生态病因学：肠道菌群失调与2型糖尿病

江杨洋(综述)，王旭东(审校)

(南京中医大学，南京 210023)

随着环境和饮食结构的改变，全球面临着严重的健康问题。根据国际糖尿病联盟统计，2000年全球有糖尿病患者1.51亿，而2010年全球有糖尿病患者2.85亿，按目前速度增长的话，估计到2030年全球将有近5亿人患糖尿病[1]。而我国2000～2009年诊断糖尿病患者从1055.07万增长到2456.84万,人口变化和患病率增长分别增加416.12万和659.66万[2]。近10年研究发现，肠道菌群与肥胖、2型糖尿病等代谢性疾病的发生密切相关，2012年肠道微生物与2型糖尿病的宏基因组关联分析表明2型糖尿病可能与肠道菌群存在相关性，明确了中国人群中的糖尿病患者与非糖尿病患者在肠道微生物组成上的差异[3]。该文从肠道菌群角度来探讨2型糖尿病的康复机制，从而为2型糖尿病的康复提供新思路。

1 肠道菌群概述

肠道菌群是一个庞大的群体。人体肠道寄主100万亿微生物，肠道内每1014 mL空间内最多可包含几千种，人体肠道菌群的平均重量为1.5 kg[4]。肠道微生物的数量是人体细胞数量的10倍，人体微生物组的宏基因组测序表明，共有330万个非冗余基因，而其中99%以上的基因源于细菌[5]。此基因组比人类基因组大150倍。但所有的哺乳动物出生时是不携带任何微生物的，出生后从母体和环境中按一定顺序定植菌群，且大部分定植在肠道，随后保持种类和数量的动态平衡。欧洲分子生物学实验室的Peer Bork等按婴儿时期首个定植肠道的菌群将人类肠道菌群分为3种菌型，并且这种菌型不会因个体的种族、性别、体质量、健康程度或者年龄的变化而改变[6]。

肠道菌群按属可分10～15个属；按种分类可分成500种；按照菌株在宿主体内的生化反应及对宿主的作用效果又可分成三大类：有益性、双向性和有害性。有益菌群是肠道的优势菌群，占99%～99.9%，如双歧杆菌、乳杆菌和消化球菌等。人体与肠道菌群间是一种相互依存、互利共生的关系：①肠道菌群以人体消化的食物残渣和胃肠道作为自身生存的条件和环境，并帮助人体消化食物，合成维生素，完成自身细胞无法完成的任务。②肠道菌群不仅能分解体内产生的一些毒害物质保护肠屏障，如可分解致使肠漏的硫酸盐，而且还能参与肠道上皮细胞的生长、分化，抑制炎性细胞因子的形成，刺激免疫应答，维持肠道的pH值，促进肠道蠕动，维持肠道微环境的内稳定。

2 肠道菌群与2型糖尿病

糖尿病是一种由基因和环境共同影响的代谢性疾病。由于过去十几年中，糖尿病和肥胖的发病率不断增加，这使遗传在代谢性疾病的影响有所降低。另一方面，随着对肠道菌群的研究，发现肠道菌群与肥胖、2型糖尿病等代谢性疾病有着紧密联系。首先，Gordon 实验室的一系列研究表明肠道菌群在“门”水平上的差异是取决于体质量水平，临床研究也证实在肥胖患者的肠道中表现为低丰度的拟杆菌和高丰度的厚壁菌门[7-8]。继而在2010年,Zhao[9]研究发现,糖尿病模型动物肠道中乳酸菌数量明显下降。临床研究表明,相对于正常者2型糖尿病患者肠道中硬壁菌门/梭菌门显著降低。另外,β变形菌比例在糖尿病组显著升高,并与血糖浓度显著相关。Larsen等[10]的研究首次表明了2型糖尿病与非糖尿病患者之间微生物种群的变化，但该研究的受试者数量较少。在2012年我国科学家基于新一代鸟枪法深度测序技术研发出一种新的宏基因组关联分析方法,通过该方法对345名中国人的肠道微生物进行两阶段宏基因组关联分析,共鉴定出约6万个2型糖尿病相关的分子标记,从而从分子层面上明确了中国人群中的糖尿病患者与非糖尿病患者在肠道微生物组成上的差异[3]。在最新对糖尿病患者肠道菌群的研究中，江美玲等[11]应用菌属16srRNA V3序列特异性引物，进行实时荧光定量聚合酶链反应分析，发现糖尿病组柔嫩梭菌类群、双歧杆菌属、肠球菌属数量较对照组显著增加，拟杆菌属数量较对照组显著减少。以上研究表明，肠道菌群与2型糖尿病相关，且在2型糖尿病的肠道中出现一定的菌群失调。

2型糖尿病患者的肠道菌群会出现菌群失调，那菌群失调是否可能成为2型糖尿病发病机制之一，早在1981年，LeRoith等[12]发现有一种大肠埃希菌能产生胰岛素样物质,这种物质进入血液后与胰岛素的靶细胞结合封闭了胰岛素受体,使真正的胰岛素无法发挥作用,于是血糖不能被吸收和利用而导致糖尿病。Rabot等[13]发现饲以高脂饮食的无菌小鼠消耗的热量较少、在粪便中排出的脂类较多，且体质量小于高脂饮食喂养的传统小鼠。无菌小鼠的空腹和非空腹胰岛素血症也有所减少，葡萄糖耐量有所改善。这些结果显示，肠道菌群对胰岛素敏感性产生一定的作用。Burcelin等[14]通过使用无菌小鼠的研究表明,肠道菌群是引发代谢障碍的原因。另外，Zhang等[15]在人类肠道菌群改变对葡萄糖不耐症的影响研究中，运用16srDNA测序-高通量测序方法，评估代谢参数之间的相关性和菌群多样性，发现其两者间有着显著的关联性。此为肠道菌群的结构可调控糖尿病的发病机制研究提供了证据。

3 肠道菌群影响2型糖尿病机制研究

肠道菌群主要通过对肠道内能源获取作用、调节脂肪储存及影响脂肪因子、调节代谢性内毒素血症诱发的炎症等机制影响肥胖和2型糖尿病的发生和发展。

3.1肠道内能源获取 糖尿病康复原则之一是控制热量的摄入，减轻胰岛素的负担，维持合理的体质量。而肠道菌群可通过膳食纤维获取能源来影响肥胖。其表现在肠道菌群分解消化多糖为短链脂肪酸，每日为正常成人提供334.7～836.8 kJ或每日能量摄入量的4%～10%[16]。这些短链脂肪酸中，最丰富的是乙酸、丙酸和丁酸。前两者被吸收进入门静脉循环，而后者则是结肠的能量来源。当肠道缺乏丁酸时，肠道上皮细胞会自我吞噬减少细胞，从而维持能量平衡[17]。Sleeth等[18]在肠道受体表达中检测出非酯化脂肪酸受体2和非酯化脂肪酸受体3，表明短链脂肪酸也参与控制食欲。Lin等[19]的研究发现，丁酸和丙酸可通过独立的非酯化脂肪酸受体来调节胃肠激素，减少食物的摄入，从而预防饮食引起的肥胖和胰岛素抵抗。宏基因组分析ob/ob盲肠菌群表明，ob/ob特定的肠道菌群富含能够利用发酵的膳食纤维基因。杨晓庆等[20]在研究小鼠肠道菌群代谢产物与糖尿病的相关性中发现，糖尿病组小鼠粪便中乙酸、丙酸和正丁酸水平显著低于正常组及高脂组,提示糖尿病小鼠的肠道微生态系统出现紊乱,可能存在着生成乙酸、丙酸和正丁酸的某些厌氧益生菌的缺失或减少,致使肠道菌群对宿主代谢产生异常影响,引发代谢紊乱。Cani等[21]研究发现，肠道菌群可发酵膳食纤维，促进近端结肠L细胞的分化，增加健康人群餐后胰岛素样生长因子的分泌。肠道菌群可影响能源获取的观点也已在人体得到证实。Jumpertz等[22]报道，摄入卡路里量的比例与粪便中拟杆菌门的丰度呈正相关，与粪便中厚壁杆菌门的丰度呈负相关。

肠道菌群不仅影响能源的获取，而且还影响能量的消耗。早期研究显示，无菌鼠的基础代谢率、心排血量、体温均低于传统鼠，表明菌群可能会影响动物的能量消耗[23]。Fleissner等[24]的研究也证实，在高脂饮食中无菌鼠相对于传统鼠体质量会增加并伴随着更低的能量消耗。但目前肠道菌群影响能量的消耗在临床还未见报道。

3.2调节脂肪储存及影响脂肪因子 2型糖尿病患者体内，胰岛素脂肪细胞因子都处于紊乱状态，如2型糖尿病患者体内瘦素水平较正常对照者显著升高[25]。众多研究表明，这些脂肪因子与胰岛素抵抗及糖尿病密切相关，而微生物群的移植实验证实，体内脂肪储存取决于不同的肠道菌群的作用。Xiong等[26]研究表明，肠道菌群代谢产生的短链脂肪酸(如丙酸和丁酸)可增加瘦素基因的表达。Bäckhed等[27]发现，无菌普通C57BL/6小鼠从常规饲养小鼠远端大肠定植正常菌群后，体内的脂肪含量和胰岛素抵抗在14 d内增加了60%，尽管此阶段减少了食物的摄入量。但脂肪总量增加是因脂肪细胞过度肥大，而非数量增加所致，其机制可能是肠道菌群影响禁食脂肪诱导因子。禁食脂肪诱导因子是循环脂蛋白脂肪酶抑制因子，可调控三酰甘油在脂肪细胞中的沉积。Bãckhed等[28]的研究发现，剔除禁食脂肪诱导因子基因的无菌小鼠，饮食引起的肥胖更易发生。禁食脂肪诱导因子抑制脂蛋白脂酶,从而阻断脂肪酸三酰甘油吸收到组织和上调脂肪酸氧化，解偶联蛋白解离，脂肪储存量减少。Aornsson等[29]用益生菌干酪乳杆菌和结肠细胞的培养及干酪乳杆菌定植无菌小鼠肠道进行研究，发现禁食脂肪诱导因子的表达明显增加，同时小鼠血浆极低密度脂蛋白颗粒中三酰甘油水平增加，表明干酪乳杆菌通过增加禁食脂肪诱导因子的表达来减少脂肪存储。综上所述，肠道菌群是一个影响机体能源获取和能量储存的重要因素。

3.3调节代谢性内毒素血症诱发的炎症 糖尿病是以低水平的炎症状态为特征的代谢性疾病，而肠道菌群衍生的脂多糖是参与炎症和代谢性疾病的发生和发展的因素。脂多糖是革兰阴性菌外膜的一个组件，它的增加可诱发小鼠产生轻度慢性炎症，导致胰岛素抵抗[30]。Muccioli等[31]的研究表明，这可能是由于宿主产生了内源性大麻素。以下动物实验可表明肠道菌群、脂多糖、饮食和胰岛素敏感性之间的关系：①Cani等[30]向正常小鼠长期注射脂多糖，发现可导致小鼠的肥胖和肝脏胰岛素抵抗。Toll样受体4缺陷小鼠喂食高脂饮食后却不会出现高脂饮食诱导的肥胖和胰岛素抵抗[32]。②Erridge等[33]研究表明，高脂饮食小鼠的内毒素血症有所增加。③Cani等[34]发现用氨苄青霉素，新霉素处理ob/ob小鼠或高脂肪的饮食喂养的小鼠，会改变肠道菌群的位置，并减少内毒素血症，改善糖耐量。对于喂食高脂老鼠给予益生元治疗可显著减少脂多糖及肝脏和脂肪组织中炎症标志物，并增强整个身体葡萄糖耐受性[35]。综上所述，高脂饮食、血浆的脂多糖增加会对糖代谢产生不利影响，而调节肠道菌群可以减轻内毒素血症和胰岛素抵抗。

脂多糖在肥胖和肥胖相关的胰岛素抵抗和低度炎症的发展中起着至关重要的作用，临床研究也证实了这一点。在50例2型糖尿病横断面研究中发现，空腹脂多糖水平差异性显著大于年龄、体质量指数等指标[36]。Creely等[36]用胰岛素增敏剂治疗2型糖尿病患者10周后发现，内毒素血症和胰岛素水平均有所下降，并且内毒素血症变化越大，胰岛素敏感性改变越大。在糖尿病发病风险因子分析中发现，脂多糖活性最高四分位数和最低四分位数相比，有52%患糖尿病的风险增加，说明较高的脂多糖活性是2型糖尿患病的危险因素之一[37]。综上所述，病肠道菌群参与糖尿病的发病机制过程中，代谢内毒素血症引起的低水平炎症是关键环节。

4 肠道菌群的调节方法

针灸对肠道菌群也有一定的调节作用。在针灸减肥患者肠道菌群的变化规律探讨中，通过对14例针灸减肥病例的大便标本进行细菌培养，结果发现单纯性肥胖患者和健康人比较，其肠球菌明显高于健康组，而类杆菌低于健康组；在治疗3个疗程后针灸减肥有效率为72.22%，并且肠球菌明显减少，类杆菌明显增多，且治疗后肠球菌及类杆菌的数量与健康组无明显差异[38]。提示针灸减肥过程可能主要通过对肠球菌及类杆菌的数量调节而达到减肥的目的。虽无艾灸在饮食诱导的模型中对肠道菌群影响的报道，但有研究表明艾灸关元灸可有效升高肠道中双歧杆菌、乳酸杆菌两种厌氧菌及大肠埃希菌、肠球菌两种需氧菌的菌群数量，调整肠道菌群失调，并可改善慢性疲劳状态[39]。因此，针灸调节肠道菌群有望成为2型糖尿病的康复新方法。

5 小 结

饮食结构改变是导致2型糖尿病发生、发展的主要诱因之一，而饮食结构的改变会直接影响肠道菌群，甚至肠道菌群紊乱，而肠道菌群则会通过对肠道内能源获取作用、调节脂肪储存及影响脂肪因子、调节代谢性内毒素血症诱发的炎症等机制来影响2型糖尿病发生及发展。因此，可以认为肠道菌群紊乱是2型糖尿病发生、发展的原因之一。另一方面，可以通过内源性增加有益菌群来扶植肠道菌群，从而预防和治疗2型糖尿病。并且外源性针灸调节肠道菌群有望成为2型糖尿病的康复新方法。

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