ABSTRACT

Prebiotics, such as dietary fiber (DF) and resistant starch, are fermented into SCFAs in the colon by certain communal bacterial species. The main product of fermentation is short-chain fatty acids. SCFAs can have a beneficial impact on diabetes in many ways. Gut microbiota is strongly associated with diabetes development. Gut bacteria play a crucial role in the host immune system, extraction of energy from the host diet and alterations of human gene expression. The review aims at the role of total colon microbiota and short-chain fatty acids in diabetes to promote the use of prebiotics and probiotics to prevent and treat the development of comprehensive strategies for these metabolic disorders.

Keywords:Short-Chain Fatty Acid, Diabetes, Microbiota, Immune, Prebiotics

短链脂肪酸对糖尿病的调节机制及应用

庞博，任军丽，杨修利，单毓娟

哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨

收稿日期：2018年11月3日；录用日期：2018年11月15日；发布日期：2018年11月22日

摘 要

膳食纤维(dietary fiber, DF)或抗性淀粉(resistant starch, RS)等益生元在肠道中被肠道细菌发酵，主要产物为短链脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFAs)。短链脂肪酸可以通过多种途径对糖尿病产生有益的影响。肠道微生物群也与糖尿病发病机制密切相关，其在宿主免疫系统、饮食中的能量摄入以及人类基因表达的改变方面都起着至关重要的作用。本综述旨在总结肠道微生物群和短链脂肪酸在糖尿病中的作用来促进使用益生元和益生菌来预防和治疗这些代谢紊乱疾病综合策略的发展。

关键词 :短链脂肪酸，糖尿病，肠道菌群，免疫，益生元

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1. 引言

糖尿病(diabetes mellitus, DM)，常胰岛素相对或绝对不足，导致因碳水化合物、脂肪以及蛋白质代谢紊乱引起的一系列并发症，如糖尿病肾病、眼部病变及神经病变等等；其特点是血液中持续的高糖含量，属于一种多因素代谢性疾病，世界范围内的发病率一直在攀升。除遗传因素外，糖尿病还与肥胖、饮食结构、炎症免疫以及运动等有关。膳食纤维摄入不足以及摄入较多加工的碳水化合物被认为是糖尿病的主要危险因素 [1] 。流行病学研究显示，膳食纤维摄入量与糖尿病、炎症性肠病和结肠癌发病风险呈负相关。膳食纤维包括可溶性膳食纤维和不可溶性膳食纤维，通过调节肠道微生物进而对机体产生有益影响。人类干预研究表明，膳食纤维和全谷物摄入会增加肠道微生物多样性。在哺乳动物胃肠道内含有1000多种微生物菌种。这些共生微生物菌不仅有助于宿主调控免疫反应和体内平衡，还参与食物和细菌的能量代谢 [2] 。未被消化的膳食纤维以及蛋白质或肽类，都可以在盲肠和结肠中被微生物发酵。这些发酵的产物主要是短链脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFAs)，即少于6个碳的脂肪酸，包括甲酸(C1)、乙酸(C2)、丙酸(C3)、丁酸(C4)和戊酸(C5)。肠道中的SCFAs主要是乙酸、丙酸和丁酸，约占所有SCFAs的95％以上 [3] 。通常，乙酸可由丙酮酸通过乙酰-CoA或者Wood-Ljungdahl途径形成。丙酸主要通过琥珀酸由琥珀酸途径或由乳酸通过丙烯酸酯途径产生。丁酸主要由乙酰-CoA和丁酰-CoA以及乙酸盐和乳酸盐形成。目前研究认为SCFAs可通过多种不同的下游调控机制来发挥其功能，包括G-蛋白偶联受体(G Protein-Coupled Receptor, GPR)、组蛋白脱乙酰化酶(histone deacetylase, HDAC)和代谢整合 [4] 。GPR43、GPR41、GPR109A和Olfr78已经被确认为是SCFAs受体。GPR43和GPR41可被乙酸、丙酸和丁酸激活， GPR109A是由丁酸和烟酸激活，Olfr78则被乙酸和丙酸激活。此外，这些SCFAs受体的表达仅限于特定的细胞类型，如肠上皮细胞(GPR43和GPR41)、肠内分泌细胞(GPR43和GPR41)、脂肪细胞(GPR41)、肾内皮细胞(Olfr78)和某些特定的树突细胞和巨噬细胞(Olfr78) [5] 。本文主要综述短链脂肪酸对糖尿病调节作用及可能机制，并初步展望膳食纤维等益生元应用于改善糖尿病的潜力。

2. 短链脂肪酸对糖尿病的调节作用

膳食纤维或抗性淀粉在结肠中会被某些细菌物种如拟杆菌属等发酵为SCFAs。膳食纤维或SCFAs会改变肠道共生菌，使某些细菌具有疾病的调节作用 [5] 。丁酸能激活胚胎干细胞中调控胰腺早期发育的基因，从而增加胰岛β细胞分化和胰岛素基因的表达。Sabbir等报道丁酸盐可抑制在幼年糖尿病大鼠HDAC的来调节p38/ERK MAPK信号通路从而防止β细胞凋亡并改善葡萄糖稳态。有学者认为丁酸盐可能是治疗DM的最有希望的一种化学物 [6] 。肠腔内的SCFAs会被肠细胞吸收，最终到达血液循环。血液循环中的SCFAs会影响葡萄糖在肌肉、肝脏和脂肪中的储存。例如，乙酸(C2)进入大脑后，会降低食欲以减少食物摄入。所有这些作用都可以对II型糖尿病(type 2 diabetes, T2D)产生有益的影响。

此外，膳食纤维和抗性淀粉可以丰富某些肠道共生菌群从而抑制I型糖尿病(type 1 diabetes, T1D)的发生；其内在调控机制仍不清楚。越来越多的证据表明，肠道微生物群与糖尿病的发展密切相关。SCFAs通过促进细胞保护因子的分泌以及紧密连接蛋白的表达，加强上皮屏障功能。SCFAs的这种效应还可以通过降低抗原呈递细胞和T细胞的激活阈值，间接抑制自身免疫疾病反应的发生 [7] 。肠道微生物群与先天性肠道免疫系统之间的相互作用被认为是可以改变T1D易感性的表观遗传因素 [8] 。此外，SCFAs可以直接调节免疫细胞，诱导耐受性巨噬细胞和树突状细胞的优先分化。Tregs可以抑制迁移到胰腺并诱导组织破坏的自身免疫性T细胞的生成。SCFAs还可以促进Th1和Th17细胞的生成，从而有效介导组织的炎症反应 [7] 。

3. 短链脂肪酸调节糖尿病机制

3.1. 短链脂肪酸调节肠道免疫功能

SCFAs主要通过三种途径进入细胞。第一种是被动扩散，第二种是激活细胞表面的G-蛋白偶联受体(GPR)，第三种是通过扩散或特定载体蛋白转运的形式进行吸收，比如载体蛋白SLC16a1和SLC5a8 [4] 。SCFAs可以通过激活几乎表达于所有免疫细胞(如上皮细胞，嗜中性粒细胞和巨噬细胞)上的GPR来调节免疫应答 [9] 。另一方面，SCFAs通过抑制HDAC来参与能量代谢 [5] 。SCFAs还可以通过糖酵解和线粒体的氧化磷酸化途径，促进淋巴细胞分裂增殖而激活免疫反应 [10] 。

SCFAs激活肠上皮细胞上的GPR43，促进免疫细胞因子，如IL-1、IL-6、IL-12和IL-18的产生 [11] 。所有主要的SCFAs，如C2、C3和C4，都能诱导T细胞产生IL-10 [12] 。此外，SCFAs还促进了T细胞，如Th1和Th17细胞的生成。淋巴细胞中缺乏SCFAs受体，SCAF的HDAC抑制功能是通过调节基因表达来调节T和B细胞的关键 [5] 。在炎症反应过程中，SCFAs通过GPR43受体促进嗜中性粒细胞聚集到炎性反应部位，并促进其活性氧的产生和吞噬作用。丁酸盐和丙酸盐可抑制协同刺激分子CD40的表达和IL-6、IL-12p40的分泌来抑制BMDC(来源于骨髓细胞的树突状细胞)的活化。在细胞水平，SCFAs以细胞特异性方式影响增殖和免疫应答。由于它们的多效性和细胞类型依赖性的作用，SCFAs的作用机制尚不明确 [12] 。肠道上皮细胞的微生物相关分子模式(MAMP)受体(主要是Toll样受体有关)与糖尿病发病有关，这种Toll样受体会激活核因子NF-κB途径的前炎症反应。活化的Toll样受体等MAMP受体将介导细胞因子、趋化因子和抗菌产物的产生。Toll样受体(Toll-like receptors, TLRs)在肠道中的多种细胞中大量表达，并根据其特定功能区域或空间进行排列。TLR5在结肠中可以识别大多数运动细菌的鞭毛蛋白并诱导先天性和适应性的免疫反应 [12] 。肠内存在的其他TLR包括识别革兰氏阴性菌细胞壁脂多糖成分的TLR4和识别细菌脂蛋白和脂磷壁酸的TLR2。通过TLR来测定微生物组分诱导促炎性转录-细胞因子和趋化因子的释放，以及适应性免疫应答的激活。总之，这些数据表明SCFA-感应GPCR受体在免疫和炎症的调节中起重要作用。

3.2. 短链脂肪酸对食欲和能量平衡的调节

脑-肠轴和外周激素参与的食欲调控已成为近几年的研究热点，并且在调控摄食和能量平衡的分子信号通路方面的研究已有了巨大进展。胃肠道由中枢神经系统(central nervous system, CNS)、肠神经系统(enteric nervous system, ENS)和自主神经系统(autonomic nervous system, ANS)共同支配。大脑接收传入信息，整合后经自主神经和神经–内分泌系统将调控信息传递到胃肠道内的神经丛或直接作用于胃肠道平滑肌细胞，这种将大脑CNS、ENS及ANS连接的神经双向通路称为脑–肠轴。脑–肠轴系统能充分感应机体的营养状况，同时释放的脑肠–肽及相关神经递质共同参与对食物摄取的调节，以维持机体的能量稳态 [13] 。已经证明在动物的饮食中添加可发酵的碳水化合物(Fermentable carbohydrates, FC)可减少能量摄入。Byrne等在小鼠的日常饮食中添加锰标记过的碳水化合物后发现，锰增强磁共振成像信号在下丘脑食欲中枢的表达增强，提示发酵碳水化合物可提升饱腹感。另外，在食物中添加FCs以及SCFAs还可增加循环血中厌食性胃肠道激素，如胰高血糖素样肽-1 (GLP-1)和肽YY (PYY)的水平 [14] 。在肠内分泌L细胞中， GLP-1和PYY的分泌过程中伴随有GPR41和GPR43受体的协同表达，提示在结肠中检测到的SCFAs可能是触发这些肠激素释放的原因。另外，丙酸可以刺激野生型(WT)鼠结肠隐窝原代培养物中GLP-1和PYY的分泌，然而这种作用在GPR41基因敲除(Knock Out，KO)小鼠培养物中显著降低。另外，在结肠中输注丙酸盐增加了颈静脉血浆中的GLP-1和PYY水平，而在GPR41 KO小鼠中没有这种现象。越来越多的证据支持FCs可以刺激GLP-1和PYY的分泌。Byrne等发现膳食补充FC菊粉会显著降低能量摄入和体重增加。采用正电子发射断层扫描计算机技术，发现静脉注射和结肠内注射¹¹ C-乙酸盐后， 有少量¹¹C-醋酸示踪剂穿过血脑屏障(大约为3％)而被脑部吸收；随后证实腹腔注射乙酸盐可诱导下丘脑弓形核中的神经元活化，提示乙酸盐本身是厌食的信号 [14] 。Isken等发现，在平衡了实验组和对照组的膳食能量摄入因素受，长期(45 w)食用可溶性瓜尔胶纤维可显著增加糖尿病小鼠的体重和胰岛素抗性标志物。可见，啮齿类动物中SCFAs产量的增加对能量的消耗有积极的影响，可能超过了消耗可溶性纤维的短期有益效应 [15] 。Nilsson等人表明，食用由FC组成的晚餐大大增加了次日晨起循环血中PYY浓度，同时显著降低了生长素释放肽(一种促进食欲的激素)的浓度。经研究，健康人群每天补充低聚果糖(16~30 g/d)持续11周，可见PYY曲线下总面积增加、生长素释放肽曲线下总面积减少、饱腹感增加而饥饿感降低，能量摄入显著减少。Remely等的一项研究表明，肥胖和II型糖尿病患者的血液中GPR43基因的启动子区域的甲基化状态低于正常个体，推测是由于肠道微生物群的成分差异以及不同的SCFAs特征所致。尽管大量的证据表明SCFAs对降低食欲和能量平衡有益，但是由于大部分研究来自动物模型，所以还需要人群实验的数据来支持这些结论。

3.3. 短链脂肪酸和肠道微生物对糖尿病的双重调节作用

人类宏基因组范围内的关联研究显示与T2DM患者特定的肠道微生物、细菌基因和代谢途径显著相关 [16] 。肠道微生物群构成了一个由饮食、生活方式、抗生素和遗传背景所改变的动态实体。宿主健康与肠道微生物群的多样性和稳定性有关。与非糖尿病人群相比，糖尿病患者表现出更高的乳杆菌属水平。肠道微生物群与先天性肠道免疫系统之间的相互作用被认为是可以改变T1D易感性的表观遗传因素 [8] 。Marino等发现微生物菌群被SCFAs所改变，从而抑制T1D的发病机制；无菌小鼠比正常小鼠更易感T1D，说明肠道微生物群在抑制I型糖尿病方面具有积极的作用；经饮水摄入乙酸可明显改善非肥胖型糖尿病(nonobese diabetic, NOD)小鼠的肠道屏障功能，如闭合蛋白，IL-22和IL-21等炎性因子的表达增加以及血中脂多糖水平的降低，降低小鼠T1D发病率。该结果提示SCFAs可能通过影响微生物阻断T1D的发病。尽管SCFAs在预防炎症性疾病和调节免疫细胞方面具有多种功能，但还不确定SCFAs在防治糖尿病和其他疾病中的机制是否与上述功能有关。例如，研究发现乙酸在II型糖尿病人可增加免疫性Treg细胞的数量，减少自身免疫T细胞和B细胞的增殖。那么乙酸对这些淋巴细胞的影响是抑制糖尿病的结果，还是其抑制T1D的原因？这些尚无定论，需要做进一步的研究 [7] 。尽管在没有发现肠道菌群的功能之前，就有研究提示SCFAs对糖尿病的改善作用；但是近年来越来越多的研究提示，SCFAs可能通过与肠道菌群的交互作用来抑制糖尿病的发生；而其确切的作用方式、作用机制还有待于进一步研究证实。

4. 益生元在治疗糖尿病中的应用潜力

益生元被定义为“选择性发酵的成分，其会导致胃肠微生物群的组成和/或活性的特定改变，从而对宿主产生益处”。益生元的食物来源是种子、全谷物、豆类、菊苣根、洋姜、洋葱、大蒜和一些蔬菜。由于益生元的先决条件是必须能够刺激肠道中有益菌生长，所以并非所有纤维都属于益生元；但大多数益生元都可归属为膳食纤维(dietary fiber, DF) [17] 。益生元包括低聚果糖、低聚半乳糖、乳果糖和较大的多糖(菊粉，抗性淀粉，纤维素，半纤维素，果胶和树胶等)。在一项随机双盲、安慰剂对照试验中，48名超重或肥胖成人(BMI > 25 kg/m²)接受了21 g低聚果糖或安慰剂麦芽糖糊精治疗12周，发现补充低聚果糖会降低生长素释放肽和葡萄糖、胰岛素水平，并且增加了肽YY (PYY)的水平。Yamashita [18] 等认为补充8 g/d低聚果糖14 d可改善T2DM患者糖代谢。他们发现空腹血糖、总胆固醇和低密度脂蛋白水平都显著降低。Jackson KG等 [19] 研究结果也显示每天摄入低聚糖10-20 g可以使葡萄糖耐量或脂质分布正常化；研究人员发现，为维持双歧杆菌在体内的生长，需要至少摄入4 g/d低聚果糖或菊粉，但14 g/d或更多的菊粉就会引起肠道不适 [20] 。但是，也有研究发现了与上述结果相反的作用，如54名受试者每天摄入10 g菊粉或麦芽糖糊精8周后，在4周时胰岛素浓度降低；但与对照组相比，没有观察到菊粉对空腹血糖浓度的改善作用 [21] 。抗性淀粉的消耗改善了健康受试者或代谢综合征人群的胰岛素敏感性，并使T2DM女性的餐后葡萄糖或胰岛素水平降低。与摄入普通白小麦面包相比，摄入大量含有抗性淀粉的大麦面包，增加了空腹SCFAs水平、消化道激素(空腹GLP-1，餐后PYY和GLP-2)的分泌，并且改善了胰岛素敏感性(松田指数)。

益生元(菊粉或低聚果糖等)对葡萄糖和脂质代谢的影响机制尚不清楚，但抗性淀粉似乎对于提高胰岛素敏感性有益。DF和RS等益生元在治疗糖尿病方面非常有潜力，其有益作用主要包括预防和治疗肥胖症和炎症、预防相关的代谢疾病如糖尿病、直接影响粘膜屏障从而阻止慢性炎症并且帮助减少饮食过量从而改善体重增加等 [22] 。尽管临床和实验研究揭示这些益生元在糖尿病治疗与预防中的重要潜力，但还需要进一步的研究来阐明涉及的具体分子机制，以开发更有效的对抗糖尿病及其并发症的益生元产品。

文中注释缩写，如附录所示。

文章引用

庞 博,任军丽,杨修利,单毓娟. 短链脂肪酸对糖尿病的调节机制及应用
The Mechanism and Application of Short-Chain Fatty Acids in Diabetes Mellitus[J]. 食品与营养科学, 2018, 07(04): 350-356. https://doi.org/10.12677/HJFNS.2018.74043

参考文献