腸道菌群在2型糖尿病中的作用機制及中藥的調控作用

周子鈞，紀越，李俊辰，宋逸飛，任桐

(1.天津中醫藥大學第一附屬醫院腎病科，天津 300382； 2.國家中醫針灸臨床醫學研究中心，天津 300382)

2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)是一種由于胰島素分泌不足或胰島素抵抗而引起的慢性代謝性疾病。研究表明，預計2045年T2DM將影響全球6.93億人[1]。現代醫學認為T2DM發病與氧化應激、胰高血糖素分泌異常、炎癥反應等因素密切相關，但具體機制尚未完全明確[2]。隨著對腸道菌群與T2DM關系研究的深入，近年來發現腸道菌群在T2DM的發病中也起重要作用[3]。在中醫學中，糖尿病被認為是“消渴”病，“消渴”是一種由于先天不足、飲食失節、情志失調、勞倦內傷等導致的以多飲、多尿、乏力、消瘦或尿糖高為主要癥狀的病癥，其臨床癥狀與糖尿病相似，病機多為陰津虧損、燥熱偏盛，故臨床上對糖尿病的治療大多以消渴論治。其中中藥治療T2DM的療效較好，同時具備毒副作用小、兼治并發癥的優點，在臨床上發揮著重要作用[4]。由于中藥大多以口服劑型為主，腸道菌群在這些藥物發揮藥效的過程中起重要作用[5]，然而腸道菌群在T2DM發病中的作用及中藥與腸道菌群之間的調節機制尚未完全明確。現就常見的腸道菌群及其代謝產物在T2DM發病過程中的作用以及中藥調節腸道菌群治療T2DM的具體機制進行綜述。

1 腸道菌群與T2DM的關系

人類腸道中共生著大量微生物，數量可達1014個，組成極其復雜的微生態系統，并保持一種相對平衡狀態，維持機體的正常生理功能[6]。近年來發現腸道菌群通過短鏈脂肪酸(short chain fatty acid,SCFA)代謝、膽汁酸代謝、支鏈氨基酸(branched chain amino acid,BCAA)代謝、脂多糖分泌等途徑在T2DM的發生發展中發揮重要作用，見圖1。研究表明，腸道菌群平衡失調可能導致T2DM的發生發展[7-8]，其中T2DM患者腸道菌群α、β多樣性均顯著降低，菌群豐度明顯減少[9]。動物模型中，與正常組相比，T2DM組大鼠腸道中Bacteroidetes和Alistipes菌群數量均下調，而Firmicutes和Blautia菌群數量上調，Firmicutes/Bacteroidetes明顯升高[10]。但也有實驗得出相反的結果，與正常組相比，T2DM組大鼠腸道中Firmicutes菌群數量減少，Bacteroidetes菌群豐度增加[11]。這可能與單個菌群的多個作用及菌群之間的相互作用有關，如Bacteroidetes菌群是革蘭陰性菌，數量增多會刺激脂多糖的分泌，進而加劇胰島素抵抗[12]，但同時該菌群也包含SCFA產生菌(如Prevotella菌群)，其數量增多會刺激SCFA的分泌，緩解胰島素抵抗[13]。由此可見，腸道菌群通過多靶點、多途徑對T2DM進行調控。此外，菌群衍生代謝物(如丙酸咪唑、琥珀酸和對甲酚)也與宿主胰島素抵抗相關，進而影響T2DM的發生發展[14-15]。Deferribacteres菌群與鐵代謝有關[16]，鐵代謝異常可導致T2DM的發生[17]。以上證據表明，腸道菌群與T2DM密切相關，具體作用機制分為以下幾點。

1.1腸道菌群通過SCFA代謝影響T2DM SCFA是腸道菌群發酵食物產生的一種代謝產物，主要包含乙酸、丙酸和丁酸，其中丁酸是腸上皮細胞的主要能源之一，對細胞的生長分化起重要作用，主要由Firmicutes菌群產生；乙酸是膽固醇和脂肪酸合成的前體，而丙酸則是糖異生的底物，兩者主要由Bacteroidetes菌群產生[18-19]。SCFA在人體發揮重要的生理功能，如調節腸道菌群、維持酸性環境、提供能量以及維持腸黏膜屏障完整性等，其中丁酸鹽可抑制炎癥反應，乙酸鹽和丙酸鹽可影響糖代謝[20]，所以SCFA常被認為是預防和治療T2DM的營養靶點[15]。Wang等[21]研究表明，調節腸道菌群有助于SCFA的轉化，而SCFA特別是丁酸鹽，可顯著抑制腫瘤壞死因子-α和白細胞介素-6等促炎因子的分泌，進而改善胰島素抵抗。近年來有學者指出，紊亂的腸道菌群與營養物質相互作用生成過多的乙酸鹽，通過腦-腸軸持續刺激胰島素分泌，最終導致胰島素抵抗[22]。此外，SCFA還可通過調節胃腸道激素分泌，改善胰島素敏感性，最終降低血糖。酪酪肽具有提高胰島素敏感性和改善胰島細胞功能的作用，而胰高血糖素樣肽1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)可促進胰島素分泌、胰島β細胞修復再生。SCFA與G蛋白偶聯受體(G protein-coupled receptor，GPR)41和GPR43結合可促使腸內分泌酪酪肽和GLP-1，進而刺激胰島素分泌[23-24]；同時SCFA與GPR41和GPR43的結合也可抑制核因子κB在宿主免疫細胞中的激活，減輕炎癥反應，進而保護胰島β細胞[18]。但有學者認為，SCFA刺激酪酪肽和GLP-1的分泌可能與GPR41和GPR43無關，在離體實驗中，GPR43特異性激動劑對GLP-1和酪酪肽輸出無顯著影響，而GPR41特異性拮抗劑也未降低由乙酸和丁酸刺激的GLP-1或酪酪肽分泌[25]。但腸道菌群紊亂會嚴重影響SCFA的生成，進而影響T2DM的發生發展[26]。

1.2腸道菌群通過膽汁酸代謝影響T2DM 膽汁酸是人體膽固醇代謝、脂質消化和其他調節途徑的重要組成部分，在肝臟中膽汁酸與甘氨酸結合，于回腸處再攝取后到達腸-肝循環，以梭狀芽孢桿菌為主的部分菌群在膽鹽水解酶和7α脫羥酶的作用下，將初級膽汁酸轉化為次級膽汁酸，激活法尼醇X受體和GPR5等關鍵核受體[27]。其中，初級膽汁酸主要激活法尼醇X受體，次級膽汁酸主要激活GPR5，兩者均在維持糖代謝穩態、改善胰島素抵抗過程中發揮重要作用[28]。膽汁酸和法尼醇X受體通過小異二聚體伴侶級聯抑制肝糖異生途徑中磷酸烯醇丙酮酸羧激酶、葡萄糖6磷酸酶和果糖1,6-二磷酸酶的活性，進而抑制糖異生，改善葡萄糖穩態，緩解T2DM[29]；次級膽汁酸與GPR5結合，促進GLP-1的分泌，上調胰島素分泌，緩解胰島素抵抗[30]。然而，有研究表明，長期直接刺激法尼醇X受體也會減少膽汁酸池的容量，從而導致機體能量消耗的減少和胰島素抵抗的增強，反而誘發肥胖和糖尿病[31]。因此，維持膽汁酸代謝平衡對改善T2DM十分關鍵，而腸道菌群作為膽汁酸代謝中的重要一環，其平衡也至關重要。但腸道菌群對膽汁酸的調節不是單向的，如牛黃膽酸等初級膽汁酸也能向腸道細菌提供歸巢信號，促進孢子萌發，使其可能以休眠和無毒的形式存在，并有利于抗生素和毒素引起的菌群失調的恢復[32]。總之，腸道菌群紊亂，膽汁酸代謝平衡亦會隨之紊亂，反之亦然，最終影響正常的能量代謝，加劇T2DM進程。

1.3腸道菌群通過BCAA代謝影響T2DM BCAA是指α碳上含有側鏈的氨基酸，包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸，是人體內重要的營養代謝信號分子，而BCAA的合成與腸道菌群密切相關，Prevotellacopri和Bacteroidesvulgatus菌群是合成BCAA的主要菌群，經Prevotellacopri喂養3周正常小鼠血清中BCAA水平明顯升高[33]。多項研究認為，BCAA及其代謝產物與胰島素抵抗密切相關[34-35]，高劑量的BCAA膳食可增加胰島素抵抗的發生風險，并可加速T2DM的發展[36]。然而目前BCAA誘導胰島素抵抗的機制仍存在爭議，有學者認為哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是BCAA和胰島素之間的中心信號[37]，BCAA和胰島素均可激活mTOR，被激活的mTOR激活核糖體蛋白S6激酶1，核糖體蛋白S6激酶1通過磷酸化S6調控信使RNA的翻譯啟動[38]，而過度激活的核糖體蛋白S6激酶1和mTOR可負向調節蛋白激酶B，誘導胰島素底物受體1絲氨酸磷酸化，抑制胰島素底物受體1與胰島素受體之間的作用，從而發生胰島素抵抗[39]。有實驗證實，BCAA雖然對mTOR的生物活性有影響，但對糖尿病患者的代謝無明顯改變[40]，表明BCAA并非通過mTOR導致胰島素抵抗。此外，有研究表明BCAA可通過磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B途徑負性調控Krüppel樣因子15，進而影響糖脂代謝[41-42]。表明腸道菌群所調控的BCAA代謝在T2DM的發生發展中起重要作用。

1.4腸道菌群通過脂多糖影響T2DM 脂多糖又稱內毒素，是腸道菌群中革蘭陰性菌細胞壁的組成成分，是體內重要的炎癥刺激物。T2DM被認為是一種慢性炎癥狀態，各種促炎因子在T2DM的發病中發揮重要作用，腸道菌群紊亂會產生大量的脂多糖，脂多糖與免疫細胞表面的Toll樣受體4結合，激活下游髓樣分化因子88和核因子κB等炎癥信號通路，促進促炎因子(如腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-1和白細胞介素-6)的分泌，進而誘導加重胰島素抵抗[43-47]。同時，異常的菌群(如Desulfovibrio菌群)也會導致腸壁通透性改變，促使脂多糖進入血循環，形成內毒素血癥，加劇炎癥反應和胰島素抵抗[48]。此外，關于T2DM與炎癥反應的研究指出，長期高水平的脂多糖持續刺激可能使中性粒細胞和單核細胞產生耐受性，在受到刺激時不能分泌足夠的促炎因子，進而影響機體的免疫應答，表明脂多糖對T2DM的進程有重要作用，因此改善腸道菌群，調控脂多糖分泌對T2DM的治療至關重要[49-50]。

2 中藥在治療T2DM中對腸道菌群的調節

腸道菌群紊亂與T2DM的發生發展密切相關，因此，調節腸道菌群，恢復菌群穩態作為T2DM的新型治療方法備受關注，主要包括糞便移植、益生菌、減重手術和抗生素等。此外，中藥治療T2DM的療效較好，且具有毒副作用小、輔助降糖和同時治療并發癥等優點[4]。中醫學中將糖尿病歸于“消渴”，其病機多為陰虛燥熱，并根據不同的證型采取不同的中藥進行治療，但具體作用機制尚不明確[51]。中藥大多以口服劑型為主，腸道菌群在這些藥物發揮藥效的過程起重要作用，見圖2。研究中藥與腸道菌群相互作用的機制，可以更加合理且有效地使用中藥，同時為中醫藥治療T2DM的臨床應用提供數據支持。

2.1中藥單體治療T2DM中對腸道菌群的調節 青錢柳是我國一種特有的藥食同源珍稀植物，具有改善血糖的作用。青錢柳多糖干預后，糖尿病大鼠腸道菌群中Spirochaetes和Proteobacteria菌群豐度明顯降低，而Ruminococcaceae、Eubacteriaceae和Lachnospiraceae菌群豐度顯著增高，其中Ruminococcaceae和Lachnospiraceae菌群被證明與SCFA的產生密切相關，具備分泌SCFA的能力；健康人體糞便樣本的體外培養中同樣觀察到青錢柳多糖可增加SCFA產生菌的菌群豐度，表明青錢柳多糖通過改善T2DM患者的腸道菌群促進SCFA的分泌，進而緩解T2DM[52]。

黃精在臨床上也常用來治療T2DM，其中黃精總皂苷和黃精總多糖是中藥黃精的主要活性成分，在動物實驗中黃精總皂苷和黃精總多糖的干預均增加了糖尿病大鼠腸道菌群中Firmicutes菌群數量，減少了Bacteroidetes和Proteobacteria菌群數量，其中Bacteroidetes和Proteobacteria菌群數量與脂多糖的分泌呈正相關，表明黃精總皂苷和黃精總多糖能選擇性地促進腸道菌群中一些有益細菌的生長，抑制脂多糖的分泌，進而改善胰島素抵抗[53]。其中黃精多糖還可通過調節SCFA產生菌(如Bifidobacterium、Streptococcus和Blautia菌群)，調節腸道菌群多樣性，促進SCFA分泌，改善糖脂代謝紊亂[13]。

LPS：脂多糖；SCFA：短鏈脂肪酸；BCAA：支鏈氨基酸；T2DM：2型糖尿病；中藥復方AMC包含8味中藥(知母、苦瓜、黃連、丹參、紅曲米、蘆薈、五味子、干姜)

大黃蒽醌苷是傳統中藥大黃的生物活性成分之一，在治療T2DM、調節腸道菌群中也有較好的療效，實驗表明大黃蒽醌苷能上調Lactobacillus、Roseburia和Akkermansia菌群豐度，進而促進SCFA的分泌，激活GLP-1/cAMP信號途徑，改善胰島素抵抗，此外大黃蒽醌苷還可降低Desulfovibrio菌群數量，減少脂多糖的分泌，保護腸道完整性，從而抑制慢性炎癥反應，改善T2DM[48]。

小檗堿是黃連的主要有效成分，近年來已被證實在T2DM的治療中有較好的療效。以往研究認為，小檗堿通過下調Firmicutes菌群豐度，上調Bacteroidetes菌群豐度，進而抑制脂多糖分泌，促進SCFA分泌，改善糖脂代謝[54]。近年研究指出，小檗堿還可能通過抑制BCAA的生成緩解胰島素抵抗，與T2DM組小鼠相比，小檗堿組小鼠體內BCAA產生菌(如Streptococcaceae、Clostridiaceae和Prevotellaceae)菌群豐度明顯減少，血清BCAA顯著降低[55]。

2.2中藥復方治療T2DM中對腸道菌群的調節 黃芩-黃連是臨床常用于治療T2DM的藥物。一項對T2DM小鼠的實驗研究發現，糖尿病組與黃芩-黃連干預組腸道菌群中Bacteroidetes和Firmicutes比例比較差異有統計學意義，指出黃芩-黃連可能通過調節腸道菌群抑制脂多糖分泌，進而抑制Toll樣受體4/髓樣分化因子88信號通路，減輕炎癥反應，緩解胰島素抵抗[56]。實驗證實，經過黃芩-黃連治療的T2DM大鼠腸道菌群中SCFA產生菌Bacteroidales S24-7 group_norank，[Eubacterium]nodatum group，Parasutterella，Prevotellaceae UCG-001，Ruminiclostridium，Ruminiclostridium 9菌群數量顯著增加，表明黃芩-黃連通過調節腸道菌群增加SCFA的分泌，進而改善胰島素抵抗[57]。

黃連解毒湯在臨床上常用來治療T2DM，黃連解毒湯通過上調Parabacteroides Blautia和Akkermansia菌群豐度，調節腸道菌群結構，促進SCFA分泌，明顯改善T2DM大鼠的高血糖和炎癥反應[58]。

瀉心湯出自張仲景的《金匱要略》，常用來治療脾胃系統疾病，臨床也常用于治療T2DM，有研究指出，經瀉心湯治療T2DM大鼠腸道菌群中SCFA產生的Alloprevotella、Barnesiella、[Eubacterium] Ventriosum、Lachnospiraceae UCG-001、Papillibacter菌群豐度明顯增加，而Adlercreutzia和Blautia菌群豐度則降低，表明瀉心湯通過調節腸道菌群上調SCFA的分泌，同時增加腸道完整性，抑制炎癥反應，進而改善胰島素抵抗[59]；Blautia菌群是一種產生乙酸的菌群，被認為可改善T2DM，但在該實驗中菌群豐度減少，可能是與相同功能的菌群競爭抑制所致[59]。

金芪降糖片是臨床治療T2DM的中成藥，但具體機制尚未完全明確，有研究指出，低劑量的金芪降糖片通過上調Akkermansia菌群豐度促進SCFA特別是丁酸的分泌，維持腸黏膜完整，抑制炎癥反應，同時降低Desulfovibrio菌群數量，減少脂多糖的分泌，并抑制炎癥反應，改善胰島素抵抗[60]。

中藥復方AMC(知母、苦瓜、黃連、丹參、紅曲米、蘆薈、五味子和干姜)治療T2DM的實驗顯示，與二甲雙胍相比，AMC對T2DM的治療效果更好[5]。其中AMC通過改變腸道菌群結構，增加SCFA產生菌(Blautia、Faecalibacterium、Roseburia等)的菌群豐度，改善T2DM患者的血脂、血糖代謝和胰島素抵抗，進而緩解T2DM[5]。

3 小 結

腸道菌群通過SCFA代謝、膽汁酸代謝、BCAA代謝、脂多糖分泌等途徑與T2DM的發生密切相關，調節腸道菌群能明顯改善胰島素抵抗，緩解T2DM，這為T2DM的防治提供了新思路、新靶點。中醫藥作為我國傳統醫學，對T2DM的治療效果顯著，中藥大多以口服為主，對腸道菌群的調節在治療疾病中發揮著重要作用。中藥通過調節腸道菌群改善T2DM患者體內菌群結構、促進有益菌群豐度增加，進而緩解T2DM。但由于目前技術的局限性，仍有許多機制尚未完全明確，深入研究腸道菌群在中藥治療T2DM過程中的作用機制，將為中藥的臨床使用提供分子生物學支持，為中醫藥現代化提供理論基礎。