肠-胰岛轴和肠-脑轴对话在能量代谢中的角色

彭永德

肥胖、2型糖尿病(T2DM)、高脂血症和代谢综合征等代谢性疾病常合并发生，但目前对导致上述能量代谢障碍发生的机制尚未阐明。胃肠道代谢减重手术可明显改善糖尿病患者的胰岛功能和糖脂代谢紊乱，提示胃肠功能与胰岛功能关系密切。胃肠道不仅与胰腺外分泌功能有联系，而且可能与胰腺内分泌功能也有联系，故肠-胰岛轴(entero-insular axis)的概念应运而生。虽然，代谢手术是减重并长期维持的最有效治疗方法，但目前减重手术成功的机制尚不清楚。肠源性肽在全身和局部浓度的变化及其在作用部位发生的反应，以及迷走神经放电并向大脑发送信号可能是减重手术成功的关键机制[1]。目前，对于中枢神经系统(central nervous system, CNS)与胃肠道之间的相互作用，以及与能量稳态有关的肠道微生物群(gut microbiota)关系的认知也越来越深入。

1 肠道微生物群的概述

肠道微生物群是寄居在人体肠道内的微生物，具有数量巨大、多样化、复杂性和动态性的特点，被称为“机体最大的微生态系统”，是影响人类健康的“第二基因组”。人类肠道中有100万亿个细菌，平均质量为1.5 kg，所携带的基因数是人体自身基因数的100倍。健康人群肠道微生物群主要包括拟杆菌门、放线菌门、厚壁菌门、变形菌门、疣微菌门和梭菌属,仅含少量其他种类菌群、病毒、真核生物等。其中，拟杆菌门和厚壁菌门约占90%。目前，人们已充分认识到宿主与微生物间的相互作用能够协同代谢饮食成分，产生大量信号分子，在体内形成对健康有益的“智能通讯系统”。微生物产生的生物活性代谢产物[如短链脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFA)、共轭脂肪酸、胞外多糖]和神经活性代谢产物[如γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)和5-羟色胺(5-hydroxy-trgptamine,5-HT)等]均有利于宿主的健康。近年来，研究[2]结果表明，胃肠道微生物群除了与胃肠道疾病的发生有关外，还与代谢性疾病[如肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)等]、癌症，甚至神经性和神经退行性疾病(如抑郁症、孤独症、焦虑症和帕金森病等)有关。人类肠道微生物群是一个复杂的生态系统，可能通过多种相互依赖的途径影响能量代谢，比如肠-胰岛轴和肠-脑轴(gut-brain axis)。

2 肠道与胰岛对话在能量代谢中的作用和机制

2.1 肠-胰岛轴的概念 肠-胰岛轴是由Unger和Eisentraut于1969年提出的一个概念，用于描述肠道与胰岛之间的联系，即胃肠道通过释放生物活性物质调节胰岛细胞活动[3]。Creutzfeldt认为这个轴包含了从肠道到胰岛细胞的营养、神经和激素信号。他提出肠-胰岛轴激素或肠促胰岛素必须满足两个标准：①在摄入营养素(特别是碳水化合物)后释放；②在生理水平状态，其能在血糖升高时刺激胰岛素分泌。

2.2 肠-胰岛轴在能量代谢中的作用和机制 在胃肠道黏膜内存在数十种内分泌细胞，分泌的激素统称为胃肠激素，可作为循环激素起作用，也可作为旁分泌物在局部发挥作用。胃肠激素对胰岛素分泌和血糖水平的调节作用在20世纪60年代被确认。到了21世纪，至少有12种胃肠激素被认为与饮食有关[4]。

研究证明，静脉注射促生长激素释放素(ghrelin)可以增加个体的进食量，ghrelin水平与健康体重、肥胖和体重减轻人群的身体脂肪含量呈负相关。ghrelin主要由分散在胃黏膜上皮层中的封闭型肠道内分泌细胞分泌，其分泌主要受神经控制，亦接受来自小肠营养物质的反馈调节，如胆囊收缩素(cholecystokinin, CCK)和肽YY(peptide YY, PYY)抑制ghrelin分泌。ghrelin可能通过加速胃排空、抑制胰岛素分泌、刺激胰高血糖素或其他反调节激素的分泌来调节血糖。肥胖受试者的空腹血浆ghrelin水平降低，饮食控制诱导的体重减轻使其升高。原因可能为肥胖使空腹胰岛素水平升高，升高的胰岛素抑制ghrelin分泌[4]。然而， Shiiya等[5]并未检测到T2DM的发生对肥胖受试者空腹血浆ghrelin水平造成显著影响。针对肥胖受试者的研究[4]结果表明，部分受试者餐后血浆ghrelin水平降低，但并非所有受试者的血浆ghrelin水平都降低。在空腹ghrelin水平升高且餐后ghrelin水平未降低的肥胖受试者中，Roux-en-Y胃分流术(RYGB)最初降低了空腹ghrelin水平，但至术后1年，受试者空腹ghrelin水平不再降低，却出现了典型的餐后水平降低。这种RYGB后ghrelin分泌的逐渐正常化可能是由体重下降或动态葡萄糖吸收所致[6]。迄今为止，针对肥胖个体和RYGB后ghrelin改变的生理学机制的研究结论尚存在一定分歧。

另外，胃肠道代谢产物作用于小肠黏膜上皮层内分泌细胞的营养受体，刺激CCK和PYY分泌。CCK已被确定为人类的一种饱足信号，可能通过影响胃排空或直接控制肝脏葡萄糖的产生，间接地控制与膳食有关的血糖水平。CCK信号转导的病理生理学机制可能与某些患者的暴饮暴食、肥胖和T2DM，以及RYGB后的早期饱腹感有关。临床前研究[4]结果表明，CCK可作为候选药物与其他内分泌治疗相结合，用于治疗肥胖。目前，几乎无证据表明PYY可影响人类的胰岛素分泌，而其可能通过抑制胃排空影响血糖。PYY分泌与肥胖之间的关系，以及其在RYGB后的作用机制尚未明确[4]。肠道代谢产物作用于小肠黏膜上皮层内L细胞的营养受体，刺激胰高血糖素样肽-1(GLP-1)分泌。GLP-1通过刺激胰岛素分泌、抑制胰高血糖素分泌、减缓胃排空和降低肝脏葡萄糖代谢等来控制饮食相关的血糖水平。GLP-1也可能有助于空腹血糖的控制。GLP-1受体(GLP-1R)分布于多个组织和器官，如胃肠道、胰腺、心房、迷走神经腹部分支的传入神经，以及多个脑区等，具有多重生理作用，参与能量代谢调节。长效的GLP-1受体激动剂(GLP-1RA)可以减轻体重，缓解T2DM[4]。对于已行代谢手术，特别是RYGB术后获得显著减重和改善血糖控制效果的病例，起效机制可能是胃肠激素分泌的改变[4]。

目前，越来越多的证据表明，肠道微生物群及其代谢产物可调节肠道内分泌细胞的激素分泌功能，从而调节食欲和胰岛素分泌。人体肠道微生物群摄取膳食中的大量营养素来满足其自身生理需求，同时产生由胆汁酸、SCFA、氨、酚、内毒素等组成的生物活性化合物。这些代谢物是微生物与宿主沟通的媒介，对维持宿主生理学功能至关重要[2]。

胆汁酸通过激活某些受体来改变代谢，包括类法尼醇X受体(FXR)、孕烷X受体(PXR)和G蛋白偶联受体(GPR)，如G蛋白偶联胆汁酸受体(TGR5)[2]。肠道微生物是胆汁酸代谢的重要调节因子，在无菌或抗生素治疗的大鼠中，胆汁酸的多样性降低。使用抗糖尿病药物阿卡波糖治疗可改变参与胆汁酸代谢的肠道微生物组，从而改变胆汁酸组成成分并影响T2DM患者的预后[7]。一项队列研究结果表明，使用胆酸衍生物牛磺熊去氧胆酸(TUDCA)治疗可提高患者肝脏和肌肉的胰岛素敏感性。胆汁酸合成途径中的重要酶细胞色素P450、家族7、亚家族b、多肽1(CYP7B1)介导的替代途径激活通过改变肠道微生物群，上调冷诱导产热和能量消耗发挥有益的代谢功能[8]。胆汁酸还可以作用于L细胞中的FXR并调节GLP-1的产生。胆汁酸螯合剂colesevelam以FXR依赖的方式增加GLP-1分泌并改善ob/ob小鼠的血糖，从而证实FXR/GLP-1途径是胆汁酸调节葡萄糖代谢的新机制，也是T2DM治疗药物的靶点[9]。将多囊卵巢综合征(PCOS)患者的肠道菌群或普通拟杆菌(B.vulgatus)移植至健康小鼠以重塑小鼠肠道菌群后，可以导致小鼠卵巢功能紊乱、胰岛素抵抗、胆汁酸代谢改变、IL-22分泌减少和不孕。因此，靶向肠道微生物改变肠道胆汁酸组成或直接靶向胆汁酸受体(FXR和TGR5)可能是治疗代谢性疾病的潜在干预措施。

肠道微生物群通过发酵碳水化合物产生SCFA维持人体健康，SCFA产生不足与T2DM 相关。SCFA，尤其是乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，是肠道微生物发酵活动的主要产物。丙酸盐和丁酸盐等SCFA通过产生饱腹激素影响能量摄入和胰岛素分泌。SCFA通过短链脂肪酸受体GPR43和GPR41，即游离脂肪酸受体(FFAR)2和FFAR3触发肠内分泌细胞分泌GLP-1和PYY。此外，丙酸(PA)可以刺激人类脂肪组织中厌食激素——瘦素的表达。这些结果提示，SCFA及其受体是治疗肥胖和T2DM 的潜在靶点。研究发现，在行口服葡萄糖耐量试验后，肠道丁酸盐的分泌增加与胰岛素敏感性改善有关。而肠道丙酸盐的产生或吸收异常与T2DM的发生风险增加有关[2]。在T2DM 患者中，膳食纤维促进了一组选择性的SCFA产生菌，但大多数其他潜在SCFA产生菌减少或无变化。当膳食纤维促进的SCFA产生菌呈现出更大的多样性和丰富性时，受试者的HbA1c得到更好的改善[10]。针对性地恢复SCFA产生菌或可成为一种新的T2DM生态疗法。

肠道微生物组中还有许多其他代谢物在代谢性疾病中起着不可忽视的作用。非酒精性脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis, NASH)是一种与肥胖相关的严重肝病，以代谢综合征、肝脏脂肪变性和肝脏炎症为特征，被认为受肠道微生物群的影响。乙醇是微生物糖化发酵和杂交育种产生的代谢产物。NASH和肥胖患者的粪便中由变形杆菌和肠杆菌科组成的产乙醇细菌数量增加，体循环中乙醇浓度增加。肠道细菌代谢产生的乙醇可能通过破坏上皮紧密连接和增加内毒素介导的肝细胞损伤参与酒精性肝病的发病机制。除乙醇外，蛋白质发酵代谢产物可能参与NAFLD的进展。高蛋白质和低碳水化合物饮食改变结肠微生物组，增加氨、苯酚和硫化氢浓度，导致黏膜炎症，损害肠道上皮结构和肠道通透性[2]。另有研究发现，肠道微生物群通过产生10-羟基-顺式-12-十八烯酸(HYA)来调节膳食多不饱和脂肪酸(PUFA)代谢，从而赋予宿主对高脂饮食诱导的肥胖的抵抗力。

3 肠道与中枢对话在能量代谢中的作用和机制

3.1 肠-脑轴的概念 肠-脑轴是一个复杂的神经体液通讯网络，由CNS、肠神经系统(enteric nervous system, ENS)、自主神经系统(autonomic nervous system, ANS)及其相关的交感神经和副交感神经分支、神经内分泌和免疫系统，以及肠道微生物群组成。其轴心通讯是通过将感觉信息转换为神经、激素和免疫信号形成的，这些信号从CNS到肠道间来回传递，反之亦然。在轴心内通过局部、旁分泌和(或)内分泌机制发生通讯，涉及肠内分泌细胞(enteroendocrine cell,EEC)产生的多种肠源性肽，包括GLP-1、CCK、PYY、胰多肽(panoreatio polypeptide, PP)和氧调节素。肠道免疫信号的变化传递了肠道促能量稳态的变化，大多数公认的能量稳态轴向效应是神经和肠源性激素信号的结果。胃肠道的神经支配广泛，预吸收食物可以通过位于胃肠道内个体化营养特异性感觉机制，向CNS发出有关大量营养素含量和能量值的信号。这些信号随后被传递到大脑的各个区域，如脑干和下丘脑。这些中心的高阶处理会引发一系列反应，导致能量消耗支出偏差，以维持餐前和餐后的代谢稳态[1]。

3.2 肠-脑轴在能量代谢中的作用和机制 胃和小肠是负责营养感应的主要场所，接受高密度神经支配。这种密集的神经支配区域起源于迷走神经和内脏神经，传入纤维数量超过传出纤维数量，表明神经元在肠-脑轴信号中发挥基本作用。迷走神经纤维表达肠激素受体，如生长素、瘦素、CCK、GLP-1和PYY，受体激活后可随之刺激神经元[1]。ENS神经元有多种胃肠激素受体，可间接激活迷走神经和脊髓传入信号。ENS通过局部反射作用调节肠道功能，在向迷走传入神经传递营养源性信号的过程中也起着不可忽视的作用，促进肠-脑轴通讯系统功能的发挥。进食后，感觉信息从胃肠迷走神经和(或)体感(脊髓)传入纤维传递到孤束核(nucleus tractus solitarius, NTS)。NTS将这些来自肠道的信号进行整合并传递到下丘脑[11]。NTS神经元投射并终止于大脑的几个高级中枢，包括下丘脑的黑素皮质素系统。下丘脑在整合外周体液信号中发挥基本作用，这些体液信号传递有关营养消耗和能量消耗的信息，也传递从NTS和其他大脑高级区域传递来的信息。与摄食行为和能量稳态特别相关的是弓状核(arcuate, ARC)、室旁核、腹内侧核和背内侧核,以及下丘脑外侧区。目前，大多数研究都集中在ARC及其在能量稳态中的作用，其他下丘脑区域在摄食行为和能量稳态中的确切作用还需进一步的研究探索。总之，肠道感应营养物质后，触发一系列神经和(或)体液通路，促进肠-脑轴通讯系统对能量平衡的双向调节[1]。

进食后，胃首先向黑素皮质素系统产生反馈信号。当食物以小丸的形式进入胃肠道时，胃就会被拉伸，触发一个反馈回路，使大脑发出停止进食的信号。而一旦营养物质进入十二指肠，胃排空率也会降低，从而增加胃扩张，限制食物的摄入量。因此，无论胃排空状态如何，肠道中的营养素都可以抑制摄食，并通过神经激素机制将信息传递给肠-脑轴。胃肠激素在与能量稳态有关的摄食控制作用中发挥重要作用[1]。

CCK是第1个被发现能抑制食欲的胃肠激素，脂肪和蛋白质摄入刺激其释放，餐后由十二指肠和空肠内的EEC分泌，通过作用于胃肠道和CNS(包括迷走神经、NTS和下丘脑)的CCK-1和CCK-2受体发挥作用[12]。CCK促进胆汁分泌和胃肠动力，在启动肠-脑轴以控制摄食、能量消耗和葡萄糖利用方面发挥重要作用[1]。有研究[12]结果表明，反复或间歇性向体循环内注射CCK，最初会减少摄入食物量，但随着时间推移，人体可对CCK产生耐受性，摄食的数量和频率增加。这种脱逸反应可以解释使用CCK衍生物(如GI 181771X)治疗肥胖失败的原因[13]。CCK给药可以通过增加迷走神经放电发挥糖调节作用，即诱导孤束核的N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate, NMDA)神经元以增加肝脏迷走神经放电信号，减少肝脏糖异生。但把大鼠置于高脂肪、高碳水化合物饮食环境中时，它们会产生CCK抵抗[13]。CCK如何发挥其糖调节作用，以及CCK耐药性发展的确切机制尚不清楚。

GLP-1是导致饱腹感的关键因素。全身和中枢GLP-1给药可刺激大脑，特别是ARC、脑室旁、NTS和延髓最后区(AP)的饱腹中枢，减少饥饿感[14]。GLP-1的外周给药结合迷走神经切除会阻碍GLP-1的作用，但在迷走神经切断术和(或)高剂量的神经毒素辣椒素阻断其神经传递的情况下，血管内输注GLP-1仍然可以发挥作用，表明GLP-1受体存在于大脑内，可能作为一种神经递质引起更高阶的功能，这一结论尚待确定。虽然，GLP-1刺激大脑的特定区域(如脑干)以增强运动输出和(或)产热，但还需要进一步的研究来确定GLP-1和高级神经功能在能量稳态和摄食行为作用中的机制。

PYY的作用与GLP-1一样，其在餐后感应肠道营养素后由肠L细胞分泌。PYY存在于从食管到直肠的整个胃肠道。PYY与Y2受体结合，减少摄食。外周和中枢给药后，PYY诱导NTS和ARC中阿黑皮素原(pro-opiomelanocortin, POMC)神经元活化，表明NTS和ARC内的迷走神经存在Y2受体[1]。PYY通过激活POMC神经元和抑制黑素皮质素系统内的神经肽Y(neuropeptide Y, NPY)，以内分泌方式调节摄食和抑制能量过度消耗，在能量稳态中发挥关键作用[15]。有研究结果显示，肥胖受试者餐后PYY浓度较低，其他研究中健康与肥胖个体的空腹PYY浓度存在巨大差异。持续给予老年人一定浓度的PYY和CCK使胃排空延迟和胆囊收缩力降低，目前该机制仍不明确[1]。在Y2受体激动剂和(或)PYY衍生物被用作有效的抗肥胖治疗之前，还需进一步研究以确定PYY浓度升高的长期影响。

5-HT在局部和全身作用于各种5-HT受体，如5-HT2受体亚家族和5-HT4受体，这些受体表达于迷走传入神经和CNS内的其他神经元，以及胃肠道、心脏和肾上腺内的细胞。5-HT类似物可以抑制食欲并降低体重，5-HT受体拮抗剂增强食欲、增加体重。内源性大麻素系统也被证明在肠-脑轴中发挥作用[1]。但这些胃肠道激素对能量稳态和摄食行为的影响还有待进一步研究探索。

越来越多的证据表明，肠道微生物群可能通过几个相互依赖的途径影响肥胖发生和体重增加，包括能量获取和随后产生的代谢物如SCFA，通过肠-脑轴的饱腹感和对宿主体内炎症反应的影响改变宿主行为。SCFA结合并激活FFAR2和FFAR3，它们是分布在胃肠道、免疫细胞、肝脏和脂肪组织中的GPR。在胃肠道内，这些受体表达于EEC，特别是L细胞。与这些受体结合后，L细胞发出信号合成和释放胃肠激素，如GLP-1和PYY20。体内和体外研究的结果进一步表明，缺乏FFAR2和FFAR3的培养细胞和小鼠，即使输注SCFA，其GLP-1和PYY的释放也会受损。FFAR3主要在外周神经系统内表达，特别是ENS和ANS。ANS交感分支内这些受体的激活调节脂肪组织内的储存机制，并通过刺激肌肉和肝组织调节葡萄糖利用来影响能量消耗。虽然确切机制尚待阐明，但仍提示微生物群合成SCFA发出信号并刺激肠-脑轴。

肠道微生物群可能通过肠-脑轴影响肠上皮细胞的吸收和分泌功能[15]。研究[16]结果表明，在无菌小鼠中，FFAR2和FFAR3浓度降低，葡萄糖转运蛋白和甜味受体表达增加，蔗糖消耗和吸收增加，长链脂肪酸受体GPR120表达减少。GPR120激活可以使omega-3脂肪酸发挥抗炎和胰岛素增敏作用，而GPR120基因敲除小鼠肥胖的发生率上升[17-18]。无菌小鼠的CCK、GLP1和PYY浓度降低，减弱了无菌小鼠感知肠道内营养物质和通过肠-脑轴发送调节反馈信号的能力，从而导致摄食增加[16]。体外研究[1]证明，在特定菌株存在的情况下，GPR120的表达可以上调，GLP-1的表达可以降低，表明微生物群组成的变化可能会改变肠道营养物质感应和肠道激素合成。肠道微生物群也可以通过内源性大麻素系统与脂肪组织进行交流。各种小鼠模型已经证明，肠道和脂肪组织中的外周内源性大麻素系统(具有调节肠道屏障功能和脂肪生成的作用)受肠道微生物群的调节。

肥胖是一种慢性低度炎症状态。最近发现，西方化的饮食习惯与体内脂多糖(LPS)浓度升高有关。LPS被认为是通过与高脂饮食和肥胖相关的肠上皮功能受损进入体循环的，这一过程被称为代谢性内毒素血症，与肠道微生物群组成的不利改变有关。LPS是Toll样受体4(TLR4)的有效激活剂，其激活诱导炎症细胞因子的合成和随后的先天免疫系统激活。研究证实，在西方化饮食喂养的小鼠中，体内LPS浓度、TLR4激活和白色脂肪组织炎症程度增加，胰岛素敏感性降低，肠道微生物群组成改变。TLR4也在迷走传入神经表达，因此LPS可能在与肠-脑轴有关的神经回路中引发炎症级联反应[1]。

肠道微生物群可能直接沟通和改变CNS信号机制。目前已证实，肠道微生物群可以影响CNS介导的应激和焦虑行为[15]。研究证实了无菌小鼠与无特定病原体小鼠之间存在差异，包括运动控制、记忆形成和中枢神经化学变化引起的焦虑，特别是涉及脑源性神经生长因子、5-HT、多巴胺、去甲肾上腺素和NMDA受体表达的变化[1]。曾有研究比较无菌和传统饲养小鼠间的摄食调节肽和下丘脑及脑干摄食回路的基因表达差异，结果显示，脑干和下丘脑中编码GLP-1、GLP-2和氧调节蛋白前体的胰高糖素原(GCG)减少，传统饲养小鼠的瘦素反应性降低。当用瘦素治疗传统饲养小鼠时，其不能抑制下丘脑和脑干内的促食欲肽(NPY)和刺鼠相关蛋白(agouti-related protein, AgRP)的基因表达，表明肠道微生物群可以直接抑制厌食肽和后续途径的表达，影响能量平衡，从而导致肥胖发生增加。未来的研究将聚焦在肠道微生物群具体表型对CNS及其在能量稳态调节中的作用；此外，由于胃肠激素的浓度与更高级神经功能变化有关，如睡眠、觉醒和焦虑，未来的研究可能将肠道微生物群对局部和中枢神经信号通路的作用与微生物-肠-脑轴介导的能量调节联系起来。

4 小 结

肠道微生物及代谢产物的改变可作为一个重要的环境因素来调控胰岛功能和能量代谢，肠-胰岛轴可能是肥胖、T2DM等代谢性疾病治疗的新靶点。但肠道微生物与宿主相互作用的复杂机制仍有待进一步研究。肠-脑轴可以整体、多方面、双向地调控能量代谢。虽然对肠-脑-微生物群轴与代谢性疾病间复杂作用的理解尚处于起步阶段，但对这个轴本身的理解正在迅速加深，这为未来代谢性疾病的治疗提供了一个有希望的方向。