腸道微生物群與1型糖尿病的研究進展

徐慶博 楊玉 楊利 謝理玲 張東光 黃慧

江西省兒童醫院1內分泌遺傳代謝科，2江西省兒童遺傳代謝疾病臨床研究中心（南昌 330006）

1 型糖尿病（type 1 diabetes mellitus，T1DM）是一種慢性全身性自身免疫介導的疾病，以胰島素缺乏和高血糖為特征。胰島細胞抗原的免疫反應和遺傳因素均在T1DM 的發展中至關重要（通常存在人類白細胞抗原HLA、DR3-DQ2 和DR4-DQ8）。其中包括營養在內的各種環境因素也會刺激T1DM 的發生和進展［1］。T1DM 的特征是抗氧化系統紊亂、進行性炎癥和自身抗體的存在。近年來，T1DM 病例數一直在增加，有些病例不能總是用遺傳因素來解釋。有專家提出，生活方式的改變，包括頻繁使用抗生素，可能通過改變腸道微生物群的組成進而導致T1DM 的流行。近年來研究表明菌群失調在腸道的各個部分可能通過增加易感個體的腸道通透性來促進T1DM 的發展。本文將對近年來腸道微生物群與T1DM 關系進行綜述，探討改善腸道微生物群的組成和活性預防T1DM 的可能性。

人體腸道含有大約1 013 ～1 014 種共生微生物，絕大多數為厭氧菌，統稱為微生物群，和人體細胞之間的比例約為1.3∶1［2］。腸道微生物群編碼超過300 萬個基因，是人類基因數量的100 倍，因此通常被稱為“第二個人類基因組”。腸道微生物群越來越被認為是人類健康的關鍵因素之一。腸道微生物群維持腸壁的完整性，是通過競爭相同的營養物質和合成保護物質來防止病原微生物過度生長，協助食物消化，并產生維生素和免疫調節化合物，如短鏈脂肪酸（SCFA）［3］。

腸道微生物群不僅影響腸道的活動，在膽汁酸和血清素的腸道代謝中發揮調節作用。還對腸細胞的生長、成熟和增殖也有積極作用，所有這些都會影響腸上皮細胞的更新。它們還參與一些B 族維生素和維生素K 的合成。BOLAN 等［4］使用來自Caco-2 細胞的體外腸上皮模型證實，在腸道微生物群和螯合劑的影響下，腸道對有毒金屬（As、Cd、Pb、Hg）的滲透性降低。另外在體液免疫應答過程中，位于腸壁的漿細胞在某些腸道微生物群的影響下分泌免疫球蛋白A（IgA）［5］。

傳統觀點認為，胎兒處于母體子宮內時腸道是無菌的，而近年來研究學者發現來自母體（如母乳或產道）和非母體來源（如飲食和環境）的人類腸道微生物定植和腸道屏障功能的成熟發生在生命早期。且在生命的前6 個月與特定微生物接觸被認為是對腸道成熟至關重要。到3 歲時，腸道微生物群顯示出與成年人相似的成熟度。正常腸道菌群主要由厭氧菌組成，主要可分為厚壁菌門（乳酸桿菌、瘤胃球菌、腸球菌、梭菌等）、擬桿菌門（腸桿菌等）、放線菌門（雙歧桿菌等）和變形菌門（α-變形菌、β-變形菌綱、δ-變形菌綱、ε-變形菌綱、γ-變形菌綱）等。大約60%的人類腸道細菌屬于擬桿菌門，它們是具有外膜、肽聚糖層和細胞質膜，無氧呼吸的主要副產物是乙酸、異戊酸和琥珀酸，是主要位于腸腔內的革蘭陰性細菌。厚壁菌門是第二豐富的門，約占腸道中所有細菌的30%，其中大多數具有革蘭陽性細胞壁結構，它們主要存在于腸道的黏液層中。并且厚壁菌門/擬桿菌門比例被認為是人類腸道微生物群成熟程度的指標，與成人相比，兒童的比例較低。梭狀芽胞桿菌、鏈球菌、瘤胃球菌、乳酸桿菌、雙歧桿菌、擬桿菌屬和大腸桿菌（革蘭陰性菌）是人體腸道中最常見的細菌屬。最近的一項大型隊列研究比較了兒童和成人的糞便微生物群，發現兒童表現出較低的腸道微生物群多樣性，但具有較高的擬桿菌屬豐度和不同的代謝途徑［6］。

1 腸道微生物群對免疫系統的影響

腸道微生物群在形成宿主先天性免疫系統的主要成分方面起著關鍵作用，而免疫系統則調節宿主-微生物群共生的維持。腸道微生物群中以兼性厭氧菌過度生長及降低生物多樣性為特征的生態紊亂可誘導異常的免疫反應，從而導致對共生微生物群的耐受性降低。它還可以干擾免疫反應，引起炎癥、氧化應激和胰島素抵抗等。

腸道微生物群對免疫系統的調節甚至在出生前就已經開始，是因為羊水中存在微生物，這就意味著胎兒暴露于細菌抗原中，必須對其產生耐受性。出生后，飲食和腸道微生物群是決定免疫系統成熟的因素，而除了提供營養之外，食物的消耗也會向機體輸送抗原［7］。早期菌群定植期間腸道微生物群的多樣性對于形成免疫調節至關重要，該免疫調節可保護機體免受與過敏易感性相關的粘膜IgE 誘導。而共生細菌的適應性免疫耐受是由支持共生特異性調節性T 細胞（Treg）群體擴張的早期生活暴露引發的，而這種耐受性對于免疫穩態至關重要。此外，Th17 淋巴細胞（T-helper-17）是一種CD4+T 輔助細胞，在T1DM 患兒體內Th17淋巴細胞分泌IL-17、Tfh 等細胞因子增加，抑制Treg 的產生，從而介導自身免疫疾病發生［8］。

腸道微生物群中部分細菌（如普拉梭菌、羅氏菌和丁酸厭氧菌）在復合碳水化合物的發酵過程中會產生SCFA。SCFA 可以改善結腸內的酸性環境，抑制有害細菌的生長，抑制促炎因子的產生，維持水電解質平衡，預防腸道功能紊亂。其中SCFA 主要由丁酸、丙酸和乙酸組成，通過激活巨噬細胞和樹突狀細胞，調節促炎細胞因子的表達來調節宿主免疫細胞，如TNF-α、IL-12、IL-6 以及類二十烷酸和趨化因子。如小鼠研究所示，SCFA可通過G 蛋白偶聯受體（GPRs）、GPR41 和GPR43激活腸上皮細胞［9］。KOBAYASHI 等［10］表明GPR41和GPR43 在腎皮質上皮細胞中發揮抗炎作用。此外，SCFA 抑制Th17 細胞的產生，促進幼稚CD4+T細胞產生Treg 淋巴細胞，從而減少炎癥的發生。許多自身免疫性疾病是由致病性T 細胞與效應和調節性T 細胞之間的不平衡引起的。

此外腸道微生物群還可通過PI3K（磷酸肌醇3-激酶）激活TLR2/Myd88（Toll 樣受體/髓樣分化因子88 蛋白）信號通路，從而刺激腸道B 細胞產生白細胞介素IL-10［11］。除了B 淋巴細胞分化外，腸道微生物群還可刺激產生IL-10 和IgA+的漿細胞。在具有無菌消化道和低多樣性腸道微生物群的小鼠中，生命早期即可發現血清IgE 水平升高。這表明微生物群衍生的免疫調節信號對于維持基礎IgE 水平至關重要，并且正確誘導免疫調節需要在生命早期充分接觸微生物。在無菌消化道中發現IgA 水平較低，可能與腸道相關淋巴組織（GALT）發育不良有關。完整的免疫系統對消除病原體和維持對自身組織的耐受性之間保持微妙的平衡是十分有必要的。

2 腸道微生物群在T1DM 中的重要性

很多研究表明，腸道菌群對糖代謝異常、肥胖、胰島素抵抗、血脂紊亂、高血壓及NAFLD 等多種代謝綜合征癥候群組分的發病具有重要的作用［12］。且在許多T1DM 患者體內中觀察到腸道通透性增加或“腸漏”、微生物群多樣性降低及炎癥物種數量增加。COSTA 等人［13］對小鼠的研究表明，鏈脲佐菌素誘導的T1DM 發展取決于腸道微生物群轉移到胰腺淋巴結的數量。此外，與對照小鼠相比，T1DM 小鼠的腸道微生物群的組成發生改變，擬桿菌、顫螺菌（破壞腸道上皮屏障）、薩特氏菌和雙歧桿菌的數量均增加。另外對T1DM 高風險兒童的腸道微生物群研究發現，擬桿菌、血球菌、隱氏雙球菌和長雙歧桿菌的數量較正常組更多，而假鏈狀雙歧桿菌和雙歧桿菌的數量相對較少。MA 等［14］研究發現，在T1DM 大鼠中，與感染和炎癥相關的病原菌（瘤胃球菌科、志賀氏菌、腸球菌、鏈球菌、羅思氏菌、另枝菌）的數量增加，而產生SCFA 的有益細菌（乳桿菌、糞菌、酪球菌）的數量相對減少。3 個月至3 歲的T1DM 遺傳易感嬰兒的腸道微生物群特點是更多的理研菌、瘤胃球菌、鏈球菌和布勞特氏菌。

研究表明腸道中一些腸道微生物群是T1DM的致病性因素。CINEK 等［15］研究發現，胰島素的自身免疫與克拉斯噬菌體與多雷氏擬桿菌比例可能存在關系，與對照組相比，胰島素自身免疫兒童體內普通擬桿菌和雙歧桿菌數量相對較少。ALKANANI 等［16］研究表明，在胰島素自身免疫患者中，腸道微生物群的變化與T1DM 易感性相關，在具有多種胰島素抗體陽性患者中觀察到擬桿菌屬相對豐度較高，而具有抗炎作用的普氏梭桿菌豐度降低。MEJíA-LEóN 等［17］在檢查T1DM 兒童時也獲得了類似的結果。在確診T1DM 或多種胰島素抗體陽性的兒童中，普氏梭桿菌和丁酸菌屬較少見。此外，這些兒童產生SCFA 的細菌也較少。GIONGO 等［18］指出，厚壁菌門/擬桿菌門比例增高以及腸道微生物群的紊亂可能是自身免疫性疾病（包括T1DM）發生發展的早期診斷標志之一。BEDI 等［19］解釋道T1DM 患者體內腸道微生物群的紊亂會觸發細菌性GAD（谷氨酸脫羧酶）的釋放，從而由于人類和細菌性GAD 的相似性而損害宿主的免疫系統。TALUKDAR 等［20］表明，不同類型糖尿病患者（T1DM、T2DM 和兒童單基因糖尿病）的腸道微生物群組成存在顯著差異。腸道微生物群的組成直接影響SCFA 的合成。擬桿菌主要產生乙酸和丙酸，厚壁菌產生丁酸，雙歧桿菌產生大量的乙酸和乳酸，乳酸被其他細菌代謝為丁酸［21］。這就是為什么大量的擬桿菌有助于增加腸道通透性，從而導致產生抗胰島細胞的自身抗體，進而導致微生物易位進入循環系統，通過胰腺β 細胞的免疫反應引起直接損傷和炎癥。

3 腸道微生物群引起T1DM 的機制

雖然腸道微生物群是T1DM 發生發展的重要因素之一，但具體發生機制尚未明確，目前尚缺乏涉及其他稀有菌的大規模臨床試驗來完善論證。腸道微生物群失調誘發T1DM 的統一機制尚未形成，目前可能的機制包括腸道通透性改變和腸道微生物群組成的變化、炎癥反應及免疫應答等。

腸道屏障對人體健康至關重要，構成了機體外部環境和內部環境之間的界面。腸道屏障由腸上皮屏障、腸粘液屏障和腸血管屏障組成。其中腸上皮固有層中的免疫細胞，如樹突狀細胞、潘氏細胞、淋巴細胞和巨噬細胞，可以分泌各種抗菌IgG、肽和細胞因子，以維持腸免疫內環境的平衡［22］。因此腸道通透性增加是腸道屏障功能紊亂的標志。

最近，通過對T1DM 兒童體內腸道微生物群的分類及其代謝途徑的相關性分析，發現了類桿菌、脆弱雙歧桿菌、腸雙歧桿菌以及協桿菌分類群與T1DM具有相關性［23］。胰島素自身抗體陽性的T1DM兒童產丁酸鹽的微生物群豐度較低。據報道，丁酸鹽誘導的黏蛋白產生對腸道黏膜的完整性具有十分重要作用，低水平的降解黏蛋白可能意味著腸道通透性增加。先前的研究報道指出，T1DM 患者體內產生SCFA 的細菌減少，導致SCFA 的生成減少，這與腸道屏障功能受損有關。LIANG 等［24］報道，新生非肥胖糖尿病（non-obese diabetic，NOD）小鼠結腸中低表達的導管素相關抗菌肽（CRAMP）會導致腸道微生物群紊亂和腸道I 型干擾素（I-IFN）產生的增加，這可促進成年小鼠患糖尿病。同時，補充CRAMP 則導致腸道微生物群的重建，從而預防NOD 小鼠患糖尿病。此外，腸道屏障損傷后，NOD 小鼠中CD8+T 細胞被激活并增殖，從而導致T1DM 發病率增加。因此，在腸道屏障損傷后，腸道細菌與宿主免疫成分相互作用以激活免疫細胞，從而促進T1DM 的發展。

腸道微生物群紊亂導致SCFA 生成減少，從而腸道抗炎反應能力降低，最后導致腸道炎癥的發生。其具體機制如下［25］：（1）腸道中較低水平的SCFA 會導致組蛋白去乙酰化酶（HDAC）的抑制作用減弱，核轉錄因子NF-κB 的活性增加以及中性粒細胞和巨噬細胞釋放炎癥因子如IL-8 和TNF-α的增加，增強中性粒細胞對炎癥部位的化學引誘作用，從而導致腸道局部炎癥反應減弱；（2）腸道中SCFA 豐度降低導致其誘導T 細胞分化為Treg的作用降低，其降低可消除抑制因子IL-10 的釋放，從而導致炎癥；（3）SCFA 豐度降低導致其對γ干擾素/信號轉導和轉錄激活因子1（IFN-γ/STAT1）信號通路的抑制減弱，導致酪氨酸和絲氨酸的磷酸化增加，以及核易位和DNA 增加結合活性和腸道炎癥。

最近的宏基因組研究表明，與特定分類群的變化相比，腸道微生物群功能的變化與血清轉化和/或T1DM 發病風險的相關性和一致性更高。青少年糖尿病的環境決定因素（TEDDY）研究沒有發現血清轉化或發展為T1DM 的兒童的腸道微生物群存在重要的分類學差異。在一項橫斷面研究中，血清轉化兒童的微生物群以類桿菌豐度增加為特征。同樣，一項對76 例芬蘭兒童進行的研究發現［26］，血清轉化型T1DM 患者中的類桿菌種類增加。有趣的是，在胰島素自身抗體陽性T1DM 兒童中，類桿菌的增加在7 個月時達到峰值，并先于第1 個抗胰島素自身抗體的出現，這表明在遺傳易感性患者中，早期的菌群失調可能預測T1DM 的發生發展。與俄羅斯兒童相比，芬蘭和愛沙尼亞兒童中類桿菌物種的數量增加，這甚至被認為是其T1DM 發病率較高的可能原因［27］。另外飲食因素可能會引起腸道微生物群組成的變化，從而導致丁酸鹽產生減少和與T1DM 發展相關的自身抗體的風險增加。最近的一項宏蛋白質組學分析還表明，與參與維持粘液屏障功能和微絨毛粘附功能的宿主蛋白相關的微生物類群在新發T1DM 患者中被耗盡［28］。此外，患T1DM 高風險兒童的腸道通透性增加，并且與微生物群改變相關。這些發現支持了這樣一種觀點，即增加腸道通透性對于將腸道微生物群與兒童T1DM 聯系起來很重要。

4 腸道微生物群防治T1DM 展望

胰島素作為兒童T1DM 患者調節血糖的主要藥物，長期使用容易導致患者產生耐藥性。此外，隨著疾病的進展，胰島素的劑量往往會增加，這也會導致患者體重增加和心血管風險增加。隨著分子生物學技術的發展，人們已經能夠更深入地探索腸道微生物群對T1DM 的治療。

最新的小鼠細胞代謝研究發現［29］，腸道菌群產生的特定代謝物可以作用于胰腺的天然淋巴細胞，促進胰腺內分泌細胞中β-防御素14 的表達，從而預防T1DM。俄勒岡大學研究人員于2016年新發現的一種腸道細菌蛋白β 細胞擴增因子A（BefA）可以在斑馬魚幼蟲的早期發育過程中誘導胰腺中產生胰島素的β 細胞增殖。QIN 等［30］探討BefA 蛋白對T1DM 的治療作用以及腸道菌群的潛在作用機制，發現BefA 蛋白不僅顯著降低血糖，維持體重，提高小鼠的糖耐量。同時，BefA 蛋白顯著降低促炎細胞因子IL-1β、IL-6 和TNF-α 的表達。此外，采用高通量測序方法監測宿主腸道微生物的變化發現，BefA 蛋白通過改善腸道通透性、抑制腸道炎癥、增加腸道有益細菌（乳酸桿菌、雙歧桿菌、顫螺菌）和減少條件致病菌不動桿菌的相對豐度，逆轉了T1DM 小鼠的血糖，改善了糖耐量，并保持了體質量。

益生菌是通常被認為是安全的微生物（細菌、真菌），可通過多種途徑維持葡萄糖穩態，其中一種途徑是改變腸道微生物群，從而抑制炎癥過程。除了眾所周知的乳酸桿菌外，最有前景的益生菌是SCFA 生產者（尤其是丁酸鹽），例如Roseburia gutis、Eubacterium halli和Faecalibacterium spp［31］。例如，目前正在對乳雙歧桿菌Bb12L 和鼠李糖乳桿菌GG 等益生菌進行研究，以確定其在新診斷T1DM兒童的臨床研究中的保護作用。值得注意的是，生命早期給予益生菌（乳酸桿菌和雙歧桿菌）與HLA-DR3/4 基因型受試者自身免疫風險降低顯著相關。KUMAR 等［32］對90 例新發T1DM 的兒童（2 ～12 歲）中進行了一項隨機對照試驗。在為期12 周的研究期間，每天口服一粒高效、多菌株益生菌制劑（每粒膠囊含有1 125 億個活的、凍干的乳酸菌和雙歧桿菌）或安慰劑。發現益生菌組的參與者在補充12 周后表現出糖化血紅蛋白水平顯著下降，且總胰島素量和注射胰島素需求也顯著降低，另外兩組的C 肽水平都有所改善。因此使用益生菌可改善菌群失調，可有效控制T1DM 的發生發展。但是目前腸道微生物群應用于臨床有一定的局限性。研究發現［33］，益生菌不會重新定植于腸道，而是短暫地調節腸道微生物種群，約4 ～6 周后就會被清除，這極大限制了益生菌在臨床的應用。

糞菌移植（fecal microbiota transplantation，FMT）是一種新型的治療方法，可以將紊亂的腸道微生物群恢復到病前狀態。周迎等人［34］將C57BL/6 小鼠的糞菌移植給8 ～9 周齡的NOD 小鼠，以明確FMT 對T1DM 發病的影響，結果發現26 周齡時FMT 組的T1DM 發病率低于對照組。FMT 促進了腸道中有益菌，如Lactobacillus、Clostridium_sp_ND2、Candidatus_Arthromitus和Clostridiaceae_1的定植。因此FMT 可減輕NOD 小鼠的胰島炎并減緩T1DM的發生。但目前尚缺乏與T1DM 相關研究，無法證實FMT 在T1DM 治療中的有效性和安全性。

5 結語

綜上所述，T1DM 是一種慢性疾病，會導致產生胰島素的胰腺β 細胞發生自身免疫性破壞。最近的研究結果將腸道通透性改變和腸道微生物群組成的變化與T1DM 發病率的增加聯系起來。T1DM 發病時的一個顯著特征是腸道微生物群紊亂，表現為腸道微生物群組成的變化，以及腸道免疫系統的過度激活和腸道上皮細胞通透性的改變，管腔抗原轉移到其他器官，包括胰腺和胰腺淋巴結。但腸道菌群參與T1DM 的具體作用機制仍不清楚。且T1DM 期間腸道微生物群與胰腺的相互作用是一個復雜的過程，涉及多種途徑。然而調節腸道微生物群是緩解T1DM 的一種新方法。相信在未來繼續深入對T1DM 患兒腸道菌群的相關研究，將為T1DM 患兒診治提供新的思路及方法，促進糖尿病兒童的健康。

【Author contribution】XU Qingbo wrote this article. YANG Yu and YANG Li critically reviewed the article for its intellectual content. XIE Liling，ZHANG Dongguang and HUANG Hui reviewed the article. All authors read and approved the submitted final manuscript.