益生菌干预II型糖尿病的作用及潜在机制研究进展

吴 涛，张永莉，李宗琪，田慧颖，张国华

（1.天津科技大学食品营养与安全国家重点实验室/食品生物技术教育部工程研究中心，天津 300457；2.山西大学 生命科学学院，山西 太原 030006）

Ⅱ型糖尿病（TypeⅡdiabetes mellitus，T2DM）是一种主要受遗传和环境因素影响的慢性代谢疾病，它的主要特征是机体发生胰岛素抵抗和胰岛素生成不足[1]。目前，据估计2019年全球约有4.63亿人患有糖尿病，如果不采取有效的管控和治疗措施，预计到2030年将有5.78亿人患有糖尿病，并且这个数字还将持续增加[2]。而其中的Ⅱ型糖尿病约占糖尿病总数的90%，现已经成为全球性的重大危机[3-4]。现在针对Ⅱ型糖尿病主要治疗方法是使用降糖药物，如二甲双胍、米格列醇、伏格列波糖、格列本脲、胰高血糖素样肽-受体激动剂（GLP-1RAs）、双肽肽-4（DPP-4）抑制剂和钠-葡萄糖协同转运蛋白-2（SGLT-2）抑制剂等，但它们在发挥降血糖作用的同时也会伴有低血糖、体质量增加、水肿和恶心等副作用[5-7]。因此，目前大多数有关Ⅱ型糖尿病的研究主要集中于探索新型无毒副作用的治疗方法。

此外，肠道菌群的调控作用与肥胖、Ⅱ型糖尿病等多种慢性代谢疾病有着紧密的联系，并且大量的研究也表明，肠道菌群的调节对缓解Ⅱ型糖尿病起到了显著的作用[8-9]。但Ⅱ型糖尿病的确切发病机制尚不清楚，针对肠道菌群调控下Ⅱ型糖尿病的发病机制也在不断探索研究中。现今伴随着新一代DNA测序技术平台的发展[10]，其中如16S核糖体RNA（16S ribosomal RNA，16S rRNA）等基因扩增子测序技术得到了广泛应用，因而，肠道菌群变化与Ⅱ型糖尿病发生、发展之间的联系也被深入研究。益生菌作为一类有益的肠道菌群，在调节和维持肠道菌群稳态方面发挥了重要的作用[11]。近年来研究发现，一些种类的益生菌具有稳定肠道菌群、提高系统免疫力、抗炎、抗氧化应激反应、降血糖和调节胆固醇代谢等益生作用，故益生菌也被广泛地用来研究改善Ⅱ型糖尿病的作用效果[11-16]。

目前，大量的动物试验结果也表明，一些种类的双歧杆菌（Bifidobacterium）、植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）、干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）和鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）等益生菌通过增加肠道有益菌比例及改善肠道菌群失调，从而缓解体内代谢紊乱和平衡能量消耗，进而表现出显著的降血糖作用[17-19]。

文章就益生菌对Ⅱ型糖尿病的改善作用、调控Ⅱ型糖尿病的作用途径进行了综述，详细介绍了益生菌对Ⅱ型糖尿病患者机体炎症、肠黏膜屏障、糖脂代谢、氧化应激的调节作用，并对益生菌在Ⅱ型糖尿病中的应用前景进行了分析，以期未来可以充分挖掘益生菌的降血糖功效，为开发益生菌有关的功能保健食品提供思路。

1 益生菌对II型糖尿病的影响

1.1 益生菌对Ⅱ型糖尿病的改善作用

益生菌是一类对宿主健康有促进作用的活性微生态制剂，其改善肠道、提高免疫力、抗氧化和调节血脂代谢等功能性质已被消费者广泛接受和认可[20-21]。其中，近年来大量的动物试验和临床试验的研究结果显示，多种益生菌对Ⅱ型糖尿病具有显著改善效果。罗宏等[22]对高脂饲料联合链脲佐菌素诱导的Ⅱ型糖尿病模型大鼠每日给予12 mL 1.0×109cfu/mL的植物乳杆菌C88，连续灌胃28 d后发现，植物乳杆菌C88可有效改善Ⅱ型糖尿病大鼠高血糖和血脂代谢紊乱。具体表现为植物乳杆菌C88可以极显著改善Ⅱ型糖尿病大鼠体内异常的血糖、血脂含量（P＜0.01）和显著降低肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）和脂多糖等炎症相关的因子水平（P＜0.05），并且还通过提高回肠组织中肠道通透性相关蛋白的表达以修复肠道屏障功能，以此来发挥对Ⅱ型糖尿病的积极影响。双歧杆菌是一种常见的益生菌，WU等[18]研究结果显示，无论高剂量还是低剂量双歧杆菌在连续灌胃6周后都能显著降低Ⅱ型糖尿病大鼠HbA1c、FBG、空腹胰岛素含量和甘油三酯水平（P＜0.05），并极显著升高血浆中PYY含量（P＜0.01）。除了通过动物试验取得的成果外，通过对Ⅱ型糖尿病患者补充一定剂量益生菌的临床试验也得到了相似的正向结果。RAYGAN等[23]采用益生菌和硒联合补充以探究其对患有冠心病的Ⅱ型糖尿病患者体内代谢指标的影响，试验中患者被随机分成2组，分别给予硒200 mg/d加8.0×109cfu/d益生菌（n=27）和安慰剂（n=27）干预12周。结果表明，与安慰剂组相比，服用益生菌加硒可降低空腹血糖和胰岛素抵抗，特别是极显著降低体内胰岛素含量、胰岛素抵抗动态平衡模型评估（HOMA-IR）和胰岛素敏感指数（QUICKI）（P＜0.001）。同时，还能降低体内甘油三酯、低密度脂蛋白和总胆固醇含量，并且明显提高总抗氧化能力和总谷胱甘肽含量（P＜0.001）。研究结果可表明，益生菌和硒联合补充可以极显著提高胰岛素敏感性并改善患有冠心病的Ⅱ型糖尿病患者体内代谢状况。而KASSAIAN等[24]在一项为期24周的双盲、随机、安慰剂对照的平行组临床试验中，将120名糖尿病前期成年人随机分配接受益生菌、合生菌或安慰剂。试验期间每日给予4.0×109cfu复合益生菌（由冻干嗜酸乳杆菌、乳酸双歧杆菌和长双歧杆菌等组成），并将以上述剂量的益生菌与菊粉为主要成分补充给合生菌干预组。结果表明，与安慰剂组相比，补充益生菌和合生菌可显著降低空腹血糖值（P＜0.05），而试验期间补充益生菌体内的稳态模型评估-B细胞功能（HOMA-B）和胰岛素敏感指数（QUICKI）保持不变。因此，相比于单独补充益生菌组，合生菌补充剂改善糖尿病前期个体的血糖效果更佳。

综上所述可以得知，虽然益生菌对Ⅱ型糖尿病患者的作用效果可能因菌种不同和个体差异而表现出轻微的差别，但总的来说，Ⅱ型糖尿病机体在摄入益生菌后可出现积极的影响（表1）。

表1 不同种类益生菌改善II型糖尿病的作用Tab.1 Effects of different kinds of probiotics on improvement of typeⅡdiabetes mellitu

1.2 益生菌调控Ⅱ型糖尿病的作用途径

虽然目前的研究结果可证实益生菌具有改善Ⅱ型糖尿病的作用，但体内的代谢调节是通过多种途径共同发挥作用。同时也由于Ⅱ型糖尿病发病机制复杂，因而益生菌作用于Ⅱ型糖尿病的确切调控途径也有待进一步更深入的探索。根据目前已取得的研究成果，可得知Ⅱ型糖尿病体内摄入益生菌后可改善其肠道菌群结构，积极调控体内胃肠激素，使体内各种异常表达的细胞因子及基因趋于正常水平并修复损伤的组织细胞，可增强体内胰岛素敏感性并缓解胰岛素抵抗现象，如图1所示。

图1 益生菌对Ⅱ型糖尿病的作用Fig.1 Effects of probiotics on typeⅡdiabetes mellitu

1.2.1 益生菌对Ⅱ型糖尿病患者机体炎症的调节作用Ⅱ型糖尿病与促炎细胞因子、趋化因子和炎症蛋白水平的升高有关，因此，低度全身炎症被认为在Ⅱ型糖尿病和Ⅱ型糖尿病相关并发症的发生中起关键作用[30，32-34]。最新的临床试验研究结果也表明，Ⅱ型糖尿病患者体内IL-6、TNF-α和IL-32的水平显著高于正常人[35]。LIU等[36]研究表明，IL-38的高水平表达可提高Ⅱ型糖尿病儿童体内的胰岛素敏感性，并且还可以通过抑制IL-36的功能来延缓小鼠模型中Ⅱ型糖尿病的发展。而先前的研究也表明，Ⅱ型糖尿病体内肠道菌群严重紊乱可引起肠道菌群移位及有害菌比例增加，导致体内循环脂多糖水平升高，激活体内免疫系统，使得细胞因子水平异常表达，因而伴有全身低度炎症。ZHANG等[26]通过给高脂饮食结合低剂量链脲佐菌素诱导的Ⅱ型糖尿病SD大鼠每日灌胃1.0×109cfu动物双歧杆菌01后发现，补充动物双歧杆菌01可以显著降低Ⅱ型糖尿病体内的脂多糖浓度和促炎细胞因子TNF-α的水平，同时增加体内抗炎细胞因子IL-10水平，结果表明了该菌具有显著缓解II型糖

尿病及体内肠道炎症的作用。此外，近几年的研究也不断发现，许多益生菌具有降低Ⅱ型糖尿病体内的促炎细胞因子和改善免疫调节的作用，比如嗜酸乳杆菌La-5、动物双歧杆菌乳酸亚种BB-12、发酵乳杆菌、干酪乳杆菌W56、鼠李糖乳杆菌GG、植物乳杆菌LC27和长双歧杆菌LC67等，可以显著降低Ⅱ型糖尿病体内脂多糖、TNF-α、IL-1β和IL-6的水平并显著增加IL-10含量，从而缓解T2MD体内胰岛素抵抗现象[23,29-30,37-38]。

1.2.2 益生菌对Ⅱ型糖尿病患者机体中肠黏膜屏障的调节肠黏膜屏障是宿主抵御病原体入侵的第一道防线，它是由不同上皮细胞紧密连接组成的物理屏障、专性厌氧菌与肠上皮紧密结合形成的微生物屏障以及分布于肠道的相关淋巴组织形成的免疫屏障构成的重要防护组织[39]。而体内脂多糖含量较高可引起胃肠损伤，包括改变肠上皮细胞的运输功能和肠屏障功能，使紧密连接蛋白凋亡和降解，从而导致肠上皮细胞通透性增加[31]。同时，TNF-α的异常表达可通过激活肌球蛋白轻链（myosin light chain，MLC）激酶下调ZO-1和收缩细胞，从而导致肠道微生物屏障损伤，使细菌或细菌产物可通过肠黏膜进行移位[40]。因此，当肠道黏膜屏障完整性被体内高水平的脂多糖和TNF-α等细胞炎性因子破坏时会直接对机体产生不利的影响，使肠道微生物区系发生紊乱、激活免疫应答反应以及允许肠道有害微生物转入到体内循环。而对于Ⅱ型糖尿病体内的肠黏膜屏障完整性进行探究后发现，其体内相关的紧密连接蛋白（ZO-1、Occludin和Claudin）和黏蛋白2（MUC2）等的表达显著下调，并且通过组织病理学观察Ⅱ型糖尿病体内结肠组织腺体大量丢失，还伴有腺体萎缩和局部炎性细胞浸润的现象[41-42]。LI等[42]研究发现，乳酸杆菌G15和Q14可通过下调革兰氏阴性细菌相关的脂多糖分泌和上调产生SCFAs的细菌及相关的GPR43途径，可以显著提高上述有关紧密连接蛋白基因的表达水平及缓解结肠组织受损情况，以肠道微生物依赖性的方式缓解Ⅱ型糖尿病。而在近期另一项研究中也发现了植物乳杆菌、瑞士乳杆菌、乳酸球菌和戊糖乳杆菌等14种复合益生菌也可以显著降低粪便和血清中的脂多糖水平，并显著上调Ⅱ型糖尿病大鼠结肠组织中的相关紧密连接蛋白（claudin-1）和MUC2的mRNA水平，发挥出改善肠道屏障功能[28]。此外，这14种复合益生菌还能通过上调磷脂酰肌醇3-激酶/磷酸化丝氨酸苏氨酸蛋白激酶（phosphatidylinositol 3-kinase/phosphorylated serine-threonine protein kinase，PI3K/AKT）的活性，改善胰腺功能，抑制胰腺细胞凋亡。

1.2.3 益生菌对Ⅱ型糖尿病患者机体糖脂代谢的调节糖脂代谢异常是Ⅱ型糖尿病的典型特征之一，也是研究改善及治疗Ⅱ型糖尿病的重要出发点。T2MD体内肠道微生物严重紊乱可能会影响肝脏、肌肉和脂肪等主要代谢器官的葡萄糖稳态和胰岛素抵抗，导致糖代谢相关基因表达异常[14]。现有的研究结果显示，益生菌可以通过调控胃肠激素的释放和相关基因的表达来改善糖脂代谢，如动物芽孢杆菌01可以显著降低Ⅱ型糖尿病大鼠肝脏中糖异生关键酶：磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK）和葡萄糖-6-磷酸酶（glucose-6-phosphatase，G6Pase）及大鼠糖 原 合 成 酶 激 酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK-3β）的mRNA表达，同时上调了葡萄糖激酶（glucokinase，GCK）和糖原合成酶（glycogen synthase，GS）的mRNA表达，具有促进肝糖原形成以及改善肝脏组织受损的作用[26]。相同的是，鼠李糖乳杆菌MTCC：5957、鼠李糖乳杆菌MTCC：5897和发酵乳杆菌MTCC：5898也可以使糖尿病大鼠肝脏糖异生相关的G6Pase和PEPCK基因的表达显著下降，以减缓肝脏糖异生的产生[43]。上述的益生菌还对体内血脂代谢产生相同且积极的影响，可降低血清中总胆固醇、总甘油三酯及低密度脂蛋白胆固醇含量，而增加高密度脂蛋白胆固醇的水平。此外，还发现鼠李糖乳杆菌L12和嗜酸乳杆菌等益生菌可以显著降低α-葡萄糖苷酶途径中钠葡萄糖共转运体1（sodium glucose cotransporter 1，SGLT-1）和葡萄糖转运体2（Glucose Transporter type 2，GLUT-2）的表达，从而对α-葡萄糖苷酶有抑制作用并降低葡萄糖转运，有利于降低体内的葡萄糖水平[27]。

GLP-1是一种由肠L细胞释放的胃肠激素，它主要作用于胰腺内分泌细胞，在葡萄糖稳态中起重要作用，除了直接与胰腺β细胞相互作用外，它还可由神经介导通过减少胃肠道分泌和胃运动来延缓胃排空[44-45]。最近的研究发现，副乳杆菌1F-20、发酵乳杆菌F40-4和动物双歧杆菌亚种等菌株通过上调STC-1细胞的胰高血糖素原基因（proglucagon gene，GCG）和PYY基因，促进GLP-1和PYY的分泌，并且它们的代谢产物可以通过调节过氧化物酶体增殖物激活受体-α（peroxisome proliferator activated receptor-α，PPARα）、甾醇调节元件结合蛋白-1C（sterol regulatory element binding protein-1C，SREBP-1C）和含3个斑点样磷脂酶结构域（patatin-like phospholipase domain containing 3，PNPLA3）等调节基因到达肝脏以改善脂质蓄积，并通过上调PI3K/AKT活性来增加葡萄糖摄取，以恢复胰岛素信号系统[41]。

1.2.4 益生菌对Ⅱ型糖尿病患者机体氧化应激的调节Ⅱ型糖尿病体内由于血糖浓度较高会促进线粒体活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生，ROS可直接增加炎症因子和黏附因子的表达，增加氧化低密度脂蛋白的形成，加剧胰岛素抵抗并激活泛素化相关途径，以降低脂联素水平、腺苷酸活化蛋白激酶（activated protein kinase，AMPK）和内皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）的激活[46]。因此，Ⅱ型糖尿病体内过量的ROS不仅会反过来加重糖尿病的发展，同时还可能导致糖尿病的并发症如动脉粥样硬化症等的发生。

VALENLIA等[47]研究发现，Ⅱ型糖尿病大鼠肝肾组织中CAT、SOD和谷胱甘肽过氧化物酶（Glutathione peroxidase，GPX）等活性氧清除酶的活性失衡，从而引发自由基的产生，而补充植物乳杆菌1058能显著提高上述活性氧清除酶的水平，改善体内氧化应激并发挥抗糖尿病和抗氧化作用。此外，YADAV等[43]和GAO等[48]研 究 发 现，发酵 乳杆菌MTCC:5898和植物乳杆菌NCU116等益生菌具有提升Ⅱ型糖尿病机体抗氧化的能力，可以提高Ⅱ型糖尿病大鼠肝肾中SOD、CAT和GPX水平，降低糖尿病大鼠的炎症和氧化应激，提高血清胰岛素水平。

2 益生菌在Ⅱ型糖尿病中的应用前景

目前，随着国内外对益生菌的益生价值不断深入探索，益生菌缓解Ⅱ型糖尿病的作用也被肯定，因此，越来越多的益生菌也被用于改善Ⅱ型糖尿病的研究过程，也不断有研究者从健康人体肠道、人类母乳、泡菜卤水和发酵乳中分离出益生菌，并通过体外试验研究其抗氧化、抗炎、降血糖和降血脂等的作用，比如已发现的地衣芽孢杆菌KT921419、解淀粉芽孢杆菌KT921420、枯草芽孢杆菌KT921421、副乳杆菌M7和植物乳杆菌C70等已被证实具有体外抗炎和降血糖作用[49-52]。但它们还有待进行动物试验和临床试验以验证其在体内对宿主免疫系统和严重紊乱的肠道菌群的干预作用，防止因为益生菌的降血糖潜力不同和宿主差异而对其有效性出现误判。此外，近年来也在不断加大益生菌对代谢紊乱、结肠炎、抗氧化、酒精性及非酒精性脂肪肝等的作用研究，这些研究进展也对探究益生菌在II型糖尿病体内发挥具体作用机制有指导价值[52-57]。未来，也仍需要大力开展有关益生菌改善II型糖尿病的作用及作用途径的相关研究工作，以扩大具有降血糖作用的菌的数目和发现益生菌的作用机制。

3 结论

越来越多的研究证明，肠道菌群与II型糖尿病发生、发展之间存在着紧密的联系，在基于肠道菌群诱导发展的II型糖尿病的思路下，通过摄入益生菌来改善II型糖尿病的治疗思路得到了许多动物和临床试验的验证。目前的研究结果可证明益生菌具有改善II型糖尿病的作用，但其作用效果可能会因菌种不同和个体差异而出现一定的波动。同时，益生菌也可能会对部分实验对象产生耐药性或者其他不利的影响，这都需要经过综合考虑之后，针对特定的益生菌菌株开展全面的研究。此外，也需要对已确定具有缓解II型糖尿病作用的益生菌菌株进行进一步的研究，来探究其调节免疫反应、糖脂代谢以及氧化应激的具体作用途径，以期未来可以充分挖掘益生菌的降血糖功效，为开发益生菌有关的功能保健食品提供思路。