肠道菌群与妊娠期糖尿病关系的研究进展

廖慧敏，胡渺渺，黄晓珊，毛楚茵，周琳

【提要】 妊娠期糖尿病发病率逐年上升，导致不良的母婴结局，且发病机制目前暂不明确。近期研究发现，肠道内某些特殊菌群的异常变化及肠道菌群失调，使宿主体内代谢发生紊乱可能促使疾病的发生。本文从妊娠期糖尿病的肠道菌群改变、可能潜在的机制等方面进行回顾及综述，总结近年来的研究进展，希望对妊娠期糖尿病与肠道菌群的进一步研究奠定基础。

妊娠期糖尿病（gestational diabetes mellitus，GDM）是指妇女在妊娠期间首次发生或确诊的不同程度的糖耐量异常状态，是妊娠中晚期最常见的并发症之一，发病率逐年升高［1］。流行病学调查显示，全球高达8.8%的孕妇患有GDM，在一些国家和地区这一数值超过20%［2］。据调查显示我国妊娠糖尿病的发病率约为11.91%［3］，随人民生活水平提高及三胎政策的开放，这一数值可能呈进一步增势。GDM的主要发病机制是胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能相对不全，不仅对孕妇造成极大危害，包括孕妇妊娠期高血压病、胎盘早剥、胎膜早破、流产等，还可对胎儿、新生儿甚至发育期儿童产生不良影响，如胎儿畸形、新生儿窒息、儿童认知功能障碍等［4］。此外，GDM孕妇及其子代的将来发生2型糖尿病及心血管疾病的风险也会增高［5］。

肠道菌群是人体内最大的共生微生物群，对维持内环境稳态、免疫调节起到重要作用［6-7］。肠道内菌群多样性变化和菌群构成比例的失调破坏肠道环境的稳态，可导致包括GDM 在内的多种代谢性疾病的发生发展［8］。自2012年Koren等人［9］首次报道了肠道菌群与妊娠晚期的代谢紊乱、炎症状态及胰岛素抵抗的关联以来，国内外已有不少GDM与肠道菌群的相关研究［10-11］。最新研究表明，肠道菌群失调可能通过影响宿主代谢的途径参与包括GDM在内的多种代谢性疾病的发生发展。本文综述肠道菌群与GDM的相关研究及最新进展，为未来肠道菌群作为GDM的防治措施之一奠定基础。

1 正常血糖孕妇的肠道菌群

妊娠是特殊的生理过程，在此期间母体出现一系列生理变化如体重增加、血压升高、血脂异常、空腹血糖水平升高、胰岛素抵抗和激素水平变化等，以促进胎盘和胎儿的生长发育［12-13］。研究证明孕期的生理改变与肠道菌群的变化有关［9，14］。2012年，Koren等［9］详细报道了孕妇肠道菌群在妊娠期间的动态变化。他们随访了91名芬兰孕妇，其中有15名孕妇随后被诊断为GDM，发现孕早期的肠道菌群分布情况与孕前没有明显差异，但和孕早期相比，孕晚期肠道菌群的α多样性明显降低，β多样性增加，放线菌门和变形菌门相对丰度显着增加，且β多样性的增加与孕前BMI及是否患有GDM无关。其中，可产丁酸盐的厚壁菌门下的粪杆菌属和真杆菌属的相对丰度在孕晚期明显增加。此外，Koren等［9］进一步将孕早期和孕晚期孕妇的粪便样本分别移植到无菌小鼠内，结果发现移植了孕晚期粪便组的小鼠促炎因子水平更高，更容易出现肥胖及胰岛素抵抗表型。

妊娠期间肠道菌群还与体重有关，在孕期，拟杆菌、大肠杆菌、肠杆菌的相对丰度增加与孕期体重增加相关［15］。此外，有研究发现，在正常血糖孕妇中肠道菌群的构成与一系列代谢激素水平有关［16］。例如，胰岛素水平与柯林斯氏菌属（Collinsella）呈正相关，肠促胰素与粪球菌属呈正相关而与瘤胃球菌科（family Ruminococcaceae）呈负相关。

而在孕中期，Kuang等［17］比较了81例正常血糖孕妇和43例GDM女性发现前者肠道菌群中双歧杆菌属和真杆菌属、Alistipes spp的相对丰度更高。Ye等［10］则分析发现，孕中期时正常血糖孕妇中布劳特氏菌属、霍氏真杆菌的丰度降低，而粪杆菌属丰度增高。此外，Chen等［18］开展了110例GDM孕妇和220例正常血糖孕妇的病例对照研究，发现孕中期时，血糖正常孕妇的α多样性更高，且芽殖菌属（Gemmiger）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）、梭菌目（Clostridiales）、瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）是血糖正常孕妇的生物标志物。另一项研究则发现，在孕中期，变形菌门的脱硫弧菌属（Desulfovibrio）和低嗜盐细菌属（Dehalobacterium）是血糖正常孕妇的标志物［19］。然而，Daniel［19］和Jordan［21］等的研究发现肠道菌群在妊娠期间没有显著的动态变化。

2 GDM 孕妇的肠道菌群变化

与健康孕妇相比，GDM孕妇的肠道菌群多样性有明显差异，此外在菌群构成上也有明显差异，主要表现在门、属、种的水平。

2.1 GDM孕妇肠道菌群的α多样性

Liu［22］，Yang［23］、Kuang［17］等分析GDM组与健康组的粪便微生物，结果均发现GDM人群肠道菌群α多样性明显减低，且α多样性的减少与血糖升高有关。但Cortez等［24］的结果相反，他们发现GDM孕晚期的α多样性较血糖正常组增高。还有部分研究的结果则发现孕晚期的GDM组和正常血糖孕妇组的肠道菌群α多样性无显著差异［10-11，25-27］。大部分研究采用16SrRNA测序方法，只有一项研究采用全基因组鸟枪法测序法（Whole-metagenome shot-gun sequencing）［17］。然而有研究报道16SrRNA与全基因组鸟枪测序法得出的一致性结果较差［28］。还有研究报道，与16SrRNA的V3-V5区测序相比，V1-V3区测序得出的结果往往会显示多样性更高［29］。目前对16SrRNA高变区的选择并没有达成共识。这些相互矛盾的结果可能由研究样本量大小、人种差异、地域差异及具体测序方法的不同等多个因素所导致。目前尚未有研究针对GDM人群对比不同测序方法得出的多样性结果。因此，还需要对GDM的肠道菌群进行更多大样本、测序方法更多样化的高质量研究。

2.2 GDM肠道菌群的β多样性

至于β多样性，也是多个研究的结果不一。多数研究收集孕中期或孕晚期的粪便分析，发现GDM和血糖正常孕妇两组间的β多样性存在显著差异［10，17，22-23，25-26］。但也有研究报道，对于孕晚期的GDM，其肠道菌群的β多样性和正常血糖孕妇相比没有差异［11，24，27］。如上面提到的一样，这些不一致的结果可能与纳排标准、样本量、和计算方法的选用有关。关于GDM人群的孕中期、孕晚期肠道菌群的β多样性改变，仍需进一步研究。

2.3 GDM肠道菌群物种组成

2.3.1 门水平

在门水平上，GDM人群在在孕中期时的厚壁菌门丰度高于与非GDM人群，拟杆菌门丰度低于非GDM人群，厚壁菌门／拟杆菌门的比值（F／B）增加［24］，且F／B值与血糖、胰岛素抵抗呈正相关［30］。GDM孕妇即使在产后，其F／B值也高于血糖正常组［31］。F／B是反映肠道菌群紊乱的重要指标，其异常变化往往意味着宿主体内稳态的失衡并导致一系列病理过程。有大量报道显示，较高的F／B与肥胖［32-33］及低级别炎症［34］有关。F／B比值失调与宿主代谢紊乱有关［35］。厚壁菌门和拟杆菌门可能通过调节胰高血糖素样肽1（GLP-1）来介导胰岛素抵抗和能量平衡［36-37］。然而我国的一项研究则报道，GDM组的拟杆菌门丰度增加，厚壁菌门减少，即F／B值减低［18］。

2.3.2 属水平

一项研究发现在孕中期的GDM女性中，其副杆菌属、巨单胞菌属（Megamonas）、考拉杆菌属（Phascolarctobacterium）的丰度高于非GDM女性［17］。通过功能代谢分析，还发现脂多糖合成及转出途径与血糖水平呈正相关［38-39］。在属水平上，与血糖正常的孕妇相比，GDM孕妇的普氏菌、嗜血杆菌和脱硫弧菌的相对丰度更高［24］。多项研究均报道在GDM人群中，可产短链脂肪酸的栖粪杆菌属（Faecalibacterium）［10-11，22，40］、瘤胃球菌属［11］、粪球菌属（Coprococcus）［27，41］丰度减少，且粪球菌属（Coprococcus）与血糖水平升高有关［41］。但也有研究报告GDM人群中栖粪杆菌属丰度［41］、瘤胃球菌属丰度［24］增高。

2.3.3 种水平

在种水平上，与血糖正常孕期女性相比，GDM女性中益生菌丰度减少——放线菌门下的益生菌双歧杆菌和厚壁菌门下的干酪乳杆菌［17，26］。双歧杆菌和乳酸杆菌已被证明是益生菌之一，可通过减少全身炎症反应，调节免疫功能，增强肠道黏膜屏障，从而减轻胰岛素抵抗［42］。Wu等人报道腐烂别样杆菌（Alistipes putredinis）和干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）在GDM人群中丰度减低，而多氏拟杆菌（Bacteroides dorei）丰度增高，且腐烂别样杆菌（Alistipes putredinis）与OGTT的1 h和2 h血糖呈负相关［26］。

3 GDM 与肠道菌群改变的可能相关机制

肠道屏障可被分为由杯状细胞分泌的黏液构成的黏液层和上皮细胞间紧密连接，在抵御肠道病原体入侵方面起到重要作用［43］。Liu等人［22］发现可降解黏液蛋白的普雷沃菌（Prevotella）在GDM女性中明显升高。分泌型免疫球蛋白（SIgA）由肠道黏膜上皮分泌至黏膜层的抗体，富集于肠黏膜层外层，包裹了特定的肠道共生菌或致病菌，有助于保障肠道屏障的完整性［44］。故通过分析SIgA包裹致病菌的含量，可以相对评价肠道黏膜上皮的炎症程度。Cui等［45］的研究发现SIgA包裹的志贺菌在GDM人群中与胰岛素水平和糖化血红蛋白呈正相关。Zhang等［39］报道SIgA包裹的链球菌和大肠杆菌在GDM人群中升高。

Zonulin能够破坏上皮紧密连接，是增加肠道通透性的生理调节因子，被认为是肠道屏障损伤的标志。已有多个研究均发现，在孕早期的GDM女性中，外周血Zonulin明显升高，反应GDM患者肠道屏障受损［39，46-48］。此外，Bawah等［48］前瞻性随访了314例孕期女性测定其孕早期Zonulin水平，其中有21名随后诊断为GDM，结果发现GDM组的Zonulin水平在孕早期明显升高，Zounulin每升高一个单位，GDM风险增加1.42倍。Zonulin的升高意味着肠道屏障受损，病原微生物和食物中的抗原更易进入体循环诱发炎症反应，促进胰岛素抵抗［47］。

Ferrocino［47］对41例GDM女性观察随访发现，高脂饮食与革兰阴性菌另枝菌（Alistipes）有关。并且一系列研究表明，GDM女性中副拟杆菌属（Parabacteroides）［17］，普雷沃菌（Prevotella）［22，40］、脱硫弧菌属（Desulfovibrio）［26］等革兰阴性菌均明显升高。功能代谢分析还发现，GDM女性中肠道菌群内毒素（LPS）合成及转运途径丰富［17，50］。LPS是革兰氏阴性菌细菌壁的一种成分。肠道菌群中革兰阳性菌与阴性菌的失调可能使肠道屏障通透性增高，使具有极强免疫原性的LPS进入体循环，刺激B淋巴细胞产生特异性抗体，诱发炎症反应和胰岛素抵抗［51-53］。已有多项研究报道GDM人群中LPS水平高升高［39，45］。先前的研究表明，较高的循环LPS水平与肥胖、全身炎症状态、代谢综合征等有关［38］。炎症反应和一些促炎因子的释放干扰了GDM 女性的胰岛素下游信号传导，导致胰岛素抵抗及一系列代谢功能障碍，从而使血糖升高［54］。

短链脂肪酸（SCFA）是肠道菌群分解发酵膳食纤维产生的代谢产物，主要包括丁酸盐、乙酸盐、丙酸盐、甲酸盐等［55］。Ferrocino等人的研究证明，高脂饮食或低纤维饮食的GDM女性的厚壁菌门丰度升高，而拟杆菌门丰度降低，产SCFA菌群增多［49］。同样的，Zheng等人［26］通过宏基因组功能通路差异分析发现，与血糖正常的女性相比，GDM女性的丁酸和丙酸等生成减少，表明SCFA通路存在异常。过量升高的SCFA可能使CD8+T细胞升高，诱导脂肪组织的炎症［56］。另一方面，过度升高的SCFA会使宿主发生能量正平衡，促进脂肪合成，抑制脂肪分解，导致肥胖［57-59］。肥胖本身也与肠道菌群失调密切相关，是公认的GDM危险因素之一，GDM女性的孕前BMI往往高于孕期血糖正常女性［60］。此外，SCFA通过促进肝脏和骨骼肌中的糖原合成和抑制糖酵解，从而调节葡萄糖代谢［61］。而肥胖及炎症状态会干扰胰岛素的信号传导，减少葡萄糖摄取［10，62］。总之，SCFA的升高可导致炎症状态、胰岛素抵抗、肥胖状态，可能导致GDM的发生。

综上，目前的证据表明，肠道菌群组成和代谢功能的改变在GDM的发病机制中起到了关键作用，可能是预测GDM发生的潜在生物标志物，为GDM的早期防治及改善GDM的母婴结局提供了新的研究方向。GDM女性的肠道菌群特征主要包括α多样性和β多样性的改变、门和属水平上菌群丰度的变化，例如F／B比值的增高，革兰氏阳性菌和阴性菌比例的失衡，产SCFA细菌的减少等，并与肠道屏障受损、LPS入血、炎症反应、SCFA代谢有关。但由于研究条件所限，各研究的诊断标准、纳入标准、对照组选择、测序方法不一，导致部分研究的结果存在争议。此外，人群的地域差异、饮食习惯、营养状态、排便习惯也可能对肠道菌群的测定产生影响。随着宏基因组学及高通量测序技术的进步，未来的研究还需要涵盖以上因素，进一步在菌株水平上确定GDM发生发展中的特定肠道菌群，为GDM的防治提供潜在的治疗靶标并提供理论基础。