肠道菌群-胆汁酸轴与2型糖尿病关系的研究进展

周舒婕，杨阳，柯亭羽

(昆明医科大学第二附属医院内分泌科，昆明 650101)

糖尿病是一种代谢性疾病，以血糖升高为主要特征，并伴随视网膜病变、肾病、心血管并发症等。由于人们生活水平的提高、社会节奏的加快、高盐高脂高热量的饮食习惯，及体力活动的缺乏、精神压力等多重因素，糖尿病的患病率逐年增加。截至2019年，全球糖尿病患病率约为9.3%，预计2030年将升至10.2%，2045年升至10.9%[1]。根据病因不同，糖尿病分为1型、2型及其他特殊类型。与其他代谢性疾病类似，2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)的发病也是由遗传和环境因素共同决定。胰岛素抵抗及胰岛β细胞功能缺陷是T2DM发病的主要机制，其中胰岛素抵抗是关键。人类有超过330万个肠道微生物基因[2]，目前已发现罹患糖尿病的风险与“人类第二大基因组”即肠道微生物组(也称为肠道宏基因组)相关[3]。肠道菌群与其代谢产物胆汁酸相互作用，通过多种机制参与T2DM的发生发展，共同参与机体糖代谢稳态的调节。现就肠道菌群-胆汁酸轴与T2DM关系的研究进展予以综述，以为防治T2DM提供新思路。

1 胆汁酸及胆汁酸信号通路

胆汁酸是机体内胆固醇的代谢产物，作为胆汁的重要组成成分，其主要作用为促进脂类消化吸收，防止结石形成。肝脏是合成胆汁酸的唯一场所，正常情况下，75%的胆固醇通过经典途径合成初级胆汁酸，其余通过替代途径合成。其中，胆固醇7α-羟化酶(cholesterol 7α-hydroxylase，CYP7A1)是经典途径的限速酶，甾醇27-羟化酶是替代途径的限速酶。初级胆汁酸[主要包括胆酸、鹅去氧胆酸(chenodeoxycholic acid，CDCA)]与甘氨酸或牛磺酸结合形成结合型胆汁酸后，经胆盐输出泵排泌到胆管，进入胆囊浓缩储存。机体进餐后，胆囊收缩促使这种初级结合型胆汁酸分泌到肠道中，约95%的胆汁酸在回肠末端及结肠通过主动运输的形式被重吸收入肝脏，这一过程称为胆汁酸的肝肠循环。剩余未被重吸收的胆汁酸在远端小肠和结肠部位，首先在胆盐水解酶作用下去结合形成游离胆汁酸，再经7α-脱羟基酶作用由初级胆汁酸转变为次级胆汁酸(脱氧胆酸、石胆酸)，最终从粪便排出[4-6]。胆汁酸循环过程中还可以发生硫酸化、差向异构化等变化，且不同结构的胆汁酸吸收转运的方式也不同。肝肠循环使机体每日产生的有限胆汁酸得到最大程度的充分利用，降低了机体的消耗。胆汁酸作为信号分子与法尼醇X受体(farnesoid X receptor，FXR)、G蛋白偶联胆汁酸受体5(G protein-coupled bile acid receptor 5，TGR5)等受体结合，可以调控胆汁酸合成并参与机体糖脂代谢及能量代谢，正常的胆汁酸信号通路与糖稳态的维持密切相关。FXR主要分布于细胞核，FXR在不同部位启动不同的下游靶基因表达，负反馈抑制胆汁酸合成。在肝脏，FXR被胆汁酸激活后，小异二聚体伴侣表达增加，小异二聚体伴侣与肝受体同源蛋白1结合可抑制胆汁酸经典途径合成所需的限速酶CYP7A1，从而减少胆汁酸合成[7]。TGR5由肠道L细胞表达，其与胆汁酸结合后，通过激活蛋白激酶A等激酶途径引发一系列下游级联反应，影响细胞能量代谢[8]。对小鼠模型的研究发现，TGR5调节细胞能量代谢还与诱导米色脂肪分化、重塑线粒体形态与结构、调节细胞呼吸等作用相关[9]。可见，胆汁酸信号通路是肠道菌群-胆汁酸轴发挥糖调节作用的关键步骤。

2 肠道菌群-胆汁酸轴及其与T2DM的关系

作为人体组成部分之一的肠道菌群，可以产生次级胆汁酸、短链脂肪酸、脂多糖、肽聚糖等各种有益或有害的代谢产物作用于人体[10-13]。而作为肠道微生物代谢产物之一的胆汁酸反过来又可以作用于肠道菌群。肠道菌群与胆汁酸之间有复杂、密切的联系，两者形成肠道菌群-胆汁酸轴，轴上任何一个环节出现问题，均将会通过一系列级联反应影响机体代谢，从而参与各种代谢性疾病尤其是T2DM的发生发展。

2.1肠道菌群改变胆汁酸池从而影响糖代谢

2.1.1肠道菌群影响胆汁酸池的组成 人体肠道菌群包含的微生物超过100万亿个，其中主要包括拟杆菌门、厚壁菌门和放线菌门[14]。胆汁酸在肝脏合成，运输到远端回肠及结肠后发生的解共轭、脱羟基和脱氢反应是在肠道微生物的作用下完成。大部分肠道微生物具有胆盐水解酶活性。其中，拟杆菌除了解离作用外，还可以将胆汁酸氧化、差向异构化及酯化[15]，厚壁菌门具有大部分肠道微生物不具备的7α-脱羟基作用[16]。经过肠道微生物的这些作用后，初级胆汁酸转变成次级胆汁酸及其他数十种代谢产物，作为信号分子参与机体代谢。T2DM患者肠道菌群发生显著变化，益生菌(如双歧杆菌)数量减少，机会致病菌(拟杆菌、大肠埃希菌等产生内毒素的革兰阴性菌)数量增多。此外，研究还发现，胰岛素抵抗者肠道菌群中厚壁菌门与拟杆菌门比值升高[12]。糖代谢紊乱的患者循环中胆汁酸的含量及比例也发生变化，与正常人相比，糖耐量受损者和T2DM患者体内初级胆汁酸与次级胆汁酸比值下降[17]。据此推测，胆汁酸池与肠道菌群之间存在一定联系。研究发现，传统饲养的小鼠胆汁酸池种类远多于无菌小鼠[16]。而使用抗生素后，依赖肠道菌群产生的次级胆汁酸比例显著下降[18]。说明没有肠道菌群的作用，胆汁酸的多样性会减少。当具有解共轭、脱羟基等作用的细菌数量改变时，初级胆汁酸与次级胆汁酸的比例随之发生变化。

2.1.2胆汁酸池的改变对糖代谢的影响 初级胆汁酸中的CDCA是经CYP7A1催化产生的非12α-羟化胆汁酸，是FXR的激动剂；而次级胆汁酸中的脱氧胆酸是FXR的部分拮抗剂[19]。另外，存在于小鼠体内的一种结合型胆汁酸——牛磺酸结合型鼠胆酸是FXR的天然拮抗剂[20]。由此可见，胆汁酸受体对不同结构胆汁酸的敏感性不同。小肠内葡萄糖的吸收主要依靠两类转运蛋白，即葡萄糖转运蛋白和钠-葡萄糖协同转运蛋白。研究发现，具有FXR激活效应的胆汁酸通过磷酸化胞外信号调节激酶信号通路，使葡萄糖转运蛋白2表达增多，促进肠道上皮细胞摄取葡萄糖；此外，FXR激活后通过影响氧化磷酸化过程减少肠上皮细胞能量生成[21]。另有研究发现，肠胆汁酸缺乏的患者更易发生高血糖，重症肠胆汁酸缺乏患者血糖异常升高的比例约为30%[21]。可见，胆汁酸水平及比例改变会影响FXR激活效应，进而通过调控葡萄糖的吸收和能量代谢影响机体葡萄糖稳态。在远端回肠，次级胆汁酸激活FXR后诱导成纤维细胞生长因子19(fibroblast growth factor 19，FGF19)表达[22]，FGF19通过激活促分裂原活化的蛋白激酶通路促进脂肪细胞摄取葡萄糖[23]，以改善胰岛素敏感性和葡萄糖耐受性。胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)是一种肠促胰素，其通过与相应受体结合促进胰岛素分泌、抑制胰高血糖素分泌、抑制食欲及延缓胃排空、刺激胰岛β细胞增殖、抑制胰岛β细胞凋亡等机制发挥降血糖的作用[24-25]。胆汁酸结合TGR5后促进肠道内分泌细胞分泌GLP-1，也可以对糖代谢产生积极影响[26]。胆固醇一部分在CYP7A1作用下直接转变为非12α-羟化胆汁酸CDCA，另一部分再经甾醇12α-羟化酶作用形成12α-羟化胆汁酸即胆酸。且胰岛素抵抗者甾醇 12α-羟化酶活性更高[27]，表明胰岛素抵抗者胆酸与CDCA的比值增高。一项针对45例有妊娠期糖尿病病史女性的研究发现，非12α-羟化胆汁酸比例升高更有利于血糖控制[5]。值得注意的是，12α-羟化胆汁酸与非12α-羟化胆汁酸比值的增加与胰岛素抵抗有关。因为胆酸与CDCA的分子结构不同，两者的比值决定了胆汁酸池的疏水性，故推测，胆汁酸池比例改变引起的理化性质改变可影响胰岛素敏感性。

正常情况下，胆汁酸作为信号分子激活胆汁酸受体触发下游级联反应来调节葡萄糖代谢、改变胰岛素敏感性和影响能量消耗，当异常的肠道菌群打破胆汁酸池调控糖代谢平衡时，就会出现机体糖耐量的异常，甚至发展为糖尿病。然而，从空腹血糖受损发展为糖耐量异常，最后形成T2DM，肠道菌群和胆汁酸池在这个过程不同阶段的具体变化研究还不够充分和完善。因此，通过对肠道菌群和胆汁酸池进行动态跟踪研究，将有利于人们在糖尿病发生发展的不同阶段对糖稳态异常提出针对性的防治意见。

2.2胆汁酸影响肠道菌群从而调节糖代谢 胆汁酸可以通过干扰RNA的二级结构，影响细菌蛋白质合成[28]。且游离胆汁酸表现出强烈的细胞毒作用，对耐受性差的细菌，胆汁酸可以直接抑制其生长。另外，胆汁酸与FXR结合后引起免疫应答及诱导抗菌肽产生[29]，也会对细菌细胞膜造成破坏。上述作用导致的共同结果为随着肠道远端部位胆汁酸的蓄积，只有能够耐受高胆汁酸浓度的微生物群才能在肠道中生存。van Best等[30]研究发现，结合型胆汁酸(如牛磺胆酸)可以增加新生小鼠肠道微生物种类，显著降低大肠埃希菌的丰度，使肠道菌群组成更加接近成年小鼠，而熊脱氧胆酸却没有引起这种变化。在人体内，结合型胆汁酸同样可以促进肠道菌群的多样性[31]。可见，肠道从胎儿时期的无菌状态到成年后拥有稳定的微生物群落生态系统，除了与出生后与母体及外部环境的接触相关，胆汁酸也是促成肠道菌群多样性及成熟的重要因素，且不同种类的胆汁酸对肠道菌群的影响不同。肠道菌群可以产生短链脂肪酸、氧化三甲胺、胆汁酸等代谢产物来调节葡萄糖及血脂能量代谢、影响肠道通透性、改变胰岛素敏感性；产生单核细胞趋化蛋白1、γ干扰素等细胞因子引起慢性炎症。同时，肠道菌群中的革兰阴性菌可以产生脂多糖引起内毒素血症[10,13,16,32]。因此，一旦肠道微生物系统的平衡被打破，就有可能发生T2DM、非酒精性脂肪肝等代谢性疾病。

2.3其他 减肥外科手术是目前肥胖症患者减轻体重并获得长期维持最有效的手段，迄今为止，已有50多种手术用于病态肥胖的治疗[33]，其中胃绕道旁路手术(Roux-e-Y gastric bypass,RYGB)和垂直袖状胃切除手术(vertical sleeve gastrectomy，VSG)使用最广泛。有研究通过比较减肥手术和传统减肥方法，发现对有糖尿病的肥胖症患者，减肥手术在减重的同时还能明显且持续地改善血糖水平[34]，说明减重手术的意义不仅是单纯降低体重。传统观点认为，VSG、RYGB等减肥手术减轻体重主要通过减少胃容量及胃肠改道，从而限制营养物质的吸收。但Ryan等[35]研究发现，FXR基因正常小鼠行VSG后，肠道内与T2DM发病风险呈正相关的拟杆菌丰度降低，与T2DM发病风险呈负相关的罗氏菌丰度增加，然而在FXR基因被破坏以及没有进行VSG的小鼠体内未发现拟杆菌和罗氏菌丰度的明显变化，说明肠道菌群的改变是VSG后患者体重下降及血糖、糖化血红蛋白等糖尿病指标控制良好的一个重要因素。RYGB和垂直带状胃成形术术后，机体胰岛素抵抗和异常糖耐量改善的效果明显，同时伴随微生物组多样性改变，VSG后血浆总胆汁酸水平升高[36-37]。说明胃容量机械性减少及营养物质吸收的限制并不是减肥手术起效的主要原因，手术减轻体重和改善胰岛素抵抗主要与循环中胆汁酸含量增多及肠道菌群的改变相关。FXR基因敲除小鼠VSG后降低的体重会反弹[35]，说明减肥外科手术后长期的血糖达标和持久的减重效果与FXR信号通路对机体代谢的调控有关，也间接强调了胆汁酸的重要性。有研究通过比较RYGB与强化医疗管理的T2DM各项指标，发现行RYGB的患者在获得更明显体重下降的同时，在改善胰岛素抵抗和减少其他降糖药物使用等方面优于强化医疗管理的患者[22]。RYGB后，血清胆汁酸与FGF19水平升高，考虑与RYGB缩短消化道长度，使胆汁酸快速到达小肠末端，加速肠肝循环相关。可见，减肥外科手术对T2DM患者的积极影响与肠道菌群-胆汁酸轴相关，通过探索外科手术与体内神经、激素改变的联系，使多学科联合治疗T2DM成为可能。

3 调节肠道菌群-胆汁酸轴防治T2DM

T2DM的药物治疗方法包括口服降糖药物和皮下注射胰岛素或胰高血糖素样肽-1受体激动剂。这些药物通过促进胰岛素分泌、增加外周组织对胰岛素的敏感性、抑制肝脏葡萄糖输出、延缓小肠吸收碳水化合物、促进尿糖排泄等机制调节血糖，改善糖尿病抵抗。随着研究的深入，人们逐渐发现降糖药物传统降糖机制以外的作用靶点，即肠道菌群和胆汁酸，发现其他非常规降糖药物(降脂药等)对T2DM患者紊乱的糖稳态和胰岛素抵抗也具有调节作用。

3.1以肠道菌群为靶点 饮食中膳食纤维比例增高可以通过增加饱腹感、减少体重增加、降低血糖和胆固醇水平等对代谢健康起积极作用，从而降低肥胖、T2DM、心血管疾病的发生风险。研究发现，长期食用高动物蛋白、饱和脂肪酸的个体肠道内拟杆菌与普氏菌比例增高，富含植物纤维饮食习惯者肠道内拟杆菌与普氏菌比例降低，提示不健康的饮食习惯会改变肠道微生物稳态[11]。Arora等[38]研究发现，在小鼠的高脂饮食中添加食用纤维可显著增加能量消耗和有益菌的数量，抑制体重增加。另有研究发现，二甲双胍、阿卡波糖、西格列汀等药物在降低血糖的同时，增加了肠道有益菌的数量[39]，其他药物如小檗碱也被证实可以通过抑制部分肠道菌群对胆汁酸代谢的不良影响来发挥降低血糖的作用[40]。因此，补充益生菌可以增加降糖药物效果，且抗高血糖药物降低血糖的作用与肠道微生物比例、胆汁酸信号通路及糖脂代谢改变相关。然而，这些药物的作用也受到饮食的影响，如高脂饮食增加肠道中革兰阴性菌的数量，诱发内毒素血症。所以合理的膳食搭配及药物对肠道菌群产生积极影响，这在治疗糖尿病方面具有潜在的临床应用价值。

3.2以胆汁酸为靶点 T2DM患者空腹总胆汁酸在正常范围高值时表现为胰岛素敏感性减弱、胰岛β细胞功能低下以及胰高血糖素水平异常升高[41]，提示空腹总胆汁酸增加可能对胰岛β细胞和α细胞分泌产生不良影响，空腹总胆汁酸水平升高可能是一些慢性糖尿病并发症发生的原因。胆汁酸增加与胰岛素抵抗之间的相互作用增强促进了T2DM等代谢性疾病的发生发展，提示胆汁酸可作为治疗此类疾病的靶点之一。如考来烯胺、考来替泊、考来维仑等胆汁酸结合剂在肠道中与胆汁酸大量结合，阻碍胆汁酸的重吸收，增加胆固醇的消耗，发挥降脂降糖作用。司维拉姆是一种不可吸收性胺类树脂，可以结合消化道中的磷酸根并降低其吸收，临床上主要用于治疗高磷血症，但它也具有结合胆汁酸的能力，可以干扰脂肪吸收。Brønden等[42]研究发现，司维拉姆可以通过减少肠道和肝脏的FXR激活效应来介导降糖作用。这些以往用来降低血脂、减少血清游离胆汁酸的胆汁酸隔离剂可以通过影响胆汁酸信号通路而发挥降低血糖的作用。肠道FXR拮抗剂可减弱肝糖异生并降低肠道和血清神经酰胺水平，而TGR5激动剂可促进L细胞分泌GLP-1并激活棕色脂肪细胞的生热作用[43]。通过外源补充胆汁酸替代品、胆汁酸隔离剂、肠道特异性FXR拮抗剂和TGR5激动剂来调控胆汁酸池的组成，以治疗高血糖。但因为缺乏足够的临床研究，且这些药物价格昂贵，所以其广泛应用于临床还需大量循证医学证据支持。

4 小 结

T2DM患者体内肠道菌群组成及数量改变，影响胆汁酸池的组成和理化性质，进而影响胆汁酸的FXR、TGR5信号通路；受到胆汁酸的影响，不同菌群的比例和数量也发生改变。这一系列变化造成体内糖脂代谢的异常。因此，调节和维持肠道菌群及胆汁酸的正常代谢对防治T2DM具有重要意义。以肠道菌群-胆汁酸轴为靶点的治疗方法不仅可以治疗糖尿病及其并发症，还有益于其他代谢性疾病的防治，具有潜在的临床应用价值。虽然目前对肠道菌群与胆汁酸在T2DM发病中的具体机制认识还不够充分，但通过糖尿病学、内分泌学、神经病学、基础医学及外科学等多学科共同探索，人们对有关信号通路改变的研究会逐渐深入，治疗T2DM的思路将更加多元化。