徐嘉琦,林以寧

(中國藥科大學中藥學院,江蘇 南京 211198)

肥胖癥與2型糖尿病、非酒精性脂肪肝、高血壓、高脂血癥等諸多代謝性綜合征相關,表現(xiàn)為脂肪組織過度積累。長期的能量攝入超過能量消耗被認為是引起肥胖的主要原因。多余的能量以甘油三酯的形式儲存在脂肪組織中。當脂肪組織的儲存能力不足時,向外周釋放過量的游離脂肪酸,活性氧和促炎細胞因子,非脂肪組織(如肝臟、骨骼肌和胰腺)攝取游離脂肪酸,最終導致異位脂肪沉積。

腸道菌群由數(shù)萬億個細菌組成,在人體代謝過程中起著重要作用。近年來,隨著微生物培養(yǎng)技術、糞菌移植技術、16s RNA基因測序技術以及組學技術的蓬勃發(fā)展,腸道菌群與人體生理功能的相關研究越來越深入。研究表明,腸道菌群參與宿主脂質吸收與轉運、脂質合成與氧化、白色脂肪棕色化等過程。本文總結了腸道菌群參與調控肥胖癥脂質代謝的潛在機制,旨在為未來開發(fā)新的預防或治療策略提供參考。

1 腸道菌群的組成

健康人腸道菌群由1 000多個種型組成,分為6個細菌門:厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、梭桿菌門、放線菌門和疣微菌門。厚壁菌門和擬桿菌門在健康成年人腸道中所占比例最高(90%)[1]。目前普遍認為,肥胖和肥胖相關的生理指標與厚壁菌門和擬桿菌門的比例有關[2]。相較于瘦人群,肥胖人群的腸道微生物群中擬桿菌門的豐度增加,而厚壁菌門的豐度減少。

腸道微生物群的組成可以影響人體攝取營養(yǎng)和調節(jié)能量代謝。高脂飲食的攝入促進腸道微生物群向厚壁菌門優(yōu)勢的方向的轉變,增加了從飲食中獲取的能量,從而導致體重增加和肥胖。相反,低脂肪和低糖的飲食通過增加脂肪細胞因子的表達,隨后的能量消耗增加和脂肪儲存減少,增加了擬桿菌門的優(yōu)勢,從而促進體重減輕。腸道微生物群對宿主能量攝取的影響,可能與厚壁菌門相關的致肥胖功能,擬桿菌門的抗肥胖功能相關。隨著從飲食中獲取的能量增加,厚壁菌門豐度增加20%,并且擬桿菌門豐度成比例減少[3]。

2 肥胖癥中的關鍵腸道微生物

腸道菌群種類繁多,某些特定的腸菌可以促進肥胖的發(fā)生發(fā)展,如厚壁菌門、腸桿菌屬和梭菌屬等。另一些腸菌乳桿菌屬、雙歧桿菌屬、擬桿菌屬等被證明可以抑制肥胖的發(fā)展,其機制主要涉及調節(jié)能量代謝、減少胰島素抵抗和促進白色脂肪的褐變等多種途徑[4]。

目前,已有研究多聚焦于科/屬水平上腸菌對肥胖脂肪組織及腸道生態(tài)的調節(jié)作用。最新的研究集中于闡明種水平上腸菌在肥胖的發(fā)生發(fā)展進程中調控脂質代謝的作用機制,如嗜酸乳桿菌、多形擬桿菌等。

2.1 嗜酸乳桿菌(Lactobacillusacidophilus) 嗜酸乳桿菌能夠降低用高脂肪飲食(high fat diet,HFD)喂養(yǎng)的小鼠的體重、脂肪量、以及改善能量、葡萄糖和脂質代謝[5]。嗜酸乳桿菌通過降低厚壁菌門與擬桿菌門的比率,從而逆轉HFD誘導的腸道生態(tài)失調,維持腸道屏障的完整性[6]?？诜人崛闂U菌上調白色脂肪組織(white adipose tissue,WAT)中脂肪酸β氧化限速酶肉堿脂酰轉移酶-1(carnitine palmitoyltransferase 1,CPT-1)、脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase,LPL)和CCATT增強子結合蛋白α(CCAAT-enhancer binding proteinα,C/EBPα)的基因表達, 并且下調脂肪酸合成酶(fatty acid synthase,FAS)表達[6],表明嗜酸乳桿菌通過調節(jié)能量代謝、脂肪分解以及脂質合成相關基因的表達,來減少脂肪積累。

2.2 路氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri) 高脂飲食飼養(yǎng)下,口服路氏乳桿菌增加了小鼠WAT的耗氧量,其機制可能與WAT棕色化相關基因mRNA水平的上調有關,包括PR結構域蛋白16(PRD1-BF1-RIZ1 homologous domain containing 16,PRDM16)等[7]。路氏乳桿菌能夠調節(jié)膽汁酸(bile acids,BAs)譜從而影響脂質的積累?？诜肥先闂U菌抑制了回腸法尼醇受體(Farnesoid X receptor,FXR)/成纖維細胞生長因子15(fibroblast growth factor 15,FGF15)信號通路,但激活了肝臟FXR/小異二聚體伴侶(small heterodimer partner,SHP)信號通路,導致肝臟甘油三酯積累減少,該調節(jié)作用與熊去氧膽酸(ursodeoxycholic acid,UDCA)和石膽酸(lithocholic acid,LCA)密切相關[8]。

2.3 多形擬桿菌(Bacteroidesthetaiotaomicron) 多形擬桿菌是人類腸道中擬桿菌門的主要物種。灌胃多形擬桿菌能夠抑制小鼠WAT中的脂肪生成,并促進脂肪分解和氧化,抑制體重增加和肥胖。然而,口服多形擬桿菌造成無菌小鼠脂肪量增加,可能與腸和肝中人類白細胞分化抗原36(cluster of differentiation 36,CD36),脂肪酸結合蛋白2(fatty acid-binding protein 2,FABP2)等脂肪酸攝取相關蛋白表達的上調相關。上述結果表明多形擬桿菌可能需要特定的腸道微環(huán)境來發(fā)揮其抗肥胖作用[9]。

2.4 其他菌種普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzi)、嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansiamuciniphila)等腸菌與肥胖發(fā)生發(fā)展密切相關。嗜黏蛋白阿克曼菌是一種在健康人體內發(fā)現(xiàn)的腸道厭氧共生菌,主要通過降解黏蛋白產生短鏈脂肪酸(SCFAs),維持腸道環(huán)境穩(wěn)態(tài)。在小鼠和人類身上,嗜黏蛋白阿克曼菌的豐度在肥胖和相關代謝疾病中顯著降低,與體重、脂肪量呈負相關[10]。梭菌屬的Ⅳ菌簇被認為是腸道病理發(fā)展的生物標志物。普拉梭菌是該菌簇的代表菌種之一,與機體攝入能量過度而導致肥胖密切相關[11]。肥胖小鼠中,腸道中普拉梭菌豐度的降低與內臟脂肪的增加顯著相關[12]。

3 腸道微生物調控宿主脂質代謝

3.1 脂質吸收相較于正常小鼠,無菌小鼠具有更高的糞便脂質含量和排泄量,并且門靜脈甘油三酯水平降低,表明腸道菌群參與宿主腸道中脂質吸收過程。研究表明,以鼠李糖乳桿菌(LactobacillusrhamnosusGG)、雙酶梭菌(Clostridiumbifermentans)為代表的腸道菌群間接參與消化道中的脂質吸收[13],該過程由微生物-宿主相互作用產生的生物活性物質介導[13]。例如,雙酶梭菌產生的可溶性生物活性分子能夠提高二酰基甘油?；D移酶2(diacylgycerol acyltransferase 2,DGAT2)的表達[13],從而促進油酸的攝取和甘油三酯的合成。

腸道菌群在不僅能夠調節(jié)腸道中脂質吸收與排泄,還能夠影響宿主體內其他器官的功能。進食時,位于小腸近端的內分泌細胞釋放膽囊素(cholecystokinin,CCK),CCK刺激膽囊的釋放膽汁,增強腸道內脂肪乳化從而促進脂肪吸收。研究表明,無菌小鼠脂質吸收的減少與CCK信號轉導途徑介導的胰腺刺激的破壞相關,而灌胃多形擬桿菌和鼠李糖乳桿菌GG后,無菌小鼠胰腺中CCK的A型受體表達增加[14]。此外,腸菌的缺失導致WAT中禁食誘導脂肪因子(fasting-induced adipose factor,FIAF)表達增加,從而抑制脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase,LPL)活性,致使WAT脂質儲存增加[15]。

3.2 脂質氧化腸菌代謝物在調控宿主脂質代謝信號傳導中發(fā)揮重要作用。在禁食狀態(tài)下,腸菌代謝物通過宿主門靜脈到達肝臟,增加過氧化物酶體增殖物激活受體α(peroxisome proliferator-activated receptors,PPARα)的表達,從而促進酮體的產生,加強脂肪酸β氧化[16],進一步研究表明乳酸桿菌豐度的增加促進了該過程[17]。研究表明,SCFAs能夠激活單磷酸腺苷激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinas,AMPK)信號通路,增加脂肪組織和骨骼肌中過氧化物酶體增殖激活受體γ輔助激活因子α(peroxisome proliferator activated receptor gamma coactivator-α,PGC-1α)的表達[18]。PGC-1α調節(jié)脂質氧化相關轉錄因子的活性,包括過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptors,PPAR)家族,例如PPAR家族的α和γ亞型。

3.3 脂解作用腸道菌群通過腸菌代謝物參與宿主脂解作用的調節(jié)。SCFAs介導的短鏈脂肪酸受體43(G protein-coupled receptor 43,GPR43)的激活能夠減少細胞內脂質溢出,促進激素敏感性脂肪酶(hormone-sensitive triglyceride lipase,HSL)和脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase,ATGL)的表達,從而促進脂解作用[19]。乙酸鹽和丙酸鹽對GPR43表現(xiàn)出高親和力。研究表明,體外生理濃度內的乙酸鹽和丙酸鹽能夠通過GPR43的激活來抑制3T3-L1脂肪細胞脂解,而丁酸鹽通過激活GPR41抑制脂肪分解[20]。

4 腸道微生物代謝物參與脂質代謝過程

腸道菌群代謝物包括SCFAs、次級膽汁酸、吲哚類物質、支鏈氨基酸(branched-chain amino acids,BCAAs)、脂多糖(lipopolysaccharide,LPS),氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide,TMAO)等生物活性分子。近年來,研究的熱點集中在SCFAs、BAs對宿主脂質代謝的調控作用及其潛在機制。

4.1 短鏈脂肪酸SCFAs由腸道微生物群在宿主的結腸和盲腸中合成,是具有2～6個碳原子的有機脂肪酸,包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸。丙酸鹽由擬桿菌門產生,是肝臟中糖異生的底物。乙酸鹽來自大多數(shù)厭氧菌,而丁酸鹽主要由厚壁菌門產生,兩者在結腸上皮細胞中轉化為乙酰輔酶A[21]。乙酰輔酶A不僅可以進入三羧酸循環(huán)產生能量,還可以在胞質酶系統(tǒng)的作用下產生棕櫚酸,棕櫚酸可以轉移到線粒體延長碳鏈,與脂肪組織中儲存的其他物質形成甘油三酯。此外,乙酸鹽也作為棕櫚酸鹽和硬脂酸鹽合成的前體參與肝臟脂肪酸的代謝[22]。

SCFAs不僅作為脂質、能量代謝的底物,也可作為調節(jié)因子來調節(jié)宿主的生理代謝。SCFAs在調節(jié)食欲、脂肪生成、脂肪酸氧化、肝臟糖異生、WAT褐變,以及維持腸道環(huán)境的穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要作用[23],其調控機制主要取決于兩條途徑[24]。一條途徑是SCFAs直接抑制組蛋白脫乙酰酶(his-tone deacetylases,HDACs),影響一些非組蛋白的乙?；揎?調節(jié)細胞內信號轉導,從而調控脂肪組織的產熱作用和肥胖的發(fā)生發(fā)展。另一條途徑是激活G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptor,GPCR)進行信號轉導[25]。例如,丁酸通過激活GPCR促進脂肪細胞分泌瘦素,而乙酸鹽、丁酸鹽和丙酸鹽可與表達于腸內分泌L細胞的G蛋白偶聯(lián)受體GPCR-41和GPCR-43結合,促進胰高血糖素樣肽-1(glucagon like peptide-1,GLP-1)和肽YY(peptide YY,PYY)分泌,從而影響食欲和能量的攝入[26]。此外,SCFAs通過GPR43激活促進游離脂肪酸的合成,導致循環(huán)單不飽和脂肪酸增加和多不飽和脂肪酸減少[27]。

4.2 膽汁酸BAs是腸道菌群的另一主要代謝產物。在肝臟中,初級BAs由膽固醇7α-羥化酶介導的經典途徑合成,由膽汁排出至腸道。腸道菌群可通過一系列去結合、差向異構和脫羥基等作用,將初級BAs與甘氨酸(人)或?；撬?小鼠)結合,合成次級BAs。

膽汁酸參與宿主脂質代謝的調節(jié),主要通過以下兩個方式。一方面,膽汁酸在腸道中通過乳化作用促進小腸中脂質的有效水解和吸收[28]。另一方面,BAs參與代謝網絡中的信號通路的調控,在肝臟脂質代謝過程中發(fā)揮關鍵作用。普遍認為,BAs能夠通過FXR-SHP途徑下調固醇調節(jié)元件結合蛋白1c(sterol regulatory element binding protein 1 c,SREBP1c)的表達,抑制脂質合成,同時刺激BAs-FXR-PPARα途徑并促進脂肪酸氧化,調節(jié)肝臟脂肪酸和甘油三酯生物合成。最近的研究表明,次級BAs也能夠通過1-磷酸-鞘氨醇受體2(sphingosine-1-phosphate receptor 2,S1PR2)-鞘氨醇激酶(sphingosine kinase 2,Sphk2)途徑調節(jié)參與肝臟脂質和葡萄糖代謝相關酶的基因表達[29]。此外,BAs通過下調肝臟中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase,G6Pase)的表達降低肝臟的糖異生作用[30],以及通過FGF15/19依賴性途徑降低肝臟糖酵解基因的表達,促進肝糖原合成。

LCA和脫氧膽酸(deoxychlolic acid,DCA)是G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體5(G protein-coupled bile acid receptor 5,TGR5)的激動劑。腸內分泌L細胞中TGR5信號的激活提高了細胞內cAMP水平,能夠誘導釋放GLP-1,從而改善肥胖小鼠肝臟和胰腺的功能,對脂質合成和儲存有潛在影響[31]。TGR5誘導環(huán)腺苷酸依賴性碘甲腺原氨酸脫碘酶(iodothyronine deiodinase 2,D2)的表達。隨后,D2將四碘甲狀腺原氨酸(tetraildothyonine,T4)轉化為三碘甲狀腺原氨酸(triiodothyronine,T3),T3進一步誘導脂肪組織解偶聯(lián)蛋白1(uncoupling protein 1,UCP1)的表達[32],提高脂肪組織產熱。同樣,在骨骼肌和棕色脂肪組織中,TGR5的激活也能夠促進宿主能量消耗[33]。此外,BAs還參與下丘腦介導的TGR5信號識別,通過激活交感神經系統(tǒng),降低體重和脂肪量,促進能量平衡,從而緩解飲食誘導肥胖。

4.3 氧化三甲胺TMAO來源于富含三甲胺的膳食營養(yǎng)物,如L-肉堿、膽堿和甜菜堿等。上述營養(yǎng)物經奇異變形桿菌、大腸桿菌MS69-1和克雷伯氏菌屬等腸道細菌代謝產生三甲胺(trimethylamine,TMA),TMA通過門靜脈循環(huán)進入肝臟,并由含黃素單加氧酶-3(flavin-containing monooxygenase 3,FMO3)轉化為TMAO。血清TMAO水平與BMI,身體總脂肪百分比顯著相關,且存在劑量依賴性關系[34]。因此,血清TMAO水平有助于提示患者的肥胖風險。然而,飲食中添加TMAO對高脂肪飲食喂養(yǎng)的小鼠的脂肪積累沒有顯著影響。因此,TMAO參與肥胖發(fā)生發(fā)展的機制仍待進一步闡明。

4.4 其他代謝物吲哚衍生物、SCAAs等其他腸道菌群代謝物也參與到宿主的代謝調節(jié),通過從而改善宿主肥胖。吲哚類物質由腸菌代謝色氨酸產生。肥胖癥期間,吲哚衍生物降低,導致WAT中miR-181增加[35]。吲哚給藥能夠減少WAT中的miR-181,并改善飲食誘導的肥胖[36]。SCAAs包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸[37],研究表明BCAAs循環(huán)水平的增加與胰島素抵抗有關[38],但其在胰島素抵抗中的病理生理學機制尚未完全闡明。

5 展望

腸道菌群通過代謝產物調控宿主脂質吸收、脂質氧化、脂解等相關代謝過程的表達,從而改善肥胖癥中脂質代謝紊亂。腸道菌群作為干預和治療肥胖的靶點,具備良好的研究前景。然而,在肥胖發(fā)生發(fā)展的進程中,腸道菌群中種水平上生物標志物參與調節(jié)宿主脂質代謝的作用機制尚不明確,腸菌的相互作用關系仍有待進一步研究。