肠道微生态与肥胖相关性研究进展

唐 娟，念 馨

（昆明医科大学第一附属医院内分泌科，云南昆明 650032）

肥胖是机体能量过剩所致的脂肪组织堆积或分布异常的慢性代谢性疾病，并且是糖尿病、心血管疾病和癌症等多种疾病的危险因素。目前肥胖发病呈低龄化和全球化趋势，直接导致预期寿命降低和医疗支出增加。在过去30 a，全世界超重和肥胖人群增加了27%以上，约21 亿人受影响[1]。男性和女性的超重和肥胖比例在2030 年将分别达到89%和85%[2]。肥胖不单受遗传和环境因素的影响，有研究表明肠道微生态失衡与肥胖密切相关。

1 肠道微生态的概述

肠道微生物与宿主消化道之间相互依赖和竞争形成一个庞大的微生物群网络，正常情况下，二者保持互利共生的动态平衡关系，共同抵御外界病原体的入侵，维持机体的正常生长发育及新陈代谢[3]。有部分研究表明肠道微生态从胚胎时期即开始形成，在母体的子宫、胎盘、脐带以及羊水中都发现了微生物群的存在[4]，但目前为止并无相关研究明确表示母体能将共生肠道菌群传给胎儿。婴幼儿时期是肠道菌群定植的关键时期，早期主要是肠杆菌、葡萄球菌和链球菌等需氧菌，随着这些细菌的生长，肠道中氧气逐渐消耗和代谢产物的增加，厌氧菌成为优势菌，这一时期易受分娩方式、母乳喂养、胎龄等多种因素的影响，如果肠道微生态平衡遭到破坏，可能增加以后肥胖发生的风险。3 岁以后肠道菌群组成趋于稳定，与成人相似[5]。目前从人体分离的菌株为2 172 种，分为12 个门，其中93.5%为硬币菌门、放线菌门、拟杆菌门和变形菌门，主要定植于结肠，其总数是人体细胞数的10 倍以上，基因组数量是体细胞基因组的100 倍以上，被誉为人体的“第二基因组”[6]。近年来，大量研究聚焦于肠道微生态与代谢、免疫、神经等各方面的相关性，受饮食习惯、环境因素、抗生素使用和外科手术等多方面的影响，肠道微生态失衡与肥胖、癌症、炎症性肠病、非酒精性脂肪肝等多种疾病的发生发展密切相关[7-9]。

2 肠道微生态与肥胖的关系

人类微生物组计划中，研究人员对242 例健康成年人多部位的4 788 个微生物样本进行分析，结果显示包括肠道在内的不同部位、甚至同一部位的不同区域的微生物群的组成和丰度存在显著差异[10]。人类和遗传性肥胖小鼠肠道菌群多样性减少，厚壁菌门比例明显增加，拟杆菌门比例明显降低，且拟杆菌门的增加与宿主体重降低有关。将肥胖型和瘦型小鼠的肠道菌群分别移植到无菌小鼠体内，在摄入相同食物的条件下，接受肥胖型宿主肠道菌群的小鼠体重增加更明显，提示肥胖者的肠道菌群可以从饮食中摄取更多的能量[11]。为排除基因型和其他混杂因素的影响，Ridaura 等[12]将BMI 不一致的成年女性双胞胎的肠道菌群分别移植到低脂喂养的无菌小鼠体内，结果显示小鼠的表型与宿主一致，接受肥胖者肠道菌群移植的小鼠体重增加更明显。此外，将上述肥胖型小鼠和瘦型小鼠共同饲养后发现，肥胖型小鼠的体重得到控制，这可能与瘦型小鼠的拟杆菌门通过粪-口途径转移到肥胖型小鼠体内有关，表明某些代谢特征可以通过肠道菌群传播。肠道中富含分支梭状芽孢杆菌（Clostridiumramosum）的小鼠模型在高脂饮食诱导的后体重增加，体脂沉积明显，肠粘膜中的葡萄糖转运蛋白2（GIut2）和脂肪酸转运酶（CD36）的表达增加，表明该菌可促进肠道葡萄糖和脂质的吸收[13]。Fei 等[14]将肥胖患者肠道中分离出的阴沟肠杆菌移植到高脂饮食喂养的C57BL/6无菌小鼠体内，导致受体小鼠体重增加，胰岛素抵抗增加，血清内毒素水平升高，提示某些机会性致病菌可能是导致肥胖的原因之一。无菌小鼠尽管被喂食高脂饮食，但体内脂肪并没有显著增加，这表明肠道微生物群的在肥胖中起着一定作用，禁食脂肪细胞因子（Fiaf）是一种循环脂蛋白脂肪酶抑制剂，无菌小鼠Fiaf 水平增加，通过抑制蛋白脂肪酶来阻止甘油三酯储存，肠道菌群可选择性抑制肠道上皮细胞中的Fiaf 表达促进脂肪沉积，此外，肠道菌群还可以降低无菌小鼠AMP 活化蛋白激酶（AMPK）及参与脂肪酸氧化的关键靶点（乙酰辅酶A 羧化酶）的活性介致肥胖的发生[15]。Roux-en-Y 胃旁路（RYGB）手术治疗是治疗重度肥胖最有效的方法，肥胖患者在进行Roux-en-Y胃旁路术治疗后，体重明显减轻的同时肠道菌群多样性显著增加，并且肠道菌群的组成与白色脂肪相关基因表达之间的存在潜在关联[16]。将术后患者的肠道菌群移植到无菌小鼠体内，受体小鼠的脂肪沉积较对照组明显减少，肠道菌群的改变对脂肪质量有调节作用[17]。以上研究表明，作为“第二器官”的肠道微生物在肥胖的发生发展中具有重要作用，对其相关性和作用机制的深入研究有望为肥胖的防治提供新的靶点。

3 肠道微生态影响肥胖的机制

3.1 代谢产物及过程

肠道菌群可以通过转化或发酵来驱动营养物质的代谢，产生多种代谢产物。SCFAs 是结肠内肠道微生物发酵多糖或碳水化合物形成的终产物，不仅在调控宿主脂肪代谢、控制摄食行为、减轻肥胖慢性炎症方面具有重要作用，还可激活多种信号通路和组织位点介导多种生物活性[18]。其中最丰富的乙酸、丙酸和丁酸约占其总量的90%～95%，乙酸盐及丙酸盐主要由拟杆菌门产生，丁酸盐主要由厚壁菌门细菌产生。GPR43（FFAR2）和GPR41（FFAR3）是G 蛋白偶联受体家族的成员，被认为是SCFAs 选择性激活最多的游离脂肪酸受体，在白色脂肪组织（WAT）和结肠中高度表达。GPR43基因敲除小鼠呈肥胖表型，脂肪组织过表达GPR43 的小鼠在高脂饮食诱导下也能抵抗肥胖的发生，若排除肠道微生物因素的影响，两种小鼠均呈现正常表型。此外，GPR43 可被乙酸盐优先激活，胰岛素信号转导途径受抑制，进而抑制脂肪积累，改善胰岛素敏感性，促进能量代谢，证明了微生物代谢在脂肪GPR43 信号转导中的重要性[19]。SCFAs 已被证明可以防止饮食诱导的小鼠和肥胖患者的体重增加，膳食补充SCFAs 可改变GPR43 和GPR41 的表达水平，并下调厚壁菌门/拟杆菌门的比例，促进米色脂肪的生成和HSL 的表达，导致甘油三酯水解和游离脂肪酸氧化增加[20]。Li 等[21]发现间歇性禁食（EODF）可诱导小鼠肠道菌群组成发生改变，从而导致代谢产物乙酸盐和乳酸盐明显增加，将EODF 小鼠的肠道菌群移植到无菌小鼠体内，发现该小鼠腹股沟Ucp1mRNA 表达明显上调，白色脂肪组织发生褐变，能量消耗增加，能量代谢紊乱得到改善。有趣的是，尽管大量证据表明SCFAs 对宿主的代谢有益，但是有研究表明肥胖患者粪便中SCFAs 明显高于瘦者，且具有更高的F：B 比值，这种现象主要是由于肥胖患者较瘦型人群产生更多的SCFAs所致，并不能反映宿主对能量的吸收增加[22]，宿主自身生成的SCFAs 的与能量代谢的关系仍需进一步研究。胆汁酸是一类由肝脏中的胆固醇合成的两性甾醇类化合物，肠道菌群不仅通过调控法尼醇X 受体（farnesoid Xreceptor，FXR）及G 蛋白偶联胆汁酸受体5(G protein-coupled bile acid receptor 5，TGR5)的表达影响胆汁酸合成，还可以通过产生7α 羟化酶和胆盐水解酶等多种酶影响胆汁酸代谢，同时，胆汁酸也可以激活肠道中的先天免疫反应基因直接或间接调节肠道菌群的组成[23]。FXR 和TGR5 共同表达于肠内分泌L 细胞中，激活FXR 的小鼠肠道中Acetatifactor 和拟杆菌增多，并将牛磺鹅脱氧胆酸转化为石胆酸，进一步激活TGR5，刺激GLP-1 分泌，改善胰岛素抵抗和诱导脂肪组织褐变以减轻体重[24]。产甲烷菌位于厌氧发酵食物链的最末端，其能量代谢终产物主要是甲烷气体，已有研究表明产甲烷菌通过增加糖类物质的酵解获取能量，导致小鼠体重增加。此外，甲烷与肠道运输速度减慢和便秘有关，通过增加食物在肠道中停留的时间来获取更多的能量。研究人员通过对58 名BMI≥30 kg/m2的肥胖患者进行呼气试验检测，发现甲烷阳性受试者的平均BMI 高于阴性受试者，提示甲烷可能是肥胖显著增加的预测因子[25]。甲烷菌还能通过对胃肠道内分泌系统的直接作用介导肥胖，Laverdure 等[26]发现肥胖小鼠肠道中产甲烷菌丰度明显增加，其代谢物甲烷对GLP-1 的分泌有直接刺激作用，GLP-1 水平的升高可能是宿主抵抗肥胖的自我保护机制，甲烷菌数量的变化对肥胖的发生可能有促进作用。与无菌小鼠相比，常规饲养的小鼠肠道和肝脏中氨基酸分布和代谢明显不同，而且肠道菌群的分布和数量对维持氨基酸的稳态至关重要[27]。主要氮源色氨酸可在肠道菌群的作用下转化为吲哚类化合物，高脂饮食诱导的小鼠色氨酸代谢产物丰度降低促使WAT 中miR-181 家族表达显著上调，导致WAT 炎症的发生和胰岛素敏感性降低，这一点在肥胖儿童中也得到证实[28]。综上所述，肠道微生态与肥胖关系的研究不仅仅局限于肠道菌群对肥胖的直接作用，肠道菌群代谢产物如SCFAs、胆汁酸、甲烷及氨基酸等可通过直接与肠道上皮细胞相互作用、进入循环或各种分子信号通路调节宿主代谢平衡，肠道微生态失衡将打破这种平衡，导致肥胖的发生。

3.2 肠道通透性及慢性低度炎症

肠粘膜屏障是抵御外界病原体侵袭的第一道屏障，其中由跨膜蛋白occludins 和claudins-5 构成的紧密连接起主要作用。紧密连接、辅助蛋白Zonulaoccludens[ZO]家族及相邻的内皮细胞共同调节细胞旁转运，在维持肠道正常功能及调节肠道通透性方面具有重要作用。肠道微生态失衡不但影响全身免疫，还可引起肠粘膜炎症和肠道通透性的改变[29]。肥胖是一种导致脂肪组织功能紊乱的慢性、全身性炎症，脂多糖（LPS）是革兰氏阴性菌外膜的重要组成部分，革兰氏阴性菌数量和肠道通透性增加致使循环中LPS 升高进而引发代谢内毒素血症，导致全身低度炎症状态和代谢紊乱。同时，全身低度炎症又可通过降低肠粘膜厚度和加重炎症程度来增加肠道通透性，导致炎症、通透性和肥胖之间的恶性循环[30]。toll 样受体4（TLR4）可特异性识别革兰氏阴性菌及产物，LPS通过其介导病理效应的脂质A 与TLR4 结合，使NF-κB 核转位，IL-6、IL-8、TNF-α、IL-1β 等多种促炎细胞因子的表达上调，诱导全身低度炎症反应和破坏肠粘膜屏障[31]。高脂饮食被证实会改变肠道菌群的组成，导致宿主LPS 易位、肠道通透性改变、全身炎症状态及免疫系统的破坏[32]。高脂饮食诱导的小鼠LPS 水平升高，结肠紧密连接相关蛋白claudin-1 和occludin 的表达降低，使肠道通透性增加，同时，TLR4 信号通路被激活，进一步加剧炎症和肥胖的发生发展[33]。摄入外源性丁酸盐后可使高脂饮食的肥胖小鼠肠道菌群组成接近对照组，促炎细胞因子IL-6 和TNF-α 水平降低，血清LPS 及其受体TLR4 表达呈下降趋势，肠上皮屏障作用得到增强，肝脏脂质沉积和全身慢性炎症的到改善[34]。LPS 还能通过激活JAK2/STAT或AMPK 途径刺激前脂肪细胞中cPLA2 的表达，促进前脂肪细胞的增殖和脂肪组织生成[35]。肠上皮内淋巴细（intraepitheliallymphocyte，IEL）是一种独特的抗原感受性T 细胞群，可维持肠上皮细胞稳态，保护宿主免受致病菌感染，拟杆菌门中的某些成员可维持结肠中的IEL，促使claudin-1 蛋白的表达和黏液层厚度增加，共同维持肠上皮屏障功能[36]。肥胖与内源性大麻素系统（eCB）活性上调有关，内源性大麻素系统包括大麻素受体1和2（CB1 和CB2），与能量调节有关的是CB1 受体，该受体敲除小鼠对饮食诱导的肥胖具有抵抗性[37]，肠道菌群与CB1 受体在能量平衡、脂肪组织炎症方面密切相关。艾克曼菌（A.muciniphila）丰度增加下调饮食诱导的肥胖小鼠CB1 受体活性后，脂肪组织中炎性细胞因子和巨噬细胞的浸润减轻，LPS 参与的肠道通透性增加、胰岛素抵抗和代谢紊乱均得到改善[38]。炎性小体主要与先天性免疫防御有关，在肥胖的发展过程中，炎症小体被激活，导致促炎因子IL-1β 和IL-18 水平升高，进而引发脂肪组织的低度炎症，同时肠道通透性发生改变，肠道菌群易位标记物LPS 和sCD14 血浆浓度升高[39]。当阻断CB1 受体降低NLRP3 炎性小体活性，或敲除糖尿病小鼠NLRP3 炎性小体后，肠道菌群组成发生改变，脂肪组织炎症和肠道通透性均得到改善[40-41]。总之，肠道菌群丰度变化可通过代谢产物LPS、炎性因子和免疫分子通路共同破坏肠粘膜完整性，加剧肥胖低度炎症的发展。

3.3 肠道菌群-肠-脑轴

肠道菌群对宿主的影响并不仅仅局限于胃肠道，对神经系统也有一定的影响，有研究表明肠道菌群可以直接改变中枢神经系统信号影响宿主的焦虑和应激行为，还可以调节缩胆囊素（cholecystokinin，CCK）、胰高血糖素样肽-1（GLP-1）、酪酪肽（PYY）等肠道激素的释放，通过迷走神经或非迷走神经的传递作用以及神经内分泌方式，向中枢神经系统发出信号，调节宿主进食行为、能量平衡及体重变化等[42]。迷走神经传入神经元（VAN）位于结节神经节，可将宿主摄入的食物信息传递到孤束核（NTS）以调节饱腹感，其末端位于胃肠道粘膜固有层，可感知来胃肠道的各种信号，直接或间接地与肠道微生物相互作用[43]。高脂饮食诱导的肠道微生态失衡可引起大鼠肠道和循环中LPS 和炎症因子水平升高，肠道中迷走神经末梢减退，NTS 中迷走神经重塑，结节神经节中小胶质细胞活化，导致饱腹感信号的改变，摄食增加，甚至暴饮暴食，抗生素处理后以上症状明显改善[44-45]。VAN 表达多种激素受体，CCK 通过激活VAN 上的CCKA 受体诱导饱腹感和控制食物摄入量。研究表明，长期高脂饮食的摄入导致大鼠VAN 瘦素抵抗，进而对CCK 的敏感性降低，CCK诱导的大麻素受体（CB1）表达上调，大鼠食欲增加，饱腹感作用减弱[46]。脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）是神经营养因子家族的一员，在神经系统中广泛表达，通过下丘脑和脑干回路参与机体能量平衡的调节，BDNF 通过下丘脑的腹内侧核控制食欲和体重，通过脑干的背侧迷走神经复合体调节能量平衡。Schéle 等[47]发现与无菌小鼠相比，常规饲养的小鼠下丘脑及脑干中BDNF 表达降低，中枢胰高血糖素样肽-1（GLP-1）的前体前胰高血糖素原（Gcg）表达降低，介导瘦素抵抗的细胞因子信号转导抑制因子3（SOCS-3）在下丘脑的表达增加，而瘦素可通过下丘脑神经元回路抑制脂肪增加及控制食物摄入和能量消耗。同样在高脂饮食诱导的代谢综合征小鼠模型也有BDNF 表达降低和体重增加的表现，表明BDNF 和各种抗肥神经肽的生物学效应可被肠道菌群削弱[48]。有趣的是，肠道菌群与BDNF 的作用似乎是相互的，BNDF 同样能够影响肠道菌群和维持肠上皮屏障功能，BDNF 基因敲除小鼠较野生型小鼠肠道菌群发生显著改变，结肠微绒毛受损，细胞间隙扩大，且ZO-1、occludin 及claudin 1 表达降低[49]。另有研究表明，高脂饮食诱导的肥胖小鼠对甜味刺激感觉减弱，甜味味觉受体发生改变，致使小鼠对食物的选择发生改变，在补充益生菌后，小鼠的甜味味觉得到改善，脂肪量和能量摄入均减少，表明肠道菌群可以通过改变宿主对食物的偏好调控其行为[50]。Li 等[51]发现肠道菌群失调引起的肠道屏障功能受损可引起小鼠海马中IL-1β、TNF-α 及IL-6mRNA 等炎性因子水平的升高和海马神经元的丢失，补充SCFAs 后，肠道上皮损伤及海马神经炎症均得到改善。CB1 受体与肠道菌群的相互作用不仅与能量代谢和肠道通透性有关，还与摄食行为有关。长期摄入高能量饮食的小鼠肠道中CB1 受体内源性大麻素活性上调，抑制CCK 的释放，导致饱腹感延迟和肠-脑信号通路失调，引发宿主过度进食或暴饮暴食[52]。Chambers 等[53]研究发现，结肠中代谢产物丙酸盐的含量增加，可激活受体GPR43 和GPR41，促进肠道激素GLP-1 和PYY 释放，进而刺激食欲调节中枢，使肥胖患者产生饱腹感，控制进食行为。在肠道菌群显著改变Roux-en-Y 胃旁路手术后，来自肠道内分泌L 细胞的GLP-1、PYY 释放增加，宿主对高脂饮食的偏好和食欲降低，若联合阻断GLP-1、PYY 的作用后，食物摄入增加[54-55]。综上所述，肠道菌群-肠-脑轴是调节宿主能量平衡和行为的至关重要的双向信号轴，对肠道菌群-肠-脑轴进行干预可能是未来治疗肥胖的新靶点。

4 小结

肠道微生态从一个新的视角阐述了其与肥胖的关系，作为机体"隐形内分泌器官"的肠道菌群不仅可以通过局部作用，还可以通过多种途径调节宿主某个器官或全身反应参与肥胖的发生，机体生命活动及代谢对肠道菌群的影响同样是复杂的，二者的相互作用尚未阐明。通过探索正常机体与肥胖患者肠道菌群的结构组成和代谢差异，进行膳食结构干预、肠道敏感菌移植、减重手术、代谢产物相关受体及配体的干预，补充益生元和益生菌等多种研究探索，以期通过改变肠道微生态从而达到减轻体重的目的，为肥胖症的预防和治疗提供了新思路。但由于肠道菌群的复杂性及多样性，以肠道菌群为靶点的个体化治疗方式还需更多更深入的基础和临床研究。