肠道微生物群与2型糖尿病的研究进展

2型糖尿病（type2diabetes，T2DM）被认为是由一系列危险因素引起的，如遗传、年龄、超重或肥胖和不健康的生活方式等。近年来，越来越多的证据表明肠道菌群在T2DM发病机制中起着重要作用。本文就肠道菌群在T2DM发病机制中的潜在作用以及调节T2DM肠道菌群的治疗潜力进行概述。

在过去的几十年中，2型糖尿病的发病率在世界范围内升高[1]。根据国际糖尿病联合会（IDF）年的估计，全球有4.15亿人患有糖尿病，这个数字在年可能达到6.42亿。其中接近85%~95%的糖尿病患者为2型糖尿病（T2DM）[2]。以增加脂肪摄入为特征的饮食习惯被认为是代谢疾病急剧增加的原因[3]。2型糖尿病患者身体各器官长期处于高血糖环境，可导致微血管、大血管相关并发症，如肾、眼、周围神经和自主神经病变等，有高致残、致死率，严重影响患者的身心健康和生活质量。

在成年人中肠道有万亿菌，是人体总细胞数的10倍。微生物菌群质量可达1.5kg，90%属于拟杆菌门和厚壁菌门[4]。在正常的生理情况下，肠道微生物群促进免疫系统的发育和成熟，并促进代谢过程，例如维生素的产生和膳食纤维的消化。由于肠道微生物提供的基因和代谢特性不由人类的基因组编码，它们被看作是一个虚拟器官参与调节宿主能量动态平衡，调节葡萄糖和脂质代谢[5]。Larsen等[6]对T2DM患者肠道菌群组成变化进行研究，发现与对照组相比，糖尿病组厚壁菌和梭状芽胞杆菌的丰度显著降低。类似地，与非糖尿病患者相比，β-类变形菌在糖尿病中高度富集并且与血浆葡萄糖正相关。Zhang等[7]发现，与正常葡萄糖组相比，在T2DM患者中，厚壁菌门和梭状芽胞杆菌的比例较高，糖尿病前期和T2DM组与正常葡萄糖组相比，β-变形杆菌水平显著升高。肠道菌群诱发2型糖尿病的机制尚不统一，目前可能的机制有脂代谢紊乱、内毒素血症、胆汁酸代谢、胰岛素抵抗等。

3.1脂代谢紊乱高脂血症是一种全身低度炎症性疾病。研究中普遍认为肠道菌群在能量代谢过程中起重要调节作用。人类没有酶来消化多种植物类食物，如纤维素、木聚糖类、菊粉等，而肠道微生物如拟杆菌、双歧杆菌、肠杆菌等发酵低聚糖，合成短链脂肪酸（SCFAs），如丁酸盐，丙酸盐和乙酸盐，提高机体摄取能量的能力，促进脂肪的合成及存储。Perry等[8]表明，当肠道微生物群暴露于高热量食物时，可促进食欲并使脂肪增加，进一步促使肥胖、高脂血症、脂肪肝及胰岛素抵抗的发生。将肥胖和消瘦的小鼠粪便分别移植至无菌小鼠体内，移植肥胖小鼠粪便的鼠体重增加[9]。研究表明，肥胖者相对瘦者而言，微生物多样性明显降低，拟杆菌门所占比例下降，而放线菌门所占比例升高[10]。

3.2内毒素血症由于肠道微生物群的变化，紧密连接蛋白如occludin和ZO-1的功能障碍而导致肠道通透性增加，脂多糖（LPS）的血浆水平增加，被称为“代谢性内毒素血症”，其导致低度炎症并最终导致胰岛素抵抗[11]。LPS是革兰阴性细菌细胞壁的组成成分，其浓度在高脂喂养后增加，与CD14/Toll-like受体4（TLR4）复合物结合后触发炎症免疫通路。此外，LPS的生理吸收和以乳糜血的形式进入血液的这个过程是在高脂饮食的条件下形成[12]。研究发现，长期高水平的LPS可诱导胰岛素抵抗、脂肪重塑和糖尿病的发生[13]。内毒素血症的严重程度与肠道渗透性相关，高脂饮食和肠道紧密连接蛋白ZO-1水平的减少使其显著增加。另外，肠道渗透性增加，促进LPS及肠道细菌向血液循环转移，引起慢性低水平炎症反应，干扰胰岛素信号传导途径，引起胰岛素抵抗[16]。在动物模型中，Naito等[14]研究表明，益生菌治疗改善了饮食诱导的肥胖小鼠的胰岛素抵抗和葡萄糖耐受不良，内毒素血症减少。在Sato等[15]的试验中证实了2型糖尿病中存在菌血症并证明LcS发酵乳的使用可以减少2型糖尿病患者肠道细菌移位。因此，服用益生菌可改善肠道菌群的组成，减轻肠道渗透性、内毒素血症、炎症反应以及胰岛素抵抗[16]。

3.3胆汁酸代谢胆汁酸是由胆固醇合成的内源性类固醇分子，影响葡萄糖和脂质稳态以及能量消耗。调节胆汁酸代谢的两种主要受体是法尼醇X受体（FXR）和膜结合的G蛋白偶联受体5（TGR5），它们对代谢紊乱的发生发展产生了巨大影响[17-18]。研究表明，胆汁酸通过FXR抑制糖异生基因的表达，如编码磷酸烯醇丙酮酸羧激酶、果糖-1,6-双磷酸酶-1和葡萄糖-6-磷酸酶的表达。Prawitt等[19]表明，敲除ob/ob小鼠中的FXR可通过增加外周葡萄糖清除率和脂肪组织胰岛素敏感性来预防饮食诱导的肥胖和改善小鼠高血糖和糖耐量。研究表明，胆酸喂养增加了厚壁菌与拟杆菌的比例，这类似于高脂肪喂养引起的变化[20]。肠道菌群失调使胆汁酸形成过程受阻，而胆汁酸的下降，使胆汁酸抑制肠道菌群的作用减弱，又加剧肠道菌群失调，此恶性循环，严重影响了糖、脂肪代谢，最终导致2型糖尿病的发生[21]。

3.4胰岛素抵抗T2DM由胰岛素敏感性降低和胰岛素分泌不足引起。胰岛素抵抗，是指由于营养过剩、脂质分布异常、慢性低水平炎症反应等引起的肝脏、骨骼肌、脂肪组织对胰岛素敏感性下降的表现[22]。Cani等[11,23]发现，菌群失调导致的肠源性内毒素血症可促进胰岛素抵抗的发生。NFB途径和JNK途径是参与炎症诱导胰岛素抵抗的两条重要途径，一方面激活下游的免疫感受器如Toll样受体，参与炎症因子释放，JNK促进胰岛素受体底物磷酸化，导致胰岛素信号传导途径受损；另一方面，通过直接抑制胰岛素受体底物丝氨酸磷酸化位点磷酸化而减弱胰岛素的信号传导[24]。脂多糖是革兰阴性菌细胞壁的主要成分，可与Toll样受体结合，导致炎症因子TNF-α、IL-6、IL-1释放。炎症因子通过影响胰岛素底物磷酸化等信号传导途径，导致胰岛素抵抗。LPS可激活TLR4，导致内质网应激和JNK激活，促使胰岛素受体底物丝氨酸磷酸化，从而降低肝脏、骨骼肌、脂肪组织对胰岛素的敏感性[25]。

4.1肠道益生菌近十几年来，许多研究表明，在2型糖尿病合并肥胖患者中观察到明显的肠道微生物群改变，并指出通过益生菌调节肠道微生物群可能是2型糖尿病合并肥胖的潜在治疗方法。乳杆菌和双歧杆菌是最常用的益生菌，能调节宿主肠道菌群平衡。尽管乳杆菌和双歧杆菌菌株可以改变动物模型中的肠道微生物群组成，但益生菌诱导的人类微生物群变化不太明显[26]。Balakumar等[27]用植物乳杆菌MTCC和发酵乳杆菌MTCC对高脂饮食诱导的糖尿病动物模型进行研究，在使用益生菌治疗的小鼠中，所有血糖、脂质参数、HOMA-IR明显降低，胰岛素抵抗得到改善。Tonucci等[28]指出，益生菌发酵乳可降低果糖胺、HbA1c水平、总胆固醇（TC）和LDL-C水平，但空腹血浆葡萄糖（FPG）、胰岛素浓度以及胰岛素抵抗没有明显变化，亦未发现对HDL-C，VLDL和甘油三酯有明显影响。同时，Mobini等[29]用罗伊乳杆菌DSM治疗2型糖尿病患者12周后结果显示，对HbA1c水平、肥胖或微生物群组成变化无明显影响，但胰岛素敏感指数（ISI）和二级胆汁酸脱氧胆酸（DCA）的血清水平增加，但这些差异在组间分析中不明显。研究结果显示，罗伊乳杆菌补充后ISI增加的患者在基线时微生物多样性更高。在Sato等[30]研究中，2型糖尿病患者予以干酪乳杆菌菌株发酵乳16周后，益生菌组中血细菌总数明显降低，粪便中总乳杆菌数量明显升高，表明益生菌减少了2型糖尿病患者的细菌移位并改变了肠道微生物群。所以，益生菌和益生元对人类代谢性疾病的作用需进一步研究。

4.2高纤维饮食及运动Wu等[31]研究表明，肠道微生物的丰度和组成在很大程度上受饮食调节，膳食纤维与2型糖尿病的发病率呈负相关，膳食纤维和全谷物可增加人类肠道微生物群的多样性。在小鼠中已经证明，高脂肪饮食增加厚壁菌和拟杆菌的丰度并减少有害的志贺菌、埃希菌属的数量[32]。另一方面，运动亦可改变肠道生理和微生物群组成。Evans等[33]动物实验表明，加强运动小鼠的厚壁菌与拟杆菌比率减少，并能够恢复与瘦小鼠相似的微生物组成。Zhao等[34]研究发现，在高纤维饮食、全谷物组中，体重明显减轻，空腹血糖、HbA1c、血脂水平下降。

4.3降糖药物二甲双胍是2型糖尿病的一线用药，通常被认为通过激活肝脏中AMP活化蛋白激酶（AMPK）依赖性和AMPK非依赖性途径来抑制肝脏葡萄糖输出来介导其降血糖作用，但越来越多的证据表明它也可能通过肠道途径起作用，从而改变肠道微生物群的组成和多样性。Duca等[35]研究表明，口服二甲双胍时的葡萄糖降低效果比静脉注射时更明显，提示二甲双胍的主要作用可能在肠道内。另一项研究表明，给喂食高脂的小鼠服用二甲双胍治疗6周后血糖下降效果显著，同时其肠道Akkermansia的丰度数量增加，对没有二甲双胍的高脂喂养小鼠口服用Akkermansiamuciniphila显著增强葡萄糖耐受性并减弱炎症中的脂肪组织。该研究提示Akkermansiamuciniphila参与二甲双胍降糖机制[36]。另外一项研究发现，二甲双胍治疗可增强产生丁酸和丙酸的能力，这些脂肪酸可从多种途径有效降低血糖水平[37]。此外，其他一些降糖药物如阿卡波糖、西格列汀、胰高血糖素样肽1抑制剂等均可通过调节肠道菌群对肥胖、糖尿病等代谢性疾病产生影响，但需进一步研究。

4.4粪便微生物移植肠道微生物群参与代谢疾病发展的机制包括内毒素血症，在这个过程中，整个细菌、细菌来源的囊泡或细菌代谢物（如脂多糖）从肠腔转移到体循环和内脏脂肪组织。肥胖和胰岛素抵抗都与以内毒素血症为特征的低级别炎症状态相关。Vrieze等[38]随机对照试验表明，瘦供体粪便微生物移植后可改善胰岛素敏感性。包括在几项FMT研究中的患者肠道微生物群组成分析显示供体细菌植入的重要差异[39]。这些结果表明，FMT的影响可能取决于供体受体相容性，值得进一步研究。

最近肠道微生物群被提出可作为控制体重和能量稳态的环境因素。多项研究显示，利用肠道微生物群及其改变的能力，开发人类高血糖和2型糖尿病的预防和治疗策略，具有很好的前景，但具体机制不明。因此，需要进一步研究以确定肠道微生物群在代谢性疾病中的作用。通过识别特定菌株或“量身定制”的细菌混合物改善肠道微生物，包括开发个性化营养和益生菌方法、鉴定益生菌的有效成分、在近端结肠中靶向递送丙酸盐、有针对性地输送二甲双胍、粪便微生物群移植以及将表达治疗因子的基因修饰细菌掺入微生物群中。过去数十年，有大量关于肠道菌群与2型糖尿病的随机对照试验，但得到的结论却不尽相同，仍需大样本高质量的研究来支持肠道微生物群有可能改善宿主的葡萄糖代谢和胰岛素抵抗这一理论。

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