益生菌對2型糖尿病緩解作用的研究進展

劉 佳，夏永軍，熊智強，宋 馨，艾連中，王光強

（上海理工大學醫療器械與食品學院, 上海食品微生物工程技術研究中心, 上海 200093）

糖尿病是一種以高血糖為特征的慢性代謝疾病，由于老齡化、肥胖和生活方式的改變，糖尿病患者的數量在日益增加，據預測，2030年將有5.78億人患有糖尿病，2045年這一數字將增加51%（7億人）[1]。糖尿病患者的死亡人數和治療費用也相當大，2017年全球共有500萬糖尿病患者死亡，2017年全球糖尿病醫療支出估計為8500億美元[2]。糖尿病成為當前世界各國共同面對的健康問題。糖尿病患者常伴有各種并發癥，是造成糖尿病患者致死、致殘的主要原因，主要包括視網膜病變、腎病、周圍神經病變、足部潰瘍以及自主神經病變等[3]。糖尿病主要分為3種類型：1型、2型和妊娠型糖尿病，其中2型糖尿病（Type 2 diabetesmellitus，T2DM）約占總數的90%[4]，所以T2DM的防治，是糖尿病預防和治療的關鍵和重點。目前糖尿病患者主要依靠藥物維持血糖的穩定，但是藥物會伴隨著較大的副作用，所以人們開始尋找“經濟、天然、安全”的物質替代藥物起到緩解糖尿病的作用。

經過長期的研究發現益生菌在緩解糖尿病方面有著顯著的作用。益生菌是指當攝入一定數量時，對機體發揮有益作用的活性微生物[5]。益生菌可以通過調節腸道菌群、增強免疫力、降低膽固醇等，對高血脂、肥胖、糖尿病等慢性代謝疾病起到一定的改善作用。因此，本文以益生菌為研究對象，從體外快速篩選降糖菌株的方法，體內有效性的評價以及緩解2型糖尿病的機制三方面進行了梳理，以期為緩解糖尿病相關機制的研究提供理論依據及相關功能性食品的開發提供有效指導。

1 體外降糖益生菌的篩選

目前有關體外篩選具有降糖潛力益生菌的方法主要包括兩個，分別為抑制α-葡萄糖苷酶的活性和抑制二肽基肽酶IV（Dipeptidyl peptidase IV，DPPIV）的活性。其中α-葡萄糖苷酶位于小腸刷狀緣處，其參與碳水化合物分解，將多糖、寡糖分解為單糖，促進其吸收并進入血液[6]。α-葡萄糖苷酶抑制劑通過抑制α-葡萄糖苷酶活性來降低餐后血糖。α-葡萄糖苷酶抑制劑結構類似于寡糖，主要是通過競爭性的結合α-葡萄糖苷酶上的碳水化合物的結合位點，減少單糖的生成，降低血糖水平[7]。二肽基肽酶IV是一種絲氨酸蛋白酶，其作用底物包括胰高血糖素樣肽（Glucagonlike peptide，GLP）-1和葡萄糖依賴性促胰島素多肽（Glucose-dependent insulinotropic polypeptide，GIP）[8]。目前DPP-IV抑制劑是一種緩解T2DM的有效藥物，主要是通過保護GLP-1、GIP不被DPP-IV滅活，延長腸降血糖素激素的作用，從而維持血糖穩態，有效控制T2DM患者血糖水平[9]。

α-葡萄糖苷酶抑制劑和DPP-IV抑制劑都能有效的降低血糖，控制糖尿病的發展，目前已在臨床上得到廣泛應用，但是藥物治療常伴隨著不良的反應和副作用，例如腹瀉、腹脹和肝功能受損等。因此需要尋求安全可靠的方法以抑制α-葡萄糖苷酶活性和DPP-IV的活性。大量研究發現益生菌能有效的抑制這兩種酶的活性，具有降血糖的潛力，從而起到緩解糖尿病的作用。Zeng等[10]從21株益生菌篩選得出植物乳桿菌ZF06-1，ZF06-3，IF2-14和短乳桿菌IF2-17具有較高的DPP-IV和α-葡萄糖苷酶抑制活性和益生菌特性，這也是首次表明乳酸桿菌能夠抑制DPP-IV和α-葡萄糖苷酶的活性。陳佩等[11]測定了7株乳酸菌的α-葡萄糖苷酶的抑制能力、抗氧化能力及其基本的益生特性，并以鼠李糖乳桿菌（Lactocobacillus rhamnosus）GG 為陽性對照菌株，發現干酪乳桿菌CCFM0412具有較好的α-葡萄糖苷酶的抑制率（29.61%）及較高的抗氧化能力，具有潛在的降糖作用。閆芬芬等[12]以13株乳酸桿菌為研究對象，通過測定菌株細胞代謝物（Cell-free excretory supernatants，CFS）和細胞內容物（Cell-free extracts，CFE）對α-葡萄糖苷酶和DPP-IV活性的抑制率，來評定菌株的降糖作用，發現嗜酸乳桿菌KLDS1.1003的綜合性能最佳：其對α-葡萄糖苷酶的抑制率可達10.29%，對DPP-Ⅳ的抑制率為7.13%（CFS），50.14%（CFE），具有良好的降糖潛力和益生特性，有助于抗糖尿病益生菌的應用。

體外降糖益生菌的篩選具有操作簡單方便、周期短和成本費用低的優點，但需進一步利用動物和臨床實驗進行驗證。目前體外降糖益生菌的篩選主要是以α-葡萄糖苷酶和DPP-IV為靶點，期望探索更多的篩選靶點，更有利于糖尿病的防治。通過體外實驗發現益生菌可能具有降糖的潛力，那么需要進一步通過體內實驗來評價益生菌是否能起到降低血糖效果。

2 益生菌改善糖尿病作用的體內評價

糖尿病又被稱為是無形的殺手，因為高血糖對人體有害，但是人體毫無感覺。所以血糖的評價是預防和治療糖尿病的重要手段。其中T2DM的診斷包括以下3點：一天中任一時間血糖水平≥11.1 mmol·L-1（200 mg·dL-1）；空腹血糖（Fasting blood glucose，FBG）水平≥7.0 mmol·L-1（126 mg·dL-1）；口服葡萄糖 耐 量 實 驗2 h血 糖 水 平≥11.1 mmol·L-1（200 mg·dL-1）[13]。并且有關報道指出空腹血糖和葡萄糖耐量實驗（Oral Glucose Tolerance Test，OGTT）可用來評定胰島素敏感性[14]。相關報道也顯示糖尿病患者心臟衰竭的概率大于非糖尿病患者，并且血糖越高，心臟衰竭的概率越大[15]。新型冠狀病毒（Corona Virus Disease 2019，COVID-19）在糖尿病患者的死亡率高于非糖尿病患者，FBG＞7 mmol·L-1的死亡率高于FBG＜7 mmol·L-1[16]。可見血糖控制和改善葡萄糖耐量對于糖尿病患者的重要性。要研究益生菌對糖尿病的緩解作用，那么前提必須明確益生菌能否起到降血糖的作用。目前有許多研究表明益生菌能起到很好的降血糖的效果。Chen等[17]研究鼠李糖乳桿菌CCFM0528對T2DM小鼠的血糖耐受性的改善作用，經過12周的干預，相對于模型組，鼠李糖乳桿菌CCFM0528血糖降低近43%，葡萄糖曲線下的面積（Area under the curve of bloodglucose，AUC）達35%。Sabico等[18]以阿拉伯國家的T2DM患者為研究對象，8株益生菌組合干預6個月，空腹血糖從基 線11.7 mmol·L-1降 至7.2 mmol·L-1，下降了38.5%。Cardinali等[19]報道了對常規藥物二甲雙胍治療無效的兩例T2DM患者，納豆枯草芽孢桿菌DG101干預4個月后，兩例患者的血糖都恢復正常水平（95 mg/dL）。同時也有比如干酪乳桿菌K11[20]，副干酪乳桿菌NL41[21]，動物雙歧桿菌01[22]，副干酪乳酸桿菌副干酪亞種NTU101[23]等也能在不同程度上降低血糖，起到緩解T2DM的作用。這說明來源不同的益生菌即使在不同的條件下，也能在一定程度上降低血糖，改善葡萄糖耐量，緩解T2DM的相關癥狀，所以有必要探討一下益生菌緩解T2DM的機制。

3 益生菌緩解糖尿病的機制

體內評價確定了益生菌確實會對2型糖尿病患者的血糖、餐后血糖、葡萄糖耐有一定的改善作用，那么有必要從分子的角度出發，更深入總結概括益生菌對2型糖尿病的作用機制。許多研究表明益生菌在一定程度能對T2DM起緩解作用，主要機制包括改善腸道菌群，調整免疫炎癥反應，改善腸道屏障功能，減少氧化應激，增加短鏈脂肪酸的分泌等。并且各個機制之間是相互關聯共同緩解T2DM的發生和發展（表1）。

表1 不同益生菌對T2DM的影響Table 1 Effect of different probiotics on type 2 diabetes mellitus

3.1 改善腸道菌群

腸道菌群與人類的健康息息相關，腸道菌群是由1014種細菌組成，是人類細胞總數的10倍以上，所有腸道微生物的基因組被稱為“微生物組”，比人類核基因組大100多倍[29]。腸道菌群失調，腸道內環境紊亂，人體便開始出現各種不適，甚至引發疾病。有關研究報道，與非糖尿病患者相比，T2DM患者糞便中普氏桿菌的濃度明顯低于正常組[30]。Larsen等[31]發現糖尿病組厚壁菌門和梭狀芽孢桿菌的比例顯著降低（P=0.03）。目前腸道菌群是治療T2DM的靶點之一。益生菌可以在人體腸道定植，改善人體腸道菌群，調節代謝，維護腸道系統平衡。王艷明等[32]發現復合益生菌組顯著降低厚壁菌門、放線菌門和大腸埃希菌屬水平、增加擬桿菌門和雙歧桿菌屬水平，從而降低空腹血糖，改善葡萄糖耐受能力。張海平等[33]給T2DM大鼠喂食碧悠益生菌發酵乳，與模型組對比，發現大鼠糞便中的大腸桿菌數量顯著降低且嗜酸乳桿菌、長雙歧桿菌和柔嫩梭菌的數量均顯著升高，空腹血糖顯著低于模型組。以上結果表明T2DM患者的腸道微生物的動態平衡被破壞，補充益生菌能改善腸道菌群結構，抑制有害菌繁殖，對T2DM的形成和發展有一定的預防作用。

3.2 調節免疫反應

正常情況下，腸道菌群處于動態平衡中，但是當腸道菌群失調時，革蘭氏陽性細菌減少，革蘭氏陰性細菌增多，會導致內毒素（Lipopolysaccharide，LPS）分泌增多，可能引發內毒素血癥，導致胰島β細胞破壞或凋亡[34]；同時炎癥細胞因子如腫瘤壞死因子-α（Tumor necrosis factor，TNF-α）、白 介 素（Interleukin，IL）-6的釋放增加以及抗炎細胞因子IL-10的減少，引發全身一系列的非特異性炎癥反應，干擾胰島信號傳導，引發胰島素抵抗，從而引發T2DM的發生[35]。盧彩霞[36]研究顯示與健康對照組相比，T2DM患者體內IL-6，TNF-α和IL-1β顯著升高，導致患者免疫功能衰弱，加重病情的發展。有報道顯示益生菌可以通過調節機體免疫功能，促進抗炎因子的分泌和減少促炎因子的分泌，從而預防和控制T2DM的發生。Lim等[25]研究表明小鼠口服乳酸桿菌sakei OK67，可以通過減少促炎性細胞因子TNF-α、IL-1β和IL-6的表達改善HFD誘導的高血糖。Chen等[17]研究顯示，鼠李糖乳桿菌CCFM0528增加血清中抗炎因子IL-4和IL-10的表達，減少TNF-α、IL-6和IL-8的表達，進一步在脾臟中測定了這些炎癥因子的表達情況，更好的證實鼠李糖乳桿菌CCFM0528對糖尿病的保護作用是通過調節宿主免疫反應來實現的。

3.3 減少氧化應激反應

氧化應激是指機體在遭受各種有害刺激時，體內的氧化和抗氧化系統失衡，大量的自由基產生并聚合，導致組織損傷，引發各種疾病[37]。氧化應激和糖尿病及糖尿病的并發癥關系密切，主要通過損傷胰島β細胞，降低組織對胰島素的敏感性，引起血糖升高，導致糖尿病的發生和發展。付建芳等[38]研究表明相對于健康對照組，T2DM患者空腹和餐后2 h的SOD水平顯著降低，MDA水平顯著增加。而報道顯示抗氧化劑可以通過清除自由基中間產物終止鏈式反應，并通過中和自由基來抑制其他氧化反應[39]，逆轉氧化應激對機體造成的損害，緩解糖尿病及其并發癥的發展。益生菌被認為是一種新興的有效抗氧化劑來源，Zheng等[40]報道攝入益生菌和合生元可顯著增加糖尿病患者的血清抗氧化指標如：總抗氧化能力（Total antioxidant capacity，TAC）和谷胱甘肽（Glutathione，GSH），并降低丙二醛（Malondialdehyde，MDA）的表達。Zhang等[22]表明動物雙歧桿菌01可顯著恢復糖尿病大鼠肝臟超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、過 氧 化 氫 酶（Catalase，CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione peroxidase，GSH-Px）和GSH活性，降低MDA水平，同時增加Nrf2的表達，減少Keap1的表達，起到抗糖尿病的作用。Zhu等[21]研究發現與T2DM大鼠相比，喂養副干酪乳桿菌NL41能顯著性的增加肝臟中GSH、CAT、SOD的水平，降低MDA的含量，使血糖恢復至正常水平，保護了胰島β細胞的功能進而緩解T2DM的發展。

3.4 增加短鏈脂肪酸的含量

短鏈脂肪酸（Short chain fatty acids，SCFAs）是腸道微生物發酵膳食纖維的主要產物，主要有乙酸、丙酸和丁酸，在宿主內發揮著相應的作用[41]。研究表明，SCFAs在調節宿主代謝中起著關鍵作用，SCFAs主要通過G蛋白質偶聯受體（G protein-coupled receptor，GPR）43和41發揮生物效應[42]。SCFAs和GPRs的結合將刺激下游腸道激素GLP-1和胃腸多肽酪酪肽（Peptide y y，PYY）的分泌[43]，這兩種激素都能起到降低血糖的作用，從而緩解糖尿病的發生。潘虹等[44]研究發現高脂膳食大鼠的血糖顯著升高，糞便短鏈脂肪酸水平顯著降低，加速了2型糖尿病的發病進程。朱曉振等[45]研究表明灌胃丙酸鈉可以顯著降低T2DM小鼠的血糖水平和胰島素抵抗。可見短鏈脂肪酸和2型糖尿病的發展密切相關，而補充益生菌會增加短鏈脂肪酸的含量，起到降低血糖水平的作用。Li等[24]研究發現乳酸菌G15和Q14顯著增加了SCFAs細菌的產生（柔嫩梭菌和普氏擬桿菌），并且上調了乙酸鹽和丁酸鹽的濃度，同時結腸中GPR43 mRNA表達增加了1.5倍，激素GLP-1和PYY的濃度也顯著增加（P＜0.05），起到修復2型糖尿病小鼠葡萄糖不耐受的作用。許女等[46]報道植物乳桿菌173可以促進SCFAs的產生，并且可以顯著提高大鼠腸道中GPR43和 GPR41基因的表達量，顯著改善了大鼠血糖、血脂和激素水平。白璐等[20]將干酪乳桿菌K11飼喂高脂飲食和STZ誘導的2型糖尿病小鼠，結果表明，與模型組大鼠相比，干酪乳桿菌K11治療顯著提升了乙酸、丙酸和丁酸的含量水平（69.61%、16.07%和52.69%），并且顯著增加了GLP-1的分泌，降低了T2DM小鼠的血糖。

3.5 調節腸道屏障

腸道屏障是機體防御功能的一道重要防線，腸道屏障功能主要是由腸黏膜屏障來實現的，腸粘膜屏障最為重要的是機械屏障，正常情況下能有效阻止細菌及LPS等有害物質透過腸粘膜進入血液，維持機體內環境的穩定[47]。當腸道屏障功能損壞，腸黏膜屏障受損，腸道通透性增加，細菌內毒素進入血液，誘發炎癥和胰島素抵抗是導致2型糖尿病發生的重要原因[48]。Horton等[49]首次證明T2DM患者腸道通透性的變化，結果顯示T2DM患者腸道通透性顯著增加，并與炎癥因子TNF-α和IL-6水平的增加相關。因此，保護腸上皮緊密連接、維護黏膜屏障在糖尿病的防治中有著重要意義。Hung等[23]用副干酪乳桿菌亞種NTU101喂養高脂高果糖誘導的2型糖尿病大鼠，結果表明，9周副干酪乳桿菌亞種NTU101的治療可恢復結腸中緊密連接蛋白Occludin mRNA、肝臟GLUT2 mRNA和脂肪組織GLUT4 mRNA的表達，增加血清中LPS的分泌，明顯降低了大鼠的空腹血糖。許女等[46]研究表明給高脂飲食及注射STZ誘導的2型糖尿病大鼠喂食植物乳桿菌173，可以顯著上調腸道緊密連結蛋白ZO-1、Claudin、Occludin及黏蛋白MUC2 基因的表達，增強腸道黏膜屏障功能，從而起到降低血糖作用。

4 結語

本文闡述了體外具有降糖潛力益生菌的篩選方法，體內評價益生菌的降糖效果和降糖機制，更好的為探索開發具有緩解甚至治療糖尿病的益生菌提供方向。但是糖尿病機制復雜多樣，個體之間存在著特異性，加之不同益生菌的作用機制及其效果也有所不同。因此，未來應在綜合考慮以上各因素的基礎上探尋更多的降糖靶點，做到“對癥下藥”來更好的緩解糖尿病。同時還可以考慮復合益生菌產品的開發，通過不同菌株之間的協同作用更好的起到緩解糖尿病的作用。此外，目前體外篩選降糖菌株的方法比較單一，可以與更多的體內降糖靶點相結合，在體外尋找更多篩選降糖菌株的方法，為具有緩解糖尿病作用的益生菌產品的研發奠定一定的基礎。