肠道菌群与代谢性疾病的研究进展

欧阳晓俊

南京医科大学附属老年医院(江苏省老年病医院)老年医学科,南京 210024

在过去十余年里，关于肠道菌群与代谢性疾病取得了大量研究进展。个体肠道微生态系统的建立开始于出生之时，其构成是饮食、种族、遗传、药物等复杂因素的相互作用，特别是宿主的一些代谢紊乱被认为与炎症相关肠道菌群构成有关，进一步显示肠道微生态对宿主代谢性疾病的重要作用。

1 肠道菌群与能量稳态

肠道菌群对于机体能量获取十分重要。肠道微生物酵解能力只要提高1%即可在每日8 368 kJ基础能量上额外提供83.68 kJ能量，导致每年体质量增加1 kg[1]。第一个两者因果联系证据来自2004年。即使多摄入了29%热量，无菌小鼠仍比常规小鼠脂肪组织减少40%[2]。在没有改变进食量情况下，将常规小鼠粪便菌群移植到无菌小鼠，无菌小鼠体脂增加了57%，并伴有肝脏三酰甘油水平增加和胰岛素抵抗加重[3]。肠道菌群在保持健康能量稳态中发挥重要作用，大量研究探索了其可能机制：(1)肠道菌群可以增加小肠绒毛毛细血管密度，促进肠上皮的发育，从而影响胃肠道生理和动力，促进饮食热量摄取。(2)肠道菌群可以在远端肠道将食物中多糖酵解为短链脂肪酸(SCFAs)，被结肠细胞和宿主利用。SCFAs是宿主能量来源，与减少炎症，提高饱腹感，正性代谢作用相关。SCFAs可以作为配体直接激活G蛋白耦合受体(如GPR41和GPR43)，刺激胃肠激素如胰高血糖素样肽-1(GLP-1)、瘦素、肽YY(PYY)等释放，改变肠道动力，促进营养吸收。丙酸和丁酸还可以通过诱导肠道糖异生和交感神经活动来改善葡萄糖和能量稳态。少量丙酸，丁酸和大量乙酸进入循环，也可直接影响外周脂肪组织，肝脏，肌肉的代谢和功能。循环中的乙酸可能被大脑吸收，并通过中枢自我调节机制调节饱腹感。(3)肠道菌群可以影响不同代谢器官尤其是肠道、肝脏和肌肉过氧化物酶体增殖物激活受体(PPARs)活性[4]。PPARs是配体激活型转录因子，属于核受体超家族，可以作为脂肪酸感受器调节多种糖脂和能量代谢过程[5]。(4)肠道菌群可以下调肠道表达禁食诱导脂肪因子(FIAF)，抑制脂肪组织中的脂蛋白脂肪酶。FIAF激活脂蛋白的分解，将三酰甘油转化为游离脂肪酸被肌肉和脂肪组织利用。抑制FIAF可促进三酰甘油在脂肪细胞的储存[2]。(5)肠道菌群可以抑制腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)释放，导致线粒体脂肪酸氧化的下调，酮体产生，葡萄糖摄取，胰岛素分泌和脂肪合成以及胆固醇和三酰甘油增加[6]。(6)肠道菌群也是调节胆汁酸合成重要的代谢因子。Parseus等[7]认为肠道菌群通过调节胆汁酸受体影响胆酸合成和肝脏三酰甘油聚集，促进高脂诱导肥胖。次级胆汁酸是G蛋白偶联受体TGR5的激动剂。TGR5在肝脏Kupffer细胞，免疫细胞，棕色脂肪组织和肠内分泌细胞中表达。活化TGR5刺激小肠L细胞分泌GLP-1，促进棕色脂肪组织的产热从而增加能量消耗减少饮食引起的肥胖[8]。(7)肠道菌群可以通过将胆碱转化为三甲胺，调节胆碱的生物利用度并间接影响三酰甘油在肝脏的储存。胆碱是合成细胞膜和线粒体膜主要成分磷脂酰胆碱的必需营养素，也是极低密度脂蛋白(VLDL)的主要成分。缺乏VLDL转运三酰甘油到肝细胞，是肝脏发生脂肪变性的中心机制。(8)肠道菌群可以产生影响宿主的代谢分子，如脂多糖(LPS)，是革兰阴性细菌膜的主要成分，LPS水平升高增加2型糖尿病风险并激活固有免疫系统，通过促进炎性反应加重胰岛素抵抗。也有研究认为肠源性LPS可以提高脂肪组织巨噬细胞募集，促进炎性反应，但是并没有影响葡萄糖代谢[9]。

2 肠道菌群与肥胖

肥胖是由于能量摄取提高和消耗减少。人类研究和动物模型均发现肥胖存在肠道微生态改变，通常为菌群种类减少或者比例失调。Tomas报道小鼠高脂饮食后厚壁菌(Firmicutes)、蛋白菌(Proteobacteria)提高，疣微菌(Verrucomicrobia)和拟杆菌(Bacteroidetes)降低[10]。比较瘦小鼠和肥胖小鼠肠道细菌构成显示拟杆菌和厚壁菌的丰度不同，且厚壁菌和拟杆菌的比率与饮食诱导肥胖表型呈正相关。这些菌群变化在恢复正常饮食后可以完全逆转，说明饮食是肥胖肠道菌群变化的主要促成因素。Ridaura等[11]探索了肠道菌群与肥胖间的因果关系，从肥胖存在差异的同胞胎小鼠分别移植肠菌给无菌小鼠，被移植肥胖肠菌的小鼠体质量和脂肪量增加明显超过被移植瘦肠菌小鼠。另外，将肥胖小鼠与瘦小鼠共同居住，比与肥胖小鼠共居体质量增加较少，且肠道菌群构成转向瘦小鼠状态。肥胖小鼠与瘦小鼠共居时拟杆菌增加，支链氨基酸分解代谢的蛋白表达增加，产生SCFAs 增多。这些结果表明，小鼠肠道微生态系统主要受饮食影响，部分受居住环境影响。

人类研究也表明肥胖者肠道微生态系统发生了改变。Thingholm等[12]报道德国人群代谢队列，肥胖与肠道菌群改变，以及肠道微生物模式相应的血清代谢产物水平变化相关。Turnbaugh等[3]观察到肥胖和瘦者远端肠道的微生物菌群存在差异，和瘦个体相比，肥胖者厚壁菌水平提高，拟杆菌减少。限制饮食体质量下降后，拟杆菌数量相对增加。有研究认为肥胖拟杆菌与厚壁菌比率下降导致更有效水解多糖，从食物中获取更多脂肪[13]。然而，也有研究没有发现肥胖伴有拟杆菌与厚壁菌比例减少[14]。

3 肠道菌群与2型糖尿病

2型糖尿病产生丁酸细菌量减少，乳酸杆菌量提高[15-16]。应用胃肠宏基因组模型能预测2型糖尿病相关表型[16]，提示肠道菌群可能成为预测2型糖尿病新的生物标志。Karlsson等[16]研究发现T2DM 患者糖化血红蛋白和血糖水平与乳酸菌丰度呈正相关，与梭菌丰度呈负相关。许娟等比较糖尿病小鼠菌群结构及多样性与正常小鼠菌群存在差异，移植糖尿病小鼠菌群的无菌小鼠肾脏病理结构出现异常，且尿微量白蛋白水平升高[17]。

细菌与2型糖尿病相关性可能存在种族差异。阿克曼氏菌具有降解黏蛋白特性，在一个中国2型糖尿病[15]患者队列中发现该菌很丰富。但是这一发现在欧洲队列中没有得到证实[16]。相反，在欧洲人群中，肥胖者较少出现严重代谢综合征伴有阿克曼氏菌水平升高[18]。饮食中补充阿克曼氏菌导致肥胖小鼠循环中LPS水平减少，脂质氧化提高[19]，与改善糖耐量和减少炎症有关[20]。中国2型糖尿病患者主要产丁酸菌及其产丁酸功能显著低于健康人群，而条件致病性的肠杆菌产LPS、硫化氢促炎功能及支链氨基酸转运功能的水平则显著高于健康人群。这些变化可能与糖尿病患者的肠黏膜屏障受损及肠道炎症水平增加有关[15]。

4 肠道菌群与非酒精性脂肪肝(NAFLD)

肠道菌群促进营养分子吸收到门静脉和全身循环，并与免疫系统相互作用。因此，可以通过调节免疫细胞和代谢产物影响宿主甚至较远的靶器官[21]。肠道菌群对NAFLD作用包括调控能量平衡，保持胃肠道通透性，控制炎症，调节胆碱和胆酸代谢，提高内源性乙醇产生[22-23]。

Yuan等[24]报道中国人队列中高产乙醇肺炎克雷伯菌(HiAlcKpn)与五分之三NAFLD患者有关。将临床分离的NAFLD患者HiAlcKpn通过灌胃移植到小鼠，诱导了小鼠NAFLD发生。粪菌移植(FMT)治疗有效地纠正了高脂饮食(HFD)诱导的肠道菌群紊乱，有益细菌克里斯滕森菌科(Christensenellaceae)和乳酸杆菌丰度提高。FMT后肝内脂质积累明显减少，肝内促炎细胞因子和非酒精性脂肪性肝病活动度评分(NAS)下降[25]。

5 肠道菌群影响因素与代谢病关系

许多研究表明早期肠道菌群变化对于宿主代谢有长期作用。出生后第一年的生活对个体肠道微生物组成有关键影响。出生6个月婴儿使用抗生素提高了7岁时超重风险[26]。另一项研究发现，超重青少年对饮食和运动减肥计划的反应依赖于治疗前初始微生物群。类似的，小鼠断奶前使用抗生素导致肥胖和成年后代谢性疾病[27]。

饮食影响肠道菌群。动物和人类研究均表明24 h内急性饮食改变引起肠道菌群明显变化[28]。无菌小鼠对饮食诱导肥胖的抵抗依赖于饮食中宏量营养素结构，进食无蔗糖的高脂饮食可以导致其肥胖发生[29]。饮食脂肪来源也很重要，常规小鼠喂养含猪油高脂饮食导致肥胖，如果转为富含多不饱和脂肪酸的鱼油则不出现肥胖[30]。Turnbaugh研究团队还证明不管何种基因型小鼠，给予高脂肪高糖饮食均影响了菌群结构，这表明饮食对肠道菌群的影响甚至可以凌驾于宿主遗传学之上[31]。近来报道表明肥胖者和瘦者对食物能量应答存在差异[32]。这些发现可以帮助理解肠道菌群和饮食之间的相互作用，说明一方面代谢紊乱肠道菌群发生改变，影响了食物能量吸收，另一方面饮食也改变了肠道菌群可能导致代谢病发生。

减重手术引起了微生物群显著改变。17名肥胖T2DM接受了非外科十二指肠空肠造口吻合术，体质量和糖化血红蛋白均改善，同时伴有小肠粪菌数量的改变[33]。代谢手术减少了产生丁酸细菌的丰度，提高蛋白质细菌丰度[34]，表明了旁路手术后一些有益的代谢效应可能通过改变肠道菌群介导。

抗生素的使用对肠道微生物的普遍影响也越来越受关注。广谱抗生素可以显著降低糖尿病小鼠的空腹血糖水平以及肠道菌群多样性[35]。万古霉素治疗降低了代谢综合征患者产丁酸细菌的丰度，降低了胰岛素敏感性[36]。一些药物可能通过影响肠道菌群发挥作用，反过来肠道菌群也可能影响患者对于药物的反应。健康人或T2DM者服用二甲双胍前后的肠道菌群变化的显著特征一致[37]。具备拟杆菌型的患者服用阿卡波糖后胰岛素抵抗显著改善，但是普氏菌型的患者则未见明显效果。拟杆菌型的降糖外获益也要比普氏型的患者明显[38]。一些中药对肠道菌群的影响也越来越得到关注。盐酸小檗碱治疗降低了T2DM患者厚壁菌，提高了乳酸杆菌和拟杆菌[39]。

目前，不同肠道共生菌特征对药物疗效的不同反应机制尚未明确，将是靶向肠道的代谢病治疗亟待解决的新问题，同时也给代谢病的精准治疗带来新的方向。

24 h昼夜生物节律几乎参与所有生命形式的代谢稳态调节，如喂养与禁食，活动与睡眠等，并协调多个组织的生理反应，以最大限度地提高代谢适应。现代人类行为与我们祖先所适应的昼夜自然规律越来越脱节，比如时差和倒夜班工作，均提高代谢紊乱的发生。肠道菌群帮助肠道和外周器官建立合适水平的生物钟基因表达。抗生素治疗、HFD改变了生物钟基因表达。抗生素治疗的小鼠表现出代谢异常，包括体质量增加、肥胖增加和血糖升高，这些与观察到的生物钟改变相对应[40]。

总之，饮食、宿主基因、代谢状态等都是肠道菌群结构的驱动因素，这些因素之间的相互作用可能是个体肠道微生态学的主要决定因素。

6 针对肠道菌群治疗代谢性疾病

在代谢性疾病中应用益生菌和益生元调节肠道菌群和改善宿主代谢已经被广泛研究。某些细菌种类，如双歧杆菌已经证明能改善葡萄糖稳态[41]，减少体质量增加和脂肪量，恢复葡萄糖介导的高脂饮食小鼠胰岛素分泌。罗伊乳杆菌促进肥胖伴糖耐量异常患者胰高血糖素释放提高胰岛素分泌[42]。Goodrich等[43]证实克里斯滕森菌科家族成员，可能有益生菌作用，预防肥胖。FMT是重塑肠道微生态系统的有效途径。尽管手术操作需要不断改进，所涉及的机制也需要进一步的探索，FMT在代谢性疾病仍然具有较广的治疗前景。

益生元是通过选择性刺激细菌生长和(或)激活一种或有限数量的结肠细菌影响宿主的有益食物成分。益生元由低聚糖或者短链多糖组成，通常存在普通食品，如蔬菜和全麦谷物，也可添加在酸奶中。包括果糖-低聚糖(FOS)，菊粉(长链果糖-低聚糖)，半乳糖-低聚糖(GOS)等，由肠道微生物转化为SCFAs并同时选择性刺激结肠细菌增殖。益生元刺激双歧杆菌生长可以提高葡萄糖耐量，改善胰岛素分泌，降低肝脏、肾脏和血脂水平，缓解炎症状态[44]。联合聚葡萄糖和乳酸双歧杆菌B420治疗降低了高脂喂养小鼠紫单胞菌丰度。这种膳食补充剂能抑制小肠辅助T细胞17(Th17)细胞浸润，预防代谢炎症与2型糖尿病[45]。然而，也有许多研究表明益生元干预仅仅轻度改善甚至没有改变代谢紊乱。益生元可以改善健康人胰岛素敏感性，但是在一项女性肥胖治疗中没有明显效果[46]，这可能是由于与小鼠相比人类益生元使用剂量相对较低，也说明益生元对机体代谢改善效应存在个体差异，需要采取个体化治疗方案。

益生元和益生菌在代谢性疾病和相关病理中的作用需要进一步的探索。尤其是关于益生菌和益生元治疗合适剂量和适用人群研究十分有价值，可以帮助我们理解针对肠道菌群干预应答的差异，以及基因、环境、肠道菌群等因素对治疗的影响。

7 小结

大量研究探索了肠道菌群对于代谢性疾病的影响，然而，这些研究中大多是横断面研究或仅证实微生物调节和特定疾病关联性。要明确肠道菌群是否与代谢性疾病存在因果联系，需要进一步前瞻性研究并证实其潜在的分子机制。鉴于基因和人类微生物多样性和复杂的微生物-饮食间相互作用，需要个体化的治疗策略。总之，肠道菌群在代谢性疾病中有巨大的治疗潜力和重要作用。未来有望通过肠道菌群对人群代谢性疾病风险预测分层，并根据个人饮食生活习惯、微生态环境以及体质状况采取个性化的精准干预手段。