肠道微生物群与1型糖尿病的研究进展

徐庆博 杨玉 杨利 谢理玲 张东光 黄慧

江西省儿童医院1内分泌遗传代谢科，2江西省儿童遗传代谢疾病临床研究中心（南昌 330006）

1 型糖尿病（type 1 diabetes mellitus，T1DM）是一种慢性全身性自身免疫介导的疾病，以胰岛素缺乏和高血糖为特征。胰岛细胞抗原的免疫反应和遗传因素均在T1DM 的发展中至关重要（通常存在人类白细胞抗原HLA、DR3-DQ2 和DR4-DQ8）。其中包括营养在内的各种环境因素也会刺激T1DM 的发生和进展［1］。T1DM 的特征是抗氧化系统紊乱、进行性炎症和自身抗体的存在。近年来，T1DM 病例数一直在增加，有些病例不能总是用遗传因素来解释。有专家提出，生活方式的改变，包括频繁使用抗生素，可能通过改变肠道微生物群的组成进而导致T1DM 的流行。近年来研究表明菌群失调在肠道的各个部分可能通过增加易感个体的肠道通透性来促进T1DM 的发展。本文将对近年来肠道微生物群与T1DM 关系进行综述，探讨改善肠道微生物群的组成和活性预防T1DM 的可能性。

人体肠道含有大约1 013 ～1 014 种共生微生物，绝大多数为厌氧菌，统称为微生物群，和人体细胞之间的比例约为1.3∶1［2］。肠道微生物群编码超过300 万个基因，是人类基因数量的100 倍，因此通常被称为“第二个人类基因组”。肠道微生物群越来越被认为是人类健康的关键因素之一。肠道微生物群维持肠壁的完整性，是通过竞争相同的营养物质和合成保护物质来防止病原微生物过度生长，协助食物消化，并产生维生素和免疫调节化合物，如短链脂肪酸（SCFA）［3］。

肠道微生物群不仅影响肠道的活动，在胆汁酸和血清素的肠道代谢中发挥调节作用。还对肠细胞的生长、成熟和增殖也有积极作用，所有这些都会影响肠上皮细胞的更新。它们还参与一些B 族维生素和维生素K 的合成。BOLAN 等［4］使用来自Caco-2 细胞的体外肠上皮模型证实，在肠道微生物群和螯合剂的影响下，肠道对有毒金属（As、Cd、Pb、Hg）的渗透性降低。另外在体液免疫应答过程中，位于肠壁的浆细胞在某些肠道微生物群的影响下分泌免疫球蛋白A（IgA）［5］。

传统观点认为，胎儿处于母体子宫内时肠道是无菌的，而近年来研究学者发现来自母体（如母乳或产道）和非母体来源（如饮食和环境）的人类肠道微生物定植和肠道屏障功能的成熟发生在生命早期。且在生命的前6 个月与特定微生物接触被认为是对肠道成熟至关重要。到3 岁时，肠道微生物群显示出与成年人相似的成熟度。正常肠道菌群主要由厌氧菌组成，主要可分为厚壁菌门（乳酸杆菌、瘤胃球菌、肠球菌、梭菌等）、拟杆菌门（肠杆菌等）、放线菌门（双歧杆菌等）和变形菌门（α-变形菌、β-变形菌纲、δ-变形菌纲、ε-变形菌纲、γ-变形菌纲）等。大约60%的人类肠道细菌属于拟杆菌门，它们是具有外膜、肽聚糖层和细胞质膜，无氧呼吸的主要副产物是乙酸、异戊酸和琥珀酸，是主要位于肠腔内的革兰阴性细菌。厚壁菌门是第二丰富的门，约占肠道中所有细菌的30%，其中大多数具有革兰阳性细胞壁结构，它们主要存在于肠道的黏液层中。并且厚壁菌门/拟杆菌门比例被认为是人类肠道微生物群成熟程度的指标，与成人相比，儿童的比例较低。梭状芽胞杆菌、链球菌、瘤胃球菌、乳酸杆菌、双歧杆菌、拟杆菌属和大肠杆菌（革兰阴性菌）是人体肠道中最常见的细菌属。最近的一项大型队列研究比较了儿童和成人的粪便微生物群，发现儿童表现出较低的肠道微生物群多样性，但具有较高的拟杆菌属丰度和不同的代谢途径［6］。

1 肠道微生物群对免疫系统的影响

肠道微生物群在形成宿主先天性免疫系统的主要成分方面起着关键作用，而免疫系统则调节宿主-微生物群共生的维持。肠道微生物群中以兼性厌氧菌过度生长及降低生物多样性为特征的生态紊乱可诱导异常的免疫反应，从而导致对共生微生物群的耐受性降低。它还可以干扰免疫反应，引起炎症、氧化应激和胰岛素抵抗等。

肠道微生物群对免疫系统的调节甚至在出生前就已经开始，是因为羊水中存在微生物，这就意味着胎儿暴露于细菌抗原中，必须对其产生耐受性。出生后，饮食和肠道微生物群是决定免疫系统成熟的因素，而除了提供营养之外，食物的消耗也会向机体输送抗原［7］。早期菌群定植期间肠道微生物群的多样性对于形成免疫调节至关重要，该免疫调节可保护机体免受与过敏易感性相关的粘膜IgE 诱导。而共生细菌的适应性免疫耐受是由支持共生特异性调节性T 细胞（Treg）群体扩张的早期生活暴露引发的，而这种耐受性对于免疫稳态至关重要。此外，Th17 淋巴细胞（T-helper-17）是一种CD4+T 辅助细胞，在T1DM 患儿体内Th17淋巴细胞分泌IL-17、Tfh 等细胞因子增加，抑制Treg 的产生，从而介导自身免疫疾病发生［8］。

肠道微生物群中部分细菌（如普拉梭菌、罗氏菌和丁酸厌氧菌）在复合碳水化合物的发酵过程中会产生SCFA。SCFA 可以改善结肠内的酸性环境，抑制有害细菌的生长，抑制促炎因子的产生，维持水电解质平衡，预防肠道功能紊乱。其中SCFA 主要由丁酸、丙酸和乙酸组成，通过激活巨噬细胞和树突状细胞，调节促炎细胞因子的表达来调节宿主免疫细胞，如TNF-α、IL-12、IL-6 以及类二十烷酸和趋化因子。如小鼠研究所示，SCFA可通过G 蛋白偶联受体（GPRs）、GPR41 和GPR43激活肠上皮细胞［9］。KOBAYASHI 等［10］表明GPR41和GPR43 在肾皮质上皮细胞中发挥抗炎作用。此外，SCFA 抑制Th17 细胞的产生，促进幼稚CD4+T细胞产生Treg 淋巴细胞，从而减少炎症的发生。许多自身免疫性疾病是由致病性T 细胞与效应和调节性T 细胞之间的不平衡引起的。

此外肠道微生物群还可通过PI3K（磷酸肌醇3-激酶）激活TLR2/Myd88（Toll 样受体/髓样分化因子88 蛋白）信号通路，从而刺激肠道B 细胞产生白细胞介素IL-10［11］。除了B 淋巴细胞分化外，肠道微生物群还可刺激产生IL-10 和IgA+的浆细胞。在具有无菌消化道和低多样性肠道微生物群的小鼠中，生命早期即可发现血清IgE 水平升高。这表明微生物群衍生的免疫调节信号对于维持基础IgE 水平至关重要，并且正确诱导免疫调节需要在生命早期充分接触微生物。在无菌消化道中发现IgA 水平较低，可能与肠道相关淋巴组织（GALT）发育不良有关。完整的免疫系统对消除病原体和维持对自身组织的耐受性之间保持微妙的平衡是十分有必要的。

2 肠道微生物群在T1DM 中的重要性

很多研究表明，肠道菌群对糖代谢异常、肥胖、胰岛素抵抗、血脂紊乱、高血压及NAFLD 等多种代谢综合征症候群组分的发病具有重要的作用［12］。且在许多T1DM 患者体内中观察到肠道通透性增加或“肠漏”、微生物群多样性降低及炎症物种数量增加。COSTA 等人［13］对小鼠的研究表明，链脲佐菌素诱导的T1DM 发展取决于肠道微生物群转移到胰腺淋巴结的数量。此外，与对照小鼠相比，T1DM 小鼠的肠道微生物群的组成发生改变，拟杆菌、颤螺菌（破坏肠道上皮屏障）、萨特氏菌和双歧杆菌的数量均增加。另外对T1DM 高风险儿童的肠道微生物群研究发现，拟杆菌、血球菌、隐氏双球菌和长双歧杆菌的数量较正常组更多，而假链状双歧杆菌和双歧杆菌的数量相对较少。MA 等［14］研究发现，在T1DM 大鼠中，与感染和炎症相关的病原菌（瘤胃球菌科、志贺氏菌、肠球菌、链球菌、罗思氏菌、另枝菌）的数量增加，而产生SCFA 的有益细菌（乳杆菌、粪菌、酪球菌）的数量相对减少。3 个月至3 岁的T1DM 遗传易感婴儿的肠道微生物群特点是更多的理研菌、瘤胃球菌、链球菌和布劳特氏菌。

研究表明肠道中一些肠道微生物群是T1DM的致病性因素。CINEK 等［15］研究发现，胰岛素的自身免疫与克拉斯噬菌体与多雷氏拟杆菌比例可能存在关系，与对照组相比，胰岛素自身免疫儿童体内普通拟杆菌和双歧杆菌数量相对较少。ALKANANI 等［16］研究表明，在胰岛素自身免疫患者中，肠道微生物群的变化与T1DM 易感性相关，在具有多种胰岛素抗体阳性患者中观察到拟杆菌属相对丰度较高，而具有抗炎作用的普氏梭杆菌丰度降低。MEJÍA-LEÓN 等［17］在检查T1DM 儿童时也获得了类似的结果。在确诊T1DM 或多种胰岛素抗体阳性的儿童中，普氏梭杆菌和丁酸菌属较少见。此外，这些儿童产生SCFA 的细菌也较少。GIONGO 等［18］指出，厚壁菌门/拟杆菌门比例增高以及肠道微生物群的紊乱可能是自身免疫性疾病（包括T1DM）发生发展的早期诊断标志之一。BEDI 等［19］解释道T1DM 患者体内肠道微生物群的紊乱会触发细菌性GAD（谷氨酸脱羧酶）的释放，从而由于人类和细菌性GAD 的相似性而损害宿主的免疫系统。TALUKDAR 等［20］表明，不同类型糖尿病患者（T1DM、T2DM 和儿童单基因糖尿病）的肠道微生物群组成存在显著差异。肠道微生物群的组成直接影响SCFA 的合成。拟杆菌主要产生乙酸和丙酸，厚壁菌产生丁酸，双歧杆菌产生大量的乙酸和乳酸，乳酸被其他细菌代谢为丁酸［21］。这就是为什么大量的拟杆菌有助于增加肠道通透性，从而导致产生抗胰岛细胞的自身抗体，进而导致微生物易位进入循环系统，通过胰腺β 细胞的免疫反应引起直接损伤和炎症。

3 肠道微生物群引起T1DM 的机制

虽然肠道微生物群是T1DM 发生发展的重要因素之一，但具体发生机制尚未明确，目前尚缺乏涉及其他稀有菌的大规模临床试验来完善论证。肠道微生物群失调诱发T1DM 的统一机制尚未形成，目前可能的机制包括肠道通透性改变和肠道微生物群组成的变化、炎症反应及免疫应答等。

肠道屏障对人体健康至关重要，构成了机体外部环境和内部环境之间的界面。肠道屏障由肠上皮屏障、肠粘液屏障和肠血管屏障组成。其中肠上皮固有层中的免疫细胞，如树突状细胞、潘氏细胞、淋巴细胞和巨噬细胞，可以分泌各种抗菌IgG、肽和细胞因子，以维持肠免疫内环境的平衡［22］。因此肠道通透性增加是肠道屏障功能紊乱的标志。

最近，通过对T1DM 儿童体内肠道微生物群的分类及其代谢途径的相关性分析，发现了类杆菌、脆弱双歧杆菌、肠双歧杆菌以及协杆菌分类群与T1DM具有相关性［23］。胰岛素自身抗体阳性的T1DM儿童产丁酸盐的微生物群丰度较低。据报道，丁酸盐诱导的黏蛋白产生对肠道黏膜的完整性具有十分重要作用，低水平的降解黏蛋白可能意味着肠道通透性增加。先前的研究报道指出，T1DM 患者体内产生SCFA 的细菌减少，导致SCFA 的生成减少，这与肠道屏障功能受损有关。LIANG 等［24］报道，新生非肥胖糖尿病（non-obese diabetic，NOD）小鼠结肠中低表达的导管素相关抗菌肽（CRAMP）会导致肠道微生物群紊乱和肠道I 型干扰素（I-IFN）产生的增加，这可促进成年小鼠患糖尿病。同时，补充CRAMP 则导致肠道微生物群的重建，从而预防NOD 小鼠患糖尿病。此外，肠道屏障损伤后，NOD 小鼠中CD8+T 细胞被激活并增殖，从而导致T1DM 发病率增加。因此，在肠道屏障损伤后，肠道细菌与宿主免疫成分相互作用以激活免疫细胞，从而促进T1DM 的发展。

肠道微生物群紊乱导致SCFA 生成减少，从而肠道抗炎反应能力降低，最后导致肠道炎症的发生。其具体机制如下［25］：（1）肠道中较低水平的SCFA 会导致组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的抑制作用减弱，核转录因子NF-κB 的活性增加以及中性粒细胞和巨噬细胞释放炎症因子如IL-8 和TNF-α的增加，增强中性粒细胞对炎症部位的化学引诱作用，从而导致肠道局部炎症反应减弱；（2）肠道中SCFA 丰度降低导致其诱导T 细胞分化为Treg的作用降低，其降低可消除抑制因子IL-10 的释放，从而导致炎症；（3）SCFA 丰度降低导致其对γ干扰素/信号转导和转录激活因子1（IFN-γ/STAT1）信号通路的抑制减弱，导致酪氨酸和丝氨酸的磷酸化增加，以及核易位和DNA 增加结合活性和肠道炎症。

最近的宏基因组研究表明，与特定分类群的变化相比，肠道微生物群功能的变化与血清转化和/或T1DM 发病风险的相关性和一致性更高。青少年糖尿病的环境决定因素（TEDDY）研究没有发现血清转化或发展为T1DM 的儿童的肠道微生物群存在重要的分类学差异。在一项横断面研究中，血清转化儿童的微生物群以类杆菌丰度增加为特征。同样，一项对76 例芬兰儿童进行的研究发现［26］，血清转化型T1DM 患者中的类杆菌种类增加。有趣的是，在胰岛素自身抗体阳性T1DM 儿童中，类杆菌的增加在7 个月时达到峰值，并先于第1 个抗胰岛素自身抗体的出现，这表明在遗传易感性患者中，早期的菌群失调可能预测T1DM 的发生发展。与俄罗斯儿童相比，芬兰和爱沙尼亚儿童中类杆菌物种的数量增加，这甚至被认为是其T1DM 发病率较高的可能原因［27］。另外饮食因素可能会引起肠道微生物群组成的变化，从而导致丁酸盐产生减少和与T1DM 发展相关的自身抗体的风险增加。最近的一项宏蛋白质组学分析还表明，与参与维持粘液屏障功能和微绒毛粘附功能的宿主蛋白相关的微生物类群在新发T1DM 患者中被耗尽［28］。此外，患T1DM 高风险儿童的肠道通透性增加，并且与微生物群改变相关。这些发现支持了这样一种观点，即增加肠道通透性对于将肠道微生物群与儿童T1DM 联系起来很重要。

4 肠道微生物群防治T1DM 展望

胰岛素作为儿童T1DM 患者调节血糖的主要药物，长期使用容易导致患者产生耐药性。此外，随着疾病的进展，胰岛素的剂量往往会增加，这也会导致患者体重增加和心血管风险增加。随着分子生物学技术的发展，人们已经能够更深入地探索肠道微生物群对T1DM 的治疗。

最新的小鼠细胞代谢研究发现［29］，肠道菌群产生的特定代谢物可以作用于胰腺的天然淋巴细胞，促进胰腺内分泌细胞中β-防御素14 的表达，从而预防T1DM。俄勒冈大学研究人员于2016年新发现的一种肠道细菌蛋白β 细胞扩增因子A（BefA）可以在斑马鱼幼虫的早期发育过程中诱导胰腺中产生胰岛素的β 细胞增殖。QIN 等［30］探讨BefA 蛋白对T1DM 的治疗作用以及肠道菌群的潜在作用机制，发现BefA 蛋白不仅显著降低血糖，维持体重，提高小鼠的糖耐量。同时，BefA 蛋白显著降低促炎细胞因子IL-1β、IL-6 和TNF-α 的表达。此外，采用高通量测序方法监测宿主肠道微生物的变化发现，BefA 蛋白通过改善肠道通透性、抑制肠道炎症、增加肠道有益细菌（乳酸杆菌、双歧杆菌、颤螺菌）和减少条件致病菌不动杆菌的相对丰度，逆转了T1DM 小鼠的血糖，改善了糖耐量，并保持了体质量。

益生菌是通常被认为是安全的微生物（细菌、真菌），可通过多种途径维持葡萄糖稳态，其中一种途径是改变肠道微生物群，从而抑制炎症过程。除了众所周知的乳酸杆菌外，最有前景的益生菌是SCFA 生产者（尤其是丁酸盐），例如Roseburia gutis、Eubacterium halli和Faecalibacterium spp［31］。例如，目前正在对乳双歧杆菌Bb12L 和鼠李糖乳杆菌GG 等益生菌进行研究，以确定其在新诊断T1DM儿童的临床研究中的保护作用。值得注意的是，生命早期给予益生菌（乳酸杆菌和双歧杆菌）与HLA-DR3/4 基因型受试者自身免疫风险降低显著相关。KUMAR 等［32］对90 例新发T1DM 的儿童（2 ～12 岁）中进行了一项随机对照试验。在为期12 周的研究期间，每天口服一粒高效、多菌株益生菌制剂（每粒胶囊含有1 125 亿个活的、冻干的乳酸菌和双歧杆菌）或安慰剂。发现益生菌组的参与者在补充12 周后表现出糖化血红蛋白水平显著下降，且总胰岛素量和注射胰岛素需求也显著降低，另外两组的C 肽水平都有所改善。因此使用益生菌可改善菌群失调，可有效控制T1DM 的发生发展。但是目前肠道微生物群应用于临床有一定的局限性。研究发现［33］，益生菌不会重新定植于肠道，而是短暂地调节肠道微生物种群，约4 ～6 周后就会被清除，这极大限制了益生菌在临床的应用。

粪菌移植（fecal microbiota transplantation，FMT）是一种新型的治疗方法，可以将紊乱的肠道微生物群恢复到病前状态。周迎等人［34］将C57BL/6 小鼠的粪菌移植给8 ～9 周龄的NOD 小鼠，以明确FMT 对T1DM 发病的影响，结果发现26 周龄时FMT 组的T1DM 发病率低于对照组。FMT 促进了肠道中有益菌，如Lactobacillus、Clostridium_sp_ND2、Candidatus_Arthromitus和Clostridiaceae_1的定植。因此FMT 可减轻NOD 小鼠的胰岛炎并减缓T1DM的发生。但目前尚缺乏与T1DM 相关研究，无法证实FMT 在T1DM 治疗中的有效性和安全性。

5 结语

综上所述，T1DM 是一种慢性疾病，会导致产生胰岛素的胰腺β 细胞发生自身免疫性破坏。最近的研究结果将肠道通透性改变和肠道微生物群组成的变化与T1DM 发病率的增加联系起来。T1DM 发病时的一个显著特征是肠道微生物群紊乱，表现为肠道微生物群组成的变化，以及肠道免疫系统的过度激活和肠道上皮细胞通透性的改变，管腔抗原转移到其他器官，包括胰腺和胰腺淋巴结。但肠道菌群参与T1DM 的具体作用机制仍不清楚。且T1DM 期间肠道微生物群与胰腺的相互作用是一个复杂的过程，涉及多种途径。然而调节肠道微生物群是缓解T1DM 的一种新方法。相信在未来继续深入对T1DM 患儿肠道菌群的相关研究，将为T1DM 患儿诊治提供新的思路及方法，促进糖尿病儿童的健康。

【Author contribution】XU Qingbo wrote this article. YANG Yu and YANG Li critically reviewed the article for its intellectual content. XIE Liling，ZHANG Dongguang and HUANG Hui reviewed the article. All authors read and approved the submitted final manuscript.