朱彤彤, 葉進

2017年,《新英格蘭醫(yī)學雜志》指出在195個國家中,中國和印度是肥胖兒童人數最多的國家[1]。2020年,《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報告》指出我國6歲以下、6～17歲兒童及青少年超重及肥胖率為10.4%和19%[2]。兒童肥胖與青春期發(fā)育提前、心血管疾病、睡眠呼吸暫停密切相關[3-5],其發(fā)病機制除遺傳因素外,與營養(yǎng)不均衡、長期久坐、內分泌干擾物等有關[6-8]。近年來諸多研究闡述腸道菌群參與宿主炎癥反應,調控進食行為和生物鐘相關基因表達,影響能量穩(wěn)態(tài),從而導致肥胖,因此本文就當前腸道菌群與兒童肥胖發(fā)病機制的研究進展作一綜述。

1 腸道菌群與兒童肥胖

1.1 生命早期腸道菌群的建立 生命早期是人體可塑性最強的階段,也是生長發(fā)育的重要時期,腸道菌群在調節(jié)嬰兒神經、免疫系統(tǒng)發(fā)育方面發(fā)揮關鍵作用[9]。據統(tǒng)計,人體腸道內含有3.9×1013個細菌,與人體細胞數目接近,編碼的基因數是人類基因組的150倍[10-11]。目前科學界關于腸道菌群何時形成的觀點尚不統(tǒng)一,Aagaard等[12]通過基因測序發(fā)現胎盤中存在微生物,在羊水、臍帶血和胎糞中也陸續(xù)檢測到細菌DNA,形成“子宮內定植”假說[13]。此后研究指出細菌源于測序過程中的交叉污染,為“子宮是無菌環(huán)境”的觀點提供有力證據[14-15]。出生后,腸道菌群的建立主要與分娩及喂養(yǎng)方式、抗生素暴露有關,隨著飲食結構的調整,3歲時兒童腸道菌群結構及豐度與成人相似,并趨于穩(wěn)定[16]。

研究表明剖宮產、配方奶喂養(yǎng)及早期抗生素暴露增加兒童肥胖的發(fā)病風險[17-19]。剖宮產分娩的嬰兒由于最先接觸母親皮膚,其腸道中葡萄球菌、鏈球菌、克雷伯菌等機會致病菌較多,擬桿菌和雙歧桿菌定植延遲,菌群穩(wěn)定性降低[20-21]。配方奶缺乏母乳中的人乳低聚糖、分泌型免疫球蛋白A等生物活性物質,嬰兒腸道中毛螺菌科豐度較高,雙歧桿菌屬豐度較低[18]?？股仄茐哪c道生態(tài)平衡,導致腸道中糞桿菌屬、克雷伯菌屬豐度增高,動物實驗表明抗生素早期暴露的小鼠脂肪含量和胰島素抵抗指數較對照組增加[22]。

1.2 肥胖兒童腸道菌群結構特征分析 Turnbaugh等[23]將ob/ob小鼠的腸道菌群灌胃到無菌小鼠后發(fā)現無菌小鼠體脂增加,表明肥胖小鼠的腸道菌群能從飲食中獲取更多能量。Ley等[24]檢測發(fā)現肥胖者腸道中厚壁菌門增多,擬桿菌門減少,但該觀點仍存在爭議[25-27]。隨著研究深入,腸道菌群與兒童肥胖的相關性逐漸受到重視,近3年諸多研究指出肥胖兒童腸道菌群與正常體質量兒童存在差異(表1)?？紤]到種族、地區(qū)以及沒有控制分娩及喂養(yǎng)方式等重要協(xié)變量的因素,這些研究并沒有指出肥胖兒童所特有的菌群結構特征,但總體來說,肥胖兒童腸道中厚壁菌門(Tyzzerella 3、巨單胞菌屬、瘤胃球菌屬、真桿菌屬)相對豐度增加,擬桿菌門豐度降低;條件致病菌(普雷沃菌屬、韋榮菌科)豐度增加,益生菌(雙歧桿菌屬、乳酸桿菌屬、阿克曼菌、產丁酸的普拉梭菌)豐度降低。

表1 肥胖兒童腸道菌群結構特征

2 腸道菌群與兒童肥胖的發(fā)病機制

2.1 誘導慢性炎癥反應 肥胖是以脂肪組織過度沉積及脂質代謝紊亂為特征的代謝性疾病,脂肪組織是一個分泌器官,釋放白細胞介素-6、瘦素、腫瘤壞死因子-α等,參與炎癥反應、調節(jié)脂質代謝。上述研究指出肥胖兒童腸道中G-菌增多,而脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)是G-菌細胞壁的主要成分,通過受損的腸道屏障進入血液。LPS與LPS結合蛋白和白細胞分化抗原14(cluster of differentiation 14,CD14)結合,激活Toll樣受體4(Toll-like receptor 4,TLR4),通過髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88,Myd88)信號通路,引起多種炎癥介質的釋放,導致胰島素抵抗[34]。此外,LPS誘導巨噬細胞向M1型極化,脂肪組織內巨噬細胞浸潤增加,促進血管生成和細胞外基質重塑,引起脂質代謝紊亂[35]。最近一項研究發(fā)現lbp基因敲除的小鼠腸道內擬桿菌屬和普氏菌屬相對豐度升高,抑制炎癥反應,維持腸道穩(wěn)態(tài)[36]。

腸道屏障既保護人體免受病原體侵襲,又通過其選擇性滲透作用吸收營養(yǎng)物質。機體長期慢性炎癥時,腸道黏液過度分泌,耗竭杯狀細胞,加劇腸道黏膜損害,引起腸道通透性增加,促進LPS易位,引發(fā)惡性循環(huán)[37]。由此可見,肥胖兒童腸道菌群失調以及腸道屏障功能受損,LPS進入血液循環(huán)增多,引起機體低水平的慢性炎癥反應,導致肥胖的發(fā)生。

2.2 腸道菌群及其代謝產物調節(jié)能量穩(wěn)態(tài)

2.2.1 短鏈脂肪酸 短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)是腸道菌群發(fā)酵未消化碳水化合物的終產物,含有1～6個碳原子,主要包括乙酸、丙酸和丁酸,大部分被結腸細胞吸收,約5%通過糞便排出。SCFAs是機體重要的能量來源,乙酸參與膽固醇合成,丙酸是糖異生的重要底物,丁酸供應結腸細胞60%～70%的能量需求[38]。近年來諸多研究指出肥胖兒童血清或糞便中的SCFAs含量與正常體質量兒童存在差異,Gyarmati等[39]發(fā)現肥胖兒童糞便中丁酸、丙酸和異戊酸含量增加,與體脂分布的各項參數呈顯著正相關[40];與之相反,Barczyńska等[41]指出肥胖兒童糞便中總SCFAs含量較低。此外,Jaimes等[28]發(fā)現肥胖兒童糞便中丁酸、阿拉伯單糖、半乳糖含量增加,表明腸道中多糖分解增加。由于樣本量及量化方法的不同,且糞便中SCFAs含量并不能反映結腸中的實際濃度,故諸多研究結果存在差異,因此仍需深入研究SCFAs在機體代謝穩(wěn)態(tài)調節(jié)中的作用?？傊?肥胖兒童腸道菌群從飲食中攝取能量的能力增加,SCFAs生成增加,作為額外的能量參與宿主能量供應,促進肥胖的發(fā)生。

2.2.2 次級膽汁酸 膽固醇通過膽固醇7α羥化酶(recombinant cytochrome P450 7A1,CYP7A1)等催化形成初級膽汁酸,隨后與牛磺酸或甘氨酸結合,轉運至膽囊。餐后膽囊收縮,將結合膽汁酸釋放至腸道,90%～95%通過門靜脈被肝臟重吸收,其余部分排入糞便。腸道菌群對膽汁酸的去共軛、差向異構化、7α脫羥基和酯化作用可以顯著改變其理化性質,進而影響腸道吸收[42]。膽鹽水解酶(bile salt hydrolase,BSH)表達于乳桿菌屬、雙歧桿菌屬、擬桿菌屬等[43],將結合膽汁酸水解為游離膽汁酸,提高CYP7A1的表達,抑制小腸上皮細胞吸收關鍵蛋白NPC1L1的表達,降低機體對膽固醇的吸收[44-45]。研究指出與正常體質量兒童相比,肥胖兒童腸道中含BSH的腸菌減少,從而不利于膽固醇向膽汁酸轉化,引起膽固醇升高[25]。

膽汁酸作為信號分子,與法尼醇受體(farnesoid X receptor,FXR)或G蛋白偶聯受體(takeda G protein-coupled receptor 5,TGR5)結合,調節(jié)糖脂代謝。FXR誘導小異源二聚體伴侶,下調固醇調節(jié)元件結合蛋白,抑制甘油三酯合成,促進脂肪酸氧化,降低甘油三酯水平[46]。TGR5刺激腸L細胞分泌胰高血糖素肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1),提高胰島素敏感性[47]。Higgins等[48]研究發(fā)現肥胖兒童在接受口服脂肪耐量試驗后,餐后膽汁酸降低,尤其是石膽酸和鵝脫氧膽酸。研究證實石膽酸是TGR5的激動劑,鵝脫氧膽酸是FXR的配體,兩者含量的降低導致TGR5和FXR的激活受損,因此肥胖兒童膽汁酸代謝失衡,糖脂代謝紊亂。

2.3 調控攝食行為 在脊椎動物中,攝食行為受下丘腦穩(wěn)態(tài)環(huán)路和中腦邊緣多巴胺獎賞環(huán)路的調節(jié)。下丘腦穩(wěn)態(tài)環(huán)路主要由弓狀核促進食欲的神經肽Y/刺鼠相關蛋白和抑制食欲的前阿黑皮素原/可卡因-安非他明調節(jié)的轉錄肽組成,兩類神經元互相制衡,調控宿主食欲[49]。腸-腦軸是腸道菌群通過腸神經系統(tǒng)和中樞神經系統(tǒng)形成雙向交互的神經體液網絡,腸道菌群通過分解吸收食物,刺激胃饑餓素、GLP-1等分泌,經腸迷走神經傳遞信號至下丘腦食欲調節(jié)中樞,參與食欲調控。中腦邊緣多巴胺能獎賞環(huán)路主要由前額葉皮層、伏隔核、紋狀體和海馬體組成,多巴胺能神經元釋放多巴胺,增加機體對食物的渴望。研究證實肥胖者腦干的中介中心性較低,調節(jié)飽腹感信號的穩(wěn)態(tài)環(huán)路受到破壞[50],同時,Pujol等[51]通過靜息態(tài)腦功能磁共振成像發(fā)現肥胖兒童的眶額皮質與杏仁核區(qū)域出現功能性結構改變,大腦獎勵系統(tǒng)的功能連通性減弱。此外,肥胖兒童長期攝入高熱量飲食后,突觸后多巴胺2型受體降調節(jié),促使攝入更多食物以獲取滿足感,加劇肥胖[52]。

2.4 調節(jié)生物鐘相關基因表達 晝夜節(jié)律是生物體與自然環(huán)境周期性變化保持同步的內部節(jié)律模式,受光線、進食、溫度等影響,哺乳動物的晝夜節(jié)律遵循一個約24 h的轉錄-翻譯反饋環(huán)。下丘腦視交叉上核作為“起搏點”能夠調控睡眠-覺醒周期,并通過神經體液信號協(xié)調腸道、肝臟等代謝器官的外周生物鐘,將生物鐘與代謝過程關聯起來,調節(jié)機體穩(wěn)態(tài)[53]。

近年來多項研究指出腸道菌群的豐度和功能具有晝夜節(jié)律,超過20%的腸菌操作性分類單元(operational taxonomic units,OTUs)在24 h內表現出節(jié)律性振蕩,并受進食時間和成分的影響以及中央生物鐘的調控[54]。Altaha等[55]研究發(fā)現Bmal1SCNfl/-小鼠腸菌物種豐富度的節(jié)律性消失,尤其是與SCFAs生成相關的菌群,表明生物鐘與腸道菌群互作調控宿主能量代謝。一方面,腸道菌群誘導組蛋白去乙?；?的表達,激活雌激素相關受體α,誘導脂肪酸跨膜轉運基因CD36的轉錄[56]。另一方面,腸道菌群的鞭毛蛋白和LPS激活樹突狀細胞的TLRs,通過MyD88信號通路促進白細胞介素-23釋放,誘導3型天然淋巴細胞(group 3 innate lymphoid cells,ILC3s)分泌白細胞介素-22,導致腸上皮細胞的轉錄因子STAT3磷酸化,而后與時鐘基因REV-erbα啟動子結合,導致Nfil13表達增加,促進腸道上皮細胞吸收脂質[57]。以上結果表明腸道菌群可通過生物鐘基因表達,影響脂代謝,誘導肥胖的發(fā)生。

2.5 脾主運化與腸道菌群 腸道菌群及其代謝產物參與食物消化吸收和代謝,與“脾氣散精,居中央灌四旁”的中醫(yī)理論相通。脾為氣血生化之源,運輸水谷精微,化生氣血濡養(yǎng)全身,有助于機體生長發(fā)育。小兒形氣未充,脾常不足,若嗜食肥甘厚味,導致脾胃受損,運化無力,水液失于輸布,聚于體內化生痰濕,留滯皮肉發(fā)為肥胖。濕阻氣機,升降失調,大腸傳導功能失常,腸道黏膜免疫失調,腸道菌群穩(wěn)態(tài)失衡。此外,腸道菌群抵抗病原菌入侵,調節(jié)機體免疫,與“脾為之衛(wèi)”,脾氣旺盛則不易受外邪侵襲的理論具有相似之處[58]。因此脾主運化功能與腸道菌群在消化吸收、抵御外邪方面密切相關,脾失健運,痰濕內生,腸道菌群失調,糖脂代謝紊亂,免疫功能受損,促進肥胖發(fā)生。

綜上所述,腸道菌群通過調節(jié)炎癥反應、增加能量攝取、引起膽汁酸信號通路激活受損、調控宿主進食和生物鐘相關基因的表達,參與肥胖的發(fā)生和發(fā)展。采取順產分娩、母乳喂養(yǎng)、避免抗生素早期暴露、調整膳食結構、規(guī)律作息有助于防治兒童肥胖的發(fā)生。中醫(yī)藥治療兒童肥胖有其獨特優(yōu)勢,通過健脾兼以化痰、利濕,調節(jié)津液輸布和氣機升降,結合針灸、艾灸等輔助療法,提高肥胖患兒的臨床療效,減少并發(fā)癥的出現,因此深入探索中藥與腸道菌群的內在聯系有助于為防治兒童肥胖提供新的思路。