文章来源：中华糖尿病杂志, 2021,13(2) : 179-182
作者：石宏彩 常田 袁慧娟
单位：郑州大学人民医院 河南省人民医院内分泌与代谢病科 河南大学人民医院
摘要
1型糖尿病（type 1 diabetes mellitus，T1DM）的发病率在全球范围内呈上升趋势，发病年龄趋于年轻化。随着各种分子生物学技术在肠道菌群研究中的广泛应用，关于肠道菌群与人类健康及疾病的关系受到越来越多的关注。近年来研究发现，T1DM的发生与肠道菌群存在密切关系，本文中我们将阐述肠道菌群参与 T1DM 发生发展的相关机制，同时对围绕肠道菌群开展的T1DM潜在防治措施进行总结，期望有助于制定新的干预策略，降低T1DM的发生率。
一、T1DM
TIDM是一种器官特异性的自身免疫性疾病，以胰岛β细胞特异性破坏、胰岛素绝对缺乏为主要发病原因。T1DM占所有糖尿病确诊病例的5%~10%，通常于儿童或青少年时期发病［1］。国际糖尿病联盟2019年估计全球共有1 110 100名20岁以下的儿童和青少年患有T1DM，每年约有98 200名15岁以下的儿童和青少年新诊断为T1DM，当年龄范围扩展到20岁以下时，这一估计数字将增加至128 900名［2］。然而T1DM的发病机制并未十分明确，目前认为其主要与遗传、免疫、环境等因素有关。
最近的研究表明了基因多态性对T1DM发生起重要作用，然而，单靠遗传学不能解释T1DM的发病，因为只有不到10%的遗传易感性的儿童会患T1DM［3］。因此环境因素对于改变遗传易感人群对β细胞的自身免疫反应的概率，起着至关重要的作用。与T1DM发病相关的环境影响因素包括妊娠相关因素和围产期因素、病毒、摄入牛奶和谷类食品以及抗生素和益生菌的使用［4］。
二、肠道菌群
肠道菌群是人体内最密集的微生物群落，也是最多样化的微生物之一。肠道中约有1.5 kg细菌，而粪便的生物中50%是细菌细胞［5］。人类肠道菌群具有重要作用。一方面，肠道菌群参与宿主的能量代谢，为人体提供各种维生素、必需氨基酸和一些抗菌素与多肽，并进行胆汁酸解偶联；另一方面，肠道菌群利用人体消化的食物残渣和胃肠道作为肠道菌群生存的条件和环境，为菌群自身提供每日5%~10%的能量需求［6］。此外，在正常结肠中，肠道菌群通过促进细胞增殖和分化来促进肠道修复，这对于维持肠道屏障的完整性至关重要［7］。越来越多的证据表明，肠道菌群在宿主免疫系统的成熟和持续发育中都起着关键作用［8］。
三、肠道菌群介导T1DM发生的可能机制
1. 改变肠道屏障功能：肠道屏障功能主要由机械屏障、化学屏障、免疫屏障及生物屏障组成，对于防止共生细菌、病原体、食物、抗原从肠腔进入肠道组织和全身循环至关重要。
肠道的机械屏障主要由肠上皮细胞及细胞间的紧密连接组成。肠上皮细胞分泌大量的黏蛋白，阻止肠道菌群与宿主肠道组织细胞直接接触，紧密连接则呈箍状围绕在细胞的周围以阻断细胞间隙，发挥类似“栅栏”的防御作用。Sorini等［9］研究发现非肥胖糖尿病（non-obese diabetic，NOD）小鼠肠道中编码紧密连接蛋白（Tjp1和claudin-1）的mRNA较对照组小鼠表达略有下降，NOD小鼠肠道通透性增加，黏液屏障完整性丧失。因此，肠道屏障功能改变可能是T1DM发生的重要机制。
近年来，研究表明产丁酸盐菌与T1DM呈负相关性［10］。丁酸盐属于短链脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA），是肠道菌群参与合成的主要代谢产物之一。Brown等［11］研究表明，在健康的肠道中，产生乳酸和丁酸的肠道菌群可以诱导足够数量的黏蛋白合成来维持肠道的完整性；相反，在T1DM患者肠道中发现，产丁酸盐乳酸利用菌减少，使得黏蛋白合成减少。
最近的一项蛋白质组学分析还显示，新发T1DM患者体内与维持黏液屏障功能和微绒毛黏附有关的宿主蛋白相关的肠道菌群已被耗竭［12］。此外，T1DM高风险儿童肠道通透性增加，并与肠道菌群改变相关［13］。故肠道菌群及其代谢产物或许能通过改变肠道的屏障功能而影响T1DM的发生。
2.调节肠道免疫系统：（1）影响天然免疫系统：在缺乏髓样分化因子88（myeloid differentiation primary response protein 88，MyD88）的动物体内进行的研究突出了肠道菌群诱导的先天免疫改变与T1DM风险之间的联系，MyD88蛋白是Toll样受体（Toll-like receptors，TLR）的衔接蛋白，识别微生物模式并调节先天免疫反应［14］。缺乏MyD88的NOD小鼠未发生T1DM，表明MyD88在T1DM的发展中起重要作用。然而，在无菌NOD小鼠中MyD88缺失增加T1DM的风险［14］。因此，MyD88缺乏症的保护作用是具有菌群依赖性的，证实肠道菌群通过天然免疫系统参与了T1DM的发病过程。Gülden等［15］一项研究揭示了T1DM发育中肠道菌群影响的新型先天免疫途径。他们发现，敲除β干扰素TIR结构域衔接蛋白（TIR-domain-containing adaptor inducing interferon-β，TRIF），可以保护NOD小鼠免于糖尿病，TRIF是TLR下游的另一个关键衔接子蛋白。重要的是，与野生型NOD小鼠相比，在TRIF缺乏的NOD小鼠中发现了不同的肠道菌群特征，这表明TRIF缺乏的保护作用是通过改变肠道菌群介导的。
（2）影响适应性免疫系统：参与适应性免疫的主要是T细胞和B细胞，最近一项用恩诺沙星处理A22Cα-/-PI2- NOD小鼠（一种转基因小鼠，这些小鼠自身免疫性糖尿病发病率低）发现，这种治疗导致雄性NOD小鼠发展为T1DM。其中发现恩诺沙星改变肠道菌群，增加了胰岛反应性CD8+ T细胞的频率并激活了Peyer斑和胰腺淋巴结中的细胞，且诱导了对抗原呈递细胞群的免疫学作用［16］。
在胰岛炎症反应发生之前的早期实验性自身免疫性糖尿病中，机体的异常生长和免疫功能的改变与肠道屏障的异常是平行的，如杯状细胞数量减少和黏液分泌减少［9］，导致肠道通透性增强。非肥胖耐药母鼠对NOD小鼠的交叉喂养纠正了黏液产生的缺陷，表明NOD小鼠肠道菌群在肠道屏障功能障碍中的关键作用［9］。NOD小鼠肠系膜淋巴结中CD103+树突状细胞（dendritic cells，DC）减少、效应Th17细胞和3型固有淋巴细胞（innate lymphoid cells 3，ILC3）增加，小肠Th2细胞、ILC2和调节性T细胞（regulatory T cells，Treg）细胞减少。重要的是，这些大多数的肠道改变都是在胰腺炎发作之前发生的［9］。
慢性结肠炎的诱导改变了肠道屏障完整性和黏液层组成，触发了肠黏膜中胰岛反应性T细胞的激活，并导致BDC2.5×NOD小鼠（一种转基因小鼠，模拟T1DM高风险人群的动物模型）的自身免疫性糖尿病。此外，用抗生素治疗这些小鼠可以预防T1DM，证实肠道菌群是诱导β细胞自身免疫所必需的［9］。
四、围绕肠道菌群开展的T1DM潜在防治措施
1.分娩方式：一项Meta分析表明，与阴道分娩相比，剖宫产出生的儿童发生T1DM的风险增加了12%［17］。在NOD小鼠中的研究表明，与阴道分娩相比，成年剖腹产小鼠叉头状转录因子P3+ Treg（forkhead box P3+ regulatory T cells，Foxp3+ Treg）、CD103+致耐受性DC和白细胞介素10基因表达的缺乏，剖腹产降低了后代的耐受性免疫应答［18］。若通过剖宫产分娩的婴儿在出生时可以暴露于母体阴道分泌物中，则可以使其菌群组成与阴道分娩的婴儿相当［19］。采取经阴道分娩或在剖宫产后及时进行干预或许能降低T1DM的发生风险。
2.喂养方式：喂养方式包括母乳喂养、人工喂养和混合喂养。母乳是婴儿生长发育最为理想的天然食物，含有丰富的营养素、维生素、免疫因子和益生菌，对促进和维持婴儿肠道内有益菌群的定植起重要作用。脂肪酸可能在T1DM相关自身免疫的发展中起作用，母乳喂养期间消耗的脂肪酸可提供针对T1DM相关自身免疫的保护作用［20］。一项动物实验发现，人乳寡糖通过诱导有益共生细菌产生代谢产物（主要是SCFA）、改善肠屏障完整性、减少自身炎症反应，减低生命后期NOD小鼠胰岛炎症和T1DM发病率［21］。但是目前关于人类母乳成分对肠道菌群的影响及其和T1DM关系的研究仍较少。
3.益生菌：补充益生菌制剂的NOD小鼠通过促进致耐受性CD103+ DC的分化并减少肠道黏膜和自身免疫部位的Th1和Th17细胞的分化扩展来调节肠道免疫，降低NOD小鼠的T1DM发病率［22］。一项研究表明，高危人类白细胞抗原-DR3/4基因型T1DM儿童在出生后第一个月服用益生菌可将胰岛自身免疫风险降低60%［23］。
4.益生元：补充低甲氧基果胶膳食纤维已被证明能降低NOD小鼠的T1DM发病率。研究发现补充低甲氧基果胶使产生SCFA的细菌种类增多、炎症反应减轻、肠道屏障完整性改善和Treg细胞增加［24］。最近的一项随机对照研究表明，益生元低聚果糖的菊粉治疗T1DM，3个月可显着提高C肽水平并改善肠道通透性，益生元可能是改善T1DM血糖控制的新型、廉价、低风险的治疗药物，但需要进一步的大规模试验［25］。
5.合理应用抗生素：研究表明使用抗生素治疗可改变肠道菌群，调节免疫系统，降低小鼠T1DM发病率［26］。相反，在早期间断使用大环内酯类药物治疗的NOD小鼠表现出胰岛炎增加，T1DM发病率增加，先天免疫和T细胞分化异常［27］。但是，动物模型与人类并不完全符合，因此，抗生素的合理应用尤为重要。
6.补充SCFA：在T1DM病情进展者中观察到菌群α多样性及丰度显著下降，产丁酸盐菌减少［13］，用醋酸盐和丁酸盐混合饲料喂养小鼠，通过影响B细胞及其扩增自身反应性T细胞群体的能力，醋酸盐可明显降低淋巴组织中自身反应性T细胞的频率；含丁酸盐的饮食可增加Treg细胞的数量和功能，而含乙酸盐和丁酸盐的饮食可增强肠道完整性，并降低糖尿病性细胞因子（如白细胞介素21）的血清浓度，饮食中的高剂量丁酸盐通过扩增Treg细胞显著降低NOD小鼠的T1DM发病率［28］。
7.菌群移植：有研究将MyD88-/- NOD小鼠菌群移植到野生型NOD小鼠中，结果发现，可以通过改善野生型NOD小鼠的肠道菌群来减轻胰岛炎症和延缓 T1DM 的发生［29］，但目前尚缺乏与T1DM 相关的临床研究，无法证实粪菌移植在T1DM治疗中的有效性和安全性。
五、展望
尽管近年来有关T1DM肠道菌群的研究越来越多，然而，在人类研究中，菌群失调与T1DM风险之间的因果关系尚未明确。虽然动物的干预研究已表明改善或逆转病态菌群的策略可降低T1DM的发生率，但在人类中仍缺乏该证据。肠道菌群的靶向治疗可能代表了一种针对T1DM一级预防的新颖治疗方法，并且已经提出了各种策略来重塑T1DM高危儿童的肠道菌群。
综上所述，肠道菌群与T1DM的发生发展关系密切，在精准医学时代，根据宿主的遗传背景和个体肠道菌群量身定制的个性化治疗有望降低患上T1DM的风险。希望今后有更多关于将肠道菌群深入研究，为T1DM的预测和防治提供更多新的手段。
参考文献略
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