廖慧敏,胡渺渺,黃曉珊,毛楚茵,周琳
【提要】 妊娠期糖尿病發(fā)病率逐年上升,導(dǎo)致不良的母嬰結(jié)局,且發(fā)病機(jī)制目前暫不明確。近期研究發(fā)現(xiàn),腸道內(nèi)某些特殊菌群的異常變化及腸道菌群失調(diào),使宿主體內(nèi)代謝發(fā)生紊亂可能促使疾病的發(fā)生。本文從妊娠期糖尿病的腸道菌群改變、可能潛在的機(jī)制等方面進(jìn)行回顧及綜述,總結(jié)近年來(lái)的研究進(jìn)展,希望對(duì)妊娠期糖尿病與腸道菌群的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。
妊娠期糖尿?。╣estational diabetes mellitus,GDM)是指婦女在妊娠期間首次發(fā)生或確診的不同程度的糖耐量異常狀態(tài),是妊娠中晚期最常見(jiàn)的并發(fā)癥之一,發(fā)病率逐年升高[1]。流行病學(xué)調(diào)查顯示,全球高達(dá)8.8%的孕婦患有GDM,在一些國(guó)家和地區(qū)這一數(shù)值超過(guò)20%[2]。據(jù)調(diào)查顯示我國(guó)妊娠糖尿病的發(fā)病率約為11.91%[3],隨人民生活水平提高及三胎政策的開(kāi)放,這一數(shù)值可能呈進(jìn)一步增勢(shì)。GDM的主要發(fā)病機(jī)制是胰島素抵抗和胰島β細(xì)胞功能相對(duì)不全,不僅對(duì)孕婦造成極大危害,包括孕婦妊娠期高血壓病、胎盤早剝、胎膜早破、流產(chǎn)等,還可對(duì)胎兒、新生兒甚至發(fā)育期兒童產(chǎn)生不良影響,如胎兒畸形、新生兒窒息、兒童認(rèn)知功能障礙等[4]。此外,GDM孕婦及其子代的將來(lái)發(fā)生2型糖尿病及心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增高[5]。
腸道菌群是人體內(nèi)最大的共生微生物群,對(duì)維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)、免疫調(diào)節(jié)起到重要作用[6-7]。腸道內(nèi)菌群多樣性變化和菌群構(gòu)成比例的失調(diào)破壞腸道環(huán)境的穩(wěn)態(tài),可導(dǎo)致包括GDM 在內(nèi)的多種代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展[8]。自2012年Koren等人[9]首次報(bào)道了腸道菌群與妊娠晚期的代謝紊亂、炎癥狀態(tài)及胰島素抵抗的關(guān)聯(lián)以來(lái),國(guó)內(nèi)外已有不少GDM與腸道菌群的相關(guān)研究[10-11]。最新研究表明,腸道菌群失調(diào)可能通過(guò)影響宿主代謝的途徑參與包括GDM在內(nèi)的多種代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展。本文綜述腸道菌群與GDM的相關(guān)研究及最新進(jìn)展,為未來(lái)腸道菌群作為GDM的防治措施之一奠定基礎(chǔ)。
妊娠是特殊的生理過(guò)程,在此期間母體出現(xiàn)一系列生理變化如體重增加、血壓升高、血脂異常、空腹血糖水平升高、胰島素抵抗和激素水平變化等,以促進(jìn)胎盤和胎兒的生長(zhǎng)發(fā)育[12-13]。研究證明孕期的生理改變與腸道菌群的變化有關(guān)[9,14]。2012年,Koren等[9]詳細(xì)報(bào)道了孕婦腸道菌群在妊娠期間的動(dòng)態(tài)變化。他們隨訪了91名芬蘭孕婦,其中有15名孕婦隨后被診斷為GDM,發(fā)現(xiàn)孕早期的腸道菌群分布情況與孕前沒(méi)有明顯差異,但和孕早期相比,孕晚期腸道菌群的α多樣性明顯降低,β多樣性增加,放線菌門和變形菌門相對(duì)豐度顯著增加,且β多樣性的增加與孕前BMI及是否患有GDM無(wú)關(guān)。其中,可產(chǎn)丁酸鹽的厚壁菌門下的糞桿菌屬和真桿菌屬的相對(duì)豐度在孕晚期明顯增加。此外,Koren等[9]進(jìn)一步將孕早期和孕晚期孕婦的糞便樣本分別移植到無(wú)菌小鼠內(nèi),結(jié)果發(fā)現(xiàn)移植了孕晚期糞便組的小鼠促炎因子水平更高,更容易出現(xiàn)肥胖及胰島素抵抗表型。
妊娠期間腸道菌群還與體重有關(guān),在孕期,擬桿菌、大腸桿菌、腸桿菌的相對(duì)豐度增加與孕期體重增加相關(guān)[15]。此外,有研究發(fā)現(xiàn),在正常血糖孕婦中腸道菌群的構(gòu)成與一系列代謝激素水平有關(guān)[16]。例如,胰島素水平與柯林斯氏菌屬(Collinsella)呈正相關(guān),腸促胰素與糞球菌屬呈正相關(guān)而與瘤胃球菌科(family Ruminococcaceae)呈負(fù)相關(guān)。
而在孕中期,Kuang等[17]比較了81例正常血糖孕婦和43例GDM女性發(fā)現(xiàn)前者腸道菌群中雙歧桿菌屬和真桿菌屬、Alistipes spp的相對(duì)豐度更高。Ye等[10]則分析發(fā)現(xiàn),孕中期時(shí)正常血糖孕婦中布勞特氏菌屬、霍氏真桿菌的豐度降低,而糞桿菌屬豐度增高。此外,Chen等[18]開(kāi)展了110例GDM孕婦和220例正常血糖孕婦的病例對(duì)照研究,發(fā)現(xiàn)孕中期時(shí),血糖正常孕婦的α多樣性更高,且芽殖菌屬(Gemmiger)、雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)、梭菌目(Clostridiales)、瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)是血糖正常孕婦的生物標(biāo)志物。另一項(xiàng)研究則發(fā)現(xiàn),在孕中期,變形菌門的脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)和低嗜鹽細(xì)菌屬(Dehalobacterium)是血糖正常孕婦的標(biāo)志物[19]。然而,Daniel[19]和Jordan[21]等的研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群在妊娠期間沒(méi)有顯著的動(dòng)態(tài)變化。
與健康孕婦相比,GDM孕婦的腸道菌群多樣性有明顯差異,此外在菌群構(gòu)成上也有明顯差異,主要表現(xiàn)在門、屬、種的水平。
Liu[22],Yang[23]、Kuang[17]等分析GDM組與健康組的糞便微生物,結(jié)果均發(fā)現(xiàn)GDM人群腸道菌群α多樣性明顯減低,且α多樣性的減少與血糖升高有關(guān)。但Cortez等[24]的結(jié)果相反,他們發(fā)現(xiàn)GDM孕晚期的α多樣性較血糖正常組增高。還有部分研究的結(jié)果則發(fā)現(xiàn)孕晚期的GDM組和正常血糖孕婦組的腸道菌群α多樣性無(wú)顯著差異[10-11,25-27]。大部分研究采用16SrRNA測(cè)序方法,只有一項(xiàng)研究采用全基因組鳥(niǎo)槍法測(cè)序法(Whole-metagenome shot-gun sequencing)[17]。然而有研究報(bào)道16SrRNA與全基因組鳥(niǎo)槍測(cè)序法得出的一致性結(jié)果較差[28]。還有研究報(bào)道,與16SrRNA的V3-V5區(qū)測(cè)序相比,V1-V3區(qū)測(cè)序得出的結(jié)果往往會(huì)顯示多樣性更高[29]。目前對(duì)16SrRNA高變區(qū)的選擇并沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。這些相互矛盾的結(jié)果可能由研究樣本量大小、人種差異、地域差異及具體測(cè)序方法的不同等多個(gè)因素所導(dǎo)致。目前尚未有研究針對(duì)GDM人群對(duì)比不同測(cè)序方法得出的多樣性結(jié)果。因此,還需要對(duì)GDM的腸道菌群進(jìn)行更多大樣本、測(cè)序方法更多樣化的高質(zhì)量研究。
至于β多樣性,也是多個(gè)研究的結(jié)果不一。多數(shù)研究收集孕中期或孕晚期的糞便分析,發(fā)現(xiàn)GDM和血糖正常孕婦兩組間的β多樣性存在顯著差異[10,17,22-23,25-26]。但也有研究報(bào)道,對(duì)于孕晚期的GDM,其腸道菌群的β多樣性和正常血糖孕婦相比沒(méi)有差異[11,24,27]。如上面提到的一樣,這些不一致的結(jié)果可能與納排標(biāo)準(zhǔn)、樣本量、和計(jì)算方法的選用有關(guān)。關(guān)于GDM人群的孕中期、孕晚期腸道菌群的β多樣性改變,仍需進(jìn)一步研究。
2.3.1 門水平
在門水平上,GDM人群在在孕中期時(shí)的厚壁菌門豐度高于與非GDM人群,擬桿菌門豐度低于非GDM人群,厚壁菌門/擬桿菌門的比值(F/B)增加[24],且F/B值與血糖、胰島素抵抗呈正相關(guān)[30]。GDM孕婦即使在產(chǎn)后,其F/B值也高于血糖正常組[31]。F/B是反映腸道菌群紊亂的重要指標(biāo),其異常變化往往意味著宿主體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的失衡并導(dǎo)致一系列病理過(guò)程。有大量報(bào)道顯示,較高的F/B與肥胖[32-33]及低級(jí)別炎癥[34]有關(guān)。F/B比值失調(diào)與宿主代謝紊亂有關(guān)[35]。厚壁菌門和擬桿菌門可能通過(guò)調(diào)節(jié)胰高血糖素樣肽1(GLP-1)來(lái)介導(dǎo)胰島素抵抗和能量平衡[36-37]。然而我國(guó)的一項(xiàng)研究則報(bào)道,GDM組的擬桿菌門豐度增加,厚壁菌門減少,即F/B值減低[18]。
2.3.2 屬水平
一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)在孕中期的GDM女性中,其副桿菌屬、巨單胞菌屬(Megamonas)、考拉桿菌屬(Phascolarctobacterium)的豐度高于非GDM女性[17]。通過(guò)功能代謝分析,還發(fā)現(xiàn)脂多糖合成及轉(zhuǎn)出途徑與血糖水平呈正相關(guān)[38-39]。在屬水平上,與血糖正常的孕婦相比,GDM孕婦的普氏菌、嗜血桿菌和脫硫弧菌的相對(duì)豐度更高[24]。多項(xiàng)研究均報(bào)道在GDM人群中,可產(chǎn)短鏈脂肪酸的棲糞桿菌屬(Faecalibacterium)[10-11,22,40]、瘤胃球菌屬[11]、糞球菌屬(Coprococcus)[27,41]豐度減少,且糞球菌屬(Coprococcus)與血糖水平升高有關(guān)[41]。但也有研究報(bào)告GDM人群中棲糞桿菌屬豐度[41]、瘤胃球菌屬豐度[24]增高。
2.3.3 種水平
在種水平上,與血糖正常孕期女性相比,GDM女性中益生菌豐度減少——放線菌門下的益生菌雙歧桿菌和厚壁菌門下的干酪乳桿菌[17,26]。雙歧桿菌和乳酸桿菌已被證明是益生菌之一,可通過(guò)減少全身炎癥反應(yīng),調(diào)節(jié)免疫功能,增強(qiáng)腸道黏膜屏障,從而減輕胰島素抵抗[42]。Wu等人報(bào)道腐爛別樣桿菌(Alistipes putredinis)和干酪乳桿菌(Lactobacillus casei)在GDM人群中豐度減低,而多氏擬桿菌(Bacteroides dorei)豐度增高,且腐爛別樣桿菌(Alistipes putredinis)與OGTT的1 h和2 h血糖呈負(fù)相關(guān)[26]。
腸道屏障可被分為由杯狀細(xì)胞分泌的黏液構(gòu)成的黏液層和上皮細(xì)胞間緊密連接,在抵御腸道病原體入侵方面起到重要作用[43]。Liu等人[22]發(fā)現(xiàn)可降解黏液蛋白的普雷沃菌(Prevotella)在GDM女性中明顯升高。分泌型免疫球蛋白(SIgA)由腸道黏膜上皮分泌至黏膜層的抗體,富集于腸黏膜層外層,包裹了特定的腸道共生菌或致病菌,有助于保障腸道屏障的完整性[44]。故通過(guò)分析SIgA包裹致病菌的含量,可以相對(duì)評(píng)價(jià)腸道黏膜上皮的炎癥程度。Cui等[45]的研究發(fā)現(xiàn)SIgA包裹的志賀菌在GDM人群中與胰島素水平和糖化血紅蛋白呈正相關(guān)。Zhang等[39]報(bào)道SIgA包裹的鏈球菌和大腸桿菌在GDM人群中升高。
Zonulin能夠破壞上皮緊密連接,是增加腸道通透性的生理調(diào)節(jié)因子,被認(rèn)為是腸道屏障損傷的標(biāo)志。已有多個(gè)研究均發(fā)現(xiàn),在孕早期的GDM女性中,外周血Zonulin明顯升高,反應(yīng)GDM患者腸道屏障受損[39,46-48]。此外,Bawah等[48]前瞻性隨訪了314例孕期女性測(cè)定其孕早期Zonulin水平,其中有21名隨后診斷為GDM,結(jié)果發(fā)現(xiàn)GDM組的Zonulin水平在孕早期明顯升高,Zounulin每升高一個(gè)單位,GDM風(fēng)險(xiǎn)增加1.42倍。Zonulin的升高意味著腸道屏障受損,病原微生物和食物中的抗原更易進(jìn)入體循環(huán)誘發(fā)炎癥反應(yīng),促進(jìn)胰島素抵抗[47]。
Ferrocino[47]對(duì)41例GDM女性觀察隨訪發(fā)現(xiàn),高脂飲食與革蘭陰性菌另枝菌(Alistipes)有關(guān)。并且一系列研究表明,GDM女性中副擬桿菌屬(Parabacteroides)[17],普雷沃菌(Prevotella)[22,40]、脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)[26]等革蘭陰性菌均明顯升高。功能代謝分析還發(fā)現(xiàn),GDM女性中腸道菌群內(nèi)毒素(LPS)合成及轉(zhuǎn)運(yùn)途徑豐富[17,50]。LPS是革蘭氏陰性菌細(xì)菌壁的一種成分。腸道菌群中革蘭陽(yáng)性菌與陰性菌的失調(diào)可能使腸道屏障通透性增高,使具有極強(qiáng)免疫原性的LPS進(jìn)入體循環(huán),刺激B淋巴細(xì)胞產(chǎn)生特異性抗體,誘發(fā)炎癥反應(yīng)和胰島素抵抗[51-53]。已有多項(xiàng)研究報(bào)道GDM人群中LPS水平高升高[39,45]。先前的研究表明,較高的循環(huán)LPS水平與肥胖、全身炎癥狀態(tài)、代謝綜合征等有關(guān)[38]。炎癥反應(yīng)和一些促炎因子的釋放干擾了GDM 女性的胰島素下游信號(hào)傳導(dǎo),導(dǎo)致胰島素抵抗及一系列代謝功能障礙,從而使血糖升高[54]。
短鏈脂肪酸(SCFA)是腸道菌群分解發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物,主要包括丁酸鹽、乙酸鹽、丙酸鹽、甲酸鹽等[55]。Ferrocino等人的研究證明,高脂飲食或低纖維飲食的GDM女性的厚壁菌門豐度升高,而擬桿菌門豐度降低,產(chǎn)SCFA菌群增多[49]。同樣的,Zheng等人[26]通過(guò)宏基因組功能通路差異分析發(fā)現(xiàn),與血糖正常的女性相比,GDM女性的丁酸和丙酸等生成減少,表明SCFA通路存在異常。過(guò)量升高的SCFA可能使CD8+T細(xì)胞升高,誘導(dǎo)脂肪組織的炎癥[56]。另一方面,過(guò)度升高的SCFA會(huì)使宿主發(fā)生能量正平衡,促進(jìn)脂肪合成,抑制脂肪分解,導(dǎo)致肥胖[57-59]。肥胖本身也與腸道菌群失調(diào)密切相關(guān),是公認(rèn)的GDM危險(xiǎn)因素之一,GDM女性的孕前BMI往往高于孕期血糖正常女性[60]。此外,SCFA通過(guò)促進(jìn)肝臟和骨骼肌中的糖原合成和抑制糖酵解,從而調(diào)節(jié)葡萄糖代謝[61]。而肥胖及炎癥狀態(tài)會(huì)干擾胰島素的信號(hào)傳導(dǎo),減少葡萄糖攝?。?0,62]??傊琒CFA的升高可導(dǎo)致炎癥狀態(tài)、胰島素抵抗、肥胖狀態(tài),可能導(dǎo)致GDM的發(fā)生。
綜上,目前的證據(jù)表明,腸道菌群組成和代謝功能的改變?cè)贕DM的發(fā)病機(jī)制中起到了關(guān)鍵作用,可能是預(yù)測(cè)GDM發(fā)生的潛在生物標(biāo)志物,為GDM的早期防治及改善GDM的母嬰結(jié)局提供了新的研究方向。GDM女性的腸道菌群特征主要包括α多樣性和β多樣性的改變、門和屬水平上菌群豐度的變化,例如F/B比值的增高,革蘭氏陽(yáng)性菌和陰性菌比例的失衡,產(chǎn)SCFA細(xì)菌的減少等,并與腸道屏障受損、LPS入血、炎癥反應(yīng)、SCFA代謝有關(guān)。但由于研究條件所限,各研究的診斷標(biāo)準(zhǔn)、納入標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)照組選擇、測(cè)序方法不一,導(dǎo)致部分研究的結(jié)果存在爭(zhēng)議。此外,人群的地域差異、飲食習(xí)慣、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、排便習(xí)慣也可能對(duì)腸道菌群的測(cè)定產(chǎn)生影響。隨著宏基因組學(xué)及高通量測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步,未來(lái)的研究還需要涵蓋以上因素,進(jìn)一步在菌株水平上確定GDM發(fā)生發(fā)展中的特定腸道菌群,為GDM的防治提供潛在的治療靶標(biāo)并提供理論基礎(chǔ)。