肠道细菌与肥胖及2型糖尿病关系的研究进展

袁冰舒，赵海龙，李丽娟

肥胖和2型糖尿病（type 2 diabetes，T2DM）均是临床常见的代谢紊乱性疾病。目前，全球儿童和成人的肥胖患病率分别为5.0%和12.0%，我国是肥胖人口最多的国家［1］。国际糖尿病联合会调查表明，全世界约有4.15亿的成年人患有糖尿病（diabetes mellitus，DM），其中90%的患者为T2DM，亚洲是T2DM流行的主要地区，我国亦是T2DM患者最多的国家［2］。以往研究表明，肥胖及T2DM的发生主要与遗传、环境、饮食、药物等有关，但对其发病机制的研究仍存在大量空白［2-3］。肠道菌群定植于哺乳动物的肠道中，可受遗传、饮食等多种因素影响而发生改变。近年来越来越多的研究表明，肠道菌群改变常伴发炎症免疫反应及代谢改变等，肠道菌群可能通过这些改变参与肥胖及T2DM的发生发展［4］。本文对肠道菌群与肥胖及T2DM关系的相关研究进展综述如下。

1 肠道菌群概述

健康人的肠道内寄居着种类繁多的微生物，这些微生物被称为肠道菌群。肠道菌群的细胞总数可达1014个，与人体细胞总数之比为1∶1［5］。肠道菌群主要包括：放线菌门（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、硬壁菌门（Firmicutes）、柔膜菌门（Tenericutes）、梭杆菌门（Fusobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、螺旋体门（Spirochaetes）、互养菌门（Synergistetes）、疣微菌门（Verrucomicrobia）及异常球菌-栖热菌门（Deinococcus-Thermus）等，其中硬壁菌门占80%左右［6］。肠道菌群按一定的比例组合，各菌种间互相制约，互相依存，在质和量上形成一种生态平衡，这对维护人体的健康非常重要。肠道菌群出现生态失衡时，可导致多种疾病的产生，如肥胖及T2DM。肠道菌群的构成及功能可受遗传、饮食、免疫及药物等因素的影响而发生改变，进而可能通过炎症免疫反应及代谢途径等影响宿主的糖脂代谢，导致肥胖及T2DM的发生发展［4］。

2 肠道菌群与肥胖及T2DM的关系

2.1肠道菌群与肥胖 肥胖是一种慢性代谢性疾病，与遗传、环境和代谢等多种因素有关［3］，目前其发病机制仍未明确。Gao等［7］比较了39例肥胖儿童和38例正常儿童的粪便细菌，发现肥胖儿童肠道菌群的多样性低于正常儿童。Just等［8］研究表明，无菌小鼠即使给予高脂饮食也不会出现肥胖。Wang等［9］研究发现，低热量饮食小鼠的体质量较正常饮食小鼠减轻，其肠道拟杆菌门和放线菌门的相对丰度增加，硬壁菌门和疣微菌门的相对丰度下降。Hou等［10］研究了我国肥胖儿童粪便的菌群组成情况，发现肥胖儿童肠道硬壁菌门/拟杆菌门的比值较健康儿童增高；而在采用饮食干预减轻肥胖儿童的体质量后，肠道放线菌门双歧杆菌（Bifidobacterium）和硬壁菌门乳酸杆菌（Lactobacillus）的数量明显增加，提示肠道硬壁菌门/拟杆菌门的比值增高与肥胖有关。Wang等［9］研究发现，把正常小鼠和纤瘦小鼠的肠菌移植至肥胖小鼠体内，与移植了正常小鼠肠菌的肥胖小鼠相比，移植了纤瘦小鼠肠菌的肥胖小鼠的体脂明显降低，肠道菌群组成亦有所改变，表现为肠道硬壁菌门和放线菌门的相对丰度增加，拟杆菌门的相对丰度下降，提示肠道菌群参与肥胖的发病，且其机制非常复杂。Goodrich等［11］研究证实，肥胖患者肠道硬壁菌门小克里斯滕森氏菌（Christensenella minuta）的相对丰度较健康人群低，而将小克里斯滕森氏菌移植至肥胖小鼠体内，其肥胖程度有所减轻。Gao等［12］研究发现，与健康人群相比，肥胖患者肠道放线菌门双歧杆菌、硬壁菌门粪杆菌属（faecalibacterium）以及瘤胃菌科（Ruminococcaceae）的相对丰度显著降低，而硬壁菌门芽孢杆菌（Bacillus）、潜在致病菌如梭杆菌门梭杆菌属（Fusobacterium）和变形菌门大肠杆菌志贺菌（Escherichia-Shigella）的相对丰度显著增加。Wang等［13］研究发现，与正常小鼠相比，肥胖小鼠肠道硬壁菌门/拟杆菌门的比值增加，脱铁杆菌门（Deferribacteres）的相对丰度也增加，但放线菌门双歧杆菌及疣微菌门嗜黏蛋白-艾克曼菌（Akkermansia muciniphila）的相对丰度降低；当肥胖小鼠的体质量减轻时，可逆转这种变化。另外，增加嗜黏蛋白-艾克曼菌的相对丰度可使肥胖小鼠在饮食不改变的条件下减轻体质量［14］。上述研究提示，肠道菌群参与了肥胖的发病。

2.2肠道菌群与T2DM DM是危害人类健康的常见代谢性疾病。DM分为1型糖尿病（type 1 diabetes，T1DM）、T2DM、妊娠期糖尿病以及特殊类型糖尿病，其中90%为T2DM［15］。DM主要是遗传、感染和环境等多种因素相互作用而引起，发病的主要环节为胰岛素分泌减少（T1DM为主）和胰岛素抵抗（insulin resistance，IR）效应（T2DM为主）。但这两个环节的发生机制尚未阐明。近年有研究显示，与健康对照组相比，T2DM患者存在中度肠道微生态失衡以及各种机会致病菌增加［16］。Just等［8］研究发现，无菌小鼠即使给予高脂饮食也不会出现葡萄糖耐受不良。Lippert等［17］研究发现，糖代谢紊乱的患者肠道硬壁菌门毛螺科菌（Lachnospiraceae）及拟杆菌门丹毒丝菌科（Erysipelotrichaceae）的相对丰度较正常人群增加。DM的发展过程中一般均要经历DM前期的环节，DM前期是正常糖代谢向DM发展的关键阶段，在该阶段个体亦存在空腹血糖受损及糖耐量降低的现象［15］。Allin等［18］研究发现，DM前期患者肠道硬壁菌门梭菌目（Clostridiales）和疣微菌门嗜黏蛋白-艾克曼菌的相对丰度较健康者降低，并且肠道菌群的多样性与糖代谢紊乱的严重程度呈负相关。Leite等［19］对20例T2DM患者和22例健康对照者的肠道菌群构成进行比较，结果显示，T2DM患者拟杆菌门普氏菌（Prevotella copri）及普通拟杆菌（Bacteroides vulgatus）的相对丰度较健康对照者增加。另外，Udayappan等［20］研究显示，肥胖伴有IR的患者肠道变形菌门皮氏罗尔斯顿菌（Ralstonia pickettii）的相对丰度较健康对照组显著增加。上述研究提示，正常DM发展至DM前期再发展至T2DM的过程中，伴随着肠道菌群组成和种属的变化，并且肠道菌群失调发生在DM之前，肠道菌群的改变可作为DM的潜在危险信号和防治的重要靶点。

3 肠道菌群参与肥胖及T2DM发病的可能机制

3.1肠道菌群通过炎症免疫途径影响糖脂代谢 大量的研究表明，慢性低度炎症与IR、肥胖及T2DM密切相关，但其作用机制尚不明确。有研究认为，内毒素血症可能是介导肠道菌群改变促进肥胖及T2DM发生的重要途径［21］。内毒素是革兰阴性菌细胞壁的结构成分，主要为脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）。Li等［22］研究发现，与正常对照组相比，高脂喂养的肥胖小鼠血清LPS和肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α）水平明显升高，而TNF-α水平与血脂水平及IR效应呈正相关；同时患者肠道硬壁菌门和变形菌门的相对丰度增加，而拟杆菌门、放线菌门及疣微菌门的相对丰度降低，提示血清LPS和TNF-α的高水平与肠道菌群改变有关，这极可能是肥胖个体IR产生的重要基础。在正常情况下，由于肠壁具有机械和微生物屏障功能，LPS入血量较少，但若肠壁的屏障功能下降即可造成LPS入血量增加。Wang等［23］研究发现，高脂饮食可造成肥胖小鼠肠道革兰阴性菌大量繁殖，后者可破坏肠道的黏膜屏障，使肠壁的通透性增加，LPS大量入血并诱发炎症免疫反应。在LPS结合蛋白的介导下，入血后的LPS首先与细胞表面的CD14受体结合，所形成的复合物可被免疫细胞表面的toll样受体4（toll-like receptors 4，TLR4）识别，通过MyD88依赖性信号传导通路激活c-JUN氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）-核转录因子-κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）途径，促进炎性免疫因子白细胞介素（interleukin，IL）-6及TNF-α等大量生成，TNF-α又可诱导前脂肪细胞产生IL-6。IL-6可下调前脂肪细胞葡萄糖转运蛋白-4及胰岛素受体底物-1（insulin receptor substrate-1，IRS-1）的表达；TNF-α与肝细胞和骨骼肌细胞胰岛素受体结合后，可抑制IRS磷酸化并降低其活性，这些变化均可降低胰岛素 信 号 传 递 的 效 应 ，导 致 IR 发 生［21，24-26］。Birchenough等［27］研究还发现，高脂饮食小鼠的肠道细菌可降解其肠道黏蛋白，导致肠道黏膜通透性增加，肠道屏障功能降低，但这是否是高脂饮食小鼠肠道LPS入血量增加的机制尚需进一步证实。Plovier等［14］增加了肥胖小鼠肠道嗜黏蛋白-艾克曼菌的相对丰度，该肠菌的膜蛋白Amuc_1100可通过激活Toll样受体2上调肠上皮通透性相关分子紧密连接蛋白3的表达，改善肠道屏障功能，并减少LPS入血量，同时恢复组织对胰岛素的敏感性以及降低血浆三酰甘油水平。Zhang等［28］研究发现，T2DM大鼠在补充嗜黏蛋白-艾克曼菌后，血清LPS及TNF-α水平均明显下降，同时肝糖原减少、血浆高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C）水平升高，从而改善病情。上述研究提示，肠道菌群改变可通过LPS介导炎症免疫反应，诱发脂质代谢异常及IR效应，这可能是肥胖及T2DM发生的重要机制。

3.2肠道菌群通过代谢途径影响糖脂代谢

3.2.1肠道菌群改变胆汁酸代谢 胆汁酸（bile acids，BAs）来源于肝脏的胆固醇代谢。胆汁酸分为初级胆汁酸（鹅去氧胆酸和胆酸）和次级胆汁酸（石胆酸和脱氧胆酸），初级胆汁酸在肠道细菌的参与下转化为次级胆汁酸。Zheng等［29］研究发现，与正常对照组相比，高脂喂养的肥胖小鼠肠道菌群失调，其盲肠内容物胆汁酸水平显著升高；肠道硬壁菌门和变形菌门的相对丰度与胆汁酸水平呈正相关，而疣微菌门的相对丰度与胆汁酸水平呈负相关。Gu等［30］研究发现，T2DM患者血浆总胆汁酸水平较健康对照组显著升高，使用降糖药后血浆总胆汁酸及次级胆汁酸水平降低，初级胆汁酸水平升高，同时肠道菌群发生改变，表现为硬壁菌门乳酸杆菌和放线菌门双歧杆菌的相对丰度增加。胆汁酸可激活肝细胞法尼醇X受体（farnesoid X receptor，FXR），上调过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α（Peroxisome proliferator-activated receptorgamma coactivator 1-alpha,PGC-1α）的表达，进而上调过氧化物酶体增殖物激活受体α（peroxisome proliferators-activated receptorsα,PPARα）的表达，促进肝脏糖异生功能。FXR还可通过诱导肝脏小异源二聚体伴侣表达，降低肝细胞核因子4α水平，进而降低脂代谢转录调节因子过氧化物酶体增殖剂激活受体γ的表达，最终导致脂质合成减少［31-32］。Kuno等［33］研究表明，给予小鼠抗生素后，肠道硬壁菌门Clostridium cluster XI和Clostridium cluster XIVa及拟杆菌门脆弱拟杆菌的数量减少，次级胆汁酸生成减少，进而通过降低孕烷X受体和维生素D受体的活性，降低血清三酰甘油水平；该研究还证实，应用抗生素后肝脏的糖原合成酶表达上调，后者通过增加糖原的合成降低血糖水平，在补充次级胆汁酸后血糖水平可恢复；另外，次级胆汁酸水平降低后，一方面可抑制肝脏糖原磷酸化酶和糖原脱支酶的表达，从而抑制细胞糖原的分解；另一方面可下调肝脏淀粉结合域蛋白1的表达，抑制溶酶体糖原分解，进一步降低血糖水平。上述研究提示，肠道细菌可通过影响胆汁酸的代谢，从而影响糖脂代谢。

3.2.2肠道菌群改变短链脂肪酸代谢 短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）是膳食纤维被肠菌发酵的主要产物，主要包括丁酸、丙酸和乙酸。SCFAs有益于维持糖脂代谢。目前研究证实，与SCFAs产生有关的肠菌有放线菌门假链状双歧杆菌（Bifidobacterium pseudocatenulatum）等。高脂喂养的DM小鼠血浆乙酸水平升高，胰岛游离脂肪酸受体2（free fatty acid receptor 2，FFAR2）和游离脂肪酸受体3（free fatty acid receptor 3，FFAR3）的表达水平亦升高，过量的乙酸与胰腺β细胞FFAR2和FFAR3结合后，抑制胰高血糖素样肽-1（glucagonlikepeptide1，GLP-1）通过G蛋白偶联介导的胰岛素分泌［34］。Zhao等［35］研究发现，与T2DM常规治疗组相比，给予富含膳食纤维饮食干预的T2DM患者肠道放线菌门假链状双歧杆菌的相对丰度显著增加，同时血浆SCFAs水平升高，GLP-1和酪酪肽分泌增加，血浆糖化血红蛋白水平降低。另外，采用假链状双歧杆菌干预高脂喂养的小鼠后，小鼠的体质量、体脂、空腹血糖及IR水平等指标均有所改善。上述研究提示，肠道菌群可能通过改变SCFAs代谢参与肥胖和DM的发病。

3.2.3肠道菌群改变支链氨基酸代谢 支链氨基酸（branched-chain amino acids，BCAAs）是人体必需氨基酸，包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸。肠道菌群拟杆菌门普氏菌和普通拟杆菌等均可产生BCAAs。BCAAs可通过刺激生长激素和胰岛素的释放参与调节糖脂代谢。Pedersen等［36］比较了75例T2DM患者和277例健康者的肠道菌群、IR及血清代谢组学数据后发现，T2DM患者肠道拟杆菌门普氏菌和普通拟杆菌的相对丰度以及血清BCAAs水平均增高，且血清BCAAs水平增高与IR的严重程度呈正相关。另外，采用普氏菌干预可增加小鼠血清BCAAs水平，并与小鼠IR及葡萄糖耐受不良的效应呈同步改变。Andersson-Hall等［37］分析了健康者、糖耐量受损及T2DM患者的代谢组学数据发现，糖耐量受损患者及T2DM患者血清BCAAs水平较健康者高，且BCAAs水平与血清三酰甘油水平及IR效应呈正相关。上述研究提示，肠道菌群改变可通过影响BCAAs的代谢促进脂代谢异常、IR和葡萄糖耐受不良的发生，这可能亦是肥胖和T2DM发病的重要机制。

3.3肠道菌群通过生物钟途径影响糖脂代谢 哺乳动物的生物钟包括中枢生物钟和外周生物钟。中枢生物钟位于下丘脑视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN），其可自主独立产生并维持周期节律，发出的信息能控制机体的行为和生理节律。外周生物钟存在于除SCN以外的多数组织，如肌肉、肝脏等，主要参与调控机体的代谢活动。生物钟基因的mRNA和蛋白表达均表现出24 h的振荡周期，此振荡周期是生物钟节律产生的前提［38］。有研究发现，哺乳动物肠道菌群拟杆菌门和硬壁菌门等多种细菌的相对丰度呈现昼夜节律变化，而饮食改变或钟基因缺失均可破坏肠菌的昼夜节律，导致肥胖发生以及胰岛素敏感性降低［39］。目前研究已证实生物钟紊乱与肥胖及DM的发生密切相关，且近期研究证实肠道菌群和生物钟异常必须同时存在，才可导致肥胖及糖代谢异常的发生。研究发现，高脂饮食导致的肥胖是通过肠道菌群改变生物钟实现的，肠道LPS穿过肠上皮屏障后激活肠固有层树突状细胞的TLR-MyD88信号通路，诱导IL-23表达后，刺激肠固有淋巴细胞产生IL-22，IL-22随后引起小肠上皮细胞生物钟负性调控的钟基因孤儿核受体Rev-Erbα的表达增加，导致肠道对脂质的吸收增加，引起高脂血症、脂肪肝、肥胖及IR等［40］。上述研究提示，肠道菌群可通过介导肠上皮细胞的生物钟改变，影响糖脂代谢，这亦可能是肥胖及T2DM等代谢综合征发生的重要机制。

综上所述，种类极多、数量庞大的肠道菌群在肠道形成了一种微生态系统，这种微生态系统与机体的多种生理活动和病理变化密切相关。肠道菌群可通过影响炎症免疫功能，改变胆汁酸、SCFAs和BCAAs代谢以及干扰生物钟节律等，降低个体糖脂代谢能力，促进肥胖及T2DM的发生，但其具体作用机制尚不明确，仍有待进一步研究验证。