综述 | Gut Microbes: 1型糖尿病对儿童和青少年肠道微生物组组成和功能潜力的影响:可能的机制、当前的认识和挑战

2021
08/30

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微生态
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全球青年糖尿病患病率和发病率一直在上升。




编译:微科盟如风,编辑:微科盟木木夕、江舜尧。

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导读  

全球青年糖尿病患病率和发病率一直在上升。儿童或青少年1型糖尿病(T1D)占所有确诊糖尿病病例的5-10%。新出现的证据表明,遗传因素,尤其是人类白细胞抗原区域的基因,并不是个体易患T1D的唯一因素。T1D的发病机制和发展是由遗传易感性环境因素共同驱动的。研究表明,肠道微生物群是潜在的环境影响因素之一,参与了TID的病理生理过程。肠道微生物通过改变肠道通透性调节肠道免疫分子拟态介导糖尿病的发生。与健康个体相比,T1D 患者的肠道微生物多样性分类概况功能潜力都发生了显著变化。然而,T1D的发展和发病机制中涉及的具体微生物和微生物代谢物仍需进一步研究。这将有助于开发基于微生物组的治疗策略来预防和治疗T1D。本综述着重介绍了:(1)目前对T1D与肠道微生物群之间关联的认识和知识差距,特别是关注儿童和青少年肠道微生物群的组成和功能潜力;2)肠道微生物组介导的T1D发病的可能机制;3)该领域面临的挑战和未来发展方向


 

论文ID


 

名:Impact of type 1 diabetes on the composition and functional potential of gut microbiome in children and adolescents: possible mechanisms, current knowledge, and challenges

1型糖尿病对儿童和青少年肠道微生物组组成和功能潜力的影响:可能的机制、当前的认识和挑战

期刊Gut Microbes

IF:10.245

发表时间:2021.6.8

通讯作者:Pon Velayutham Anandh Babu

通讯作者单位:美国犹他大学健康学院营养与综合生理学系


综述目录


1 引言  
2 综述策略  
3 数据提取  
4   肠道菌群在   1型糖尿病中的作用及可能机制  
4.1   肠道屏障功能障碍  
4.2   免疫和炎症功能改变  
5 T1D对肠道微生物多样性的影响  
6 T1D对肠道微生物分类学特征的影响  
6.1 门水平上的变化  
6.1.1 放线菌门  
6.1.2 拟杆菌门  
6.1.3 厚壁菌门  
6.1.4 厚壁菌门/拟杆菌门的比率  
6.1.5 变形菌门  
6.2 属水平上的变化  
6.3 种水平上的变化  
7 T1D对肠道功能潜力的影响  
8 知识差距、挑战与未来方向  

 

主要内容


1 引言
糖尿病是一种慢性渐进的自身免疫性疾病,由于疾病管理的挑战和众多相关并发症的风险,给临床和健康带来了巨大的负担。SEARCH是美国一项针对青少年糖尿病的多中心研究,旨在了解自2000年以来儿童和青少年的糖尿病患病情况。2011-2012年的研究结果表明,从2002年到2011-2012年,1型糖尿病(T1D)和2型糖尿病(T2D)的年度相对增长率分别为1.8%4.8%2015年被诊断为糖尿病的2300万人中,约有19.3万人是20岁以下的儿童和青少年。国际糖尿病联合会透露,2017年有超过100万名20岁以下的对象受到T1D的影响,每年约有8.6万名儿童被诊断为T1D。事实上,T1D发病于儿童或青少年,占所有诊断的糖尿病病例的5-10%。
 
1. 1型糖尿病对儿童和青少年肠道微生物群组成的影响


T1D是一种自身免疫性疾病,其特征是由免疫细胞介导的对胰腺中ß-细胞的破坏所引起的绝对性胰岛素缺乏。产生胰岛素的ß-细胞的丧失导致了对外源性胰岛素的终身依赖和T1D的发生。最近的研究表明,遗传因素,特别是人类白细胞抗原(HLA)区域的基因,并不是导致个人易患T1D和加速糖尿病的唯一因素。对同卵双胞胎进行的研究表明,只有一小部分具有遗传易感性的个体会发展成1型糖尿病。由于仅靠遗传易感性不足以解释T1D的发生,这种自身免疫性疾病的发病机制和发展被认为主要是由遗传易感性和环境因素共同驱动的。众所周知,肠道微生物组与宿主的免疫系统相互作用并对其产生影响,它作为T1D的潜在环境影响因素引起了人们的极大兴趣。
人体中含有数万亿的细菌、病毒和真菌微生物。人类肠道中的微生物宏基因组的累积规模比人类基因组大500倍。微生物群和哺乳动物宿主亲密的共同进化已经创造了数十万年的共生关系,有助于健康人体的多种关键生理功能,包括代谢信号、调节肠道屏障的完整性和流动性、营养功能、能量代谢、免疫系统发展和大脑功能。宿主的生活方式、饮食、年龄、性别、地理位置、遗传背景、卫生、抗生素的使用和其他医疗行为导致微生物的多样性发生广泛的改变。这些因素在改变影响免疫和代谢系统的微生物组的组成和功能方面起着关键作用,从而对T1D的风险起到积极或消极的作用。与健康人相比,糖尿病患者有不同的肠道微生物群,与肠道通透性、炎症和胰岛素抵抗的变化有关。
肠道微生物菌群失调被认为是导致糖尿病发展的主要因素之一。菌群失调的特点是肠道微生物的不平衡,这意味着微生物多样性的降低,有益微生物的丧失和/或潜在的有害微生物的扩大。研究表明,肠道菌群失调导致免疫功能失调、代谢紊乱、胰岛素抵抗、T1DT2D、肥胖症、炎症性肠病和乳糜泻。尽管最近肠道微生物组领域有所发展,但在理解儿童和青少年T1D患者的肠道微生物组方面仍然存在关键的知识差距,需要进一步研究。目前发表的关于肠道微生物组和T1D的综述文章很少,但本综述文章在很多方面与它们不同。本综述文章将重点关注:(1)在理解T1D和肠道微生物组之间的关联方面的现有认识和知识差距,特别是关注儿童和青少年肠道微生物组的组成和功能潜力;(2)可能涉及的机制;(3)挑战;以及(4)未来方向。
   
2 综述策略
我们利用PubMedCINAHL等电子数据库进行了文献检索,以确定本综述文章的研究手稿,本文章主要是确定肠道微生物组对儿童和青少年T1D的影响。在PubMed高级搜索程序中使用了以下关键词:(((“Gastrointestinal Microbiome”[Mesh] OR microbiome ORmicrobiota OR gut bacteria OR dysbiosis AND diabetes OR DM1 OR DM2))) AND Infant* OR newborn* OR new-born* OR perinat* ORneonat* OR baby OR baby* OR babies OR toddler* OR minors OR minors* OR boy ORboys OR boyhood OR girl* OR kid OR kids OR child OR child* OR children* ORschoolchild* OR schoolchild OR school child[tiab] OR school child*[tiab] ORadolescen* OR juvenil* OR youth* OR teen* OR under*age* OR pubescen* ORpediatrics[mh] OR pediatric* OR paediatric* OR peadiatric* OR school[tiab] ORschool*[tiab] OR prematur* OR preterm*)。在本综述中,我们使用了一个具有高灵敏度的有效的儿科搜索过滤器。Pubmed数据库提供了762篇论文,CINAHLE数据库提供了40篇论文。根据摘要回顾,在这802篇论文中选出231篇论文。本综述文章的纳入标准包括:(i)过去10年(2010-2020年)发表的文章,(ii)人类研究,以及(iii)年龄范围为出生至18岁。排除标准包括(i)重复的文章,(ii)评论文章,(iii)不相关的文章,以及(iv)以英语以外的语言发表的文章。根据纳入和排除标准,从231篇论文中选出25篇研究论文。这25篇研究论文调查了T1D对儿童和青少年肠道微生物组的组成和功能潜力的影响,被选入本综述文章(图1)。
 

图1.综述策略
 
3 数据提取
以下变量由两位作者独立提取:文章标题、作者、出版年份、国家、研究设计、参与者年龄、性别/种族、参与者人数、糖尿病类型(T1D/T2D)、血液参数(血糖/HbA1C)、分析技术、微生物组多样性、不同分类水平的微生物组相对丰度、短链脂肪酸(SCFA)分析、可能机制、肠道渗透性评估和功能分析(预测或实际宏基因组学)。
 
4 肠道菌群在1型糖尿病中的作用及可能机制
来自动物和人类研究的新证据表明,肠道微生物群及其产物参与了T1D的病理生理学。肠道微生物群通过改变肠道通透性、改变肠道免疫功能和分子模拟在糖尿病的发展中起着关键作用,其中微生物抗原可以通过模拟自身抗原而激活自身免疫,这是由于微生物肽和自身抗原的序列相似(图2)。
 

图2.肠道菌群失调影响1型糖尿病
 
4.1 肠道屏障功能障碍
    肠道菌群失调定义为微生物群落组成的主要转变,与重要生理功能的丧失有关。菌群失调导致对人类健康的不利影响,并与T1D的发病机制密切相关。人类和动物研究表明,肠漏T1D的进展和发展中发挥了作用。肠道完整性受损导致的肠道通透性增加,使食物抗原和免疫刺激物,如外源性抗原和微生物成分转移到循环中。这可以促进系统性炎症和自身免疫的发展,导致胰岛β细胞的破坏。肠道微生物群可以通过形成SCFAs来调节肠道的完整性。SCFAs如丁酸盐、乙酸盐和丙酸盐是在非消化性碳水化合物如膳食纤维经细菌发酵后产生的。新的证据表明,产生丁酸盐的微生物与T1D的风险呈负相关。丁酸盐在维持肠道完整性和肠道上皮细胞生长方面起着关键的作用。丁酸盐能降低肠道的通透性,抑制细菌的转移,并具有抗炎特性。它通过影响TJ蛋白的表达来调节紧密连接(TJ)的组装,TJ蛋白包括claudin2cingulinoccludinzonula occludensTJ及其相关蛋白有助于肠道紧密连接屏障的构建。事实上,肠道上皮TJ屏障的破坏在一些疾病的发展中都有报道。相反,产生丙酸盐、乙酸盐和琥珀酸盐的细菌,如拟杆菌,被证明与T1D的发展呈正相关。这些细菌可以减少TJ的组装,从而导致肠道通透性的增加,最终促进T1D相关的自身免疫。
尽管肠道微生物群调节肠道通透性和上皮屏障功能的机制仍不清楚,但较高的 Zonulin 水平是肠道完整性受损介导的代谢紊乱的机制之一。Zonulin是一种生理调节剂,是代谢紊乱中细胞间紧密连接和肠道屏障功能的基本调节剂。Zonulin是上皮细胞紧密连接的分子,能感知微生物毒素和微生物抗原,从而增加细菌转移和肠道通透性。由于细菌定植不平衡,Zonulin的产生被上调到肠道腔内。位于肠道上皮细胞表面的受体识别释放的Zonulin,并引起TJ动态的改变。这些TJ动力学的改变损害了Zonulin-1,阻断了磷酸化和细胞骨架重塑,因此TJ的解体导致肠道通透性增加。微生物组成异常、机会致病菌过多、微生物多样性降低、丁酸盐产生菌和粘蛋白降解菌减少,导致肠道屏障完整性破坏,肠道通透性增加,导致T1D发生。
只有有限的研究评估了糖尿病患儿的肠道通透性。最近的一项研究通过测量Zonulin的血浆水平来评估肠道通透性,结果显示T1D儿童的肠道通透性增加。另一项研究使用乳糖/甘露醇试验评估了T1D患者的肠道通透性,该试验涉及口服一定剂量的探针(乳糖和甘露醇)并测量其5小时后的尿液排泄量。这项研究报告表明,与健康对照组相比,患T1D风险的儿童的尿液中乳糖显著增加。这些证据表明,微生物组成的改变和肠道通透性的提高同时与T1D的前期病理状况有关。
 
4.2 免疫和炎症功能改变
肠道微生物群是哺乳动物免疫系统健康发展的一个重要组成部分。事实上,肠道微生物群在宿主免疫系统成熟中的关键作用正变得越来越明显。肠道微生物群不断引导免疫系统区分共生细菌和致病细菌,因此,致病细菌引发促炎反应,而共生细菌则引发抗炎反应。肠道微生物群促进免疫耐受的关键介质,如调节性T细胞(Tregs)的分化和扩展。肠道微生物群通过调节中性粒细胞的迁移和功能影响T细胞的分化。丁酸盐、乙酸盐和丙酸盐等SCFAs的形成是肠道微生物组调节免疫系统的一个重要机制。一旦细菌的SCFAT淋巴细胞吸收,SCFA就会通过激活G蛋白偶联受体(GPR),如GPR41/GPR43信号级联,抑制组蛋白去乙酰化酶,以及通过上调哺乳动物雷帕霉素(mTOR)复合物的活性改变代谢状态来调节T细胞的命运。T细胞免疫代谢和SCFAs之间的这种相互作用导致了粘膜Tregs的扩张、炎症级联反应的抑制、抗炎细胞因子如白细胞介素(IL-10的减少和促炎症细胞因子如干扰素IFN-γ)的增加。肠道微生物群失调由长期偏离微生物平衡引起,可能导致肠道炎症,从而发展为自身免疫。这可以通过增加炎症细胞因子(TNFαIFNγIL1βIL-6IL-17)的产生,以及微生物产物向肠粘膜和邻近器官的转移,诱导肠腔以及粘膜的促炎症环境。随后,免疫成熟的中断和自身抗原的出现导致了免疫性疾病,如T1D
 
5 T1D对肠道微生物多样性的影响
多样性是用来描述微生物群落复杂性的一种方法。它被定义为在一个确定的研究单位中物种的种类和丰度。微生物群的多样性可以用α-多样性和β-多样性的尺度来衡量。α-多样性描述为一个生境单元内的均匀性和丰富性。物种丰富度衡量群落中观察到的功能相关分类群的数量,无论其频率如何,而均匀度代表群落中类群频率比例的相似性和均衡性。β-多样性定义了微生物群落之间相似性的表达。
    肠道微生物组多样性和T1D之间的关联在文献中得到了充分的记载,尽管少数研究没有发现这种关联。在芬兰进行的一项研究显示,微生物多样性的水平随着时间的推移而减少,在患有T1D相关的自身免疫的幼儿中,T1D的发展也随之减少。在另一项研究中,从两项干预试验中招募了芬兰儿童,并将自身抗体阴性儿童的肠道微生物群组成与至少有两种糖尿病相关自身抗体的儿童进行比较。在这项研究中,与自身抗体阴性的儿童相比,自身抗体阳性的儿童的细菌多样性随着时间的推移而减少。这项研究的结果与以前的一项研究一致,该研究报告说,随着T1D的发展和年龄的增加,微生物多样性减少。另一项研究检查了33HLA匹配的婴儿,从出生到3岁,以评估T1D发展过程中肠道微生物组组成的改变。在血清转换(从血清阴性转为血清阳性)后,但在疾病诊断前发展为T1D的儿童,群落多样性明显下降。此外,与对照组相比,在T1D进展者中观察到α-多样性明显下降25%α-多样性的下降伴随着炎症相关物种的激增、代谢途径的改变以及血清转换后但在T1D发病前的促炎症环境。新的证据表明,α-多样性、β-多样性和群落丰富度在T1D与健康对照对象中是不同的。与对照组相比,糖尿病患儿的肠道微生物群的多样性和丰富性明显较低。这与另一项研究相一致,该研究报告了与健康对照组相比,T1D儿童的β-多样性聚集的不同模式。此外,T1D儿童中主要细菌群落的多样性损失程度较高,可能与自身免疫过程有关。在意大利北部进行的研究报告称,与健康对照组相比,青少年T1D患者的α-多样性较低,儿童T1D患者的多样性减少27%。上述研究报告了遗传上易患T1D的儿童和患T1D的儿童的微生物多样性明显减少。然而,少数研究没有发现T1D和微生物多样性之间存在这种联系。德国BABYDIET研究队列分析了儿童出生后3年内的粪便样本,没有发现胰岛细胞自身抗体阳性和抗胰岛细胞自身抗体阴性的儿童之间的菌群多样性有明显差异。在瑞典东南部的一项研究中,评估了HLA等位基因对人类肠道微生物组组成和多样性的影响。作者认为,考虑到风险组之间的多样性缺乏显著差异,HLA并不影响肠道微生物组的多样性。对四个地理上相距遥远的非洲和亚洲国家的研究结果表明,α-多样性和β-多样性措施在患T1D的儿童和健康对照之间没有显示出明显的差异,这与在墨西哥儿童中进行的研究结果一致。最近在澳大利亚的三个不同中心进行的前瞻性队列研究中,观察到T1D儿童、有2个或更多自身抗体的儿童、兄弟姐妹和无血缘关系的对照组之间在αβ多样性方面没有差异。
 
6 T1D对肠道微生物分类学特征的影响
肠道微生物群由微生物组成,如细菌、古细菌、真菌、酵母和病毒。细菌分类包括主要的分类等级,如门,纲,目,科,属和种。。最近的研究分析了不同分类学和群落水平的微生物概况,以确定与儿童T1D相关的特定分类群。这些研究的证据表明,在健康儿童和T1D儿童之间,不同分类水平的微生物群落存在着明显的差异。
 
6.1 门水平上的变化
放线菌门Actinobacteria,拟杆菌门Bacteroidetes,厚壁菌门Firmicutes,梭杆菌门Fusobacteria,变形菌门Proteobacteria和疣微菌门Verrucomicrobia被认为是肠道微生物的主要门类。厚壁菌门Firmicutes和拟杆菌门Bacteroidetes两个门类占肠道微生物群的90%。儿童的肠道微生物群组成以拟杆菌门Bacteroidetes和厚壁菌门Firmicutes为主,其次是放线菌门Actinobacteria和变形菌门Proteobacteria
 
6.1.1 放线菌门
放线菌门Actinobacteria是最大的细菌门类之一,是具有高鸟嘌呤+胞嘧啶(G+CDNA含量的革兰氏阳性细菌,主要以双歧杆菌属 Bifidobacterium 为代表。双歧杆菌属Bifidobacterium有助于丁酸盐的生产并抑制细菌的转移。人类研究表明,T1D患儿和健康对照组的肠道微生物组的组成是不同的。在门水平上,与健康儿童相比,T1D儿童中放线菌门 Actinobacteria 的细菌数量明显减少。然而,在芬兰进行的另一项研究报告了T1D患儿中放线菌门Actinobacteria的丰度更高。
 
6.1.2 拟杆菌门
拟杆菌门 Bacteroidetes 显示出致糖尿病的特性,属于革兰氏阴性菌。拟杆菌损害了上皮细胞的屏障功能,有利于慢性炎症的发生。特别是拟杆菌门Bacteroidetes的拟杆菌属Bacteroides细菌在T1D的发展中起着关键作用,可能是通过谷氨酸脱羧酶的产生,可能通过分子模拟引起谷氨酸脱羧酶的自身免疫。拟杆菌门Bacteroidetes获得了大量的抗生素抗性基因,因此,特别是在发达国家,抗生素使用的增加导致了细菌的过度繁殖。研究显示,随着时间的推移,在患有T1D的儿童和发展成T1D的儿童中,拟杆菌的丰度在门水平上连续增加。相反,很少有研究表明,在健康对照组儿童中发现拟杆菌的丰度较低,因为它们在T1D儿童中变得更丰富。对芬兰儿童进行的两项研究分析了对T1D具有HLA易感性的儿童的肠道微生物组成,结果发现至少有两种与糖尿病相关的自身抗体呈阳性,并与健康对照儿童相匹配。在这项研究中,自身抗体阳性的儿童在胰岛自身抗体血清转换之前、之时和之后,拟杆菌门Bacteroidetes的丰度是不同的。此外,与自身抗体阴性的儿童相比,拟杆菌在自身抗体阳性的儿童中更为常见。
 
6.1.3 厚壁菌门
厚壁菌门 Firmicutes属于革兰氏阴性菌,是人类肠道微生物群中常见的主要菌群之一。健康人的肠道微生物群以厚壁菌门Firmicutes为主。有资料显示,与患有T1D的儿童相比,健康对照组中厚壁菌门Firmicutes的比例更高。事实上,在患有T1D的儿童的微生物组组成中,厚壁菌门Firmicutes的序列表达了一种相反的模式。T1D患者的厚壁菌门Firmicutes序列会逐渐减少,而健康儿童的厚壁菌门Firmicutes序列会增加。最近的一项研究分析了四个不同群体的肠道微生物组,包括新诊断的T1D儿童、14种自身抗体检测阳性的儿童、血清阴性的一级亲属和健康对照。四个组中的厚壁菌门Firmicutes丰度不同,表明血清阳性组有一个以上的自身抗体与厚壁菌门Firmicutes丰度的改变之间可能存在联系。这些结果与在芬兰进行的另外两项研究一致。
 
6.1.4 厚壁菌门/拟杆菌门的比率
厚壁菌门Firmicutes和拟杆菌门Bacteroidetes是肠道微生物组中最丰富的类群,尽管它们在个体间存在巨大的差异和剧烈的动态变化。研究表明,健康儿童和T1D儿童之间最丰富的门类,如拟杆菌门Bacteroidetes,厚壁菌门Firmicutes和放线菌门Actinobacteria的分布比例是不同的。事实上,随着拟杆菌门Bacteroidetes丰度的下降和拟杆菌门Bacteroidetes丰度的增加,儿童会逐渐发展成自身免疫性糖尿病。人类和动物研究表明,厚壁菌与拟杆菌的比率(F/B比率)和拟杆菌与厚壁菌的比率(B/F比率)是衡量肠道微生物健康的指标。证据表明,一种以上自身抗体的血清阳性与拟杆菌门和厚壁菌门比例的改变之间存在着相关性。此外,在患T1D的儿童和健康儿童之间,F/B比率有明显的不同。研究表明,随着时间的推移,T1D患儿和最终发展为临床T1D的儿童的B/F比率明显增加,而非糖尿病儿童的B/F比率则下降。然而,在墨西哥和中国儿童中进行的两项研究没有发现T1D患儿和健康儿童的B/F比率有任何明显的差异。因此,F/BB/F比率对T1D的影响还没有很好地确定,有待进一步研究。
 
6.1.5 变形菌门
变形菌门 Proteobacteria是属于革兰氏阴性细菌的主要门类之一。评估变形菌门Proteobacteria丰度与T1D之间关系的研究报告了相互矛盾的结果。两项研究显示,变形菌门ProteobacteriaT1D之间存在明显的正相关,而其他研究报告称,与T1D相比,对照组中的变形菌门Proteobacteria丰度明显更高。一项研究没有发现健康人和T1D患者之间的变形菌门Proteobacteria的相对丰度有任何关联。
 
6.2 属水平上的变化
新的证据表明,健康人和患有T1D的儿童和青少年之间的细菌组成在属的水平上发生了重大变化。这些研究表明,患有T1D的儿童在12个菌属表现出更高的丰度,包括Escherichia, Bacteroides, Clostridium, Veillonella,Ruminococcus, Blautia, Streptococcus, Sutterella, Enterobacter, Lactobacillus, LactococcusBifidobacterium。尽管T1D患儿的肠道微生物群存在巨大的变异性,而不考虑混杂变量(地理、年龄、种族和饮食),但到目前为止,在大多数发表的研究报告中,拟杆菌属Bacteroides是主要的属。拟杆菌属Bacteroides是一种革兰氏阴性、产生醋酸盐和丙酸盐的细菌,有助于慢性炎症的发生。据推测,拟杆菌属Bacteroides会引发菌群失调、上皮细胞屏障功能失调,从而导致T1D。一项研究通过比较自身抗体阳性和自身抗体阴性的微生物组组成来调查拟杆菌属Bacteroides的作用,发现了互补的结果。调查人员显示,与健康儿童相比,自身抗体阳性的男性儿童中的拟杆菌Bacteroides丰富度增加。此外,一项研究试图确定发生抗胰岛细胞自身免疫的儿童的肠道微生物组的组成,他们在调整了混杂因素和修正了多重测试后,没有发现自身抗体阳性和自身抗体阴性的儿童之间的拟杆菌Bacteroides丰度的差异。然而,他们假设,自身抗体阳性的儿童呈现出受损的细菌网络,这可能与抗胰岛细胞自身免疫的发展有关。健康儿童的胃肠道富含Prevotela, Akkermansia, Bifidobacterium, Lachnospira和丁酸盐产生属,包括Roseburia,Anaerostipes, Faecalibacterium, Eubacterium Subdoligranulum。具体来说,PrevotelaAkkermansia在健康儿童中的丰度比患T1D的儿童分别高20倍和140倍。健康儿童的肠道微生物组中丁酸盐产生菌和黏蛋白降解菌的过量是这些菌属对肠道完整性的有益影响的指标。
 
6.3 种水平上的变化
与健康的同龄人相比,患有T1D的儿童的肠道微生物组组成在物种水平上有所改变。显然,糖尿病儿童的肠道微生物组进化落后一步,方向反常。鸟枪宏基因组学研究为肠道微生物组在物种水平上的改变提供了证据。据报道,在T1D儿童中,Bacteroides clarus, Alistipes obesi, Bifidobacterium longum, Dialister invisus, Gemella sanguinis, Bifidobacterium longum,Clostridium stercorarium, Ruminococcus gnavus Streptococcus infantarius的数量激增。一项旨在调查芬兰具有较高T1D遗传风险的儿童的肠道微生物组的发展的研究显示, Bacteroides dorei Bacteroides vulgatusT1D的主要物种。有研究认为,Bacteroidesdorei产生的脂多糖具有免疫抑制特性,通过阻止早期免疫发展而促成了T1D的发生。一项不同的研究显示了相互矛盾的结果,这被认为是由于年龄、地理区域和由甲基化模式决定的同一细菌的不同代谢功能所造成的变化。一项研究调查了至少有两种糖尿病相关的自身抗体的儿童和自身抗体阴性的儿童的肠道微生物群组成的差异,发现在物种水平上与β细胞自身免疫有关联。该研究报告称,重要的短链脂肪酸生产物种的丰度,包括Bifidobacterium adolescentis, B. Pseudocatenulatum, Faecalibacterium prausnitzii, Clostridium clostridioformeRoseburia faecis与儿童的糖尿病相关自身抗体的数量成反比,暗示四个自身抗体获得短链脂肪酸生产物种明显减少。 Clostridium clusters IV XIVa是生产丁酸的物种,在健康儿童中比糖尿病儿童中高。与此一致的是,最近在芬兰的一项研究发现,Clostridium clusters IV XIVa与完成儿童的糖尿病特异性自身抗体的数量呈负相关。一项在三个不同时间点收集粪便样本的研究显示了惊人的结果。在这项研究中,最终发展为T1D的儿童的肠道微生物组中富含mpn-isolate18组细菌、Bacteroides ovatus, Bacteroides sp. CJ78, Bacteroides thetaiotaomicronBacteroides uniformis。此外,与健康对照组相比,T1D儿童中 Bacteroides ovatus 约占总数的24%。这些发现与另一项研究相一致,该研究证实了糖尿病儿童中存在大量的Bacteroides ovatus。相反,在健康对照组中,观察到与T1D糖尿病患者相比,Bacteroides fragilis, Bacteroides. vulgatus, Eubacterium eligens, Eubacteriumrectale, Faecalibacterium prausnitzii,  人类肠道 firmicute CB47 和人类肠道 firmicute CO19菌种。在土耳其进行的一项研究表明,与健康人相比,T1D儿童的Enterobacteriaceae spp.定植增加,Bifidobacterium spp.减少。以前的研究证实了这些发现,强调了丁酸盐产生细菌在β细胞自身免疫发展中的重要性。糖尿病的环境决定因素研究(TEDDY)在六个临床研究中心进行,包括美国(科罗拉多、乔治亚/佛罗里达、华盛顿)和欧洲(芬兰、德国和瑞典)。这项前瞻性队列研究的主要目标是确定T1D的环境原因。他们收集了783名儿童三个月时的月度样本,直到他们出现胰岛自身免疫或T1D。在这项研究中,T1D儿童的Bifidobacterium pseudocatenulatum, Roseburiahominis Alistipes shahii物种的丰度较高,而健康人的Streptococcus thermophilus Lactococcuslactis的丰度较高。他们还发现不同菌种的过量存在地域差异,例如,在芬兰的T1D儿童中,Streptococcus mitis/oralis/pneumoniae的含量较高,在科罗拉多的健康人中,Streptococcus thermophilus的含量较高,而在瑞典的T1D儿童中,Bacteroides vulgatus的含量较高。最近在意大利儿童和青少年中的一项研究表明,T1D患者中的Bifidobacterium stercoris, Bacteroides intestinalis, Bacteroides cellulosilyticus Bacteroides fragilis含量过高,而在血清对照组中则是Bacteroides vulgatus。所有这些证据都证明了在研究肠道微生物组成时考虑地理位置的重要性和必要性。
 
7 T1D对肠道功能潜力的影响
我们对数量有限的研究进行了宏基因组分析,以绘制T1D患者和健康人之间的肠道微生物组的功能潜力差异。这些研究报告了T1D对代谢途径改变的影响。与T1D相比,健康人的微生物组组成在功能上更加多样化,健康对照组的功能是T1D8倍,丰度更高。细菌发酵途径涉及SCFA的产生,如丁酸盐、乙酸盐和丙酸盐。TEDDY研究中的病例对照比较显示,与T1D患者相比,健康对照组的细菌发酵途径有所增加。具体来说,L-精氨酸、腐胺、4-氨基丁酸、乙炔、l-1,2-丙二醇的降解以及参与丁酸、乙酸、丙酸和丁酸生物合成的乙酰辅酶A的发酵途径在健康对照组更为丰富。TEDDY研究的结果证实了关于SCFAs对人类T1D的保护作用的现有证据。在芬兰进行的一项研究评估了从健康对照组和出现两种自身免疫抗体的儿童身上收集的样本的代谢途径。在这项研究中,在总共3,849项功能中,两组之间观察到911项功能的差异。此外,797项功能在健康儿童中普遍存在,114项功能在出现自身免疫性抗体的儿童中更普遍。有趣的是,从出现自身免疫性抗体的儿童中收集的样本与健康对照组之间表现出不同的功能。然而,所有健康对照组表现出类似的功能。此外,作者使用京都基因和基因组百科全书(KEGG)地图确定了1,061条路径,这是一个路径映射的参考数据库。在这项分析中,166条路径在健康对照组中明显更普遍,而只有24条路径在出现自身免疫性抗体的儿童中统计上更普遍。这项研究也支持以前的研究,这些研究显示健康人的丁酸盐生产水平很高。在健康对照组中,主要的功能类别包括碳水化合物代谢、氨基酸代谢、DNA代谢、RNA代谢、细胞壁和胶囊蛋白、核苷酸和核酸、辅助因子和维生素、运动和趋化作用、氮代谢、膜运输、磷代谢、毒力和呼吸,其表达的相对丰度明显高于读数。具有自身抗体的儿童样本显示出较低的功能多样性,说明其微生物组组成中含有挑剔的细菌,这些细菌在外界环境中需要更多的营养才能生存和生长。
基于未观测状态重构的群落系统发育研究(PICRUSt)是一个生物信息学软件,它从标记基因(如16s rRNA)调查中预测宏基因组功能。以前研究中的PICRUSt分析表明,许多细菌功能在糖尿病患者与健康人中的代表性过高或过低,与他们不同的微生物组组成有关。在意大利儿童和青少年T1D患者中,预测与葡萄糖代谢和铁复合物水平有关的途径出现了障碍。另一项研究预测,与健康对照组相比,T1D组中与能量和碳水化合物代谢途径有关的基因丰度下降了。然而,与脂质代谢和氨基酸代谢、LPS生物合成、花生四烯酸代谢、ATP结合盒运输、抗原处理和呈现以及与炎症和免疫反应有关的趋化因子信号通路相关的基因在T1D中的代表性过高。此外,这项研究表明,在T1D患者中,LPS、促炎症细胞因子(IL-1βIL-6TNF-α)明显增加,抗炎症细胞因子(IL-10IL-13)明显减少。这种情况加上抗炎细菌的丰度较低,促进了T1D患者上皮细胞完整性的失调和自身免疫反应。
 
8 知识差距、挑战与未来方向 
肠道菌群失调与许多疾病有关,了解肠道微生物组的组成应该是预防和治疗糖尿病等代谢性疾病的重点之一。尽管最近在肠道微生物组领域有所发展,但在了解肠道微生物组在T1D中的作用方面仍有很大的知识差距,尤其是在儿童和青少年中。此外,在一些研究中报道的T1D中肠道微生物的多样性和相对丰度的改变并不一致(表1)。这可能是由于一些可能影响微生物组数据的因素,包括但不限于参与者(地理位置、年龄、性别、饮食模式、身体活动、T1D的严重程度等)、用于收集样本的方法、DNA分离方法、微生物分析方法(16S rRNA基因扩增和鸟枪宏基因组学)以及用于分析的生物信息学工具。因此,在未来的研究中应考虑这些因素。
未来的研究应该集中在了解肠道微生物和T1D之间的关系的新方法,并开发基于微生物的治疗策略,以预防和治疗糖尿病:(1)基于目前的知识,确定肠道微生物群的改变是否是T1D的原因和/或后果是具有挑战性的。如前所述,一项研究评估了HLA匹配的婴儿从出生到3岁的情况,以确定T1D发展过程中肠道微生物群组成的改变。这种类型的研究应该扩大,以确定肠道微生物群的改变是否是T1D的原因或后果;(2)有证据表明,微生物代谢物如SCFAs可调节T1D的发展或预防。除SCFAs外,肠道微生物还介导一些代谢物的产生。未来的研究应着重于确定这些微生物代谢物对T1D的影响和涉及的分子机制;(3)目前关于肠道微生物组的功能潜力和肠道微生物群在物种水平上的知识在T1D中是有限的。通过使用最新的高通量测序技术(如鸟枪宏基因组学技术),确定物种水平的肠道微生物群组成和确定肠道微生物群的功能潜力非常重要;(4)识别参与T1D发病机制的特定微生物也将导致在遗传上易感的儿童中早期发现T1D;(5)新的证据表明,肠道病毒群在T1D中的作用,但研究是有限的。关注T1D和肠道微生物的研究应包括病毒群分析;(6)肠道微生物组的组成和功能潜力被许多因素广泛改变,包括饮食、年龄、性别、地理位置、遗传背景、卫生、抗生素使用和其他医疗行为。在分析数据时应考虑这些因素,因为它们可能会影响微生物组数据的结果。此外,未来的研究应考虑控制可能的实验变量;(7)地理位置对肠道微生物组的改变有很大影响。了解特定地理位置的肠道微生物组的组成,对于开发基于地理位置的微生物组的治疗策略是必要的;(8)确定饮食和体育活动对肠道微生物组的影响,对开发基于微生物组的治疗策略也很重要;(9)最后,未来的干预研究应该集中在含有益生菌和/或益生元的饮食上,以防止T1D的发展。这可以制定发展有效的基于微生物的策略,以补充现有的治疗和/或预防儿童和青少年糖尿病的传统疗法。



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关键词:
微生物群,厚壁菌门,糖尿病,肠道,细菌,研究

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