肠道微生物与2型糖尿病免疫相关性的研究进展

李金燕，杨帆

（1.桂林医学院，广西 桂林 541000；2.桂林医学院附属医院，广西 桂林 541000）

糖尿病主要包括2 型糖尿病、1 型糖尿病、妊娠糖尿病及其他特殊类型糖尿病，其中1 型糖尿病主要与自身免疫相关，2 型糖尿病与免疫之间也可能有密切关系。随着研究的深入，发现包括糖尿病在内的多种代谢性疾病与免疫之间均有紧密关系，并逐渐衍生出免疫代谢这一概念。有研究显示，肠道微生物的基因总量与人体自身基因数量比值约为9∶1，且肠道微生物被证实与多系统疾病紧密相关，如糖尿病、高血压、冠心病、帕金森、肠道炎性疾病、多囊卵巢综合征等[1]。随着饮食习惯、生活方式的改变，肥胖人群数量逐年上升，糖尿病的危险因素增加，导致糖尿病患者数量增加，2017 年我国糖尿病人群约占全球糖尿病人群的1/4，达1.14亿人。据最新健康中国行动数据估计，截至2019年，我国糖尿病人群总数量达1.5 亿人，并呈不断上升趋势[2]。迫切需要探究影响及治疗糖尿病的新途径，因此，探讨肠道菌群与糖尿病之间的免疫关系，可能为糖尿病免疫治疗的发展提供新思路。

1 2型糖尿病的发病机制

2型糖尿病的发病机制始终是内分泌研究领域的热点，不少学者致力于从分子水平上研究糖尿病的发病机制，并不断取得新进展。目前，研究发现2型糖尿病的发病机制主要与遗传易感性、生活方式、肠道菌群、肥胖、化学物质影响等多种因素密切相关。全基因组分析被作为2 型糖尿遗传学研究的主要分析标准工具，早在2017年就已发现，其与人体中32个基因密切相关，并分布于15条常染色体中，体现糖尿病基因水平上的复杂多样与普遍[3]。虽然越来越多遗传易感基因被不断发现，但目前已知大多数遗传易感基因与糖尿病发病之间的相关性，呈低中度水平。饮食结构多样化及生活方式的调整，高脂高糖饮食，使肥胖人群数量不断增长，除遗传基因易感性的作用外，肥胖本身可导致胰岛素抵抗，引起血糖升高。

近年来研究肠道菌群与糖尿病之间的相关性及探讨其中的机制成为持续不衰的热点，糖尿病患者的肠道菌群发生变化已被证实[4]。在2013 年至2017 年4 年间发表的文章占过去40年有关肠道菌群出版物的4/5，充分肯定这一领域的重要性。目前，认为肠道细菌可能通过产生各种代谢产物，影响不同菌群的种类、数量、比例，造成机体内毒素血症、长期慢性低度炎症反应，破坏肠上皮壁屏障的完整性及影响自身免疫平衡等，参与糖尿病的发病机制[5]。

2 肠道菌群及其代谢产物对机体免疫的作用

2.1 肠道菌群对机体免疫平衡的作用 胃肠道作为直接连接外界与内环境的渠道，有数量极其庞大的微生物群，而机体在这种内外协调中始终保持稳态，最主要由于胃肠道菌群与机体之间的能量协调、信息交流、反馈。肠道菌群在宿主能量摄入、信息交流反馈、炎症反应、免疫调控中均发挥重要作用。当新生儿从母亲阴道分娩到首次接触乳房开始，被认为是肠道菌群开始建立的标志，长大至2～3岁时，肠道微生物的数量及种类基本接近成人[6]。成人肠道菌群约包括100～150个不同种属的细菌，厚壁菌门、拟杆菌门这两种有益细菌占据重量级地位，约占总数的90%[7]。肠道微生物能长期维持与胃肠道之间的免疫平衡，与肠道微生物作用密不可分。美国布朗大学通过研究发现，小鼠肠道中微生物具有识别对人体有益及有害的细菌，并反馈性调节宿主免疫系统，使对宿主有益的菌群更好存活。进一步探索机制，被认为是肠道中存在的某些细菌，具有平衡视黄酸水平的作用，继而避免宿主免疫过度激活。现发现厚壁菌门中重要的梭状芽胞杆菌属细菌具有促使维生素A转化为视黄酸的作用，并可能通过调节某些蛋白质水平实现[8]。德国基尔大学的研究团队揭露肠道免疫稳定性的维持必须在宿主免疫系统和微生物之间共同协调和维持。其中，在宿主与微生物免疫平衡中，调节性T细胞在相互免疫调节过程中起关键的作用[9]。肠道微生物与肠道免疫之间的稳态一旦破坏，可引起肥胖、糖尿病、肠道炎性疾病、肝代谢异常、肿瘤、抑郁等多种重要疾病。

2.2 肠道菌群的代谢产物对宿主免疫的作用 通过基因测序分析显示，肠道微生态系统囊括990 万基因，总重量接近1.5～2 kg[10]。肠道菌群数量庞大、种类繁多，肠道微生物的代谢产物对宿主营养物质吸收、能量摄入具有关键的作用，当肠道菌群紊乱时，达到一定程度，即可形成慢性低度炎症反应，通过多种代谢产物，影响机体免疫系统。在一定条件下，肠道菌群发生移位，原有菌群总数及比例发生改变，在此失衡环境下，肠道革兰氏阴性菌所占比例增加形成细菌的裂解，体内脂多糖（LPS）产生及释放增加，当肠道黏膜通透性增加时，LPS 即可通过肿胀的黏膜屏障入血，可通过不同途径作用于脂肪及巨噬细胞，释放多种炎症因子，造成机体慢性低度炎症反应，引起胰岛素抵抗。原有研究反复强调肠道革兰氏阴性菌LPS 的免疫激活作用，但有新研究显示，不同细菌LPS 结构不同，可能起相反的作用。大肠杆菌LPS 为肠道革兰阴性菌中常见的LPS 可引起机体免疫激活，但拟杆菌LPS 不会激活机体免疫，并且可抑制其他细菌LPS 引起宿主免疫反应，增加机体内毒素耐受[11]。当LPS 入血后，CD14 介导LPS 识别固有免疫的 TOLL 样受体（TLR-4），并形成LPS 与CD14/TLR-4 蛋白复合物，可通过MyD88 依赖途径，转录因子NF-KB可被激活并结合细胞核内DNA，导致各种炎症因子，如TNF-a、IL-12 和IL-6 的释放[12]，造成机体低级别炎症反应，在炎症环境中，胰岛素靶组织如肝脏、骨骼肌细胞、脂肪细胞对胰岛素敏感性下降，引起胰岛素抵抗。肠道中多种短链脂肪酸（SCFAs），主要由乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐等组成。短链脂肪酸可通过免疫系统介导其抗炎特性，并被认为是肠道细菌与机体免疫之间重要的通信介质。当肠道细菌产短链脂肪酸下降时，肠道黏膜通透性增加，肠道细菌可通过通透性增加的肠黏膜进入血液，引起炎症反应[13]。通过比较2型糖尿病人群与正常人群中粪便菌群的变化，发现2型糖尿病中产丁酸盐的细菌数量下降，继而推测，维持稳定量的产丁酸菌可能对人体有益，可减少2型糖尿病的发生。其中丁酸盐介导的2型糖尿病与机体免疫之间的研究引起广泛注意，因为丁酸盐可通过多途径影响机体免疫系统。丁酸盐产生的信号可被游离脂肪酸受体（FFAR）识别并传递给肠道免疫细胞，通过多蛋白炎性复合物介导肠道免疫反应，它可以有效维持抗炎和促炎之间的炎症状态平衡[14]。此类脂肪酸受体属于G蛋白偶联受体。Zhang等[15]通过在ad/db小鼠中补充丁酸盐，发现丁酸盐可明显增加G 蛋白偶联受体43（GPR43）水平，同时细胞膜上的葡萄糖协同转运蛋白（SGLT1）及葡萄糖转运蛋白2（GLUT2）水平上调。并发现糖原合酶激酶3（GSK3）被激活，而细胞内信号传导蛋白激酶B（PKB）活性受抑制。表示丁酸盐促进肝内糖原代谢，可能通过GPR43-AKT-GSK3 信号通路实现。在建立T2DM 小鼠模型后，持续每天腹腔内注射丁酸钠（500 mg/kg）6周，发现糖尿病小鼠血糖下降，进一步研究发现，丁酸盐可通过降低内质网磷酸化的Ⅰ型跨膜ER驻留蛋白激酶（p-PERK）水平来激活CCAAT/增强子结合蛋白同源蛋白（CHOP）和磷酸化的真核起始因子2α（p-eIF2α）以及转录因子（ATF4）等相关因子的表达，延缓2型糖尿病的发展[16]。2018 年，Ara Koh 研究团队发现，丙酸咪唑在肥胖的T2DM 患者门静脉血浆中有更高的代谢水平。通过进一步研究发现，早期2型糖尿病患者体内丙酸咪唑的代谢水平明显高于糖耐量正常的人群。通过动物和体外实验模型，认为丙酸咪唑可通过激活p38-p62-mTORC1 通路抑制mTORC1 复合物的形成，并能抑制胰岛素受体信号影响胰岛素受体底物蛋白的形成[17]。

3 机体对肠道菌群及其代谢产物的免疫应答

肠道微生物组成庞大而复杂的生态系统寄存于宿主肠道中，而机体免疫系统作为抵御病原体的至关重要的防线，势必会产生相互应答。其中包括经典免疫应答及细胞免疫应答。先天免疫系统可以通过上皮细胞和肠吞噬细胞的表面表达蛋白toll 样受体5（TLR5），在感知鞭毛蛋白时，TLR5可激活抗微生物肽的产生和趋化因子的分泌，继而趋化嗜中性粒细胞。也可通过肠道免疫感知鞭毛蛋白后，引起细胞内蛋白质NOD 样受体4 激活了炎性复合物，导致细胞死亡。同时细菌鞭毛蛋白也是急性感染和慢性炎症性疾病中T 细胞抗原和体液免疫细胞靶标。肠道抗IgA，能一定程度上抑制鞭毛细菌的总量，使其维持在低水平状态[18-20]。先天免疫还可以刺激肠道产生速激肽（一种在胰岛素信号传导中起重要作用的胰岛素样蛋白）。Watnick 的实验团队发现，当醋酸用于无菌果蝇时，先天免疫途径激活，速激肽产生；当产乙酸菌在肠道产乙酸时，宿主免疫主动识别，先天性免疫激活，促使速激肽水平上调，维持血糖、血脂稳定[21]。美国芝加哥大学科学家在《Immunity》期刊上指出，机体的免疫系统对健康菌群具有保护作用，可一定程度上增强对有害菌株的响应能力。作为肠道中常见的有益菌种，脆弱拟杆菌（bacteroidesbacteroides fragilis，B.fragilis），在共生殖菌因子（ccfABCDE，CCF）调节下包裹在多糖制成的厚荚膜B.fragilis 中，它可以有效地避免宿主免疫攻击，使脆弱拟杆菌能在黏膜上定植及维持单一菌株的稳定。但即使能较大程度的避免免疫的攻击作用，机体也确实产生针对B.fragilis荚膜结合的IgA抗体。抗体IgA与肠道中存在的被认为是对人体有益的大部分细菌能和平共处，甚至还可以帮助B.fragilis紧密粘附于肠道上皮。但如小鼠缺乏IgA，B.fragilis 将很难定植于肠道表面并保持持续稳定。体现肠道IgA 对肠道中有益菌群的定植是非常有必要的[22]。多种有益菌落在肠道中定植，维持肠道菌落稳态，可能减少2 型糖尿病的发生。机体产生的干扰素-γ（IFNγ）对某些病原体入侵及感染性疾病的发生具有积极影响，但高水平的干扰素-γ，能下调葡萄糖代谢能力。Greer RL等[23]研究人员发现，人体在肠道微生物Akkermansia muciniphila作用下上调IFNγ，当IFNγ 增长时，可影响机体葡萄糖代谢能力，具体机制待进一步明确。T 淋巴细胞作为重要的肠免疫调节细胞（IIC），是肠道菌群与糖尿病沟通的重要桥梁细胞。T淋巴细胞不仅具有调节自身免疫的作用，还能保护胰岛细胞，调节糖脂代谢及改善胰岛素抵抗，但并非所有的T 淋巴细胞亚群均具有改善胰岛素抵抗的作用，关键取决于亚群之间的分化及分化间比例[24]。肠道菌群及代谢与机体免疫之间相互影响通路多，作用机制复杂，有待更多研究证实。

4 肠道菌群的研究应用

随机选取2 型糖尿病人群，均服用益生菌一段时间，通过终点时粪便标本分析，发现肠道有益菌群数量较前增加，且条件致病菌比例下降，胰岛素抵抗得到一定程度改善[25]。不仅口服益生菌可增加胰岛素敏感性，改善糖尿病，通过调节饮食结构、多种运动方式、补充益生元和粪便微生物移植等方式调整肠道微生物群结构可能有助于保护肠道黏膜屏障、降低肠道炎症反应及调节肠道免疫，改善葡萄糖代谢和胰岛素抵抗。多项研究发现，经典口服降糖药物阿卡波糖及二甲双胍可能通过肠道吸收影响菌群，改善胰岛素抵抗，下调血糖水平[26-27]。肠道菌群作为肠道中数量庞大的定居者，影响肠道环境，对很多重要疾病的发生及药物治疗效果具有重要作用。通过干预肠道菌群的数量及构成，影响抗肿瘤药物、自身免疫性疾病、消化道炎性疾病等疗效的报道也不断增加[28-30]。

5 讨论

肠道菌群与2型糖尿病免疫之间的密切关联已被广泛研究并得到认可，通过调节肠道菌群以防治糖尿病的相关机制也被深入探讨，糖尿病患者与健康受试人群之间的粪便菌群存在一定的差异。肠道菌种繁多，很多肠道微生物具体生物学作用尚不明确，数据庞大的无基因组数据可能导致不同的结论，实际上饮食习惯、药物使用、大便频率的改变、合并其他免疫性疾病或合并胃肠道本身疾病均可影响肠道微生物的组成。同种菌群在肠道的不同部位是否扮演相同的角色，甚至起相反的作用，目前尚不清楚。因此，不能单纯关注菌群的数量及比例决定某种菌群的好与坏。须明白肠道除细菌外也存在其他重要微生物，如病毒、寄生虫、噬菌体、真菌等，这些因素均应被综合考虑。相信未来在大量研究学者的不断深入研究下，必将逐步明确其机制，造福人类。