肠道菌群诱导的炎症反应与胰岛素抵抗的相关性

欧雯欣，吕英

1.首都医科大学基础医学院长学制儿科班, 北京 100069；2.金华市中心医院，浙江 金华 321000

人类和所有与其接触的外界微观环境共生；它存在着十倍于体细胞或生殖细胞的微生物(微生物群)，代表了多于体细胞100～150倍的基因多样性。这些细菌主要生活在肠道[1]，它们的分布因地区而异，并且受到PH、氧气和营养供应的影响[2]。胰岛素抵抗(Insulin resistance，IR)作为糖尿病患者最常见的生理改变之一，是指单位浓度的胰岛素其细胞效应减弱 ,即组织对胰岛素的敏感性下降[3]。其实质为胰岛素介导的细胞糖代谢能力的减低，但又不仅限于糖代谢范围[4]。

2004年，Fredrik Bäckhed等人通过对肠道无菌(Germ-free，GF)小鼠和常规小鼠(Conventional mice，CONV-R)的喂养试验检测到后者体脂比的明显增加，并观察到胰岛素抵抗现象，首次揭示了肠道菌群与胰岛素抵抗的相关性[5]。随后，Cani、Vijay-Kumar jiang 、Vrieze 、Emmanuelle Le Chatelier 等人的研究更加证实肠道菌群紊乱是产生胰岛素抵抗中的重要机制之一[6-9]。为此，科学家们探索发现肠道菌群可能参与导致胰岛素抵抗的四种机制，包括能量代谢障碍、炎症反应、肠道屏障功能破坏、免疫系统功能紊乱[10]。本文通过叙述肠道菌群紊乱的炎症机制对胰岛素抵抗发生发展的影响，为治疗胰岛素抵抗提供方向。

1 肠道菌群简述

肠道菌群是胃肠道内微生物(细菌和微生物)的总称(Gastrointestinal tract，GIT)[11]。对健康小鼠和人类肠道粪便的宏基因组分析显示，肠道菌群主要有两大类：拟杆菌和厚壁菌，且大多数研究显示厚壁菌占优势[12,13]。然而，也有研究表明，在自然或是人工诱导的肥胖小鼠和人类中拟杆菌的比例大大增加[14]。这至少说明，基因和环境因素对肠道菌群的成分有很大的影响。

2 炎症引起胰岛素抵抗概述

肥胖现在遍布全世界。与肥胖相关的慢性低度炎症导致胰岛素敏感性降低，这使得肥胖成为胰岛素抵抗和相关疾病(例如2型糖尿病和代谢综合征)的主要风险因素[15]。IR包括多种疾病，如胰岛素受体信号转导和线粒体功能缺陷[16,17]，微血管功能障碍[18,19]以及炎症[20-22]。可见，炎症是肥胖导致胰岛素抵抗的中间因素。脂肪组织的增大和免疫细胞的浸润(主要是巨噬细胞)有助于促炎性细胞因子肿瘤坏死因子(Tumor necrosis factor-alpha, TNF-α)、白细胞介素-1β(Interleukin-1beta, IL-1β)、白细胞介素-6(Interleukin-6, IL-6)等的水平，后者通过活化IKKβ/NF-κB、JNK等炎症信号通路，使得炎症细胞因子大量释放，随血液循环到达胰岛素作用的靶组织[20]，导致血清中因子谱改变，即胰岛素增敏因子水平明显降低，胰岛素失敏因子水平明显升高[23]，进而抑制胰岛素信号通路相关蛋白活性，诱导靶组织胰岛素抵抗。

3 肠道菌群诱发炎症反应导致胰岛素抵抗

已知肠道微生物群能改善饮食中的能量提取，调节脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)的血浆水平，这可能开始慢性低度炎症，导致肥胖和2型糖尿病(Type 2 diabetes mellitus, T2DM)，并调节一些宿主基因、蛋白质库存和能源支出[24,25]。肠道上皮细胞间紧密连接蛋白含量减少，引起肠道屏障功能减弱，渗透性增加，肠道菌群代谢产物渗出及肠道菌群异位，刺激靶器官产生炎症反应，进而导致胰岛素抵抗[26]。同时，表观遗传学和炎性小体的作用也不容忽视。以下从三方面来主要说明肠道菌群诱发炎症反应的机制。

3.1 脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS) 根据革兰氏染色，在肠道菌群中两种最普遍门在临床分类中属于不同的组，即厚壁菌门是革兰氏阳性的，而拟杆菌门是革兰氏阴性菌。革兰氏阴性菌含有脂多糖[27]，Toll样受体4(Toll-like receptors 4, TLR4)的强激活剂和Toll样受体组的受体，一种在大多数细胞和巨噬细胞中表达并识别病原体相关的分子模式(Pathogen-related molecular patterns,PAMP)。 LPS与TLR4的结合激活了广泛的细胞信号传导途径，诱导慢性亚临床炎症过程和细胞因子表达及分泌[28]。

3.1.1 LPS异位 数据显示[29]，肥胖啮齿类动物和人类的循环LPS水平高。这与肥胖微生物群中厚壁菌门百分比增加不符。已经表明LPS的这种增加与肠道紧密连接功能破坏，通透性增加直接相关。LPS异位可能是肥胖的人类和小鼠炎症及胰岛素抗性发展的早期因素[29,30]。

3.1.2 LPS与FetA相互作用 肥胖状态下，脂肪组织介导的脂解作用增强和脂质异常沉积，使循环血液中的游离脂肪酸(Nonesterif i ed fatty acid, FFA)水平明显增加。有研究表明，来自于肠道菌群的LPS也能与游离脂肪酸(大部分为饱和脂肪酸)相互作用，引起炎症反应[31]。游离脂肪酸并不能直接活化 TLR4，而是通过肝蛋白胎球蛋白-A (Fetoglobulin-A, FetA)。循环中FFA的主要载体是FetA[32]。FetA 作为TLR4的内生性配体，能活化其信号通路，促进胰岛素抵抗，FetA 缺乏时，TLR4 信号通路被阻断，由 FFA 诱导的胰岛素抵抗现象得到改善。另外，已经证明，在肥胖个体和啮齿动物中，FetA的循环水平增加并且与体重相关[33]。

3.2 表观遗传学评估了三组受试者的肠道微生物群和TLR2和TLR4的表观遗传DNA甲基化的变化发现[34]：细胞壁成分涉及炎症反应的表观遗传调节；T2DM患者中TLR2启动子区域中7种CpG的甲基化显著降低。细菌成分对受损肠道膜的渗透增加会诱发这种炎症与炎症分子如Toll样受体(TLR)的表观遗传改变。虽然研究已经表明，肠道菌群调节宿主细胞中DNA和组蛋白甲基化依赖性途径[35]，但最新研究表明，组蛋白乙酰化和HDACs是哺乳动物细胞和肠道菌群之间最重要的环节。研究表明，肠上皮细胞特异的HDAC3表达丧失的小鼠基因表达的广泛改变，组蛋白乙酰化改变，帕内特细胞受损，使肠屏障功能降低。同时，肠道菌群组成显著改变，炎症易感性增加；但无菌对照组小鼠稳态恢复[36]。

虽然破译表观基因组调控对肠道菌群诱导的炎症反应仍处于起步阶段，但这些研究引发了几个关于评估表观基因组中肠道菌群的潜在相关性的问题，对探索其与胰岛素抵抗的相关性有重大意义。

3.3 炎性小体炎性小体是一种存在于细胞内的蛋白质多聚物，在先天免疫中起重要作用[37]。炎性小体通常存在于骨髓细胞，包括NRLPs，NALPs，ASC，Pycard和caspase1。炎性小体的主要功能是诱导IL-1β和IL-18的成熟，从而产生上述细胞因子应对危险信号。炎性小体激活有两条通路：一条是通过TLRs激活NFκB信号通路，促进pro-IL-1β和pro-IL-18的基因转录；另一条是通过DAMPs或PAMPs激活炎性小体，招募caspase-1切割pro-IL-1β和IL-18前体[38]。体外研究表明，只有当用LPS刺激细胞时，FFA或神经酰胺才能激活BMDM中的炎性小体[39,40]。此外，多项研究结果表明炎性小体成分，包括NLRP3、Pycard、caspase-1或是ASC的缺失均可改善肥胖诱导的胰岛素抵抗，并且抑制炎症反应[39-41]。但这几项研究在炎性成分缺失对体重和肥胖的影响方面的细节不同，因此目前尚不完全清楚肥胖症中炎性小体通路是否直接调节肥胖引起的炎症反应和胰岛素抵抗，或是它可通过其他一些未知的简介机制改变体重和肥胖状况。与野生型同窝小鼠相比，缺乏炎性小体的小鼠显示出明显的肠道菌群的改变，即拟杆菌门比例增加。同时释放到血液循环中的肠道菌群产物(尤其是TLR4和TLR9)增加，诱导了炎症反应和胰岛素抵抗[42]。

4 结语

肠道菌群诱导的炎症反应参与胰岛素抵抗的产生。在这篇综述中，我们探讨了炎症反应产生的三种因素；LPS异位，表观遗传学改变以及炎性小体的作用。目前肠道菌群对胰岛素抵抗产生的作用还在研究中，还有许多鲜为人知的因素参与肠道菌群诱导的炎症反应以及其导致的胰岛素抵抗。相信在不久的将来，对该领域更加深入的研究会为胰岛素抵抗及其合并症找到更详细的影响因素，探索出新的治疗途径。