肠道菌群与肥胖症的关系研究进展

赵立平，费娜

上海交通大学生命科学技术学院，上海 200240

1876年前后，德国细菌学家罗伯特·科赫提出了特定的细菌会引起特定的疾病的观点，制定了研究确认传染病致病因素的科赫法则，在微生物与人类疾病之间建立了联系[1]。而大量新的研究表明，肠道共生微生物可能在非传染性疾病如肥胖症的发生、发展中也具有十分重要的作用[2]。

1 肠道菌群结构与功能

肠道菌群结构非常复杂，功能也十分多样化。随着近年来各种分子技术在肠道微生物群落研究中的广泛应用，人和动物肠道中定植的微生物群落的结构与功能正逐步得到揭示。人肠道内定植着复杂的微生物群落，超过1 000种细菌，其总重量大约1.5 kg，细胞总数达1013～1014，细胞总量几乎是人体自身细胞的10倍,编码的基因数量至少是人体自身基因的100倍[3,4]。

肠道微生物种类繁多，其中80%～90%由厚壁菌门(Firmicutes)〔如梭菌属(Clostridium)、肠球菌属(Enterococcus)、乳杆菌属(Lactobacillus)、瘤胃球菌属(Ruminococcus)〕和拟杆菌门(Bacteroidetes)〔如拟杆菌属(Bacteroides)和普氏菌属(Prevotella)〕两个门组成，其次为放线菌门(Actinobacteria)〔如双歧杆菌属(Bifidobacterium)〕和变形菌门(Proteobacteria)〔如螺杆菌属(Helicobacter)和埃希菌属(Escherichia)〕[3,5]。肠道菌群在维持人体健康中起的作用远远超出人们的想象[6]。肠道菌群与人体共同进化，为宿主提供其自身不具备的酶和生化代谢通路。肠道菌群通过与人体和外界环境相互作用，影响人体的营养、免疫和代谢[6-8]，相当于人后天获得的一个重要“器官”[9]。

2004年美国华盛顿大学的Gordon研究组发表了第1篇关于肠道菌群影响脂肪存储的论文，其后越来越多的研究表明，肠道菌群失调与肥胖及相关代谢性疾病如2型糖尿病、非酒精性脂肪肝、高血压等密切相关[9-14]。因此，更清楚地揭示肠道菌群在肥胖症中的作用机制，有可能为预防和治疗相关疾病开辟新的途径 。

2 肠道菌群与脂肪过度积累

Gordon课题组研究表明，肠道菌群在能量代谢过程中起重要的调节作用，并首次提出了“肠道菌群作为一种环境因素调节脂肪存储”的观点。他们发现在给予相同食物(含57%糖、5%脂肪)的情况下，无菌小鼠在肠道内重新定植了正常菌群后，每天消耗食物量比无菌时少29%，脂肪总量却增加42%，提示肠道菌群能帮助宿主消化多糖而获得更多能量[9]。将遗传性肥胖小鼠(ob/ob)的肠道菌群移植到野生型无菌小鼠体内，移植小鼠2周后脂肪存储量显著超过移植了健康小鼠菌群的对照组，表明肥胖表型可随菌群在不同个体间发生转移[15]。该课题组进一步研究发现，无菌小鼠可抵抗高脂膳食诱导的肥胖发生，同时给无菌小鼠和肠道内定植正常菌群的普通小鼠饲喂高脂、高糖的西方饮食，无菌小鼠体重及脂肪垫的增加显著小于肠道内定植正常菌群的普通小鼠，且能抵抗高脂饮食诱导的糖代谢紊乱和胰岛素抵抗的发生[10]。肠道菌群影响宿主能量储存的机制可能有以下几个方面：①肠道细菌能发酵食物中宿主自身不能消化、分解的物质，将其转化为短链脂肪酸(short chain fatty acid，SCFA)等小分子物质，从而为宿主提供能量，促进脂肪的合成和存储[9]。②肠上皮细胞可产生一种脂蛋白脂酶(lipoprotein lipase，LPL)的抑制因子——禁食诱导脂肪因子(fasting-induced adipose factor，Fiaf)。肠道菌群可通过抑制fiaf基因表达，促进LPL表达，从而促进脂肪细胞中三酰甘油贮存[9]。③肠道菌群可促进脂肪合成基因(fas和acc)及其调节蛋白〔糖类反应元件结合蛋白(carbohydrate response element-binding protein, ChREBP)和固醇调节元件结合蛋白1(sterol regulatory element-binding protein 1, SREBP-1)〕基因的表达，从而促进三酰甘油在肝脏脂肪细胞中积聚[10]。 ④肠道菌群降低肝脏和肌肉的AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)——控制细胞能量代谢的关键酶的活性，从而抑制依赖AMPK的脂肪酸氧化作用[10]。⑤短链脂肪酸不仅是宿主肠道上皮细胞重要的能量来源，还是一种重要的信号分子，至少是两种G蛋白偶联受体——GPR41和GPR43的结合配体[16]。Samuel等的研究表明，定植了具有降解功能的微生物群落多形似杆菌属 (Bacteroidesthetaiotaomicron，B.thetaiotaomicron)和史氏甲烷短杆菌属(Methanobrevibactersmithii，M.smithii)的GPR41敲除小鼠，体内脂肪积累程度远远小于定植同样菌群结构的野生型小鼠[17]。同时还发现，野生型无菌小鼠定植该菌群后，血清中的胃肠肽类激素酪酪肽(peptide YY，PYY)水平显著上升，而GPR41敲除小鼠血清PYY水平没有上升。PYY能抑制食物摄入、胃肠排空、胰腺和肠道分泌及肠道蠕动[18]。作者认为，GPR41信号缺失和血清PYY水平下降促进了肠道蠕动，降低了从食物中获取的能量。

因此，大量实验证据表明肠道菌群在促进宿主脂肪合成、积累方面可能起着非常重要的作用。

3 肠道菌群与肥胖相关的系统性慢性低度炎症

肥胖症患者体内存在低度的、系统性的慢性炎症。高脂饮食导致的肥胖小鼠中，肌肉、肝脏和脂肪组织中多种炎性因子的表达量增加，如白细胞介素1(interleukin 1，IL-1)、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)、单核细胞趋化蛋白1(monocyte chemoattractant protein 1，MCP-1)和IL-6等。这些因子参与胰岛素抵抗的形成[19-21]，如TNF-α水平上升能促进胰岛素受体底物1(insulin receptor substrate 1，IRS-1)的丝氨酸磷酸化。IRS是胰岛素信号转导通路中的重要信号蛋白，丝氨酸/酪氨酸磷酸化是信号转导的主要环节。IRS-1的丝氨酸磷酸化干扰正常酪氨酸的磷酸化，从而减弱胰岛素信号转导，导致IRS-1对胰岛素敏感性下降，引发胰岛素抵抗[20]。胰岛素抵抗发生是2型糖尿病的发病基础。尽管这种发病机制已被广泛接受，但对引起这种炎症反应的因素一直存在争议。比利时法语鲁汶大学的Cani 等研究表明，肠道菌群诱发的“代谢性内毒素血症”对肥胖症患者体内长期低水平全身性炎症反应的发生具有重要的诱导作用[22]。

脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)是革兰阴性菌的细胞壁成分，菌体死亡后释放出的LPS与其受体CD14形成复合物并被免疫细胞表面的Toll样受体4(Toll-like receptor 4，TLR4)识别，引起炎症反应[23]。Cani研究组发现，经过2～4周的高脂食物饲喂后，小鼠体内LPS水平比对照组增加2～3倍，并出现低度炎症，他们将这种低水平LPS诱发的宿主炎症反应称为“代谢性内毒素血症”。持续注射低剂量提纯的大肠埃希菌LPS，能使饲喂正常饮食的小鼠血液中内毒素水平与高脂组相同，且两组动物的体重、空腹血糖、肝脂肪变性、脂肪组织巨噬细胞浸润、肝脏胰岛素抵抗和高胰岛素血症等生理变化也相似。敲除LPS受体CD14基因后，小鼠饲喂高脂饲料或注射LPS，均没有出现代谢失调症状[22]。该课题组的另一项实验表明，如果小鼠在饲喂高脂饲料的同时服用抗生素，可减少循环系统内毒素水平，从而避免代谢性失调症状[24]。另外，通过使用益生元(寡果糖)维持肠道内双歧杆菌数量，增强肠屏障功能，小鼠可抵抗高脂饮食诱导的内毒素水平升高及肥胖等代谢失调的发生[22]。分子机制可能是：益生元的摄入增加了双歧杆菌的数量，使与肠黏膜功能、肠上皮细胞增殖和分化密切相关的胰高血糖素样肽2(glucagon-like peptide 2, GLP-2)表达增加，进而增加紧密连接蛋白1(zonula occluden 1, ZO-1)、闭合蛋白(occludin)等的表达，肠通透性下降，进入宿主循环系统的LPS减少，从而减轻宿主的炎性反应[24]。

“代谢性内毒素血症”假说解释了高脂饮食引发慢性低水平炎症的机制：饮食诱导肠道菌群改变，增加机会致病菌的数量，降低保护肠屏障细菌的数量，影响肠上皮细胞基因表达，导致肠道通透性增加，使得进入血液的内毒素增加，引发慢性炎症反应，进而产生肥胖、胰岛素抵抗等代谢失调。

4 肠道菌群与肥胖症发生的因果关系

越来越多的研究表明，肠道菌群与肥胖、胰岛素抵抗等代谢综合征的发生和发展密切相关。肠道菌群可通过影响宿主能量代谢、免疫系统和炎性反应，决定代谢综合征的发生和发展。然而，目前并没有报道明确表明肠道菌群中哪些种类直接导致肥胖症等代谢性疾病发生。

我们实验室以小鼠为模型，发现了一些肠道菌群中的关键物种与代谢综合征的发生和发展密切相关，如包含多种致病菌的变形菌门。张晨虹等对高密度脂蛋白基因敲除(apoA-I-/-)鼠(具有遗传性糖耐量受损和脂肪过度积累)和野生型小鼠给予高脂饲料或正常饲料后，发现野生型高脂饮食组小鼠摄入最大量的高脂饲料，肠道菌群结构改变最显著，同时也表现出最严重的肥胖和糖耐量受损表型，提示饮食与肠道菌群在代谢综合征的发生过程中比基因的作用更大。另外发现双歧杆菌在这两个基因型的高脂饲料组均检测不到，而属于变形菌门的一种具有硫酸盐还原和产内毒素功能的弧菌科(Desulfovibrionaceae)的细菌数量在糖耐量受损小鼠中明显提高，尤其在野生型高脂饮食组最明显[25]。在其他肥胖和2型糖尿病的人群研究中也发现，代谢性疾病患者肠道中内毒素产生菌的数量显著增加，血液中内毒素水平显著上升[26-28]。然而，内毒素产生菌是否是宿主肥胖发生的原因还需直接实验证据。

我们在临床研究中发现一种可产生内毒素的条件致病菌——阴沟肠杆菌，在1例体重高达175 kg [体质指数(body mass index，BMI)达58.8 kg/m2)]的肥胖患者肠道内过度增长，克隆文库分析表明该类细菌占总菌量的35%。患者经膳食干预4周后，该菌数量迅速下降；膳食干预23周后，降至检测不到的水平。同时患者体重下降51.4 kg，高血糖、高血压、高血脂等症状也恢复至正常水平。

该类细菌过度增长是导致宿主肥胖的原因吗？

为回答这个问题，我们对该类细菌进行了序列引导下的分离，得到1株阴沟肠杆菌菌株B29，接种给无菌小鼠。饲喂高脂饲料时，无菌小鼠发生严重的肥胖和胰岛素抵抗症状[29]。结果表明，来自肥胖患者的阴沟肠杆菌菌株B29可克服无菌小鼠对高脂饲料引起的肥胖症抵抗。该研究过程遵循了科赫法则，提示肥胖症患者肠道内内毒素产生菌过度增长可能是其肥胖和胰岛素抵抗发生的重要原因，而不是代谢综合征发展的结果。

然而，该菌株不是肥胖等代谢综合征的唯一原因，具体作用机制有待揭示，还需更多的实验证据深入研究内毒素产生菌导致肥胖等代谢综合征发生的分子机制，以及该菌与饮食和宿主的相互作用机制。我们用人源内毒素产生菌构建的悉生动物肥胖模型，在研究细菌-膳食-宿主相互作用与肥胖症关系的分子机制中将发挥重要作用。该类菌有可能成为预防和治疗肥胖症及其相关疾病的新靶点。

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