高脂饮食下肠道菌群导致肥胖的机制及其干预的研究进展

熊家瑶，李志勇

(重庆医科大学附属永川医院内分泌科，重庆 402160)

肥胖的发生率逐年上升，据统计，2015年全球成人的肥胖率为12%，预计到2025年，全球肥胖流行率男性为18%，女性为21%[1-2]。肥胖与2型糖尿病、心血管疾病和各种癌症等疾病的发病率密切相关，会造成重大的经济损失和社会负担。多种理论及研究对全球肥胖流行进行了解释和探索，最终将其原因归结于高脂肪和高能量密集饮食的供应和消耗[3]。

肠道微生物群为人类健康做出了贡献，但在特定条件下，微生物群失调可造成疾病[4-5]。在人体肠道中存在约为人体细胞数量10倍的微生物，90%为厚壁菌门和拟杆菌门[6]。Ley等[7]研究表明，在相同富含多糖饮食的条件下，遗传性胖鼠、瘦鼠和野生型小鼠的肠道细菌组成存在差异，且观察发现，胖鼠拟杆菌门相对丰度降低、厚壁菌门增加。Turnbaugh等[8]将瘦鼠和胖鼠的肠道微生物移植至无菌小鼠体内发现，在无菌小鼠体脂增加方面，胖鼠肠道菌群的作用明显大于瘦鼠，说明肠菌的变化与肥胖及相关共患病存在联系，且在治疗代谢性疾病中有潜在的应用价值[1]。现就高脂饮食下肠道微生物的组成和功能变化及其导致肥胖的可能机制、通过改变肠道微生物群来治疗肥胖的策略予以综述。

1 肠道菌群组成与高脂肪饮食诱发肥胖的关系

1.1高脂肪饮食改变肠道微生物群的丰度 高脂饮食可通过改变胃肠道中定植菌群的组成和功能造成肥胖，然而肠道菌群导致肥胖的确切途径未知。饲喂高脂饮食的雄性小鼠肠道细菌的厚壁菌门相对丰度增加，高脂喂养雌性小鼠体内厚壁细菌丰度的增加速度低于雄性小鼠，雌性小鼠和雄性小鼠之间肠道菌群的差异可能与肥胖饮食中与性别相关的体重增加呈负相关[9]。研究也指出，高脂饮食可影响肠道菌群的相对丰度，如益生菌双歧杆菌和阿克曼氏菌在高脂喂养后丰度均减少[10]。

1.2长期饮食习惯可决定肠道菌群的结构 22个新测序的粪便宏基因组研究确定了3个肠内型集群(B型、P型、R型)，证实了长期饮食习惯是影响肠道菌群结构的决定性因素，且肠道菌群的变异通常是分层变异而不是连续变异，进一步表明均衡宿主-菌共生状态种类有限，且肠道菌群可能对饮食和药物摄入的反应不同[11]。一项对98个个体粪便样品的分析发现，粪便菌群主要由拟杆菌和普氏菌水平区分为两种肠型：①B型肠内型集群(拟杆菌属)，与动物脂肪和蛋白质长期摄入相关；②P型肠内型集群(普雷沃氏菌属)，与糖类长期摄入相关[12]。

1.3肠道菌群与代谢疾病有关 肠道菌群最早发现于肥胖代谢疾病的研究过程中。一项研究在小鼠进食量无差异的前提下，分别观察高脂喂养及低脂喂养的无菌、有菌小鼠的体重变化，结果发现，高脂喂养小鼠中无菌小鼠的体重增加显著低于有菌小鼠，说明无菌小鼠缺乏肠道菌群，可以抵抗高脂饮食引起的肥胖，宿主能量代谢受肠道菌群的影响[13]。另有研究显示，疣微菌门黏液素降解菌(akkermansia muciniphila，Akk)可能有益于改善体脂、空腹血糖、空腹胰岛素、胰岛素抵抗、瘦素水平、炎症反应和肠道通透性，这说明肠道菌群可能与代谢疾病有关[9]。

2 肠道菌群导致饮食肥胖的机制

2.1能量摄取与吸收 短链脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)是纤维素通过体内肠道菌群发酵产生的非酯化脂肪酸，其中，乙酸、丙酸和丁酸占比较大，占总量的95%。肠道菌群产生后，SCFAs首先被肠上皮细胞使用，丁酸可调节肠上皮细胞的细胞周期中各个环节，通过促进肠道分泌抗菌肽改善肠保护屏障，也是肠上皮能量来源的一部分；同时，SCFAs还可通过血液进入肝脏、肌肉调节全身能量代谢，且肥胖个体厚壁细菌增加(大部分厚壁菌为产丁酸菌)，可使宿主从饮食中摄取能量的能力增加[14]。Turnbaugh等[8]研究显示，相同食物喂养下肥胖小鼠粪便中剩余能量更少，即吸收的能量更多。

2.2肠道内分泌系统调节 Akk菌被称为“减肥细菌”，属于肠道细菌，占肠道菌群的3%～5%，Akk菌可以改变机体某些部位处理脂肪的模式、调节肠道内黏液厚度、维持肠道屏障完整性、减少糖类吸收从而达到减肥的目的，如Akk菌可促进某些肠肽释放(如胰高血糖素样肽从L细胞的释放)从而降低血糖、改善糖尿病及肥胖[15]。另一项研究在非酯化脂肪酸受体2敲除小鼠的结肠内注入300 μL的0.9%氯化钠溶液或180 mmol/L的丙酸，结果显示与输注0.9%氯化钠溶液相比，输注丙酸使门静脉厌食性肠激素肽YY和胰高血糖素样肽1(glucagon-like peptide 1，GLP-1)在血浆中的浓度分别升高1.3倍和1.6倍[16]。

2.3肠道通透性与全身及脑部炎症 研究显示，2-花生四烯醇能降低代谢内毒素血症和全身炎症，而2-棕榈酸甘油则能增强2-花生四烯醇的抗炎作用[16]。相反，Akk菌可通过增加2-花生四烯醇、2-棕榈酸甘油改善肥胖饮食诱导的结肠黏膜屏障功能障碍。Bruce-Keller等[17]在正常饮食条件下对成年雄性小鼠进行细菌耗竭、移植实验，然后重新植入高脂肪饮食或对照饮食喂养小鼠来源的肠道菌群，经过全面的行为和生化分析后发现来自高脂肪饮食的肠道细菌增加了小鼠肠道通透性和全身炎症。而Braniste等[18]发现，暴露于无病原体肠道菌群的无菌成年小鼠的紧密连接蛋白Occludin和claudin-5的表达增加，血脑屏障通透性降低，说明肠道菌群与脑部炎症相关。

2.4肠道菌群和神经系统的基因表达 肠道菌群可以通过体液、细胞和神经通路诱发全身性炎症和中枢性炎症，神经胶质细胞中的小胶质细胞是大脑中的免疫细胞，快速感知神经障碍并在损伤中被激活，活化的小胶质细胞在数量和形态上有明显的变化并迁移到损伤部位以执行多种功能，如对坏死细胞的吞噬作用、增加促炎细胞因子的产生等。小胶质细胞部分表面分子在成熟过程中受到强烈的发育调控，并且呈下降趋势，在无菌条件下，这些表面分子及平均荧光强度均增加，而小胶质细胞活化分子未受到调节，说明无菌小鼠小胶质细胞具有不成熟的表型，且肠道菌群在小胶质细胞的成熟和形成稳定状态非常重要[19]。未成熟或畸形小胶质细胞表现为树突长度大，段数、分支点和终端点多，细胞的体积增加。为了进一步证实肠道菌群有助于小胶质细胞成熟，Erny等[19]将小鼠分为3组：无菌组、特定菌群组(接种仅含3种特定肠道菌群的无菌小鼠)、无特定病原体组(接种复合肠道菌群的无菌小鼠)，研究发现特定菌群组小鼠小胶质细胞完全成熟，当该组小鼠与无特定病原体组小鼠合笼6 周后小胶质细胞表现更为成熟，说明有限的宿主肠道菌群不足以诱导小胶质细胞成熟，移植复合菌群可部分恢复小胶质细胞的功能。此外，用SCFAs处理的无菌小鼠中小胶质细胞的成熟程度接近特定菌群小鼠，非酯化脂肪酸受体2敲除后无特定病原体小鼠中的小胶质细胞数量与野生型小鼠相似，但小胶质细胞显示未成熟类型，提示SCFAs通过G蛋白偶联受体-43将无菌小鼠的非成熟表型神经胶质细胞转变为成熟表型[20]。

迷走神经传入神经元远端位于肠黏膜中，它将信息传递到大脑，在脂多糖的影响下调节食物摄入。一项研究通过外科手术植入渗透泵，将恒定的、低剂量的脂多糖注入大鼠腹腔内12.5 μg/(kg·h)共6周，结果表明脂多糖可以减少瘦素诱导的信号转导及转录激活因子3基因磷酸化并减少迷走神经传入瘦素信号转导，尽管下丘脑瘦素信号转导不变，但这些发现提供了一种可能的机制，通过这种机制，肠道菌群的变化可以促进食欲，最终可导致肥胖[21]。由此可解释患有肥胖和2型糖尿病的患者会经常出现自主神经功能紊乱和迷走神经活动减少的症状。

肥胖相关的菌群可抑制下丘脑饱食感因子阿黑皮素原的表达，促进下丘脑饥饿感因子刺豚鼠基因相关蛋白和神经肽Y因子的表达[10]。人结直肠胰癌细胞H716衍生自低分化的盲肠腺癌，属于人GLP-1分泌细胞系，能够在脂肪酸、糖蛋白、胆碱能激动剂、蛋白激酶A和蛋白激酶C及激活剂的刺激下分泌GLP-1。Yadav等[22]研究证实，使用丁酸培养 NCI-H716细胞检测到活性GLP-1水平和基因表达水平明显升高。

根据上述研究结论得知，肠道菌群可通过上述机制增加宿主吸收能量的能力、影响高脂饮食下人和动物的能量代谢平衡，但是确切途径尚不清楚。肠道菌群的代谢产物丙酸可通过非酯化脂肪酸受体2刺激小鼠GLP-1和门静脉厌食性肠激素肽YY的分泌调节内分泌系统，并且肠道菌群通过其代谢物增加肠道通透性、脑部及全身性炎症，通过多种途径引发中枢炎症，引起中枢小胶质细胞形态、功能改变以及代谢相关基因表达异常，也可减弱迷走神经信号增加炎症和代谢并发症，最终导致摄食及能量代谢改变。

3 靶向肠道菌群治疗肥胖

随着对肠道菌群的深入了解，人们开始探讨靶向肠道菌群治疗肥胖的方法，目前存在5种治疗方法：益生菌、益生元和其他膳食成分、药物、手术和粪便移植[4]。

3.1益生菌 在一项纳入14项超重人群使用乳酸菌治疗的随机对照试验中，通过观察体重、体质指数、腹围和脂肪量等指标的变化发现，9项研究提示体重或体脂出现减少，2项研究发现体重增加，进一步说明超重人群中乳酸菌对体重和体脂的影响可能存在应变差异[23]。一项研究通过分离肠系膜神经束，记录传入神经纤维束多单元细胞外轨迹，发现与对照组相比，益生菌鼠李糖乳杆菌组肠系膜传入神经纤维束基础放电频率瞬时增加，提示其可能避免肥胖发生[24]。益生菌合剂(VSL#3)含有8种高浓度活细菌(含有1种嗜热链球菌，3种双歧杆菌菌株和4种乳酸菌菌株)，不含肠球菌，并且已通过临床研究证实其有效性和安全性[25]。益生菌合剂(VSL#3)可改变小鼠饲养调节基因的表达水平，并提高丁酸和GLP-1的水平。

3.2益生元及其他膳食成分 多种益生菌菌株可降低非酒精性脂肪性肝病患者的体质指数、促进GLP-1分泌、改善肝脏脂肪变性[25]。脂多糖亦可称为内毒素，是细菌壁成分，入血可引发炎症进而造成胰岛素抵抗和肥胖等代谢紊乱。一项对30例肥胖女性的研究随机给予菊粉型果聚糖或安慰剂口服治疗3个月后发现，服用益生元的肥胖患者中双歧杆菌和乳酸杆菌的丰度相应增加，脂肪产生显著减少，血液脂多糖水平显著降低[26]。

3.3药物 利拉鲁肽能抑制肝脏生成葡萄糖，减少脂肪沉积于肝脏和脂肪组织，并促进骨骼肌进行脂肪酸β氧化，对肠道微生物区系的丰度和多样性有显著影响，减少了肥胖相关肠菌表型，增加了瘦型相关的肠菌表型。利拉鲁肽通过调节肠道微生物群的结构而降低体重，独立于血糖状态[27]。利拉鲁肽改变了治疗组的总组成和体重相关系统类型的相对丰度，如增加了Akk菌的丰度[28]。Akk菌在饮食诱导的肥胖小鼠肠道内可改善宿主的葡萄糖稳态，增加Akk菌的丰度可降低肠道通透性[29]。Shin等[29]研究发现，Akk菌的相对丰度随着二甲双胍对小鼠肥胖的缓解作用增强而增加，提示肠道微生物区系的调节可能是二甲双胍抗糖尿病的作用机制之一。

3.4手术 Roux-en-Y胃旁路手术(Roux-en-Y Gastric Bypass，RYGB)是治疗严重肥胖的有效方法之一。益处包括体重显著减轻、改善或缓解2型糖尿病或其他与肥胖相关的合并症。Liou等[30]将饮食诱导的肥胖RYGB小鼠、假手术组体重控制匹配小鼠和假手术组小鼠的盲肠内容物分别移植至无菌组观察14 d，结果表明，将RYGB术后的饮食诱导肥胖小鼠的盲肠内容物移植至无菌小鼠可使后者体重和体脂减少。Palleja等[31]对RYGB术后的肥胖患者的研究中发现在减肥和代谢改善的同时，肠道微生物多样性在RYGB后的前3个月内增加，并在1年后保持在较高水平，且肠道微生物区系呈现出多样性增加、成分改变等特点。

3.5粪便菌群移植 近年来，出现了许多创新性肠道菌群干预方法，以粪便菌群移植为代表。粪便微生物菌群移植主要是在肥胖、2型糖尿病或其他患者肠道内植入代谢健康供体的粪便菌群，取代紊乱的肠道菌群以达到治疗目的。粪便菌群移植在临床上主要作为炎症性肠病的治疗方法，Vrieze等[32]研究发现，粪便菌群移植同样可以调节代谢，将瘦型供体的粪便菌群或供体自体的粪便菌群移植到代谢综合征患者的肠道中发现，移植瘦型供体的粪便菌群后，真杆菌、小肠罗氏菌等产丁酸菌丰度升高，且胰岛素敏感性明显增加。

4 小 结

在过去的10年中，越来越多的证据表明肠道微生物群、下丘脑和肥胖之间存在联系[14,15,22]。肠道微生物通过内分泌、免疫和神经系统造成肥胖，可能的发生机制是高脂饮食改变了胃肠道中定植的菌群的组成和功能，增加了能量的摄入并增加了肥胖短链脂肪酸的产生。某些肠道菌群还可通过增加肠道通透性、全身性炎症反应、活化神经胶质细胞间接影响下丘脑基因表达和迷走神经活动而过度饮食导致肥胖症的发生。近年来，通过靶向肠道菌群实现对肥胖症干预的治疗应运而生，包括益生菌、益生元、药物、手术和粪便移植。目前，高脂饮食下肠道菌群导致肥胖的机制仍需进一步研究，但通过肠道菌群来治疗和预防代谢性疾病不久将会被实现，能够寻找到更高效、更便捷的肥胖干预措施。