综述 | Annu. Rev. Med. (IF:13.739)：肠道菌群：连接饮食、葡萄糖稳态和疾病的枢纽

编译：微科盟繁星，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

导读  

2型糖尿病的发病率不断增加，全面了解该疾病的病因和潜在的治疗方式十分重要。肠道菌群会影响葡萄糖稳态和糖尿病的发展。西方饮食与代谢疾病发病率增加有关，也会影响肠道菌群，因此肠道菌群的改变可能会导致葡萄糖稳态失调。在这篇综述中，我们重点对肠道菌群调节葡萄糖的几个重要机制进行介绍，包括肠道通透性的变化、肠-脑信号传导以及细菌代谢物（如短链脂肪酸和胆汁酸）。更好地了解这些作用机制有助于研发出通过肠道菌群来改善葡萄糖稳态的新型疗法。

论文ID

原名：The Gut Microbiome: Connecting Diet, Glucose Homeostasis, and Disease

译名：肠道菌群：连接饮食、葡萄糖稳态和疾病的枢纽  

期刊：Annual Review of Medicine

IF：13.739

发表时间：2021.10.22

通讯作者：Frank A. Duca

通讯作者单位：美国亚利桑那大学

DOI号：10.1146/annurev-med-042220-012821

综述目录

1 前言

2 肠道屏障和代谢性内毒素血症

3 肠-脑轴/肠肽

4 胆汁酸

5 短链脂肪酸

6 结论

主要内容

1 前言

希波克拉底因“所有疾病始于肠道”和“让食物成为你的药”这两句名言而闻名。他对胃肠道(gastrointestinal, GI)在食物和疾病发展之间的调节作用有着非常先进的看法。虽然在伯里克利时代就有了这种前卫的观点，但直到技术进步使肠道微生物的高通量测序成为可能，人们才开始深入了解饮食和肠道菌群在肥胖和糖尿病等疾病发展过程中复杂的相互作用。

在全球范围内，2型糖尿病(type 2 diabetes,T2D)的发病率逐年增加。从1980年到2014年，2型糖尿病患者增加了近400%。同时，由于医疗费用不断增加，糖尿病成为导致死亡的主要原因之一，仅2019年就有150万人死于糖尿病。在2019年，全球糖尿病患者约有10亿成年人，因此迫切需要深入了解该疾病的病因并研究出安全有效的治疗方案。

胃肠道在代谢类疾病发展过程中发挥重要作用。有趣的是，减肥手术和肠道相关的治疗方法【如胰高血糖素样肽1(glucagon-like peptide 1, GLP-1)受体激动剂或二肽基肽酶IV抑制剂】已成为治疗T2D的良好选择。这些治疗方法和不断积累的研究均表明，胃肠道在代谢类疾病治疗中发挥核心作用。例如，最初人们认为T2D最常用的处方药-二甲双胍是通过直接靶向作用于肝脏来减少肝脏葡萄糖的产生，但最近研究发现二甲双胍是全部或部分通过作用于肠道和肠道菌群发挥作用。研究发现，糖尿病与肠道菌群和肠道微生物基因组的变化有关，也与肠道代谢物有关。因此，肠道菌群可能在饮食改变宿主表型过程中起到枢纽的作用，即微生物通过分解饮食产生代谢产物进而影响全身代谢。在这篇综述中，我们探讨了肠道菌群对宿主葡萄糖稳态影响的作用机制，即通过改变肠道菌群或调节饮食来影响代谢产物进而影响宿主葡萄糖稳态；研究了以高脂、高糖和低纤维为特征的西方饮食对代谢疾病和肠道菌群的影响；讨论了高脂饮食(high-fat diet, HFD)如何通过影响远端肠道菌群来增加肠道通透性进而导致宿主产生代谢性内毒素血症；探讨了小肠微生物对葡萄糖稳态营养感应机制的影响。最后，我们总结了两种影响能量稳态的细菌衍生代谢物：胆汁酸和短链脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFAs)。更好地了解这些潜在机制有助于研发出可改善葡萄糖稳态的肠道靶向疗法，下文将对这些机制进行讨论。

2 肠道屏障和代谢性内毒素血症

肠道屏障是防止肠道中的细菌和病原体进入人体的关键，因此受到高度调控。然而，当肠道菌群失调后，肠道通透性会增加，进而导致细菌内毒素【主要是脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)】易位增加。LPS可以通过Toll样受体4激活先天免疫系统，后者使NFκB易位进而增加促炎细胞因子的表达。与健康个体相比，患有肥胖症、T2D和胰岛素抵抗个体的血浆LPS水平升高。这种代谢性内毒素血症的增加会使全身处于低度炎症状态，进而加剧胰岛素抵抗、高血糖和高胰岛素血症。肠道通透性增加与HFD喂养期间肠道菌群的变化有关。研究发现，HFD喂养小鼠的肠道通透性、循环LPS和炎症细胞因子均增加，且表现出葡萄糖不耐受。抗生素治疗可逆转肠道菌群失调，并抑制代谢性内毒素血症和葡萄糖失调的恶化。此外，将LPS直接注入体内循环，模拟HFD喂养期间观察到的情况，发现LPS会破坏葡萄糖稳态。因此，HFD导致的肠道菌群改变可能会增加肠道通透性，并通过代谢性内毒素血症进一步加剧葡萄糖稳态的恶化（图1）。所以，通过调节肠道菌群保持肠道屏障完整性可以作为糖尿病的无创疗法之一。

图1 肠道菌群对葡萄糖稳态影响的潜在机制。

肠道菌群在葡萄糖调节中发挥作用。肠道菌群的变化会损害肠道屏障，导致LPS增加并加剧代谢性内毒素血症。嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila）可逆转肠道屏障损伤。小肠肠道菌群可改变营养感知机制，通过EECs释放肠道肽来降低肝脏葡萄糖的产生。小肠肠道菌群可激活FXR，从而改变调节葡萄糖产生、FGF15/19表达和神经酰胺合成的营养感知机制。胆汁酸可以激活TGR5从而诱导释放肠道肽，胆汁酸也可进入肝脏循环中靶向作用于肝脏FXR。SCFAs可激活FFAR2从而释放肠道肽并抑制肝脏葡萄糖生成。 缩写：ARC，弓状核；BSH，胆盐水解酶；CCK，胆囊收缩素；EEC，肠内分泌细胞；FFAR，游离脂肪酸受体；FGF，成纤维细胞生长因子；FXR，法尼醇X受体；GLP-1，胰高血糖素样肽1；LPS，脂多糖；NTS，孤束核；PYY，肽YY；SBA，次级胆汁酸；SCFA，短链脂肪酸；TGR5，武田G蛋白偶联受体5。

摄入益生元或不易消化的食物成分会改变肠道菌群并为宿主带来健康益处。菊粉型果聚糖(inulin-typefructans, ITFs)是一类益生元。其中，最常见的是菊粉、低聚果糖和果类低聚糖。ITFs可改善HFD喂养和患有糖尿病的啮齿动物的胰岛素敏感性和宿主葡萄糖稳态。这些代谢状况的改善与肠道菌群的变化有关，最显著的是嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila）和双歧杆菌（Bifidobacterium species）的增加与肠道通透性的降低以及代谢性内毒素血症的改善有关。临床试验与啮齿动物的研究结论一致：ITF可改善人体葡萄糖稳态的标志物，且与循环LPS和炎症标志物的减少有关。此外，嗜黏蛋白阿克曼菌（A. muciniphila）与葡萄糖稳态和肠道屏障损害均呈负相关。最近的研究表明直接使用嗜黏蛋白阿克曼菌（A. muciniphila）可改善代谢类疾病。嗜黏蛋白阿克曼菌（A. muciniphila）丰度增加可增加粘液层厚度并降低肠道通透性。Cani等人研究发现，给予活的嗜黏蛋白阿克曼菌（A. muciniphila）或巴氏杀菌但非热灭活的嗜黏蛋白阿克曼菌（A. muciniphila）可改善小鼠在HFD喂养期间粘液层厚度减少，并改善小鼠血糖控制能力。由于巴氏杀菌会使细菌失活但不会使蛋白质变性，因此作者继续研究了在HFD喂养期间，嗜黏蛋白阿克曼菌（A. muciniphila）的膜蛋白Amuc_1100（可激活Toll样受体2）对肠道屏障和葡萄糖调节的改善作用。与啮齿动物的体内研究结果一致，早期的临床研究也表明，与安慰剂组相比，巴氏杀菌的嗜黏蛋白阿克曼菌（A. muciniphila）降低了代谢综合征患者的循环LPS并提高了胰岛素敏感性。总而言之，上述研究充分证明了嗜黏蛋白阿克曼菌（A. muciniphila）在调节葡萄糖稳态方面的积极作用（图1）。在前人研究的基础上，进一步探究肠道细菌和饮食与内分泌之间的关系有助于肠道靶向疗法的研发。

3 肠-脑轴/肠肽

肠-脑轴是一个涉及神经、免疫和激素信号传导的双向轴。本综述讨论了胃肠道对摄入营养物质的感知和响应，还探讨了胃肠道通过激活信号通路来通知中枢神经系统(central nervous system, CNS)进食的机制。实际上，预吸收营养素会触发负反馈调节来控制食物摄入。肠内分泌细胞(enteroendocrine cells, EECs)是分布在肠上皮上的具有高度分化的神经内分泌细胞。碳水化合物、脂质和蛋白质都可激活EECs，使其去极化并释放GLP-1、YY肽(peptide YY, PYY)和胆囊收缩素(cholecystokinin, CCK)等肠道肽。这些肠道肽可局部作用于外周神经系统，或以内分泌方式的直接向CNS发出信号，但其确切的作用机制仍有争议。例如，虽然一些研究表明，可调节胃肠道的迷走神经传入神经元含有肠道肽受体，如果切断迷走神经将不再抑制营养物质摄入。但最近的单细胞RNA测序结果表明，含有肠道肽受体的特定神经元不直接影响食物摄入。此外，含有肠道肽受体并连接迷走神经传入神经元的肠神经系统也可能是肠道与大脑的连接枢纽。因此，摄入的营养物质究竟如何通过激活EECs向大脑发出信号值得深入研究。

关于营养素如何激活EECs也是一大热门领域。大多数EECs直接暴露于肠腔，非常适合直接感知肠上皮顶端摄入的营养物质。这为EEC精确感知葡萄糖提供了合理的生理基础。大量证据表明，营养物质会诱导释放肠道肽，这些肽可通过肠-脑神经元轴发出信号减少食物摄入。例如，内源性肠道肽（CCK）和外源性肠道肽（GLP-1）可通过迷走神经传入信号控制食物摄入。

10多年前，我们首次证明预吸收脂质可激活小肠感应机制并影响肠-脑迷走神经轴以减少肝葡萄糖产生。研究发现，葡萄糖和蛋白质也可以激活类似的肠-脑信号通路从而减少葡萄糖的产生并影响整体葡萄糖耐量，而CCK和GLP-1受体信号通路在抑制营养素摄入中发挥枢纽作用。高血糖是T2D的标志，与肝葡萄糖生成增多等多种因素有关。HFD会损害营养感知机制。具体而言，在3天的HFD喂食期间，啮齿动物的小肠脂质和葡萄糖无法降低肝脏葡萄糖产生，这表明可调节肝葡萄糖产生的肠-脑信号通路的快速损伤可能是高血糖症和T2D的早期原因。

如上所述，HFD与肠道菌群的变化有关，肠道菌群可以促进代谢疾病的发展。然而，几乎所有研究都探究了大多数细菌所在的远端肠道菌群。相比之下，我们组的研究强调的是小肠营养感应机制在调节代谢稳态中的重要性。事实上，与远端肠道菌群类似，HFD喂养显著影响了大鼠的小肠肠道菌群，导致通常在小肠中占主导地位的乳酸杆菌（Lactobacillus）的相对丰度显著降低。将HFD喂养小鼠的小肠菌群移植到健康的啮齿动物体内后，肠道脂质在抑制肝葡萄糖生成和提高葡萄糖耐量方面失去作用。相反地，在HFD喂养期间，移植健康的小肠菌群可恢复脂质感应能力。用二甲双胍治疗HFD喂养的大鼠会对肠道菌群产生影响，主要是将乳酸杆菌（Lactobacillus）的相对丰度恢复到初始水平。此外，用益生元治疗HFD喂养小鼠也对肠道菌群有益，且与GLP-1信号传导改善相关。

胆汁酸信号传导和代谢变化也是一种重要机制，将在下一节中详细讨论。总之，这些研究表明小肠菌群是葡萄糖稳态的新型调节剂。因此，针对小肠菌群的靶向疗法值得进一步研究（图1）。

4 胆汁酸

研究发现，胆汁酸可介导小肠菌群对葡萄糖调节轴的营养感应机制。初级胆汁酸来源于肝脏中的胆固醇，可与甘氨酸或牛磺酸结合，并在餐后释放到小肠。初级胆汁酸在肠道中被含有胆盐水解酶 (bile salt hydrolase, BSH) 的肠道细菌解偶联并转化为次级胆汁酸，大部分次级胆汁酸被重吸收到门脉循环并循环回肝脏。尽管胆汁酸的主要功能是乳化不溶性脂质，但其在调节葡萄糖稳态方面的作用也逐渐得到认可。胆汁酸除了通过乳化脂质和改变酶活性【如N-酰基磷脂酰乙醇胺磷脂酶D（N-acyl phosphatidylethanolamine phospholipase D, NAPE-PLD）】来影响代谢稳态外，还可以作为信号分子激活核受体和G蛋白-偶联受体（G protein-coupled receptors, GPCRs）。肠道法尼醇X受体 (farnesoid X receptor, FXR)  可将小肠菌群和小肠营养感知机制联系起来。例如，HFD喂养会导致小肠营养感应机制丢失，并使内源性FXR激动剂-小肠牛磺鹅去氧胆酸 (taurochenodeoxycholic acid, TCDCA) 水平升高，导致肠道FXR活性增加。相比之下，通过肠道注入甘氨酸-β-鼠胆酸（FXR拮抗剂）或移植健康供体的小肠菌群可减少TCDCA进而减少肠道FXR，并可恢复HFD喂养期间小肠营养感知能力。肠道菌群可调节肠道FXR。研究发现，HFD可减少具有BSH活性的小肠乳酸杆菌（Lactobacillus species），降低胆汁酸解偶联并提高TCDCA水平。为支持这一发现，用加氏乳酸杆菌（Lactobacillus gasseri）治疗HFD喂养的大鼠发现加氏乳酸杆菌（Lactobacillus gasseri）可改善大鼠营养感知和葡萄糖稳态。总之，这些研究说明了小肠菌群、胆汁酸和FXR在葡萄糖稳态中的重要作用（图1）。

FXR对肠道营养感知机制有一定影响，但胆汁酸-FXR信号传导对葡萄糖稳态的作用仍存在争议。例如，一些研究表明Fxr-/-小鼠葡萄糖耐量和胰岛素敏感性更差。用GW4064（一种FXR激动剂）或甘氨酸-β-鼠胆酸（一种FXR拮抗剂）治疗都会改善肥胖小鼠葡萄糖稳态。这可能是因为在代谢稳态中，FXR信号可能根据作用部位（肝脏或肠道）不同而发挥着不同的作用。

虽然FXR激动剂可改善肥胖和HFD喂养小鼠的葡萄糖稳态，但灌胃四甲基哌啶会增加牛磺-β-鼠胆酸（一种FXR 拮抗剂）并减少肥胖，可能是因为四甲基哌啶可降低肠道菌群BSH表达。此外，直接灌胃甘氨酸-β-鼠胆酸（一种FXR 拮抗剂）可改善HFD喂养小鼠的肥胖和葡萄糖稳态。与这些研究结果一致，敲除肝脏FXR会加剧肥胖并导致葡萄糖稳态失衡，而敲除肠道FXR可改善HFD 喂养期间的代谢，这也说明FXR在肠道与肝脏中具有不同的作用。肠道FXR可调节参与肠道神经酰胺合成的基因，加剧脂肪肝和肝脏胰岛素抵抗（图1）。激活肠道FXR和肝脏FXR对葡萄糖稳态具有相反的影响。

除了肠道FXR信号功能复杂外，武田G蛋白偶联受体5（Takeda G protein–coupled receptor 5, TGR5，也称为GPBAR1，一种肠膜受体）也对胆汁酸有反应并可影响肠道稳态。TGR5缺失会导致代谢综合征，而激活TGR5会诱导GLP-1释放，从而增加胰岛素分泌并减少肝脏葡萄糖产生。研究表明，中枢胆汁酸-TGR5信号介导肥胖和能量稳态。有趣的是，激活肠道FXR可抑制胰高血糖素原合成并减少GLP-1释放。因此，胆汁酸池可能通过FXR和TGR5来影响GLP-1释放。

综上所述，FXR信号在葡萄糖稳态中的作用是复杂且相互矛盾的。深入了解内源性胆汁酸如何通过FXR信号传导调节代谢稳态十分重要。但是这类研究设计十分困难，因为FXR信号传导会改变胆汁酸合成，从而改变胆汁酸库，这又会影响胆汁酸活性。尽管如此，仍应该积极开发特异性FXR激动剂和拮抗剂，从而最大限度地发挥肝脏和肠道FXR以及TGR5的有益作用。最近，相关研究表明，猪胆酸是猪体内的主要胆汁酸，可通过激活TGR5和抑制FXR来激活GLP-1信号，从而改善小鼠的葡萄糖稳态。

5 短链脂肪酸

细菌代谢产生的多种代谢物都会影响宿主的生理机能。肠道细菌会产生大量 SCFAs，这些SCFAs既可以作为能量底物，也可以作为信号分子。SCFAs是厌氧肠道菌群将不易消化的碳水化合物发酵成醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐过程中的代谢副产物。事实上，高纤维饮食或补充益生元的饮食都会增加SCFAs的产生。因为SCFAs是细菌发酵的主要副产品，且代谢疾病与膳食纤维摄入减少有关，因此SCFAs的减少可能与葡萄糖失调有关。研究发现，代谢疾病与循环或粪便SCFAs的增加有关。然而，粪便和循环中的SCFAs水平无法准确代表总量。更好的评估指标是产SCFAs细菌的丰度。与健康人相比，糖尿病患者体内产丁酸盐的罗斯氏菌（Roseburia）等细菌丰度更低。最近的研究也发现增加内源性和外源性肠道SCFAs可改善宿主能量代谢和葡萄糖稳态。

SCFAs对啮齿动物的葡萄糖稳态具有有益影响，但对人体的影响尚无定论。含丁酸盐或丙酸盐的膳食补充剂可改善饮食诱导的肥胖动物的葡萄糖耐量和胰岛素敏感性。值得注意的是，在db/db遗传性肥胖型糖尿病小鼠中补充丁酸盐对HFD诱导的小鼠体重增加并没有改善作用，但对血糖和胰岛素具有改善作用，表明SCFAs对能量代谢和葡萄糖稳态的影响可能是互相独立的。相反地，醋酸盐可增加小鼠胰岛素分泌并降低葡萄糖处理能力。这一证据表明，不同的SCFA可能会产生不同的生理效应。在人体中，一些研究表明补充SCFAs对葡萄糖稳态有益，而一些研究结论相反，这可能是因为给药途径和持续时间不同。有趣的是，口服补充SCFAs对代谢综合征个体的葡萄糖稳态没有影响，但是口服补充SCFAs会改善健康个体的肝脏胰岛素敏感性。这些研究具有一定的局限性，如口服SCFAs可能会被小肠吸收，无法模拟内源性SCFAs对葡萄糖的调节机制。为了解决这个问题，研究人员研发出可将丙酸酯定点输送到结肠的菊粉丙酸酯，使其在结肠产生内源性SCFAs。研究发现，菊粉丙酸酯可改善肥胖个体的胰岛素抵抗，这可能与菊粉丙酸酯增加循环GLP-1水平有关。

SCFAs可以结合GPCRs游离脂肪酸受体2和3（free fatty acid receptors 2 and 3, FFAR2和FFAR3）。FFAR2和FFAR3共定位于包含GLP-1和/或PYY的EECs上。SCFAs可在远端肠道通过FFAR2/3介导肠道肽的释放。事实上，我们已经证明回肠丙酸盐可激活肠-脑轴以减少FFAR2介导的肝葡萄糖生成。虽然有证据表明肠道肽的分泌依赖于FFAR2而与FFAR3无关，但SCFAs的作用机制仍不明确。一项离体灌注结肠研究发现，SCFAs的种类和给药方式都会对GLP-1的分泌产生影响，其中，血管给药比管腔给药影响更大。目前的证据可表明，SCFAs是治疗代谢性疾病的可行性选择（图1）。

结论

本综述总结了连接肠道菌群和葡萄糖稳态的重要机制。虽然本文的探讨并不详尽，且关于饮食和肠道菌群究竟如何影响代谢稳态有很多不同的观点，但本文对治疗葡萄糖失调的方法进行了探讨，如通过靶向作用于胆汁酸信号通路来治疗糖尿病。胆汁酸螯合剂可通过与肠道胆汁酸结合来抑制胆汁酸活性，最初用于治疗低胆固醇血症，也可以用于T2D的治疗。多项临床研究发现，胆汁酸螯合剂可改善糖尿病个体的血糖控制能力。肠道菌群十分复杂且具有个体差异，因此，肠道菌群和代谢组的情况对基于肠道菌群和代谢组的治疗方法至关重要。研究发现，运动是否可对血糖产生调节作用与基线肠道菌群和代谢组有关。机器学习算法能够根据患者的基线微生物特征来预测患者是否会对运动做出反应。同样，将饮食、肠道菌群和葡萄糖反应纳入机器学习算法，利用机器学习算法进行个性化的饮食干预，可改善患者葡萄糖稳态偏移。针对肠道菌群的疗法同样需要结合特异性的肠道菌群和代谢组进行个性化研究。此外，研究表明，益生菌的定植情况也与宿主基线肠道菌群有关。随着临床试验不断增加，研究人员可以整合饮食、微生物组和代谢组等多个方面，研发出可治疗代谢疾病的个性化疗法，从而最大限度地提高T2D的治疗效果。