聚焦：4个故事一览糖尿病与肠道菌群的研究进展

这是《肠道产业》第 373 篇文章

编者按：

近年来，肠道菌群与糖尿病的研究如火如荼，科研人员逐渐揭开了肠道菌群与糖尿病之间的关联。

那么肠道菌群和 2 型糖尿病之间的联系到底是怎么样的？谁是因，谁是果？肠道菌群可以用来预测、预防、治疗 2 型糖尿病吗？益生菌对于 2 型糖尿病有作用吗？

今天，我们特别关注肠道菌群与 2 型糖尿病的研究进展，希望本文能够为相关的产业人士和各位读者带来一些启发与帮助。

肠道菌群与2型糖尿病的联系

根据世界卫生组织的数据，仅 2016 年一年，全世界就有大约 160 万人死于糖尿病。除了家族史、久坐不动的生活方式和饮食之外，越来越多的证据表明，肠道菌群在 2 型糖尿病的发展中发挥了重要作用。

然而，尽管如此，科学界目前仍对不同的微生物在这种疾病发展中所起的作用缺乏共识。

为了解决这个问题，2020 年 1 月，美国俄勒冈州立大学的研究人员发表了一篇系统性综述，回顾了 42 项关于菌群与 2 型糖尿病的人类研究¹。这篇综述发表于 EBioMedicine 杂志上。

该综述的结果表明，一些细菌在属水平上，与 2 型糖尿病的存在与否有着一定的联系。例如，五个不同的菌属：拟杆菌属、罗斯氏菌属、粪杆菌属、Akk 菌属和双歧杆菌都与 2 型糖尿病有关。

而且，研究已经表明肠道菌群中的某些菌种能引起葡萄糖代谢的变化——直接影响糖的消化吸收，或者间接影响控制消化过程的激素的产生，从而影响 2 型糖尿病的进展。

例如，乳双歧杆菌（Bifidobacterium lactis）会导致糖原（葡萄糖在体内储存的主要形式）合成的增加，同时也会增加葡萄糖的吸收，从而降低血糖水平²。

肠道菌群也会影响肠道的屏障功能。2 型糖尿病会造成肠道通透性增加，导致肠道菌群的代谢产物，如脂多糖，穿过肠道屏障进入血液。血液中的脂多糖会在体内造成慢性的长期炎症。

研究发现，两种细菌——普通类杆菌（B. vulgatus）和多雷拟杆菌（B.dorei）可以上调参与维持肠道屏障功能的基因，从而降低肠道通透性³。

肠道菌群还会影响治疗糖尿病的药物的活性。

最近的一项研究表明，益生菌动物双歧杆菌（B.animalis）与益生元聚葡萄糖和西格列汀（一种糖尿病药物）联用，可以有效降低几种糖尿病相关参数⁴。也有迹象表明，二甲双胍和西格列汀与益生元多糖联用，比单独使用更能降低高血糖水平⁵。

因此，这就引出了一个问题：既然肠道菌群与 2 型糖尿病之间有那么多的关联，那么肠道菌群是否是导致 2 型糖尿病的原因之一呢？

故事1

谁是因谁是果？

格罗宁根大学医学中心以及牛津大学的科学家们利用孟德尔随机化方法，阐明了肠道菌群与葡萄糖代谢的因果关系。他们的研究结果发表在了 Nature 杂志上⁶。

格罗宁根大学医学中心的助理教授 Serena Sanna 说：“所有微生物组研究都只将某些菌种与某一种表型联系起来，比如肥胖。但其中的因果关系尚未得到证实。”

目前的问题是，菌群会影响宿主健康，但宿主健康也会影响菌群。Sanna 说：“这些相关性可能只是统计上的相关。”所以她要找到一种方法来证明肠道菌群和某些表型之间的因果关系。

在这项新的研究中，她和她的同事，包括来自牛津大学的糖尿病研究带头人 Mark I. McCarthy、Natalie R. van Zuydam 和 Anubha Mahajan，表明了：在葡萄糖耐量实验中，菌群的特定变化会导致胰岛素分泌增加，并且与患 2 型糖尿病的风险有关。

Sanna 和她的同事们首先分析了 Dutch LifeLines DEEP 队列研究中近千名参与者的遗传学和微生物组学数据。

“我们寻找了与葡萄糖代谢和肥胖（2 型糖尿病的危险因素）相关的菌群特征，比如细菌种类或细菌数量在肠道中的变化。”Sanna 解释道。

下一步是确定因果关系，他们利用了一种叫做孟德尔随机化的技术。他们提出了两个假设：一、菌群的特征变化可能直接影响葡萄糖代谢；二、紊乱的葡萄糖代谢可能影响了菌群的组成。

为了验证这两个假设，科学家们首先检验了宿主中哪些基因变异可以预测这些菌群特征。

然后，他们观察了不同欧洲队列研究的参与者（包括英国的大型 Biobank 研究，该研究招募了 500,000 名参与者），这些研究收集了大量的宿主遗传学数据。

根据预测每一种菌群特征的基因变异，Sanna 和同事们对这些参与者进行了分组，并观察了各组间的葡萄糖代谢效率是否存在差异。结果发现，组间的一些菌群特征导致了不同的葡萄糖代谢反应。

相反，当根据与葡萄糖代谢参数相关的基因变异对 Dutch LifeLines DEEP 研究的参与者进行分组时，组间的菌群特征并没有差异。

以上结果说明了：菌群特征决定了患 2 型糖尿病的风险，而不是葡萄糖代谢紊乱影响了菌群的组成。

在这些菌群特征中，较为突出的一个特征是，肠道中丁酸生成途径的增加。

Sanna 说：“这一途径主要由肠道中的两种细菌进行，直肠真杆菌（Eubacterium rectale）和肠道罗斯拜瑞氏菌（Roseburia intestinalis）。在遗传上，倾向于拥有高丰度的这两种菌的个体，在葡萄糖耐量实验中，更容易出现胰岛素分泌增加。而胰岛素分泌增加可降低患糖尿病的风险。”

丁酸是一种由细菌发酵产生的短链脂肪酸。之前的许多研究已经指出，丁酸有抗糖尿病的作用。

另一种短链脂肪酸丙酸也与糖尿病风险相关：粪便中的丙酸浓度越高，患糖尿病的风险也就越高。

Sanna 说：“由于这些短链脂肪酸通常是对人体有益的，上述这种情况可能意味着肠道在吸收丙酸的过程中出现了一些问题——因此更多的丙酸最终进入粪便，较少进入血液。”

上述结果表明，Sanna 和她的同事使用的分析技术是有效的：证明了菌群的组成（产生丁酸盐的细菌的数量）与患 2 型糖尿病的风险之间存在因果关系。

故事2

肠道菌群预测运动对糖尿病的效果？

肠道菌群不仅与患糖尿病的风险有因果关系，还可以用来预测运动是否能够预防糖尿病。香港大学的徐爱民教授说，虽然糖尿病目前没有治愈方法，但早期的生活方式干预是可以预防糖尿病的。

“运动是预防糖尿病最廉价、高效的策略，”他说，“然而，有些人对运动的反应并不乐观。”

为了搞清楚个中原由，徐和他的同事研究了运动对 39 名糖尿病前期的男性肠道菌群和代谢的影响⁷。糖尿病前期指的是：血糖水平高于正常水平，但不足以诊断为糖尿病。

这些参与者从未服用过糖尿病药物，他们被随机分配到久坐对照组或接受为期三个月高强度、有监督的运动组。除了运动以外，其他因素维持常态，比如饮食习惯。

徐发现，虽然运动组的所有参与者体重和脂肪质量的下降程度相似，但只有 70%的人在糖代谢和胰岛素敏感性方面有显著改善。

对他们肠道菌群的分析显示，那些运动后葡萄糖代谢和胰岛素敏感性得到改善的人（应答者），他们的菌群能够产生更多的短链脂肪酸，并分解更多支链氨基酸。而运动组中糖代谢没有改变的参与者（无应答者），他们的菌群更容易产生一些对代谢有害的化合物。

接下来，研究人员又用这些参与者的粪便样本对肥胖小鼠进行粪菌移植。接受应答者的粪菌移植的小鼠，它的胰岛素抵抗和葡萄糖代谢都有所改善。而接受无应答者的粪菌移植的小鼠，这些代谢过程没有改善。

“我们的研究发现，造成运动干预失效的‘罪魁祸首’是他们的肠道菌群，”徐说，“这是一个干预性随机对照试验研究，为肠道菌群对代谢健康的作用提供了明确的证据。”

这一发现提出了一种可能性，即利用肠道菌群的特征可以预测运动是否可以成功预防糖尿病，并有助于个性化治疗。

故事3

肠道菌群或可预测糖尿病发病

以上的种种证据都在暗示我们，肠道菌群的特征似乎可以用来预测糖尿病，那么真的可以吗？

今年 7 月，慕尼黑工业大学营养与免疫学教授 Dirk Haller 和他的团队给出了答案。Haller 等发现肠道菌群日间依赖性波动或可用于预测 2 型糖尿病；他们的研究涵盖了 4000 多人，是该领域第一个基于大规模前瞻性人类队列的研究。

关于该研究热心肠日报做过相关报道：

Cell子刊：肠道菌群的节律性紊乱特征，或可预测糖尿病风险

Cell Host and Microbe——[15.923]

① 分析德国KORA队列中1976人的粪便样本，发现肠道菌群多样性和特定成员的相对丰度都呈现24小时的周期性震荡；② 约15.2%的OTU存在节律性，87个OTU的节律性在2型糖尿病（T2D）患者中丧失，基于其中13个OTU构建预测模型可较好的区分T2D与健康人（AUC=0.79）；③ 在额外的德国验证队列中检验了该预测模型，与BMI联用可提升对T2D的预测准确性，但该模型在英国队列中表现不佳；④ 鉴定出与模型所用的13个OTU有关的26个菌群代谢通路。

Arrhythmic Gut Microbiome Signatures Predict Risk of Type 2 Diabetes
07-02, doi: 10.1016/j.chom.2020.06.004

【主编评语】生活方式、肥胖和肠道微生物组都是代谢疾病的重要风险因素。《Cell Host and Microbe》发表的一项最新研究，总共对德国3个队列中4000多人的粪便菌群数据进行分析，表明肠道菌群特定成员的相对丰度在一天中呈现节律性震荡，其中一些细菌的节律性在2型糖尿病（T2D）患者中出现紊乱。利用基于13个丧失节律的OTU（涉及普氏栖粪杆菌、大肠杆菌等）预测模型，可较准确的在德国人群中鉴定和预测T2D。该研究还通过宏基因组学方法鉴定出与T2D和肠道细菌节律变化相关的菌群代谢通路，涉及氨基酸、芳香族化合物和脂肪酸的代谢功能等。这些发现提示肠道菌群组成的昼夜震荡及其相关的节律性功能，可能是代谢疾病发生发展中不可忽视的因素，其特征或可用于T2D的辅助诊断和预测，但应注意人群特异性。（@mildbreeze）

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Haller 教授解释说：“为了观察肠道菌群的变化是否能得出关于疾病情况的结论，需要进行所谓的前瞻性队列研究。”

在这些前瞻性队列研究中，没有一个参与者表现出任何的疾病迹象。然后，一段时间后，再次对这些参与者进行检测。通过这种方式，研究人员可以发现观察到的某个现象是否为未来疾病发生的典型特征。

“当某些肠道细菌不遵循昼夜节律时，也就是说，它们的数量和功能在一天中没有波动变化，这可能正是 2 型糖尿病的前兆。”本研究的另一位作者、时间生物学家 Silke Kiessling 博士说：“了解了这一点，我们就可以改善 2 型糖尿病的诊断。”

这些节律失常的细菌是潜在疾病的标志，研究人员将此称为风险信号。“数学模型还表明，这种由节律失常细菌组成的微生物风险信号有助于诊断糖尿病。”该研究的第一作者 Sandra Reitmeier 解释道。

营养学家 Haller 强调：“除了细菌及其在一天中的变化外，其他参数，如体重指数，也可以用来更好地预测一个人未来的疾病情况。”

那么，我们又是否可以利用肠道菌群科学改善 2 型糖尿病呢？

故事4

益生菌或可改善2型糖尿病

一项新研究表明，一种新型益生菌产品（Pendulum Glucose Control）含有 2 型糖尿病患者体内缺乏的肠道细菌，可以适度地改善血糖水平⁸。

这项发现于 2020 年 7 月 27 日在线发表于 BMJ Open Diabetes Research & Care 杂志上，作者是 Fanny Perraudeau 博士和他的同事们，他们都是 Pendulum Therapeutics 公司的工作人员。

该产品为特医食品，包含了消耗低聚糖的 Akk 菌（Akkermansia muciniphila）和婴儿双歧杆菌（Bifidobacterium infantis），生产丁酸的Anaerobutyricum hallii、拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii）和丁酸梭菌（Clostridium butyricum），以及益生元膳食纤维菊粉。

在为期 12 周的试验中，已经服用二甲双胍的 2 型糖尿病患者（不论是否服用磺脲类药物）中，23 人被随机分配到益生菌产品组，26 人接受安慰剂胶囊。

与服用安慰剂的参与者相比，积极治疗组的参与者在 3 小时的标准饮食耐受性试验中，血糖水平显著降低了 36.1 mg/dL，糖化血红蛋白平均降低了 0.6 个百分点。

此外，研究表明，该产品没有出现重大的安全性或耐受性问题，只会产生短暂持续 3~5 天的胃肠道症状（恶心、腹泻）。两组之间的体重、胰岛素敏感性或空腹血糖均无显著差异。

当被问及对研究结果的看法时，没有参与这项研究的营养学内分泌专家、医学博士 Nanette I. Steinle 说：“在我看来，这项研究设计得很好，他们没有夸大研究结果……我想说的是，对于那些血糖轻度或中度升高的人来说，这可能有助于促进他们的健康。”

然而，这种产品并不便宜，所以对一些患者来说，成本可能是一个限制因素，Steinle 博士说。他是巴尔的摩马里兰大学的医学副教授，也是马里兰退伍军人医疗保健系统内分泌科的主任。

Pendulum Therapeutics 公司的首席医疗官、该研究的首席作者 Orville Kolterman 医学博士，在一次采访中说，配方的特殊性把它与大多数商业上可用的益生菌区别开来。

他解释说：“商店里出售的食品益生菌，主要是需氧菌，而与2型糖尿病相关的菌群异常主要在于厌氧菌，这就增加了生产难度。”

纤维成分菊粉也很重要，他说：“该产品可以使 2 型糖尿病的饮食管理更加有效，因为你需要纤维和微生物来发酵并产生短链脂肪酸，这些脂肪酸在很多方面都非常重要。”

这种降血糖作用部分可能与上述三种细菌产生的丁酸有关，丁酸与肠道上皮细胞结合，分泌胰高血糖素样肽-1，从而抑制胰高血糖素的分泌。

而 Akk 菌（Akkermansia muciniphila）或可保护肠道上皮，并且有证据表明，它可以改善胰岛素敏感性和人体的其他代谢反应。

Kolterman 博士在进入 Pendulum Therapeutics 公司之前是在 Amylin 制药公司工作的，他评论说：“在工作了大约 30 年之后，我已经强烈地意识到，无论什么时候，只要你能做一些事情来回归到大自然原有的样子，你就是在做一件好事。”

在临床上，Kolterman 博士说：“我认为在诊断出 2 型糖尿病后不久，在患者进行药物治疗之前，或许是服用这种益生菌的理想时期。”

然而，出于实际原因，这项研究是在已经服用二甲双胍的患者中进行的，他说：“我们的结果是，它比二甲双胍更有益，因为二甲双胍并未成功控制这些患者的病情。”

他还指出，它可能对二甲双胍不耐受的患者或糖尿病前期患者有益；目前正在进行一项关于糖尿病前期患者的研究。

Steinle 博士表示：“我想这可能对预防糖尿病的尝试非常有帮助。糖尿病前期患者数量庞大。”

然而，她也警告说：“如果血糖超过 200 mg/dL，我不认为益生菌能把他们的血糖恢复到正常水平。”

益生菌干预或许可以在一定程度上帮助我们预防 2 型糖尿病，但是想要真正治愈 2 型糖尿病，这还不够。不过，相信随着肠道菌群与 2 型糖尿病的研究逐步推进，在不久的将来，肠道菌群可以为 2 型糖尿病的治愈做出更大的贡献。

参考文献：

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1.M. Gurung, Z. Li, H. You, R. Rodrigues, D.B. Jump, A. Morgun, N. Shulzhenko, Role of gut microbiota in type 2 diabetes pathophysiology, EBioMedicine 51 (2020) 102590.2.Kim S.H. The anti-diabetic activity of bifidobacterium lactis HY8101 in vitro and in vivo. J Appl Microbiol. 2014;117(3):834–845.3.Yoshida N. Bacteroides vulgatus and bacteroides dorei reduce gut microbial lipopolysaccharide production and inhibit atherosclerosis. Circulation.4.Stenman L.K. Probiotic B420 and prebiotic polydextrose improve efficacy of antidiabetic drugs in mice. Diabetol Metab Syndr. 2015;7:755.Reimer R.A. Combining sitagliptin/metformin with a functional fiber delays diabetes progression in zucker rats. J Endocrinol. 2014;220(3):361–373.6.S. Sanna, N.R. van Zuydam, A. Mahajan, A. Kurilshikov, A.V. Vila, U. Vosa, Z. Mujagic, A.A.M. Masclee, D.M.A.E. Jonkers, M. Oosting, L.A.B. Joosten, M.G. Netea, L. Franke, A. Zhernakova, J.Y. Fu, C. Wijmenga, M.I. McCarthy, Causal relationships among the gut microbiome, short-chain fatty acids and metabolic diseases, Nature Genetics 51(4) (2019) 600-+.7.Y. Liu, Y. Wang, Y. Ni, C.K.Y. Cheung, K.S.L. Lam, Y. Wang, Z. Xia, D. Ye, J. Guo, M.A. Tse, G. Panagiotou, A. Xu, Gut Microbiome Fermentation Determines the Efficacy of Exercise for Diabetes Prevention, Cell Metab 31(1) (2020) 77-91 e5.8.F. Perraudeau, P. McMurdie, J. Bullard, A. Cheng, C. Cutcliffe, A. Deo, J. Eid, J. Gines, M. Iyer, N. Justice, W.T. Loo, M. Nemchek, M. Schicklberger, M. Souza, B. Stoneburner, S. Tyagi, O. Kolterman, Improvements to postprandial glucose control in subjects with type 2 diabetes: a multicenter, double blind, randomized placebo-controlled trial of a novel probiotic formulation, BMJ Open Diabetes Res Care 8(1) (2020).

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作者｜赵婧

审校｜617

编辑｜笑咲

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