腸道菌群在二甲雙胍降糖機制中的作用研究進展

馮靜 滕振杰 陳樹春 宋光耀

(河北省人民醫(yī)院 1內(nèi)分泌科 河北省代謝病重點實驗室，河北 石家莊 050051；2神經(jīng)內(nèi)三科)

二甲雙胍因其安全有效、費用低、心血管獲益等特點，是目前2型糖尿病(T2DM)患者應(yīng)用最廣泛的降糖藥物〔1,2〕，但其具體作用機制仍不清楚。目前認為二甲雙胍的主要降糖機制是通過磷酸腺苷(AMP)激活的蛋白激酶(AMPK)依賴〔3〕和非AMPK依賴〔4〕途徑實現(xiàn)抑制糖異生的作用。然而研究發(fā)現(xiàn)，靜脈注射二甲雙胍比口服降糖效果差很多〔5〕，二甲雙胍通過腸道相關(guān)通路也可發(fā)揮降糖作用〔6〕。近期嚙齒類動物研究〔7〕和臨床試驗〔8〕表明，腸道菌群的改變有利于二甲雙胍發(fā)揮降糖作用。本文主要闡述二甲雙胍通過腸道菌群發(fā)揮降糖作用的研究進展。

1 二甲雙胍通過腸道菌群降糖的機制

1.1改變腸道營養(yǎng)物質(zhì)感受器途徑 研究表明〔8,9〕，二甲雙胍能夠改變糖尿病動物模型近段腸道中的腸道菌群，給予高脂飲食會降低小腸上段乳酸桿菌的豐度，二甲雙胍預(yù)處理之后就能對抗這種改變〔10〕，然而給予糖尿病模型小鼠口服抗生素后，就會削弱二甲雙胍的降糖能力〔7〕，這提示腸道菌群的改變參與了二甲雙胍的降糖機制。

二甲雙胍誘導(dǎo)腸道菌群改變從而改善糖代謝的可能機制之一就是通過改變腸道營養(yǎng)物質(zhì)感受器途徑。給無菌級的小鼠接種健康喂養(yǎng)小鼠的菌群，能夠改變很多小腸近端和遠端糖脂代謝相關(guān)基因〔11,12〕如CD36，脂肪酸結(jié)合蛋白(FABP)4，乙酰輔酶A合成酶，脂代謝相關(guān)蛋白的表達水平。

研究發(fā)現(xiàn)〔13〕，在給予髙脂飲食之前，給予二甲雙胍預(yù)處理，能夠阻止高脂飲食造成的葡萄糖感受器的損害，這一作用就是通過改變小腸上段腸道菌群實現(xiàn)的。二甲雙胍能夠增加高脂飲食嚙齒類動物的乳酸桿菌豐度，乳酸桿菌增加營養(yǎng)物質(zhì)感受器如鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白(SGLT)1的表達，恢復(fù)小腸上段葡萄糖的感知功能、增加腸道葡萄糖攝取，從而使高脂飲食大鼠的葡萄糖刺激的胰升糖素樣肽(GLP)-1分泌功能得到恢復(fù)，發(fā)揮降糖機制。未來將通過移植感興趣的純種菌屬，進一步研究引起小腸上段葡萄糖感受器改變的特異菌屬。

總之，二甲雙胍可通過改變小腸上段腸道菌群來調(diào)節(jié)腸道營養(yǎng)物質(zhì)感受器、恢復(fù)SGLT1依賴的葡萄糖信號通路，從而調(diào)節(jié)糖代謝平衡。

1.2調(diào)節(jié)短鏈脂肪酸(SCFA)生成 腸道菌群的改變能夠影響腸道代謝組學(xué)，丁酸鹽、乙酸鹽等這些腸源性的代謝產(chǎn)物影響了宿主的胰島素抵抗(IR)，進而影響血糖控制。二甲雙胍通過調(diào)節(jié)SCFA生成是其另外降糖途徑之一。

Forslund等〔9〕研究結(jié)果表明，二甲雙胍治療組，顯著增加大腸埃希菌屬的豐度，降低Intestinibacter菌屬豐度，增加菌毛的黏附力，導(dǎo)致乙酸、丙酸和丁酸等SCFA生成明顯增加。另有研究發(fā)現(xiàn)〔8〕，與無糖尿病的受試者相比，接受二甲雙胍治療的糖尿病組，丁酸弧菌、雙歧桿菌、巨型球菌、普氏菌屬等豐度增加，上述菌屬的增加也會使SCFA產(chǎn)生增加；相反，如果糖尿病患者未服用二甲雙胍，真菌屬和核菌屬豐度增加〔14〕，SCFA產(chǎn)生下降〔9〕。

SCFA產(chǎn)生增加，能夠通過互補機制觸發(fā)腸道糖異生(IGN)。丙酸鹽，本身就是IGN的作用底物，通過門脈神經(jīng)系統(tǒng)和脂肪酸受體(FFAR)3〔15,16〕，激活I(lǐng)GN基因的表達。丁酸鹽通過作用于腸細胞環(huán)磷酸腺苷(cAMP)依賴途徑激活I(lǐng)GN基因表達。在嚙齒類動物，IGN的增加能夠降低肝臟糖異生、減輕食欲和體重，從而改善糖代謝，有利于能量代謝平衡。這揭示了SCFA在二甲雙胍與腸道菌群之間的調(diào)節(jié)機制〔9〕。

1.3調(diào)控金屬蛋白的基因表達 在一項隨機雙盲的研究中〔17〕，將單純T2DM 患者分為對照組和二甲雙胍組，觀察4個月，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍能夠顯著影響腸道菌群。這一結(jié)果通過后續(xù)的亞組試驗進一步得到驗證，即實驗結(jié)束后，繼續(xù)給予6個月的二甲雙胍治療。將二甲雙胍治療組的糞便移植到無菌小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，接受移植后糖耐量明顯改善。為了更加直接探討二甲雙胍與腸道菌群的相互作用，在腸道模擬器中，收集并孵育二甲雙胍治療組的糞便樣本，在進一步的轉(zhuǎn)錄分析中發(fā)現(xiàn)二甲雙胍主要影響兩大菌屬的生理功能參與的信號通路，而這些相關(guān)的基因主要編碼金屬蛋白或金屬轉(zhuǎn)運蛋白。一些已知的金屬蛋白能夠?qū)е耇2DM的病理生理進展〔18〕。另外，研究表明，二甲雙胍對哺乳動物肝細胞系的作用是依賴于這類藥物的金屬結(jié)合特性〔19〕。這是第1次發(fā)現(xiàn)二甲雙胍和腸道菌群產(chǎn)生的金屬結(jié)合蛋白之間的聯(lián)系。然而，還需要進一步的代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)學(xué)的研究，去探究微生物代謝或蛋白質(zhì)是如何與宿主相互作用來改善宿主代謝的。

1.4炎癥反應(yīng) 腸道菌群在能量代謝和肥胖相關(guān)的代謝性疾病方面發(fā)揮重要作用〔20〕。此外，腸道菌群通過影響腸道中的免疫平衡狀態(tài)〔21〕，使細胞因子產(chǎn)生增加，由此導(dǎo)致的長期慢性炎癥反應(yīng)會引發(fā)IR、高血脂等代謝紊亂〔22〕。

研究表明，二甲雙胍通過調(diào)節(jié)腸道菌群改善了老年小鼠的代謝指標，這一效應(yīng)與炎癥免疫反應(yīng)有關(guān)〔23〕。研究顯示，二甲雙胍治療后附睪脂肪組織中白細胞介素(IL)-6表達水平下降，IL-6的表達水平與擬桿菌和Butyricimonas的豐度顯著負相關(guān)〔23〕。因此二甲雙胍治療之后IL-6水平下調(diào)很可能與擬桿菌和Butyricimonas豐度增加有關(guān)〔23〕。另有研究發(fā)現(xiàn)，IL-6下調(diào)與腸道菌群對胰島素信號通路的調(diào)節(jié)作用有關(guān)〔24〕。IL-1β，在肥胖相關(guān)的炎癥反應(yīng)和IR中發(fā)揮重要作用〔25〕。IL-1β的信號通路通過激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子(STAT)3〔26〕，與IL-6的信號級聯(lián)反應(yīng)之間存在交叉。研究中也證實IL-1β的表達和擬桿菌、Butyricimonas的豐度呈負相關(guān)〔23〕。

二甲雙胍引起的艾克曼菌和Butyricimonas菌的豐度增加在下調(diào)IL-1β〔7〕和IL-6〔27〕中發(fā)揮重要作用。因此，特定菌屬豐度可以改善炎癥免疫反應(yīng)，從而參與了二甲雙胍改善代謝指標的相關(guān)機制。

1.5增強腸道黏膜屏障功能 二甲雙胍有50%的生物利用率，在腸道和血漿暴露的濃度幾乎是相等的，但是二甲雙胍在腸道聚積的濃度約是血漿的300倍〔28〕，使得腸道成為人體內(nèi)二甲雙胍的儲備地。動物實驗表明，同時給予二甲雙胍和廣譜抗生素雞尾酒，二甲雙胍的降糖效應(yīng)會消失〔7〕。

研究表明，給予高脂飲食小鼠二甲雙胍，能夠增加艾克曼菌屬的豐度。這一菌屬能夠降解黏多糖〔8〕，增強腸道的黏膜屏障功能發(fā)揮保護機體的作用。艾克曼菌與腸道健康有關(guān)，在維持黏膜層完整性方面發(fā)揮重要作用，降低促炎性因子脂多糖的遷移，改善血糖控制〔29〕。

此外，二甲雙胍使雙歧桿菌豐度增加，其能夠作為單碳來源促進胃黏蛋白生長，基因組分析結(jié)果顯示這類細菌能夠利用宿主的黏多糖，可能與艾克曼菌作用類似，在胃腸道健康中起保護作用〔8〕。

1.6調(diào)節(jié)GLP-1 腸道菌群還能影響GLP-1的生理功能〔30〕。研究發(fā)現(xiàn)〔31〕二甲雙胍能夠增加T2DM患者腸道乳酸桿菌的豐度，補充含有乳酸桿菌的益生菌能夠產(chǎn)生類似二甲雙胍的作用，改善IR、降低高血糖〔32〕。更進一步的研究表明，這些代謝指標的改善與血漿GLP-1水平增加有關(guān)〔32〕。乳酸桿菌數(shù)量下降與GLP-1抵抗有關(guān)，這與腸神經(jīng)源性一氧化氮合成改變有關(guān)〔32〕。然而乳酸桿菌是如何影響GLP-1分泌的仍不清楚，乳酸桿菌很可能與葡萄糖感受器相互作用，調(diào)節(jié)GLP-1發(fā)揮作用〔33〕。

綜上，二甲雙胍相關(guān)的腸道菌群的特點表明二甲雙胍可以通過新的作用機制來發(fā)揮降糖作用。腸道菌群通過改變腸道營養(yǎng)物質(zhì)感受器途徑、調(diào)節(jié)短鏈脂肪酸生成、調(diào)控金屬蛋白的基因表達、增強腸道黏膜屏障功能、調(diào)節(jié)GLP-1等機制發(fā)揮降糖作用。二甲雙胍與腸道菌群的作用越來越密切，需要更進一步的研究來發(fā)現(xiàn)更多的機制。