肠黏膜屏障在1型糖尿病中的作用研究进展①

宋超杰 张小莉 陈换换 唐 聪 （河南中医药大学，郑州 450046）

1型糖尿病（diabetes mellitus type 1，T1DM）是一种自身免疫性疾病，好发于儿童和青少年，其发病与遗传和环境因素密切相关。全球糖尿病地图（IDF Diabetes Atlas）第9版显示，T1DM发病率呈逐年上升趋势，2019年中国儿童和青少年（0～19岁）T1DM患者近5万，位居世界第四［1］。因此，研究T1DM的发病机制、寻求防治T1DM的有效方法尤为重要。PEET等［2］研究表明，HLA（人类白细胞抗原）编码位点是T1DM易感性最重要的位点，约70%T1DM患者携带HLA等位基因，各种HLA基因型可能影响新生儿微生物定植。近年肠道菌群失调被认为是引发T1DM的重要环境因素［3-4］。研究表明，肠道菌群失衡可引起肠道通透性增加，使条件致病菌及内毒素易位至胰腺淋巴结，进而引发T1DM［5-6］。调控肠道菌群、改善肠黏膜屏障可显著改善 T1DM［7-10］。

1 肠黏膜屏障

肠黏膜屏障主要由免疫屏障、机械屏障、化学屏障、微生物屏障四部分组成，这些功能分别对应相应的结构基础，任一方面损伤均可能导致细菌、内毒素移位，引发肠道炎症。

1.1 肠黏膜免疫屏障 肠道是人体最大的免疫器官，约占外周免疫细胞的70%。肠黏膜免疫屏障包括肠相关淋巴组织（gut-associated lymphoid tissue，GALT）和弥散淋巴细胞。GALT主要指分布于肠道集合的淋巴小结，是免疫应答的诱导和活化部位。弥散淋巴细胞是肠黏膜免疫的效应部位。肠道免疫系统的效应部分包括树突状细胞（dendritic cell，DC）、M细胞、肠巨噬细胞、黏膜层淋巴细胞、肠上皮内淋巴细胞和分泌IgA的浆细胞，其中分泌性IgA是胃肠道和黏膜表面的主要免疫效应分子，对肠黏膜免疫起重要作用，是防御致病菌在肠黏膜黏附和定植的第一道防线。

1.2 肠黏膜机械屏障 肠黏膜机械屏障作为第一道屏障能防止肠道毒性物质进入全身循环，由肠上皮细胞、上皮细胞间紧密连接及覆盖在上皮细胞表面的黏液层共同构成。肠上皮细胞由5种细胞组成：吸收细胞、产生黏液的杯状细胞、分泌激素的肠内分泌细胞、呈递抗原的潘氏细胞和M细胞。潘氏细胞位于肠道隐窝基底部，分泌抗生素，如防御素、cathelicidins抗菌肽（CAMP）。细胞间紧密连接主要由紧密连接蛋白组成，包括咬合蛋白（Occludin）、闭合蛋白（Claudin）、带状闭合蛋白（Zonula occludens，ZO）家族、连接黏附因子等。

1.3 肠黏膜化学屏障 肠黏膜化学屏障由胃肠道分泌的胃酸、胆汁、黏液、各种酶、黏多糖等组成。肠黏液与浆细胞分泌的IgA结合用于肠道细菌的免疫选择，且抑制病原微生物定植于肠上皮［11-12］。脂肪酸合酶是一种由杯状细胞分泌的调节黏蛋白2的合成酶，在保护肠上皮细胞中发挥重要作用。

1.4 肠黏膜微生物屏障 人体肠道内微生物种类有500～1 000种，数量为1×1013～1×1014个，以革兰氏阴性菌为主的拟杆菌门和以革兰氏阳性菌为主的厚壁菌门为优势菌群［13］。肠道菌群按功能可分为3类：益生菌、致病菌和条件致病菌。正常菌群在人体肠道内黏附、定植和繁殖，形成一层“菌膜屏障”，抵抗并排斥病原菌定植、入侵，以维护机体内环境稳定。肠道菌群失衡可引发机体免疫失调、代谢紊乱及炎症性疾病等。

2 肠黏膜屏障参与T1DM的可能作用机制

研究表明，肠道菌群失调，尤其是肠道中革兰氏阴性菌增加，其细胞壁结构中的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）释放产生大量内毒素，破坏肠道黏膜，导致肠壁渗漏，并可吸收入血，进一步刺激免疫细胞分泌炎症因子，如 TNF-α、IL-17 等［14］。SOFI等［15］研究表明，T1DM患者血浆中LPS增多，其原因可能为T1DM患者肠道通透性增加，LPS通过受损的肠黏膜屏障入血。目前认为T1DM患者肠道免疫屏障、机械屏障、化学屏障、微生物屏障功能受损与肠道菌群失衡密切相关，但机制未明。

肠黏膜屏障完整性不仅对胃肠道健康发挥作用，且对其他组织器官的正常功能也至关重要［16］。研究发现，非肥胖糖尿病（nonobese diabetes，NOD）小鼠及链脲佐菌素（streptozocin,STZ）诱导的T1DM小鼠胰腺淋巴结中发现易位的肠道细菌，其可能作用机制为肠黏膜屏障功能受损促进细菌由肠道向胰腺淋巴结转移［5-6］。此外，这些易位细菌激活胰腺淋巴结内的CD11b+髓细胞内的NLR家族成员核苷酸结合寡聚化结构域2（NOD2）受体，从而促进致病性T辅助细胞1（T helper type 1，Th1）和Th17分化，参与T1DM发病过程［6］。

3 T1DM患者及动物模型肠黏膜屏障改变

3.1 T1DM中肠黏膜免疫屏障改变 MIRANDA等［5］研究发现，4～6周龄NOD小鼠结肠IgA水平降低，肠黏膜屏障功能明显缺陷。研究发现，缺乏TLR接头分子髓样分化因子88（MyD88-/-）的NOD小鼠在SPF级环境下可避免糖尿病发生［17］。MACPHERSON等［18］将MyD88-/-NOD小鼠肠道菌群移植给NOD小鼠，可触发肠道调节性免疫应答，并增加IgA和TGF-β表达，改善肠黏膜屏障功能障碍，保护NOD小鼠避免T1DM发生。

3.2 T1DM中肠黏膜机械屏障改变 通过乳果糖-甘露糖渗透实验测定肠道渗透性，BOSI 等［19］发现T1DM患者肠道渗透性均大于正常人群。动物模型及临床试验进一步得知，T1DM个体肠道中紧密连接蛋白ZO-1、Claudin、Occuludin等含量不同程度降低，肠绒毛长度、黏液厚度及隐窝深度也有不同程度降低［13，20］。MC GUCKIN 等［21］发现，T1DM 患者潘氏细胞数正常，但杀菌活性降低，表明T1DM与潘氏细胞活性降低有关，而非细胞数量变化。易患糖尿病生物繁殖型糖尿病（DP-BB）大鼠是一种自发T1DM模型，VISSER等［22］发现DP-BB大鼠结肠中Claudin-1、Claudin-2、Occludin水平降低，且肠道通透性升高。

3.3 T1DM中肠黏膜化学屏障改变 WEI等［23］研究表明，FAS水平降低与STZ诱导的T1DM小鼠黏液厚度减少及肠道炎症有关。MIRANDA等［5］研究发现，与非肥胖糖尿病抗性（NOR）小鼠相比，NOD小鼠肠黏液分泌减少，分泌型IgA水平降低，这些肠道改变多发生于T1DM前。

3.4 T1DM中肠黏膜微生物屏障改变 大量研究表明，T1DM 患者和动物模型存在肠道菌群失调，主要表现在结构和功能上，如菌群多样性下降、拟杆菌门/厚壁菌门比升高、乳杆菌属和双歧杆菌属数减少、产丁酸盐的细菌如Roseburia faecis和Faecalibacterium prausnitzii显著减少等［10，24-25］。表1 总结了涉及T1DM患者及动物模型肠道菌群变化的研究。

表1 T1DM患者及动物模型肠道菌群变化Tab.1 Changes of intestinal flora in T1DM patients and animal model

4 保护肠黏膜屏障改善T1DM

4.1 孕期治疗改善后代肠道菌 NEEDELL等［7］在孕前T1DM大鼠饮用水中加入SCFAs（甲酸、丙酸、丁酸）补充剂，发现子代大鼠肠道菌群中双歧杆菌、梭状芽胞杆菌丰度降低，推测SCFAs通过调节肠道菌群减轻胰岛炎症、降低T1DM发生率。相反，从断奶开始服用SCFAs饮水的大鼠不能避免T1DM发生。孕期和哺乳期给予雌性NOD小鼠无麸质饮食，可明显降低其后代T1DM发病率，后代肠道菌群丰度提高，尤其是Akkermansia菌和Proteobacteria菌，此外，与普通饮食小鼠相比，无麸质饮食小鼠后代肠道Treg细胞增加，而胰腺CD11b+DC减少［35］。表明孕前或哺乳期给予T1DM孕鼠特殊饮食可通过改变子代肠道菌群组成减少T1DM发生。

4.2 菌群移植改善T1DM 粪便微生物菌群移植（fecal microbiota transplantation，FMT）是T1DM的有效治疗方法，已用于多种疾病防治，如克罗恩病、2型糖尿病、溃疡性结肠炎［3，36-37］。将MyD88缺陷型NOD小鼠粪便菌群移植给野生型NOD小鼠可减轻胰岛炎症，延缓T1DM发展［34］。乳酸杆菌和梭菌为肠道益生菌，其数量增加可降低T1DM发病率。向NOD小鼠移植Akkermansia muciniphila可延缓T1DM发展，肠黏液和Treg细胞数增加，血清细菌内毒素水平和胰岛TLR表达降低［38］。VALLADARES 等［39］从抗糖尿病大鼠肠道中分离出约翰逊氏乳杆菌N6.2移植给DP-BB大鼠，可减轻T1DM。

4.3 补充益生菌改善T1DM 益生菌是一种活的微生物，以单独或多种形式应用时可维持宿主健康，对肠黏膜屏障完整性具有调节作用，通过多种机制发挥作用，包括抑制病原菌生长、促进黏液产生、改善肠道上皮完整性、调节菌群紊乱和免疫系统等。

益生菌通过改善胰岛整体功能和肠道-胰腺免疫调节调控T1DM发生发展。2004年至2014年，对美国和欧洲8 676例有T1DM遗传风险的婴儿进行前瞻性研究发现，婴儿出生27 d开始通过饮食补充剂和/或强化婴儿配方食品服用益生菌，其胰岛自身免疫风险降低，原因可能为益生菌可重塑肠道菌群影响对环境暴露的免疫应答，降低T1DM发病率［40］。每天补充酪酸梭状芽孢杆菌CGMCC0313.1可延缓T1DM发作，与肠道中Treg细胞向胰腺迁移及肠道、胰腺淋巴结、胰腺中Th1、Th2和Th17水平降低有关［41］。GROELE等［42］给予T1DM患儿鼠李糖乳杆菌GG和乳酸双歧杆菌Bb12组成的混合益生菌，可恢复其肠道菌群失衡，调节免疫细胞并维持胰岛细胞数量和增殖，进而改善T1DM。表明益生菌在控制T1DM方面作用较好。

4.4 补充SCFAs改善T1DM 肠道菌群与胰腺的相互作用也通过菌群代谢产物SCFAs发挥作用［43］。特殊饲料喂养的NOD小鼠可产生大量SCFAs，避免NOD小鼠发生T1DM［44］。与对照组儿童相比，胰岛自身免疫病和T1DM患儿SCFAs细菌丰度降低［45］。研究发现，由胰岛β细胞特异性表达的CAMP与T1DM 密切相关，并受 SCFAs影响［46-47］。丁酸盐（SCFAs的一种）干预的NOD小鼠可通过重塑肠道菌群改善T1DM［48］。且丁酸盐干预8 d后，NOD小鼠胰腺淋巴结及脾脏中Treg细胞数增加，胰腺CAMP表达升高，说明肠道菌群及其代谢产物与胰岛在糖尿病治疗中具有重要作用［49］。十二指肠淋巴结与胰腺淋巴结存在淋巴连接，有学者认为其是内分泌与外周肠源性相交的通道，由于胰腺淋巴结能排出乳糜微粒吸收肠道抗原，因此肠道菌群改变及肠屏障功能障碍均可能引发T1DM［50］。

5 展望

T1DM是一种胰岛β细胞被定向破坏导致胰岛素分泌不足的自身免疫性慢性疾病。肠道菌群作为环境因素更多地参与T1DM发病过程。最近研究发现，肠屏障功能紊乱与T1DM患者自身免疫功能增强有关。肠道菌群失衡与T1DM密切相关，表现为肠道菌群丰度及多样性变化，肠道免疫系统过度活化和肠道上皮通透性改变，肠腔内抗原、微生物易位至其他组织器官，包括胰腺和胰腺淋巴结。但菌群失衡、肠黏膜屏障受损可能导致T1DM发病的机制尚不清楚。

调节肠道菌群是改善T1DM的新方法，致力于改善肠道菌群丰度和多样性的方法仍处于不断探索中。婴儿在早期生活中增加益生菌摄入、将健康供体肠道微生物群移植给有T1DM倾向的个体、给予益生菌或修复缺失的细菌是很有前途的T1DM治疗方法。但这些治疗方法面临许多挑战，包括在菌群移植过程中某些疾病传播的可能性，在准备过程中益生菌与其他菌污染的可能性。需要继续研究肠道菌群在胰岛自身免疫性疾病发展中的作用，以期提供更好的T1DM防治新方法。