从“肠道菌群-代谢物-免疫轴”探究1型糖尿病的发病机制与治疗策略

邓明群 肖新华

肠道菌群是寄生在人体肠道中微生物的总称，被称为人类的“第二个基因组”。近年来，越来越多的研究发现肠道菌群在人类健康中扮演重要角色。T1D是以胰岛功能破坏为特征的多种因素导致的自身免疫性疾病。除遗传因素外，饮食、药物、环境多种因素参与T1D的发病机制，而以上这些因素都和肠道菌群密切相关。近年来研究发现，肠道菌群可能在T1D的发病机制中具有重要作用，但具体机制不明。

一、肠道菌群的结构和功能

肠道菌群是寄生在人体肠道中微生物的总称，由超过 3500 种细菌组成， 其中95%以上可归为3个菌门: 厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门。人类肠道菌群中以厚壁菌门和拟杆菌门占绝对优势，其中厚壁菌门细菌数量最多，包括乳杆菌属、支原体、芽孢杆菌属、梭菌属等200多种菌属。成人肠道定植的细菌数量多达1014，重约1～2kg, 编码基因总量是人类编码基因数量的大约100 倍，被统称为宏基因组(metagenome)，也被称为人类的“第二个基因组”[1]。肠道菌群在人类健康中扮演重要角色，参与多种重要的生理功能，包括：参与食物的消化吸收，如纤维素的消化、膳食脂肪及脂溶性维生素的吸收等；通过发酵食物产生短链脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFAs)，如乙酸、丙酸、丁酸等；参与合成宿主所需的氨基酸；调节胆汁酸相关的代谢等[2, 3]。此外，肠道微生物还可以改变肠道的渗透性，影响肠上皮细胞间的紧密连接，维持肠上皮细胞的完整性，进而影响肠道免疫功能。

二、肠道菌群紊乱与糖代谢异常密切相关

近年来研究发现，肠道菌群与糖尿病、肥胖等多种代谢相关疾病密切相关。肠道菌群在糖尿病方面的研究最早来自中国，这一里程碑式的研究发现，2型糖尿病(type 2 diabetes, T2D)患者出现以Roseburiaintestinals和Faecalibacteriumprausnitzii等产丁酸盐细菌减少为特点的肠道菌群紊乱，而机会性致病菌(Bacteroidescaccae)、大肠杆菌(Escherichiacoli)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)以及多种梭菌目增加[4]。来自欧洲的研究发现了类似结果，提示T2D患者可能存在其特有的肠道菌群特征，T2D的发生、发展可能与肠道菌群的改变有关[5]。进一步研究显示，肠道菌群通过直接或间接参与炎性反应、产生短链脂肪酸等代谢产物影响能量代谢、调控胆汁酸合成从而影响胆汁酸与法尼酯X受体(farnesoid X receptor,FXR)和G蛋白偶联胆汁酸受体(gprotein-coupled bile acid receptor, TGR5)结合等多种途径调节糖代谢。此外，近年来研究发现，外科减重手术、二甲双胍、拜糖平、利拉鲁肽等多种T2D治疗手段可能是通过改变肠道菌群而改善糖代谢[6～8]。

越来越多的研究发现，肠道菌群与T1D也存在密切关系。BBDP大鼠(biobreeding diabetes- prone rat)是研究T1D的一种重要的自发性疾病动物模型。BBDP大鼠与人类1型糖尿病存在很多相似之处，包括基因易感性、以及环境因素对疾病的影响等。与BBDR大鼠(biobreeding diabetes-resistant rat)比较，BBDP大鼠中乳杆菌属(Lactobacillus)、Bryantella、双歧杆菌属(Bifidobacterium)和Turicibacter下降，而拟杆菌属(Bacteroides)、真杆菌(Eubacterium)和瘤胃球菌属 (Ruminococcus)增加。与动物实验结果相一致，T1D患者肠道菌群与健康对照也存在差异， 表现为厚壁菌门(Firmicutes)/拟杆菌门(Bacteroidetes)比例下降，梭状芽胞杆菌(Clostridium)、拟杆菌属(Bacteroides)和韦荣球菌属(Veillonella)增加[9]。并且，T1D患者肠道菌群的多样性和稳定性也下降。

三、肠道菌群紊乱参与自身免疫性疾病

肠道是人体内最大的免疫器官，存在着大量与宿主共生的微生物，免疫系统和肠道微生物之间相互作用、共同进化，维持机体的免疫稳态。免疫系统对肠道菌群的形成和重塑有着重要作用[10]。反之，肠道菌群对天然免疫和适应性免疫均有重要的影响[11]。当微生物和免疫系统之间的稳态遭到破坏时，自身免疫性疾病即可能发生。越来越多的研究发现，肠道菌群紊乱与多种自身免疫性疾病有关，包括炎性肠病、类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮、过敏性哮喘、T1D等[12,13]。

肠道菌群结构变化以及某些特定菌属与T1D自身抗体的出现具有相关性，提示肠道菌群可能通过影响自身免疫参与T1D的发生、发展[14,15]。研究发现，肠道菌群参与调节天然免疫稳态[16,17]。肠道菌群紊乱可以破坏肠黏膜屏障，导致脂多糖(LPS)和脂肪酸泄漏，进而激活Toll样受体4(Toll-like receptor 4, TLR4)并导致代谢相关炎症[18]。MyD88是识别微生物刺激的天然免疫受体的调节因子。研究发现，缺乏MyD88的T1D模型鼠NOD小鼠(non-obesity diabetes mouse)的肠道菌群会发生改变，并可免于发生糖尿病。并且，将这种肠道菌群移植给野生型NOD鼠可以减轻胰岛炎并延缓自身免疫性糖尿病的发生[19]。除天然免疫的参与外，在适应性免疫方面，调节性与致病性免疫之间的失衡是T1D发生的关键免疫机制[20]。一方面，研究发现，外周血Th细胞的分化受到微生物的调节，节丝状菌可以促进Th17细胞的生成和成熟，某些梭菌属促进小鼠结肠中调节性T细胞(tregulatory cells, Tregs)的生成[21,22]。另一方面，新近研究表明，肠道菌群的组成与结构是胰岛素反应性CD8+T细胞扩增和活化的重要影响因素。

四、“肠道菌群-代谢物-免疫轴”在T1D发病机制中发挥重要作用

近年来，肠道菌群调节免疫的分子机制逐渐得到探究。研究发现，许多共生菌的代谢物可以直接作用于免疫系统，短链脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)为肠道共生菌作用于未消化的碳水化合物所产生的最重要的代谢产物，对宿主免疫系统具有广泛的作用[23]。早在2003年，研究发现SCFAs可作为配体与G蛋白偶联受体 (G protein-coupled receptors, GPCRs), 游离脂肪酸受体2 (Free fatty acid 2, FFA2)和3 (FFA3)等受体结合，从细胞层面发挥生物学功能[24]。Sun等[25]发现，与健康对照比较，NOD鼠SCFAs降低，尤其是丁酸。而在T1D患者中，产丁酸盐细菌较健康人减少。因此，产丁酸菌在T1D中发挥重要作用。一方面，丁酸通过诱导黏蛋白合成在维持肠上皮细胞间的紧密连接中发挥重要作用，如肠上皮的完整性遭到破坏，可导致“肠道泄露(gut leaky)”，从而激活TLR4，参与T1D的发生、发展。另一方面，研究发现，共生菌产生的丁酸盐通过抑制组蛋白去乙酰酶(histone deacetylase, HDAC)活性，减少树突细胞前炎性因子表达，促进胸腺外Tregs细胞诱导分化。因此，产丁酸盐菌可能通过影响Tregs细胞数量和功能参与T1D的发生、发展。丙酸盐同样可以抑制HDAC，因此也可以促进Tregs的生成。除丁酸盐和丙酸盐，研究发现乙酸盐可能通过直接或间接作用促进T细胞凋亡，在减少免疫反应性T细胞中发挥着独特作用[21]。此外，研究发现，肠道菌群产生的SCFAs可以调控β细胞产生导管素相关的抗菌肽(cathelicidin related antimicrobial peptide, CRAMP)。CRAPM在T1D的发生中发挥重要作用，NOD鼠中CRAMP存在缺陷，而给予糖尿病前期小鼠CRAMP则可以促进胰岛上Tregs细胞产生而减少T1D的发生[25]。综上所述，肠道菌群通过其代谢物与免疫系统相互作用影响T1D的发生、发展，即“肠道菌群-代谢物-免疫轴”参与T1D的发病机制。

五、“肠道菌群-代谢物-免疫轴”对T1D防治策略的启示

从“肠道菌群-代谢物-免疫轴”探究T1D发病机制，将对T1D的防治提供新的思路。目前尚有正在进行的探究LactobacillusrhamnosusGG和BifidobacteriumlactisBb12对新诊断T1D儿童胰岛功能保护作用的临床试验(NCT03032354)，结果尚待公布。肠道菌群受饮食影响明显，研究发现，给予产乙酸和丁酸菌群的饮食可以保护NOD鼠免于发生T1D。二甲双胍是最普通的治疗糖尿病的一线药物，但其降糖机制至今尚未完全阐明。近年来研究发现，二甲双胍改变T2D患者肠道菌群结构可能是其发挥降糖作用的重要机制。Forslund等[26]研究发现，T2D患者二甲双胍治疗后的肠道菌群发生变化，表现为产乳酸菌群的活跃现象消失，而产丁酸和丙酸盐菌群的丰度提高。如前述，产丁酸菌减少也是T1D患者肠道菌群的重要特征，二甲双胍在T1D患者中使用将如何影响菌群，对病情进展及血糖控制有何作用将是未来值得研究的方向。

六、展 望

肠道菌群是人体最重要的免疫器官，是人类“第二个基因组”。近年来肠道菌群受到科学界的广泛关注，越来越多的研究发现肠道菌群参与多种疾病的发生。目前研究表明T1D患者存在肠道菌群紊乱，并且肠道菌群失调通过调节免疫系统参与T1D的发病过程。其中，代谢物作为重要媒介参与肠道菌群调节免疫的分子机制，即“肠道菌群-代谢物-免疫轴”在T1D发病机制中发挥重要作用。长期以来，胰岛素都是大多数T1D患者治疗的唯一选择，但从“肠道菌群-代谢物-免疫轴”角度，笔者获得了对T1D防治策略的重要启示，益生菌、口服降糖药均可能通过“肠道菌群-代谢物-免疫轴”影响T1D的发生、发展，从而发挥控制血糖并减少并发症的作用，因此，从菌群代谢物角度探究T1D的新型防治策略是未来的重要议题。