肠道菌群与糖尿病、肥胖等代谢性疾病研究进展

王 鸿 综述，熊 霞 审校

（西南医科大学附属医院皮肤科，四川泸州 646000）

全球疾病负担（GBD）研究报告指出，肥胖在各个国家逐年增加，从1980年开始，肥胖发生率较前增加一倍，肥胖年轻化严重[1]。糖尿病、肥胖等代谢性疾病是基因-环境共同作用而导致的疾病，其危险因素包括年龄、家族史、生活方式、饮食、微生物等。而研究显示环境作用远远大于遗传作用，近年来有研究提出环境方面的肠道微生物作用不容忽视。本文从肠道菌群与糖尿病、肥胖等代谢性疾病进展作如下综述。

1 人体肠道菌群

在人体肠道内存在1 000种以上的微生物种类，主要包括拟杆菌门、厚壁菌门、变形菌门和放线菌门，其他菌门有螺旋菌门、蓝菌门、疣微菌门等。肠道微生物群落在保护宿主抵抗病原微生物、调节免疫、调节代谢过程中起着重要的作用，甚至被认为是一种内分泌器官。近年来肠道菌群紊乱参与疾病发生发展已成为国际研究热点，目前研究的疾病有多发性硬化、炎症性肠病、肥胖、高血压病、系统性红斑狼疮、自闭症等[2]。

2 肠道菌群与代谢性疾病

2.1 糖尿病

2.1.1 糖尿病人肠道菌群特点

Larsen等人在2010年首次研究报道了2型糖尿病人和正常对照组肠道菌群在门的水平上的组成显著不同。此后，其他科研结果显示2型糖尿病体质指数（BMI）依赖的肠道微环境改变[3]。

许多研究结果意见不一，大多数研究都发现2型糖尿病人肠道中厚壁菌门（Firmicutes）与拟杆菌门（Bacteroidetes）之间的比值相对升高[4]。然而其他研究却显示相对于非糖尿病对照组，糖尿病患者肠道菌群中厚壁菌门和梭菌纲（Clostridia）丰度减低，拟杆菌门丰度显著增加，其丰度和血浆葡萄糖浓度显著相关。在结直肠息肉病人中发现拟杆菌门/厚壁菌门比例和Bacteroides-Prevotella/C.coccoides-Eubacterium比例与空腹血糖水平升高相关[5]。另外有研究使用鸟枪法测序发现2型糖尿病患者粪菌中有4种乳酸菌数量增加，与空腹血糖和糖基化血红蛋白A1c（HbA1c）呈正相关。5种梭状芽孢杆菌（Clostridium）的丰度随着空腹血糖、HbA1c、胰岛素、c肽和血浆甘油三酯升高而降低，与脂联素（adiponectin）、高密度脂蛋白、淀粉和葡萄糖、果糖和甘露糖代谢、氨基酸/离子/单糖转运的ABC蛋白增加呈正相关[6]。对345名中国糖尿病人粪菌分析显示，有些普遍的产丁酸类细菌大量减少，各种机会致病菌增加，还原硫酸和抗氧化应激作用增加，进而可能会增加对多种疾病的易感性[7]。虽然对与2型糖尿病中究竟是哪种特定的细菌显著改变还未达成共识，一种常见的观察结果是，丁酸盐产生的细菌数量大量减少。Forslund等人发现，之前观察到的糖尿病肠道微生物群的差异如乳杆菌和大肠杆菌的增加很大程度上可以用二甲双胍治疗来解释[3]。

2.1.2 血清支链氨基酸

2型糖尿病肥胖患者血清支链氨基酸（BCAA）含量比瘦的患者高出约20%，显示空腹血清BCAA水平与2型糖尿病有一定关系[8-9]。通过研究277例非糖尿病病人显示，其中胰岛素抵抗个体的血清代谢组BCAA水平明显升高，具有合成脂多糖和支链氨基酸潜力的菌群增加，同时编码支链氨基酸的细菌内转运蛋白的基因相应缺失，导致BCAA传输到细菌细胞、甲烷生成和丙酮酸氧化潜力降低[10]。进一步研究发现Prevotellacopri和Bacteroidesvulgatus是推动支链氨基酸生物合成和胰岛素抵抗的主要物种。观察HF中加入P.copri实验组和小鼠对照组，在实验组中发现Prevotellacopri可升高外周循环中血清中的支链氨基酸水平，引起肠道炎症反应，葡萄糖耐受性下降，胰岛素敏感性减低，引起胰岛素抵抗。通过粪便移植也可使胰岛素抵抗表型转变[11]。

2.1.3 胰高血糖素样肽

胰高血糖素样肽（glucagon-like peptide-1，GLP-1）是一种促胰岛素激素，来源于肠内分泌细胞-L细胞[12]。目前基于GLP-1的疗法成为控制2型糖尿病病人的血糖升高的重要方法，我们利用具有差异的肠道微生物紊乱和GLP-1敏感性降低的2型糖尿病小鼠模型，发现一种特定的回肠菌群可通过肠神经系统(ENS)使神经元型一氧化氮合酶(neuronal oxide synthase，nNOS)和GLP-1受体(GLP-1r)mRNA表达下调，通过NOD2/TLR4/CD14机制使GLP-1r介导的NO的产生减少，迷走神经传入神经冲动减少，进一步影响肠-脑轴活化，减少胰岛素分泌和加速胃排空，从而降低血糖[13-14]。

2.1.4 短链脂肪酸

由图6可知，紫菜的水分含量随着微波时间的增长而降低。在18 min时水分含量最低为3.3%。这是由于堆积厚度、微波功率不变的前提下，微波时间越久，紫菜受热时间越久，水分散发越多，所以水分含量逐渐降低。综合感官评分和水分含量选定微波时间为6，9，12 min作为正交试验的3个水平。

人体不能消化的食物经肠道细菌发酵产生的代谢产物短链脂肪酸（SCFAs），主要包括丁酸盐、乙酸盐和丙酸盐，其在糖尿病中发挥重要作用。SCFAs可以影响肠细胞生长分化。人体直肠或静脉注射乙酸盐可使PYY和GLP-1血浆浓度增加，健康女性补充丙酸盐7周减少空腹血糖水平和口服葡萄糖耐量试验期间增加胰岛素分泌与排出。显示SCFAs、肠内分泌激素和葡萄糖稳态之间存在一定关系[15]。最近研究显示血液中乙酸盐水平升高可引起胰岛素抵抗和胃饥饿素（ghrelin）的产生[4]。

大多数研究都发现2型糖尿病人Intestinibacter减少，埃希菌属（Escherichia）增加，丁酸盐产量减少[16]。肠道细菌产生的丁酸盐可以预防和抵御肥胖小鼠体内的胰岛素抵抗。SCFAs能通过结肠粘膜游离脂肪酸受体2（FFAR2)，促进葡萄糖体内平衡[5]。此外SCFAs还可作为能量调节的信号分子刺激消化道黏膜壁上的L细胞分泌脑肠肽，通过L细胞表面的GPCR43和GPCR41发挥降血糖的功能[12]。

2.1.5 toll样受体

缺乏微生物模式识别受体TLR5的小鼠表现出食欲旺盛、肥胖和代谢综合征的特点。当这些小鼠的肠道微生物被移植到具有完整toll样受体5(TLR5)基因的无菌小鼠中，受体小鼠也表现出了类似代谢综合症，表明肠道菌群在这类表型中具有重要作用。TLR2基因缺乏的老鼠肠道微生物厚壁菌门丰度增加和放线菌门丰度减少（来源双歧杆菌属）[17]。低水平的双歧杆菌（放线菌门）可导致肠道通透性增高，从而使细菌内毒素如脂多糖LPS吸收入血增多，免疫系统将LPS识别为触发TLR的微生物模式信号，导致炎症和胰岛素抵抗[5]。

2.1.6 胆汁酸

胆汁酸可维持肠道正常屏障，抑制肠道微生物过度增长，调节体内能量平衡。其主要经过以下信号分子通路发挥作用：有丝分裂激活的蛋白激酶（MAPK）通路，法尼酯衍生物X受体（FXR）通路。在小鼠实验中，该途径能够改善Ⅱ型糖尿病的高血脂与高血糖情况。G蛋白偶联的受体（GPCR）TGR5途径，胆汁酸可以通过该受体使环腺苷酸（cAMP）增加，加速甲状腺激素的前体甲状腺素(T4）转化为三碘原腺氨酸（T3），促进脂肪组织代谢和能量消耗，进一步阻止肥胖和胰岛素抵抗的产生。因此肠道菌群的紊乱，使胆汁酸由结合型转换为游离型过程受阻，使体内游离胆汁酸的水平下降，进而抑制肠道微生物的作用减弱，又会加剧肠道菌群失调[12]。

2.2 肥胖

2.2.1 肥胖患者肠道菌群特点

在人与小鼠中，肥胖与肠道微生物多样性下降相关，肥胖者肠道中厚壁菌门丰度增加、拟杆菌门丰度减少。厚壁菌门可以将这些多糖转换为可吸收的单糖类和短链脂肪酸，产生更多可吸收的能源，导致体重增加和肥胖[18]。一些研究前瞻性研究表明在儿童期肠道中金黄色葡萄球菌水平较高的和较低水平的双歧杆菌的个体在成年更容易超重。

2.2.2 粪菌移植

将来自肥胖小鼠和瘦老鼠的肠道微生物，分别移植到无菌的瘦老鼠身上，且每天摄入的热量相同。2周后，移植肥胖小鼠菌群的老鼠变得肥胖，而移植瘦小鼠菌群的瘦弱的老鼠仍然维持原来体重[18]，且瘦的无菌小鼠对肥胖具有抵抗力[20]。通过粪菌喂养后变胖和变瘦的小鼠一起喂养，相互喂养粪菌，肥胖小鼠变瘦，并且其肠道菌群与瘦小鼠类似，证明瘦小鼠的肠道微生物可以主导控制肥胖小鼠的肠道微生物[21]。

粪菌移植后血循环的瘦素和葡萄糖水平增加，进一步机理研究论证得出肠道菌群可上调碳水化合物反应元件结合蛋白（ChREBP）/肝甾醇反应元素结合蛋白a-1（SREBP-1）促进了从肠道吸收单糖和诱导机体肝脏脂肪生成，进而导致体重上升，脂肪细胞肥大和胰岛素抵抗[17]。

2.2.3 法尼酯衍生物受体

法尼酯衍生物受体（FXR）受体缺乏的小鼠其肠道拟杆菌门丰度增加，而厚壁菌门丰度减低，与无菌小鼠一样可以抵御食源性肥胖和改善糖代谢，肝脂肪变性减少。高脂饮食喂养的FXR-/-（FXR敲除）的小鼠和WT（野生型）小鼠的粪菌分别移植到无菌小鼠体内。接受了FXR-/-菌群的小鼠其体重增加减低，葡萄糖代谢得到改善，肝脏中与脂蛋白摄取相关的基因如Cd36，Apoc2 and Vldlr的表达减少。说明了FXR缺乏的小鼠肠道微生物能直接促进小鼠瘦的体型。操作FXR信号或者肠道微环境可以作为新的诊治途径。但是FXR基因发挥作用需要肠道微生物参与，在肠道微生物不存在的情况下，血清胆汁酸成分不受FXR作用干扰，肠道微生物存在时，FXR基因缺乏对血清胆汁酸有重要作用[22]。

2.2.4 减重

进行了Roux-en-Y胃旁路术（RYGB）的肥胖小鼠与假手术对照组相比，达到了预期的体重减少值，其肠道微生物特征也跟着改变。将进行了RYGB手术的小鼠粪菌定植到假手术的小鼠体内同样观察到体重降低，尽管其未达到手术组水平[23]。当肥胖的人控制饮食和减肥后，其肠道微生物中拟杆菌门/厚壁菌门比值增加[21]。其中拟杆菌门增加(3%至15%)和厚壁菌门丰度减少，这些变化与体重减轻的百分比有关，而与饮食上改变无关。证明肠道微生物组成与肥胖相关，但是因果联系不清楚[17]。

2.3 非酒精性脂肪性肝病

2.3.1 肠道菌群特点

通过粪菌16SRNA测序分析揭示了新陈代谢正常的个体与有非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)和非酒精性脂肪性肝炎（NASH）的个体有明显差异。NAFLD患者中乳酸菌门和厚壁菌门[17]高表达，可以加速肥胖和NAFLD。将肥胖小鼠粪菌移植到无菌非肥胖小鼠体内后，其合成脂肪的基因表达增加，甘油三酯积累增加，导致肝脂肪变性[20]。

2.3.2 可能机制

胆固醇转换成牛磺β鼠胆酸(Tβ MCA)并分泌到肠道中。在小鼠小肠下端被胆汁盐水解酶（BSH）水解成β迷迭香酸（β MCA）和牛磺酸。在肥胖小鼠中，在肝脏产生的内源性FXR激动剂，刺激回肠中FXR导致神经酰胺产生增加。神经酰胺可使SREBP-1信号增加，导致脂肪酸合成增加和脂肪肝，另一方面神经酰胺进入细胞及线粒体内膜导致线粒体应激和线粒体渗透性增加，线粒体损伤可导致活性氧增加和细胞凋亡。

用tempol或抗生素或Gly-MCA可使小鼠肠道中乳酸杆菌水平和BSH活性降低，导致Tβ MCA（FXR的拮抗剂）水平升高，从而抑制肠上皮细胞的FXR。神经酰胺水平下降，肝脂肪合成和脂肪变性减少，减轻肥胖和胰岛素抵抗。提示乳酸杆菌在NAFLD中可能发挥作用，但其具体机制还需要进一步研究[24]。

3 结 论

近年来研究证明肠道菌群与肥胖、2型糖尿病和其他代谢性疾病密切相关，但是其因果关系不清楚，随着宏基因组学和功能基因组学等技术的进步，我们有更多的研究方法来揭示肠道微生物在这些疾病发生发展中所起的作用及具体机制，为进一步肠道菌群干预等治疗方法奠定基础[25]。

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