肠道菌群作为2型糖尿病及高血糖症的防治靶点
导 读
本综述讨论了2型糖尿病患者的肠道菌群组成及功能，总结了基于改变肠道菌群（饮食、益生菌、二甲双胍、减肥手术等手段）的治疗策略，并介绍了未来可能的基于肠道菌群的降血糖手段；包括个性化营养、益生菌、鉴定益生菌的治疗性组分、靶向递送丙酸盐至近端结肠、靶向递送二甲双胍至后端肠道、粪菌移植、引入经过特殊基因改造的细菌。
论文ID
原名：The gut microbiome as a target for prevention and treatment of hyperglycaemia in type 2 diabetes: from current human evidence to future possibilities
译名：肠道菌群作为2型糖尿病及高血糖症的防治靶点：从人体实验证据到未来的可能性
期刊：Diabetologia
IF：6.023
发表时间：2017
通讯作者：Marju Orho-Melander
作者单位：Lund University
内容
越来越多的证据表明肠道微生物群在多种复杂人类疾病（包括2型糖尿病）的患病机制中起作用。微生物群与其宿主的共同进化创造了一种连贯的共生关系，指导和促进过多的基本生理功能，如能量代谢，代谢信号传导，免疫系统的形成，以及调节肠道屏障的完整性和活动性。基于PCR技术的出现，对细菌基因测序表征和定量细菌组成之后，健康和疾病中的肠道微生物群的研究产生了很大转变。与克隆，blotting和基于培养细菌的分析，测序技术能够更全面的描述细菌，同时可以研究细菌的丰度。因此，在整个综述中，术语“肠道微生物群”是指粪便微生物群。微生物组第二代测序的两种主要方法是16S rRNA基因扩增子测序和shot-gun宏基因组测序，两者都有其优点和缺点。在考虑本综述中讨论的研究结果的同时，我们希望读者注意到，除了使用的测序方法类型外，肠道微生物组分析的结果受采样和储存以及DNA提取方法的影响，方法和用于细菌序列的分类学分类管道，和生物信息学和统计学方法应用于数据集成和分析。
哪些因素会影响肠道微生物群？
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研究 |
人群 |
影响因素 |
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Population-level analysis of gut microbiome variation |
503位临床患者和健康人 |
粪便稠度，药物，饮食和健康相关的变量 |
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Population-based metagenomics analysis reveals markers for gut microbiome composition and diversity. |
1106名比利时人群 |
31种内在因子，12种疾病，19种药物组，四种吸烟类别和60种饮食因素 |
肠道微生物群在糖尿病预防和治疗中的作用
2型糖尿病和胰岛素抵抗的肠道微生物组成
Larsen等人使用主成分分析观察到2型糖尿病患者组和对照组的肠道菌群差异[1]。其他研究报告了2型糖尿病患者肠道微生物群中非依赖于BMI改变，虽然对于2型糖尿病中哪些细菌显着改变尚未达成共识，但常见的观察结果是丁酸产生菌[1-4]。最近，Forslund等人质疑肠道微生物群中2型糖尿病相关变化是否可以与常用降血糖药物诱导的变化分开[5]。他们发现，之前观察到的大部分糖尿病肠道微生物群的差异确实可以用二甲双胍治疗来解释。Forslund和他的同事发现，没有用到二甲双胍治疗的2型糖尿病的患者与非糖尿病患者相比，产生丁酸盐的细菌丰度较少。同时，他们还阐明了先前报道的2型糖尿病患者中的乳酸杆菌的增加是因为二甲双胍治疗的结果，还观察到二甲双胍治疗的个体在肠道的埃希氏菌属物种的丰度增加，表明可能导致二甲双胍的不良胃肠道作用[5]。
最近的另一项研究综合了277名丹麦非糖尿病患者的胰岛素抵抗，肠道微生物组和空腹血清代谢组数据，以研究肠道微生物组是否会影响胰岛素抵抗相关的代谢特征。具有胰岛素抵抗的个体的血清代谢组的特征在于支链氨基酸（BCAA）生物合成的可能性增加和BCAA转运至细菌细胞的可能性降低[6]。发现BCAAs与微生物来源的空腹血清代谢物紧密共存，BCAA合成由少数特定细菌物种驱动（Prevotella copri和Bacteroides vulgatus），肠道菌群可能是胰岛素抵抗升高的支链氨基酸的重要来源。
研究特定的细菌是肥胖和2型糖尿病研究的焦点，如粘液定殖的Akkermansia muciniphila。张某等人发现前驱糖尿病患者和2型糖尿病患者的A.muciniphila丰度减少，并表明这种细菌的低丰度可能是葡萄糖耐受不良的生物标志物。在双胞胎中2型糖尿病发病前，观察到A.muciniphila丰度减少[3]。
目前通过改变肠道微生物群对2型糖尿病中高血糖的预防和治疗策略
通过饮食和益生元修饰肠道微生物群
流行病学研究结果显示膳食嫌弃和2型糖尿病的发病率呈负相关，全谷物饮食已被证明能增加人的肠道菌群多样性[7,8]。在几项研究中，高纤维的摄入已显示Prevotella丰度增加。此外，Kovatcheva-Datchary等人观察到，在用大麦仁面包干预3天后，餐后葡萄糖和胰岛素反应的改善取决于参与者微生物群中P. copri的富集，并且这种富集在功能上与提高消化多糖类效率有关。
二甲双胍的治疗作用是由肠道微生物群介导的
主要的作用部位和二甲双胍的降糖作用一直存在争议。然而，现在已经证明药物的主要作用可能存在于肠道中; 观察到二甲双胍的药理作用有胆汁酸再循环和肠道微生物群的改变，导致胰高血糖素样多肽-1（GLP-1）分泌增强。此外，根据治疗方案对199名患有2型糖尿病的个体和544名无糖尿病的对照参与者进行的荟萃分析发现，二甲双胍对肠道微生物群组成具有显着影响，因此二甲双胍治疗2型糖尿病患者可能是根据肠道微生物群的成分变化确定。在功能上，二甲双胍处理个体的肠道微生物群具有增加产生丁酸盐和丙酸盐的潜力，而未经处理的参与者富含参与甘氨酸和色氨酸降解的微生物基因，以及涉及苏氨酸和精氨酸降解的基因的耗尽。这一点是因为甘氨酸与胰岛素敏感性有关，甘氨酸补充剂被认为可以治疗谷胱甘肽缺乏，并且已被证明可以改善2型糖尿病患者的胰岛素敏感性。此外，二甲双胍治疗的个体中埃希氏菌的丰度增加，功能上归因于毒力因子和与气体代谢相关的基因的富集，表明该属参与二甲双胍的肠道不良反应。因此，Forslund等人的研究表明，二甲双胍治疗和副作用背后潜在的微生物群介导机制。
给予2型糖尿病患者和健康志愿者二甲双胍治疗，该药物的延迟释放依赖于片剂肠溶衣的pH溶解; 这首先发生在远端肠道的pH6.5，其中L细胞的密度高，以最大化药物的基于肠道的机制。药代动力学和剂量范围研究表明，二甲双胍缓释片（MetDR）具有与延长释放二甲双胍相当的降糖效果，效力提高40％，因此可以使用较低剂量。与此相符，两项随机试验表明，尽管全身暴露明显较低，但MetDR可导致与即释二甲双胍相当的降糖效果。现在需要进行大规模的III期临床试验，以及对肾功能不全患者的研究，以充分阐明MetDR的有效性和安全性。此外，MetDR是否以与速释二甲双胍类似的方式影响肠道微生物群目前尚不清楚，必须进一步研究。
减肥手术改造肠道微生物群组成
减重手术使得体重迅速减少，并且许多2型糖尿病患者在手术后数天内达到正常的葡萄糖和胰岛素调节，表明BMI非依赖性效应。减肥手术导致许多重要的生理变化，包括肠道菌群组成的短期和长期变化。已经发现变形菌在操作个体的微生物群中增加，并且血浆胆汁酸的升高和胆汁酸组成的改变与微生物群的组成变化有关。减肥手术后Proteobacteria和胆汁酸的变化都被认为有助于BMI独立的手术对葡萄糖代谢的影响。然而，仍然需要确定减肥手术的许多生理效应的精确分子机制，并且这些信息是否可以导致用于治疗2型糖尿病的新型非手术干预的发展仍有待观察 。
迈向2型糖尿病的新型预防和治疗策略：肠道微生物群研究提供或启发的可能性和挑战
个性化营养，益生菌和丙酸盐的靶向递送
肠道微生物群组成的个体间差异已经显示出膳食纤维干预的个体化反应，并且已经提出将肠道微生物组成分析方法用来预测会受益于饮食干预的个体。未来的方法可以使用涉及饮食和微生物群的协同方法来预防和治疗2型糖尿病。然而，使用肠道微生物群组成作为识别将从某种饮食干预中受益的个体的策略的前瞻性随访研究必须提供该方法有效性的证据。需要研究调查习惯性膳食纤维摄入量对个体反应性（以及肠道微生物群的反应性）对益生菌干预的影响。进一步的挑战是进行大型，长期随机对照试验，以研究单一和多种益生菌菌株对血糖控制的影响，并确定它们作为降糖药物辅助药物的有用性，同时阐明这种作用可能如何介导通过肠道微生物群生态学的变化。
SCFAs对食欲控制和能量平衡有益。最近开发了一种基于菊糖丙酸酯的新型靶向递送系统，其能够在近端结肠中释放丙酸盐。这种靶向递送的丙酸盐被证明能够减少能量摄入并改善超重成人的体重增加。此外，补充菊糖 - 丙酸酯24周显着改善了急性胰岛素分泌和β细胞功能，提示增加结肠丙酸可通过升高GLP-1和肽YY浓度来改善葡萄糖代谢和通过丙酸对β细胞的长期刺激作用。
巴氏杀菌和益生菌治疗成分的鉴定
A. muciniphila在人体中的使用受到其对氧的高度敏感性及其对与人类给药不相容的基于粘液的培养基的需求的阻碍。为了克服这些障碍，在最近的一项研究中，Plovier及其同事能够生产一种非复制性巴氏灭菌的A. muciniphila制剂[38]，令人惊讶地发现它具有增强的改善肥胖和糖尿病小鼠模型中葡萄糖代谢的能力。此外，发现A. muciniphila的特定外膜蛋白Amuc_1100部分地概括了细菌的有益效果。初步人类数据表明，在处理2周后，当在合成培养基上生长时，巴氏杀菌和活细菌对人类给药都是安全的。然而，A.muciniphila制剂作为糖尿病的潜在治疗工具的功效仍有待证实。
粪便微生物群移植
粪便微生物群移植是一种将病例或对照微生物群移植到无菌小鼠中以研究粪便微生物群对独立于其他环境和微生物相互作用的影响的技术。FMT通常用于证明因果关系，然而，是否可以通过这种方法有效地确定因果关系。例如，只有一小部分人类肠道微生物能够定殖无菌小鼠的肠道，特别是许多潜在的丁酸盐产生的细菌可能转移不良。尽管如此，具有严重艰难梭菌感染的个体成功用FMT治疗的事实已经使研究人员假设健康粪便微生物群的移植可以治愈代谢疾病。 在小鼠中测试这一假设提供了有希望的结果。
在18名个体的人体研究中，患有代谢综合征的男性的接受瘦人的粪菌移植，结果显示接受者的外周胰岛素敏感性的显着改善以及粪便微生物群中产生丁酸的细菌的增加。然而，我们必须强调这项研究很小，它没有报告干预期间葡萄糖水平的数据。此外，并非所有参与者都对FMT做出了回应，再次提出了一个问题，即为什么有些人会有反应，而有些人却没有。因此，目前FMT作为改善血糖控制和/或胰岛素敏感性的治疗工具的证据非常有限。此外，这种方法仍然很新，因此，必须进行更多的研究，以探索与其对肠道微生物群调节的巨大生理功能的影响相关的潜在风险，并消除病原菌移植的威胁。
转基因微生物群
改变微生物组的一种新策略是将表达治疗因子的遗传修饰细菌掺入微生物群中。最近，经过遗传修饰以产生GLP-1的重组乳酸乳球菌菌株显示出刺激胰岛素分泌并改善小鼠的葡萄糖耐量。乳酸乳球菌被用于许多发酵食品中，并且通常被认为是安全的，尽管通过充当直接生产，分泌和递送肠促胰岛素的宿主而缺乏人类治疗糖尿病的能力的证据。对于肠道，产生IL-10的重组细菌已被证明在克罗恩病患者的I期临床试验中是安全的。小鼠中的其他研究表明，由转基因结肠细菌产生的治疗性化合物可以在肠道以外的组织中具有额外的治疗效果，例如肝脏。与野生型益生菌相比，使用遗传修饰的肠道微生物群具有明显的优点，因为它能够选择有效的“定殖者”作为载体细菌，并产生所需的治疗化合物。此外，重组细菌可以设计为响应特定的时间信号，如饮食因素。
结论
世界卫生组织预测，到2030年，2型糖尿病将成为第7大死因，迫切需要制定更有效的预防和治疗策略。胃肠道及其微生物群的代谢潜力越来越被认为是改善血糖控制和治疗2型糖尿病的有希望的目标。重要的是，最近的数据已经证明二甲双胍的降糖作用是由肠道微生物群的组成和功能的变化介导的。几种潜在的肠道靶向降糖治疗策略现在正在出现并显示出初步的希望，但需要更好地理解这些对人类影响的机制。至今，该领域的人体研究在规模上受到限制，结果往往是不确定的，难以解释。因此，为了充分阐明肠道微生物群的可修改能力及其在预防和治疗2型糖尿病中的潜力，需要进行大规模纵向和介入性研究。未来的另一个巨大挑战是个人化营养，以便在糖尿病中提供个人饮食建议，同时考虑到肠道微生物群，药物使用，遗传和相关环境因素（这里益生菌可能提供增强饮食对健康有益的机会或降血糖药）。然而，必须开发方法以使得能够实现人和微生物来源的多组学数据的整合。此外，在这一研究领域仍存在许多其他方法学挑战，从所用DNA提取方法的适当标准化，到具有未知功能的细菌基因的功能表征以及对这种复杂数据的统计和生物信息学处理的改进。因此，提高我们对肠道微生物群在2型糖尿病中的作用的认识，并利用这些知识为2型糖尿病的治疗和管理提供个性化的医学方法，这可能需要长期艰苦的工作。
参考文献
1. LarsenN, Vogensen FK, van den Berg FW, et al. Gut microbiota in human adults withtype 2 diabetes differs from non-diabetic adults. PloS one. 2010;5(2): e9085.
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8. MartinezI, Lattimer JM, Hubach KL, et al. Gut microbiome composition is linked to wholegrain-induced immunological improvements. The ISME journal. 2013;7(2): 269-280.