羅藝，汪菲，曾強

中國人民解放軍總醫(yī)院第二醫(yī)學中心健康醫(yī)學科，國家老年疾病臨床研究中心，北京 100853

糖尿病(DM)屬于慢性代謝性疾病，按其發(fā)病機制分為1型糖尿病(T1DM)和2型糖尿病(T2DM)。T1DM繼發(fā)于自身免疫介導的β細胞功能喪失，占糖尿病患者的5%；T2DM主要是由于胰島素抵抗，見于95%的糖尿病患者[1]。2019年版國際糖尿病聯合會(IDF)糖尿病地圖提示糖尿病患病人數逐年增加，在2045年全球將達到7億人，其中65歲及以上人群占總患病人數的20%[2]。在近十年來，腸道菌群的作用引起學術界廣泛關注。腸道菌群可以通過不同的潛在機制影響代謝紊亂，包括調節(jié)炎癥、腸道通透性、葡萄糖代謝、能量消耗、脂肪酸氧化和合成[3]。幾項系統評價和薈萃分析，評估了通過影響腸道菌群治療T2DM的各種方法的有效性[4-6]。了解腸道菌群和糖尿病的相互作用，將為探討糖尿病新的治療方法提供依據。本文重點探討腸道菌群對T2DM發(fā)病機制的影響，及基于腸道菌群干預的治療措施。

1 腸道菌群與T2DM關系

約80%以上的T2DM患者超重，這被認為是T2DM的最大危險因素[7]。美國國立衛(wèi)生研究院在2007年開展了“人類微生物組計劃”[8]，人們對于腸道菌群的認識逐漸提高。研究表明，腸道微生物在T2DM的發(fā)生、發(fā)展過程中起著重要作用[9]。

一項針對345名中國人腸道微生物群的全基因組關聯研究表明，T2DM患者存在中度的腸道菌群失調[10]，有23個腸道菌群標記物發(fā)生變化，尤其是產丁酸細菌在T2DM患者腸道中占比有所減低?；仡櫺苑治?2項腸道菌群與T2DM關系的研究[11]發(fā)現，一些細菌屬與T2DM發(fā)病存在一定的關聯性。與T2DM呈負相關的菌群有雙歧桿菌屬、擬桿菌屬、糞桿菌屬、艾克曼菌屬(Akk)，與T2DM呈正相關的有魯米諾球菌、藍藻屬等。并且在不同的地域當中，均發(fā)現了2型糖尿病患者的腸道菌群發(fā)生了顯著變化，提示通過調節(jié)腸道菌群可改變T2DM防治策略。

2 腸道菌群在T2DM發(fā)病機制中的作用

腸道菌群的代謝物通過不同的信號通路影響各種疾病的進展(圖1)。大量研究證明，短鏈脂肪酸(SCFAs)、膽汁酸(BA)、支鏈氨基酸(BCAAs)、丙酸咪唑(ImP)和脂多糖(LPS)是T2DM病程中的重要調節(jié)因子。

圖1 腸道微生物群和2型糖尿病之間的關系

2.1 SCFAs SCFAs是腸道細菌分解各類膳食纖維產生的代謝物，包括乙酸鹽、丙酸和丁酸鹽等[12]。SCFAs通過影響胰島素敏感性和葡萄糖代謝，對糖尿病的病理過程產生影響；核心機制包括：(1)SCFAs可作為能量調節(jié)信號分子刺激腸道激素分泌，直接結合腸L細胞表面的游離脂肪酸受體(FFAR2或FFAR3)，刺激結腸L細胞分泌腸肽YY(PYY)和胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)。它們負責延緩胃排空，降低食欲，促進胰島素分泌和減少胰高血糖素分泌[13-14]。(2)能量供應，SCFAs占正常結腸總能耗的5%～10%，尤其是丁酸鹽[15]。(3)增加腸道糖異生，通過環(huán)磷酸腺苷(cAMP)依賴機制幫助丁酸鹽增加腸道糖異生基因表達。(4)維持腸道屏障的完整性，T2DM患者的腸道屏障被促炎成分破壞；丁酸鹽通過增加由轉錄因子特異性蛋白1(SP1)與緊密連接蛋白-1(Claudin-1)啟動子區(qū)域中的特異性修飾之間的相互作用介導Claudin-1表達來增強腸道屏障的完整性，導致緊密連接蛋白ZO-1在細胞膜上的重新分布[16]；在膳食纖維不足的情況下，宿主分泌的黏液糖蛋白可以被腸道菌群作為營養(yǎng)來源，并降解結腸粘液屏障[17]。(5)增強免疫力，T2DM患者與慢性炎癥有關[18]，患者的部分臨床癥狀可以通過抑制炎癥來緩解。丙酸鹽可以改變小鼠骨髓的造血功能，增加巨噬細胞和樹突狀細胞的產生[19]；丁酸鹽通過促進調節(jié)性T細胞的產生、減輕炎癥反應，具有抗炎作用[20]。

2.2 BA 肝臟合成初級膽汁酸并分泌至腸道，由腸道微生物群轉化為次級膽汁酸，次級膽汁酸除通過作用于法尼溪酰X受體(FXR)調節(jié)體內葡萄糖代謝外，還可以激活硫醇鳥苷受體-5(TGR-5)，促進肌肉能量消耗和腸L細胞分泌GLP-1，改善胰島素抵抗和異常葡萄糖代謝[21]。腸道微生物群介導的異常膽汁酸代謝會影響膽汁酸在葡萄糖代謝調節(jié)中的作用[22]。研究表明，膽汁酸刺激腸嗜鉻細胞釋放5-羥色胺，導致胰島素分泌減少和胰高血糖素分泌增強[23]。

2.3 LPS 血清LPS主要由革蘭氏陰性菌產生，它增加了腸壁毛細血管通透性，并導致外周循環(huán)中的LPS升高。LPS在CD14的幫助下識別血清Toll樣受體4(TLR4)，導致巨噬細胞聚集和核因子κB炎癥信號通路激活，炎癥因子升高，發(fā)生胰島素受體底物的異常磷酸化和胰島素抵抗[24]。LPS引起β細胞受損，抑制胰島素分泌，胰腺和十二指腸中PDX1基因表達下調[25]。炎癥或者腸黏膜屏障受損、腸道菌群紊亂導致革蘭陰性菌比例增加、腸道菌群移位，LPS釋放入血進而促進胰島素抵抗的發(fā)展[26-27]。

2.4 BCAAs BCAAs是人體必需的氨基酸，主要包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸，只能從飲食中獲得，主要由腸道微生物群代謝產生[28]。血支鏈氨基酸水平升高是T2DM的危險因素[29]。飲食中支鏈氨基酸的攝入量增加會促進T2DM和胰島素抵抗的發(fā)展[30]。支鏈氨基酸誘導的胰島素抵抗機制與雷帕霉素靶蛋白復合物(mTORC)信號通路密切相關。支鏈氨基酸可阻斷胰島素信號的正常傳導，增加游離脂肪酸的氧化，激活磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)，進一步誘導胰島素抵抗[31]。

2.5 ImP ImP是由組氨酸產生的重要微生物代謝物。Koh等[32]報道，丙酸咪唑可能通過激活p38γ/p62/mTORC1途徑來損害葡萄糖耐量和胰島素信號傳導。ImP通過激活p38γMAPK，在胰島素受體底物水平上抑制胰島素信號傳導，從而促進p62磷酸化并隨后激活mTORC1。有研究表明，糖尿病前期和T2DM受試者中ImP增加，與葡萄糖代謝紊亂和全身炎癥呈正相關[33]。ImP可能有助于胰島素抵抗的發(fā)展，并最終導致T2DM的發(fā)生。

3 基于腸道菌群機制下的糖尿病防治方式

多種因素，如腸道菌群總體豐度減低、慢性低度炎癥增高、內毒素增多、短鏈脂肪酸水平的改變等，均可以引起腸道菌群失調，進而導致胰島素抵抗和糖代謝異常。如何調節(jié)腸道菌群來阻止糖尿病的發(fā)生發(fā)展是近期研究的熱點。目前的調控手段包括益生菌、益生元、合生元、膳食纖維、腸道菌群移植、微生態(tài)制劑與糖尿病藥物的聯合作用、飲食、運動、減肥手術、抗菌藥物、維生素K2(Vit K2)、人造甜味劑及傳統中藥等(圖2)，其改善糖尿病的機制主要是通過調節(jié)免疫功能、改善腸道屏障、抑制病原體、生成有機酸、調節(jié)微生物組結構、宿主及其菌群相互作用等來實現[34-35]。益生菌和益生元、中醫(yī)和天然化合物，以及某些非藥物療法[如減肥手術、腸道菌群移植(FMT)、飲食和運動]，可以重塑腸道微生物群以治療T2DM。

圖2 針對腸道微生物群的各種防治糖尿病常見干預措施

3.1 益生菌制劑 益生菌為能夠對宿主健康產生有益作用的活的微生物制劑[36]。腸道菌群具有可變性和可調控性，通過調節(jié)腸道菌群，可以改善系統炎癥狀態(tài)和代謝水平。研究發(fā)現攝入富含益生菌的酸奶制品，可減少炎癥標志物，提高抗炎脂肪組織巨噬細胞水平[37]。部分益生菌如枯草桿菌、乳酸菌可以使腸道緊密連接蛋白的表達上調，增強腸道屏障完整性，減少腸道細菌毒性產物的擴散，減輕腸道和全身性炎癥。益生菌并沒有顯著性地改變糞便菌群的組成，其對糖尿病的保護作用是通過維持腸道菌群的穩(wěn)態(tài)，影響了腸道菌群的生理功能實現的。

3.2 益生元 益生元是不可消化的碳水化合物，由腸道中的微生物發(fā)酵；通過調節(jié)腸道菌群和其代謝產物對T2DM的管理具有潛在的積極影響。益生元除了來自食物，也可以是非碳水化合物，并能作用于全身各個部位[38]。益生元的有益作用主要是通過抵抗病原體侵襲、調節(jié)免疫、抑制炎性反應、改善腸道功能、影響血糖代謝等機制實現的[39-41]。低聚糖類是常用的益生元，包括低聚果糖、低聚半乳糖、菊粉等。一項隨機對照試驗顯示，在T2DM患者中，補充菊粉型果聚糖6周可顯著提高 T2DM患者的雙歧桿菌、總SCFAs、乙酸和丙酸水平[42]。有證據顯示，聯合使用益生元與益生菌比單獨使用益生元有更大的抗炎作用[43]。

3.3 合生元 合生元是益生菌和益生元的混合物。兩者的結合可能具有改善腸道健康的協同作用[44]。同時，已經觀察到合生元對血漿炎癥的影響比單獨使用益生菌更顯著[45]。Kassian等[46]發(fā)現，合生元治療改善了空腹血糖和空腹胰島素水平。然而，使用合生元的缺點是很難預測每種成分的選擇性和特異性以及由此產生的作用機制。

3.4 膳食纖維 膳食纖維是多糖類物質，不易被人體消化，主要來源于植物。不僅有通便的效果，還能增強腸道屏障功能、維持腸道免疫平衡、降低腸腔內氧化應激的作用，對肥胖和糖尿病等炎癥相關疾病有益[47]。膳食纖維的代謝終產物如SCFAs既能夠為宿主提供能量，也發(fā)揮免疫調節(jié)和腸-腦信號傳導作用[48]。

3.5 FMT FMT是將健康供體的微生物組移植到患者體內，以試圖替換或糾正與病理學相關的微生物組。FMT可通過調節(jié)體內的腸道菌群結構，恢復優(yōu)勢有益菌的豐度，改善胰島素敏感性，從而達到改善糖尿病患者高血糖的效果。對患有代謝綜合征的肥胖受試者移植瘦人供體的糞便微生物群，可提高患者胰島素敏感性、糞便丁酸鹽濃度、微生物多樣性以及與主要產丁酸菌(羅氏菌屬)的相對豐度[49]，并且對于減輕體重，減少腰圍有一定的幫助。因此糞便菌群移植是一種新的治療T2DM的潛在選擇。但是，FMT可能成為額外的危險因素。有報道，移植后出現耐藥性致病菌感染，導致嚴重的菌血癥[50]，提示供者的篩選需要格外謹慎。

3.6 微生態(tài)制劑與糖尿病藥物的聯合作用 聯合應用益生菌(動物雙歧桿菌)與益生元(葡聚糖)，能夠促進糖尿病小鼠實驗中西格列汀的降糖效果，顯著降低空腹血糖，提高胰島素敏感性和GLP-1水平[51]。二甲雙胍能促進腸道菌群的代謝產物SFCAs，特別是丙酸和丁酸鹽的水平升高，并且甘氨酸，色氨酸等與血糖相關的氨基酸的代謝率也得到提高[52]。因此，糖尿病藥物與微生物組的相互作用成為微生物組學研究的新方向。

3.7 飲食 飲食可以調節(jié)腸道菌群，并通過預防腸道生態(tài)失調在DM的管理中發(fā)揮作用[53]。水果和蔬菜含有多酚，可以增加有益的菌群，如粘液酸A粘液，乳酸桿菌和雙歧桿菌[54]。不平衡的膳食攝入會影響腸道菌群的結構和豐度，這可能在糖尿病的發(fā)展中發(fā)揮作用[55]。

3.8 運動 運動對于提高胰島素敏感性，降低血糖和抑制炎癥至關重要[56]。腸道微生物群的研究為運動調節(jié)糖尿病的機制提供了新的視角。運動不僅可以增加腸道菌群的多樣性，還可以增加運動員腸道菌群中粘液桿菌的豐度，這與肥胖和T2DM呈負相關[57]。累積的研究表明，運動訓練后擬桿菌的豐度增加，而梭狀芽胞桿菌屬和藍藻的豐度降低[58]，提示運動可通過腸道微生物群降低糖尿病患者的血糖水平。

3.9 減肥手術 近年來研究發(fā)現，減肥手術會改變宿主體腸道菌群的組成，明顯降低腸道厚壁菌門的數量。一項薈萃分析[59]納入了2008—2016年間共22篇文獻，發(fā)現減肥手術后大多數患者術后厚壁菌豐度較低，擬桿菌含量明顯增加，從而驗證了之前的假設，也為腸道菌群的變化與術后減肥療效和T2DM治療效果的關聯性提供了依據。

3.10 抗菌藥物 Membrez等[60]發(fā)現，當用諾氟沙星和氨芐西林治療飲食誘導肥胖小鼠時，血糖得到控制，空腸中腫瘤壞死因子α水平降低，表明抗生素調節(jié)腸道菌群可以降低炎癥水平并增加葡萄糖耐量。基于上述思路，可以通過口服抗菌藥物來調節(jié)糖尿病患者的腸道菌群，降低機體的炎癥水平，改善T2DM。值得注意的是，口服抗菌藥物可以抑制腸道中的有害細菌，降低機體的炎癥水平；也可能對腸道中的有益細菌造成損害，導致腸道菌群失衡，對糖尿病患者產生不利影響。

3.11 維生素K(Vit K) Vit K是一種脂溶性維生素，Vit K1(葉綠醌)和Vit K2(甲萘醌)是2種天然形式。Vit K1主要存在于綠葉蔬菜中，特別是菠菜、西蘭花、橄欖油以及大豆油，而Vit K2存在于魚、雞肉、牛奶、肝臟、奶酪、黃油、蛋黃、發(fā)酵大豆(納豆)和蔬菜中，但僅少量存在。Vit K在調節(jié)血糖狀態(tài)方面也具有特定的功能[61-62]。最近一項使用孟德爾隨機化方法的研究表明，Vit K1的高循環(huán)水平與較低的T2DM風險有關[63]。Vit K作用廣泛多樣，可能是通過調節(jié)腸道菌群來介導其對人體多種多樣的生理作用。近年來，前瞻性觀察性研究和臨床試驗的證據表明，補充Vit K2可降低T2DM風險。研究表明，每日攝入360μg Vit K2以MK-7的形式持續(xù)12周可降低T2DM患者的空腹血糖和糖化血紅蛋白[64]；Vit K2給藥可通過誘導OC基因表達改善2型糖尿病大鼠的血糖狀態(tài)[65]。

3.12 人造甜味劑 人造甜味劑是無熱量的糖替代品，可能通過影響腸道微生物來誘導葡萄糖不耐受。在一項用糖精喂養(yǎng)的小鼠的動物研究中，顯示擬桿菌的增加和羅伊氏乳桿菌的減少導致菌群生態(tài)失調和葡萄糖不耐受[66]。減少人造甜味劑的攝入，可能也會對控制血糖有幫助。

3.13 中醫(yī)藥 中醫(yī)通過影響胰島素抵抗來改善T2DM患者的生活質量[67]。因此，《中國2型糖尿病防治指南》以中藥作為T2DM治療的輔助藥物。中藥的許多成分不會進入血液，但它具有明顯的效果。越來越多的數據表明，其療效可能由腸道微生物群介導[68]。

4 展望

腸道菌群是T2DM重要的可調控因素。隨著微生物組學和宏基因組學技術的發(fā)展，越來越多的對宿主健康有影響的腸道微生物代謝產物被鑒定出來，這些代謝物為T2DM的預防和治療提供了新的策略。該領域從基礎研究到應用于臨床還有許多需要解決的問題：首先，大部分結果來自臨床前實驗，關于微生物代謝物對T2DM影響的人類臨床研究很少；嚙齒動物和人類可能具有不同的微生物代謝物，如膽汁酸等，需要更多高質量的臨床試驗來有效評估腸道微生物代謝物在T2DM中的關鍵作用。其次，腸道微生物及其代謝物和T2DM之間的因果關系尚未得到充分闡明；腸道微生物與宿主之間的相互作用非常復雜，受到許多因素的影響，例如遺傳背景、飲食、生活習慣或其他共存的微生物等。因此，結合糖尿病患者自身基因和微生物基因組的特異性，致力于精準化和個體化的干預策略，具有深遠的意義。