肠道菌群与肥胖、糖尿病关系的研究进展

袁宵潇，罗飞宏

(复旦大学附属儿科医院内分泌科，上海 201102)

肥胖和2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)是全球流行病。2000年，全球成人糖尿病患者约1.51亿，到2017年已达4.25亿，预计2045年糖尿病患者总人数超过6.29亿[1]。全球女性青少年中，肥胖的患病率从1975年的0.7%上升到2016年的5.6%[2]。糖尿病、肥胖是基因和环境因素共同作用的代谢性疾病，对人类和动物模型的研究发现，肠道菌群与代谢性疾病密切相关，但具体因果关系尚未阐明。目前已知的肠道菌群有500～1 000种，有约100万亿细菌组成，可编码约330万个特异性基因。门水平的肠道菌群包括拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门、变形菌门和疣微菌门，各菌群根据pH梯度和氧含量不同而分布在胃肠道的不同部位。肠道菌群代谢过程17.9%归因于遗传(主要指垂直传递)，67.7%受到环境、饮食等外在因素的影响[3]。

肠道菌群被称为携带人体“第二基因”的“隐形器官”，逐渐成为研究热点，甚至被认为是内分泌器官。肠道菌群结构和功能改变可促进肥胖，肥胖者腹部脂肪的堆积导致肝脏、肌肉等组织对葡萄糖的利用下降；此外，肥胖者体内非酯化脂肪酸和炎症因子水平升高可产生内质网应激和氧化应激，进而导致胰岛素抵抗，糖尿病发病风险与肥胖程度及其持续时间密切相关。现就肠道菌群与肥胖和糖尿病关系的研究进展予以阐述。

1 循证依据

1.1肠道菌群与T2DM T2DM是以进行性胰岛β细胞功能障碍和胰岛素抵抗为特点的糖脂代谢疾病。T2DM与肠道菌群失调相关，Larsen等[4]对比18对健康男性和超重T2DM男性的研究发现，T2DM患者厚壁菌门细菌数量明显减少，拟杆菌门细菌(大肠埃希菌、沙门菌、拟杆菌和变形杆菌)数量增多，拟杆菌门与厚壁菌门比值与糖耐量降低呈正相关。但另有研究发现，T2DM中厚壁菌门与拟杆菌门比值相对升高。Karlsson等[5]的研究发现，与正常人群粪便相比，T2DM患者粪便中有4种乳酸菌增加，5种梭状芽孢杆菌减少，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。Koh等[6]的研究发现，咪唑丙酸(T2DM相关的肠道菌群代谢组氨酸产物)通过p38γ/p62/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白C1通路影响胰岛素抵抗，导致胰岛素信号受损。肠道菌群的变化(如拟杆菌门与厚壁菌门比值降低、产丁酸盐菌减少等)均与T2DM密切相关，对肠道菌群的研究可为T2DM的防治提供新思路。

1.2肠道菌群与1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus，T1DM) T1DM是一种器官特异性的自身免疫疾病，由胰岛β细胞破坏或功能衰竭导致胰岛素分泌不足，是遗传、免疫、环境等多种因素共同作用的结果，但具体机制尚不清楚。随着高通量测序技术组学时代的到来，人们对肠道菌群有了新的认识，肠道菌群可能作为环境因素参与T1DM的发生发展。Wen等[7]发现，在无特定病原体条件下，敲除髓样分化因子88非肥胖型糖尿病小鼠未发生T1DM；而无菌环境对敲除髓样分化因子88非肥胖型糖尿病小鼠无保护作用，表明细菌可通过髓样分化因子88通路影响T1DM的发生。一项针对汉族T1DM患者的研究发现，T1DM患者肠道拟杆菌增多，厚壁菌减少，且拟杆菌丰度与自体抗体呈正相关，而粪杆菌丰度与糖化血红蛋白呈负相关[8]。

1.3肠道菌群与肥胖症 肠道菌群可影响宿主能量代谢、免疫系统和炎症反应，影响肥胖、胰岛素抵抗等代谢综合征。Gordon团队首次提出“肠道菌群作为环境因素调节脂肪存储”观点，并发现肥胖者肠道厚壁菌增多而拟杆菌减少，拟杆菌与厚壁菌比值下降[9]。赵立平团队首次发现，接种阴沟肠杆菌的无菌小鼠出现肥胖和胰岛素抵抗现象，且Fial基因活性明显降低，提示阴沟肠杆菌可抑制Fial活性，导致肥胖；降低肠道阴沟肠杆菌数量后，小鼠体重明显下降[10]。Liu等[11]对中国肥胖人群肠道菌群特征的研究发现，多形拟杆菌可降低血清谷氨酸水平，促进脂肪分解代谢；行Roux-en-Y胃旁路术后，肥胖患者肠道的多形拟杆菌数量明显增多，血清谷氨酸水平明显降低。

此外，肠道菌群可协同生物钟，通过捕获来自视神经的光线调节NFIL3转录因子，从而调控脂肪摄入和储存，因此，夜间工作者的代谢性疾病患病率更高。Thaiss[12]研究发现，菌群通过血清多胺影响宿主生物钟和代谢节律，而扰动生物钟可促使菌群向“肥胖型”转化，且肥胖者减肥成功后，与肥胖相关的菌群长期存在，菌群“记忆”可促进体重反弹，与菌群降解膳食黄酮引起的能耗减少有关。但也有研究认为肥胖与肠道菌群不存在关联，这一争议可能与饮食、地理及微生物分析法等因素的差异性有关。

2 相关机制

2.1慢性炎症与免疫机制 肥胖及糖尿病等代谢性疾病是慢性低度炎症性疾病。脂多糖是革兰阴性杆菌细胞壁主要活性成分，当肠屏障破坏时，黏膜通透性增加，毒素、食物抗原和感染因子从胃肠腔移位到靶组织，如脂多糖释放进入血液循环，与CD14形成脂多糖-脂多糖结合蛋白-CD14复合物，引起一系列非特异性炎症级联反应，导致肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-6等大量炎症因子的转录合成，引发肥胖和糖尿病等全身慢性非特异性炎症。Toll样受体(Toll-like receptor，TLR)信号转导不仅发挥先天免疫应答作用，还能诱导有益细菌的耐受，维持体内平衡。研究发现，代谢综合征患者TLR表达活性增强，TLR2或TLR缺乏时，糖尿病肾病等并发症的发生率降低[13]。Alam等[14]发现，肠道菌群缺乏可导致小鼠肠内辅助性T细胞1、辅助性T细胞17、调节性T细胞的分化失衡。此外，胰岛调节性T细胞还有助于致糖尿病性T细胞的调控。未来可能通过T细胞免疫干预的方式改变肠道生物学特性，以治疗T1DM。由此可见，慢性炎症与免疫应答在肥胖、胰岛素抵抗和糖尿病的发展中至关重要。

2.2短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs) SCFAs主要是膳食纤维经肠道菌群发酵代谢的产物，在肠道细胞增殖和肥胖整体调控中起主导作用。拟杆菌主要产生乙酸盐和丙酸盐，厚壁菌产生丁酸盐，SCFAs类型受到厚壁菌和拟杆菌比例的影响。乙酸是胆固醇合成的底物，丙酸影响脂肪生成和糖异生，丁酸是结肠细胞的主要能量来源，可提高胰岛素敏感性，并发挥抗炎、抗肥胖作用。

SCFAs可通过结肠黏膜上的非酯化脂肪酸受体2调节血糖，还可作为能量调节的信号分子激活G蛋白偶联受体(G-protein-coupled receptor，GPR)41和GPR43。SCFAs与GPR43结合可抑制炎症反应，诱导胰高血糖素样肽1产生，调节血糖稳态。SCFAs与GPR41结合后促进酪酪肽产生，抑制肠道蠕动并提高胰岛素敏感性[15]。近年开发了新型靶向给药系统，在近端结肠输送丙酸盐，以降低超重者的能量摄入[16]。补充膳食SCFAs能够改善肥胖者的血糖水平，并提高胰岛素敏感性。可见，肠道菌群可通过其代谢产物SCFAs影响宿主代谢，SCFAs、胃肠激素和血糖稳态之间存在相互关系。

2.3胆汁酸盐 肠道菌群是胆汁酸合成代谢的“调节器”，影响胆汁酸毒性、疏水性和调节作用。初级胆汁酸为肠道菌群提供生长信号，促进休眠和无毒形式孢子萌发，并促进抗生素等因素引起的菌群失调的恢复。粪胆酸调节肠道菌群结构，粪胆酸水平升高使厚壁菌增加，而拟杆菌减少。胆汁酸与法尼酯X受体和GPR结合，促进褐色脂肪组织消耗能量，改善肥胖和胰岛素抵抗。微生物通过产生的激动剂和拮抗剂调节GPR5和法尼酯X受体，进而影响宿主生理。研究发现，无菌大鼠的胆固醇含量较常规饲养大鼠高，后续研究也发现，无菌动物肠道中结合胆汁酸水平升高，粪便排泄减少[17]。

Kuno等[18]利用抗生素制备菌群失调小鼠模型的研究发现，次级胆汁酸可影响部分糖脂代谢的分子机制，抗生素菌群失调组小鼠血糖和三酰甘油水平较正常对照组小鼠分别下降64%和43%，而补充次级胆汁酸和抗生素时，小鼠糖脂水平恢复正常。Zheng等[19]将胆汁酸加入正常小鼠饮食的研究发现，小鼠体质指数显著升高，且其肠道菌群结构近似肥胖小鼠；而将法尼酯X受体激动剂GW4064加入高脂小鼠饮食，胆汁酸合成受到抑制，小鼠体质指数、肠道菌群结构均趋向正常，可见肠道菌群可通过调控胆汁酸代谢参与肥胖、糖尿病等疾病的发展。因此，干预胆汁酸代谢有望成为肥胖、糖尿病等代谢性疾病研究的新方向[20]。

3 干预措施

3.1饮食干预 膳食纤维可增加饱腹感、提高胰岛素敏感性、维持糖脂代谢平衡。流行病学研究表明，膳食纤维可提高肠道微生物多样性，与T2DM发病率成反比，如增加高纤维食物的摄入可使普氏菌增加。赵立平团队研究发现，高膳食纤维可促进有益菌(产乙酸和丁酸等)增加，并抑制产吲哚和硫化氢细菌[21]。研究发现，绿茶多酚可调节糖尿病小鼠的肠道菌群，并可通过抑制β细胞损伤改善血糖[22]。另有研究表明，高纤维食物可增加肠道吲哚丙酸的产生，吲哚丙酸可通过促进β细胞分泌预防T2DM[23]。一项对2 339名70～90岁欧洲人的调查发现，地中海饮食可使人群总死亡率降低23%[24]。西式饮食损害小鼠结肠黏液层的渗透性和生长能力，而双歧杆菌和菊粉可部分恢复肠黏膜屏障效应。另有研究表明，饮食的西方化使菌群多样性减少，导致原生菌群丧失、纤维相关酶的降解减少、优势菌株从普氏菌向拟杆菌转变，饮食西方化的程度越大，对肠道微生物的危害越大，此现象在肥胖者和二代移民中更显著[25]。以上研究为肠道菌群在饮食、代谢与健康相互关系的探索提供新思路。

3.2益生元和益生菌 益生菌能改善肠道菌群紊乱、降低黏膜通透性、减轻肠道炎症反应，益生元可刺激肠道有益菌生长繁殖，改善糖耐量。乳杆菌和双歧杆菌广泛用于胃肠功能紊乱的治疗，如艰难梭菌感染[26]。黏杆菌属A是一种可降解黏蛋白的细菌，其高丰度与肥胖、糖尿病等代谢状态改善相关。Plovier等[27]研发了非复制型、巴氏灭菌黏杆菌属A制剂，可改善肥胖和糖尿病小鼠模型的糖代谢。有Meta分析显示，短期(≤12周)补充益生菌可降低体质指数，但效果欠佳。益生菌对抗生素所致肠道菌群改变的恢复可能无效，甚至对菌群的恢复不利[28]。一项对随机临床试验的系统回顾研究未发现益生菌在肠道持续定植的证据[29]，因此，益生菌和益生元对代谢性疾病的作用有待进一步探究。

3.3药物 目前，关于二甲双胍的主要作用位点及降糖机制仍存在争议。近年研究发现，二甲双胍主要作用于肠道菌群。对199例T2DM患者和544名健康人的荟萃分析发现，二甲双胍对肠道菌群构成有显著影响[30]。二甲双胍通过增加胰高血糖素样肽-1、SCFAs以及甘氨酸水平诱导微生物群改变，并恢复葡萄糖感应，触发钠葡萄糖共转运载体1依赖途径以调节葡萄糖稳态[31]。此外，二甲双胍还通过抑制脆弱拟杆菌生长，降低该菌胆盐水解酶活性，使甘氨熊去氧胆酸水平升高，以不依赖于腺苷酸活化的蛋白激酶方式抑制法尼酯X受体信号，从而改善代谢。Gu等[32]研究发现，阿卡波糖可使T2DM患者肠道双歧杆菌、乳酸菌等显著增加，并使梭菌和拟杆菌明显减少；此外，对血浆和粪便胆汁酸的研究证实，阿卡波糖可改变胆汁酸代谢谱，影响宿主胆汁酸信号，改善机体代谢，如降低血浆及粪便的毒性次级胆汁酸浓度，此功能与肠道菌群的次级胆汁酸代谢功能一致。

中药可改善肠道菌群组成和病理状态。灵芝可将厚壁菌门与拟杆菌门比值降至正常，小檗碱可通过免疫调节防止非肥胖型糖尿病小鼠罹患T1DM。中药通过改变肠道菌群预防疾病的具体机制尚不清楚，有待广泛深入的研究。

3.4Roux-en-Y胃旁路术 Roux-en-Y胃旁路术与微生物群改变和胆汁酸代谢有关，术后变形菌增加，血浆胆汁酸升高，多数T2DM患者术后数天内血糖恢复正常。饮食诱导肥胖C57BL/6J小鼠行Roux-en-Y胃旁路术后1周，其肠道菌群构成改变，5周后肠道菌群趋于稳定，且拟杆菌、疣微菌、变形菌增加。将经Roux-en-Y胃旁路术减重小鼠肠道菌群接种于无菌小鼠的研究发现，无菌小鼠的胰岛素敏感性改善，三酰甘油水平降低，体重显著减轻[33]。Liou等[34]的研究发现，行Roux-en-Y胃旁路术小鼠的体重明显减轻，而假手术组小鼠术后2～3周体重回升，且减肥手术组小鼠粪便中的能量含量更高，血糖和胰岛素水平也明显改善。故认为，减肥手术可通过减少摄入和增加排泄来减轻体重、改善机体糖代谢。

3.5粪便移植(fecal microbiota transplantation，FMT) FMT是分析疾病因果关系的有效工具。对18例接受瘦者FMT肥胖者的研究发现，FMT肥胖者肝脏和外周组织胰岛素敏感性显著改善，产丁酸盐菌明显增加[35]。Ridaura等[36]发现，接受肥胖供体来源FMT无菌小鼠的体重较接受瘦供体来源无菌小鼠增加更多。目前关于FMT的研究较少，其具体作用机制尚不清楚，仍有待进一步的深入研究。

3.6遗传工程菌群 近年来，表达治疗因子的转基因细菌成为遗传代谢性疾病研究的新方向，目前工程菌主要包括大肠埃希菌Nissle 1917、乳酸乳球菌、卵形拟杆菌和干酪乳杆菌等。大肠埃希菌Nissle 1917可表达一种脂类前体分子——N-酰基磷脂酰乙醇胺，可引起进食减少和体重减轻。应用改造工程菌的方法治疗自身免疫性疾病的尝试也在进行，如利用经遗传修饰产生胰高血糖素样肽-1的重组乳酸乳球菌刺激糖尿病小鼠的胰岛素分泌，此外，还可通过增加表达胰岛素前体基因和免疫抑制因子基因的工程菌逆转糖尿病小鼠的糖尿病症状，但目前工程菌的研究仍处于实验阶段，尚需进一步的深入研究。

4 小 结

肠道菌群调控宿主免疫、营养、能量代谢等过程。菌群失调参与肥胖和糖尿病等代谢性疾病的发生发展，其机制包括引起慢性低度炎症、生成短链脂肪酸、调节胆汁酸盐合成代谢等。通过以纠正肠道菌群失调为靶标的干预手段(如调整饮食结构、补充益生元和益生菌、药物治疗、Roux-en-Y胃旁路术、粪便移植、遗传工程菌等)治疗肥胖和糖尿病，因此，调节肠道菌群成为肥胖和糖尿病研究的新方向。目前，临床用于调节肠道菌群的治疗方法较少，效果有限，需要结合宏基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的研究进行较大样本的前瞻性研究。在精确医学背景下，未来可能将个性化、具有遗传修饰的微生物群用于代谢性疾病的防治，通过饮食影响菌群的“菌群营养学”有望成为新型治疗方法的核心。可见，对肠道菌群的研究将为肥胖、糖尿病等代谢性疾病的早期防治提供新的思路。