益生菌和小檗碱对肠道菌群失调诱导糖尿病预防的研究

栾艳平，苏 峰，倪 军，张 静，何嘉骐，乔泽渊

糖尿病是一组由于缺乏足够的胰岛素作用而以慢性高血糖为主要特征的疾病。目前，全球糖尿病患者的数量已超过4.22 亿，预计到2035 年将达到5.92 亿[1]。环境条件的变化，如饮食、卫生、抗生素的使用和其他医疗习惯，与糖尿病发病率的增长密切相关。研究表明，肠道菌群与糖尿病的发生、发展有一定相关性[2]。许多药物以不同的方式发挥作用使血糖水平恢复正常，这些药物可以增加胰岛素的产生和利用，减少糖的产生和吸收，阻碍葡萄糖吸收和增加尿中葡萄糖的排泄。益生菌、小檗碱的应用已逐渐成为预防和治疗糖尿病的常用药物。

1 肠道菌群概述

人体的消化道内存在着数量大、种类多的微生物，统称肠道菌群, 它和肠道屏障一起参与免疫、感觉、神经和肠内分泌系统[3]。基于16S rRNA 基因测序，目前已报道52 种公认的细菌门，约5 种已知存在于哺乳动物胃肠道体内，其中厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、变形菌门占细菌总数的97%以上[4]。不同细菌门之间的最佳相互作用形成了一个完整而平衡的细菌生态系统。研究发现，与健康人相比，患2 型糖尿病时，增高的血糖引起肠道内厚壁菌门明显减少，β 变形菌明显增多，而拟杆菌/厚壁菌门的比值与增高的血糖呈正比[5]。还有研究发现，患2 型糖尿病时，肠道内有益菌如双歧杆菌、乳酸杆菌的数量显著低于健康人，而肠道内肠球菌、肠杆菌数目高于健康人，且存在明显的肠道细菌功能紊乱[6]。

2 肠道菌群与糖尿病的关系

2.1 调节炎症反应 糖尿病是一种以低水平的慢性炎症为特征的代谢性疾病。脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）是G-菌细胞壁外膜的主要成分，又称内毒素。饮食诱导的肠道菌群紊乱，使LPS 结合蛋白（LBP）转移到血清中，LPS 与先天免疫细胞表面的CD14 和Toll 样受体4 复合物（TLR4）结合，导致激活多种炎症信号通路，使肿瘤坏死因子-α（tumour necrosis factor-α，TNF-α）过度表达，促进全身慢性炎症反应，其中促炎因子以白介素-1（interleukin-1，IL-1）、白介素-6（interleukin-6，IL-6）、TNF-α 的表达增加为主，然而这些促炎细胞因子干扰胰岛素信号传导通路[7]。例如，TNF-α 可以诱导胰岛素抵抗增加，使胰岛素受体底物（insulin receptor substrate，IRS）-1 上丝氨酸残基失活的磷酸化，以及胰岛素受体（insulin receptor，IRc）和IRS-1 表达，引起血糖升高[8]。

2.2 调节短链脂肪酸代谢 肠道微生物群落通过膳食纤维发酵促进人体代谢，肠道碳水化合物发酵的结果是产生短链脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）。SCFAs 对激素分泌的影响主要通过激活Gq 偶联受体FFA2 的数量增加，尤其是对胰高血糖素样肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）、酪酪肽（peptide YY，PYY）细胞的表达，而PYY 和GLP-1 在肥胖和糖尿病的发病过程中, 调节食物摄入和促进胰岛素分泌，从而发挥降低血糖的功能[9]。Canfora 等[10]报道提出，日常饮食中补充SCFAs 可以降低血糖和改善胰岛素敏感性。

2.3 调节胆汁酸代谢 胆汁酸（bile acids，BAs）是胆固醇分解代谢的最终产物。BAs 通过激活法尼酯衍生物X 受体（farnesoid X receptor，FXR）和胆汁酸G 蛋白偶联受体（GPCR1，TGR-5）信号通路，参与糖及脂类的代谢。BAs 激活FXR 在肠道的刺激成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF）15/19 的合成参与脂质和碳水化合物的代谢，维持体内血脂、血糖和BAs 平衡[11]。

3 益生菌对肠道菌群失调诱导糖尿病的作用研究

益生菌是一类对机体有益的活性微生物，定植于肠道、生殖系统内，能产生健康功效从而改善机体微生态平衡、发挥有益作用的活性有益微生物的总称[12]。益生菌通过改善肠道黏膜完整性，减少细菌入侵引起的全身炎症，抑制LPS 的作用增加，降低内质网应激，改善外周血胰岛素敏感性；通过改善糖耐量受损、调节脂质代谢、改善抗氧化状态、调节肠道菌群等作用发挥抗糖尿病作用和SCFA 组成[13]。现在研究比较益生菌和益生菌产品对空腹血糖的影响水平，以糖化血红蛋白、空腹胰岛素水平、胰岛素抵抗、胰岛素敏感性，确定最佳干预周期改善糖尿病前期患者的血糖控制[14]。在“益生菌-肠道微生物-SCFAs-炎症/GLP-1”轴上，益生菌的表达不仅与胃肠道细菌相互作用，也可能受到肠道细菌的基因型影响宿主生物体。

益生菌可以激活不同的代谢途径。益生菌的摄取量可增加肠道内有益菌（如双歧杆菌）的数量，刺激上皮细胞防御大肠杆菌的感染，减轻全身炎症[15]。Amar等[16]实验显示，正常小鼠经过高脂饲料诱导的糖尿病初期，肠腔内黏附的G- 菌数目较前明显增多，经过肠腔黏膜定植的树突细胞一系列的吞噬作用，迁徙进入血液中，释放炎性因子诱导低水平的炎性反应；经过双歧杆菌制剂6 周的干预治疗，肠道内大肠杆菌的数量明显较前减少，降低细菌在肠黏膜附着和易位的机会，形成有益的肠道微生态环境，降低高脂饮食诱导的低水平炎性反应状态，减少LPS 进入血液，进而减少了促炎因子的释放，改善宿主的葡萄糖耐受性，提高小鼠的胰岛素敏感性。Chen 等[17]研究显示正常小鼠经过高脂联合链脲佐菌素诱导形成糖尿病小鼠后，血清中TNF-α和IL- 8 水平增加，然而经过喂食乳杆菌一段时间，发现转录因子NF-κB 向细胞核转移减少，蛋白激酶B 的降解减少，由LPS 导致TLR4 的激活降低，抑制炎性因子TNF-α、IL-6、IL-8 增加，同时诱导IL-4、IL-10 的水平增加，起到改善胰岛素抵抗的作用。

肠道内SCFAs 是研究益生菌对肠道微生物结构和代谢影响的指标。乳酸菌可通过糖酵解途径产生丙酮酸等碳水化合物终产物发酵产生SCFAs。双歧杆菌在限制碳水化合物合成的过程中主要利用发酵途径产生乙酸和甲酸盐，在碳水化合物过多时产生乙酸和乳酸盐。在分析不同微生物群组成下SCFAs 浓度时，强调了乳酸菌和双歧杆菌产生SCFAs 的能力[18]。研究人员用3 种益生菌混合物喂养正常小鼠，一段时间后发现粪便中SCFAs 水平较前增多，而乳糖水平较前减少，说明益生菌引起肠道内产SCFAs 的细菌增多[19]。近期的临床试验也证实了加丝乳杆菌治疗有改善葡萄糖稳态、降低腹部脂肪和体重的疗效[20]。据报告成年女性在服用乳酸杆菌bb12 后，大约95%～99%的SCFAs 被结肠重新吸收，或由肠道微生物群进一步代谢，因此粪便排泄的变化表明肠道产物存在较大差异[21]。

双歧杆菌补充物选择性的增加已被证明可以改善肠内分泌L 细胞的增殖，提高GLP-1、GLP-2 水平，从而加快能量的代谢，起到保护胰岛β 细胞的功能和预防2 型糖尿病的作用[22]。Balakumar 等[23]研究证明，益生菌和/或益生菌与抗糖尿病药物（如二甲双胍和西格列汀）联合使用已被证明可以通过肠促胰岛素调节改善小鼠的血糖和胰岛素敏感性。Simon 等[24]报道，2型糖尿病患者经特定的乳酸菌菌株治疗后，胰岛素可以通过增加肠促胰岛素的释放适当分泌，这意味着口服一种特定的菌株可能作为一种新的治疗方法，以改善葡萄糖依赖的胰岛素释放。

益生元、益生菌影响BAs 代谢。在肠道菌群和葡萄糖稳态之间，乳酸菌和双歧杆菌可将初级BAs 转化为可活化的次级BAs，刺激肠道L 细胞分泌GLP-1[25]。Pedersen 等[26]研究表明，乳酸菌和双歧杆菌具有减少食欲、降低食物摄入量、促进体重减轻和内脏脂肪减少的有益作用。Ishimwe 等[27]指出，给小鼠同时喂食胆固醇含量高的食物和不同剂量（108 或109 CFU/ml）的干酪乳杆菌F0822，3 周后发现血清胆固醇和TC 的浓度比未给予干酪乳杆菌F0822 低。临床发现，与正常人比较，肥胖者服用嗜酸乳杆菌和加色乳酸菌后，脂肪量、血糖值和胰岛素抵抗均明显下降[28]。

4 小檗碱对肠道菌群失调诱导糖尿病的作用研究

小檗碱（berberine，BBR），又称黄连素、小蘖碱、小檗硷，是一种具有广泛药理作用的天然异喹啉生物碱，可从黄连、黄柏等中药材中提取，具有抗菌、抗肿瘤、降血脂、降血糖、降低血小板聚集、抗心律失常、保护缺血心肌、降血压及免疫调节等作用[29]。小檗碱具有显著的抑菌作用，既往以广谱抗菌药物应用于临床，对G+、G-菌均有抑制作用，低浓度的小檗碱可以起到抑菌作用，而高浓度的小檗碱产生杀灭细菌的作用[30]。最近小檗碱已被证明可以调节肠道微生物群，反映肠道菌群的变化。Cui 等[31]实验显示，不同浓度的小檗碱在肠道中对乳杆菌、双歧杆菌、肠杆菌和肠球菌的影响有较大差异。小檗碱对益生菌如双歧杆菌和乳杆菌具有明显的促进作用，对病原菌如肠球菌和肠杆菌具有明显的抑制作用。

小檗碱的口服生物利用度较差，血药浓度低，小檗碱被认为是P-糖蛋白的底物（P-glycoprotein，P-gp），P-gp 对小檗碱的吸收有重要作用[32]。许多学者认为，小檗碱的降糖作用并不是经口服进胃吸收之后产生的，而是在肠道内发挥作用[33]。小檗碱降低血糖机制:增加胰岛素敏感性，增加胰岛素分泌，减轻体重和血脂水平，降低糖耐量和胰岛素抵抗；促进磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/Akt 的活化刺激糖酵解，抑制肝脏糖异生；通过激活腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）通路，升高GLP-1 水平，逆转线粒体功能障碍，减少内皮微粒介导的氧化应激，抑制炎症[34]。

小檗碱对炎症因子起到抑制作用。研究发现，小檗碱能降低高脂喂养大鼠血清IL-1 的mRNA 水平，使LBP 和单核细胞趋化蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1）下降，改善系统性炎性反应[35]。动物研究发现，小檗碱具有明显的抗炎作用，可降低胰岛素抵抗大鼠模型血清IL-6、IL-17、TNF-α 水平和丝氨酸磷酸化显著下降，上调抗炎症因子如IL-10 的表达，增加胰岛素敏感性[36]。

小檗碱可以通过肠道使SCFAs 的产生增多。Wang等[37]实验显示，当给予ob/ob 小鼠口服小檗碱100 mg/（kg·d）、10 d，对粪便标本应用rRNA 基因16S V3 和V4区域的条码焦磷酸检测细菌组成，发现小鼠肠道内拟杆菌数量明显增多，产丙酸盐、丁酸盐的量增加。小檗碱已被证明具有抗肥胖作用，并通过调节肠道微生物来预防高脂饮食肥胖大鼠的胰岛素抵抗[38]。

不同剂量的小檗碱增加了初级BAs，而降低了次级BAs。FXR 与小檗碱浓度升高呈正相关，而次级BAs和细菌，包括嗜酸乳杆菌、鼠李乳杆菌和乳酸乳球菌呈阴性与小檗碱浓度升高相关。Zhang 等[39]指出，在正常小鼠的饮食中增加一定量的小檗碱连续10 d，发现初级BAs 增加，次级BAs 减少；此外，高剂量的小檗碱使小鼠回肠末端拟杆菌增加。

在一项病例对照研究中，将200 例2 型糖尿病患者随机分为二甲双胍组和小檗碱组，服用二甲双胍500 mg 3 次/d，小檗碱500 mg 3 次/d，持续治疗3 个月，与二甲双胍进行比较，用小檗碱治疗的糖尿病患者在小檗碱治疗3 个月后，空腹及随机血糖、糖化血红蛋白1、血清肌酐、血清胆固醇、血清甘油三酯、血清低密度脂蛋白胆固醇、高密度脂蛋白胆固醇、空腹胰岛素水平均有统计学意义 （P＜ 0.05）[40]。

5 结 语

肠道菌群影响机体代谢、能量吸收、肠壁通透性及肠道的内分泌功能，菌群失调会导致胰岛β 细胞被自身免疫系统破坏，出现1 型糖尿病；会增加炎症细胞因子的表达，导致胰岛素抵抗和2 型糖尿病。特定的益生菌（如双歧杆菌、乳杆菌）、小檗碱可以通过改善肠道菌群固有结构及其代谢影响整个肠道的微生态，进而调节宿主的代谢、免疫功能等。因此，全面了解糖尿病整个过程中肠道菌群的变化规律，从而通过应用益生菌、小檗碱调节糖尿病患者肠道菌群的结构，有望成为预防和控制糖尿病的新途径，将为糖尿病的治疗提供新方法。