《Annual Review of Physiology》：Managing Glucose Homeostasis Through the Gut Microbiome
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这篇综述系统阐述了肠道菌位在2型糖尿病（T2D）发生发展中的关键作用及其作为新型治疗靶点的巨大潜力。文章不仅梳理了肠道菌位通过肠漏综合征/免疫、短链脂肪酸（SCFAs）和胆汁酸代谢等多种途径影响葡萄糖稳态的机制，还深入探讨了现有疗法（如二甲双胍、减肥手术）与菌群的交互作用，并全面评估了针对菌群的创新疗法（如粪菌移植、益生元/菌、合生元、异生物质）的临床前与临床证据，为开发精准、非侵入性的糖尿病治疗方案提供了前沿洞见。
肠道菌群与2型糖尿病的发病机制
代谢性疾病，包括肥胖、代谢综合征和糖尿病，与健康个体相比，在啮齿动物模型和人类中都拥有独特的肠道菌群，表现为属和物种水平的改变，并与菌群特定的功能变化相关。最新的宏基因组研究揭示，2型糖尿病患者表现出更严重的微生物失调和功能变化，例如，产丁酸盐细菌减少或特定机会性病原体增加，这些变化可诱发胰岛素抵抗、加重糖耐量异常，最终导致代谢功能障碍。肠道菌位主要通过以下几种机制影响宿主的葡萄糖稳态。
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肠漏综合征与免疫生物学
肠道屏障是先天免疫系统的关键组成部分，可防止肠道内的细菌和病原体进入体内。然而，在高脂饮食喂养期间观察到的肠道菌群变化会诱发肠漏综合征，从而增加细菌内毒素的易位。内毒素激活免疫系统，导致慢性炎症和代谢性内毒素血症。脂多糖是源自革兰氏阴性菌的细菌内毒素，可作为代谢性内毒素血症的标志物，其在2型糖尿病患者中通常升高。LPS和其他穿过肠道屏障的细菌内毒素通过Toll样受体4激活先天免疫系统，从而启动核因子κB的易位，这是一种增加肿瘤坏死因子α和白细胞介素6等促炎细胞因子表达的转录因子。TNF-α可抑制骨骼肌中的胰岛素作用，从而阻碍信号转导和葡萄糖转运体向细胞表面的易位。因此，慢性炎症和促炎细胞因子的产生可导致胰岛素抵抗、高血糖和高胰岛素血症。改变肠道免疫系统可以改善葡萄糖代谢并减少炎症细胞因子。最近的证据强调了高脂高糖饮食和生酮饮食可降低肠道调节性T细胞Th17的水平，而Th17细胞通常通过分泌IL-17和IL-22来帮助维持肠道屏障并防御致病菌。肠道菌位改变免疫系统的同时，免疫系统的变化也能影响肠道菌位。将Th17细胞过继转移到肥胖小鼠中，有益地改变了它们的菌群并改善了葡萄糖耐受，进一步凸显了肠道免疫系统与肠道菌位之间的相互作用。
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短链脂肪酸产生与肠道肽信号
短链脂肪酸，如丁酸盐、丙酸盐和乙酸盐，是肠道细菌发酵碳水化合物的产物。SCFAs可以作为中枢神经系统或肠内分泌细胞中的信号分子，分别直接改善能量和葡萄糖稳态，或通过分泌肠道肽来间接改善。多项研究表明，给予SCFAs可改善能量和葡萄糖稳态，降低体重、葡萄糖不耐受和胰岛素抵抗。尽管在啮齿动物中有大量证据支持这些说法，但SCFA补充剂在人体中的功效并不一致。口服丁酸盐仅改善了健康个体的葡萄糖稳态，但对代谢综合征患者无效，这表明SCFA信号或代谢可能在代谢紊乱时受损。然而，这也可能是口服外源性SCFAs的非生理性质所致，因为大多数SCFA仅在远端肠道产生。与这一观点一致的是，用一种可选择性将丙酸盐递送至大肠的菊粉-丙酸酯治疗超重和肥胖个体，可改善其能量稳态和胰岛素敏感性。与远端肠道增加SCFA水平的潜在益处相反，几项研究发现代谢性疾病患者的粪便SCFAs有所增加。然而，由于大多数SCFAs在肠道被吸收，粪便测量可能无法反映循环中或身体利用的SCFAs的生理水平，需要进一步研究来检验SCFAs在2型糖尿病患者中的具体作用。
SCFAs可以激活肠内分泌细胞，与其它宏量营养素类似，通过与顶端或基底外侧表面的受体结合或在细胞内代谢来实现。虽然许多肠道肽被推测会影响葡萄糖稳态，但研究最多的是胰高血糖素样肽-1、肽YY、胃抑制多肽和胆囊收缩素。GLP-1和GIP是已知的肠促胰岛素，在营养物质摄入后，可迅速增强胰岛素反应。最近的研究还揭示了小肠菌位在介导小肠宿主营养感知机制中的作用，该机制通过GLP-1介导的肠-脑轴来调节肝葡萄糖生成。肠道菌位与肠上皮的紧密接近凸显了微生物-宿主相互作用通过改变肠内分泌细胞营养检测机制以及除SCFAs外的其他肠道衍生代谢物作为配体启动肠道肽释放，从而影响葡萄糖稳态的潜力。
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肠道衍生代谢物
肠道是一个复杂的生态系统，充当生物反应器，微生物通过与摄入的营养物质和宿主分泌的蛋白质的无数相互作用产生大量独特的代谢物。除了上述SCFAs，胆汁酸在肝脏中由胆固醇与牛磺酸（小鼠主要）、甘氨酸（人类主要）或两者（大鼠）结合合成，有助于脂质的消化和吸收。肠道细菌主要负责其去结合并转化为次级胆汁酸，各种形式可作为肝脏或肠道中G蛋白偶联受体TGR5或转录因子法尼醇X受体的配体。例如，细菌将鹅去氧胆酸转化为石胆酸可增加TGR5受体激活，而TGR5激活已知可增加肠内分泌细胞分泌GLP-1，并改善高脂饮食喂养动物的葡萄糖稳态。然而，FXR信号的作用更具争议性，因为肝脏FXR激活可改善健康和糖尿病小鼠的胰岛素敏感性。一些研究报告了肠道FXR激动后胰岛素抵抗和葡萄糖不耐受的改善，但其他研究则表明，肠道特异性FXR敲除或拮抗后葡萄糖稳态得到改善。除了胆汁酸，许多其他肠道衍生代谢物也与2型糖尿病有关，例如咪唑丙酸盐、氧化三甲胺等。
肠道菌位对现有2型糖尿病疗法的贡献
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二甲双胍
二甲双胍是最广泛使用的2型糖尿病处方药，它通过腺苷单磷酸激活蛋白激酶依赖性和非依赖性途径降低肝葡萄糖生成来改善葡萄糖稳态。尽管有大量证据表明二甲双胍直接靶向肝脏，但与静脉或门静脉给药相比，口服二甲双胍治疗可显著提高啮齿动物中二甲双胍的降糖效果。这与最近的研究结果一致，即胃肠道可能介导了二甲双胍的有益作用，可能是通过改变肠道菌位实现的。二甲双胍改变了啮齿动物模型和人类小肠和大肠中的菌群。在高脂饮食诱导的肥胖或糖尿病小鼠中，二甲双胍治疗增加了阿克曼菌的丰度，这与血浆葡萄糖水平呈负相关。类似地，接受二甲双胍治疗的糖尿病患者显示A. muciniphila和产丁酸盐细菌增加，以及结合次级胆汁酸增加，这些次级胆汁酸可拮抗肠道FXR，所有这些都可能有助于改善葡萄糖稳态。二甲双胍还可能通过小肠菌位来改善肠道的葡萄糖调节潜力，因为将经过二甲双胍处理的供体的小肠菌位移植到大鼠体内，恢复了可降低肝葡萄糖生成的营养感知途径，凸显了二甲双胍治疗在改善2型糖尿病方面的多方面作用。
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GLP-1受体激动剂
GLP-1受体激动剂作用于胰腺β细胞以改变胰岛素和胰高血糖素分泌，作用于中枢和周围神经系统以减少食物摄入，并作用于胃肠道以减少肠道炎症以及减缓胃排空和小肠蠕动。虽然菌群变化可以增加GLP-1分泌，但其被二肽基肽酶IV快速降解限制了其降低血糖和食物摄入的效果，使其影响局限于局部、不那么显著的层面。然而，菌位对GLP-1RAs的影响尚不清楚。尽管几项研究确定，GLP-1RA治疗可改善葡萄糖耐量并改变菌群，但由于模型、给药途径和治疗时间的差异，很难确定菌位在介导这些效应中的潜在作用。在高脂饮食喂养或糖尿病的啮齿动物中，GLP-1RA治疗增加了细菌多样性以及益生菌（包括A. muciniphila和乳杆菌）的丰度，在人类中还增加了双歧杆菌的丰度。然而，大多数检查GLP-1RAs在人类中的研究显示治疗后菌位没有变化。考虑到皮下注射是大多数GLP-1RAs的主要给药途径，菌群的任何变化可能是由于GLP-1受体激动引起的肠道生理变化所致，包括胃排空减慢和小肠蠕动减少。虽然口服剂量的GLP-1RA司美格鲁肽已获批准，但尚无研究检查口服该药物对啮齿动物或人类肠道菌位的影响。尽管需要进一步研究来确定GLP-1RAs是否能直接影响肠道菌位以改善葡萄糖稳态，但最近的一项研究确定了微生物产生的DPP-IV在影响宿主GLP-1活性和DPP-IV抑制剂西格列汀疗效中的作用。Wang等人证明，微生物表现出DPP-IV活性，可以降低宿主GLP-1活性，并且与高反应者相比，对西格列汀治疗改善较少个体的微生物DPP-IV活性更高。为了应对这一问题，发现了一种特定的微生物来源的DPP-IV抑制剂，该抑制剂改善了啮齿动物的葡萄糖耐量并降低了粪便DPP-IV活性，凸显了一种靶向宿主和肠道菌位DPP-IV的潜在2型糖尿病新疗法。
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减肥手术
尽管两种常见的减肥手术技术（Roux-en-Y胃旁路术和垂直袖状胃切除术）对胃肠道的生理改变不同，但它们在治疗肥胖和糖尿病的有效性和有益结果方面相当。最初假设机械限制是减肥手术后体重减轻和随后代谢参数改善的主要驱动力。然而，减肥手术导致胃肠道生理学的深刻适应，包括肠道肽释放、胆汁酸分泌和肠道菌位的改变，所有这些都相互关联，并可能在体重减轻和葡萄糖耐量改善中发挥作用。
减肥手术后肠道菌位发生显著变化，并至少维持十年。鉴于胃旁路术（而非药物减肥）导致人类受试者细菌多样性增加，并且接受RYGB的饮食诱导肥胖啮齿动物的菌位与体重匹配的假手术啮齿动物显著不同，减肥手术似乎独立于体重减轻或热量限制而改变了菌位。将RYGB小鼠的菌位移植到无菌小鼠体内重现了体重下降，暗示RYGB介导的菌位变化在驱动体重减轻中具有因果作用。然而，在代谢综合征患者中，移植术后一年、体重减轻30%的供体的菌位并未改善葡萄糖稳态，但确实防止了接受代谢综合征患者队列粪菌移植的受试者中观察到的胰岛素敏感性恶化。因此，虽然菌位似乎在介导RYGB的效果中发挥作用，但它很可能与其他机制协同作用。尽管如此，最近的证据表明胆汁酸信号在减肥手术成功中发挥作用，因为垂直袖状胃切除术的降糖作用依赖于肠道菌位，并且需要功能性的FXR和TGR5受体。类似地，减肥手术后菌位的改变增加了肠道胆汁酸转运蛋白的表达，并增加了石胆酸的吸收和转运至肝脏，在肝脏中它驱动胆酸转化为CA7S，CA7S直接激动TGR5受体以增加GLP-1分泌。最近的证据还强调了SCFA信号在减肥手术后改善体重和葡萄糖稳态中的作用。肥胖个体进行减肥手术后6个月和12个月，循环中的丁酸盐和丙酸盐显著增加，乙酸盐减少。然而，减肥手术后体重减轻和葡萄糖稳态的全面改善不能归因于单一机制，而可能是多种因素（包括肠道菌位的影响）共同作用的结果。
靶向肠道菌位作为2型糖尿病的新型治疗
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粪菌移植
FMT是艰难梭菌感染以及影响胃肠道的其他几种疾病最常用且最成功的治疗方法。最近，FMT已被研究作为神经系统、免疫系统和代谢紊乱（如肥胖和2型糖尿病）的替代疗法。在啮齿动物中，每天用健康人类的粪便细菌治疗db/db小鼠改善了葡萄糖耐量和代谢，而从健康饮食或高脂饮食的运动小鼠重复进行FMT改善了久坐高脂饮食喂养小鼠的葡萄糖耐量并减少了肥胖。此外，将健康饮食喂养大鼠的小肠内容物移植到高脂饮食喂养的大鼠中，可急性改善葡萄糖耐量并降低对小肠营养输注的葡萄糖生成反应，尽管未评估长期潜力。尽管关于FMT治疗代谢疾病的动物研究很有希望，但FMT作为代谢紊乱治疗的长期临床效果有限。在两项人体研究中，患有代谢综合征的男性受试者接受了来自瘦供体或自身菌位的自体移植。接受瘦供体移植的受试者在6周后显示出胰岛素介导的葡萄糖摄取改善和糖化血红蛋白降低，但在18周时间点未观察到该效应。FMT缺乏长期临床益处可能是由于宿主免疫反应和宿主生活方式的结合，因为饮食已被证明在改变菌位中起作用。因此，FMT的时机、重复和剂量，以及生活方式的改变，可能需要结合起来才能使FMT成为代谢综合征和糖尿病的可行治疗方法。事实上，最近的两项临床试验表明，饮食改变或纤维补充剂与FMT相结合，分别改善了2型糖尿病或肥胖患者的代谢结果。然而，并非所有患者都通过FMT改善了葡萄糖稳态，二次分析显示，胰岛素敏感性的改善与细菌多样性增加和供体细菌定植有关，突显了受体菌位的个体差异会影响FMT的有效性。与大多数啮齿动物研究不同，代谢疾病人类受试者的菌位和饮食模式存在个体差异，类似于个性化医疗方法，可能需要开发个性化的FMT来真正靶向菌位并治疗代谢疾病。尽管如此，鉴于FMT在治疗其他临床疾病方面的成功及其相对简便性，需要进一步的临床研究来梳理个体差异对FMT治疗和成功的影响。
重复FMT的一个明显替代方法是确定驱动该现象的最有益细菌，并每天补充这些细菌（益生菌）或为其生存和繁殖能力提供适当的底物（益生元）。
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益生菌
世界卫生组织将益生菌定义为“当摄入足够数量时，能对宿主健康产生有益作用的活的微生物”。几种益生菌在患有代谢疾病的啮齿动物和人类中，无论是在急性还是慢性期，都能改善代谢参数。这里我们考察了乳酸菌、产丁酸盐细菌和特定物种A. muciniphila对2型糖尿病和其他代谢疾病状态的治疗效果。
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Akkermansia muciniphila
A. muciniphila是一种革兰氏阴性、降解粘蛋白的细菌，主要存在于肠道粘膜层，存在于啮齿动物和人类的粪便中。粘蛋白是一种糖蛋白，是这种粘液层的主要成分，并作为A. muciniphila的能量来源。大多数研究表明，在啮齿动物模型和人类中，A. muciniphila与肥胖或2型糖尿病呈负相关，其丰度降低与炎症、肝脂肪变性和胰岛素抵抗增加相关。然而，一项宏基因组研究发现，与2型糖尿病相关的A. muciniphila基因增加，并断言粘蛋白降解增加会对肠道粘液层完整性产生负面影响。与这一观点相反，A. muciniphila丰度与更厚的粘液层和更低的肠道通透性相关。虽然尚未完全理解，但A. muciniphila丰度与肠道内产生粘蛋白的杯状细胞数量呈正相关，给予巴氏杀菌和活A. muciniphila都增加了杯状细胞密度，这表明了增加粘液产生的可能机制。尽管如此，给予活的或巴氏杀菌的（而非热灭活的）A. muciniphila恢复了高脂饮食喂养小鼠的粘液层厚度并改善了血糖控制。这种效应可能是由外膜蛋白Amuc_1100介导的，它激活TLR2以调节紧密连接蛋白的表达和肠道稳态，虽然A. muciniphila的巴氏杀菌不会破坏Amuc_1100，但高压灭菌可能会使该蛋白变性。用A. muciniphila或单独的Amuc_1100处理，通过增加小鼠结肠和小肠中claudin 3、occludin、zonula occluden-1和zona occluden-2等紧密连接蛋白的表达来增强肠道屏障功能。粘液层厚度和紧密连接蛋白的增加最终导致肠道通透性和内毒素血症降低，这与高脂饮食喂养小鼠的胰岛素抵抗和葡萄糖调节改善相关。A. muciniphila最近还被发现分泌一种新型蛋白质P9，该蛋白通过增加小鼠的GLP-1分泌来改善葡萄糖耐量。重要的是，早期的临床研究表明，给予活的或巴氏杀菌的A. muciniphila对人类受试者是安全且可耐受的，并且用巴氏杀菌的A. muciniphila治疗代谢综合征患者，与安慰剂组相比，显著降低了循环LPS，改善了胰岛素敏感性，并降低了胰岛素血症。总之，这些初步研究证明了A. muciniphila治疗在代谢失调的啮齿动物和人类中的葡萄糖调节益处，突显了A. muciniphila作为治疗肥胖和糖尿病的可行益生菌的巨大潜力。
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产丁酸盐细菌
产丁酸盐细菌是一组功能性的厌氧共生细菌，它们通过发酵多种底物产生丁酸盐。虽然许多肠道共生菌是丁酸盐生产者，但只有少数被测试了其治疗代谢疾病的益生菌潜力；这些包括普拉梭菌和Anaerobutyricum soehngenii。F. prausnitzii是一种厌氧、产丁酸盐的细菌，在小鼠和人类的结肠中含量很高，并且在2型糖尿病患者中减少，在减肥手术后增加，这与炎症标志物呈负相关。F. prausnitzii水平与肠道炎症减轻之间的正相关关系凸显了其作为益生菌改善肠道屏障完整性和代谢性内毒素血症的潜力。在结肠炎症的小鼠模型中，F. prausnitzii处理或其上清液处理增加了紧密连接蛋白并减少了炎症细胞因子。尽管很少有研究探讨F. prausnitzii抗炎特性背后的机制，但其上清液在减轻炎症方面的有效性指向了有益代谢物（主要是丁酸盐）的产生。然而，体外和体内用丁酸盐处理并未引起与F. prausnitzii上清液处理相同的抗炎效果。此外，F. prausnitzii产生微生物抗炎分子，在db/db小鼠中恢复了肠道屏障功能并增加了紧密连接蛋白。尽管F. prausnitzii给药改善了啮齿动物的葡萄糖稳态，并且GLP-1RA治疗增加了2型糖尿病患者粪便中F. prausnitzii的丰度，且与空腹血糖呈负相关，但迄今为止，尚无临床研究检验F. prausnitzii的葡萄糖调节潜力。然而，最近的一项研究确立了长期补充F. prausnitzii作为下一代益生菌在人类中的安全性和耐受性，临床试验目前正在进行中。
在F. soehngenii增加与胰岛素敏感性改善相关的一项临床FMT试验后，人们对A. soehngenii作为潜在益生菌的兴趣日益增长。在糖尿病小鼠中，用A. soehngenii治疗增加了粪便丁酸盐和次级胆汁酸，改善了胰岛素敏感性并增加了能量消耗。此外，两项针对代谢综合征患者的临床试验发现，给药是安全且可耐受的，单次十二指肠输注A. soehngenii增加了GLP-1水平，并改善了胰岛素分泌和敏感性。产丁酸盐细菌治疗的有益效果突显了这些益生菌作为改善代谢疾病的新疗法，并强调了丁酸盐产生增加对葡萄糖稳态的积极影响。
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产乳酸细菌
乳酸菌是一大类耐酸、革兰氏阳性、通常不运动的细菌，它们将碳水化合物发酵，以乳酸为主要终产物。乳酸是参与厌氧呼吸的关键代谢物，可作为其他细菌利用以产生SCFAs的能源。乳酸杆菌和双歧杆菌属内的物种是研究最深入、使用最广泛的益生菌补充剂，以至于美国食品药品监督管理局已将其归类为公认安全物质，为进一步研究其在肥胖、2型糖尿病和其他代谢疾病中的作用打开了大门。
补充各种产乳酸菌种在啮齿动物中产生了多种有益的代谢效应，包括减少全身炎症、增加肠道屏障完整性、增加胆汁酸去结合以及改善胰岛素敏感性和葡萄糖耐量。在给予许多乳杆菌或双歧杆菌菌种（包括L. gasseri、L. rhamnosus、L. plantarum、L. paracasei、L. casei、L. reuteri、B. animalis和B. longum）后，观察到啮齿动物血糖控制的改善。此外，几种产乳酸细菌降低了胰岛素抵抗的稳态模型评估，或在糖尿病或肥胖小鼠的高胰岛素-正葡萄糖胰腺钳夹期间改善了胰岛素敏感性。一种提出的改善机制涉及益生菌治疗后肠道FXR信号的改变。乳酸杆菌家族的几个成员表达胆汁盐水解酶，从而去结合胆汁酸，从而降低肠道FXR活性。例如，给予L. gasseri抑制了肠道FXR，改善了小肠营养感知，从而改善了高脂喂养大鼠的全身葡萄糖稳态。由于肠道FXR激活抑制GLP-1分泌，乳酸杆菌治疗后葡萄糖稳态的改善可能是由于改善的营养感知和肠道肽释放所致。事实上，用产乳酸细菌（如L. rhamnous、L acidophilus、B. bifidumi或L. casei）的组合或单独处理，增加了啮齿动物模型中的循环和肠道GLP-1水平。此外，FXR激活减弱了肠内分泌细胞中SCFA诱导的GLP-1释放。因此，通过产乳酸细菌改善肠道肽释放和葡萄糖稳态，可能是降低肠道FXR信号和增加SCFA产生的交互作用的结果。确实，用特定的L. casei、L. plantarum或L. acidophilus菌株处理增加了啮齿动物的丁酸盐和乙酸盐水平，尽管没有研究直接调查这一点。
尽管在动物模型中取得了有希望的结果，但人类研究的结果却不那么令人鼓舞。与安慰剂相比，给予含有产乳酸细菌（包括L. acidophilus、L. plantarum和B. lactis）组合的益生菌，降低了2型糖尿病患者的HbA1c和空腹血糖水平。单独使用L. plantarum治疗后，餐后血糖和HbA1c水平也出现了下降。然而，与安慰剂对照组相比，补充L. reuteri、L. acidophilus或B. lactis并未显著改善健康或糖尿病个体的血糖控制或胰岛素敏感性。尽管这些产乳酸细菌并未改善2型糖尿病患者的整体葡萄糖稳态，但B. lactis确实在整个研究过程中保持了代谢综合征患者的胰岛素敏感性。鉴于许多产乳酸细菌，尤其是双歧杆菌，在糖尿病患者中减少，补充以恢复产乳酸细菌似乎是治疗糖尿病的一种有前景的疗法。然而，有限的临床证据显示葡萄糖耐量和胰岛素敏感性有所改善，这表明要么产乳酸细菌在改善代谢疾病方面缺乏效果，要么治疗策略存在问题，因为个体在饮食、菌位和潜在代谢紊乱的表现方面存在高度异质性。因此，诸如益生元等增加整体菌位多样性和丰富度而非单一细菌的治疗方法，可能为更广泛的人群提供更有效的治疗选择。
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益生元
益生元被定义为“选择性发酵的成分，导致胃肠道菌位的组成和/或活性发生特定变化，从而赋予宿主健康益处”。为了使一种物质产生益生元效应，它必须能够抵抗胃酸和哺乳动物酶的水解以及胃肠道吸收，能够被肠道菌位发酵，并且必须选择性地刺激有益肠道细菌的生长或代谢
