腸道微生物與2型糖尿病免疫相關(guān)性的研究進(jìn)展

李金燕，楊帆

（1.桂林醫(yī)學(xué)院，廣西 桂林 541000；2.桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，廣西 桂林 541000）

糖尿病主要包括2 型糖尿病、1 型糖尿病、妊娠糖尿病及其他特殊類型糖尿病，其中1 型糖尿病主要與自身免疫相關(guān)，2 型糖尿病與免疫之間也可能有密切關(guān)系。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)包括糖尿病在內(nèi)的多種代謝性疾病與免疫之間均有緊密關(guān)系，并逐漸衍生出免疫代謝這一概念。有研究顯示，腸道微生物的基因總量與人體自身基因數(shù)量比值約為9∶1，且腸道微生物被證實(shí)與多系統(tǒng)疾病緊密相關(guān)，如糖尿病、高血壓、冠心病、帕金森、腸道炎性疾病、多囊卵巢綜合征等[1]。隨著飲食習(xí)慣、生活方式的改變，肥胖人群數(shù)量逐年上升，糖尿病的危險(xiǎn)因素增加，導(dǎo)致糖尿病患者數(shù)量增加，2017 年我國(guó)糖尿病人群約占全球糖尿病人群的1/4，達(dá)1.14億人。據(jù)最新健康中國(guó)行動(dòng)數(shù)據(jù)估計(jì)，截至2019年，我國(guó)糖尿病人群總數(shù)量達(dá)1.5 億人，并呈不斷上升趨勢(shì)[2]。迫切需要探究影響及治療糖尿病的新途徑，因此，探討腸道菌群與糖尿病之間的免疫關(guān)系，可能為糖尿病免疫治療的發(fā)展提供新思路。

1 2型糖尿病的發(fā)病機(jī)制

2型糖尿病的發(fā)病機(jī)制始終是內(nèi)分泌研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，不少學(xué)者致力于從分子水平上研究糖尿病的發(fā)病機(jī)制，并不斷取得新進(jìn)展。目前，研究發(fā)現(xiàn)2型糖尿病的發(fā)病機(jī)制主要與遺傳易感性、生活方式、腸道菌群、肥胖、化學(xué)物質(zhì)影響等多種因素密切相關(guān)。全基因組分析被作為2 型糖尿遺傳學(xué)研究的主要分析標(biāo)準(zhǔn)工具，早在2017年就已發(fā)現(xiàn)，其與人體中32個(gè)基因密切相關(guān)，并分布于15條常染色體中，體現(xiàn)糖尿病基因水平上的復(fù)雜多樣與普遍[3]。雖然越來(lái)越多遺傳易感基因被不斷發(fā)現(xiàn)，但目前已知大多數(shù)遺傳易感基因與糖尿病發(fā)病之間的相關(guān)性，呈低中度水平。飲食結(jié)構(gòu)多樣化及生活方式的調(diào)整，高脂高糖飲食，使肥胖人群數(shù)量不斷增長(zhǎng)，除遺傳基因易感性的作用外，肥胖本身可導(dǎo)致胰島素抵抗，引起血糖升高。

近年來(lái)研究腸道菌群與糖尿病之間的相關(guān)性及探討其中的機(jī)制成為持續(xù)不衰的熱點(diǎn)，糖尿病患者的腸道菌群發(fā)生變化已被證實(shí)[4]。在2013 年至2017 年4 年間發(fā)表的文章占過(guò)去40年有關(guān)腸道菌群出版物的4/5，充分肯定這一領(lǐng)域的重要性。目前，認(rèn)為腸道細(xì)菌可能通過(guò)產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物，影響不同菌群的種類、數(shù)量、比例，造成機(jī)體內(nèi)毒素血癥、長(zhǎng)期慢性低度炎癥反應(yīng)，破壞腸上皮壁屏障的完整性及影響自身免疫平衡等，參與糖尿病的發(fā)病機(jī)制[5]。

2 腸道菌群及其代謝產(chǎn)物對(duì)機(jī)體免疫的作用

2.1 腸道菌群對(duì)機(jī)體免疫平衡的作用 胃腸道作為直接連接外界與內(nèi)環(huán)境的渠道，有數(shù)量極其龐大的微生物群，而機(jī)體在這種內(nèi)外協(xié)調(diào)中始終保持穩(wěn)態(tài)，最主要由于胃腸道菌群與機(jī)體之間的能量協(xié)調(diào)、信息交流、反饋。腸道菌群在宿主能量攝入、信息交流反饋、炎癥反應(yīng)、免疫調(diào)控中均發(fā)揮重要作用。當(dāng)新生兒從母親陰道分娩到首次接觸乳房開(kāi)始，被認(rèn)為是腸道菌群開(kāi)始建立的標(biāo)志，長(zhǎng)大至2～3歲時(shí)，腸道微生物的數(shù)量及種類基本接近成人[6]。成人腸道菌群約包括100～150個(gè)不同種屬的細(xì)菌，厚壁菌門(mén)、擬桿菌門(mén)這兩種有益細(xì)菌占據(jù)重量級(jí)地位，約占總數(shù)的90%[7]。腸道微生物能長(zhǎng)期維持與胃腸道之間的免疫平衡，與腸道微生物作用密不可分。美國(guó)布朗大學(xué)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，小鼠腸道中微生物具有識(shí)別對(duì)人體有益及有害的細(xì)菌，并反饋性調(diào)節(jié)宿主免疫系統(tǒng)，使對(duì)宿主有益的菌群更好存活。進(jìn)一步探索機(jī)制，被認(rèn)為是腸道中存在的某些細(xì)菌，具有平衡視黃酸水平的作用，繼而避免宿主免疫過(guò)度激活。現(xiàn)發(fā)現(xiàn)厚壁菌門(mén)中重要的梭狀芽胞桿菌屬細(xì)菌具有促使維生素A轉(zhuǎn)化為視黃酸的作用，并可能通過(guò)調(diào)節(jié)某些蛋白質(zhì)水平實(shí)現(xiàn)[8]。德國(guó)基爾大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)揭露腸道免疫穩(wěn)定性的維持必須在宿主免疫系統(tǒng)和微生物之間共同協(xié)調(diào)和維持。其中，在宿主與微生物免疫平衡中，調(diào)節(jié)性T細(xì)胞在相互免疫調(diào)節(jié)過(guò)程中起關(guān)鍵的作用[9]。腸道微生物與腸道免疫之間的穩(wěn)態(tài)一旦破壞，可引起肥胖、糖尿病、腸道炎性疾病、肝代謝異常、腫瘤、抑郁等多種重要疾病。

2.2 腸道菌群的代謝產(chǎn)物對(duì)宿主免疫的作用 通過(guò)基因測(cè)序分析顯示，腸道微生態(tài)系統(tǒng)囊括990 萬(wàn)基因，總重量接近1.5～2 kg[10]。腸道菌群數(shù)量龐大、種類繁多，腸道微生物的代謝產(chǎn)物對(duì)宿主營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收、能量攝入具有關(guān)鍵的作用，當(dāng)腸道菌群紊亂時(shí)，達(dá)到一定程度，即可形成慢性低度炎癥反應(yīng)，通過(guò)多種代謝產(chǎn)物，影響機(jī)體免疫系統(tǒng)。在一定條件下，腸道菌群發(fā)生移位，原有菌群總數(shù)及比例發(fā)生改變，在此失衡環(huán)境下，腸道革蘭氏陰性菌所占比例增加形成細(xì)菌的裂解，體內(nèi)脂多糖（LPS）產(chǎn)生及釋放增加，當(dāng)腸道黏膜通透性增加時(shí)，LPS 即可通過(guò)腫脹的黏膜屏障入血，可通過(guò)不同途徑作用于脂肪及巨噬細(xì)胞，釋放多種炎癥因子，造成機(jī)體慢性低度炎癥反應(yīng)，引起胰島素抵抗。原有研究反復(fù)強(qiáng)調(diào)腸道革蘭氏陰性菌LPS 的免疫激活作用，但有新研究顯示，不同細(xì)菌LPS 結(jié)構(gòu)不同，可能起相反的作用。大腸桿菌LPS 為腸道革蘭陰性菌中常見(jiàn)的LPS 可引起機(jī)體免疫激活，但擬桿菌LPS 不會(huì)激活機(jī)體免疫，并且可抑制其他細(xì)菌LPS 引起宿主免疫反應(yīng)，增加機(jī)體內(nèi)毒素耐受[11]。當(dāng)LPS 入血后，CD14 介導(dǎo)LPS 識(shí)別固有免疫的 TOLL 樣受體（TLR-4），并形成LPS 與CD14/TLR-4 蛋白復(fù)合物，可通過(guò)MyD88 依賴途徑，轉(zhuǎn)錄因子NF-KB可被激活并結(jié)合細(xì)胞核內(nèi)DNA，導(dǎo)致各種炎癥因子，如TNF-a、IL-12 和IL-6 的釋放[12]，造成機(jī)體低級(jí)別炎癥反應(yīng)，在炎癥環(huán)境中，胰島素靶組織如肝臟、骨骼肌細(xì)胞、脂肪細(xì)胞對(duì)胰島素敏感性下降，引起胰島素抵抗。腸道中多種短鏈脂肪酸（SCFAs），主要由乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽等組成。短鏈脂肪酸可通過(guò)免疫系統(tǒng)介導(dǎo)其抗炎特性，并被認(rèn)為是腸道細(xì)菌與機(jī)體免疫之間重要的通信介質(zhì)。當(dāng)腸道細(xì)菌產(chǎn)短鏈脂肪酸下降時(shí)，腸道黏膜通透性增加，腸道細(xì)菌可通過(guò)通透性增加的腸黏膜進(jìn)入血液，引起炎癥反應(yīng)[13]。通過(guò)比較2型糖尿病人群與正常人群中糞便菌群的變化，發(fā)現(xiàn)2型糖尿病中產(chǎn)丁酸鹽的細(xì)菌數(shù)量下降，繼而推測(cè)，維持穩(wěn)定量的產(chǎn)丁酸菌可能對(duì)人體有益，可減少2型糖尿病的發(fā)生。其中丁酸鹽介導(dǎo)的2型糖尿病與機(jī)體免疫之間的研究引起廣泛注意，因?yàn)槎∷猁}可通過(guò)多途徑影響機(jī)體免疫系統(tǒng)。丁酸鹽產(chǎn)生的信號(hào)可被游離脂肪酸受體（FFAR）識(shí)別并傳遞給腸道免疫細(xì)胞，通過(guò)多蛋白炎性復(fù)合物介導(dǎo)腸道免疫反應(yīng)，它可以有效維持抗炎和促炎之間的炎癥狀態(tài)平衡[14]。此類脂肪酸受體屬于G蛋白偶聯(lián)受體。Zhang等[15]通過(guò)在ad/db小鼠中補(bǔ)充丁酸鹽，發(fā)現(xiàn)丁酸鹽可明顯增加G 蛋白偶聯(lián)受體43（GPR43）水平，同時(shí)細(xì)胞膜上的葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（SGLT1）及葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2（GLUT2）水平上調(diào)。并發(fā)現(xiàn)糖原合酶激酶3（GSK3）被激活，而細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)蛋白激酶B（PKB）活性受抑制。表示丁酸鹽促進(jìn)肝內(nèi)糖原代謝，可能通過(guò)GPR43-AKT-GSK3 信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)。在建立T2DM 小鼠模型后，持續(xù)每天腹腔內(nèi)注射丁酸鈉（500 mg/kg）6周，發(fā)現(xiàn)糖尿病小鼠血糖下降，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽可通過(guò)降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)磷酸化的Ⅰ型跨膜ER駐留蛋白激酶（p-PERK）水平來(lái)激活CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白同源蛋白（CHOP）和磷酸化的真核起始因子2α（p-eIF2α）以及轉(zhuǎn)錄因子（ATF4）等相關(guān)因子的表達(dá)，延緩2型糖尿病的發(fā)展[16]。2018 年，Ara Koh 研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，丙酸咪唑在肥胖的T2DM 患者門(mén)靜脈血漿中有更高的代謝水平。通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，早期2型糖尿病患者體內(nèi)丙酸咪唑的代謝水平明顯高于糖耐量正常的人群。通過(guò)動(dòng)物和體外實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，認(rèn)為丙酸咪唑可通過(guò)激活p38-p62-mTORC1 通路抑制mTORC1 復(fù)合物的形成，并能抑制胰島素受體信號(hào)影響胰島素受體底物蛋白的形成[17]。

3 機(jī)體對(duì)腸道菌群及其代謝產(chǎn)物的免疫應(yīng)答

腸道微生物組成龐大而復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)寄存于宿主腸道中，而機(jī)體免疫系統(tǒng)作為抵御病原體的至關(guān)重要的防線，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生相互應(yīng)答。其中包括經(jīng)典免疫應(yīng)答及細(xì)胞免疫應(yīng)答。先天免疫系統(tǒng)可以通過(guò)上皮細(xì)胞和腸吞噬細(xì)胞的表面表達(dá)蛋白toll 樣受體5（TLR5），在感知鞭毛蛋白時(shí)，TLR5可激活抗微生物肽的產(chǎn)生和趨化因子的分泌，繼而趨化嗜中性粒細(xì)胞。也可通過(guò)腸道免疫感知鞭毛蛋白后，引起細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)NOD 樣受體4 激活了炎性復(fù)合物，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。同時(shí)細(xì)菌鞭毛蛋白也是急性感染和慢性炎癥性疾病中T 細(xì)胞抗原和體液免疫細(xì)胞靶標(biāo)。腸道抗IgA，能一定程度上抑制鞭毛細(xì)菌的總量，使其維持在低水平狀態(tài)[18-20]。先天免疫還可以刺激腸道產(chǎn)生速激肽（一種在胰島素信號(hào)傳導(dǎo)中起重要作用的胰島素樣蛋白）。Watnick 的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)醋酸用于無(wú)菌果蠅時(shí)，先天免疫途徑激活，速激肽產(chǎn)生；當(dāng)產(chǎn)乙酸菌在腸道產(chǎn)乙酸時(shí)，宿主免疫主動(dòng)識(shí)別，先天性免疫激活，促使速激肽水平上調(diào)，維持血糖、血脂穩(wěn)定[21]。美國(guó)芝加哥大學(xué)科學(xué)家在《Immunity》期刊上指出，機(jī)體的免疫系統(tǒng)對(duì)健康菌群具有保護(hù)作用，可一定程度上增強(qiáng)對(duì)有害菌株的響應(yīng)能力。作為腸道中常見(jiàn)的有益菌種，脆弱擬桿菌（bacteroidesbacteroides fragilis，B.fragilis），在共生殖菌因子（ccfABCDE，CCF）調(diào)節(jié)下包裹在多糖制成的厚莢膜B.fragilis 中，它可以有效地避免宿主免疫攻擊，使脆弱擬桿菌能在黏膜上定植及維持單一菌株的穩(wěn)定。但即使能較大程度的避免免疫的攻擊作用，機(jī)體也確實(shí)產(chǎn)生針對(duì)B.fragilis莢膜結(jié)合的IgA抗體?？贵wIgA與腸道中存在的被認(rèn)為是對(duì)人體有益的大部分細(xì)菌能和平共處，甚至還可以幫助B.fragilis緊密粘附于腸道上皮。但如小鼠缺乏IgA，B.fragilis 將很難定植于腸道表面并保持持續(xù)穩(wěn)定。體現(xiàn)腸道IgA 對(duì)腸道中有益菌群的定植是非常有必要的[22]。多種有益菌落在腸道中定植，維持腸道菌落穩(wěn)態(tài)，可能減少2 型糖尿病的發(fā)生。機(jī)體產(chǎn)生的干擾素-γ（IFNγ）對(duì)某些病原體入侵及感染性疾病的發(fā)生具有積極影響，但高水平的干擾素-γ，能下調(diào)葡萄糖代謝能力。Greer RL等[23]研究人員發(fā)現(xiàn)，人體在腸道微生物Akkermansia muciniphila作用下上調(diào)IFNγ，當(dāng)IFNγ 增長(zhǎng)時(shí)，可影響機(jī)體葡萄糖代謝能力，具體機(jī)制待進(jìn)一步明確。T 淋巴細(xì)胞作為重要的腸免疫調(diào)節(jié)細(xì)胞（IIC），是腸道菌群與糖尿病溝通的重要橋梁細(xì)胞。T淋巴細(xì)胞不僅具有調(diào)節(jié)自身免疫的作用，還能保護(hù)胰島細(xì)胞，調(diào)節(jié)糖脂代謝及改善胰島素抵抗，但并非所有的T 淋巴細(xì)胞亞群均具有改善胰島素抵抗的作用，關(guān)鍵取決于亞群之間的分化及分化間比例[24]。腸道菌群及代謝與機(jī)體免疫之間相互影響通路多，作用機(jī)制復(fù)雜，有待更多研究證實(shí)。

4 腸道菌群的研究應(yīng)用

隨機(jī)選取2 型糖尿病人群，均服用益生菌一段時(shí)間，通過(guò)終點(diǎn)時(shí)糞便標(biāo)本分析，發(fā)現(xiàn)腸道有益菌群數(shù)量較前增加，且條件致病菌比例下降，胰島素抵抗得到一定程度改善[25]。不僅口服益生菌可增加胰島素敏感性，改善糖尿病，通過(guò)調(diào)節(jié)飲食結(jié)構(gòu)、多種運(yùn)動(dòng)方式、補(bǔ)充益生元和糞便微生物移植等方式調(diào)整腸道微生物群結(jié)構(gòu)可能有助于保護(hù)腸道黏膜屏障、降低腸道炎癥反應(yīng)及調(diào)節(jié)腸道免疫，改善葡萄糖代謝和胰島素抵抗。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典口服降糖藥物阿卡波糖及二甲雙胍可能通過(guò)腸道吸收影響菌群，改善胰島素抵抗，下調(diào)血糖水平[26-27]。腸道菌群作為腸道中數(shù)量龐大的定居者，影響腸道環(huán)境，對(duì)很多重要疾病的發(fā)生及藥物治療效果具有重要作用。通過(guò)干預(yù)腸道菌群的數(shù)量及構(gòu)成，影響抗腫瘤藥物、自身免疫性疾病、消化道炎性疾病等療效的報(bào)道也不斷增加[28-30]。

5 討論

腸道菌群與2型糖尿病免疫之間的密切關(guān)聯(lián)已被廣泛研究并得到認(rèn)可，通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群以防治糖尿病的相關(guān)機(jī)制也被深入探討，糖尿病患者與健康受試人群之間的糞便菌群存在一定的差異。腸道菌種繁多，很多腸道微生物具體生物學(xué)作用尚不明確，數(shù)據(jù)龐大的無(wú)基因組數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致不同的結(jié)論，實(shí)際上飲食習(xí)慣、藥物使用、大便頻率的改變、合并其他免疫性疾病或合并胃腸道本身疾病均可影響腸道微生物的組成。同種菌群在腸道的不同部位是否扮演相同的角色，甚至起相反的作用，目前尚不清楚。因此，不能單純關(guān)注菌群的數(shù)量及比例決定某種菌群的好與壞。須明白腸道除細(xì)菌外也存在其他重要微生物，如病毒、寄生蟲(chóng)、噬菌體、真菌等，這些因素均應(yīng)被綜合考慮。相信未來(lái)在大量研究學(xué)者的不斷深入研究下，必將逐步明確其機(jī)制，造福人類。