基于腸道菌群及其代謝產物短鏈脂肪酸防治1型糖尿病的研究進展

宋超杰，張小莉，陳換換

1型糖尿病（T1DM）是由T淋巴細胞介導的胰島β細胞被定向破壞的自身免疫性疾病，主要是單核淋巴細胞浸潤胰島β細胞，導致胰島β細胞大量凋亡，胰島素分泌減少，血糖升高從而引發的疾病［1-2］。根據國際糖尿病聯盟（International Diabetes Federation，IDF）最新統計，2019年中國兒童和青少年（＜20歲）T1DM患者近5萬，位居世界第四［3］。因此，研究T1DM的病理機制及其預防和治療方法尤為重要。遺傳因素在T1DM病因中起著重要作用，研究發現許多與T1DM相關的遺傳位點，其中最重要的位點是人類白細胞抗原（HLA）編碼位點，約70%的T1DM患者攜帶HLA等位基因［4-5］。然而，僅有不到10%遺傳易感個體發展為T1DM［6］，但T1DM發病率仍呈逐年上升趨勢，表明非遺傳因素在T1DM中具有關鍵作用。近年來，腸道菌群作為關鍵環境因素之一成為研究熱點［7-10］。研究表明，T1DM患者及動物模型中存在腸道菌群失衡及腸道通透性增加，主要表現為菌群多樣性及益生菌豐度下降［7，10-11］，通過多途徑調控腸道菌群可顯著改善T1DM［12-15］。

1 腸道菌群的種類和功能

人體胃腸道棲息著密集而多樣的微生物，這些微生物在長期進化過程中與宿主形成了共生關系。人體腸道內微生物種類有500～1 000種，1013～1014個，其中以革蘭陰性菌為主的擬桿菌門和以革蘭陽性菌為主的厚壁菌門為優勢菌群［16］，占人類腸道細菌的15%～30%［17］。自新生兒出生到3歲，腸道菌群的數量和種類受母乳、飲食、環境等多種因素的影響，腸道微生物經歷了許多變化［18］。腸道菌群按功能可分為三類：益生菌、致病菌和條件性致病菌［19］。正常菌群在人體腸道內黏附、定植和繁殖，形成一層“菌膜屏障”，抵抗并排斥病原菌的定植、入侵，對機體免受外來病原菌的侵襲具有重要的作用，可維護機體內環境穩定。另外，腸道細菌還通過對營養物質的競爭，抑制有害菌在腸道內繁殖。腸道共生菌在腸道局部可以產生一些抑菌物質，如乳酸桿菌能產生乳酸、過氧化氫、細菌素等，從而抑制病原菌生長［20］。研究發現，人類多種慢性病與腸道菌群失衡有關，包括T1DM［21］、阿爾茨海默病［22］和炎癥性腸病［23］等。

2 T1DM患者腸道菌群的改變

大量研究表明，T1DM 患者和動物模型中存在腸道菌群失衡。BIASSONI等［24］利用16sRNA測序技術對比31例T1DM患兒和25例健康兒童的腸道菌群發現，T1DM患兒擬桿菌門、變形菌門豐度升高，脫硫弧菌屬、嗜膽菌屬、β-變形菌綱豐度降低。DEMIRCI等［25］檢測53例T1DM患者糞便樣本中擬桿菌門、厚壁菌門水平，發現與健康個體相比，T1DM患者腸道菌群中擬桿菌門水平升高、厚壁菌門水平下降，且厚壁菌門/擬桿菌門比值顯著降低。另一項臨床研究分析了T1DM兒童和健康兒童的腸道菌群，得出同樣結果［26］。SOYUCEN等［27］研究發現，與健康兒童相比，T1DM兒童腸道中定植的雙歧桿菌數量下降，白色念珠菌和腸桿菌科（除大腸埃希菌）數量增加。PINTO等［28］對3例T1DM患兒和3例健康兒童的糞便蛋白提取物分析發現，T1DM患兒腸道蛋白組富集梭狀芽孢桿菌和擬桿菌蛋白，健康兒童蛋白組中富集雙歧桿菌蛋白。DE GOFFAU等［29］比較T1DM發病前1～5歲兒童腸道菌群變化，T1DM患兒腸道中缺乏雙歧桿菌（包括青春雙歧桿菌和假雙歧桿菌），擬桿菌屬數量增加，并通過檢測發現至少兩種與T1DM相關的自身抗體，與β細胞抗體陰性的人群比，擁有大量β細胞抗體的人群腸道中產乳酸鹽和丁酸鹽的細菌減少。另一項研究發現，T1DM患兒較健康兒童腸道菌群中Blautia菌屬豐度增高，Haemophilus、Laclmospira、Dialister、Acidaminococcus菌屬豐度降低，此外，Blautia菌屬豐度與糖化血紅蛋白（HbA1c）、T1DM自身抗體數量和酪氨酸磷酸酶自身抗體（IA-2）滴度呈正相關［30］。HUANG等［31］對12例漢族T1DM患兒糞便中腸道菌群進行了檢測并與健康兒童進行比較發現，T1DM患兒腸道菌群中擬桿菌門/厚壁菌門比值升高，且糞桿菌屬豐度與HbA1c水平呈負相關，擬桿菌門豐度與抗胰島自身抗體呈正相關。在動物實驗中有相似發現，PATTERSON等［32］發現T1DM大鼠腸道菌群中擬桿菌門/厚壁菌門比值升高，在T1DM成模第4、5周，T1DM大鼠腸道菌群中放線菌門、擬桿菌門豐度增加，脫鐵桿菌豐度下降。同樣另一項研究也證實了T1DM大鼠腸道菌群發生改變，腸道菌群中瘤胃菌科、志賀桿菌、糞桿菌屬、鏈球菌等致病菌豐度升高，乳桿菌屬、Faecalitalea菌屬、Butyricicoccus菌屬、Allobaculum菌屬等益生菌豐度下降［7］。以上研究說明T1DM發病前后，機體存在腸道菌群失衡，但目前尚不清楚T1DM與菌群失衡二者的因果關系。

3 腸道菌群參與T1DM發生發展的機制

腸道菌群失衡引發T1DM的可能機制包括腸道通透性改變和腸道免疫反應。研究表明腸道菌群失衡，尤其是腸道中革蘭陰性菌增加，其細胞壁結構中的脂多糖（LPS）釋放，產生大量內毒素，破壞腸道黏膜，造成“腸壁滲漏”［33］。腸道通過胰腺淋巴結和腸系膜淋巴結與胰腺相通，病原微生物和外來食物抗原可引起腸道及腸相關淋巴組織內T、B淋巴細胞的過度活化，引發免疫和炎癥介導的胰腺β細胞損傷［33-34］。腸道菌群中脆弱擬桿菌可誘導CD4+Foxp3+ Treg細胞發育，促進白介素（IL）-10、轉化生長因子-β（TGF-β）的分泌，誘導腸道免疫耐受［35］。LUO等［36］研究表明雙歧桿菌、乳桿菌通過抑制輔助性T淋巴細胞（Th）17分化，降低炎性因子IL-17的表達，改善腸道免疫狀態，從而延緩T1DM進展。以上研究表明腸道菌群失衡引發的腸黏膜通透性改變及腸道免疫反應參與T1DM發生發展，因此，調節腸道菌群失衡是當前治療T1DM的有效措施。

4 基于腸道菌群及其代謝產物短鏈脂肪酸（SCFAs）防治T1DM的探討

近年來，基于腸道菌群及其代謝產物SCFAs防治T1DM已有許多研究。患糖尿病的生物繁育（diabetes-prone biobreeding，DP-BB）大鼠使用磺胺甲惡唑、氧芐啶和硫酸考司汀抗生素聯合水解酪蛋白飲食后，腸道菌群的組成發生變化，T1DM發生率降低［37］。益生元低聚木糖可以延遲非肥胖糖尿病（NOD）小鼠糖尿病的發作，減輕胰島炎癥，增加腸道菌群中擬桿菌屬豐度，降低腸道屏障滲透性［14］。PEARSON等［38］將NOD小鼠暴露于諾如病毒（MNV）4環境，感染MNV4的NOD小鼠可免于T1DM侵襲，其腸道菌群多樣性增加、厚壁菌門/擬桿菌門比值升高，其機制可能通過MNV誘導Treg的擴增和減少炎性T淋巴細胞保護NOD小鼠延緩T1DM進展。以上研究表明，調節腸道菌群可減輕胰島炎癥，延緩或阻止T1DM發生發展。本文總結了目前基于腸道菌群及其代謝產物SCFAs改善T1DM的防治方法，以期為T1DM的臨床應用提供新的思路。

4.1 補充腸道內SCFAs含量 SCFAs是腸道菌群發酵膳食纖維的最終產物，主要由乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽組成，在盲腸和近端結腸中水平最高，是結腸細胞的主要能量來源（尤其是丁酸鹽）。SCFAs參與機體能量代謝，對于調節機體能量平衡和改善肥胖［39］、糖尿病［40］、炎癥性腸病［41］等慢性病大有裨益。研究發現丁酸鹽和乙酸鹽補充劑可保護NOD小鼠免于發生自身免疫性糖尿病［42］。妊娠前在Kilham Rat病毒誘導的T1DM大鼠飲用水中加入SCFAs（甲酸、丙酸、丁酸）補充劑，斷奶后其子代繼續飲用含SCFAs的飲用水40 d，發現子代大鼠腸道菌群中雙歧桿菌、梭狀芽孢桿菌豐度降低，推測SCFAs通過調節腸道菌群進而減輕胰島炎癥、降低T1DM發生率［12］。MARI?O 等［42］對NOD小鼠喂食富含SCFAs的飲食（主要成分為乙酸鹽和丁酸鹽），結果顯示這種飲食通過增加腸道菌群擬桿菌門豐度及調節宿主免疫反應保護NOD小鼠免受T1DM侵害。在這項研究中，乙酸鹽通過影響B淋巴細胞和T淋巴細胞的相互作用，抑制T淋巴細胞的擴增，降低IL-12水平；而丁酸鹽可增加體內Treg細胞數量并提高其功能，抑制效應T淋巴細胞的活化增殖，發揮保護作用。

4.2 補充膳食纖維 膳食纖維在大腸內發酵的主要產物是SCFAs，補充膳食纖維可促進腸道益生菌生長和抑制致病菌增殖，維持腸道菌群平衡、緩解疾病發生發展。許多膳食纖維，如菊粉、果膠、抗性淀粉、阿拉伯半乳聚糖等，通過不同的微生物發酵途徑影響SCFAs的產生。一項臨床研究選取34位健康參與者，隨機分為高膳食纖維（HDF）聯合菊粉型果聚糖飲食和低膳食纖維（LDF）聯合菊粉型果聚糖飲食兩組，HDF組腸道菌群中雙歧桿菌、糞桿菌數量較多，coprococcus菌、dorea菌、瘤胃球菌屬數量較少［43］。研究表明HDF對菊粉型果聚糖益生元有更大的腸道微生物群反應。此外，體外研究表明，菊粉型果聚糖發酵的糞便菌液中乳桿菌屬、雙歧桿菌與腸桿菌的比例升高，且丁酸鹽水平升高［44］。研究發現NOD小鼠自斷奶起喂食長鏈菊粉至24周，腸道菌群中厚壁菌門、乳桿菌屬、瘤胃桿菌屬比例升高，擬桿菌門比例降低，SCFAs含量增加，T1DM發生率降低［45］。WU等［46］給予NOD斷奶小鼠補充低甲氧基果膠至40周齡，發現低甲氧基果膠飲食可增加NOD小鼠腸道菌群中厚壁菌門、變形菌門、梭狀芽孢桿菌等益生菌豐度，增加腸道內SCFAs含量，進而阻止T1DM的發生。富含β-葡聚糖的膳食補充劑可顯著提高NOD小鼠腸道菌群中擬桿菌門/厚壁菌門比值進而減緩T1DM發生發展［47］。以上研究表明，補充膳食纖維可通過重塑腸道菌群和/或提高SCFAs含量緩解T1DM。

4.3 補充益生菌和益生元 益生菌是一類活微生物，以單種菌株或混合形式攝入機體，可維持宿主健康［48-50］。研究表明益生菌通過多種機制發揮作用，包括抑制致病菌生長［50］，增加黏蛋白分泌，改善腸道上皮完整性，平衡腸道菌群和免疫系統的相互作用，使用特定的益生菌和益生元改善腸道營養不良與改善自身免疫反應和調節腸道完整性有關。

雙歧桿菌和乳桿菌均已成功用于動物模型中誘導抗炎反應并降低糖尿病發生率［29，51］。一項C57BL/6小鼠實驗中，喂食特定的益生菌——短乳桿菌菌株，可保護小鼠免于鏈脲佐菌素（streptozotocin，STZ）誘導的T1DM發生［52］。在另一項研究中，T1DM的保護作用源于攝入另一種益生菌——雙歧桿菌，其可降低糖尿病小鼠血清胰島素水平，增加胰島素β受體、蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）的表達，其機制為Akt的上調促進細胞核因子κB抑制劑α（IκBα）的表達、激活IκB kinase-α（IKKα），從而降低核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）的反應并抑制促炎細胞因子的轉錄［53］。此外，研究表明，用雙歧桿菌科、乳桿菌科和嗜熱鏈球菌屬的益生菌菌株對NOD小鼠進行治療可通過重塑腸道菌群改善T1DM，并通過維持腸道免疫穩態和抑制IL-1β表達減輕腸道炎癥［54］。此外，乳酸乳桿菌還可通過刺激抗炎性細胞因子（包括IL-10和胰島素原）的分泌，保護NOD小鼠免受T1DM侵襲［55］。一項屬于TEDDY前瞻性隊列研究發現，嬰兒早期（自出生27 d）服用益生菌（主要是乳酸菌和雙歧桿菌，作為補充劑或補充益生菌的嬰兒配方食品）可降低胰島自身免疫風險［56］。在T1DM患兒中，每天補充鼠李糖乳桿菌GG和乳酸雙歧桿菌Bb12組成的混合益生菌可恢復腸道穩態，從而調節免疫細胞并保持胰島細胞的數量和增殖［57］。

益生元是不易被消化的碳水化合物，對水解酶具有抵抗力，但可以被腸道菌群代謝，其發酵產物（主要是SCFAs）可維持腸道屏障完整性有益于宿主健康［58］。研究發現T1DM患者中產SCFAs的細菌減少，可能與腸道屏障受損有關［59］。香蕉粉是一種潛在的全果益生元，富含抗性淀粉、果聚糖和低聚果糖，經腸道微生物發酵可增加腸道中雙歧桿菌和乳桿菌豐度［60］。一項體外糞便發酵研究發現，含香蕉粉組糞便中發酵產物SCFAs含量增加［61］。人乳寡糖是母乳中的活性成分，研究人員在4周齡NOD小鼠飲食中添加人乳寡糖直至10周齡，發現NOD小鼠T1DM和胰腺炎發生率降低，其保護作用與產SCFAs的毛螺菌屬豐度增加有關［62］。酪蛋白是哺乳動物母乳中的主要蛋白質，研究發現，自斷奶開始喂食水解酪蛋白的DP-BB大鼠較標準飲食大鼠T1DM的發病率降低，這種保護作用機制可能為通過上調緊密連接蛋白的表達降低腸道上皮通透性［63］。一項包含43例T1DM患者的干預性研究指出，與安慰劑組比，低聚果糖飲食干預3個月，T1DM患者腸道菌群中雙歧桿菌豐度升高，腸道通透性下降［15］。

4.4 腸道菌群移植 腸道菌群移植是指將健康供體腸道內的菌群移植給患病受體，進而重建腸道微生態平衡，用于治療胃腸道疾病，如炎癥性腸病、克羅恩病、糖尿病及自身免疫性疾病等。從受T1DM保護的MyD88-/-NOD小鼠的腸道菌群移植給野生型（wild type，WT）NOD小鼠，3周后WT NOD小鼠腸道內毛螺菌科、梭菌科豐度增加，乳桿菌科豐度減少，且胰島炎性浸潤減輕、T1DM發病率降低［64］。在T1DM的生物繁殖大鼠模型中，研究人員比較易患糖尿病和抗糖尿病動物的腸道菌群發現，乳桿菌屬豐度與T1DM的發展呈負相關，接下來，從抗糖尿病的大鼠腸道中分離出約翰遜乳桿菌N6.2移植給DP-BB大鼠，結果顯示DP-BB大鼠T1DM發病率降低［65］。

4.5 中藥調控腸道菌群及改善腸黏膜屏障 中藥通過調控腸道菌群及改善腸黏膜屏障治療多種疾病已成為微生態研究熱點，且表現出獨特的優勢。大量基礎實驗和臨床研究證實，中藥湯劑、中藥單體和化合物可通過調控菌群失衡改善糖脂代謝紊亂［66］。葛根芩連湯［67］、降糖調脂方［68］等中藥方劑可通過降低碳水化合物水平，調節腸道菌群發揮降糖作用。四氫姜黃素由中藥姜黃根莖中分離出來的姜黃素氫化而來，可恢復db/db小鼠腸道菌群多樣性，降低厚壁菌門/擬桿菌門比值，上調胰腺胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）的表達進而改善db/db小鼠的糖尿病狀況［69］。中藥玉竹一直用于治療糖尿病，其主要活性成分為總皂苷和總多糖，研究發現其可減少擬桿菌門和變形桿菌豐度，增加厚壁菌門豐度及SCFAs含量，改善2型糖尿病（T2DM）［70］。XIAO等［71］研究發現黃芩、黃連治療T2DM，T2DM大鼠腸道菌群中擬桿菌屬、瘤胃梭菌屬等產SCFAs的細菌增多，產次級膽汁酸的細菌如埃希氏菌-志賀菌則明顯減少，T2DM大鼠的代謝紊亂得到明顯改善。花椒麻味物質是中藥花椒中的不飽和脂肪酸酰胺類成分，游玉明等［72］研究發現一定劑量的花椒麻味物質可降低腸道菌群中腸桿菌、腸球菌等條件致病菌的豐度，增加乳酸桿菌、雙歧桿菌等益生菌的豐度，減輕大鼠回腸組織損傷，進而改善糖尿病。花椒精油是中藥花椒果皮的提取物，任廷遠等［73］采用花椒精油溶液灌胃STZ誘導的T1DM小鼠，結果證實花椒精油可增加T1DM小鼠盲腸SCFAs含量，改善腸道微環境，緩解T1DM。

5 總結與展望

T1DM是胰島β細胞遭到自身免疫抗體破壞導致胰島素分泌不足的慢性病。腸道菌群作為環境因素更多地參與T1DM的發病過程，表現為腸道菌群組成的改變，腸道免疫系統過度活化和腸道上皮通透性改變，腸腔內抗原易位至其他組織器官，包括胰腺和胰腺淋巴結。但目前尚不清楚腸道菌群改變的確切機制及這些改變影響T1DM發病的確切機制，還需要繼續研究腸道菌群在胰島自身免疫性疾病發展中的作用。

調節腸道菌群失衡是改善T1DM的新方法，本文總結目前基于腸道菌群及其代謝產物SCFAs改善T1DM的防治方法。然而，這些治療方法面臨許多挑戰，包括在菌群移植過程中某些疾病傳播的可能性，在準備過程中益生菌與其他菌污染的可能性。盡管益生元可能為益生菌的使用提供了一種安全的選擇，但其在腸道內的穩定性并不能得到保證。中藥復方及單體中哪種有效成分發揮調整腸道菌群改善T1DM的作用尚不清楚。還需進一步研究基于腸道菌群改善T1DM的機制、信號通路，從而使以腸道菌群為靶點防治T1DM的方法更具科學性，從而提供更好地防治T1DM的新治療方法。

本文價值：（1）本文從1型糖尿病（T1DM）患者腸道菌群的改變、腸道菌群參與T1DM發生發展的機制、基于腸道菌群及其代謝產物短鏈脂肪酸（SCFAs）防治T1DM的研究進行綜合闡述，為T1DM的臨床研究及干預提供了新的方向。（2）目前關于腸道菌群調節與T1DM相關的臨床研究較少，本文系統總結了腸道菌群及其代謝產物SCFAs在T1DM的預防和治療中發揮的作用，旨在為臨床研究做好基礎工作。

局限性：腸道菌群影響機體改善T1DM的具體方式、途徑尚未充分闡明，在T1DM治療中以腸道菌群為靶點的治療策略還需要大量的基礎研究及臨床數據來驗證。

作者貢獻：宋超杰負責構思設計文章，收集整理文獻，并撰寫、修訂論文；陳換換負責文章中英文的修訂；張小莉負責文章審校，對文章整體負責。

本文無利益沖突。