微生態制劑在2型糖尿病預防中的應用

韓芳，金小玲，劉曄，李曉迪，高曉莉

(中部戰區總醫院營養科，武漢430000)

2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)以高血糖為主要臨床表現，起病緩慢且病情逐年加重，并發癥較多，包括失明、腎衰竭、肢體壞死等[1]。遺傳因素和環境因素等均可對T2DM的發生、發展產生不同程度的影響，使T2DM的預防具有一定困難。以往T2DM預防的研究多著重于生活方式的干預，包括膳食結構的合理化[2]、體重控制[3-4]以及加強體育運動[5-6]等方面。一項隊列隨訪研究表明，對早期糖尿病患者進行生活方式干預，可降低該人群心腦血管事件的發生率和病死率[7]。但生活方式干預的推行難度較大，涉及人力、物力的大量投入，同時受到干預對象配合程度的影響。目前，T2DM預防的研究熱點逐漸轉向易于生產、普及的腸道微生態制劑。科學研究報道，膳食結構、運動、用藥等宿主行為可影響腸道微生態環境，宿主行為與腸道菌群之間存在動態平衡，兩者互相影響[8-9]。腸-腦軸理論認為，由于腸-腦軸的存在，微生物及其產物參與宿主行為的調控，相關報道稱，1 000多種常用藥物中約1/4可能影響腸道菌群穩態[10]。維持腸道微生態平衡對宿主健康至關重要。通過研發新的腸道微生態制劑、積極改善腸道環境來預防T2DM，是腸道微生態制劑未來的重要發展方向之一。現就微生態制劑在T2DM預防中的應用予以綜述。

1 腸道微生態制劑概述

1.1微生態制劑分類 微生態制劑按照產品成分可分為三大類，即益生菌、益生元和合生元[11-12]，三者均可增加有益菌的數量，并由此影響宿主健康，但益生菌制劑的功效成分為活菌，可直接對機體產生作用；益生元并不直接對機體產生作用，而是通過其本身或分解產物為有益菌提供養分，促進有益菌的生長；合生元是益生菌和益生元成分的組合，不僅為宿主腸道提供活性益生菌，同時也刺激有益菌的生長和代謝[11]。有益菌的增加可與條件致病菌及有害菌產生拮抗作用，從而調節腸道功能，使其處于最佳狀態，促進機體免疫功能的提高。

益生菌制品具有作用直接、起效快等優點，但益生菌制劑也存在自身的局限性。首先，益生菌制劑是否發揮作用與其所含活菌數密切相關，只有當腸道活菌數達到1×106時才能產生有益效果，因此益生菌具有保存時間短、效果不穩定的弊端；其次，活性益生菌本身含有耐藥基因或耐藥質粒等，這些基因信息可由益生菌傳遞給腸道致病菌，從而引起宿主的耐藥菌感染[12]。Mater等[13]行萬古霉素耐藥基因體外實驗時發現，乳酸桿菌中的萬古霉素耐藥基因可轉移至腸球菌中，進一步驗證發現，這一現象也出現在無抗生素的小鼠體內。此外，在重癥患者以及免疫力降低的人群中，益生菌的應用還存在引起機會感染的風險。例如，Meini等[14]報道了1例由鼠李糖乳桿菌GG引起的菌血癥成年患者，該患者患有嚴重的大腸潰瘍；Vahabnezhad等[15]報道了1例17歲男性在抗生素治療結腸炎期間服用鼠李糖乳桿菌GG膠囊引起了乳酸桿菌菌血癥。腸道益生菌具有遷移的特性，鼠李糖乳桿菌GG可通過腸道患處從腸腔內遷移至血液，此時，患者免疫力降低，易發生機會感染。因此，在臨床重癥患者尤其是消化道疾病患者以及免疫力降低人群中應用益生菌產品應更加謹慎。

益生元具有化學結構明確、保存期長、穩定性好、熱量低、服用量小、配伍性好等優點，但也存在效力短暫、過量的益生元常導致胃脹氣等缺點，使其應用受限。

合生元通過將益生菌與益生元結合，既能提供益生菌使其發揮作用，又能促進益生菌的繁殖，延長益生菌發揮健康效應的時長。由于合生元含有活性益生菌，同樣需要謹慎考慮遷移以及耐藥基因傳遞等問題。

1.2微生態制劑在T2DM預防中的應用 隨著我國T2DM發病率逐年增加以及人們相關知識水平的提升，針對T2DM預防和治療的保健產品市場迅速擴大。微生態制劑作為新一代保健品，在我國的發展時間較短，因此，應借鑒其他國家的應用策略，規范我國微生態制劑的發展，同時應不斷豐富產品種類，提高產品的健康效應。目前用于T2DM預防最常見的益生菌是乳桿菌和雙歧桿菌，最常用的益生元是低聚木糖、低聚果糖、低聚異麥芽糖、菊粉、水蘇糖以及低聚半乳糖等。產品形態分為食品和膳食補充劑兩大類。相關食品主要為奶制品，包括液態奶和酸奶產品。國內添加益生菌和益生元的奶制品種類日趨豐富，但對于多種菌種混合的產品，大多未標明所含各類益生菌的活性及含量，目前微生物檢測技術不能實現各個菌種的活菌數檢測，監管及企業無法執行和實施，產品質量主要由產品制造商掌握，缺乏規范性。在微生態制劑發展相對成熟的美國加利福尼亞州和俄勒岡州規定了含益生菌的乳制品中益生菌的最低水平；美國其他州益生菌乳制品的配方雖然也由廠商自行配置，且對活菌含量無要求，但規定了至少加入保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌參與乳制品發酵[16]。益生菌和益生元膳食補充劑由于無可靠的研究證據證明其劑量效應，尚需進一步研究。相關膳食補充劑的形態以膠囊、粉劑、片劑、口服液為主，添加活性益生菌、奶制品、低聚果糖以及其他生物活性物質，其活性益生菌含量標準為1×106CFU[10]。

隨著腸道微生態研究的不斷深入，微生態制劑的新產品也不斷出現。Teng等[17]研究發現，生姜產生的納米顆粒中所含的微RNA(microRNA，miRNA)可影響腸道菌群，使乳酸菌和擬桿菌增多，梭菌減少。乳桿菌和擬桿菌能夠發酵低聚糖產生丁酸鹽、丙酸鹽、乙酸鹽等短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFA)，提高宿主糖脂代謝能力，進而降低機體慢性炎癥的進展[18]，因此推測這種由生姜產生的miRNA顆粒可能在T2DM的預防中發揮作用，可作為相關腸道微生態制劑的研究方向。Koh等[19]報道，丙酸咪唑為腸道微生物產生的組氨酸衍生代謝物，與T2DM發病具有相關性，丙酸咪唑能夠促進T2DM的發生，通過宏基因組分析鑒定出產生丙酸咪唑的微生物有42株，其中有28株在T2DM患者體內富集。如果能夠采用相應微生態制劑抑制上述42株微生物的生長，可能在肉類消耗較多的人群中起到降低T2DM風險的作用。Singh等[20]報道，不可溶性膳食纖維不會引發肝癌，而可溶性膳食纖維在失衡菌群的發酵下可能增加肝癌的發病率。因此，在微生態制劑中添加可溶性膳食纖維應更加謹慎。上述的研究結果為微生態制劑在T2DM預防中的應用提供了新的思路。

微生態制劑在多數情況下是安全有效的，但對于特殊群體(如嚴重免疫缺陷、營養不良或癌癥患者)微生態制劑可能導致嚴重的敗血癥，甚至死亡。同時，微生態制劑的給藥方式也與安全性相關。Ackland等[21]報道，對危重患者采取空腸灌注方式給藥可能產生較大風險。隨著微生態制劑的發展，其安全性逐漸成為研究的焦點，迫切需要更多的循證醫學證據以及大規模的臨床試驗進一步驗證。

2 微生態制劑預防T2DM的機制

腸道菌群的發酵底物為腸道中的食物殘渣和腸道上皮細胞分泌物。微生態制劑為腸道益生菌或益生菌提供營養物質，有利于有益菌的生長繁殖，以使其占據腸道黏膜表面，使有害菌失去定植位置，保護腸道黏膜不受有害菌損害，并且能產生SCFA和維生素，促進膽鹽代謝，調節胃腸道傳輸功能，促進腸上皮細胞更新，中和致癌物或有害異物等[22-23]。而微生態制劑可幫助維持腸道微生態平衡和完整性，保證正常的代謝功能，形成良性循環。相關研究證明，腸道菌群結構與T2DM易感性相關，健康人群與T2DM人群的腸道微生態環境差異顯著[24-25]。腸道微生態制劑通過調節腸道微生物的組成結構，使其更接近健康人而非T2DM患者，從而起到預防T2DM的作用。通過微生態制劑對腸道微生態平衡的調節來預防T2DM有較強的理論可行性。隨著研究的深入，腸道菌群與T2DM發病機制相關的理論逐漸增多，目前研究較多的包括能量代謝、腸道黏膜屏障以及炎癥等。

2.1影響能量代謝 人類不具有消化低聚糖的酶類，但健康的腸道微生態環境中的擬桿菌、雙歧桿菌和腸桿菌等腸道菌群能夠將宿主無法分解的纖維素和膽固醇分解為SCFA和膽汁酸。SCFA在能量代謝方面的影響同時涉及腸道菌群及其宿主，并由此影響宿主外周組織的胰島素敏感性。相關研究表明，SCFA可降低體重，增強外周組織對脂肪酸的利用率，從而提高外周組織的胰島素敏感性[26-28]。SCFA中的丁酸鹽為結腸細胞提供能量，同時SCFA也為腸道菌群提供能量，健康的腸道環境中有足量的纖維素作為底物供菌群發酵產生SCFA，可供發酵的纖維素不足會導致腸道微生物發酵產生的SCFA不足，不能為腸道微生物提供充足的能量，使微生物發酵活力降低，產物減少，此時，腸道微生物會將腸道中的膳食氨基酸、內源蛋白質以及膳食脂肪作為發酵底物用于維持SCFA濃度，而該發酵過程中產生的副產物(如異丁酸、2-甲基丁酸、異戊酸)參與機體胰島素抵抗的發生、發展[27]。因此，膳食中提供充足的膳食纖維素供腸道菌群發酵，有助于維持腸道益生菌活性并預防T2DM。

腸道微生物發酵膽固醇后產生的膽汁酸也可通過能量代謝過程影響胰島素敏感性。Cariou等[29]報道，膽汁酸參與糖脂代謝的調節過程，并提高胰島素敏感性。Everard等[30]報道，在肥胖合并糖尿病小鼠模型中，腸道菌群產生的膽汁酸參與調節宿主瘦素的敏感性和糖平衡。Joyce等[31]研究發現，膽固醇發酵產生的膽汁酸可加快脂肪組織的代謝。此外，膽汁酸還可通過直接激活胰島素細胞表面的G蛋白膽汁酸偶聯受體5，調節胰高血糖素樣肽(glucagon-like peptide，GLP)-1的分泌，進而增加胰島素的合成和分泌[32]。綜上，瘦素由脂肪細胞產生，在糖代謝穩態調節中起重要作用，可促進GLP-1分泌。低聚糖等益生元的應用可促進近端結腸GLP-1和GLP-2的合成，并可促進空腸和結腸中能夠產生GLP-1、GLP-2的內分泌細胞的增殖[32]。腸道菌群及其產物可通過能量代謝途徑影響宿主的胰島素敏感性，因此，使用益生元調節腸道菌群并提高瘦素和胰島素的敏感性，對治療肥胖、預防T2DM有潛在的應用價值。

2.2影響腸道黏膜屏障功能 研究表明，腸道菌群可影響腸道黏膜的屏障功能[33-35]。宿主體內的腸肝循環能夠將膽汁酸轉化，而腸道菌群是該循環中的重要環節之一。膽汁酸與寄生物或其他異質物結合成為結合膽汁酸，腸道菌群將結合膽汁酸水解，水解后釋放出游離膽汁酸[33]。膽汁酸可刺激胃腸蠕動、緩解便秘，刺激胃腸激素分泌促進消化，降低腸道 pH值，促進鈣、鐵等的吸收并抑制有害菌的生長，防止腸道菌群移位。當腸道菌群失衡時，膽汁酸轉換受阻，腸壁長時間接觸膽汁酸易發生慢性腹瀉并增加直腸癌風險[34]。Münch等[35]研究發現，低水平的脫氧膽酸能夠使結腸上皮的通透性增加，腸道組織對細菌的吸收增加，而對膽汁的吸收降低；當大量未被吸收的膽汁進入結腸時，高濃度的膽汁酸會抑制腸道益生菌的生長繁殖，使腸道菌群失調狀況更加嚴重，而微生態制劑的使用可通過改善腸道黏膜屏障使該動態平衡更加穩定。

微生態制劑可提高腸道有益菌的比例，并附著于腸道黏膜上，拮抗有害菌群。腸道菌群發酵產物SCFA和膽汁酸也在腸道黏膜屏障中發揮重要作用，防止有害菌侵襲和移位。當腸道黏膜的屏障功能發生障礙時，增加的腸道上皮細胞通透性將有利于更多脂多糖直接進入血液，導致脂多糖血癥，通過Toll樣受體4/CD14等炎癥通路誘導胰島素抵抗[34]。

SCFA可參與調節腸道pH值，當pH值適宜時，腸道環境可促進益生菌的繁殖，并抑制有害微生物的定植；同時，SCFA是腸道細胞的重要能源物質，對腸道細胞有營養作用。此外，丁酸鹽通過影響中性粒細胞的功能及轉移，抑制血管細胞炎癥因子，使結腸上皮細胞緊密連接蛋白的表達水平升高，并降低結腸上皮細胞通透性，提高免疫力，降低有害物質的吸收[18]。

2.3影響慢性炎癥的進展 研究表明，炎癥反應可通過多種通路促進胰島β細胞凋亡，胰島β細胞的減少使胰島功能發生障礙，導致胰島素分泌相對不足，血糖升高[36-37]。在炎癥反應發生過程中，脂多糖至關重要，當菌群失調時，腸道中產生脂多糖的格蘭陰性菌比例增加，有益菌比例降低，腸道黏膜通透性增加，導致更多的脂多糖產生，并通過腸道黏膜吸收入血液[36]。

腸道微生態制劑可減輕慢性炎癥主要體現在兩方面：①增加腸道有益菌的比例，減少有害菌在腸道黏膜表面的定植。Teng等[17]研究發現，生姜產生的納米顆粒中的miRNA可影響腸道菌群，乳酸菌和擬桿菌增多，梭菌減少。乳桿菌可產生芳香烴受體配體，促使腸道分泌黏液，將腸上皮與細菌隔離，從而減輕腸道炎癥；當腸道微生態發生紊亂時，厚壁菌門中的柔嫩梭菌及脆弱擬桿菌數目降低，腸道調節免疫的能力降低[34]。②腸道菌群發酵產物的影響，Miller等[34]報道，丁酸鹽可影響血管內皮細胞黏附分子，從而影響腸道炎癥的進程，增加腸道細胞的抗炎能力；Dolan和Chang[38]報道，腸道菌群中羅伊乳桿菌能夠將色氨酸轉化為吲哚甲酸，刺激芳香烴受體表達，起到降低炎癥反應的作用。腸道微生態破壞時，結合膽汁酸的吸收降低，在腸道中的濃度升高，過高濃度使膽汁酸抗炎作用損害，同時促進炎癥的發生，而維持腸道微生態平衡可減輕慢性炎癥，從而降低宿主發生胰島素抵抗并進展為T2DM的風險[33]。

3 小 結

隨著研究的逐漸深入，腸道微生態在T2DM發生、發展中的作用逐漸明確。但微生態制劑在T2DM預防中的應用才剛剛起步，產品種類單一，應用范圍以及給藥方式的安全性仍需不斷驗證。同時，新的研究成果也使微生態制劑有了更多的發展方向。未來應在微生態制劑應用的人群差異方面進行更深入、系統的研究，通過下一代測序和生物信息學平臺對益生菌進行篩選和分離，分析菌株水平的協同作用，開發新型微生態制劑，致力于精準靶向改善或治療特定疾病，使微生態制劑在預防T2DM中發揮更大的作用。