微生态制剂在2型糖尿病预防中的应用

韩芳，金小玲，刘晔，李晓迪，高晓莉

(中部战区总医院营养科，武汉430000)

2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)以高血糖为主要临床表现，起病缓慢且病情逐年加重，并发症较多，包括失明、肾衰竭、肢体坏死等[1]。遗传因素和环境因素等均可对T2DM的发生、发展产生不同程度的影响，使T2DM的预防具有一定困难。以往T2DM预防的研究多着重于生活方式的干预，包括膳食结构的合理化[2]、体重控制[3-4]以及加强体育运动[5-6]等方面。一项队列随访研究表明，对早期糖尿病患者进行生活方式干预，可降低该人群心脑血管事件的发生率和病死率[7]。但生活方式干预的推行难度较大，涉及人力、物力的大量投入，同时受到干预对象配合程度的影响。目前，T2DM预防的研究热点逐渐转向易于生产、普及的肠道微生态制剂。科学研究报道，膳食结构、运动、用药等宿主行为可影响肠道微生态环境，宿主行为与肠道菌群之间存在动态平衡，两者互相影响[8-9]。肠-脑轴理论认为，由于肠-脑轴的存在，微生物及其产物参与宿主行为的调控，相关报道称，1 000多种常用药物中约1/4可能影响肠道菌群稳态[10]。维持肠道微生态平衡对宿主健康至关重要。通过研发新的肠道微生态制剂、积极改善肠道环境来预防T2DM，是肠道微生态制剂未来的重要发展方向之一。现就微生态制剂在T2DM预防中的应用予以综述。

1 肠道微生态制剂概述

1.1微生态制剂分类 微生态制剂按照产品成分可分为三大类，即益生菌、益生元和合生元[11-12]，三者均可增加有益菌的数量，并由此影响宿主健康，但益生菌制剂的功效成分为活菌，可直接对机体产生作用；益生元并不直接对机体产生作用，而是通过其本身或分解产物为有益菌提供养分，促进有益菌的生长；合生元是益生菌和益生元成分的组合，不仅为宿主肠道提供活性益生菌，同时也刺激有益菌的生长和代谢[11]。有益菌的增加可与条件致病菌及有害菌产生拮抗作用，从而调节肠道功能，使其处于最佳状态，促进机体免疫功能的提高。

益生菌制品具有作用直接、起效快等优点，但益生菌制剂也存在自身的局限性。首先，益生菌制剂是否发挥作用与其所含活菌数密切相关，只有当肠道活菌数达到1×106时才能产生有益效果，因此益生菌具有保存时间短、效果不稳定的弊端；其次，活性益生菌本身含有耐药基因或耐药质粒等，这些基因信息可由益生菌传递给肠道致病菌，从而引起宿主的耐药菌感染[12]。Mater等[13]行万古霉素耐药基因体外实验时发现，乳酸杆菌中的万古霉素耐药基因可转移至肠球菌中，进一步验证发现，这一现象也出现在无抗生素的小鼠体内。此外，在重症患者以及免疫力降低的人群中，益生菌的应用还存在引起机会感染的风险。例如，Meini等[14]报道了1例由鼠李糖乳杆菌GG引起的菌血症成年患者，该患者患有严重的大肠溃疡；Vahabnezhad等[15]报道了1例17岁男性在抗生素治疗结肠炎期间服用鼠李糖乳杆菌GG胶囊引起了乳酸杆菌菌血症。肠道益生菌具有迁移的特性，鼠李糖乳杆菌GG可通过肠道患处从肠腔内迁移至血液，此时，患者免疫力降低，易发生机会感染。因此，在临床重症患者尤其是消化道疾病患者以及免疫力降低人群中应用益生菌产品应更加谨慎。

益生元具有化学结构明确、保存期长、稳定性好、热量低、服用量小、配伍性好等优点，但也存在效力短暂、过量的益生元常导致胃胀气等缺点，使其应用受限。

合生元通过将益生菌与益生元结合，既能提供益生菌使其发挥作用，又能促进益生菌的繁殖，延长益生菌发挥健康效应的时长。由于合生元含有活性益生菌，同样需要谨慎考虑迁移以及耐药基因传递等问题。

1.2微生态制剂在T2DM预防中的应用 随着我国T2DM发病率逐年增加以及人们相关知识水平的提升，针对T2DM预防和治疗的保健产品市场迅速扩大。微生态制剂作为新一代保健品，在我国的发展时间较短，因此，应借鉴其他国家的应用策略，规范我国微生态制剂的发展，同时应不断丰富产品种类，提高产品的健康效应。目前用于T2DM预防最常见的益生菌是乳杆菌和双歧杆菌，最常用的益生元是低聚木糖、低聚果糖、低聚异麦芽糖、菊粉、水苏糖以及低聚半乳糖等。产品形态分为食品和膳食补充剂两大类。相关食品主要为奶制品，包括液态奶和酸奶产品。国内添加益生菌和益生元的奶制品种类日趋丰富，但对于多种菌种混合的产品，大多未标明所含各类益生菌的活性及含量，目前微生物检测技术不能实现各个菌种的活菌数检测，监管及企业无法执行和实施，产品质量主要由产品制造商掌握，缺乏规范性。在微生态制剂发展相对成熟的美国加利福尼亚州和俄勒冈州规定了含益生菌的乳制品中益生菌的最低水平；美国其他州益生菌乳制品的配方虽然也由厂商自行配置，且对活菌含量无要求，但规定了至少加入保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌参与乳制品发酵[16]。益生菌和益生元膳食补充剂由于无可靠的研究证据证明其剂量效应，尚需进一步研究。相关膳食补充剂的形态以胶囊、粉剂、片剂、口服液为主，添加活性益生菌、奶制品、低聚果糖以及其他生物活性物质，其活性益生菌含量标准为1×106CFU[10]。

随着肠道微生态研究的不断深入，微生态制剂的新产品也不断出现。Teng等[17]研究发现，生姜产生的纳米颗粒中所含的微RNA(microRNA，miRNA)可影响肠道菌群，使乳酸菌和拟杆菌增多，梭菌减少。乳杆菌和拟杆菌能够发酵低聚糖产生丁酸盐、丙酸盐、乙酸盐等短链脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFA)，提高宿主糖脂代谢能力，进而降低机体慢性炎症的进展[18]，因此推测这种由生姜产生的miRNA颗粒可能在T2DM的预防中发挥作用，可作为相关肠道微生态制剂的研究方向。Koh等[19]报道，丙酸咪唑为肠道微生物产生的组氨酸衍生代谢物，与T2DM发病具有相关性，丙酸咪唑能够促进T2DM的发生，通过宏基因组分析鉴定出产生丙酸咪唑的微生物有42株，其中有28株在T2DM患者体内富集。如果能够采用相应微生态制剂抑制上述42株微生物的生长，可能在肉类消耗较多的人群中起到降低T2DM风险的作用。Singh等[20]报道，不可溶性膳食纤维不会引发肝癌，而可溶性膳食纤维在失衡菌群的发酵下可能增加肝癌的发病率。因此，在微生态制剂中添加可溶性膳食纤维应更加谨慎。上述的研究结果为微生态制剂在T2DM预防中的应用提供了新的思路。

微生态制剂在多数情况下是安全有效的，但对于特殊群体(如严重免疫缺陷、营养不良或癌症患者)微生态制剂可能导致严重的败血症，甚至死亡。同时，微生态制剂的给药方式也与安全性相关。Ackland等[21]报道，对危重患者采取空肠灌注方式给药可能产生较大风险。随着微生态制剂的发展，其安全性逐渐成为研究的焦点，迫切需要更多的循证医学证据以及大规模的临床试验进一步验证。

2 微生态制剂预防T2DM的机制

肠道菌群的发酵底物为肠道中的食物残渣和肠道上皮细胞分泌物。微生态制剂为肠道益生菌或益生菌提供营养物质，有利于有益菌的生长繁殖，以使其占据肠道黏膜表面，使有害菌失去定植位置，保护肠道黏膜不受有害菌损害，并且能产生SCFA和维生素，促进胆盐代谢，调节胃肠道传输功能，促进肠上皮细胞更新，中和致癌物或有害异物等[22-23]。而微生态制剂可帮助维持肠道微生态平衡和完整性，保证正常的代谢功能，形成良性循环。相关研究证明，肠道菌群结构与T2DM易感性相关，健康人群与T2DM人群的肠道微生态环境差异显著[24-25]。肠道微生态制剂通过调节肠道微生物的组成结构，使其更接近健康人而非T2DM患者，从而起到预防T2DM的作用。通过微生态制剂对肠道微生态平衡的调节来预防T2DM有较强的理论可行性。随着研究的深入，肠道菌群与T2DM发病机制相关的理论逐渐增多，目前研究较多的包括能量代谢、肠道黏膜屏障以及炎症等。

2.1影响能量代谢 人类不具有消化低聚糖的酶类，但健康的肠道微生态环境中的拟杆菌、双歧杆菌和肠杆菌等肠道菌群能够将宿主无法分解的纤维素和胆固醇分解为SCFA和胆汁酸。SCFA在能量代谢方面的影响同时涉及肠道菌群及其宿主，并由此影响宿主外周组织的胰岛素敏感性。相关研究表明，SCFA可降低体重，增强外周组织对脂肪酸的利用率，从而提高外周组织的胰岛素敏感性[26-28]。SCFA中的丁酸盐为结肠细胞提供能量，同时SCFA也为肠道菌群提供能量，健康的肠道环境中有足量的纤维素作为底物供菌群发酵产生SCFA，可供发酵的纤维素不足会导致肠道微生物发酵产生的SCFA不足，不能为肠道微生物提供充足的能量，使微生物发酵活力降低，产物减少，此时，肠道微生物会将肠道中的膳食氨基酸、内源蛋白质以及膳食脂肪作为发酵底物用于维持SCFA浓度，而该发酵过程中产生的副产物(如异丁酸、2-甲基丁酸、异戊酸)参与机体胰岛素抵抗的发生、发展[27]。因此，膳食中提供充足的膳食纤维素供肠道菌群发酵，有助于维持肠道益生菌活性并预防T2DM。

肠道微生物发酵胆固醇后产生的胆汁酸也可通过能量代谢过程影响胰岛素敏感性。Cariou等[29]报道，胆汁酸参与糖脂代谢的调节过程，并提高胰岛素敏感性。Everard等[30]报道，在肥胖合并糖尿病小鼠模型中，肠道菌群产生的胆汁酸参与调节宿主瘦素的敏感性和糖平衡。Joyce等[31]研究发现，胆固醇发酵产生的胆汁酸可加快脂肪组织的代谢。此外，胆汁酸还可通过直接激活胰岛素细胞表面的G蛋白胆汁酸偶联受体5，调节胰高血糖素样肽(glucagon-like peptide，GLP)-1的分泌，进而增加胰岛素的合成和分泌[32]。综上，瘦素由脂肪细胞产生，在糖代谢稳态调节中起重要作用，可促进GLP-1分泌。低聚糖等益生元的应用可促进近端结肠GLP-1和GLP-2的合成，并可促进空肠和结肠中能够产生GLP-1、GLP-2的内分泌细胞的增殖[32]。肠道菌群及其产物可通过能量代谢途径影响宿主的胰岛素敏感性，因此，使用益生元调节肠道菌群并提高瘦素和胰岛素的敏感性，对治疗肥胖、预防T2DM有潜在的应用价值。

2.2影响肠道黏膜屏障功能 研究表明，肠道菌群可影响肠道黏膜的屏障功能[33-35]。宿主体内的肠肝循环能够将胆汁酸转化，而肠道菌群是该循环中的重要环节之一。胆汁酸与寄生物或其他异质物结合成为结合胆汁酸，肠道菌群将结合胆汁酸水解，水解后释放出游离胆汁酸[33]。胆汁酸可刺激胃肠蠕动、缓解便秘，刺激胃肠激素分泌促进消化，降低肠道 pH值，促进钙、铁等的吸收并抑制有害菌的生长，防止肠道菌群移位。当肠道菌群失衡时，胆汁酸转换受阻，肠壁长时间接触胆汁酸易发生慢性腹泻并增加直肠癌风险[34]。Münch等[35]研究发现，低水平的脱氧胆酸能够使结肠上皮的通透性增加，肠道组织对细菌的吸收增加，而对胆汁的吸收降低；当大量未被吸收的胆汁进入结肠时，高浓度的胆汁酸会抑制肠道益生菌的生长繁殖，使肠道菌群失调状况更加严重，而微生态制剂的使用可通过改善肠道黏膜屏障使该动态平衡更加稳定。

微生态制剂可提高肠道有益菌的比例，并附着于肠道黏膜上，拮抗有害菌群。肠道菌群发酵产物SCFA和胆汁酸也在肠道黏膜屏障中发挥重要作用，防止有害菌侵袭和移位。当肠道黏膜的屏障功能发生障碍时，增加的肠道上皮细胞通透性将有利于更多脂多糖直接进入血液，导致脂多糖血症，通过Toll样受体4/CD14等炎症通路诱导胰岛素抵抗[34]。

SCFA可参与调节肠道pH值，当pH值适宜时，肠道环境可促进益生菌的繁殖，并抑制有害微生物的定植；同时，SCFA是肠道细胞的重要能源物质，对肠道细胞有营养作用。此外，丁酸盐通过影响中性粒细胞的功能及转移，抑制血管细胞炎症因子，使结肠上皮细胞紧密连接蛋白的表达水平升高，并降低结肠上皮细胞通透性，提高免疫力，降低有害物质的吸收[18]。

2.3影响慢性炎症的进展 研究表明，炎症反应可通过多种通路促进胰岛β细胞凋亡，胰岛β细胞的减少使胰岛功能发生障碍，导致胰岛素分泌相对不足，血糖升高[36-37]。在炎症反应发生过程中，脂多糖至关重要，当菌群失调时，肠道中产生脂多糖的格兰阴性菌比例增加，有益菌比例降低，肠道黏膜通透性增加，导致更多的脂多糖产生，并通过肠道黏膜吸收入血液[36]。

肠道微生态制剂可减轻慢性炎症主要体现在两方面：①增加肠道有益菌的比例，减少有害菌在肠道黏膜表面的定植。Teng等[17]研究发现，生姜产生的纳米颗粒中的miRNA可影响肠道菌群，乳酸菌和拟杆菌增多，梭菌减少。乳杆菌可产生芳香烃受体配体，促使肠道分泌黏液，将肠上皮与细菌隔离，从而减轻肠道炎症；当肠道微生态发生紊乱时，厚壁菌门中的柔嫩梭菌及脆弱拟杆菌数目降低，肠道调节免疫的能力降低[34]。②肠道菌群发酵产物的影响，Miller等[34]报道，丁酸盐可影响血管内皮细胞黏附分子，从而影响肠道炎症的进程，增加肠道细胞的抗炎能力；Dolan和Chang[38]报道，肠道菌群中罗伊乳杆菌能够将色氨酸转化为吲哚甲酸，刺激芳香烃受体表达，起到降低炎症反应的作用。肠道微生态破坏时，结合胆汁酸的吸收降低，在肠道中的浓度升高，过高浓度使胆汁酸抗炎作用损害，同时促进炎症的发生，而维持肠道微生态平衡可减轻慢性炎症，从而降低宿主发生胰岛素抵抗并进展为T2DM的风险[33]。

3 小 结

随着研究的逐渐深入，肠道微生态在T2DM发生、发展中的作用逐渐明确。但微生态制剂在T2DM预防中的应用才刚刚起步，产品种类单一，应用范围以及给药方式的安全性仍需不断验证。同时，新的研究成果也使微生态制剂有了更多的发展方向。未来应在微生态制剂应用的人群差异方面进行更深入、系统的研究，通过下一代测序和生物信息学平台对益生菌进行筛选和分离，分析菌株水平的协同作用，开发新型微生态制剂，致力于精准靶向改善或治疗特定疾病，使微生态制剂在预防T2DM中发挥更大的作用。