腸道菌群與代謝疾病*

顧燕云，鐘煥姿，李俊樺

①上海交通大學 醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院，上海市內分泌代謝病研究所，上海 200025；②深圳華大生命科學研究院，深圳 518083

人體腸道菌群包含1 000多種共生微生物，它們在人的腸道內自行構成一個比較穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。這個生態(tài)系統(tǒng)含有超過千萬的基因，而且隨著研究的深入，基因和物種的數目還在增多[1]。在人類漫長的演化過程中，伴隨社會發(fā)展進程，飲食、生活方式及環(huán)境發(fā)生變化，腸道菌群隨著它的宿主在共同演化。腸道共生菌能夠執(zhí)行多種人體自身不能進行的代謝活動，可通過分解食物中宿主不能完全消化的多糖、蛋白質和脂肪類物質獲取能量，并產生一系列代謝產物影響宿主健康。在這個過程中，腸道微生態(tài)系統(tǒng)與宿主代謝能力息息相關。目前有很多用于生態(tài)系統(tǒng)評測的方法，比如用生物多樣性等來評測腸道菌群健康狀態(tài)。已有大量研究證實腸道微生態(tài)系統(tǒng)失衡與多種疾病的發(fā)生關系密切，特別是肥胖、2型糖尿病等慢性代謝性疾病。近15年來，此方向的研究發(fā)展迅猛，相關的重要研究成果發(fā)表的時間軸見圖1。這些研究逐步闡明了腸道共生菌與宿主代謝調控的因果關系及相關機制。

1 腸道共生菌與代謝疾病的關聯

1.1 腸道菌群紊亂是否導致肥胖發(fā)生？

早在2004年，美國華盛頓大學的Jeffrey I.Gordon教授實驗室將肥胖個體的腸道菌群整體移植入無菌小鼠體內后發(fā)現可導致無菌小鼠肥胖及糖耐量受損[2-3]。進而，將這些接受肥胖患者糞便的小鼠與接受體重正常個體的糞便移植的小鼠同籠飼養(yǎng)后，發(fā)現小鼠個體間的體重變得趨同，原移植肥胖患者糞便變胖的小鼠也減輕體重[4]。通過這兩組實驗，Gordon教授首次發(fā)現，腸道菌群異?？赡苁菍е滤拗鞣逝值脑颉Ｑ芯咳藛T后續(xù)針對肥胖者腸道菌群的研究發(fā)現，無論是高加索人群還是中國漢族人群，其腸道菌群的多樣性和基因數目均呈現比正常人顯著降低的特征[5-6]。研究人員還進一步報道了一系列肥胖人群中顯著改變的腸道菌群結構與功能，例如顯著降低的擬桿菌屬(Bacteroides)、阿克曼氏菌屬(Akkermansia)、產丁酸梭菌等微生物和顯著增強的碳水化合物代謝與轉運功能通路[7]。腸道菌群的這些失調，在飲食干預或者減重手術后，會出現一定程度恢復[6-7]。 此外，國內外多項研究均顯示，接受減重手術的肥胖病人，在體重下降的同時，腸道菌群明顯改變，而將術后糞便移植給無菌小鼠亦可減少受體小鼠的脂肪含量[8-9]。

圖1 腸道菌群與代謝疾病重要研究時間軸

1.2 2型糖尿病與腸道菌群失調

有意思的是，2型糖尿病患者的菌群紊亂程度與肥胖患者不可同日而語[7]，并未發(fā)現其腸道菌群多樣性和基因數目與非糖尿病人群存在顯著差異。值得一提的是，人腸道菌群和2型糖尿病相關作用是由深圳華大生命科學研究院為主導的我國學者于2012年首次報道并發(fā)表于《自然》[10]。該研究發(fā)現，中國2型糖尿病患者的腸道羅斯氏菌屬(Roseburia)以及柔嫩梭菌屬(Faecalibacterium)等主要產丁酸梭菌及其產丁酸功能的相對豐度顯著低于正常人群，而條件致病性的腸桿菌科(Enterobacteriaceae)物種菌群產脂多糖、硫化氫促炎功能及支鏈氨基酸轉運功能的水平則顯著高于正常人群。這些變化可能與糖尿病患者的腸黏膜屏障受損及腸道炎癥水平增加有關[10]。隨后，Dr Fredrik B?ckhed及其團隊于2013年發(fā)現歐洲老年女性糖尿病患者及糖耐量受損的糖尿病前期人群存在類似的腸道菌群失調，例如鏈球菌屬(Streptococcus)物種的顯著富集。此外，多個獨立研究中，研究者發(fā)現健康人或2型糖尿病患者服用二甲雙胍前后的腸道菌群變化的顯著特征一致[11-12]，強調在疾病-對照的橫斷面菌群研究時，藥物等因素會干擾研究的結果，必須加以控制?；诖耍A大生命科學院的研究人員通過對未經藥物治療的新診糖尿病患者、糖尿病前期及糖耐量正常的3組人群的糞便及詳細表型、宏基因組與宏蛋白組的分析技術，多維度重新刻畫了中國糖尿病患者及前期人群的腸道微生態(tài)特征。研究指出，腸道共生菌阿克曼氏菌、產丁酸菌及宿主腸道抗菌肽水平隨著受試者糖代謝受損程度而梯度下降，并從基因和蛋白層面共同揭示E.coli等腸桿菌微生物在糖尿病前期人群的特異性富集，提示其可能是促進糖尿病前期最終發(fā)展成糖尿病的一個潛在風險因子[13]。盡管目前仍未有利用糖尿病患者糞便移植導致無菌小鼠糖尿病的報道，但未必是因為這個假設不存在。與肥胖表型相反，除了基因敲除，常規(guī)的高熱量飲食很難誘導小鼠產生糖尿病表型。因而，也許是受限于研究工具，腸道菌群紊亂與2型糖尿病的因果關系迄今尚未完全證實。

2 腸道菌群為何能促進肥胖和糖尿病的發(fā)生？

繼腸道菌群與代謝性疾病相關性以及腸道菌群與肥胖表型因果關系的里程碑式發(fā)現后，研究者們孜孜不倦地揭示了腸道菌群特定的代謝產物或其自身特征組分導致人體慢性代謝性疾病的具體科學機制[14]。例如，腸道微生物酵解人體不能完全消化的復雜碳水化合物而產生能量，供給人體和其他腸道環(huán)境的共生微生物的生理活動需要，同時代謝產生短鏈脂肪酸產物[15]，包括醋酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽和琥珀酸鹽等。這些短鏈脂肪酸是人大腸上皮細胞的主要的能量來源[16]，因為在正常情況下人的大腸黏膜不通過血液循環(huán)來供能。短鏈脂肪酸還能調節(jié)中性粒細胞抑制炎癥反應[17-18]，促進腸促胰素及調控食欲的一些中樞肽的分泌[19-20]，從而通過各種神經內分泌及表觀遺傳機制對人的食欲進行調控并影響胃腸排空。小小菌群不僅影響我們的腸道，也可能遠程調控我們的大腦。有不少關于腦腸軸在代謝穩(wěn)態(tài)調控方面的研究和綜述，但是這個領域目前仍然爭議較多，有待腦科學的進一步發(fā)展。然而，這給我們以提示：腸道菌群的變化可能是一個長期以來被忽視的中樞代謝調控的重要傳入機制。

除短鏈脂肪酸外，研究者還發(fā)現菌體自身組分(脂多糖、毒力因子等)和其他菌源或人菌共代謝產物(次級膽汁酸、支鏈氨基酸、咪唑丙酸、維生素等)可與宿主細胞的特定模式受體結合，激活細胞內信號傳導發(fā)生一系列胞內反應進而調控細胞功能，或參與宿主的代謝調控，或影響宿主腸黏膜屏障及腸道內氧化還原穩(wěn)態(tài)[21]，實現對宿主健康的復雜調控。

Cani教授團隊[22]早在2007年就提出脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)，一種革蘭氏陰性菌細胞外壁成分，可以通過腸黏膜屏障進入宿主循環(huán)造成內毒素血癥。LPS與模式識別Toll樣因子受體 TLR4結合后，可促進廣泛低度的慢性炎癥，進而促進胰島素抵抗的發(fā)生，最終產生代謝紊亂[22]。同時，該研究首次建立了腸黏膜屏障的健康與宿主代謝穩(wěn)態(tài)調控的關系。除脂多糖外，一些微生物肽聚糖及鞭毛成分也會進入宿主體內發(fā)生代謝調節(jié)功能。有意思的是，Cani教授團隊最近發(fā)現滅活的阿克曼氏菌比活菌體對肥胖小鼠和人群的代謝改善更為有效[23-24]。

此外，越來越多研究顯示多種菌源代謝物或菌-宿主共代謝產物可調控宿主胰島素抵抗。比如，Karlsson等發(fā)現Prevotella具備合成支鏈氨基酸的能力，而Bacteroides具備攝取支鏈氨基酸的能力，兩個物種在胰島素抵抗人群中的分布失調最終導致宿主循環(huán)支鏈氨基酸水平升高[25]。支鏈氨基酸長期過度激活宿主胰島素敏感組織的mTOR信號系統(tǒng)，導致胰島素抵抗，而腸道菌群代謝芳香族氨基酸產生的吲哚類物質可能通過結合芳香烴類受體促進腸道黏膜屏障保護和腸道GLP-1分泌[26-27]，改善胰島素抵抗和糖代謝。這些研究發(fā)現與2010年美國Framinghan隊列12年隨訪研究的發(fā)現不謀而合，該研究表明血漿支鏈氨基酸及芳香族氨基酸水平是2型糖尿病發(fā)生的關鍵危險因素[28]。此外，組氨酸在腸道菌群中的中間代謝產物咪唑丙酸(imidazole propionate)也可發(fā)揮類似支鏈氨基酸的作用，過度激活mTOR信號系統(tǒng)，促進胰島素抵抗[29]。

另外一種菌-宿主共代謝產物就是次級膽汁酸。 膽汁酸受體(farnesoid X receptor, FXR)已經是目前治療代謝性疾病中的明星靶點。研究發(fā)現[30]，相比于對照大鼠，糖尿病大鼠血中結合型膽汁酸含量升高，尤其是?；悄懰?TCA)的含量升高。2型糖尿病及肥胖患者血漿中膽汁酸的含量顯著高于正常受試者，其中12-羥基膽汁酸(12-OH型膽汁酸)增高與胰島素抵抗相關[31-32]。2型糖尿病受試者中次級膽汁酸熊去氧膽酸(Ursodeoxycholic acid, UDCA)含量明顯降低[33]，而結合膽汁酸比例明顯升高，這些變化與β細胞功能的儲備分別呈正負相關，并能在有效降糖治療后得到恢復。減肥手術以后患者的血膽汁酸譜也發(fā)生劇烈波動。利用無菌小鼠模型發(fā)現，細菌轉化宿主初級膽汁酸為次級膽汁酸的過程，對宿主整個膽汁酸池的組分和大小有著非常關鍵的調控作用。同時發(fā)現，無菌小鼠相比正常飼養(yǎng)環(huán)境的小鼠在高脂飲食下更不容易發(fā)生肥胖和血糖升高，而這些代謝紊亂在Fxr敲除的無菌小鼠中被證明是通過菌群膽汁酸代謝失調而導致[34]。因此腸道菌群的次級膽汁酸代謝，對宿主的膽汁酸池及代謝調控穩(wěn)態(tài)均起到相當關鍵的作用。在2017—2018年，瑞典哥德堡大學和中國上海交通大學、北京大學的研究人員相繼發(fā)現常用口服降糖藥物二甲雙胍和阿卡波糖可能通過改變細菌的膽汁酸代謝而發(fā)揮其(部分)臨床療效[12,35-36]。在動物實驗中，膽汁酸受體激動劑(GW4064或其他內源性膽汁酸)可以明顯改善db/db小鼠和食源性肥胖小鼠的高血糖、高血脂癥狀[37-38]。無菌小鼠的研究發(fā)現，細菌膽汁酸代謝缺乏會導致腸道膽汁酸受體信號受阻，而腸道膽汁酸信號受阻卻可以有助于代謝紊亂的改善，通過改善神經酰胺類的代謝改善脂肪肝。同時也有報道顯示，利用阻斷腸道Fxr特殊小分子灌腸相反會導致代謝紊亂，而細菌產生的次級膽汁酸又可以激活脂肪棕色化，可以激活甲狀腺素受體使得機體產熱耗能[39]。這些爭論有待于未來的研究破解。此外，有研究認為腸道菌群可能蘊含了極為豐富的GPCR受體配體，或許能和人體內大量孤兒受體匹配上，從而為開發(fā)新的代謝病甚至其他疾病的新藥物靶點提供潛力巨大的新來源[40](圖2)。

圖2 腸道菌群紊亂導致宿主代謝調節(jié)失衡的機制概要圖

3 腸道菌群在治療肥胖和糖尿病中是否發(fā)揮作用？

3.1 減重手術

減重手術是治療重度肥胖的比較長期有效的手段。國內外的多項研究已經證明[7,9]，減重手術能夠重塑腸道菌群，恢復腸道菌群的基因多樣性和基因數目。已有動物實驗證明術后腸道菌群移植能夠降低宿主脂肪含量。然而，相比有創(chuàng)的手術療法，不少科學家已在研究減重手術后所變化的腸道菌群中是否存在獨立有效減肥降糖的候選菌株，這很有可能成為未來篩選調控代謝病的新型益生菌的方向。

3.2 常用降糖藥物

2011年，人類腸道宏基因組計劃(MetaHIT)團隊首次提出“腸型”概念，將人群腸道菌群差異進行歸類，分為擬桿菌型(Bacteroides)、普氏菌型(Prevotella)和瘤胃球菌型(Ruminococcus)三類。然而，腸型分類方法至今仍存在爭議，不同研究者根據不同算法和分析方法，對腸型分型的結果不同。因此，建立標準的宏基因組數據分析流程，通過采集更大樣本量，探索中國人群的腸型分型特征，對推動關于中國人體健康和疾病狀態(tài)的了解，加強基于微生物的疾病診斷、治療或預防，并在營養(yǎng)、微生物和藥物干預方面進行個性化治療具有重要意義[41]。

在上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院的一項研究中，科研人員發(fā)現不同腸道菌群基線結構特征“腸型”的初發(fā)2型糖尿病患者對于口服降糖藥物阿卡波糖的反應有很大差異[36]。在降糖效果并無差別的情況下，具備擬桿菌腸型的患者服用阿卡波糖后胰島素抵抗獲得顯著改善，但是普氏菌腸型的患者則未見明顯改善。擬桿菌腸型的降糖外獲益也要比普氏腸型的患者多。無獨有偶，在一項腫瘤免疫治療的研究中，科學家發(fā)現不同腸型的患者對于免疫治療的反應依賴于這些患者治療前的腸道共生菌群組分[42]。因而，無論從代謝還是免疫角度都提示，不同腸道菌群構成與宿主會建立不同的對話系統(tǒng)，共同調控宿主對代謝和免疫治療反應的差異。目前，不同腸道共生菌特征對藥物療效的不同反應機制尚未明確，但根據服藥前后共生菌通路的變化，我們發(fā)現次級膽汁酸通路、谷氨酸/谷氨酰胺的代謝通路基因及脂多糖的代謝通路豐度差異顯著。個體腸道共生菌組成特征(腸型)是否具備不同的菌-宿主對話，都是靶向腸道的糖尿病治療亟待解決的新問題，同時也給糖尿病的精準治療帶來新的方向，為未來糖尿病患者提供個體化治療的理論基礎、開發(fā)臨床新技術、提高降糖藥物療效開辟新道路。

4 是否可以通過調節(jié)腸道菌群來治療肥胖及糖尿??？

4.1 益生菌(元)

傳統(tǒng)的商用益生菌主要包括雙歧桿菌、乳酸桿菌、鏈球菌等產乳酸菌株，在消化道疾病，尤其是包括便秘、腹瀉在內的腸道功能紊亂方面頗有應用歷史。然而，研究發(fā)現傳統(tǒng)益生菌對肥胖及糖尿病的改善作用十分有限。目前在幾篇兒童相關疾病中應用益生菌的治療研究中，均未見到顯著的療效[43-44]。同時也有報道指出益生菌服用不但無效，而且還能減緩抗生素使用后人腸道菌群的恢復[45-46]。與之相反，一些新近從腸道共生菌群中發(fā)掘的腸道細菌比如阿克曼氏菌[23,47-48]、多形擬桿菌[7]等，在臨床前期研究中顯現出顯著減輕體重、降低脂肪含量的作用，是未來益生菌干預肥胖的新的候選菌株。

益生元是一種膳食補充劑，通常是一些不被宿主完全消化卻能夠被腸道菌群所利用的食物成分。在體內腸道菌群的生態(tài)中對有益菌的生長及活性進行選擇，被認為是未來膳食干預代謝疾病的一個安全方法。以往動物水平研究表明葡萄籽提取物原花青素可改善高脂飲食導致的腸道菌群失調，減少肥胖小鼠脂肪堆積，改善代謝相關炎癥，但服用抗生素后該效應消失，可能是由于原花青素的腸道菌群靶點被其破壞[49]。另外，Gordon教授最新的研究發(fā)明了一種腸道菌群誘導食品，可以改善因為營養(yǎng)獲取不足而營養(yǎng)不良的兒童的營養(yǎng)狀況[50]。

4.2 糞菌移植

將健康供體糞便移植入受體腸道對于治療艱難梭菌感染已經取得了非常成功的效果。在肥胖治療方面，也有兩項研究報道了糞便移植的效果，移植6周后能夠改善肥胖患者的肝臟胰島素敏感性[51-52]。然而，目前糞菌移植仍然面臨一些安全隱患。最近臨床研究權威雜志《新英格蘭》發(fā)文報道了兩例患者接受糞菌移植后發(fā)生了多重耐藥菌的嚴重感染，并導致一例患者死亡。因而推動糞菌移植安全性和適應癥的體系建設，尤其需要利用多組學技術手段建立和完善對供體腸道菌群包括超級耐藥菌、耐藥基因及毒力因子的全面篩查和風險評估，通過開展多中心大規(guī)模的臨床驗證，對糞便移植后供受體菌群間交流機制進行深入研究[53]。

4.3 傳統(tǒng)中醫(yī)藥

早在東晉時期(公元317—420年)葛洪所著的《肘后備急方》中，就有類似我們現在的糞菌移植的療法，稱之為“黃龍湯”。傳統(tǒng)中醫(yī)藥的寶庫中，有記載黃蓮、大黃等均有治療“消渴癥”(古代對糖尿病的稱謂)的療效。其中，來自于黃蓮的單體成分小檗堿較早在國際上被認可其改善糖脂代謝的作用。上海交通大學醫(yī)學院瑞金醫(yī)院、上海生命科學院藥物所的團隊先后從臨床療效、動物實驗以及化學結構對小檗堿進行深入研究。2012年一項跨學科的研究首次報道了小檗堿可能改變糖尿病大鼠的腸道菌群，而另一項臨床試驗發(fā)現，含有小檗堿的中成藥可以改變糖尿病患者的腸道菌群以及代謝指標，并且兩者有關聯。常用降糖藥物二甲雙胍也是在對草藥山羊豆及其天然產物山羊豆堿的長期研究探索中所發(fā)現。與大部分中草藥一樣，二甲雙胍的口服利用度差，宿主體內的靶點多，沒有像化學小分子藥物一樣的靶向的精準分子機制。因而，類似的中國傳統(tǒng)中醫(yī)藥很有可能成為開發(fā)調節(jié)腸道菌群藥物的寶庫。

4.4 工程腸道共生菌

近兩年隨著合成生物學的飛速進展，利用合成生物學手段制備集成功能的有益菌，甚至改造現有腸道共生菌環(huán)境的研究日益受到關注。早在2014年就有美國范德堡大學的研究團隊利用大腸桿菌底盤合成代謝分子N-?；掖及?NAE)，并發(fā)現在腸道內移植改造過的大腸菌可顯著改善高脂喂養(yǎng)小鼠的代謝表型。之后還有不少研究報道，通過改造的工程腸道菌針對某些代謝有益分子的有感應的集成表達而在定植宿主體內后發(fā)揮代謝獲益作用[54-56]。隨著最近超大中國人腸道菌株庫的建立，結合目前已有的規(guī)模不小的中國人宏基因組數據，設計并構建適合中國國人的人工腸道工程菌甚至人工菌群的條件已經成熟。

5 結語

作為橋接環(huán)境和宿主因素的互動，腸道菌群在宿主免疫、代謝相關的生理活動中扮演著重要角色。對于代謝病領域來說，針對腸道菌群研究是一個全新的角度，有望成為解答不少代謝相關難題的鑰匙。然而短短十余年時間，腸道菌群相關的研究才剛剛揭開序幕，可以預期將來會有更多研究拓展我們對腸道菌群及代謝穩(wěn)態(tài)調節(jié)機制的認識，使其成為挖掘肥胖及2型糖尿病等新型治療藥物的靶點。