀點，并發(fā)現(xiàn)肥胖者腸道厚壁菌增多而擬桿菌減少，擬桿菌與厚壁菌比值下降[9]。趙立平團隊首次發(fā)現(xiàn)，接種陰溝腸桿菌的無菌小鼠出現(xiàn)肥胖和胰島素抵抗現(xiàn)象，且Fial基因活性明顯降低，提示陰溝腸桿菌可抑制Fial活性，導致肥胖；降低腸道陰溝腸桿菌數(shù)量后，小鼠體重明顯下降[10]。Liu等[11]對中國肥胖人群腸道菌群特征的研究發(fā)現(xiàn)，多形擬桿菌可降低血清谷氨酸水平，促進脂肪分解代謝；行Roux-en-Y胃旁路術(shù)后，肥胖患者腸道的多形擬桿菌數(shù)量明顯增多，血清谷氨酸水平明顯降低。

此外，腸道菌群可協(xié)同生物鐘，通過捕獲來自視神經(jīng)的光線調(diào)節(jié)NFIL3轉(zhuǎn)錄因子，從而調(diào)控脂肪攝入和儲存，因此，夜間工作者的代謝性疾病患病率更高。Thaiss[12]研究發(fā)現(xiàn)，菌群通過血清多胺影響宿主生物鐘和代謝節(jié)律，而擾動生物鐘可促使菌群向“肥胖型”轉(zhuǎn)化，且肥胖者減肥成功后，與肥胖相關(guān)的菌群長期存在，菌群“記憶”可促進體重反彈，與菌群降解膳食黃酮引起的能耗減少有關(guān)。但也有研究認為肥胖與腸道菌群不存在關(guān)聯(lián)，這一爭議可能與飲食、地理及微生物分析法等因素的差異性有關(guān)。

2 相關(guān)機制

2.1慢性炎癥與免疫機制 肥胖及糖尿病等代謝性疾病是慢性低度炎癥性疾病。脂多糖是革蘭陰性桿菌細胞壁主要活性成分，當腸屏障破壞時，黏膜通透性增加，毒素、食物抗原和感染因子從胃腸腔移位到靶組織，如脂多糖釋放進入血液循環(huán)，與CD14形成脂多糖-脂多糖結(jié)合蛋白-CD14復合物，引起一系列非特異性炎癥級聯(lián)反應(yīng)，導致腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-6等大量炎癥因子的轉(zhuǎn)錄合成，引發(fā)肥胖和糖尿病等全身慢性非特異性炎癥。Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)信號轉(zhuǎn)導不僅發(fā)揮先天免疫應(yīng)答作用，還能誘導有益細菌的耐受，維持體內(nèi)平衡。研究發(fā)現(xiàn)，代謝綜合征患者TLR表達活性增強，TLR2或TLR缺乏時，糖尿病腎病等并發(fā)癥的發(fā)生率降低[13]。Alam等[14]發(fā)現(xiàn)，腸道菌群缺乏可導致小鼠腸內(nèi)輔助性T細胞1、輔助性T細胞17、調(diào)節(jié)性T細胞的分化失衡。此外，胰島調(diào)節(jié)性T細胞還有助于致糖尿病性T細胞的調(diào)控。未來可能通過T細胞免疫干預的方式改變腸道生物學特性，以治療T1DM。由此可見，慢性炎癥與免疫應(yīng)答在肥胖、胰島素抵抗和糖尿病的發(fā)展中至關(guān)重要。

2.2短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs) SCFAs主要是膳食纖維經(jīng)腸道菌群發(fā)酵代謝的產(chǎn)物，在腸道細胞增殖和肥胖整體調(diào)控中起主導作用。擬桿菌主要產(chǎn)生乙酸鹽和丙酸鹽，厚壁菌產(chǎn)生丁酸鹽，SCFAs類型受到厚壁菌和擬桿菌比例的影響。乙酸是膽固醇合成的底物，丙酸影響脂肪生成和糖異生，丁酸是結(jié)腸細胞的主要能量來源，可提高胰島素敏感性，并發(fā)揮抗炎、抗肥胖作用。

SCFAs可通過結(jié)腸黏膜上的非酯化脂肪酸受體2調(diào)節(jié)血糖，還可作為能量調(diào)節(jié)的信號分子激活G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptor，GPR)41和GPR43。SCFAs與GPR43結(jié)合可抑制炎癥反應(yīng)，誘導胰高血糖素樣肽1產(chǎn)生，調(diào)節(jié)血糖穩(wěn)態(tài)。SCFAs與GPR41結(jié)合后促進酪酪肽產(chǎn)生，抑制腸道蠕動并提高胰島素敏感性[15]。近年開發(fā)了新型靶向給藥系統(tǒng)，在近端結(jié)腸輸送丙酸鹽，以降低超重者的能量攝入[16]。補充膳食SCFAs能夠改善肥胖者的血糖水平，并提高胰島素敏感性?？梢?，腸道菌群可通過其代謝產(chǎn)物SCFAs影響宿主代謝，SCFAs、胃腸激素和血糖穩(wěn)態(tài)之間存在相互關(guān)系。

2.3膽汁酸鹽 腸道菌群是膽汁酸合成代謝的“調(diào)節(jié)器”，影響膽汁酸毒性、疏水性和調(diào)節(jié)作用。初級膽汁酸為腸道菌群提供生長信號，促進休眠和無毒形式孢子萌發(fā)，并促進抗生素等因素引起的菌群失調(diào)的恢復。糞膽酸調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，糞膽酸水平升高使厚壁菌增加，而擬桿菌減少。膽汁酸與法尼酯X受體和GPR結(jié)合，促進褐色脂肪組織消耗能量，改善肥胖和胰島素抵抗。微生物通過產(chǎn)生的激動劑和拮抗劑調(diào)節(jié)GPR5和法尼酯X受體，進而影響宿主生理。研究發(fā)現(xiàn)，無菌大鼠的膽固醇含量較常規(guī)飼養(yǎng)大鼠高，后續(xù)研究也發(fā)現(xiàn)，無菌動物腸道中結(jié)合膽汁酸水平升高，糞便排泄減少[17]。

Kuno等[18]利用抗生素制備菌群失調(diào)小鼠模型的研究發(fā)現(xiàn)，次級膽汁酸可影響部分糖脂代謝的分子機制，抗生素菌群失調(diào)組小鼠血糖和三酰甘油水平較正常對照組小鼠分別下降64%和43%，而補充次級膽汁酸和抗生素時，小鼠糖脂水平恢復正常。Zheng等[19]將膽汁酸加入正常小鼠飲食的研究發(fā)現(xiàn)，小鼠體質(zhì)指數(shù)顯著升高，且其腸道菌群結(jié)構(gòu)近似肥胖小鼠；而將法尼酯X受體激動劑GW4064加入高脂小鼠飲食，膽汁酸合成受到抑制，小鼠體質(zhì)指數(shù)、腸道菌群結(jié)構(gòu)均趨向正常，可見腸道菌群可通過調(diào)控膽汁酸代謝參與肥胖、糖尿病等疾病的發(fā)展。因此，干預膽汁酸代謝有望成為肥胖、糖尿病等代謝性疾病研究的新方向[20]。

3 干預措施

3.1飲食干預 膳食纖維可增加飽腹感、提高胰島素敏感性、維持糖脂代謝平衡。流行病學研究表明，膳食纖維可提高腸道微生物多樣性，與T2DM發(fā)病率成反比，如增加高纖維食物的攝入可使普氏菌增加。趙立平團隊研究發(fā)現(xiàn)，高膳食纖維可促進有益菌(產(chǎn)乙酸和丁酸等)增加，并抑制產(chǎn)吲哚和硫化氫細菌[21]。研究發(fā)現(xiàn)，綠茶多酚可調(diào)節(jié)糖尿病小鼠的腸道菌群，并可通過抑制β細胞損傷改善血糖[22]。另有研究表明，高纖維食物可增加腸道吲哚丙酸的產(chǎn)生，吲哚丙酸可通過促進β細胞分泌預防T2DM[23]。一項對2 339名70～90歲歐洲人的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地中海飲食可使人群總死亡率降低23%[24]。西式飲食損害小鼠結(jié)腸黏液層的滲透性和生長能力，而雙歧桿菌和菊粉可部分恢復腸黏膜屏障效應(yīng)。另有研究表明，飲食的西方化使菌群多樣性減少，導致原生菌群喪失、纖維相關(guān)酶的降解減少、優(yōu)勢菌株從普氏菌向擬桿菌轉(zhuǎn)變，飲食西方化的程度越大，對腸道微生物的危害越大，此現(xiàn)象在肥胖者和二代移民中更顯著[25]。以上研究為腸道菌群在飲食、代謝與健康相互關(guān)系的探索提供新思路。

3.2益生元和益生菌 益生菌能改善腸道菌群紊亂、降低黏膜通透性、減輕腸道炎癥反應(yīng)，益生元可刺激腸道有益菌生長繁殖，改善糖耐量。乳桿菌和雙歧桿菌廣泛用于胃腸功能紊亂的治療，如艱難梭菌感染[26]。黏桿菌屬A是一種可降解黏蛋白的細菌，其高豐度與肥胖、糖尿病等代謝狀態(tài)改善相關(guān)。Plovier等[27]研發(fā)了非復制型、巴氏滅菌黏桿菌屬A制劑，可改善肥胖和糖尿病小鼠模型的糖代謝。有Meta分析顯示，短期(≤12周)補充益生菌可降低體質(zhì)指數(shù)，但效果欠佳。益生菌對抗生素所致腸道菌群改變的恢復可能無效，甚至對菌群的恢復不利[28]。一項對隨機臨床試驗的系統(tǒng)回顧研究未發(fā)現(xiàn)益生菌在腸道持續(xù)定植的證據(jù)[29]，因此，益生菌和益生元對代謝性疾病的作用有待進一步探究。

3.3藥物 目前，關(guān)于二甲雙胍的主要作用位點及降糖機制仍存在爭議。近年研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍主要作用于腸道菌群。對199例T2DM患者和544名健康人的薈萃分析發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍對腸道菌群構(gòu)成有顯著影響[30]。二甲雙胍通過增加胰高血糖素樣肽-1、SCFAs以及甘氨酸水平誘導微生物群改變，并恢復葡萄糖感應(yīng)，觸發(fā)鈉葡萄糖共轉(zhuǎn)運載體1依賴途徑以調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)[31]。此外，二甲雙胍還通過抑制脆弱擬桿菌生長，降低該菌膽鹽水解酶活性，使甘氨熊去氧膽酸水平升高，以不依賴于腺苷酸活化的蛋白激酶方式抑制法尼酯X受體信號，從而改善代謝。Gu等[32]研究發(fā)現(xiàn)，阿卡波糖可使T2DM患者腸道雙歧桿菌、乳酸菌等顯著增加，并使梭菌和擬桿菌明顯減少；此外，對血漿和糞便膽汁酸的研究證實，阿卡波糖可改變膽汁酸代謝譜，影響宿主膽汁酸信號，改善機體代謝，如降低血漿及糞便的毒性次級膽汁酸濃度，此功能與腸道菌群的次級膽汁酸代謝功能一致。

中藥可改善腸道菌群組成和病理狀態(tài)。靈芝可將厚壁菌門與擬桿菌門比值降至正常，小檗堿可通過免疫調(diào)節(jié)防止非肥胖型糖尿病小鼠罹患T1DM。中藥通過改變腸道菌群預防疾病的具體機制尚不清楚，有待廣泛深入的研究。

3.4Roux-en-Y胃旁路術(shù) Roux-en-Y胃旁路術(shù)與微生物群改變和膽汁酸代謝有關(guān)，術(shù)后變形菌增加，血漿膽汁酸升高，多數(shù)T2DM患者術(shù)后數(shù)天內(nèi)血糖恢復正常。飲食誘導肥胖C57BL/6J小鼠行Roux-en-Y胃旁路術(shù)后1周，其腸道菌群構(gòu)成改變，5周后腸道菌群趨于穩(wěn)定，且擬桿菌、疣微菌、變形菌增加。將經(jīng)Roux-en-Y胃旁路術(shù)減重小鼠腸道菌群接種于無菌小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠的胰島素敏感性改善，三酰甘油水平降低，體重顯著減輕[33]。Liou等[34]的研究發(fā)現(xiàn)，行Roux-en-Y胃旁路術(shù)小鼠的體重明顯減輕，而假手術(shù)組小鼠術(shù)后2～3周體重回升，且減肥手術(shù)組小鼠糞便中的能量含量更高，血糖和胰島素水平也明顯改善。故認為，減肥手術(shù)可通過減少攝入和增加排泄來減輕體重、改善機體糖代謝。

3.5糞便移植(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT) FMT是分析疾病因果關(guān)系的有效工具。對18例接受瘦者FMT肥胖者的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)MT肥胖者肝臟和外周組織胰島素敏感性顯著改善，產(chǎn)丁酸鹽菌明顯增加[35]。Ridaura等[36]發(fā)現(xiàn)，接受肥胖供體來源FMT無菌小鼠的體重較接受瘦供體來源無菌小鼠增加更多。目前關(guān)于FMT的研究較少，其具體作用機制尚不清楚，仍有待進一步的深入研究。

3.6遺傳工程菌群 近年來，表達治療因子的轉(zhuǎn)基因細菌成為遺傳代謝性疾病研究的新方向，目前工程菌主要包括大腸埃希菌Nissle 1917、乳酸乳球菌、卵形擬桿菌和干酪乳桿菌等。大腸埃希菌Nissle 1917可表達一種脂類前體分子——N-?；字Ｒ掖及罚梢疬M食減少和體重減輕。應(yīng)用改造工程菌的方法治療自身免疫性疾病的嘗試也在進行，如利用經(jīng)遺傳修飾產(chǎn)生胰高血糖素樣肽-1的重組乳酸乳球菌刺激糖尿病小鼠的胰島素分泌，此外，還可通過增加表達胰島素前體基因和免疫抑制因子基因的工程菌逆轉(zhuǎn)糖尿病小鼠的糖尿病癥狀，但目前工程菌的研究仍處于實驗階段，尚需進一步的深入研究。

4 小 結(jié)

腸道菌群調(diào)控宿主免疫、營養(yǎng)、能量代謝等過程。菌群失調(diào)參與肥胖和糖尿病等代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展，其機制包括引起慢性低度炎癥、生成短鏈脂肪酸、調(diào)節(jié)膽汁酸鹽合成代謝等。通過以糾正腸道菌群失調(diào)為靶標的干預手段(如調(diào)整飲食結(jié)構(gòu)、補充益生元和益生菌、藥物治療、Roux-en-Y胃旁路術(shù)、糞便移植、遺傳工程菌等)治療肥胖和糖尿病，因此，調(diào)節(jié)腸道菌群成為肥胖和糖尿病研究的新方向。目前，臨床用于調(diào)節(jié)腸道菌群的治療方法較少，效果有限，需要結(jié)合宏基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學和代謝組學的研究進行較大樣本的前瞻性研究。在精確醫(yī)學背景下，未來可能將個性化、具有遺傳修飾的微生物群用于代謝性疾病的防治，通過飲食影響菌群的“菌群營養(yǎng)學”有望成為新型治療方法的核心。可見，對腸道菌群的研究將為肥胖、糖尿病等代謝性疾病的早期防治提供新的思路。