益生菌对糖尿病作用的相关研究进展

朱 路，李华荣

益生菌对糖尿病作用的相关研究进展

朱 路，李华荣

本文通过综述相关文献，探讨肠道菌群与1型糖尿病、2型糖尿病和益生菌之间的关联。结果表明，益生菌可以减少炎症反应、氧化应激反应，增加肠道上皮细胞中粘附蛋白的表达，减少肠道通透性，从而增加胰岛素的敏感性和降低自身免疫反应。

益生菌；肠道菌群；1型糖尿病；2型糖尿病

0 引言

糖尿病由遗传或环境因素等多种因素引起。研究表明，慢性炎症反应与胰岛素抵抗的发病机制有关，肠道菌群失调与遗传和环境因素相互作用引发了糖尿病[1]。人的胃肠道里平均含微生物1014个/mL,包含5 000多种细菌，其中大约90%的细菌属于拟杆菌和厚壁菌。肠道菌群的构成与过敏、肠道炎症、癌症、糖尿病、心血管疾病有关[2-3]。肠道菌群的改变可以增加肠道通透性和粘膜免疫反应，促进糖尿病的发生。

临床发现，通过益生菌来调节肠道菌群是有用的。本文通过综述肠道微生物群、益生菌和糖尿病之间关联的文献，发现益生菌可以保持一个健康的肠道内微生物群，可以有效治疗胰岛素抵抗[4-8]，在预防和治疗糖尿病方面有着重要作用。

1 肠道菌群与2型糖尿病

1.1 Toll样受体(TLRs)激活导致胰岛素抵抗 代谢性疾病如糖尿病有一个很普遍的特征：轻度慢性炎症状态。这种状态有可能是因为TLRs被脂多糖激活。已有研究发现，静脉注射脂多糖引起的急性炎症影响特定脂肪组织的炎症因子和胰岛素信号通道，引起代谢性内毒素血症和全身性胰岛素抵抗[9]。多个临床试验表明，注射细菌脂多糖和2型糖尿病相关[10]。并发代谢性内毒素血症、活菌群穿过肠粘膜屏障从肠道转移到血液都表明其与2型糖尿病的发生发展相互关联[11-12]。

TLRs是一个大家族，存在于各种细胞的表面，通过识别病原相关分子模式(MAMP)，在免疫反应中起着重要的作用。它可以检测到病菌的存在及性质，是机体防御系统的第一条防线。一旦诱导炎症因子的分泌，也激活了适应性免疫系统。其细胞外部分由亮氨酸重复序列组成，细胞内部分由Toll/il-1受体(TIR)组成[13]。

TLR4经常出现在有胰岛素的组织中，而且胰岛素的作用随着TLR4的激活而削弱，细胞因子信号转导随着活性氧的增多而激活。高脂饮食会导致双歧杆菌减少，使LPS的浓度增加，而这恰恰是代谢性内毒素血症的一个特征。高脂会导致G-的死亡，导致肠道产生LPS，并进入毛细血管以及体循环，使不同组织中出现高浓度的促炎症因子。炎症对肠道菌群调控和胰岛素抵抗十分重要。炎症反应被MAMPs激活，如脂多糖、鞭毛蛋白、肽聚糖、高速泳动族蛋白、DNA和核苷酸以及损伤相关分子模式(DAMPS)。一些特定的受体可以识别MAMPs和DAMPS，包括Toll样受体、C型聚集素受体(C-type lectin receptors，CLRs)、糖基化终产物受体(Receptors for advanced glycation end products，RAGE)、细胞内核苷酸结合寡聚化结构域样受体(Nucleotide binding oligomerization domain-like receptors，NLRs)、维甲酸诱导基因(Retinoic acid inducible gene type 1，RIG-1)。这些受体一旦激活，会导致Jun核激酶(c-Jun N-terminal kinases)和IκB激酶β(IkappaB kinase complexes)的磷酸化，从而增强炎症反应[13]。

TLR4与可溶性髓样分化因子2(Myeloid differentiation factor-2，MD2)共受体在细胞表面形成分子复合物，成为连接LPS的连接点。TLR4-MD2-LPS复合物会触发炎症反应，通过激活含有TIR结构域的适配蛋白(TIRAP)和TIRAP诱导干扰素β相关适配分子(TRAM)，激活了核因子-κB(NF-κB)。TIRAP和TRAM的激活分别打开了髓样分化因子88(Myeloid differentiation factor 88，MyD88)通道和含有TIR结构域的适配蛋白诱导干扰素β通道。MyD88通道涉及到白介素受体相关激酶和肿瘤坏死因子受体相关因子6(TNF-α receptor-associated factor 6，TRAF6)，而TRAF6负责激活转化生长因子β激酶1(Transforming growth factor β-activated kinase 1，TAK1)。TAK1的激活促使IKK(Inhibitors of the kappa beta kinase)α、β、γ磷酸化，导致IκB(核因子抑制蛋白)从NF-κB上脱落并被泛素化，使得NF-κB由抑制状态被激活。NF-κB转位入核并激发炎性因子的表达。LPS-TLR4激活炎症通道，增加了一氧化氮合酶的表达，促进了蛋白质巯基亚硝基化反应。产生的一氧化氮与半胱氨酸残留物相互作用，生成亚硝基硫醇加成物，通过丝氨酸中的胰岛素受体-1底物(Insulin receptor 1 substrate，IRS-1)的磷酸化，阻断胰岛素信号的转导，导致组织器官中的胰岛素抵抗[14-15]。其他研究也表明，炎性因子导致了IRS-1的磷酸化[16-17]，胰岛素受体酪氨酸激酶和蛋白激酶B的信号转导受到抑制，同时也增加了IRS-1的降解。

1.2 抗炎菌群比例失调 研究发现，肥胖和2型糖尿病患者中出现了厚壁菌、拟杆菌和变形杆菌之间的比例失调[3]。另有研究表明，2型糖尿病患者双歧杆菌和柔嫩梭菌群比例偏低[8]，而这些菌群具有抗炎症反应的特性。肠道菌群比例失调与2型糖尿病的发生发展密切相关。

2 肠道菌群与1型糖尿病

2.1 肠粘膜通透性改变损害胰岛B细胞 胃肠道粘膜是抵抗病菌入侵的第一道防线，由粘液、IgA分泌细胞、抗菌蛋白组成。肠道菌群可以调控免疫反应和免疫系统，其在1型糖尿病发病过程中的影响已有相关报道[18-19]。

肠粘膜通透性的增加会导致对抗原的吸收增加，这样会损伤胰岛B细胞。而先天1型糖尿病患者和其他免疫性疾病患者在肠屏障的保护上存在缺陷，大量的抗原暴露在免疫系统中。连蛋白是一种调节肠粘膜通透性的蛋白，研究发现，在1型糖尿病患者体内连蛋白表达减少，肠上皮细胞间转运空间增加，紧密连接蛋白结构发生变化[20]。在肠粘膜通透性增加的情况下，各种来源食物或病原菌的抗原触发了炎症反应和免疫反应，导致了胰岛B细胞的破坏。例如，牛奶中的牛胰岛素，会增敏肠道的T细胞，加速胰岛B细胞的破坏。另外，肠道菌群的改变会引起炎症反应，而炎症反应是免疫系统疾病发病机理中的重要环节。1型糖尿病儿童相比正常儿童，梭状芽孢杆菌、拟杆菌、韦永氏球菌属的比例偏高，双歧杆菌和乳酸菌的比例偏低[21]。另有研究表明，1型糖尿病患者中椭圆形拟杆菌比例上升，脆弱拟杆菌比例下降[22]。

一旦肠粘膜通透性增加，即使1型糖尿病的临床特征还没出现，肠道菌群已经与1型糖尿病的发生发展相关联了。早期的研究已经发现，1型糖尿病动物模型老鼠与对照组相比，拟杆菌和梭状芽胞杆菌增多，双歧杆菌和乳酸菌的比例偏低。这种变化可能与免疫功能失调有关[23]。与之相类似，健康儿童比1型糖尿病儿童肠道菌群更多，更稳定[24]。而1型糖尿病儿童肠道菌群组成结构中，毒力因子、噬菌体、噬菌体原更多，对待应激反应更强，细菌产生的丁酸盐更少。丁酸盐是一种短链脂肪酸，具有抗炎功效，可以减少细菌易位，改善紧密连接蛋白的结构，刺激粘蛋白的合成(粘蛋白是一种糖蛋白，可以保持肠上皮细胞的完整性)。

2.2 肠道菌群的特定比例和结构可以预防免疫系统T淋巴细胞的激活和免疫反应 实验表明，抗菌药物的使用预防了胰腺炎和胰岛B细胞的破坏，其机理与减少胰淋巴结和小肠淋巴集结处免疫反应有关[25]，这个结果也印证了1型糖尿病与免疫系统有关。用广谱抗菌药物杀灭MyD88基因敲除的小鼠肠道菌群后(MyD88基因敲除的小鼠可以对1型糖尿病免疫，而且在胰腺淋巴结里有较少的TNF-α表达，有较低的厚壁菌/拟杆菌比值，有较多的乳杆菌、理研菌和紫单胞菌)，会增加1型糖尿病的发病几率。这表明肠道菌群的特定比例和结构可以预防免疫系统T淋巴细胞的激活，而这一过程不依赖于MyD88通道。 另有研究表明，脆弱拟杆菌可以减少肠道炎症，而分节丝状菌可以激活辅助性T细胞17(Th17)，产生IL-17，激活免疫反应和产生炎性因子[26-27]。保持特定菌群的特定比例可以预防免疫系统的免疫反应。

3 益生菌对糖尿病的作用研究

益生菌可以激活免疫系统，降低胆固醇水平，预防呼吸道和肠道疾病，减少炎症反应和癌症效应。这与其可以分泌抗菌物质，与其他病原菌竞争，增强肠粘膜屏障，调节免疫系统的性质密不可分。双歧杆菌和乳酸杆菌是功能性食物和膳食补充剂中最为常用的益生菌种。研究发现，嗜酸乳杆菌、发酵乳杆菌等调节钙粘蛋白和连环蛋白等粘附蛋白的基因编码，减少蛋白激酶C-δ的表达[28]。而蛋白激酶C-δ的过多表达会增加肠粘膜的通透性。另一方面，益生菌导致连环蛋白磷酸化，使钙粘蛋白和连环蛋白之间形成牢固复合物。

给予老鼠每天108CFU的约式乳杆菌，会增加潘氏细胞的数量[29]。潘氏细胞是肠粘膜屏障的组成部分，能产生抗菌蛋白，减少肠粘膜屏障的通透性。约式乳杆菌通过增加紧密连接蛋白claudin-1的表达和减少氧化应激反应，减少有糖尿病倾向老鼠的糖尿病发病率[30]。约式乳杆菌通过调节Th17，缓解了有糖尿病倾向老鼠的1型糖尿病的发展进程[31]。许多菌种都可以调节Th17，特别是革兰阳性菌。尽管Th17可诱导胰腺炎症，但只有当Th17分化成Th1时，才会发展成为1型糖尿病。因此，形成其他分化性的Th17可以抑制致糖尿病细胞的表达。

研究发现，植物乳酸菌DSM15313可以降低血糖，改善糖耐受量以及胰岛素抵抗[32]。益生菌VSL #是一种浓度为3×1011CFU/g的长双歧杆菌、短双岐杆菌、婴儿沙门菌的混合菌，可以改善载脂蛋白E基因敲除(ApoE-/-)小鼠的胰岛素信号转导，减少脂肪组织的炎症反应[33]。益生菌VSL #还可以减少高脂喂养雄鼠中肝脏自然杀伤细胞的损耗，减少NF-κB转录因子的激活[34]；降低非肥胖型糖尿病小鼠的发病率。研究表明，益生菌主要通过3种途径抑制1型糖尿病的发生：①抑制炎症和胰岛B细胞的死亡；②增加源自肠道的淋巴细胞分泌IL-10；③增加IL-10在胰腺的表达。IL-10是一种细胞因子，能抑制抗原的表达和促炎性因子的产生。肝脏自然杀伤细胞的损耗与肝脏胰岛素抵抗的发展密切相关。

富含嗜酸乳杆菌NCDC14和干酪乳杆菌NCDC19的酸乳型发酵牛奶可以明显减轻糖尿病大鼠的脂质过氧化反应、降低糖化血红蛋白水平，并改善小肠运动，但并未伴随血糖降低。相似的研究表明，其保留了抗氧化剂谷胱甘肽过氧化物酶、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的酶活性。罗伊氏乳杆菌GMNL-263的摄入可以降低血糖和HbA1c，预防肾脏纤维化[35]。研究发现，双歧杆菌通过增加GLP-1(胰高血糖素样肽-1)的产生而改善胰岛素敏感性[36]。

给予高脂喂养的大鼠双歧杆菌菌株Bifidob-acterium animalis ssp.lactis 420 109CFU，可以减少肠系膜脂肪组织中肿瘤坏死因子、IL-1β、纤溶酶原激活物抑制剂-1(PAI-I)和IL-6数量，改善胰岛素敏感性[11]，同样，鼠李糖乳酸杆菌GG可以减少转录因子NF-κB向细胞核的转移，减少蛋白激酶B的降解，减少由脂多糖导致TLR4的激活[37]。通过益生菌来调节肠道菌群，给尚有胰岛素分泌功能的患者带来了实在的好处，但这仅限于特定的菌株，不能推测到其他的菌株[38]。

孕妇在妊娠期额外补充鼠李糖菌株(1010CFU)和乳双歧杆菌菌株(1010CFU)，相比食用一般正常健康饮食的孕妇，糖耐受量得到改善，糖化血红蛋白水平下降[39]。另有研究表明，从怀孕到分娩后12个月额外补充益生菌，降低了胰岛素浓度，改善了胰岛素的敏感性。

1012CFU植物乳酸菌菌株WCFS1改善了支架蛋白Z0-1在连接部位的定位，这种蛋白的堆积可以增加肠粘膜屏障的保护作用，这种包含体蛋白通过激活肠上皮细胞顶端TLR4受体而形成[40]。

益生菌抗糖尿病的机制还没有被完全阐明，但可能与减少氧化应激反应，调节免疫反应，减少炎症反应，调节肠道菌群有关[5]。此外，益生菌还可以降低餐后血脂水平，改善抗氧化剂的吸收，这些特性与氧化应激有关。

4 结论

胃肠道菌群中存在许多抗原，这些抗原参与到调节免疫性疾病中。肠粘膜屏障的完整保证了抗原和机体的相互作用。菌群功能性失调会导致胰岛B细胞被自身免疫系统破坏，出现1型糖尿病；会增加炎症细胞因子的表达，导致胰岛素抵抗和2型糖尿病。综上所述，益生菌调控肠道菌群是预防和治疗糖尿病的有效手段。益生菌的调控机制及其在糖尿病中的作用有待进一步探讨。

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Research progress of probiotics on diabetes

ZHU Lu，LI Hua-rong

(Department of Pharmacy,Jingzhou Center Hospital,Jingzhou 434020,China)

This article reviews relationship among gut microbiota,type 1 and type 2 diabetes and probiotics. It is shown that administration of probiotics can increase the insulin sensitivity and reduce the autoimmune response by reducing the inflammatory response and oxidative stress,increasing the expression of adhesion proteins within the intestinal epithelium,reducing the intestinal permeability.

Probiotics；Gut microbiota；Type 1 diabetes；Type 2 diabetes

2014-10-29

湖北省荆州市中心医院药剂科，荆州 434020

10.14053/j.cnki.ppcr.201507028