肠道菌群与1型糖尿病

·综述·肠道菌群与1型糖尿病

姚旻赵爱源李红涛

近年来关于肠道菌群与人类健康及疾病的关系受到越来越多的关注。随着各种分子生物学技术在肠道微生物群落研究中的广泛应用，发现肠道菌群不仅能降解食物中不可消化的营养成分、提供宿主维生素等营养物质，还能促进肠上皮细胞的分化与成熟、激活肠道免疫系统、抵御外源微生物侵入、维护肠道的屏障功能、以及调节宿主能量存贮与代谢。大量研究还表明肠道菌群结构及功能紊乱与多种代谢性疾病具有密切关系[1-2]。1型糖尿病（T1DM）是儿童和青少年较常发生的代谢性疾病，既往认为其发病机制与自身免疫缺陷、遗传缺陷或病毒感染有关，近年来也有研究发现肠道菌群与T1DM有着密切的关系。本文就肠道菌群与

T1DM关系的研究进展进行综述。

一、肠道菌群研究进展概述

人体的肠道内生活着大量的微生物，几千年来人类与这些微生物通过彼此间协同进化形成互惠互利的共生复合体。饮食结构、运动、药物、应激、甚至分娩方式和进餐次数等各种引起人体内、外环境改变的因素均会导致肠道菌群谱发生相应变化，进而影响人体健康。1886年，有学者首次发现了大肠杆菌及其对消化的作用，进一步胃肠道黏膜中微生物显微图像的发现，使科学家们开始了对肠道微生物与人体健康关系的探索。1992年，Bocci[3]首次提出肠道微生物菌群是“被忽略的人体器官”，人们逐步意识到肠道微生物作为一个整体对宿主生理病理的重要性。2004年Gordon主持的系列研究首次表明:肠道菌群作为一种“内化了的环境因子”，可以直接调控机体的脂肪合成与存储相关基因的表达[4]，开启了肠道菌群与肥胖、糖尿病等代谢性疾病的研究热潮。

2007年，美国国立卫生研究院启动了“人类微生物组计划”（HMP）[5]。2008年，欧盟启动了肠道元基因组第七框架项目（MetaHIT），目的是研究人类肠道中的所有微生物群落，了解人肠道中细菌的物种分布，最终为研究肠道微生物与人类肥胖、糖尿病、肠炎等疾病的关系提供重要的理论依据[6]。随后各国纷纷为微生物组学的研究设立了专项计划，对肠道微生物的重视达到了空前的高度。目前在T1DM患者中已经开展了肠道元基因组学的研究，为肠道菌群与自身免疫性糖尿病的关系探索及后续研究工作提供了良好工具和大量信息[7]。本文要点

•肠道菌群结构及功能紊乱与多种代谢性疾病具有密切关系，其影响1型糖尿病（T1DM）发病的可能机制包括扰乱肠道免疫应答及破坏肠黏膜屏障

•大量动物研究和人群研究均发现肠道菌群与宿主之间的

相互作用可能是影响T1DM易感性的重要因素•目前在T1DM患者中开展的多项肠道元基因组学研究表

明T1DM人群的肠道菌群发生了显著变化，表现为有益菌比例降低及菌种多样性的减少，药物治疗在改善病情的同时使肠道菌群结构及功能趋于正常

•利用食物、药物等方法改变肠道菌群结构及功能，或通过持续监测宿主肠道菌群变化了解宿主自身免疫功能，提供更有效的生物学标志物来检测T1DM的发生，可能是今后T1DM防治领域重要手段之一

二、肠道菌群影响T1DM发病的可能机制

目前已有大量国内外研究关注肠道菌群影响2型糖尿病的发病机制[8]，而对其影响T1DM的研究相对较少。T1DM的发病机制是在遗传易感性的基础上，由环境因素启动，T淋巴细胞介导的以胰岛β细胞损伤为主要特征的器官特异性自身免疫性疾病。肠道是人体内最大的免疫器官，肠道微生物与宿主在肠道黏膜表面的交流促进了免疫系统的建立和发展，同时肠道菌群也是有效抵御外源微生物侵入并在肠道中定植的重要屏障。肠道菌群影响T1DM的可能机制包括扰乱肠道免疫应答及破坏肠黏膜屏障[9]。

人类胎儿期肠道粪便为无菌状态，从出生开始就通过接触母亲的产道、母乳喂养等方式获得肠道菌群。在出生后1年中，个体肠道菌群随饮食结构、抗生素使用等因素逐渐塑形，在1～2岁间，肠道菌落基本形成，并在一生中保持相对稳定。在生命早期，肠道相关淋巴组织和肠道菌群之间的相互作用对肠道黏膜和系统免疫调节环路的发育至关重要。在成年期，通过宿主和肠道细菌之间的持续相互作用，免疫力不断重塑。有报道表明肠道微生物能调控宿主肠道中T细胞群的生成[10]，而肠道微生物的失调则会导致机体免疫系统的异常，已有研究表明肠道微生态环境紊乱会导致全身免疫系统过度活跃[11]。许多研究关注到肠道菌群对T1DM的影响作用很可能是通过肠的吸收或免疫应答作用生效的[12-13]。

研究发现BB-DP大鼠发生T1DM前，其肠黏膜的通透性增高，同时肠道上皮紧密连接处的主要连接蛋白claudins水平降低[14]。一项人群研究发现在T1DM不同时期，患者的肠道通透性已经发生了异常变化[15]。肠道菌群紊乱通过破坏

DOI:10.3760/cma.j.issn.1674-5809.2015.02.011

作者单位：300252武警天津总队医院内二科（姚旻、李红涛）；武警后勤学院科研部（赵爱源）

通信作者：李红涛，Email：hongtlee@

肠黏膜屏障，使脂多糖（LPS）入血。LPS是存在于革兰阴性菌细胞壁的一种内毒素，是革兰阴性菌感染时激活机体固有免疫系统，启动炎症反应的主要成分。LPS与血中的LPS结合蛋白结合输送，在骨骼肌和脂肪等外周组织结合CD14和Toll样受体4，在脂肪组织引起巨噬细胞聚集，导致炎症因子释放。因此肠壁通透性增加诱发局部和全身炎症反应可能是自身免疫性疾病包括T1DM的发病机制。

三、动物研究中肠道菌群与T1DM关系

早在1987年，就有学者通过动物实验首次提出自身免疫性糖尿病的发生发展可能与肠道菌群有关。Brugman等[16]发现，自发性糖尿病倾向大鼠中患病大鼠肠道拟杆菌属数量比未患病大鼠多，抗生素预处理能够降低T1DM的发病率。也有研究发现无菌饲养环境虽然没有导致非肥胖型糖尿病（NOD）小鼠自身免疫性糖尿病的发病率增加，但是却促进了胰岛炎的发展[17]。此后研究人员发现NOD小鼠中

T1DM发生率不仅受到动物饲养房的微生物环境的影响，也受到微生物刺激因子的影响。髓样分化因子（MyD88）是识别微生物刺激的先天性免疫受体的一个关键接头分子，缺乏MyD88的清洁级NOD小鼠不发生T1DM。但是用抗生素处理变成无菌小鼠后，患T1DM的风险显著增加。进一步研究发现如果给这种缺陷小鼠接种类似人类肠道正常菌群组成的微生物混合物，可以改变肠道菌群的构成，同时显著减少糖尿病的发生[18]。该研究组后续工作发现移植来自MyD88缺陷小鼠的肠道菌群，可以导致小鼠肠道毛旋菌科和梭菌科数量上升而乳杆菌科数量降低，研究者推测能否通过改变肠道菌群构成从而延缓T1DM的发生[19]。早期研究表明无谷蛋白食物具有预防T1DM的功效，研究者发现这种食物会显著减少NOD小鼠盲肠细菌的数目，而菌群生理活性的改变可能与糖尿病发生率的降低有关[20]。近期一项研究表明与正常膳食组相比，NOD小鼠在妊娠及泌乳期食用无谷蛋白膳食其后代的T1DM及胰岛炎的发生率低，推测可能是由于膳食引起了母鼠肠道菌群改变，进而引起了肠道和胰腺的促炎症免疫环境的改变[21]。这些动物研究证据表明，肠道菌群与宿主之间的相互作用可能是影响T1DM易感性的重要因素。

四、人群研究中肠道菌群与T1DM关系

在动物模型中关于肠道菌群和T1DM的关系研究较多，而在人群研究中尚缺乏大样本量的观察。芬兰一项研究对8名尚未发生自身免疫性糖尿病儿童的粪便菌群进行了动态观察，这些同龄儿童具有相同的人类白细胞抗原（HLA）基因型。研究者分别从门、纲、目、科、属、种水平分析发现最终发展为T1DM儿童的肠道菌群与对照组有明显差异，并且患病组菌群多样性低、稳定性差，这种异常可能与自身免疫性糖尿病的发病有关[22]。近期一项研究纳入了18例至少两种糖尿病自身抗体阳性的儿童，这些儿童已经表现出进展性β细胞自身免疫损害，通过年龄、性别、HLA遗传型、喂养史配对后同时纳入18名抗体阴性儿童。经比较发现抗体阳性儿童较阴性儿童的肠道拟杆菌数量增加而双歧杆菌属的两种主要菌种数量则明显降低，并且抗体阳性儿童肠道中产乳酸盐及丁酸盐细菌丰度降低与胰岛β细胞自身免疫呈正相关。研究者指出双歧杆菌及产丁酸盐细菌数量的减少可能与肠道屏障功能破坏及炎症有关[23]。Murri 等[24]首次报道T1DM人群肠道菌群构成与健康人群不同。通过研究16例T1DM患儿及16名健康儿童的粪便菌群发现两组肠道菌群的双歧杆菌属、乳杆菌属、梭菌属以及厚壁菌门与乳杆菌门比值有明显差异。并且糖尿病患儿肠道中与保持肠道完整性相关的产丁酸盐细菌（如乳杆菌属及双歧杆菌属）数量明显下降；同时发现双歧杆菌属、乳杆菌属的数量及厚壁菌门与乳杆菌门比值与血糖水平呈负相关，而梭菌属的数量与血糖水平呈正相关。在墨西哥的一项人群研究中发现，新发T1DM患儿肠道中拟杆菌属增多，与正常对照组相比，普里沃菌属、巨单孢菌、氨基酸球菌属比例明显下降。应用胰岛素治疗2年后T1DM患儿肠道菌群丰度则介于新发糖尿病患儿和正常对照组之间[25]。这些研究都表明T1DM人群的肠道菌群发生了显著变化，表现为有益菌比例降低及菌种多样性的减少。甚至在HLA基因型相同的人群中疾病发生的差异与肠道菌群结构及功能变化有关，药物治疗在改善病情的同时使肠道菌群结构及功能趋于正常。因而肠道菌群可能参与了自身免疫性糖尿病的发生。

五、干预肠道菌群防治T1DM展望

通过对肠道菌群和糖尿病关系的研究不断开展，有学者提出干预肠道菌群可能是今后糖尿病等代谢性疾病防治领域重要手段之一。有研究发现给小鼠喂食特殊种类的梭菌属，可提高肠道黏膜的免疫耐受，抵抗结肠炎的发生及免疫球蛋白E介导的超敏反应[26]。Anderson等[27]研究发现乳酸菌可通过提高紧密连接相关蛋白基因的表达保护肠道屏障。Shin等[28]研究发现给高脂饲养的小鼠口服

Akkermansia菌，可获得与二甲双胍相似的改善糖代谢及降低脂肪组织炎症的作用。还有研究发现通过调节NOD小鼠肠道菌群可以预防T1DM的发生[29]。人群研究多集中于应用膳食、补充益生菌，甚至肠菌移植来改变肠道菌群结构及功能从而改善代谢综合征、肥胖及2型糖尿病的胰岛素抵抗和高血糖水平，目前尚未检索到通过干预肠道菌群防治T1DM的临床人群研究。有学者提出能否通过持续监测宿主肠道菌群结构及功能的变化了解宿主在不同阶段的自身免疫功能，从而提供更有效的生物学标志物来检测T1DM 的发生，而不仅仅只依赖于传统的β细胞自身抗体检测[30]。还有观点提出能否利用膳食干预、应用针对特异菌群的抗生素或者某些肠道菌株改善代谢及调节免疫的有益作用达到防治T1DM的目的[12]。

总之，随着新型测序技术的成熟，宏基因组、宏转录组、代谢组等组学技术的开展，转基因动物及无菌动物模型的逐渐完善，将为研究肠道菌群与T1DM关系提供有力的研究手段和工具。肠道菌群结构及功能变化与T1DM发生发展的因果关系尚需要更科学的实验方法和大样本量的人群研究来论证。通过研究肠道菌群与T1DM的关系，将为该疾病的防治开辟一条崭新的道路。

参考文献

[1]Cani PD.Metabolism in2013:the gut microbiota manages host

metabolism[J].Nat Rev Endocrinol，2014,10（2）:74-76.