代謝綜合征與腸道菌群的研究進展

導讀：現代社會生活方式的改變及高脂飲食的攝入是導致全世界代謝綜合征(metabolic syndrome, MS)人群數量激增的重要原因，與此同時腸道菌群對宿主代謝具有不容忽視的影響，環境與宿主自身因素結合顯著影響腸道菌群的組成比例及多樣性。近年來越來越多的證據表明腸道菌群作為重要的串聯因素調節了環境及宿主自身變化對MS發生發展的影響，最直接的證據就是在肥胖者中菌群組成隨患者體重變化而變化。同時宿主自身基因也參與調控腸道菌群的組成並影響其功能，腸道菌群與MS的關係成為近些年來的研究熱點。

一、概述

1. 代謝綜合征
是一係列與自身代謝異常相關的複合疾病狀態，與患者的遺傳、飲食及環境因素密切相關。因此基於患者的不同遺傳背景、飲食及其他環境因素，腸道菌群組成、患者的整體代謝水平、菌群與宿主的關係均會隨之產生不同程度的改變。理解這一複雜的相互作用機製有助於為腸道菌群關聯的MS開發新的診療手段。
患者可診斷出高血壓、肥胖、糖尿病、血脂異常等症狀，而越來越多的研究表明心腦血管疾病甚至部分癌症也與MS直接相關。隨著其發病率的逐年上升，MS的防治形勢日益嚴峻。近年來，MS已成為醫學界，特別是內分泌學和心血管病學界最為關注的熱點問題之一。隨著對MS深層次發病原因和發病機製的了解逐漸加深，對於引起發病的多種危險因素開始有了越來越明確的認識。可以看到，除了遺傳、環境等客觀因素外，不健康的生活方式、過大的心理壓力等主觀方麵亦是導致MS的重要危險因素。

2. 腸道菌群
人體作為一個複雜的生態係統寄生了數以百萬億計的微生物，除皮膚表麵外主要的菌群集中在胃腸道係統，學術界對腸道菌群的科學認知及其重要作用的研究在近20年才有所發展。人體腸道內的微生物超過99%都是細菌，大約有100兆，經16 S測序鑒定出超過1 000個不同的種類，足以證明腸道菌群種類的多樣性。在腸道菌群中，可以培養到的細菌有400餘種，依據其數量多少可以分為優勢菌群和次要菌群。這些數目龐大的細菌大致可以分為三大類：有益菌、有害菌和中性菌。體魄強健的人腸道內有益菌的比例達到70%，普通人則是25%，便秘人群減少到15%，而癌症患者腸道內的益生菌的比例隻有10%。這些微生物可抵禦外界病原體，分解食物中存在的難消化多糖從而產生短鏈脂肪酸如乙酸、丁酸、丙酸這類重要代謝產物，這些產物可作為直接能量來源被小腸上皮細胞吸收利用，參與調節胰島素抵抗及胰島素釋放。如丙酸鹽可直接被腸道菌群利用產生葡萄糖，而宿主對葡萄糖的代謝調控失調是肥胖及糖尿病發病的主要因素。丁酸可增加乳酸杆菌的產量而減少大腸杆菌的數量。腸道菌群能影響宿主免疫係統，菌群代謝產物如內毒素，進入血液循環可引起胰島素抵抗和其他免疫失調。同時菌群可產生更為廣泛的代謝產物如膽酸等，腸道中膽酸增加可阻遏法尼酯X受體，該調節機製與肥胖症進程密切相關；對宿主的代謝水平甚至行為及神經係統產生影響。

二、MS與腸道菌群的關係

1. 非酒精性脂肪肝
腸道菌群對宿主代謝產生的最大作用在於影響能量的吸收和儲存，特別是能夠經過複雜的通路調節單糖吸收及脂肪的從頭合成途徑，調控特異性脂類代謝反應中相關基因的表達。許多研究表明非酒精性脂肪肝(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)的發生與腸道菌群聯係密切。無菌鼠移植常規小鼠的腸道菌群後肝細胞甘油三酯合成及脂肪儲存顯著上升。腸道菌群可以調節肝細胞自身脂肪代謝通路，菌群構成的變化亦可影響脂肪肝的進程。Le等利用焦磷酸測序法證明患有胰島素抵抗及脂肪肝的實驗鼠表現出乙酸產生菌及毛螺菌數量上調而乳杆菌數量下調。同時腸道菌群還可通過乙醇合成影響脂肪肝進程，對上述小鼠給予抗生素，則乙醇積累量可降低50%。腸道菌群對於膽堿及膽酸的代謝也是導致NAFLD的重要因素。
近期研究發現高果糖飲食與肝髒脂肪變性及轉氨酶升高顯著相關。高果糖飲食導致小腸菌群增殖，增加小腸通透性及循環內毒素，最終激活肝枯否細胞介導肝炎發生。腸道菌群影響脂肪肝發展為非酒精性脂肪性肝炎及肝纖維化進程。目前已知的機製為菌群產生的內毒素通過Toll樣受體4介導的信號轉導募集枯否細胞激活肝細胞炎症反應。同時在Toll樣受體4缺陷小鼠及人為破壞了枯否細胞的小鼠中炎症反應及肝損傷顯著降低。炎性體存在於枯否細胞、肝竇內皮細胞、門靜脈成肌纖維細胞及肝星狀細胞中，在炎症性肝損傷的研究中顯示微生物抗原如細菌脂多糖與細胞漿炎性體的複雜相互作用激活炎症級聯反應，導致肝細胞纖維變性，最終導致肝纖維組織損傷。盡管炎性體在肝病的發病機製中扮演重要作用，但是炎性體缺陷模型鼠中肝損傷更為嚴重同時非酒精性肝炎進展迅速，合理的解釋為炎性體對於調控腸道菌群組成具有重要作用，其功能紊亂導致腸道生態失調。

2. 肥胖及糖尿病
肥胖及其相關病症如2型糖尿病，心腦血管疾病等的發病率在世界範圍內均呈逐年上升趨勢。盡管在小鼠模型中敲除或過表達單一基因即可導致肥胖或糖尿病，但在人類中僅有不到5%～7%的患者是由於單一基因缺陷導致患病。將人基因組中所有肥胖相關基因突變綜合考慮，隻能解釋很少一部分的肥胖及糖尿病發生。因此環境因素必然在此類疾病的發生發展中起到更重要的作用，其中最主要的包括靜態生活方式和飲食改變，如糖及飽和脂肪酸的過量攝入導致總熱量超標。此外宿主基因，飲食及其他環境因素除了能夠直接調節體重及胰島素抵抗外，還對腸道菌群的構成產生影響。Tomas等報道在小鼠模型中30 d高脂飲食即導致菌群差異，其中厚壁菌門、變形菌門、疣微菌門顯著增加，擬杆菌門顯著減少。這一菌群失調現象也出現在肥胖及2型糖尿病患者中，減少的微生物多為產丁酸鹽菌及具有代謝硫酸鹽和抗氧化作用的細菌。同時菌群可通過誘導宿主表達脂類及碳水化合物代謝相關基因，導致宿主從飲食中攝取能量增加，最終引起宿主體重上升。實驗證明與移植了瘦鼠腸道菌群的無菌小鼠相比，在移植肥胖小鼠的菌群後這些小鼠的體重明顯上升。後續實驗證實無菌小鼠給予高脂飲食後體重上升程度小於普通小鼠，導致這一差異的機製為普通小鼠中非胰島素依賴型腺苷酸活化激酶途徑(AMPK)的激活，AMPK途徑可以提高葡萄糖氧化。腸道菌群還可通過增加小腸通透性，降低囊性纖維化跨膜調控子和鈉鉀氯共轉運蛋白在基因及蛋白水平的表達，降低回腸中氯離子分泌，導致腸道菌群及小腸微環境的破壞。而恢複正常飲食或給予1周過氧化物酶體增生物激活受體-γ信號通路激活劑羅格列酮可拮抗上述影響。在小鼠實驗中，高脂飲食導致代謝疾病的機製之一為細菌組分如脂多糖或全細菌發生易位，小鼠黏膜層中變形菌門數量及脂多糖含量顯著上升；給無菌小鼠移植大腸杆菌能夠有效的增加脂肪組織中巨噬細胞的浸潤；肥胖及糖尿病患者具有特殊的菌群特異性，上述實驗結果均表明肥胖及2型糖尿病的發病機製還可能與腸道菌群易位，從而誘導慢性炎症反應有關。

3. 心腦血管疾病
腸道菌群與心腦血管疾病的關聯由來已久，但真正引起學術界廣泛重視的為Tang等揭示了腸道菌群分解磷脂酰膽堿產生的代謝產物對心腦血管的損傷機製。心血管疾病在全世界範圍內均為致死的重要原因，而動脈粥樣硬化為心血管疾病的前兆。目前代謝組學及動物模型研究顯示動脈粥樣硬化與氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide, TMAO)直接相關，腸道菌群將磷脂酸膽堿、膽堿及L-肉堿等轉化為三甲胺(trimethylamine, TMA)，經黃素單胺氧化酶3及FMO1進一步氧化成為TMAO。在自發動脈粥樣硬化模型鼠C57BL/6J.Apo E－/－的研究中發現，高膽堿飲食可導致小鼠動脈粥樣硬化主動脈瓣病變，巨噬細胞中膽固醇含量上升。上述小鼠給予廣譜抗生素能夠拮抗高膽堿飲食導致的相應表型變化。TMAO抑製膽固醇轉化，通過上調巨噬細胞表麵前動脈粥樣硬化清道夫受體(CD36)及清道夫受體A表達，誘導泡沫細胞形成。同時TMAO調節甾醇代謝，降低催化膽酸合成的膽固醇7-羥化酶及其在mRNA水平的表達，而腸道中膽酸參與調控法尼酯X受體，該受體與肥胖症進程密切相關；同時膽堿作為磷脂酰膽堿的重要組成，發揮多種重要作用，如組成細胞膜、合成乙酰膽堿、參與細胞膜信號轉導、產生甜菜堿等。研究表明血漿及細胞膜中的膽堿總水平升高會導致急性冠狀動脈綜合征伴隨的斑塊不穩定性。目前的研究結果顯示擬杆菌門及厚壁菌門為產生TMA的主要細菌門類。腸道菌群產生TMAO與飲食有密切關係，富含膽堿的食物包括肉類及部分海產品等，可誘導腸道微生物產生TMA。
當前，動脈粥樣硬化也被認為是一種慢性進展的低水平炎症疾病，與腸道菌群失調相關。健康的腸道菌群應具有多樣性且主要存在於腸道的內腔中，極少存在於腸黏膜層。抗菌肽或防禦素聯合免疫細胞防止腸道中菌群附著於黏膜層，研究表明高脂飲食導致菌群失調後腸道黏膜中出現變形菌門和厚壁菌門，可對腸道上皮細胞造成損傷，誘導抗菌肽過量表達，最終導致了腸道通透性的增加。因此腸道菌群及相關組分如脂多糖和肽聚糖可從腸道上皮層到達腸固有層隨後被吞噬細胞吞噬。菌群失調破壞了吞噬細胞、固有淋巴細胞及T細胞的平衡，顯著破壞了吞噬細胞及T細胞的協同激活作用，最終也會導致細胞因子的釋放。除此之外上述組織還會出現B淋巴細胞及T淋巴細胞的浸潤，與吞噬細胞相互作用加劇炎症反應。總之固有免疫及獲得性免疫防禦被破壞後可使細菌及其組分向代謝相關組織器官如脂肪組織、肝髒、胰島、心血管易位，菌群易位後觸發的炎症反應會導致前脂肪細胞和巨噬細胞的增殖，由此產生的相關細胞因子可抑製胰島素信號傳導。

此外，另一與動脈粥樣硬化相關的因子微小RNA-204同樣受到腸道菌群調控。最新的研究表明血管微小RNA-204受到菌群的遠程調控上調其表達，從而導致去乙酰化酶1下調，使內皮細胞依賴性血管舒張受損，這一現象正是動脈粥樣硬化的早期標誌。 

三、益生菌及益生元

益生菌為活性微生物，適量給予有益於宿主健康。不同的研究組同時證明益生菌尤其是乳酸菌和雙歧杆菌能夠緩解MS產生的多種症狀，如可降低體重、減輕內髒肥胖、提高葡萄糖耐受、調控腸道低水平炎症等，上述結果在高脂飼料誘導的MS動物模型中均已得到證實。Cani等指出了雙歧杆菌增加緊密連接蛋白的表達，從而增強MS患者小腸上皮屏障功能。相反菌群顯著移位可導致小腸炎症反應及代謝性內毒素血症。乳酸菌則可通過產生共軛亞油酸，激活脂肪酸氧化，調控血清脂代謝；或者通過產生血管生成素樣蛋白4抑製脂蛋白脂肪酶活性，縮小脂肪細胞及脂肪組織體積，協助宿主減輕體重。聯合應用雙歧杆菌及乳酸菌可顯著提高葡萄糖耐受，增加短鏈脂肪酸及丁酸鹽的分泌從而刺激小腸產生胰高血糖素樣肽(glucagon-like peptide，GLP)-1。益生元為非消化性多糖，能夠調節腸道中益生菌比例，可上調GLP-1，同時降低grelin及酪酪肽的表達，減少脂肪酸的蓄積，能夠緩解MS的一係列症狀。
目前的臨床及實驗證據均表明，腸道菌群為MS潛在的致病因素，其表現出的所有疾病指征是許多因素相互作用的結果，人類對相關機製的理解剛剛開始。如以短鏈脂肪酸為代表的腸道菌群代謝產物是肥胖的重要致病因素，能夠調節宿主多項代謝功能、能量攝入甚至食欲。多糖、短鏈脂肪酸既是能量來源同時可與G蛋白耦聯受體41或GPR43結合調節激素或調控炎症反應。同時腸道菌群與宿主的複雜相互作用中，菌群可產生促炎因子，如脂多糖和肽聚糖，誘導宿主產生免疫應答相關蛋白進而不僅影響菌群的穩態及組成，導致腸道菌群失調，菌群易位，同時也加劇了肥胖及胰島素抵抗的進程。
食物中的膽堿、膽固醇及多糖可經腸道菌群直接代謝或進一步由宿主及菌群聯合代謝產生生物活性物質，如膽堿可導致心血管疾病，膽固醇可激活G蛋白耦聯膽酸受體5增加能量消耗及GLP-1的分泌從而保護心血管。腸道菌群通過產生乙醇，改變膽堿及膽酸代謝，刺激肝細胞脂肪生成以及增加腸道通透性等途徑加劇脂肪肝及NAFLD的進展。近些年的研究證明獲得性免疫參與對抗菌群失調，因此越來越多的證據表明腸道菌群可以作為治療MS的靶點，在飲食中輔以益生菌及益生元已被廣泛應用於調控腸道菌群。盡管其在MS臨床治療上取得的效果仍缺乏確鑿的證據，但在實驗動物模型的研究中已經證實了二者的治療作用。有報道糞菌移植可以調控MS患者的胰島素信號轉導，雖然這一技術具有一定的應用前景，但其不足方麵在於增加了受體感染潛在病原微生物的危險性，因此如何製定應用於臨床治療的供體菌群篩查標準，使該療法在安全性的前提下發揮其治療調控MS的作用尚在探索中。目前亟待解決的問題仍然是MS這一複雜的病理生理學變化哪些方麵由腸道菌群直接調節或操控，哪些方麵為腸道菌群與宿主因素的相互調節的結果，哪些是宿主自身固有因素的影響。因此在分子水平解析宿主-微生物組相互作用的複雜性，對認識肥胖、糖尿病、MS及非酒精性脂肪肝等有極大幫助。