王中英， 常麗納(綜述)， Xiang Fang(審校)

哺乳動物的胃腸道是一個復雜的生態(tài)系統(tǒng)，由無數(shù)與宿主處于穩(wěn)態(tài)的細菌組成，稱為腸道菌群。人體正常的生理功能會因衰老而減退，而腸道菌群對維持正常生理功能尤為重要[1]。腸道菌群通過自身代謝或通過對環(huán)境/宿主分子進行腸生物轉化，生成大量代謝終產物，稱為代謝組。胰島素抵抗(insulin resistance,IR)是2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)、阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)等數(shù)種衰老性疾病的共同特征，它涉及多種信號分子和信號通路，呈現(xiàn)出復雜的網絡關系。中樞神經系統(tǒng)IR與糖尿病之間通過腸道菌群緊密聯(lián)系在一起，共生失調可能是其共同的發(fā)病基礎。本文從IR角度，對腸道菌群代謝產物與T2DM及AD發(fā)病機制的內在聯(lián)系作一綜述。

1 腸道菌群概述

腸道菌群是寄生于腸道內的大量微生物，大約有1014，其主要由擬桿菌門(約48%)和厚壁菌門(約51%)兩種細菌門組成，其余約1%的微生物包括梭桿菌、變形菌、疣微菌、病毒和其他共生微生物[2]。腸道菌群不但可以為宿主提供多種營養(yǎng)物質，更重要的是可以通過基因組和代謝組對宿主表型發(fā)揮重要影響。腸道菌群的類群和含量受多種因素的影響，如地域、生理狀況、抗生素暴露等。在衰老過程中，牙齒缺失及咀嚼功能的下降，嗅味覺的退化，消化功能的衰減，生活方式和飲食結構的改變，都能影響腸道菌群的組成，物種共豐度網絡隨著年齡增長而重構。盡管不同個體的腸道微生物群存在差異，功能核心微生物組卻基本相同。有研究指出，腸道微生物變化與生物學年齡相關，與實際年齡無關[1]。腸道菌群通過大量代謝物與宿主相互作用，這種代謝互作的任何干擾都可能是疾病的起始和強化因素。

2 IR相關衰老疾病：T2DM和AD

衰老是組織器官和細胞功能的逐步衰退，它貫穿于生命過程的各個階段。與胰島素相關的生物代謝系統(tǒng)，被認為是長壽和物質老化的最關鍵調節(jié)器，而IR被認為是全身衰老的總體標志[3]。雖然T2DM和AD不總是相伴發(fā)生，二者關系亦尚無定論，但二者有部分共同的發(fā)病機制，如糖代謝受損、胰島素信號異常、低度慢性炎癥、氧化應激、IR[4]。T2DM和AD的病理生理機制高度重疊，但最具特征的是胰島素信號轉導障礙和淀粉樣變，二者均與IR相關[5]。

2.1胰島素信號轉導障礙 IR作為糖代謝改變的主要原因，它與細胞死亡途徑相互依存，形成了連接T2DM和AD的基礎。胰島素與特異性受體結合，激活跨膜受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase,RTK)和胰島素受體底物(insulin receptor substrates,IRSs)，開啟細胞內信號轉導。轉導主要有兩條相互交叉調控的途徑：磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol-3 kinase/protein kinase B,PI3K/AKT)通路和細胞外信號調節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)通路。

2.1.1 PI3K/AKT通路 T2DM或AD患者IRSs自磷酸化水平下調，PI3K/AKT不能充分激活，影響下游激酶的級聯(lián)激活途徑，下游靶點哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)、葡萄糖轉運蛋白4(glucose transporter 4,GLUT4)等表達紊亂。mTOR為營養(yǎng)和能量感應分子，GLUT4負責促進葡萄糖攝入并激發(fā)細胞的能量需求，二者的表達障礙引起線粒體損傷，影響腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)途徑，降低三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)和糖酵解水平，造成能量代謝障礙。PI3K/AKT的活化抑制，還使糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)這一細胞凋亡的關鍵介質增多，早老素異常增加，引起糖原、脂肪酸和蛋白質的合成障礙及β淀粉樣蛋白(amyloid β-protein,Aβ)的聚積，在T2DM及其并發(fā)癥和AD的發(fā)生發(fā)展中具有重要作用[6-7]。

2.1.2 ERK通路 ERK屬于絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)家族成員。磷酸化激活的ERK轉位到核內介導蛋白質翻譯起始因子、轉錄激活因子、立早基因等的轉錄活化，調控細胞周期，誘導中樞神經系統(tǒng)長時程增強的產生和維持，促進細胞的存活和增殖，直接參與凋亡的調控。ERK通過N-甲基-D-天冬氨酸受體作用，參與細胞形態(tài)維持、骨架構建。胰島素和葡萄糖調節(jié)蛋白等因子還可以通過此通路，抑制缺糖誘導的線粒體凋亡途徑的進程[8-9]。T2DM和AD患者均存在ERK通路紊亂，引發(fā)細胞存活障礙，加速凋亡。

2.2淀粉樣變 淀粉樣蛋白生成是T2DM和AD的共同病理學特征，具體表現(xiàn)是胰腺胰島淀粉樣多肽(islet amyloid polypeptide,IAPP)和腦內Aβ的異常聚集和沉積。IAPP在胰島β細胞內有與胰島素極其相似的合成過程，二者共存于分泌顆粒中并協(xié)同分泌。人IAPP具有極強的錯誤折疊及聚集傾向，錯誤折疊的IAPP低聚物在細胞中積累，作用于脂質膜，影響胞吐作用，破壞細胞膜的屏障功能，引起細胞損傷，加重糖尿病的病情。在AD患者中可發(fā)現(xiàn)Aβ 1～41、1～42的逐步濃集和IAPP在IR狀態(tài)下的逐步升高[10]。有研究也描述了IAPP在全身其他組織的積累，包括大腦血管和腦實質，還發(fā)現(xiàn)了IAPP和Aβ沉積的共定位。另外，IAPP可通過植入效應促進AD的Aβ累積[11-13]。淀粉樣蛋白是內質網應激(endoplasmic reticulum stress,ERS)時蛋白質錯誤折疊形成的不溶性的聚集體，ERS被廣泛認為是IR發(fā)生發(fā)展的基礎環(huán)節(jié)。蛋白質的合成和正確折疊依賴于內質網的良好功能狀態(tài)，這對于蛋白質的轉運、對受體的正確識別和有效結合以及觸發(fā)跨膜信息傳遞至關重要。IAPP與胰島素合成過程相似且協(xié)同分泌，而Aβ與胰島素共同接受胰島素降解酶降解，二者必有相同或相似的結構域，進一步解析三者的內在聯(lián)系有助于對IR相關衰老性疾病深入理解。

3 腸道菌群對機體的影響

Smith等[14]移植年輕鳉魚的糞便讓老鳉魚活得更久。Ridaura等[15]將胖瘦不同的雙胞胎的糞便移植到小鼠體內，發(fā)現(xiàn)肥胖可通過菌群轉移使小鼠出現(xiàn)肥胖相關的代謝表型，而接受瘦供體菌群的小鼠，則避免了這種代謝紊亂的發(fā)展，說明操縱腸道菌群結構有助于調節(jié)個體的能量平衡。有學者鑒定出霍氏真桿菌、羅斯氏菌和普氏糞桿菌作為人類腸道定植菌和丁酸產菌，可改善T2DM血糖控制和胰島素敏感性，且菌群的組成對T2DM具有高度的鑒別性[16]。將IR小鼠的腸道菌群移植到無菌小鼠體內后，發(fā)現(xiàn)其同樣發(fā)生了IR，并且腸道微生物群的變化可以改變大腦胰島素信號和代謝水平，從而導致神經行為的改變[17-19]。有研究發(fā)現(xiàn)，恢復腸道菌群平衡可作為防治自身免疫性血小板減少的一種新的策略，且腸道菌群與化療藥物、免疫治療藥物、靶向藥物的療效相關性及耐藥逆轉相關[20-21]。

4 腸道菌群代謝產物與IR

IR是指機體對胰島素反應性下降，導致組織細胞葡萄糖攝取和利用障礙，為T2DM的核心特征。AD患者大腦葡萄糖代謝過低，被稱為腦IR[22]。目前的研究表明，IR與宿主腸道菌群的組成變化、細菌基因表達和代謝途徑的改變有關。在此，我們重點介紹腸道菌群代謝產物，如短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)、5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)等是如何通過改變IR來影響T2DM和AD的發(fā)生發(fā)展的。

4.1SCFAs SCFAs指含有1～6個碳原子的飽和脂肪酸，主要有乙酸、丙酸和丁酸，是膳食纖維經腸道菌群發(fā)酵的主要產物。除了作為能量底物，SCFAs還可以作為信號分子，調節(jié)各種組織器官的物質能量代謝、神經內分泌和免疫炎癥反應。乙酸乙酯通過使胰島素受體底物-1(insulin receptor substrate-1,IRS-1)絲氨酸磷酸化表達減少、酪氨酸磷酸化表達增加，促使IRS-PI3K-AKT磷酸化激活，正向調控GLUT4，增加組織的葡萄糖攝取[23]。SCFAs作用于結腸黏膜的游離脂肪酸受體2，激活G蛋白偶聯(lián)受體41和G蛋白偶聯(lián)受體43，通過磷酸化ERK和p38 MAPK途徑，上調胰高糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)的表達，增強過氧化物酶體增殖活化受體γ(peroxisome proliferation activated receptor-γ,PPARγ)活性，增加線粒體解偶聯(lián)蛋白2的表達，提高AMP/ATP比值，從而通過AMPK刺激肝臟和脂肪組織的氧化代謝，可以作為一種廉價和選擇性的PPARγ調節(jié)劑用于治療[24-26]。SCFAs對維持腸道的屏障功能也有一定的作用，IR患者體內SCFAs的產生較少，導致腸道屏障受損，細菌產生的炎性進入血液循環(huán)，導致機體發(fā)生慢性炎癥，促進IR的發(fā)生[27]。SCFAs還可調控內質網蛋白質分子的正確折疊、促進質膜的運動和融合，在分泌性和膜性蛋白質二級和高級結構形成、蛋白質的運輸和分泌中有重要作用，直接影響胰島素的生物學功能和Aβ的產生，并抑制淀粉樣蛋白的聚集。丁酸鈉通過抑制組蛋白去乙?；?，下調ERS相關凋亡通路蛋白的表達，抑制ERS的相關通路減輕T2DM[28]。

4.2GABA GABA是四碳非蛋白質氨基酸，宏基因組DNA測序顯示，腸道菌群谷氨酸脫羧酶編碼基因豐富，多種菌屬可以產生或代謝GABA，其中擬桿菌屬、副擬桿菌屬和埃希桿菌屬的產生通路表達活躍。作為重要的抑制性神經遞質，GABA以兩性離子及多分子構象共存形式發(fā)揮多樣的生理功能，調節(jié)突觸傳遞、促進神經發(fā)育；在胰腺作為胰島內的自分泌或旁分泌信號，刺激胰島素釋放和預防胰腺損傷，抑制胰高血糖素分泌，可改變宿主行為模式并調節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)[29-30]。GABA還可通過影響腸道菌群改善SCFAs的分布[31]。代謝功能障礙小鼠接受GABA或GABA產生菌株L.brevis DPC6108/L.brevis DSM32386干預后，葡萄糖刺激的胰島素分泌(glucose-stimulated insulin secretion,GSIS)增加，葡萄糖漂移率明顯改善[32]。GABA可上調肝臟糖原合成酶及胰島素誘導基因的表達，促進IR大鼠GLUT4基因表達，抑制葡萄糖-6-磷酸酶等糖異生酶的表達，加強肝臟和肌肉對葡萄糖的攝取和利用，提高胰島素敏感性，緩解IR，已成為治療糖尿病的新型功能因子。有研究表明，GABA引起膜去極化和Ca2+流入，激活PI3K/AKT依賴的生長和存活通路，并恢復β細胞質量[33]。GABA優(yōu)先上調與細胞增殖相關的通路，形成具有獨特轉錄特征的細胞亞群，包括尿皮質素3、無翅整合位點4和肝細胞黏附分子2，激活AMPK和AKT通路，增強中樞和外周組織的葡萄糖處理和糖原合成，抑制GSK-3β[34]。GABA通過抑制大腦皮層中Fas依賴和線粒體依賴的凋亡通路，抑制與神經系統(tǒng)相關的糖尿病并發(fā)癥，并可以有效降低血清鞘脂，而鞘脂是IR的標志[35]。

4.35-HT 5-HT為吲哚衍生物，約90%生成并儲存于腸道的腸嗜鉻細胞。腸道產孢類細菌通過影響色氨酸羥化酶(tryptophan hydroxylase,TpH)的表達調控5-HT生成，雖然機制尚不完全清楚，但已提出SCFAs刺激TpH1表達的作用，此外，次生膽汁酸也能促進5-HT的生物合成[36-37]。5-HT顯著誘導過氧化物酶體增殖活化受體共激活因子1的mRNA表達，并調節(jié)ERK通路，誘導小鼠骨骼肌線粒體活性增加和能量代謝的升高，緩解代謝紊亂，促進胰島細胞增殖[38]。5-羥色胺2c受體激動劑(5-HT2cR)可改善糖耐量受損，同時降低血胰島素水平，而活化中樞5-HT2cR激發(fā)厭食效應，減少Aβ的產生。在妊娠小鼠模型中，5-HT通過5-HT2b受體和5-HT3受體以旁分泌/自分泌方式促進細胞增殖和GSIS[39]。除此之外，吲哚衍生物還可以抑制淀粉樣蛋白聚集、延遲積累[40]。5-HTR的配體化合物是否能夠成為治療T2DM和AD的潛在藥物，已成為新的研究方向。

5 結語

腸道菌群代謝產物失調可引起IR，IR可引起T2DM及AD，而T2DM又是AD的危險因素。IR與衰老相關疾病密切相關，但其始動因素存在較多爭議，腸道微環(huán)境呈現(xiàn)了一個新視角，從而為IR相關衰老性疾病的防治提供了一個新靶點。調整腸道菌群，使其結構及代謝產物處于對人體生理機能調控的最佳狀態(tài)，是防治T2DM、AD等IR相關衰老性疾病的最有效方法之一。