肠道菌群在二甲双胍降糖机制中的作用研究进展

冯静 滕振杰 陈树春 宋光耀

(河北省人民医院 1内分泌科 河北省代谢病重点实验室，河北 石家庄 050051；2神经内三科)

二甲双胍因其安全有效、费用低、心血管获益等特点，是目前2型糖尿病(T2DM)患者应用最广泛的降糖药物〔1,2〕，但其具体作用机制仍不清楚。目前认为二甲双胍的主要降糖机制是通过磷酸腺苷(AMP)激活的蛋白激酶(AMPK)依赖〔3〕和非AMPK依赖〔4〕途径实现抑制糖异生的作用。然而研究发现，静脉注射二甲双胍比口服降糖效果差很多〔5〕，二甲双胍通过肠道相关通路也可发挥降糖作用〔6〕。近期啮齿类动物研究〔7〕和临床试验〔8〕表明，肠道菌群的改变有利于二甲双胍发挥降糖作用。本文主要阐述二甲双胍通过肠道菌群发挥降糖作用的研究进展。

1 二甲双胍通过肠道菌群降糖的机制

1.1改变肠道营养物质感受器途径 研究表明〔8,9〕，二甲双胍能够改变糖尿病动物模型近段肠道中的肠道菌群，给予高脂饮食会降低小肠上段乳酸杆菌的丰度，二甲双胍预处理之后就能对抗这种改变〔10〕，然而给予糖尿病模型小鼠口服抗生素后，就会削弱二甲双胍的降糖能力〔7〕，这提示肠道菌群的改变参与了二甲双胍的降糖机制。

二甲双胍诱导肠道菌群改变从而改善糖代谢的可能机制之一就是通过改变肠道营养物质感受器途径。给无菌级的小鼠接种健康喂养小鼠的菌群，能够改变很多小肠近端和远端糖脂代谢相关基因〔11,12〕如CD36，脂肪酸结合蛋白(FABP)4，乙酰辅酶A合成酶，脂代谢相关蛋白的表达水平。

研究发现〔13〕，在给予髙脂饮食之前，给予二甲双胍预处理，能够阻止高脂饮食造成的葡萄糖感受器的损害，这一作用就是通过改变小肠上段肠道菌群实现的。二甲双胍能够增加高脂饮食啮齿类动物的乳酸杆菌丰度，乳酸杆菌增加营养物质感受器如钠-葡萄糖协同转运蛋白(SGLT)1的表达，恢复小肠上段葡萄糖的感知功能、增加肠道葡萄糖摄取，从而使高脂饮食大鼠的葡萄糖刺激的胰升糖素样肽(GLP)-1分泌功能得到恢复，发挥降糖机制。未来将通过移植感兴趣的纯种菌属，进一步研究引起小肠上段葡萄糖感受器改变的特异菌属。

总之，二甲双胍可通过改变小肠上段肠道菌群来调节肠道营养物质感受器、恢复SGLT1依赖的葡萄糖信号通路，从而调节糖代谢平衡。

1.2调节短链脂肪酸(SCFA)生成 肠道菌群的改变能够影响肠道代谢组学，丁酸盐、乙酸盐等这些肠源性的代谢产物影响了宿主的胰岛素抵抗(IR)，进而影响血糖控制。二甲双胍通过调节SCFA生成是其另外降糖途径之一。

Forslund等〔9〕研究结果表明，二甲双胍治疗组，显著增加大肠埃希菌属的丰度，降低Intestinibacter菌属丰度，增加菌毛的黏附力，导致乙酸、丙酸和丁酸等SCFA生成明显增加。另有研究发现〔8〕，与无糖尿病的受试者相比，接受二甲双胍治疗的糖尿病组，丁酸弧菌、双歧杆菌、巨型球菌、普氏菌属等丰度增加，上述菌属的增加也会使SCFA产生增加；相反，如果糖尿病患者未服用二甲双胍，真菌属和核菌属丰度增加〔14〕，SCFA产生下降〔9〕。

SCFA产生增加，能够通过互补机制触发肠道糖异生(IGN)。丙酸盐，本身就是IGN的作用底物，通过门脉神经系统和脂肪酸受体(FFAR)3〔15,16〕，激活IGN基因的表达。丁酸盐通过作用于肠细胞环磷酸腺苷(cAMP)依赖途径激活IGN基因表达。在啮齿类动物，IGN的增加能够降低肝脏糖异生、减轻食欲和体重，从而改善糖代谢，有利于能量代谢平衡。这揭示了SCFA在二甲双胍与肠道菌群之间的调节机制〔9〕。

1.3调控金属蛋白的基因表达 在一项随机双盲的研究中〔17〕，将单纯T2DM 患者分为对照组和二甲双胍组，观察4个月，结果发现，二甲双胍能够显著影响肠道菌群。这一结果通过后续的亚组试验进一步得到验证，即实验结束后，继续给予6个月的二甲双胍治疗。将二甲双胍治疗组的粪便移植到无菌小鼠体内发现，接受移植后糖耐量明显改善。为了更加直接探讨二甲双胍与肠道菌群的相互作用，在肠道模拟器中，收集并孵育二甲双胍治疗组的粪便样本，在进一步的转录分析中发现二甲双胍主要影响两大菌属的生理功能参与的信号通路，而这些相关的基因主要编码金属蛋白或金属转运蛋白。一些已知的金属蛋白能够导致T2DM的病理生理进展〔18〕。另外，研究表明，二甲双胍对哺乳动物肝细胞系的作用是依赖于这类药物的金属结合特性〔19〕。这是第1次发现二甲双胍和肠道菌群产生的金属结合蛋白之间的联系。然而，还需要进一步的代谢组学和蛋白质学的研究，去探究微生物代谢或蛋白质是如何与宿主相互作用来改善宿主代谢的。

1.4炎症反应 肠道菌群在能量代谢和肥胖相关的代谢性疾病方面发挥重要作用〔20〕。此外，肠道菌群通过影响肠道中的免疫平衡状态〔21〕，使细胞因子产生增加，由此导致的长期慢性炎症反应会引发IR、高血脂等代谢紊乱〔22〕。

研究表明，二甲双胍通过调节肠道菌群改善了老年小鼠的代谢指标，这一效应与炎症免疫反应有关〔23〕。研究显示，二甲双胍治疗后附睾脂肪组织中白细胞介素(IL)-6表达水平下降，IL-6的表达水平与拟杆菌和Butyricimonas的丰度显著负相关〔23〕。因此二甲双胍治疗之后IL-6水平下调很可能与拟杆菌和Butyricimonas丰度增加有关〔23〕。另有研究发现，IL-6下调与肠道菌群对胰岛素信号通路的调节作用有关〔24〕。IL-1β，在肥胖相关的炎症反应和IR中发挥重要作用〔25〕。IL-1β的信号通路通过激活信号转导及转录激活因子(STAT)3〔26〕，与IL-6的信号级联反应之间存在交叉。研究中也证实IL-1β的表达和拟杆菌、Butyricimonas的丰度呈负相关〔23〕。

二甲双胍引起的艾克曼菌和Butyricimonas菌的丰度增加在下调IL-1β〔7〕和IL-6〔27〕中发挥重要作用。因此，特定菌属丰度可以改善炎症免疫反应，从而参与了二甲双胍改善代谢指标的相关机制。

1.5增强肠道黏膜屏障功能 二甲双胍有50%的生物利用率，在肠道和血浆暴露的浓度几乎是相等的，但是二甲双胍在肠道聚积的浓度约是血浆的300倍〔28〕，使得肠道成为人体内二甲双胍的储备地。动物实验表明，同时给予二甲双胍和广谱抗生素鸡尾酒，二甲双胍的降糖效应会消失〔7〕。

研究表明，给予高脂饮食小鼠二甲双胍，能够增加艾克曼菌属的丰度。这一菌属能够降解黏多糖〔8〕，增强肠道的黏膜屏障功能发挥保护机体的作用。艾克曼菌与肠道健康有关，在维持黏膜层完整性方面发挥重要作用，降低促炎性因子脂多糖的迁移，改善血糖控制〔29〕。

此外，二甲双胍使双歧杆菌丰度增加，其能够作为单碳来源促进胃黏蛋白生长，基因组分析结果显示这类细菌能够利用宿主的黏多糖，可能与艾克曼菌作用类似，在胃肠道健康中起保护作用〔8〕。

1.6调节GLP-1 肠道菌群还能影响GLP-1的生理功能〔30〕。研究发现〔31〕二甲双胍能够增加T2DM患者肠道乳酸杆菌的丰度，补充含有乳酸杆菌的益生菌能够产生类似二甲双胍的作用，改善IR、降低高血糖〔32〕。更进一步的研究表明，这些代谢指标的改善与血浆GLP-1水平增加有关〔32〕。乳酸杆菌数量下降与GLP-1抵抗有关，这与肠神经源性一氧化氮合成改变有关〔32〕。然而乳酸杆菌是如何影响GLP-1分泌的仍不清楚，乳酸杆菌很可能与葡萄糖感受器相互作用，调节GLP-1发挥作用〔33〕。

综上，二甲双胍相关的肠道菌群的特点表明二甲双胍可以通过新的作用机制来发挥降糖作用。肠道菌群通过改变肠道营养物质感受器途径、调节短链脂肪酸生成、调控金属蛋白的基因表达、增强肠道黏膜屏障功能、调节GLP-1等机制发挥降糖作用。二甲双胍与肠道菌群的作用越来越密切，需要更进一步的研究来发现更多的机制。