肠道微生物对2型糖尿病糖代谢的影响及机制

李巧云 赵成玉

(青海大学 1医学院,青海 西宁 810000;2附属医院老年医学科)

2型糖尿病(T2DM)是一种由遗传和环境因素共同引起复杂的内分泌代谢性疾病,包括β细胞功能障碍、糖脂代谢紊乱、慢性低度炎症和氧化应激,最终导致胰岛素抵抗(IR)和胰岛素分泌不足〔1〕。世界卫生组织和国际糖尿病联合会的数据显示,截止2045年将有6.29亿人患T2DM,在中国超过1.14亿患者〔1〕,糖尿病及其并发症已成为我国居民死亡的主要危害因素之一〔2〕。近年,随着科技进步,人们对肠道微生物区系(GM)及其基因组研究越来越深入,其与人类疾病相关性也成为社会关注的热点,因此本文对肠道微生物对T2DM的影响及机制做一简要综述。

1 GM简述

肠道中存在着人类最大的微生物群〔3〕,包括细菌、真菌和病毒〔4〕。此外,微生物群特征还包括其基因组,基因数量大约是人类基因组的150倍〔1〕。肠道微生物在调节人体新陈代谢、维持肠道屏障功能和调节免疫等方面发挥着重要的作用〔4〕。一旦菌群平衡被打乱,将会诱发多种疾病。

2 GM与T2DM

2.1GM对血糖的影响 人类微生物群协会研究显示,人体肠道中的主要微生物分类群包括拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria)〔5〕。随着体质量指数(BMI)的增加,Firmicutes含量逐渐增加,Bacteroidetes含量逐渐减少,F/B(Firmicutes/Bacteroidetes)值也随着BMI的增加而升高〔6〕。健康的GM与减肥、改善血糖控制和其他的生理益处有关,也是参与餐后血糖反应的决定因素之一〔7〕。

普雷沃菌(Prevoella)是正常人最常见的共生菌之一,它能产生抗炎分子,增强紧密连接的表达,降解黏蛋白〔8〕,改善糖尿病患者的肠道完整性〔9〕。嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansia muciniphila)是一种黏蛋白降解菌,存在于黏液层,可以通过减少肠道微生物移位,防止T2DM患者的炎症。该菌的丰度与葡萄糖稳态和身体脂肪组成有关〔8,9〕。

丁酸的产生菌梭菌属(Clostridium spp.)、Crumodiccaceae和罗斯菌属(Roseburia spp.)及肠拟杆菌(Bacteroides Enterinalis)、杆菌属(Bacteroes spp.)、 Prevoella spp.、胃瘤菌科(Ruminococcaceae)、A muciniphila等均与血糖参数呈负相关〔10,11〕。在一项对巴基斯坦肥胖的T2DM患者研究中,仅有酸性杆门(Acidobacteria)、脱硫弧菌(Deferribacteres)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的存在与糖尿病呈正相关〔12〕。肠道菌群也可以调节各类炎症因子而影响血糖〔10,13〕。干扰素(IFN)-γ与梭菌纲(ClassClostri),Firmicutes正相关。白细胞介素(IL)-6与阴性菌纲(Negativicutes),Deferribacteres,黏液杆菌(Mucispirillum),脱铁杆菌门(Desulfovibrio spp.)正相关,与蓝菌门(Cyanobacteria),软壁菌门(Tenericutes),Bacteroides负相关;肿瘤坏死因子(TNF)-α与Mucispirillum,Ruminococcaceae-6正相关;与Cyanobacteria,Bacteroides负相关;IL-17A与Mucispirillum,Ruminococcaceae-6负相关;与Cyanobacteria,Bacteroides负相关;IL-10与Cyanobacteria,Bacteroides,Ruminococcaceae_6正相关;脂多糖(LPS)与Ruminococcaceae_6正相关。IL-8与Deferribacteres正相关〔10,13〕。

2.2T2DM患者GM变化 T2DM患者肠道菌群是紊乱的,一项基于16 S核糖体(rRNA)基因的研究显示T2DM患者粪便微生物区系中度失调,其特征是有益菌群减少和条件性致病菌群增多〔10〕。致病菌(梭状梭菌、拟杆菌、分枝杆菌、共生梭菌、伊格尔兹菌、大肠埃希菌、人体肠道放线菌)增多;产短链脂肪酸(SCFAs)(梭菌属、直肠真杆菌、普氏栖类杆菌、肠道罗斯拜瑞菌、食葡糖罗斯拜瑞菌)减少;抗炎特性细菌(普栖类杆菌)减少;促炎细菌增多。在T2DM患者中发现了更多的氨基酸球菌属(Acidaminococcales),提示其可能作为生物标志物,对诊断T2DM有一定的意义〔14〕。T2DM患者菌群多样性也发生改变,一项对维吾尔族人群的研究发现,糖耐量正常人群的α多样性高于T2DM和糖耐量低减患者,β多样性也存在明显差异〔15〕。除细菌外,T2DM患者中有2种真菌属〔马拉色菌属(Malessezia firfur)和未分类的小戴卫霉属(Davidiella)〕增加,1种真菌属〔未分类担子菌门(Basidiomycota)〕在减少〔16〕。

3 肠道微生物对T2DM的影响机制

3.1通过微生物的直接作用 肠道微生物可向宿主发出信号,通过微生物与宿主直接相互作用调节血糖及影响T2DM。宿主细胞通过模式识别受体(PRR)感知微生物细胞壁的成分,以促进或减缓T2DM炎症过程〔17〕。

3.2通过代谢产物 GM产生一些代谢物参与T2DM的发生〔1〕。SCFAs是细菌发酵的主要终产物之一,是肠道微生物区系与宿主之间的信号分子〔1〕,也是一类与T2DM相关的微生物源性代谢产物,包括乙酸盐,丙酸盐和丁酸盐〔17〕。它通过调节肠腔pH值、黏液产生、免疫及提供燃料而发挥作用〔18〕。丁酸盐及其产物在T2DM进展中起一定作用,可改善胰岛素的敏感性,对T2DM有潜在的保护作用〔19〕。

SCFA对T2DM影响机制:(1)通过G蛋白耦联受体(GPRs) GPR41和GPR43,促进肠道L细胞释放胰高血糖素样肽(GLP)-1和肽(P)YY,促进脂肪组织释放瘦素,促进饱腹感和改善胰岛素分泌;(2)通过上调腺苷5′-磷酸(AMP)活化蛋白激酶(AMPK)信号及葡萄糖转运蛋白(GLUT)4型增强胰岛素敏感性;(3)减轻黏膜炎症和慢性全身炎症,保护β细胞;(4)上调5-AMP激活的蛋白激酶信号,发挥抗脂作用〔20～22〕;(5)抑制神经元活动,导致脑肠轴相关的机制抑制食欲和能量摄入〔23〕;(6)诱导肠道糖异生(IGN)预防肥胖和胰岛素抵抗〔23〕。

LPS是革兰阴性杆菌细胞壁的主要成分,在免疫反应中起重要作用〔24〕,在T2DM患者LPS的生物合成明显增加,因此LPS数认为是T2DM相关低度炎症的触发因素〔4〕。当LPS及肠道细菌由肠道向血液循环转移(即代谢性内毒素血症)时〔4〕,可增强Toll样受体(TLR)-4和其他炎症信号通路的激活,引起慢性低水平炎症反应,干扰胰岛素信号传导,促进IR和导致T2DM的发生〔1〕。胆汁酸(BA)是胆汁的主要有机成分,会影响葡萄糖和脂质的稳态〔24〕。与T2DM相关的BA信号传递特性是通过武田G蛋白耦联受体(TGR)5和法尼醇X受体(FXR)介导的,FXR激活和抑制都被证明对肥胖和IR有益影响〔4〕。BA减少会降低胰岛素敏感性和糖原合成、减少能量消耗、减弱参与糖调节转录因子的表达〔25〕。咪唑丙酸酯(IMP)是组氨酸代谢的微生物产物,在T2DM患者门静脉和外周血中显著增加〔17〕,其与人类的IR呈正相关,可影响T2DM的发生〔4〕。支链氨基酸(BCAAs)是人体必需氨基酸,可通过刺激雷帕霉素的哺乳动物靶点(mTOR)、S6激酶(S6K)及胰岛素受体底物(IRS)1的磷酸化来干扰胰岛素信号〔26〕。高水平的BCAAs通过破坏骨骼肌中的胰岛素信号直接促进IR,而且与IR的严重程度呈正相关〔27〕,是IR和T2DM主要危险因素〔24〕。吲哚丙酸(IPA) 与患T2DM的风险呈负相关,其机制可能与保护肠屏障完整性和减轻慢性炎症有关〔24〕。在动物模型中,IPA具有通过抗氧化和抗炎作用,保护β细胞功能,改善葡萄糖代谢〔28〕。IPA还可阻碍电压依赖性K+通道,从而改变L细胞的动作电位特性,导致Ca2+输入增加,触发胰高血糖样肽(GLP)-1的分泌〔28〕。三甲胺N-氧化物(TMAO)水平降低与IR缓解之间存在剂量依赖性相关〔24〕。TMAO参与炎症途径的调节和内质网应激(两者都与T2DM的发生有关),在动物模型中,TMAO通过阻断肝脏胰岛素的信号通路,增强糖耐量和高血糖,并导致脂肪组织的炎症〔28〕。但TMAO在T2DM中的研究相对较少〔4〕。

3.3通过铁代谢 肠道微生态环境与铁代谢有一定的相关性。肠道菌群可抑制缺氧诱导因子(HIF)-2a活性,增加铁蛋白的表达,以抑制宿主的肠道铁吸收〔29〕,同时肠道菌群中的乳酸杆菌可感知肠道铁水平,并减弱宿主对肠道铁的吸收〔30〕。

铁超载与糖尿病有密切关系,高血糖以蛋白激酶(PK)C-α依赖的方式抑制二价金属转运蛋白1的泛素化、内化和降解。随后,肠道铁摄取增加,累积的铁离子加重糖尿病相关并发症并增加死亡率〔9〕。机制包括:①铁沉积于脂肪组织及肌肉,增加氧化应激,造成胰岛β细胞损伤,胰岛素分泌不足,外周组织对胰岛素的敏感性下降,诱导IR参与并引起T2DM发病〔31,32〕;②肝脏铁含量过高减少肝脏对胰岛素的利用,从而进展为IR〔32〕。糖尿病前期和糖尿病患者存在不同程度的肝脏铁负荷,这表明铁代谢在T2DM的发生发展中发挥重要作用。

4 治疗前景

益生元是一种不可消化和水解的可溶性纤维,作为结肠细菌的碳源,可促进有益菌门的生长〔33〕,可刺激免疫系统、抑制病原体生长,还可促进肠道L细胞分化,增加GLP-1、GLP-2的产量及PYY和胆囊收缩素〔8〕,进而影响血糖。在糖尿病患者中补充益生菌(肠道内对人体有益微生物)可有效改善宿主的肠道微环境,抑制自身免疫性糖尿病的发生,缓解糖耐量异常和IR,增加胰岛素敏感性,调节与糖代谢相关的神经活动等〔25〕。此外,粪便微生物区系移植(FMT) 和胃分流术(RYGB)也可影响血糖。前者通过直接影响肠道微生物组成,调节肠道菌群,恢复机体肠道正常微生态,从而改善IR,提高胰岛素敏感性〔1,13〕,后者则通过影响BA新陈代谢及肠道微生物的改变而影响T2DM〔34〕。

综上,目前在临床上关于T2DM的治疗,主要是口服药物及皮下注射胰岛素,对于通过改变肠道微生物及其代谢产物的相关途径目前尚未有成熟的临床实践。随着对肠道菌群及T2DM相互关系的进一步研究发现,肠道微生物对T2DM的发生发展均产生一定影响,同时T2DM也影响肠道微生物菌群菌属的构成,益生菌、益生元、FMT、RYGB等一系列措施可影响肠道微生物,对T2DM产生有益结果。因此,GM将会成为T2DM新的治疗靶点。目前关于肥胖患者开展减肥手术已经在临床开展,在未来,针对个体差异进行特异性有益菌补充或对肠道菌群的稳态建立及对T2DM患者的益处可占多大比例,仍需大量临床数据支撑。