益生菌對II型糖尿病影響的研究進展

閆芬芬，李 娜，李柏良，岳瑩雪，史佳鷺，趙 莉，霍貴成*

（東北農業大學 乳品科學教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150030）

隨著人們生活水平的提高和飲食結構的變化，糖尿病發病率及其死亡率的迅速上升已成為一個嚴重的全球性健康問題，被公認為世界第三大致死性疾病。國際糖尿病聯盟發布的Diabetes Atlas指出：糖尿病分為I型糖尿病、II型糖尿病、妊娠糖尿病和其他類型的糖尿病4 種類型[1]。II型糖尿病是最常見的類型，占糖尿病患者的90%以上[2]。根據世界衛生組織的數據顯示，2015年全世界成人糖尿病患者人數達4.15億，預計到2040年，人數將達6.42億。中國已成為世界上糖尿病患者最多的國家，有超過1億糖尿病患者。更令人擔憂的是，糖尿病患者逐漸年輕化。2017年青少年糖尿病全球發病率為8%，預計到2040年將達到10%[3]。II型糖尿病的發病機制復雜，影響因素眾多，涉及復雜的遺傳和環境因素。其中環境因素主要包括膳食結構及成分[4]、吸煙、肥胖、久坐的生活方式等[5-6]，此外還與長期暴露于污染的空氣有關[7]，目前尚無有效的預防措施。值得注意的是，目前有大量證據表明腸道菌群與II型糖尿病之間存在密切關系[8-9]。

隨著新一代測序技術的發展及廣泛應用，人體各個部位微生物組成和功能逐漸被揭示，數量龐大、種類多樣的腸道微生物也得到更為深入的研究。越來越多的研究表明，一些人類疾病與腸道菌群有關。在2013年12月出版的Science雜志上發表的十大科學進展中，腸道菌群與人體健康關系的研究被列入其中。飲食對于人體健康的重要性不言而喻，近期研究發現腸道微生物可能是聯系二者的橋梁：飲食的改變可以影響腸道微生物的組成、結構和功能，而腸道微生物通過調節腸道中營養物質的代謝來影響宿主的生理狀態。因此，通過膳食干預的方法為腸道微生物的調控和重構提供了新的方向和思路，也為膳食補充益生菌調節機體腸道菌群的結構，進而影響腸道菌群的新陳代謝提供了可能性。

目前，大量的動物和臨床實驗表明乳桿菌屬和雙歧桿菌屬對II型糖尿病有一定的改善作用[10-11]。這些益生菌或其代謝產物主要通過直接與腸道菌群相互作用，影響腸道微生物的代謝活動和生理功能，進而緩解肥胖、糖尿病等代謝綜合癥，影響人體健康。

1 腸道菌群與II型糖尿病的相關性研究

1.1 腸道菌群

自出生起，微生物便進入到人體內，之后隨著年齡增長其多樣性和數量逐漸增加，2～3 歲時幾乎成型[12]。通過分析健康成人的糞便樣品，發現成人腸道中（主要是結腸）定植著數量級約為1014的細菌，其質量約為1～1.5 kg，編碼的基因數量是人體基因的100～150 倍[13]。隨著研究的深入，腸道菌群逐漸被認為是連接基因、環境和免疫系統的重要紐帶[14]。腸道內的益生菌在調節機體營養物質代謝、拮抗病原菌在腸道定植、維持腸道免疫屏障等方面發揮重要作用[15]。但是，一旦腸道菌群失調，腸道內環境紊亂，益生菌減少，人體便開始出現各種不適癥狀甚至引發疾病[16-17]。

1.2 腸道菌群與II型糖尿病的相關性

目前研究表明，與正常人群相比II型糖尿病患者的腸道微生物群發現顯著變化，而且與臨床指標存在一定的相關性（表1）。

1.2.1 腸道菌群通過改變炎癥因子影響糖尿病發展

目前的研究發現，許多代謝相關疾病，如II型糖尿病、肥胖、心腦血管疾病等與低度慢性炎癥密切相關。II型糖尿病和血脂異常患者血清脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）含量高于正常人[21]。在正常情況下，人體腸道菌群處于動態平衡狀態，革蘭氏陰性菌與陽性菌友好相處，一旦腸道菌群失調，革蘭氏陰性菌比例增加，LPS增多，后者通過腸道合成的乳糜顆粒吸收入血，激活TLR4/CD14信號通路，增加促炎細胞因子如腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白細胞介素（interleukin，IL）-1、IL-6、IL-12等的釋放，引發機體局部或全身一系列非特異性炎癥反應，從而干擾胰島素信號轉導，引起胰島素抵抗，導致高胰島素血癥[22]，同時引發胰島細胞慢性低水平炎癥反應和代謝性內毒素血癥，導致胰島β細胞的破壞和凋亡[23-24]，引發II型糖尿病。

1.2.2 腸道菌群通過短鏈脂肪酸影響糖尿病發展

腸道菌群，主要是結腸中的微生物，可以降解人體不能消化分解的碳水化合物，包括大分子植物多糖、部分寡糖和上皮細胞產生的內生黏液，產生碳鏈數少于或等于6的短鏈脂肪酸。短鏈脂肪酸在調節腸道菌群、維持體液平衡、抑制腸道炎性因子形成、促進腸道黏膜修復等方面發揮著重要的作用[25]。作為備受關注的丁酸，它是結腸上皮細胞的能量來源，結腸上皮細胞獲得的60%～70%的能量來自丁酸[26]。此外，丁酸還可通過與G蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptor，GPR）結合誘導腸道內分泌細胞合成分泌胰高血糖素樣肽1（glucagon-like peptide 1，GLP-1）和胃腸多肽酪酪肽（peptide YY，PYY），抑制胃液分泌和胃腸蠕動，延緩胃排空，同時作用于下丘腦等中樞神經系統，使人體產生飽脹感和食欲下降[27-28]。丙酸和乙酸主要被肝細胞吸收，用于糖原和脂肪的合成[29]。乙酸可通過與GPR43結合而增加GLP-1水平，從而促進胰島素分泌；丙酸可通過與GPR41結合調節糖異生，影響人體糖代謝。

1.2.3 腸道菌群通過影響膽汁酸代謝影響糖尿病發展

人體內膽汁酸調節是一個非常復雜的過程，需要肝臟、腸道及腸道菌群的共同完成[30]。腸道菌群參與膽汁酸的正常代謝、合成和再吸收。此外，膽汁酸與腸道菌群代謝產物——次級膽汁酸作為有效的信號分子參與機體的多種代謝途徑。目前的研究發現，膽汁酸調節代謝與肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪肝病等疾病的發生和發展密切相關[31]。膽汁酸可通過法尼酯X受體（farnesoid X receptor，FXR）和G-蛋白偶聯受體5（Takeda G protein coupled receptor 5，TGR-5）這兩種途徑在葡萄糖代謝中發揮作用[32]。膽汁酸與胰島β細胞中的FXR結合并調節胰島素的轉錄和分泌[33]；膽汁酸也可以與小腸某些細胞的FXR結合，激活成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor，FGF）15/19，提高葡萄糖耐量并增加胰島素敏感性[34]。此外，FGF19還能夠抑制cAMP的磷酸化從而減少肝糖異生[35]。膽汁酸對糖代謝的調節也可以通過TGR-5介導來實現。膽汁酸可以激活小腸細胞表面TGR-5，促使腸內分泌細胞分泌GLP-1，進而促進胰島素的合成與分泌，調節糖代謝穩態[36]；膽汁酸還可以直接激活胰島細胞上的TGR-5并促進胰島素的分泌[37]。

1.2.4 其他與腸道菌群相關的發病機制

隨著研究的進展，腸道菌群和II型糖尿病之間還存在其他機制，如支鏈氨基酸機制[38]。一些研究結果顯示血清中氨基酸、支鏈脂肪酸[39]、低碳數和雙鍵的三酰甘油[40]以及特殊的膜磷脂[41]與胰島素抵抗有關。Pedersen等[38]調查了291 名非糖尿病和75 名II型糖尿病成年患者，結果表明胰島素抵抗患者血清中支鏈脂肪酸含量高于正常人群。此外，血液中支鏈氨基酸的水平與腸道菌群的組成和功能有關，人體普氏菌和普通擬桿菌是支鏈氨基酸合成的重要驅動力。進一步的研究發現，飼喂人體普氏菌的小鼠血液循環中支鏈氨基酸水平升高，并發生胰島素抵抗。這也證實了奇數鏈脂肪酸和多不飽和脂肪酸與降低II型糖尿病發病風險的相關性[40,42]。

1.3 目前針對糖尿病的防治策略

合理飲食和運動是控制糖尿病最原始的方法。但隨著人們生活方式和飲食的改變，飲食和運動越來越難以控制糖尿病。目前主要通過藥物來治療II型糖尿病。鑒于藥物的作用機制和功能不同，傳統的抗糖尿病藥物主要分為6 類[43]：雙胍類、磺酰脲類、非磺酰脲類、α-葡萄糖苷酶抑制劑、噻唑烷二酮類、胰島素；新型藥物包括：腸促胰島素類似物（GLP-1類似物、GLP-1受體激動劑和二肽基肽酶IV（dipeptidyl peptidase IV，DPP-IV）抑制劑）、鈉-葡萄糖協同轉運蛋白2抑制劑。但是這些藥物在治療II型糖尿病的同時也會給機體帶來一定的副作用，不適合長期服用。

鑒于以上治療藥物的副作用以及糖尿病患者增加且偏向年輕化的現狀，探索新的防治糖尿病措施就變得尤為重要。人們普遍認為，除了遺傳等先天因素外，糖尿病發病率還與飲食密切相關。目前，許多預防和治療方案都是基于控制飲食來改善這一癥狀。研究顯示許多食物或成分能夠緩解II型糖尿病癥狀，例如多糖[44]、γ-氨基丁酸[45]、黃連素[46]、乳糖[47]、辣椒紅素[48]、益生菌及其發酵制品[49]等。益生菌作為一種安全的膳食添加劑，已成為人們研究的熱點。

2 益生菌與II型糖尿病的相關性研究

2.1 益生菌對II型糖尿病的影響

目前大量研究顯示，無論是動物實驗中的動物模型或者臨床實驗中的糖尿病患者，攝入益生菌或者益生菌發酵食品（如酸乳、發酵果蔬汁等）之后血糖濃度呈現不同程度的下降。但由于糖尿病發病機制復雜，加上益生菌個體差異、種類和治療劑量不同，甚至益生菌自身生長狀態的不同[50]，其對腸道菌群及宿主代謝的影響也有所差異（表2）。

Li Chuan等[53]使用植物乳桿菌NCU116和該菌株發酵的胡蘿卜汁干預II型糖尿病大鼠，結果表明，飼喂植物乳桿菌NCU116及其發酵胡蘿卜汁可有效調節糖尿病大鼠的血糖濃度、激素水平和脂質代謝，同時增加結腸中的短鏈脂肪酸濃度，并且恢復了胰腺和腎臟的抗氧化能力和形態，上調了糖脂代謝相關基因的表達。這些結果表明植物乳桿菌NCU116及其發酵胡蘿卜汁具有改善大鼠II型糖尿病的潛力。

Moroti等[59]對20 名年齡在50～60 歲志愿者進行了一項隨機雙盲實驗，以安慰劑為對照組。在30 d實驗期間，實驗組每天飲用200 mL飲料（含有108CFU/mL嗜酸乳桿菌、108CFU/mL雙歧桿菌和2 g低聚果糖），而安慰劑組每日飲用相同體積的不含任何共生細菌的飲料。結果顯示，實驗組血清高密度脂蛋白膽固醇水平顯著升高（P＜0.05），空腹血糖濃度顯著降低（P＜0.05），安慰劑組無明顯變化，證明益生菌對II型糖尿病有一定的緩解作用。

Ivey等[60]選擇含嗜酸乳桿菌LA5和動物雙歧桿菌乳亞種BB12菌粉及其發酵酸乳進行隨機對照臨床實驗。對156 名超重自愿者進行為期6 周的調查研究，結果顯示相對于牛乳對照組，兩種益生菌酸乳引起HOMA胰島素抵抗（homeostasis model assessment insulin resistance，HOMA-IR）指數顯著升高，對空腹血糖、HbA1c和胰島素水平沒有顯著影響；與安慰劑膠囊相比，兩種益生菌膠囊顯著提高空腹血糖濃度，對空腹血糖、HbA1c和胰島素水平沒有顯著影響。該研究表明，嗜酸乳桿菌LA5和動物雙歧桿菌乳亞種BB12無論是分離形式還是作為整體食物（酸乳）的一部分，均不能有效地控制血糖。

2.2 益生菌可改善II型糖尿病的相關機制

圖 1 益生菌對II型糖尿病的影響Fig. 1 Effect of probiotics on type II diabetes

盡管目前的研究結果存在差異，但并不能排除益生菌通過調節腸道微生物的生理活動緩解糖尿病的潛力。但由于糖尿病發病機制復雜，益生菌的攝入與糖尿病發生、發展之間的關系以及其中所涉及的機制目前尚未完全闡明，還需進一步研究進行解釋。目前，研究表明益生菌可通過多種途徑改善II型糖尿病，如圖1所示。

2.2.1 抑制體內糖代謝相關酶活力

人體攝取的大部分營養物質都在小腸內以小分子形式被吸收。淀粉等多糖物質首先被唾液和胰α-淀粉酶降解生成寡糖及二糖，然后經位于腸腔及刷狀緣膜的α-葡萄糖苷酶水解被人體吸收。因此，α-葡萄糖苷酶活力的抑制和葡萄糖吸收的減少已成為臨床上治療糖尿病的有效靶點。市場上該類降糖藥主要有阿卡波糖、伏格列波糖等。但這類藥物有一些胃腸道副作用，例如腹脹、腹瀉等。目前，大量的體外研究表明，一些乳酸菌對α-葡萄糖苷酶具有抑制作用。Panwar等[61]對來自嬰兒糞便的15 株乳桿菌進行研究，結果顯示15 株乳桿菌經加熱和超聲處理后的無細胞提取物對α-葡萄糖苷酶具有抑制作用。王芬等[62]以77 株益生菌為研究對象，分別測定其菌體細胞代謝物和細胞內容物對α-葡萄糖苷酶的抑制活性，并綜合胃腸環境的適應性指標，從中篩選出一株具有降糖潛力的乳酸菌植物乳桿菌BLP12。

DPP-IV是一種細胞表面的多功能高特異性絲氨酸蛋白酶，在哺乳動物組織中廣泛表達，在腸上皮細胞中高表達，部分以可溶形式存在于循環血液中[63]。可溶性的DPP-IV具有酶活力，其主要作用是優先通過剪切去除丙氨酸（Ala）或脯氨酸（Pro）寡肽氨基末端的前兩個氨基酸。DPP-IV在人體內作用的生理底物主要包括GLP-1、PYY、抑胃肽-42、神經肽以及胰多肽家族等[63]。GLP-1是由腸道細胞分泌的荷爾蒙，它可以通過刺激胰島素分泌、抑制升糖素、延緩胃排空和讓胰島細胞重生的方式來降低血糖。DPP-IV抑制劑已成為治療糖尿病的主要方向之一。目前已應用于臨床研究的DPP-IV抑制劑包括西格列汀、維格列汀、沙格列汀等。有研究顯示乳酸菌具有抑制DPP-IV的作用。Zhu Zeng等[64]以21 株乳桿菌為研究對象，發現3 株植物乳桿菌（ZF06-1、ZF06-3和IF2-14）和1 株短乳桿菌對DPP-IV酶具有高抑制率，但還需通過動物實驗和臨床實驗進一步驗證；之后其又從嬰兒糞便中分離出兩株能夠抑制DPP-IV的雙歧桿菌（兩歧雙歧桿菌IF3-211和青春雙歧桿菌IF1-11）[65]。

2.2.2 益生菌對糖代謝相關基因表達的影響

目前大量研究表明益生菌的攝入可以上調或下調與糖代謝相關基因的表達。Li Chuan等[53]將植物乳桿菌NCU116飼喂高脂飲食和低劑量藥物誘導的II型糖尿病大鼠，結果表明，與改善炎癥和維持葡萄糖穩態相關基因（GLUT-4、PPAR-α和PPAR-γ）表達上調，糖尿病大鼠的葡萄糖穩態得到調節和胰島素敏感性增加。張勇[66]研究發現Lactobacillus caseiZhang可減少7α-脫羥基活性菌的數量，使糞便中總膽汁酸水平增加，進而促成體內膽汁酸與氯離子的交換，阻止氯離子流失以及上調氯離子依賴性基因（ClC1-7、GlyRa1等）表達，進而預防II型糖尿病的發生與發展。其次，益生菌還可增加pp-1（糖原合成相關酶基因）、GLUT-4（葡萄糖攝取相關基因）和PPAR-γ（胰島素敏感性相關基因）并降低GSK-3β（糖原合成相關酶基因）和G6PC（糖異生相關酶基因）mRNA的表達[67]。有研究表明益生菌干預可減輕骨骼肌中的脂毒性和內質網應激基因表達，從而改善葡萄糖耐量[68-69]。

2.2.3 益生菌對糖尿病相關炎癥和免疫反應的影響

II型糖尿病是一種慢性全身性低度炎癥[70]。II型糖尿病患者體內的一些炎癥介質如急性期蛋白、細胞因子和內皮激活標記物水平升高[71]。有研究指出益生菌可增強腸屏障功能，減少微生物及其衍生物如LPS的易位[67,72]。LPS受體TLR4的激活誘導胰島素抵抗和胰島β細胞功能障礙[73]。此外，LPS抑制胰島β細胞的胰島素分泌和胰島素基因表達[74]。在LPS處理小鼠中，當血漿葡萄糖水平保持在正常值時，炎癥發生率和死亡率降低，這表明適當的血糖控制是產生該結果的主要決定因素。葡萄糖控制異常是否是由于內毒素損傷導致尚不清楚，所涉及的分子機制尚不清楚。副干酪乳桿菌副干酪亞種NTU101冷凍干燥粉飼喂糖耐量受損大鼠可提高大鼠糞便中雙歧桿菌水平，改善腸道環境，保持腸道完整性并防止LPS進入體循環，進而降低II型糖尿病的風險[75]。副干酪乳桿菌G15和干酪乳桿菌Q14在腸道中通過改變腸道微生物群，降低腸黏膜通透性和改善上皮屏障功能，降低LPS、IL-1β和IL-8等炎性細胞因子循環水平，從而減輕炎癥狀態和胰島β細胞功能障礙[76]。

2.2.4 氧化應激

人體在高血糖和高游離脂肪酸的刺激下產生大量自由基，激活氧化應激信號通路，使機體發生胰島素抵抗、胰島素分泌受損和糖尿病血管病變。II型糖尿病的主要特征是氧化應激的系統性增加[77]，如果不加干預會使糖尿病病情惡化。

人們可以通過膳食補充酚類物質等平衡機體內活性氧的增加。此外，腸道細菌如雙歧桿菌屬以及體外攝入益生菌也可改善II型糖尿病患者的葡萄糖耐量和總抗氧化狀態[55]。不同的乳酸菌顯示出不同的抗氧化活性，臨床實驗比較常見的有嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、干酪乳桿菌、保加利亞乳桿菌和植物乳桿菌[29]。動物實驗和臨床研究表明，益生菌的攝入可以減少糖尿病機體氧化應激，具有緩解糖尿病的作用[55,78]。

Kumar等[79]通過體外抗氧化方法檢測和動物實驗證明單純飼喂發酵乳桿菌RS-2和該菌發酵酸乳均能顯著延緩糖尿病病程，與模型組相比肝臟和血液中抗氧化參數（SOD、CAT、GSH-Px活力）顯著升高。Ejtahed等[55]進行一項針對64 名II型糖尿病患者的隨機雙盲研究，以安慰劑組為對照，結果顯示，與對照組相比，攝入含益生菌（嗜酸乳桿菌La5和乳酸雙歧桿菌BB12）酸乳的糖尿病患者空腹血糖（P＜0.01）和HbA1c水平（P＜0.05）顯著降低，紅細胞SOD、GSH-Px活力和TAC顯著增加（P＜0.05）。目前益生菌及其飲品對血糖控制作用的確切機制可以部分地解釋為抑制抗壞血酸自動氧化、金屬離子螯合，降低超氧陰離子和過氧化氫的活性并促進其排泄[80]。

3 結 語

目前的研究已證實，II型糖尿病患者具有不同于正常人群的腸道微生物群組成。腸道菌群可能在II型糖尿病發生和發展中起重要作用，但由于缺乏足夠的科學證據支持這一健康聲明，需要進一步探究益生菌在葡萄糖代謝中的潛在作用。雖然大量動物實驗已證實益生菌具有顯著的降糖作用，但在臨床實驗中，使用益生菌控制II型糖尿病個體存在不一致的結果，這可能是由于人類存在太多的不可控因素如飲食特征、藥物使用、體質量指數等因素。因此，未來的研究應綜合考慮這些因素，更好地了解益生菌對II型糖尿病個體代謝的影響以及涉及這種復雜關系的主要機制。目前，益生菌的研究主要針對乳酸菌，有必要擴大益生菌的范圍。此外，益生菌的很多功效都因菌株不同而有所差異，所以務必選擇適合II型糖尿病患者的益生菌菌株，還可以考慮復合益生菌或者合生元產品的開發，使不同的菌種間或者菌株與益生元之間相互協同進而發揮出更突出的糖尿病防治效果。