基于肠道菌群及其代谢产物短链脂肪酸防治1型糖尿病的研究进展

1型糖尿病（T1DM）是由T淋巴细胞介导的胰岛β细胞被定向破坏的自身免疫性疾病，主要是单核淋巴细胞浸润胰岛β细胞，导致胰岛β细胞大量凋亡，胰岛素分泌减少，血糖升高从而引发的疾病[1,2]。根据国际糖尿病联盟（International Diabetes Federation，IDF）最新统计，2019年中国儿童和青少年（<20岁）T1DM患者近5万，位居世界第四[3]。因此，研究T1DM的病理机制及其预防和治疗方法尤为重要。遗传因素在T1DM病因中起着重要作用，研究发现许多与T1DM相关的遗传位点，其中最重要的位点是人类白细胞抗原（HLA）编码位点，约70%的T1DM患者携带HLA等位基因[4,5]。然而，仅有不到10%遗传易感个体发展为T1DM[6]，但T1DM发病率仍呈逐年上升趋势，表明非遗传因素在T1DM中具有关键作用。近年来，肠道菌群作为关键环境因素之一成为研究热点[7,8,9,10]。研究表明，T1DM患者及动物模型中存在肠道菌群失衡及肠道通透性增加，主要表现为菌群多样性及益生菌丰度下降[7,10,11]，通过多途径调控肠道菌群可显著改善T1DM[12,13,14,15]。

1　肠道菌群的种类和功能

人体胃肠道栖息着密集而多样的微生物，这些微生物在长期进化过程中与宿主形成了共生关系。人体肠道内微生物种类有500~1 000种，1013~1014个，其中以革兰阴性菌为主的拟杆菌门和以革兰阳性菌为主的厚壁菌门为优势菌群[16]，占人类肠道细菌的15%~30%[17]。自新生儿出生到3岁，肠道菌群的数量和种类受母乳、饮食、环境等多种因素的影响，肠道微生物经历了许多变化[18]。肠道菌群按功能可分为三类：益生菌、致病菌和条件性致病菌[19]。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”，抵抗并排斥病原菌的定植、入侵，对机体免受外来病原菌的侵袭具有重要的作用，可维护机体内环境稳定。另外，肠道细菌还通过对营养物质的竞争，抑制有害菌在肠道内繁殖。肠道共生菌在肠道局部可以产生一些抑菌物质，如乳酸杆菌能产生乳酸、过氧化氢、细菌素等，从而抑制病原菌生长[20]。研究发现，人类多种慢性病与肠道菌群失衡有关，包括T1DM[21]、阿尔茨海默病[22]和炎症性肠病[23]等。

2　T1DM患者肠道菌群的改变

大量研究表明，T1DM患者和动物模型中存在肠道菌群失衡。BIASSONI等[24]利用16sRNA测序技术对比31例T1DM患儿和25例健康儿童的肠道菌群发现，T1DM患儿拟杆菌门、变形菌门丰度升高，脱硫弧菌属、嗜胆菌属、β-变形菌纲丰度降低。DEMIRCI等[25]检测53例T1DM患者粪便样本中拟杆菌门、厚壁菌门水平，发现与健康个体相比，T1DM患者肠道菌群中拟杆菌门水平升高、厚壁菌门水平下降，且厚壁菌门/拟杆菌门比值显著降低。另一项临床研究分析了T1DM儿童和健康儿童的肠道菌群，得出同样结果[26]。SOYUCEN等[27]研究发现，与健康儿童相比，T1DM儿童肠道中定植的双歧杆菌数量下降，白色念珠菌和肠杆菌科（除大肠埃希菌）数量增加。PINTO等[28]对3例T1DM患儿和3例健康儿童的粪便蛋白提取物分析发现，T1DM患儿肠道蛋白组富集梭状芽孢杆菌和拟杆菌蛋白，健康儿童蛋白组中富集双歧杆菌蛋白。DE GOFFAU等[29]比较T1DM发病前1~5岁儿童肠道菌群变化，T1DM患儿肠道中缺乏双歧杆菌（包括青春双歧杆菌和假双歧杆菌），拟杆菌属数量增加，并通过检测发现至少两种与T1DM相关的自身抗体，与β细胞抗体阴性的人群比，拥有大量β细胞抗体的人群肠道中产乳酸盐和丁酸盐的细菌减少。另一项研究发现，T1DM患儿较健康儿童肠道菌群中Blautia菌属丰度增高，Haemophilus、Laclmospira、Dialister、Acidaminococcus菌属丰度降低，此外，Blautia菌属丰度与糖化血红蛋白（HbA1c）、T1DM自身抗体数量和酪氨酸磷酸酶自身抗体（IA-2）滴度呈正相关[30]。HUANG等[31]对12例汉族T1DM患儿粪便中肠道菌群进行了检测并与健康儿童进行比较发现，T1DM患儿肠道菌群中拟杆菌门/厚壁菌门比值升高，且粪杆菌属丰度与HbA1c水平呈负相关，拟杆菌门丰度与抗胰岛自身抗体呈正相关。在动物实验中有相似发现，PATTERSON等[32]发现T1DM大鼠肠道菌群中拟杆菌门/厚壁菌门比值升高，在T1DM成模第4、5周，T1DM大鼠肠道菌群中放线菌门、拟杆菌门丰度增加，脱铁杆菌丰度下降。同样另一项研究也证实了T1DM大鼠肠道菌群发生改变，肠道菌群中瘤胃菌科、志贺杆菌、粪杆菌属、链球菌等致病菌丰度升高，乳杆菌属、Faecalitalea菌属、Butyricicoccus菌属、Allobaculum菌属等益生菌丰度下降[7]。以上研究说明T1DM发病前后，机体存在肠道菌群失衡，但目前尚不清楚T1DM与菌群失衡二者的因果关系。

3　肠道菌群参与T1DM发生发展的机制

肠道菌群失衡引发T1DM的可能机制包括肠道通透性改变和肠道免疫反应。研究表明肠道菌群失衡，尤其是肠道中革兰阴性菌增加，其细胞壁结构中的脂多糖（LPS）释放，产生大量内毒素，破坏肠道黏膜，造成”肠壁渗漏”[33]。肠道通过胰腺淋巴结和肠系膜淋巴结与胰腺相通，病原微生物和外来食物抗原可引起肠道及肠相关淋巴组织内T、B淋巴细胞的过度活化，引发免疫和炎症介导的胰腺β细胞损伤[33,34]。肠道菌群中脆弱拟杆菌可诱导CD4+ Foxp3+ Treg细胞发育，促进白介素（IL）-10、转化生长因子-β（TGF-β）的分泌，诱导肠道免疫耐受[35]。LUO等[36]研究表明双歧杆菌、乳杆菌通过抑制辅助性T淋巴细胞（Th）17分化，降低炎性因子IL-17的表达，改善肠道免疫状态，从而延缓T1DM进展。以上研究表明肠道菌群失衡引发的肠黏膜通透性改变及肠道免疫反应参与T1DM发生发展，因此，调节肠道菌群失衡是当前治疗T1DM的有效措施。

4　基于肠道菌群及其代谢产物短链脂肪酸（SCFAs）防治T1DM的探讨

4.1　补充肠道内SCFAs含量

4.2　补充膳食纤维

膳食纤维在大肠内发酵的主要产物是SCFAs，补充膳食纤维可促进肠道益生菌生长和抑制致病菌增殖，维持肠道菌群平衡、缓解疾病发生发展。许多膳食纤维，如菊粉、果胶、抗性淀粉、阿拉伯半乳聚糖等，通过不同的微生物发酵途径影响SCFAs的产生。一项临床研究选取34位健康参与者，随机分为高膳食纤维（HDF）联合菊粉型果聚糖饮食和低膳食纤维（LDF）联合菊粉型果聚糖饮食两组，HDF组肠道菌群中双歧杆菌、粪杆菌数量较多，coprococcus菌、dorea菌、瘤胃球菌属数量较少[43]。研究表明HDF对菊粉型果聚糖益生元有更大的肠道微生物群反应。此外，体外研究表明，菊粉型果聚糖发酵的粪便菌液中乳杆菌属、双歧杆菌与肠杆菌的比例升高，且丁酸盐水平升高[44]。研究发现NOD小鼠自断奶起喂食长链菊粉至24周，肠道菌群中厚壁菌门、乳杆菌属、瘤胃杆菌属比例升高，拟杆菌门比例降低，SCFAs含量增加，T1DM发生率降低[45]。WU等[46]给予NOD断奶小鼠补充低甲氧基果胶至40周龄，发现低甲氧基果胶饮食可增加NOD小鼠肠道菌群中厚壁菌门、变形菌门、梭状芽孢杆菌等益生菌丰度，增加肠道内SCFAs含量，进而阻止T1DM的发生。富含β-葡聚糖的膳食补充剂可显著提高NOD小鼠肠道菌群中拟杆菌门/厚壁菌门比值进而减缓T1DM发生发展[47]。以上研究表明，补充膳食纤维可通过重塑肠道菌群和/或提高SCFAs含量缓解T1DM。

4.3　补充益生菌和益生元

益生菌是一类活微生物，以单种菌株或混合形式摄入机体，可维持宿主健康[48,49,50]。研究表明益生菌通过多种机制发挥作用，包括抑制致病菌生长[50]，增加黏蛋白分泌，改善肠道上皮完整性，平衡肠道菌群和免疫系统的相互作用，使用特定的益生菌和益生元改善肠道营养不良与改善自身免疫反应和调节肠道完整性有关。

双歧杆菌和乳杆菌均已成功用于动物模型中诱导抗炎反应并降低糖尿病发生率[29,51]。一项C57BL/6小鼠实验中，喂食特定的益生菌——短乳杆菌菌株，可保护小鼠免于链脲佐菌素（streptozotocin，STZ）诱导的T1DM发生[52]。在另一项研究中，T1DM的保护作用源于摄入另一种益生菌——双歧杆菌，其可降低糖尿病小鼠血清胰岛素水平，增加胰岛素β受体、蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）的表达，其机制为Akt的上调促进细胞核因子κB抑制剂α（IκBα）的表达、激活IκB kinase-α（IKKα），从而降低核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）的反应并抑制促炎细胞因子的转录[53]。此外，研究表明，用双歧杆菌科、乳杆菌科和嗜热链球菌属的益生菌菌株对NOD小鼠进行治疗可通过重塑肠道菌群改善T1DM，并通过维持肠道免疫稳态和抑制IL-1β表达减轻肠道炎症[54]。此外，乳酸乳杆菌还可通过刺激抗炎性细胞因子（包括IL-10和胰岛素原）的分泌，保护NOD小鼠免受T1DM侵袭[55]。一项属于TEDDY前瞻性队列研究发现，婴儿早期（自出生27 d）服用益生菌（主要是乳酸菌和双歧杆菌，作为补充剂或补充益生菌的婴儿配方食品）可降低胰岛自身免疫风险[56]。在T1DM患儿中，每天补充鼠李糖乳杆菌GG和乳酸双歧杆菌Bb12组成的混合益生菌可恢复肠道稳态，从而调节免疫细胞并保持胰岛细胞的数量和增殖[57]。

益生元是不易被消化的碳水化合物，对水解酶具有抵抗力，但可以被肠道菌群代谢，其发酵产物（主要是SCFAs）可维持肠道屏障完整性有益于宿主健康[58]。研究发现T1DM患者中产SCFAs的细菌减少，可能与肠道屏障受损有关[59]。香蕉粉是一种潜在的全果益生元，富含抗性淀粉、果聚糖和低聚果糖，经肠道微生物发酵可增加肠道中双歧杆菌和乳杆菌丰度[60]。一项体外粪便发酵研究发现，含香蕉粉组粪便中发酵产物SCFAs含量增加[61]。人乳寡糖是母乳中的活性成分，研究人员在4周龄NOD小鼠饮食中添加人乳寡糖直至10周龄，发现NOD小鼠T1DM和胰腺炎发生率降低，其保护作用与产SCFAs的毛螺菌属丰度增加有关[62]。酪蛋白是哺乳动物母乳中的主要蛋白质，研究发现，自断奶开始喂食水解酪蛋白的DP-BB大鼠较标准饮食大鼠T1DM的发病率降低，这种保护作用机制可能为通过上调紧密连接蛋白的表达降低肠道上皮通透性[63]。一项包含43例T1DM患者的干预性研究指出，与安慰剂组比，低聚果糖饮食干预3个月，T1DM患者肠道菌群中双歧杆菌丰度升高，肠道通透性下降[15]。

4.4　肠道菌群移植

肠道菌群移植是指将健康供体肠道内的菌群移植给患病受体，进而重建肠道微生态平衡，用于治疗胃肠道疾病，如炎症性肠病、克罗恩病、糖尿病及自身免疫性疾病等。从受T1DM保护的MyD88-/-NOD小鼠的肠道菌群移植给野生型（wild type，WT）NOD小鼠，3周后WT NOD小鼠肠道内毛螺菌科、梭菌科丰度增加，乳杆菌科丰度减少，且胰岛炎性浸润减轻、T1DM发病率降低[64]。在T1DM的生物繁殖大鼠模型中，研究人员比较易患糖尿病和抗糖尿病动物的肠道菌群发现，乳杆菌属丰度与T1DM的发展呈负相关，接下来，从抗糖尿病的大鼠肠道中分离出约翰逊乳杆菌N6.2移植给DP-BB大鼠，结果显示DP-BB大鼠T1DM发病率降低[65]。

4.5　中药调控肠道菌群及改善肠黏膜屏障

中药通过调控肠道菌群及改善肠黏膜屏障治疗多种疾病已成为微生态研究热点，且表现出独特的优势。大量基础实验和临床研究证实，中药汤剂、中药单体和化合物可通过调控菌群失衡改善糖脂代谢紊乱[66]。葛根芩连汤[67]、降糖调脂方[68]等中药方剂可通过降低碳水化合物水平，调节肠道菌群发挥降糖作用。四氢姜黄素由中药姜黄根茎中分离出来的姜黄素氢化而来，可恢复db/db小鼠肠道菌群多样性，降低厚壁菌门/拟杆菌门比值，上调胰腺胰高血糖素样肽-1（GLP-1）的表达进而改善db/db小鼠的糖尿病状况[69]。中药玉竹一直用于治疗糖尿病，其主要活性成分为总皂苷和总多糖，研究发现其可减少拟杆菌门和变形杆菌丰度，增加厚壁菌门丰度及SCFAs含量，改善2型糖尿病（T2DM）[70]。XIAO等[71]研究发现黄芩、黄连治疗T2DM，T2DM大鼠肠道菌群中拟杆菌属、瘤胃梭菌属等产SCFAs的细菌增多，产次级胆汁酸的细菌如埃希氏菌-志贺菌则明显减少，T2DM大鼠的代谢紊乱得到明显改善。花椒麻味物质是中药花椒中的不饱和脂肪酸酰胺类成分，游玉明等[72]研究发现一定剂量的花椒麻味物质可降低肠道菌群中肠杆菌、肠球菌等条件致病菌的丰度，增加乳酸杆菌、双歧杆菌等益生菌的丰度，减轻大鼠回肠组织损伤，进而改善糖尿病。花椒精油是中药花椒果皮的提取物，任廷远等[73]采用花椒精油溶液灌胃STZ诱导的T1DM小鼠，结果证实花椒精油可增加T1DM小鼠盲肠SCFAs含量，改善肠道微环境，缓解T1DM。

5　总结与展望

T1DM是胰岛β细胞遭到自身免疫抗体破坏导致胰岛素分泌不足的慢性病。肠道菌群作为环境因素更多地参与T1DM的发病过程，表现为肠道菌群组成的改变，肠道免疫系统过度活化和肠道上皮通透性改变，肠腔内抗原易位至其他组织器官，包括胰腺和胰腺淋巴结。但目前尚不清楚肠道菌群改变的确切机制及这些改变影响T1DM发病的确切机制，还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。

局限性：

肠道菌群影响机体改善T1DM的具体方式、途径尚未充分阐明，在T1DM治疗中以肠道菌群为靶点的治疗策略还需要大量的基础研究及临床数据来验证。

参考文献 略