肠道菌群与2型糖尿病及益生菌关系的研究进展

孙建然,惠灿灿,邓大同,郑红英

(安徽医科大学第一附属医院内分泌科,安徽 合肥　230022)



肠道菌群与2型糖尿病及益生菌关系的研究进展

孙建然,惠灿灿,邓大同,郑红英

(安徽医科大学第一附属医院内分泌科,安徽 合肥230022)

摘要：糖尿病等代谢性疾病已经成为威胁人类社会和健康的重要问题之一。2型糖尿病患者肠道菌群与健康人不同,其中肠道菌群在其发生和发展过程中都发挥了巨大的作用。益生菌可以通过改善肠道通透性、增强机体免疫力等多种机制对2型糖尿病起到预防和改善作用。这一新兴的学术领域的飞速发展不但有助于阐明代谢性疾病的发病机制,而且将为探索新的治疗靶点和途径提供方向。

关键词:肠道菌群；2型糖尿病；益生菌

人体肠道中生活着的微生物称之为肠道菌群，主要来自9个菌门，包括Firmicutes(厚壁菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)、Actinobacteria(放线菌门)、Fusobacteria(梭菌属)、Proteobacteria(变形菌门)、Verrucomicrobia(疣微菌门)、Cyanobacteria(蓝藻菌门)、spirochaetes(螺旋体门)和VadinBE97，其中厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacter-oidetes)为优势菌群。成人肠道栖息约有104数量级的细菌，大约是人体细胞数量(103)的10倍左右，细菌重量约在1～1.5 kg，数量如此庞大的细菌携带的基因数是人体的100倍，被统称为宏基因组，为影响着机体健康的“第二基因组”，与人体基因组一起通过环境条件的相互作用，共同影响着人体的病理生理状态[1]。肠道菌群的主要生理功能包括：营养与物质代谢；抗肿瘤，通过激活巨噬细胞进而抑制致癌物和辅致癌物的形成；增强宿主细胞的免疫功能，通过刺激肠上皮潘氏细胞释放抗菌性防御素；有利于肠道杯状细胞合成黏液进而形成一道生物屏障，从而发挥生物拮抗作用等[5]。肠道菌群为宿主提供自身不具备的生化代谢通路和酶，一旦肠道菌群失调，则引起人体的代谢紊乱。有研究表明，肠道菌群和2型糖尿病的发生发展密切相关[2]。而益生菌作为活的微生物添加剂，可以改善肠道微生物系统，赋予宿主某种益处。Jacob[3]提出，益生菌可能将会成为预防和改善糖尿病等多种代谢性疾病的一种有效手段。

1肠道菌群和2型糖尿病

2型糖尿病的发病机制十分复杂，其不仅仅归因于人体基因组、饮食习惯的改变或体力活动的减少，肠道菌群在维护人体健康方面发挥着巨大的作用。在2型糖尿病的早期中，胰岛素抵抗已经导致了肠道菌群的显著变化，而肥胖是产生胰岛素抵抗的重要因素。Daniel等[4]在一项瘦素缺乏的OB小鼠模型中，通过测定肠道菌群末端的16sRNA序列，结果发现尽管它的母亲及兄弟姐妹都给予同样的饮食，而瘦素缺乏的OB小鼠表现为拟杆菌门Bacteroid-etes——“瘦菌”的数量下降，厚壁菌门Firmicutes——“胖菌”的数量增加。进一步的研究发现，小鼠和人类的肠道菌群差异很大，但最主要的两种肠道菌群是一致的，即厚壁菌门和拟杆菌门。一项新的研究将一胖一瘦的成年双胞胎女性排泄物中的肠道菌群移植到无菌小鼠喂养的低脂食物中，结果发现移植了双胞胎中胖者肠菌的小鼠(Ob小鼠)比瘦者肠菌的小鼠(Ln小鼠)体质量增加了更多同时出现了肥胖相关的代谢表型。研究者将两组小鼠同笼饲养5 d后，肥胖小鼠变得消瘦，其代谢模式变得与另一组相似。相反，移植瘦者肠道菌群的无菌小鼠则保持自身的代谢状态而未受到其笼伴微生物的影响。菌群分析显示Ob小鼠瘦菌增多且这种入侵性的瘦菌是拟杆菌门。表明宿主基因的表达和代谢状态可以通过摄入肠道菌群传播[5]。Chatelier等[6]利用全基因组关联分析由169例肥胖者和123例非肥胖者组成的样本，按照肠道菌群的基因数量分为两组：低菌群基因组(LGC组)和高菌群基因组(HGC组)。结果发现LGC组比HGC组体脂含量升高、有更明显的胰岛素抵抗、血脂异常和胰岛素抵抗；在生物分类门水平，LGC组以变形菌门和拟杆菌门居多，而HGC组以疣微菌门、放线菌门及广古菌门多；在抗炎菌属的分类上，HGC组以柔嫩梭菌群居多，LGC组则以促炎性的菌属如拟杆菌、活泼瘤胃球菌，这些菌门都与炎症性肠病息息相关；基因研究也表明LGC组抵抗氧化应激能力相关基因和某些促肿瘤过程相关的基因(β-葡萄糖苷酸降解、芳香族氨基酸代谢等)较多。由此可见，肥胖不仅与肠道菌群的数量和结构相关，与其基因多样性亦存在一定关系。

慢性炎症因子水平升高是胰岛素抵抗导致的2型糖尿病的主要原因之一。Cani等[7]认为长期肥胖会使肠道紧密连接蛋白ZO-1和Occludin破坏，进一步引起内源性大麻素系统的紊乱导致肠道通透性的改变；还会导致革兰阴性杆菌增加，其细胞壁成分的脂多糖不断地释放入血，经过Toll样受体(TLRs)抗原提呈，形成抗原抗体复合物TLR4 (CD14/TLR4 complex)，进而诱导全身性炎症反应。不断积累的慢性炎症和氧化应激可能导致胰岛β细胞的凋亡，最终引起2型糖尿病[8]。为分析2型糖尿病患者肠道微生物的组成，Qin等[9]对345例中国受试者进行了一项宏基因组—全基因组关联研究(MGWAS)。结果显示2型糖尿病患者以中度肠道微生物菌群失调为特征，一些常见的产丁酸盐细菌罗氏菌属和柔嫩菌群丰度下降，而各种条件致病菌(如粪拟杆菌等)、硫酸盐还原菌增多。值得注意的，健康对照组中的副流感嗜血杆菌较糖尿病组显著增加，对宿主的生理功能有待进一步研究。而对23例受试者的分析证实这些肠道微生物指标可能有助于诊断2型糖尿病。尽管1型糖尿病和2型糖尿病的发病机制不同，有研究发现1型糖尿病患者体内也存在肠道菌群失调[10]。

2肠道菌群与2型糖尿病的致病机制

2.1炎症假说近年来，肥胖等相关代谢性疾病都存在不同程度的慢性低度炎症反应，以代谢性内毒素血症和内源性大麻素系统紊乱为特点。Caesar等[11]首次提出代谢性内毒素血症的概念。研究者给正常喂养小鼠持续皮下注射大肠杆菌脂多糖，4周后小鼠体质量及肝脏、脂肪组织重量增加，空腹血糖、甘油三酯及炎性标志物增加并引起高胰岛素血症和肝细胞胰岛素敏感性下降。脂多糖与血中脂多糖结合蛋白结合后，在骨骼肌和脂肪等外周组织结合CD14和Toll样受体4从而引起巨噬细胞聚集，促进炎性因子释放，引起胰岛素受体底物-1异常磷酸化，导致胰岛素抵抗的发生[12]。

2.2能量存储假说肠道菌群可以帮助宿主利用营养物质的同时，产生的代谢产物对人体也产生一定影响，如肥胖、胰岛素抵抗、代谢综合征等。机制包括：(1)发酵宿主自身不能消化的成分，将其转化成短链脂肪酸(SCAFs)，包括乙酸、丙酸、丁酸等，从而促进脂肪的合成和存储。Remety等[13]发现肥胖和2型糖尿病患者肠道菌群构成的改变会影响短链脂肪酸受体的表达进而影响到宿主饥饿和饱食周期。肠道菌群既可以控制胆汁酸的合成又可以促使它生成次级代谢产物。Watanabe等[14]研究表明胆汁酸与细胞表面的胆汁酸受体和G蛋白偶联受体(GGPCRs)结合可激活细胞核受体FXR，进而提高环磷酸腺苷(cAMP)水平，促进褐色脂肪组织消耗，从而阻止肥胖和胰岛素抵抗。Ryan等[15]发现垂直袖状胃切除手术(VSG)对肥胖小鼠的疗效不仅来自胃容量减少所产生的机械限制作用还与胃容量减少导致的循环胆汁酸水平的增加和肠道菌群的变化有关；(2)下调肠上皮细胞产生的禁食诱导脂肪细胞因子(FAIF)的表达，进而促进脂肪酸在骨骼肌和脂肪细胞中的氧化。

3肠道菌群紊乱的干预措施

3.1益生菌 益生菌可以改善肠道菌群、调节免疫炎症反应,逆转高脂饮食诱导的肠道通透性增加,进而减少革兰阴性菌及其衍生物的易位。

3.1.1动物实验Fukuda等[16]使用肠出血性大肠杆菌O157：H7(E. coli O157:H7)和一株特异性双歧杆菌导入小鼠体内,结果发现双歧杆菌编码的ATP结合区碳水化合物转运因子基因(ATP-binding-cassette-type carbohydrate transporter)保护了小鼠免受E.coli O157:H7诱发的感染性死亡。这与双歧杆菌发酵膳食纤维产生大量的醋酸盐和抑制E.coli O157:H7产生的志贺毒素入血有关。Amar等[17]用双歧杆菌420对高脂饮食诱导的2型糖尿病小鼠进行为期1个月的治疗,发现每日摄入1×109cfu的双歧杆菌420能有效减少革兰阴性菌的易位,糖耐量也有所好转,胰岛素的敏感性治疗后也恢复正常。糖尿病肾病是是糖尿病微血管病变的表现,而控制好血糖可以减轻和延缓肾脏的纤维化。Lu等[18]用1×109cfu罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteriGMNL-26)对STZ诱导的糖尿病大鼠进行治疗后发现糖尿病大鼠中纤溶酶原激活物抑制剂-1、p21WAF1/CIP1蛋白、α-平滑肌肌动蛋白和纤维蛋白水平显著降低。此研究表明罗伊氏乳杆菌可以保护大鼠免受高血糖引起的肾脏纤维化。

3.1.2人体实验Andreasen等[19]给45例2型糖尿病和糖耐量受损的患者每天摄入1.5×1011cfu嗜酸乳杆菌(lactobadllus acidophilus NCFM)4周后，与糖耐量正常的患者组成的对照组相比，患者的胰岛素敏感性得到明显改善。Moroti等[20]给20例2型糖尿病患者每日摄入含有108 UFC·mL-1的嗜酸乳杆菌(lactobacillus acidophilus)、108 UFC·mL-1的双歧杆菌(bifidobacterium bifidum)和2 g低聚果糖的合生元shake饮料200 mL，持续30 d后发现高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)含量显著增加并且其血糖水平显著降低。氧化应激是2型糖尿病的一项重要发病机制，糖尿病患者常伴随自由基产物的增加和抗氧化防御系统的破坏[21]。Ejtahed等[22]给2型糖尿病患者每日摄入嗜酸乳杆菌(lactobacillus acidophilus La5)和双歧杆菌(bifidobacterium lactis Bb12)益生菌酸奶300 g后发现糖尿病患者的空腹血糖和糖化血红蛋白水平显著降低且红细胞过氧化物歧酶和谷胱甘肽过氧化物酶的活性及总抗氧化能力显著增加。

3.2益生元益生元可促进肠内一种或多种益生菌生长繁殖且不被宿主消化的食物成分，如双歧因子、低聚糖等[23]。Dewulf等[24]发现菊粉型果聚糖(ITF)可以提高肠道中双歧杆菌和柔嫩梭菌群水平、降低血液中的内毒素和轻微地降低了体质量。

3.3抗生素抗生素可改变细菌诱导的代谢途径。Mikkelsen等[25]给12名志愿者采取鸡尾酒式的口服抗生素疗法(万古霉素500 mg、庆大霉素40 mg、美罗培南500 mg)，结果发现肠道菌群的多样性和丰度急剧下降而循环血液中胃肠激肽(PYY3-23)急剧上升，抑胃多肽(GIP)、胰高素血糖样肽(GLP-1)、胆囊收缩素(CCK)、胃泌素、葡萄糖耐量无明显变化。该研究表明超广谱抗生素虽然导致了肠道菌群的改变但是没有影响正常人的糖耐量。

3.4降糖药物目前有循证医学证据的主要是阿卡波糖和二甲双胍，它们可以通过调节肠道菌群增加益生菌的含量，从而改善慢性低度炎症、减轻胰岛素抵抗[26]。纪立农等[27]对52例糖尿病前期患者进行一项随机、双盲、交叉、安慰剂对照研究，阿卡波糖治疗4周后发现阿卡波糖可增加肠道内乳酸杆菌类益生菌群的丰度，降低有害菌的比例，改善肠道微生态环境。刘海霞等[28]对118例2型糖尿病患者通过测定粪便中双歧杆菌、粪肠球菌的含量，经过4周治疗后发现型2型糖尿病患者肠道双歧杆菌数量显著增加，体内脂多糖水平降低。Shin等[29]给予高脂饮食喂养的小鼠服用二甲双胍后，肠道内黏液素降解菌(akkermansia spp)明显增多，产生黏液素杯状细胞数量明显增加，脂肪组织炎症明显缓解。

4展望

肠道菌群作为人体后天获得的一个重要“器官”，影响着宿主的营养、代谢及免疫功能[30]。本文阐述了肠道菌群与2型糖尿病之间的关系，而纠正肠道菌群失调可能成为预防或治疗肥胖、糖尿病等代谢性疾病的新靶点[31]。相关研究已经证实了益生菌可以改善糖尿病患者肠道菌群失调、减轻慢性低度炎症，保持良好的饮食习惯、经常摄入益生菌或益生元可以有效预防糖尿病的发生。然而，关于其具体机制及临床指标之间的关系尚缺乏定论，今后仍需就益生菌的安全性、稳定性及其预防代谢性疾病的确切机制进行更加深入和系统的研究[32]。

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The research progress on the relationship between gut microbiota and type 2 diabetes mellitus and probiotics

SUN Jian-ran,HUI Can-can, DENG Da-tong，et al

(DepartmentofEndocrinology,TheFirstAffiliatedHospitalofAnhuiMedicalUniversity,Hefei,Anhui230022,China)

Abstract:Metabolic diseases such as diabetes have been the most serious problems for our society. Recent studies show that the structure and function of gut microbiota in patients with type 2 diabetes differ from those in healthy people. Gut microbiota plays an important role in the early onset and deterioration of the diabetes. Probiotic are living organisms, which are helpful in the prevention and alleviation of type 2 diabetes by improving the intestinal permeability, enhancing immunity and other mechanisms. The rapid progress in this emerging field will not only contribute to the elucidation of the pathogenesis of metabolic diseases, but also provide directions for exploring new therapeutic targets and pathways.

Key words：gut microbiota;type 2 diabetes;probiotics

(收稿日期：2016-01-20,修回日期：2016-02-20)

doi:10.3969/j.issn.1009-6469.2016.04.005

作者简介：孙建然,男,硕士研究生通信作者：邓大同,男,主任医师,硕士生导师,研究方向：糖尿病与甲亢,E-mail:dengdatong69@163.com