综述 | 评估人群肥胖和糖尿病与肠道菌群的因果关系（全文翻译）

本文由廖维瑶编译，董小橙、江舜尧编辑。

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导读

肠道菌群在炎症和胃肠道疾病中发挥关键作用。饮食对肠道微生物的组成、结直肠癌（colorectal carcinoma，CRC）的发展风险有关。人群宏基因组学和基础研究提示，肠道微生物在胃肠道恶性肿瘤演变中发挥基础作用。但CRC中，肿瘤的发展机制和微生物的共同进化机制还有待进一步研究，相关研究将有助于寻找新的有效治疗策略。

肥胖和肥胖相关疾病如2型糖尿病(T2DM) 的病理生理学十分复杂, 由多种因素导致。最近的研究发现影响这些代谢病理的因素之一是肠道菌群。负担得起的高通量测序技术的使用, 大大扩展了我们对肠道菌群在调节宿主代谢和(心脏) 代谢疾病发展中的作用的认识。然而，肠道微生物菌群在疾病发展中起作用的证据主要来自于对小鼠模型的研究: 数据显示在人群研究中因果关系是缺乏的。在本综述中,我们将讨论支持肠道菌群在肥胖症和糖尿病(尤其是T2DM)发展中的因果作用的证据的质量。考虑到潜在机制的重叠, 肠道菌群在1型糖尿病中的作用也将得到进行讨论。我们将详细阐述影响人类微生物组成的因素, 并讨论微生物组成或微生物代谢产物的变化如何促进疾病的发展。我们将对确定人群肥胖和糖尿病与肠道菌群的因果关系上存在争议的方面以及潜在的能克服这些问题的策略进行假设。此外，我们将讨论改变人体肠道菌群组成的方法，以帮助建立因果关系，并讨论系统生物学方法，这些方法可能是解开肠道菌群在肥胖和T2DM中的作用的关键。

论文ID

原名：Evaluating Causality of Gut Microbiotain Obesity and Diabetes in Humans

译名：评估人群肥胖和糖尿病与肠道菌群的因果关系

期刊：Endocrine Reviews

IF：15.545

发表时间：2017年

通信作者： Hilde Herrema

通信作者单位：荷兰阿姆斯特丹医学学术中心血管内科

综述要点

1. 自高通量测序技术价格可负担以来, 对肠道菌群在调节宿主新陈代谢方面的作用的研究已呈指数增长。

2. 种族、宿主遗传学、饮食习惯和药物使用史之间复杂的相互作用在微生物群落的形成中起着重要的作用。

3. 细菌代谢物和细菌衍生成分可能是人体代谢的重要调节器。

4. 遗传学、肠道菌群/代谢物和免疫之间的相互作用可能在1型糖尿病的发展中起到作用。

5.将个性化方法, 如基于微生物群的饮食策略或个性化的肠道菌群移植，应用于肥胖症和/或2型糖尿病的高危人群的早期干预可能有利于肠道微生物的调控。

6. 结合不同组学数据集的系统生物学方法将加速我们对微生物群与人类健康和代谢疾病的关联的理解。

7. 需要大型人群前瞻性和干预性研究结合模型系统中专门的机械研究来了解肠道微生物群对代谢性疾病发生发展的影响。

综述内容

前言

全球肥胖患病率的上升对当今世界的公共卫生和经济构成了前所未有的挑战。肥胖与代谢紊乱有关，包括血脂异常和胰岛素抵抗;而这两者都被认为是心血管疾病(CVD)、非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)和几种癌症发展的主要危险因素。因此，肥胖被认为是21世纪最大的公共健康威胁之一¹。导致肥胖流行的因素包括体育活动减少和(高热量)食物摄入量增加。然而，如果肥胖症的发病机理是这么简单的话，希波克拉底治疗肥胖症的处方:“每天只吃一次，不洗澡，睡在硬床上，尽可能地裸着走”，就会很成功²。不幸的是，肥胖和肥胖相关并发症的治疗(和预防)已经被证明是更加复杂的。尽管在这一领域进行了广泛的研究，但解决这一问题的成功策略仍然很有限。因此，对于制定新的、有效的治疗策略来说，机械地阐明肥胖和相关疾病的发生发展是至关重要的。

肥胖患病率的上升趋势与2型糖尿病(T2DM)相一致，2型糖尿病是几乎所有高收入国家心血管疾病的主要病因³。据估计，到2040年，全球将有6.42亿人患有这种疾病，这一数字令人震惊。许多研究人员致力于阐明导致肥胖中T2DM发病的病理生理学途径。2009年，DeFronzo在糖尿病研究中引入了一个当时的新模式:预测的八重奏⁴。这一模式阐述了除了肌肉、肝脏和β细胞（三丙酸酯）外⁵，脂肪细胞、胃肠道、阿尔法细胞、肾脏和大脑都在T2DM的发生过程中发挥着重要作用。模式也描述了T2DM发展的复杂性:许多决定因素共同驱动疾病发展;然而，这些驱动因素的层次在很大程度上仍是未知的。此外，在T2DM的发展过程中，也可能存在除了“预测的八重奏”之外的决定因素在发挥作用。在过去的十年里，肠道菌群被认为是T2DM病理生理学的一个新的潜在驱动因素。

除了2型糖尿病外，世界范围内1型糖尿病(T1DM)的发病率也在迅速增加^6,7。遗传易感性或由遗传易感母亲所生的孩子不能简单地解释这一现象⁸。因此，T1DM发病率不成比例的增加在很大程度上归因于环境影响，如早期肠病毒感染。此外，T1DM临床发病前通常伴有多年的系统性炎症和自身免疫增强，这与肠道微生物组成的变化有关。因此，肠道菌群是影响T1DM发病因素。

自从引入可负担得起的高通量测序技术以来，人们对肠道菌群在调节宿主代谢中的作用的兴趣和认识呈指数级增长。这些技术允许对人体和小鼠的肠道微生物进行组成和功能分析。小鼠模型对研究肠道菌群组成的决定因素以及肠道菌群在健康和疾病中的作用起到重要作用。虽然小鼠模型中的研究结果支持这样的假设，即肠道微生物群可能与肥胖和糖尿病的发展存在因果作用，但在人群中支持这一假设的研究数据仍然很少。

在这篇综述中，我们的目标是提供(并评估其质量)证据，支持肠道微生物在人类肥胖和糖尿病发展中的因果作用。我们将详细阐述影响人体微生物组组成的因素，并讨论肠道微生物组和微生物代谢物影响宿主代谢的可能机制。我们将对确定人群肥胖和糖尿病与肠道菌群的因果关系上存在争议的方面以及潜在的能克服这些问题的策略进行假设。此外，我们将讨论改变人体肠道菌群组成的方法，以帮助建立因果关系，并讨论系统生物学方法，这些方法可能是解开肠道菌群在肥胖和糖尿病中的作用的关键。

1 影响肠道菌群的因素

人体肠道菌群是一个复杂的生态系统，据估计由10¹⁴个细菌组成¹¹。这个数字等于人体细胞的数量¹²。肠道菌群的组合遗传物质，统称为肠道微生物组，大约超过人类基因组100倍^13,14,15。肠道微生物群落以5个细菌门为主;放线菌们，拟杆菌门，厚壁菌门，变形菌门和疣细菌门。不同的pH值(从近端肠到远端肠的pH值升高)和氧浓度(从近端肠到远端肠的氧浓度降低)都会影响胃肠道细菌的相对和绝对丰度。近端消化道富含厚壁菌门、变形菌门和乳酸菌属的细菌，远端消化道主要包括拟杆菌门、厚壁菌门和Akkermansia municiphilia种的细菌¹⁶。

尽管健康的肠道菌群仍有待定义，但很明显，在健康的个体中，肠道菌群的组成是高度多样化的¹⁷。有趣的是，随着工业化程度的提高，可以观察到肠道菌群多样性总体呈下降趋势¹⁸。这种趋势可能是现代生活方式的结果，并受到新药物和加工食品供应增加所推动。重要的是，肠道微生物的组成在个体之间是高度可变的，并且不断被内源性和外源性因素修饰。这种个体间的差异在出生时就已经存在，主要是由母亲的微生物群组成决定¹⁹。有趣的是，新生儿的肠道不是无菌的;有研究表明，宫内暴露于母体微生物群中是影响肠道微生物组最初构成的因素之一²⁰。一旦羊水消失²¹，肠道就会进一步被细菌占据，而这主要是由于羊水的输送方式造成的。通过自然(阴道)分娩出生的婴儿具有类似于母亲阴道微生物群组成的肠道微生物群。另一方面，通过剖腹产出生的孩子，其肠道菌群组成类似于母亲的皮肤菌群组成²²。这些肠道菌群组成的最初决定因素会持续几个月，甚至更长时间²³。早期肠道菌群的差异是否会影响晚期疾病的发生还有待研究。

最近一项将全基因组测序(whole genome sequencing, WGS)与16S rRNA测序相结合的研究表明，不同年龄和民族的宿主在肠道微生物多样性和丰度方面存在显著的个体间差异²⁴。除了微生物群组成的个体间变化之外，对儿童和成人肠道微生物群的功能分析结果还表明，参与氨基酸代谢、脂多糖(LPS)生物合成、RNA降解和类固醇激素生物合成的基因丰度与年龄有关²⁵。虽然这些结果表明肠道菌群在不同年龄的受试者之间存在差异，但这些结果必须谨慎解释。WGS仅表示潜在功能，并不能不评估实际的基因表达水平。但是，这些结果可以表明年龄和种族与肠道菌群功能的差异有关。

肠道微生物群最重要的调节因素之一是饮食。人类的干预研究揭示了在多大程度上可以通过饮食改变来调节微生物群^26,27。饮食对肠道菌群组成和功能的影响可以用三个不同的方面来描述²⁸。首先，肠道菌群对膳食成分(主要)变化的反应非常快。一些研究表明，在开始饮食干预后的两天内，肠道微生物的组成和功能就会发生急剧变化^26,27。从以植物和肉类为基础的饮食转变为每天补充30克膳食纤维的饮食，可引起肠道微生物群的成分和功能变化²⁶。此外，10天高纤维、低脂肪或低纤维、高脂肪饮食的受试者也出现了肠道菌群的组成和功能变化^26,27。第二，尽管在饮食结构发生大的变化后，其组成和功能发生了迅速变化，但仍需保持为长期的饮食习惯才能引起肠道菌群组成的重大变化。最明显的例子就是观察到在坚持只吃植物的饮食的传统人群中发现的某些微生物类群(普雷沃特拉属和木兰杆菌属特有的大量细菌)，而这些肠道菌群在西方人群中是不存在的²⁹。此外，一些研究表明，急性饮食干预开始后不久，方向饮食能使肠道菌群发生改变，但未能显示在肠道菌群在后期有重大变化。例如，一项研究报告显示，在饮食干预开始24小时后就可以检测到调节肠道菌群组成的变化，而饮食干预10天后并未出现进一步的变化²⁷。第三，饮食结构变化引起的微生物群落组成改变具有很高的个体间差异^30,31,32。因此，饮食干预治疗肥胖症所出现的不同效果可能是由于饮食干预开始时，微生物群组成已存在的差异³³。增加纤维摄入和减少总热量摄入已被证明可以增加低微生物基因丰富度受试者的微生物多样性。相比之下，在基线下，微生物基因丰度高的受试者，其丰度不受饮食干预的影响³¹。

药物对肠道微生物组成也有显著影响。特别是抗生素治疗，以影响肠道菌群而闻名。此外，在生命早期使用抗生素会导致后期体重增加³⁶。最近的一项研究表明，口服抗生素治疗会导致厚壁菌门的特异性扩张，这可能会产生不利影响，因为大量厚壁菌门的增加与肥胖³⁸和T2DM ³⁹有关。在20名接受万古霉素或阿莫西林治疗7天的男性肥胖受试者中，一项盲随机对照试验表明，与阿莫西林治疗的受试者相比，万古霉素治疗的受试者外周胰岛素敏感性显著降低。万古霉素治疗是一种专门根除革兰氏阳性菌的治疗方法，它将肠道微生物群落转变为以革兰氏菌为主的群落，而革兰氏菌可能对包括胰岛素敏感性在内的宿主代谢产生负面影响。然而，在另一项研究中，万古霉素治疗的这些代谢效应并没有被观察到。在这项随机双盲安慰剂对照试验中，57名肥胖的人类受试者口服万古霉素、阿莫西林或安慰剂治疗7天。阿莫西林处理对微生物组成的影响不显著，万古霉素处理对微生物多样性和组成的影响较大，革兰氏阳性菌减少，革兰氏菌代偿性增加。尽管这伴随着微生物介导的代谢过程(即其中，原发性胆汁酸向次生胆汁酸转化减少，短链脂肪酸产量减少，胰岛素敏感性、能量代谢和全身低度炎症未受影响⁴¹。这两项研究中代谢结果的差异可能是由于基线时粪便细菌丰富度的差异。在我们小组最近的一项研究中，我们表明，在基线上的微生物群组成确实是粪便微生物群移植(FMT)对胰岛素敏感性影响的精确决定因素。我们能够非常准确地预测是否肥胖，胰岛素抵抗的受者应该被归类为反应者或非反应者根据瘦捐赠者的同种异体FMT。FMT介导的机体代谢改善在基线菌群丰度高的接受者(FMT之前)中无法维持，这可以归因于个人的高度核心微生物的存在。在这一类接受者中，FMT后肠道菌群组成迅速恢复到之前的组成，这可能是宿主免疫系统恢复能力导致的。然而，不能排除，这些接收者的生活方式(尤其是饮食习惯)在这一现象中起了很大的作用。然而，更高的菌群丰度可能伴随着更显著的个人核心微生物组组成，这中组成结构很难被FMT或抗生素治疗所改变。因此，在菌群丰度高的接收者中，FMT或抗生素治疗所导致的微生物介导的代谢效应将更难持续，面临着更大的挑战。

二甲双胍是目前口服最常用的抗糖尿病药物，有报道称其会影响肠道菌群组成^45，46。最近的一项针对T2DM患者的双盲安慰剂对照试验显示，与接受安慰剂的患者相比，接受二甲双胍治疗的患者的肠道菌群组成发生了显著改变⁴⁷。有趣的是，接受二甲双胍治疗的小鼠与接受安慰剂治疗的小鼠相比，接受FMT的无菌(GF)小鼠的糖耐量有所提高，这表明二甲双胍诱导肠道微生物组组成的改变部分介导了该药物对葡萄糖稳态的有益作用⁴⁷。研究表明，二甲双胍的有益作用至少在一定程度上是由肠道微生物产生的短链脂肪酸(SCFA’s)介导的⁴⁶，同时观察到二甲双胍治疗患者出现脂多糖（LPS）生物合成和短链脂肪酸代谢功能的变化⁴⁶。有趣的是，已知的二甲双胍药物不良反应事件如腹泻、恶心、呕吐和腹胀与大肠杆菌丰度相对增多有关⁴⁶。最近一项对748名有T2DM和无T2DM参与者的粪便样本进行宏基因测序的研究结果显示，二甲双胍是宏基因组分析中一个很强的混杂因素⁴⁶。因此，在评估T2DM患者体内微生物组成时，对二甲双胍进行校正至关重要。

质子泵抑制剂(PPI)是常用的口服抗酸药物，也涉及到调节肠道菌群组成⁴⁸。虽然粪便微生物的多样性没有明显的变化，但已知某些类群（如艰难梭状芽胞杆菌）具有很高的过度生长潜力，在奥美拉唑(40毫克/天)治疗4周后会出现丰度增加。这些结果提示使用PPI可能容易诱发艰难梭状芽胞杆菌感染⁴⁸。

人类遗传与肠道菌群组成的形成具有很强的关联。最近一项在同卵双生双胞胎身上进行的研究表明，一些微生物物种具有遗传性，部分原因在于编码乳糖酶的人类基因位点与双歧杆菌属之间的联系。在全基因组关联研究中发现了人类基因组成和微生物组组成之间的其他联系，其中遗传位点、微生物分类群和功能通路相互联系。最近，一种新的基于两个宏基因组研究的横断面数据计算方法，用于研究改变个体微生物组成的调控因素。有趣的是，至少在物种水平上，肠道微生物组成与宿主遗传学无关⁵³。这一结论挑战假设，即与宿主基因一样，宿主免疫在肠道菌群组成调节中所起的作用比先前认为的要小。如果这一结论是正确的，那么这一结论将对调控微生物群的组成的通用程序和产品的开发产生重大影响⁵⁴。

虽然影响肠道微生物组成因素的优先次序仍不清楚，但很明显，种族、宿主遗传、传递方式、饮食习惯和(用药史)使用之间的复杂相互作用在塑造微生物群落方面都发挥着重要作用。我们将在下一段中讨论有关肠道菌群在人类肥胖和糖尿病等代谢性疾病发生发展中的作用的现有证据。

2 人体肠道菌群组成和T2DM的发展:为什么在人体中确定两者的因果关系很困难

在过去的十年里，人们对肠道菌群在人体代谢紊乱(如肥胖和T2DM)的发展中所扮演的角色的兴趣大大增加。这一现象在一定程度上是由于采用了更新颖、更廉价的下一代测序技术，加上可用的人类受试者的粪便样本和组织活检增加。尽管如此，关于肠道菌群组成与人类代谢疾病发展之间的联系大部分仍然是相关关系，而且主要是基于检测到的粪便菌群中菌株相对丰度的差异。此外，人群研究结果的可重复性是相当低的55，这使得肠道菌群在疾病发展中的作用存在争议。研究设置上的差异、样品制备的地理位置以及数据分析上的不一致都是低重现性的原因之一。因此应该倡议研究小组之间相互合作(例如，交换样本和在不同站点上分析)，使得研究细节充分透明，包括开放获取在线存储库中的方法和原始数据，这些合作将提高该领域研究结果的可重复性。

缺少来自小肠近端部分的活检或腔内/粘膜材料使得这一重要消化道部分的微生物组成和功能仍然缺乏探索。此外，肠道菌群组成主要与来源于观察(回顾性)研究获得的临床参数有关。通常情况下，这种研究方法不能得出是否肠道菌群的组成与疾病发生存在因果关系的结论且无法验证两者间孰因孰果。这种“鸡生蛋蛋生鸡”的情况在一定程度上可以由大型前瞻性研究来证明，如荷兰和HELIUS队列^56,57。虽然前瞻性研究将提供肠道菌群组成变化与疾病发展时间相关的数据，但要其证明因果关系(如肠道微生物群是否是疾病发生的病因），只能从干预研究中得出结论。然而，严格的研究肠道微生物群组成的人群干预研究很少，迄今仅限于FMT、抗生素治疗、饮食和益生菌治疗。尽管FMT是一种十分具有潜力的研究因果关系的干预策略⁵⁸，但目前为止，其他对人体的干预研究表明，有关肠道微生物群在代谢疾病发生中所起作用的因果证据仍然有限。图1展示了一种验证肠道菌群在(心血管)代谢疾病发生中的因果作用的自上而下的方法。

图1:如何确定心血管代谢疾病中肠道微生物群落的因果关系，一种自上而下的方法来确定微生物群落/微生物代谢物与肥胖和2型糖尿病的因果关系。(1)在瘦和肥胖/T2DM患者中测定微生物组和微生物代谢物组成。细菌或相关的代谢物必须与这些条件相关联。(2)在干预了影响功能输出的微生物组组成和影响宿主代谢表型后，细菌/代谢物必须与表现型的变化相关。(3)相关的细菌或代谢物加速或改善模型(如肥胖小鼠模型和T2DM)和健康或肥胖、胰岛素抵抗志愿者的表现。

3 因果关系:源于小鼠研究的见解

肠道菌群与宿主健康和代谢疾病之间的因果关系的证据主要来自于对啮齿类动物的研究⁵⁹。人类和小鼠的消化道在解剖学、遗传学和生理学上都非常相似，小鼠小肠和大肠组织的组成类似于人体。此外，杯状细胞和潘式细胞在人体和小鼠的肠道完整性和宿主-微生物群平衡中同样发挥独特的作用⁶⁰。然而，人类和小鼠依然存在着重要的差异，因此，将两者的研究进行比较时必须十分谨慎。人与小鼠消化道的一个重要区别是小鼠盲肠相对于总消化道相对较大。此外，盲肠是小鼠发酵的重要部位。小鼠发酵能力的提高能显著影响肠道微生物的多样性、组成和功能⁶⁰。相比之下，人盲肠相对较小，且没有明确的功能⁶¹。遗传背景是小鼠代谢表型的主要影响因素之一，而对于人类，肥胖和胰岛素抵抗是由遗传、饮食和生活方式的复杂相互作用所导致的⁴。此外，与大多数人群研究形成鲜明对比的是，小鼠研究可以严格控制，以尽量减少常常在人群试验中存在的混杂因素(例如，食物摄入、饮食组成、用药史)。基因改造小鼠的应用为了解肠道微生物群如何影响宿主代谢和促进代谢疾病的发展提供了有价值的机制。

在缺乏微生物群的无菌(GF)小鼠中进行的研究首次提供了重要的证据，表明肠道微生物群可能对肥胖和相关疾病的发生有因果作用。研究表明，尽管GF小鼠的食物摄入量较高，但与常规饲养的小鼠相比，GF小鼠更瘦⁶²。此外，GF小鼠对HFD诱导的肥胖具有较强的抵抗能力⁶³。GF小鼠用于建立无菌模型:GF小鼠体内定居着特定的微生物群或拥有严格定义的微生物群落。FMT通过从普通饲养的老鼠身上移植粪便，使GF受体的体脂肪增加了60%，食物摄入量减少了⁶²。因此，肠道微生物群提高了从食物(尤其是难以消化的碳水化合物)中获取能量的能力，从而促进了宿主的能量代谢。在后续的研究中，粪便微生物从常规饲养的肥胖小鼠移植到GF小鼠，进一步加速建立了肠道微生物与肥胖发展的因果作用³⁸。有趣的是，接受过肥胖供体移植粪便的GF受体小鼠与接受过瘦供体移植的GF受体小鼠相比，在同样的饮食下体重增加更多。这些结果表明，肥胖小鼠的微生物群落从膳食成分中获得了更多的能量。此外，这些数据表明肥胖表型可以从供体转移到受者，进一步表明了其可能存在因果关系。在接下来的一项研究中，一对体重差异打的双胞胎的粪便微生物群被移植到GF小鼠体内，结果显示，接受肥胖同卵双胞胎粪便微生物移植的受者比接受瘦同卵双胞胎粪便微生物移植的受者体重增加明显更多⁴⁹。尽管对GF小鼠的研究为肠道菌群对宿主代谢的贡献提供了重要的见解，但无菌小鼠的代谢与常规饲养的小鼠相比存在很大的差异⁶⁰。例如,GF老鼠倾向于消耗更多的卡路里,分泌更多的油脂,而重量却小于传统小鼠⁶⁴。重要的是，缺乏微生物对免疫系统和肠道生理的成熟和功能有重要影响⁶⁵。由于免疫系统和肠道功能在(微生物介导的)肥胖症和T2DM的发生过程中起着关键作用，因此GF小鼠的研究结果仍存在一定的局限性。

尽管小鼠模型的研究提供的证据另人信服，但数据表明，使用这个模型得出的结论无法预测人类肠道菌群和肥胖症发生之间的因果关系。我们将举例说明解释小鼠和人类数据的困难性及强调转化研究方法的挑战性。最近一项小鼠模型研究的结果表明，一种可以降解黏液素的Akkermansia黏液菌的膜蛋白可以改善肥胖和T2DM⁶⁶。这与另一项在以人为研究对象的研究结果相矛盾。在T2DM患者的菌群样本中，Akkermansia mucinophilia和Desulfovirbrio的丰度是增加的。这一现象也提出了一个问题，即特定菌株相对丰度的降低是疾病的病因，还是仅仅是疾病的反映。因此，我们有必要思考一下在我们的理解中所处的位置以及肠道微生物菌群在人类代谢性疾病发生中的作用以及应对这些挑战的策略。

4 肠道微生物组的组成和功能与心脏代谢疾病的发生:来自人类研究的证据

与啮齿类动物的研究结果一致，肠道菌群与人类肥胖有关，随着体重减轻，厚壁菌门/拟杆菌门的比例增加⁶⁷。厚壁菌的数量增加意味着可以食物中获取更多的能量⁶⁸。相反的是，其他研究小组未能发现肥胖组与瘦组的厚壁菌门/拟杆菌门之比存在差异^69,70。必须指出的是，技术上的困难和方法上的差异导致细菌球代表性不足，特别是拟杆菌⁷¹，从而错误地显示了被影响的门之间的丰度。此外，尽管发现了厚壁菌门/拟杆菌门之比的差异，但这是否这种差异是食物摄入的一个反映或者是导致肥胖的因素之一仍有待确定。因此，这些发现的相关性是有争议的。在T2DM发生前，胰岛素抵抗增加，一些代谢标志物与乳酸菌和梭状芽胞杆菌有关⁴⁵。空腹血糖和糖化血红蛋白水平与乳酸杆菌呈正相关，而梭菌与这些参数呈负相关⁴⁵。此外，有研究表明，T2DM患者细菌丰度减少，而这些细菌可能会产生有益的短链脂肪酸丁酸酯 ³⁹。

有趣的是，在三个(独立的)宏基因组研究中，肥胖与细菌基因丰度的降低有关^17,32,72。研究表明，肠道菌群多样性较低的受试者体重指数更高，脂肪量增加，胰岛素敏感性降低，血脂异常和炎症标志物增加¹⁷。此外，在10年的随访中，细菌丰度低的受试者比细菌丰度高的受试者体重增加更多。正如报道的减肥后厚壁菌门/拟杆菌门比率提高一样，细菌丰度增加仅仅是健康和多样化饮食的反映，还是它直接有助于防止肥胖，还有待确定。尽管如此，同时有报道称，细菌丰度对减肥的饮食干预具有预测潜力。宏基因组学的研究的结果应该谨慎解释，因为最近的一项meta分析表明，宏基因组学研究在人类研究中的重现性有限。作者总结收集了几项独立研究的数据后，发现体重指数(BMI)和分类组成之间没有联系^67,72,74。

5 作为人体代谢的调节剂细菌代谢物和细菌源的成分

与在基因组水平上的微生物组成相比，肠道微生物产量(代谢产物)的变化或宿主暴露于细菌来源的成分(如内毒素)被认为在代谢疾病的发生中发挥更大的作用⁷⁵。肥胖、胰岛素抵抗和T2DM患者常出现慢性、低水平的炎症状态⁷⁶。这种炎症状态的增加被认为是胰岛素抵抗发展的一个病因。特别是通过降低肌肉和脂肪组织中的胰岛素敏感性⁷⁶和损害胰岛功能⁷⁷。虽然肥胖中炎症的增加可能是由多种因素引起的，但小鼠模型研究表明肠道微生物群是肥胖中炎症增加的病因^78,79,80。这些发现形成了肥胖和T2DM代谢内毒素血症的假说;革兰氏阴性菌源的主要成分(如内毒素)的转移引起了全身的低水平炎症反应。与非糖尿病患者相比，T2DM患者血浆中LPS浓度明显升高^81,82,83。然而，在分析过程中外源性LPS污染的风险仍然是一个有争议的话题⁸⁴。血液从胃肠道流入门静脉;因此，该循环的区域的脂多糖浓度可能最高。门静脉是肝脏供血的主要来源(75%)。高浓度的脂多糖流入肝脏可能对肝脏中的炎性信号通路和胰岛素信号产生重大影响。由于很难对门静脉、血液和肝脏的标本进行活检，因此这一假设仍有待验证。内毒素转移的增加可能是由饮食引起的肠道通透性增加和肠道保护性屏障功能的降低引起的⁸⁵。随着肠道通透性的增加，人体内的细菌DNA循环水平也增加，这可能会导致T2DM的发生⁸⁶。

肠道微生物群产生许多有机化合物，如一氧化氮、氨、碳氧化物、吲哚和硫化氢，它们具有促炎和抗炎的特性，并且可能会改变肠道的通透性。过去几十年，硫化氢因其在胃肠道疾病⁸⁸和CVD89中的作用而引起了人们的关注。然而，这些有机化合物在心脏代谢疾病中的作用仍存在争论，部分原因是已经发表的研究中存在许多相互矛盾的结果。例如，H2S可能改变肠道通透性⁸⁸，溃疡性结肠炎患者H2S水平升高，但是H2S对非甾体类抗炎药引起的胃炎具有保护作用⁹¹。有趣的是，最近的一篇论文表明，H2S在大鼠心肌梗死后的心脏重构过程中，通过增加巨噬细胞浸润梗死心肌，从而拮抗缺氧诱导的心肌细胞损伤，达到心脏保护作用^92,93。此外，H2S可能通过抑制巨噬细胞形成泡沫细胞，在动脉粥样硬化的免疫炎症过程中发挥有益作用⁹⁴。然而，这些研究是在小鼠模型中进行的体外或细胞实验，因此H2S在CVD和胃肠道疾病中的(因果)作用仍需进一步研究。关于H2S的炎症特性的相互矛盾的结果表明H2S可能是一把双刃剑。因此，未来的研究需要专注于解决这些差异，并进一步研究这种气体分子在心血管疾病和胃肠道疾病的免疫炎症反应中的作用。

肠道微生物群通过一级(直接)或二级(间接)代谢途径产生大量(尚未确定)小分子物质⁹⁵。因此，肠道代谢产物的组成(作为微生物产量和功能的衡量标准)在很大程度上取决于宿主的饮食。虽然这些代谢物中的一些可能保留在肠道生态系统中，其他的可能在宿主循环中释放，并发挥多种代谢效应^96,97。细菌代谢物三甲胺(TMA)是许多肠道衍生代谢物之一，与人类心血管疾病的发生有关。TMA在肝脏中转化为三甲胺氧化物(TMAO)。高浓度的氧化三甲胺可加速小鼠动脉粥样硬化的发展，同时与人类的心血管疾病发病率升高相关。一些研究已经观察到T2DM患者的TMAO水平高于健康受试者的^100,101,102。有趣的是，在肝胰岛素受体敲除小鼠(LIRKO小鼠)中观察到TMAO水平升高，这一上升是通过上调肝脏中产生TMAO的FMO3酶调节的¹⁰³。此外，敲除负责TMA转化为TMAO的FMO3，可以预防高血糖、高脂血症和动脉粥样硬化，这表明TMAO可能是糖尿病相关动脉粥样硬化的潜在因素，至少在小鼠中是如此¹⁰³。在一项研究中，TMAO与心血管风险之间的机制联系第一次被提出，该研究表明TMAO介导血小板高反应性和随后的血栓形成⁹⁹。

6 短链脂肪酸和(人类)代谢性疾病

短链脂肪酸(SCFA)是由大肠中不可消化的膳食纤维细菌发酵产生的，主要由醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐组成。在小鼠身上的研究表明，补充SFCA可以改善胰岛素敏感性和血脂异常，防止体重增加，增加饮食诱导的肥胖小鼠的能量消耗104,105。SCFA介导的G -蛋白偶联受体(GPR)介导的信号通路的激活涉及多个代谢过程，包括肠内分泌调节¹⁰⁶;胰高血糖素样肽(GLP) 1分泌^107,108;炎症反应^109,110;葡萄糖摄取和脂肪酸氧化¹¹¹和能量代谢³⁹。小鼠和体外实验表明，SCFA通过SCFA介导的黏蛋白基因的转录增加来改善肠道屏障功能。改善肠道屏障功能可防止直接暴露于宿主的先天免疫系统，潜在地降低炎症水平。SCFA是组蛋白脱乙酰酶(HDACs)的抑制剂。SCFA介导的HDAC在调节性T细胞(Treg)中的抑制作用可以增加叉头框P3 (FOXP3)的表达，从而影响Treg的产生^114,115。同样，通过调节肠巨噬细胞¹¹⁶和树突细胞¹¹⁷，SCFA介导的抑制HDAC具有抗炎作用。因此，SCFA的耗尽可能导致肥胖和糖尿病患者炎症水平的增加。然而，SCFA对人体的有益的抗炎作用还有待进一步阐明。

通过一个复杂的肠-脑-神经回路，SCFA已证明能增加肠糖异生，从而提高外周血葡萄糖的产生和胰岛素敏感性¹¹⁸。然而，在最近的一项对大鼠的研究中显示，SCFA醋酸盐增加了食物摄入，促进了葡萄糖刺激的胰岛素分泌¹⁰⁵。据报道，在人体中，醋酸盐的补充可以促进短期饱腹感和减轻体重¹²⁰。与此同时，SCFA通过激活大脑中的厌食症通路，减少了食物摄入，并阻止了体重增加。在60名超重受试者的随机对照研究中，丙酸酯结肠给药减少了体重增加¹²¹。此外，粪便醋酸盐水平与胰岛素抵抗呈负相关¹²²。

尽管SCFA与人体代谢健康之间存在这些正相关关系，但据报道，与瘦受试者相比，肥胖受试者的粪便微生物群组成转变为更多能产生SCFA的菌种^72,123。同样，在肥胖的受试者中，SCFA的粪便浓度增加，尤其是丁酸盐浓度增加。有趣的是，在肥胖不一致的双胞胎中，与瘦双胞胎⁴⁹相比，肥胖双胞胎的肠道菌群中产生SCFA的菌群相对丰富。有人提出，从纤维中提取能量(以细菌SCFA生产的形式)的能力提高可能是肥胖发展的一个驱动因素。因此，尽管SCFA生产者相对增多，且肥胖患者的粪便SCFA含量增加，但很难说明SCFA对肥胖患者的潜在健康益处。产生了SCFA后，其被宿主(至少在健康的受试者中)迅速吸收，参与调节葡萄糖和脂质代谢。此外，SCFA本身可以被肠道菌群吸收转化。因此可以推测，尽管SCFA的产量增加了，但肥胖患者的肠道菌群处理SCFA的能力却降低了。

与没有糖尿病的肥胖受试者相比，T2DM患者的粪便微生物群中产生SCFA的细菌种类相对较少^45,39。与此同时，万古霉素治疗代谢综合征患者的胰岛素敏感性降低，同时产丁酸菌减少⁴⁰。在一项研究中，将瘦型胰岛素敏感供体的粪便微生物群移植到胰岛素抵抗型代谢综合征受者体内，结果表明粪便微生物群移植后胰岛素敏感性的提高与产丁酸菌的丰度呈正相关。一项宏基因组研究表明，二甲双胍-naive T2DM患者可能与产丁酸属(如Roseburia spp、subligranulum spp)减少有关。在同一研究中，与未使用二甲双胍治疗的T2DM患者相比，二甲双胍治疗的T2DM患者的肠道菌群中含有明显更多的丁酸盐和固有产物。

7 宿主代谢中的胆汁酸信号

胆汁酸在人类健康和代谢疾病中发挥着关键作用，主要是由于它们作为信号分子，能够激活肠道、肝脏和脂肪组织中的受体。初级胆汁酸(胆酸和胆酸脱氧胆酸)是由肝脏中的胆固醇通过包括至少17种酶在内的复杂途径产生的，并受核法内酯X受体(FXR)及其下游靶点FGF15/19(肠内)和SHP(肝内)控制¹²⁵。除了在人类身上发现初级胆汁酸，老鼠也会产生α-和beta-鼠胆酸(α/βMCAs)¹²⁶。胆汁酸一旦分泌到肠内，就会受到肠道菌群的修饰^126,127。初级胆汁酸经过7α-脱羟基作用之后代谢成次级胆汁酸(脱氧胆和石胆酸),其中众多反应受细菌调节，这些细菌大多属于厚壁菌门^128,129。实验结果表明，在小鼠体内，肠道微生物群通过改变胆汁酸池的组成，调控胆汁酸形成过程中包括CYP7A1和CYP27A1在内的几种关键酶的表达，从而减轻FXR的抑制作用¹³⁰。除了胆汁酸的合成和修饰外，也有报道称肠道中胆汁酸的吸收受到微生物群调节。正常饲养的小鼠，与无菌小鼠相比，小肠中发现的负责摄取胆汁酸的转运蛋白(ASBT)表达减少¹³⁰。

证明胆汁酸在代谢性疾病发生中的作用的数据主要来源于小鼠研究。例如，补充胆酸可以减少HFD诱导的小鼠体重增加和降低胰岛素抵抗，同时增加胆汁酸的循环水平¹³¹。FXR和下游靶标FGF15/19已被证明可调节糖脂代谢¹³²。FXR的综合抑制降低了HFD喂养的小鼠中胆汁酸池的大小，减轻了体重增加和葡萄糖耐受不良¹³³。此外，通过作用于GPR TGR5，胆汁酸已被证明可以促进(抗糖尿病的)GLP1分泌和增加能量代谢¹³¹。高浓度的脱氧胆酸(DCA)与小鼠的肥胖有关¹³⁵。牛磺-β-鼠胆酸,一个内源性FXR拮抗剂是由肠道微生物群代谢的^136,130。因此，无菌小鼠不能代谢这种胆汁酸。这种能力已被证明是诱发肥胖、肝脂肪变性、糖耐量受损和胰岛素敏感性降低的先决条件¹³⁰。胆汁酸受体FXR和TGR5可能在代谢疾病的发生中发挥重要作用，并且成为转化和干预研究的主要靶点¹²⁴。肠道微生物群产生的胆汁酸可以通过胆汁酸受体调节信号通路，因此可能有可能改变人类的脂质和葡萄糖代谢。

在人类中，胆汁酸涉及到对食物摄入量的调节¹³⁷。此外，肥胖、T2DM患者的循环胆汁酸水平增加¹³⁸，并与BMI¹³⁷相关。经直肠作用的TDCA能改善肥胖、T2DM患者体内葡萄糖稳态，降低食物摄入量¹³⁹。然而，由于观察到(餐后)胆汁酸代谢在减肥手术后受到严重影响，人们对胆汁酸在调节宿主(能量)代谢中的作用特别感兴趣。在减肥手术后，原发性和继发性胆汁酸的循环水平增加，并与血糖控制改善相关^141,142,140。据报道，在roux-en-y胃旁路术(RYGB)后，胆汁酸介导的信号反应增加:这与促进饱腹感的肠激素释放有关，如GLP-1和PYY^143,144,145。此外，一项研究支持胆汁酸在RYGB介导的葡萄糖稳态改善中起到重要作用:FXR敲除小鼠的代谢在垂直袖状胃切除术后没有改善¹⁴⁴。通过大鼠胆汁分流十二指肠至回肠，RYGB对能量代谢的有益作用得到再生，提示胆汁酸在脂肪、肝脏脂肪变性、脂质和葡萄糖代谢中发挥重要作用¹⁴⁶。在这项研究中，动物们减掉了大约20%的体重，因为这些结果部分由体重减轻来解释，所以这些结果必须谨慎解释。

肠道菌群和胆汁酸之间的共同作用影响宿主代谢。然而，大多数的研究都是在动物模型中进行的。人胆汁酸和啮齿动物胆汁酸池的主要成分存在差异。这对胆汁酸的信号特性有重大影响，从啮齿动物研究中得出的结论必须谨慎解释。在人类中，支持微生物组成变化与随后胆汁酸介导的宿主代谢变化之间的因果关系的证据尚不清楚。

8 减肥手术后肠道微生物改变

减肥手术是治疗病态肥胖和T2DM等相关并发症的最后手段，是优于其他的减肥治疗方案^147,148。该方法能快速改善代谢参数，如空腹血糖¹⁴⁹和空腹胰岛素¹⁵⁰(通常在手术后的几天内)，这种作用可以解释为热量限制导致的^151,152。减肥手术对肠道微生物菌群的组成有显著的影响，这是由胃肠道的大的改变（如减少热量摄入，胃排空减少，胃酸生产和胆汁酸的改变）所引起的¹⁵³。Tremaroli等人¹⁴³的研究表明有两种不同的减肥手术方法，垂直套管胃切除术(VSG)(无肠改道)和RYGB(有肠改道)对肠微生物组成有相似的影响。然而，尽管样本量很小，两种手术组和对照组之间的功能变化明显不同¹⁴³。RYGB对肠道微生物组成、厚壁菌的丰度有显著的影响，而厚壁菌的丰度在肥胖人群中普遍较高，随着RYGB *REF的增加，厚壁菌的数量减少，变形菌增多。这些效果与饮食调节减肥的效果有很大不同⁶⁹。然而，最近的一项meta分析显示，人体研究减肥手术后肠道微生物的变化存在很大差异¹⁵⁴，因此这些结果必须在更大的人群中得到验证。

假设减重手术后微生物组成分和微生物代谢产物(如代谢产物)的改变增加了该手术对减肥、缓解糖尿病和心血管风险的长期有利影响¹⁵⁵。该研究结果支持这一假设，与接收假手术粪便供体的GF小鼠相比，接受了RYGB手术小鼠的GF受体小鼠的体重增加¹⁵⁵。接收RYGB或VSG人类粪便移植的受体GF小鼠也有类似的效果¹⁴³。与VSG和对照组相比，接收RYGB术后小鼠的粪便移植的小鼠瘦体重更多和更低的呼吸商(CO2产生和O2消耗的比值)，表明接收RYGB术后粪便移植的受体小鼠的碳水化合物利用率降低，脂质利用率增加¹⁵⁵。

减肥手术与肠道微生物组成和功能的显著改变有关^143,154。然而，需要大量的前瞻性研究来验证这些改变，并进一步调查肠道菌群是否有助于减肥手术有益的代谢效应。考虑到代谢结果的巨大差异(应答者，非应答者)¹⁵⁶，我们应关注手术后在最初的几年内肠道菌群组成、多样性和功能的追踪数据。

9 肠道菌群和1型糖尿病

虽然本综述的主要焦点是肠微生物组在T2DM发病中的作用，但肠微生物组也与T1DM发病机制有关。这两种疾病的特征是宿主免疫反应的改变，并与免疫系统-肠道菌群相互作用有关。值得关注的是，在发病前数年就可以检测到全身炎症增强和自身免疫。这表明环境因素，包括肠道菌群组成和产物的变化(例如，LPS, SCFA的产生)，是疾病进展的决定因素，对那些有可能发展为T1DM的患者具有预测价值。有研究表明，肠道微生物群落的变化确实先于疾病的发生¹⁵⁸。然而，在人类中，很难确定T1DM患者中观察到的微生物群改变是否与免疫功能受损有关或是因为其受损而导致的后果。此外，在人类身上进行的研究往往受到一些主要的混杂因素的影响。

T1DM通常被认为是由产生胰岛素的胰腺细胞的(自动)免疫相关破坏引起的^159,160。大约70-90%的T1DM患者表现出免疫学现象(例如，自反应性自身抗体如IA2和GAD，与控制免疫反应的基因相关)¹⁶¹。T1DM患者的其余病例可归为单基因型T1DM，包括某些类型的成年后发病的糖尿病，年幼时发病的(MODY)糖尿病¹⁶²或尚未确定的发病机制。T1DM通常出现在生命早期。有趣的是，大多数孩子都是在秋冬确诊的¹⁶³，而出生在春天则与更高可变性的TIDM发生¹⁶⁴。这说明T1DM的发病机制是多因素的，环境(季节)的影响可能会引发甚至导致T1DM的发病。很多环境因素，如维生素D缺乏^165,166，婴幼儿和青少年期的营养状况¹⁶⁷和早期肠病毒感染⁹，都被认为可能会导致T1DM的发病⁶。在过去的几十年，卫生条件的改善和儿童感染发病率的降低与T1DM等自身免疫性疾病发病率的增加有关，从而导致了卫生学假说^168,169。根据这一假设，婴儿可能受益于早期暴露于特定的微生物和寄生虫。早期对免疫系统的刺激确实可以降低日后患过敏和自身免疫性疾病的风险^168,169,170。因此，从个人生活环境中清除微生物对肠道菌群的组成和免疫系统的发育都有影响。在过去的十年中，这些联合研究增加了人们对肠道菌群在T1DM发病中的作用的关注与研究。然而，就像T2DM一样，肠道菌群在T1DM病理生理学中的作用的机制证据主要来自于对啮齿类动物的研究。

使用抗生素治疗易患糖尿病(BB-DP)大鼠¹⁷¹和非肥胖糖尿病(NOD)小鼠的研究表明¹⁷²，肠道微生物组成的改变降低了T1DM发病的风险。2008年，Wen等人¹⁷³在一篇具有里程碑意义的论文中指出，MyD88作为白细胞介素(IL)-1和TLR信号通路中的关键信号传感器，可以保护NOD缺陷小鼠免受T1DM的影响¹⁷³。有趣的是，在GF条件下饲养MyD88缺陷小鼠对T1DM发病的保护缺失，这表明肠道菌群和先天免疫系统之间的相互作用在T1DM的发生中起作用。除了肠道微生物组成的变化是T1DM发生发展的决定因素外，以SCFA的形式产生的微生物产物还可以提高肠Treg细胞和T辅助细胞(Th17细胞)的数量和功能^{175，115，114}。Treg细胞和Th17是具有相反作用的淋巴细胞亚群。Treg细胞(抗炎)和Th17细胞(促炎)之间的失衡已被证明有助于自身免疫性疾病的发生¹⁷⁵。由于T1DM是与功能失调的Treg细胞数量减少有关的一种t细胞介导的疾病^176,177，因此Treg细胞和Th17细胞之间的失衡可能会增强炎症反应¹⁷⁵。有趣的是，Th17细胞在维持肠道屏障功能中非常重要¹⁷⁸。最近的一项研究显示，在NOD小鼠中，抗生素治疗减少了固有层Th17细胞的数量，增加了T1DM的发病率179。这一结果与先前研究结果相一致¹⁸⁰，并佐证了一种假设即肠通透性增加可能先于T1DM的临床发病 ¹⁸¹。一项以醋酸盐和/或丁酸盐¹⁸²为补充饲料喂养小鼠的研究证明了肠道微生物菌群产生足够的SCFA的重要性¹⁸²。以醋酸盐为原料的饮食减少了激活的糖尿病淋巴组织T细胞的数量。添加丁酸盐的饮食显著增加了Treg细胞的数量和功能，增加了紧密连接蛋白occludin在结肠中的表达，从而保持了肠道的完整性。遗传、肠道微生物组/代谢物和免疫之间的有趣相互作用可能在T1DM的发生过程中发挥作用。啮齿动物的研究为这种相互作用提供了证据，然而，人类研究的数据却很少。在下一段中，我们将讨论有关人体内T1DM发生过程中肠道微生物群的研究。

对T1DM婴儿和对照组的粪便细菌组成进行比较，发现T1DM婴儿出生大约6个月后，其B/F菌组成比对照组高¹⁰。这与其他研究报告的T1DM儿童中拟杆菌门/厚壁菌门比率增加相一致^183,184。此外，与对照组相比，T1DM患者肠道菌群多样性较低¹⁰。血清转化是一种特定抗体在血液循环中检测到该抗体的时间¹⁸⁵。在后来发展为T1DM的婴儿中，抗胰岛自身抗体的可检测性，产生SCFA细菌丰度降低，和肠道完整性相关¹⁸⁴。这表明早期自身抗体产生的变化与微生物组功能产物的变化有关。

与自体抗体阴性婴儿相比，至少表达两种糖尿病相关的自身抗体的婴儿体内产乳酸和丁酸盐细菌丰度较低¹⁸⁶。在《婴儿饮食研究》中¹⁸⁷，与具有T1DM和HLA基因型具有一级亲缘关系的婴¹⁸⁸。包含33名从出生随访到3岁的HLA婴儿的纵向前瞻性队列研究结果显示，微生物多样性下降与血清转化相关，因此该变化发生T1DM诊断之前¹⁸⁹。此外，在后来发展为T1DM的婴儿中¹⁸⁹，人体hBD2水平升高。由于hBD2是炎症时结肠上皮细胞产生的抗菌产物^190，191，这一发现支持了T1DM伴有肠道炎症的假设。10例有T1DM危险(至少两种糖尿病相关的自身抗体呈阳性)的婴儿的病例对照研究报道，根据乳酸盐/甘露醇测试，这些婴儿的肠道通透性高于对照组¹⁹²。最近在芬兰、爱沙尼亚和俄罗斯进行的一项前瞻性研究表明，肠道微生物可能是T1DM的一种发病机制¹⁷⁰。与邻国俄罗斯相比，芬兰和爱沙尼亚(尽管程度较轻)自身免疫性疾病患病率(包括T1DM)更高。在222名婴儿中，肠道菌群的发育从出生到3岁一直持续。与俄罗斯婴儿相比，芬兰和爱沙尼亚婴儿的肠道菌群发育差异显著。特别令人感兴趣的是，与芬兰和爱沙尼亚的婴儿相比，俄罗斯婴儿的拟杆菌种类明显减少。功能通路分析表明，芬兰和爱沙尼亚婴儿早期微生物群落产生的LPS比俄罗斯婴儿多。然而，本队列中产生的LPS主要来自拟杆菌属:拟杆菌来源的LPS在结构和功能上与大肠杆菌来源的LPS不同，已被证明在小鼠中无免疫原性¹⁷⁰。此外，与大肠杆菌LPS相比，拟杆菌源LPS并没有降低NOD小鼠自身免疫糖尿病的发病率。虽然本研究无法明确拟杆菌源性LPS和T1DM之间的联系，但这些数据提出了一个有趣的假设:不同LPS亚型的性质和组成可能决定免疫激活水平，并在自身免疫病的发展中起到保护作用¹⁷⁰。根据腹部疾病与T1DM之间的关系，肠道及其寄生者们可能是共同的危险因子¹⁹³。然而，这些发现必须谨慎解释，因为从地理位置上看，有发展为T1DM的风险的儿童肠道微生物组成存在差异¹⁹⁴。图2给出了肠道菌群在T1DM发生中的潜在作用的框架。

图2 肠道微生物在心血管代谢疾病发病机制中的作用。人体肠道微生物群落是由宿主遗传、饮食和用药历史之间的复杂相互作用所形成的。肠道菌群组成的改变(如多样性减少)或微生物产物(如LPS亚型、SCFA生成或胆汁酸转化)与人类肥胖和T2DM等代谢性疾病的发生有关。虽然在人体疾病的病理生理学中，以肠道微生物群为病因的机制证据很少，但目前的数据表明，微生物群组成的改变会影响肠道屏障功能，并诱导(低水平)炎症反应，无论是局部肠内的还是系统性的。此外，包括SCFA和次生胆汁酸在内的细菌代谢物，在能量稳态和外周葡萄糖和脂质代谢的调节中起着重要的调节作用，被认为是T2DM发生的病因。T1DM通常被认为是由自身免疫抗体驱动的，这些抗体会特异性地破坏胰腺中产生胰岛素的细胞。有人推测，自身免疫抗体的产生在一定程度上与从我们的生活环境(卫生假说)中清除特定的微生物有关，而这些微生物对免疫系统的成熟起着至关重要的作用。此外，一些研究发现，在诊断T1DM之前，自身免疫抗体增加，并提示微生物组或微生物产物的改变以及随后炎症反应的开始加速了T1DM的发生。详情请参阅文本。

10 人类干预:饮食、益生元和益生菌以及粪便微生物群移植

如前所述，肠道菌群组成以及肠道微生物功能与宿主的饮食摄入高度相关²⁶。在工业化国家中，植物性膳食纤维的相对缺乏被认为是影响肠道微生物群功能的重要因素，同时这也可能是导致肥胖和相关并发症日益普遍的原因之一^195,45,39。除了宏量营养素的摄入外，人工甜味剂等食品添加剂也引起了肠道菌群中成分和功能的变化，增强了代谢综合征的特征^196,197。由于肠道微生物群易于达到，且对营养成分的变化反应迅速，因此膳食强化被认为是一个很有吸引力的治疗肥胖的方法。然而，除了总体上对饮食的依从性较低之外，个体间对饮食的反应差异也较大，这使这一方法的应用仍然面临挑战。例如，参与了严格控制的10周饮食干预后，复合碳水化合物的补充增加了部分但非全部受试者的淀粉降解类群³⁰。另一项研究表明，低热量、高纤维的饮食只会增加基线基因计数高的受试者的菌群多样性³¹。3天全谷物面包干预后血糖代谢改善的受试者的Prevotella/Bacteroidetes比无应答者高³²。

个体间对饮食干预的反应在Zeevi等人的研究中得到体现，研究发现个体在餐后对高血糖的血糖反应是高度可变的³³。这种反应与个体微生物组成有关。有趣的是，通过使用机器学习的方法，可以根据现有的微生物群组成来预测个人对特定饮食方案的反应和其是否能成功。这项研究为肠道微生物群对饮食策略的响应作用提供了重要的见解。使用新颖的、个性化的益生元或益生菌来调整那些对饮食诱导减肥方案预期反应率较低的人的肠道菌群组成，使之成为响应程度更高，可能会增加饮食策略的有效性。

益生菌是一种有潜力直接改善宿主代谢的活微生物(例如，通过改善肠道屏障功能或增加SCFA产物)，或有能力通过调节pH值、产生抗菌化合物和与病原菌竞争而重新建立更有利的肠道平衡^198,199。在小鼠中，益生菌菌株Akkermansia muciniphila ⁶⁶和乳酸杆菌planetarium²⁰⁰均提示可以降低HFD喂养小鼠的内毒素血症和体重增加。在肥胖、胰岛素抵抗的受试者中，服用催乳杆菌与胰岛素分泌增加有关²⁰¹。此外，一项双盲、随机、安慰剂对照的干预试验显示，与发酵牛奶相比，加色利乳酸菌对减肥有益²⁰²。

益生元是非微生物实体(通常是膳食纤维)，能够对微生物的组成和功能产生有利的影响。因此，益生元可能是调节肠道菌群的可行工具。补充益生元与改善人体^66，203和小鼠²⁰⁴的血浆脂质水平和血糖控制有关。研究结果显示，低聚果糖能增加小鼠饱腹感激素PPY和GLP1的释放²⁰⁵。在2型糖尿病患者中，低聚果糖被证明是一种有益的益生元:与接受安慰剂的患者相比，连续3个月补充低聚果糖可减轻体重和改善血糖控制²⁰⁶。

尽管(食品)行业关注于开发新型的益生元和益生菌，以调节菌群组成和/或功能产物，进而改善宿主代谢，但迄今为止，肠道微生物介导的对代谢的有益作用微乎其微。改良的益生菌菌株的嫁接可能有助于提高益生菌菌株的效果²⁰⁷。

11 粪菌移植

FMT具有悠久的医学历史，已被用于多种胃肠疾病的治疗。早在1700年前，在中国FMT就被用于治疗的食物中毒和腹泻病人²⁰⁸。在意识到卫生问题在预防传染病方面起着重要作用后，FMT就过时了。1958年，沉寂了很长一段时间后，FMT应用于治疗爆发性肠胃炎中后再次引起了人们的兴趣²⁰⁹。FMT真正突破为一种治疗方式的是在一项非盲、随机、对照试验发表后，该试验表明，FMT治疗后C.diff感染的清除率为94%，相比之下，常规万古霉素治疗的疗效为31%²¹⁰。FMT是目前治疗难治性梭菌感染的首选方法。同时，FMT也是治疗包括炎症性肠病²¹¹、肥胖⁵⁸和代谢综合征⁵⁸在内的广泛疾病的一种有效的方法。此外，如果能确定FMT与肠道菌群组成变化的相关性，那么神经学²¹²和心理障碍²¹³可能会受益于FMT。在两项针对人类的独立研究中，我们研究组已经证明FMT对胰岛素敏感性具有有益的影响^42,58。虽然影响是暂时的和可变的，FMT可能作为干预代谢综合征的有效的备选方案之一。

肥胖、胰岛素抵抗患者在接受瘦型、胰岛素敏感供体(同种异体移植)移植后6周外周胰岛素敏感性显著提高⁵⁸。而自身粪便微生物群移植(自体移植)不影响胰岛素敏感性。在另一组更大的以肥胖代谢综合征患者为研究对象的队列研究中，我们能够重现这些发现。异体FMT与自体FMT相比，粪便移植后6周内可改善代谢综合征患者的胰岛素敏感性。有趣的是，移植后12周，这种有益的效果已经无法观察到。受体肠道内供体微生物群的移植与FMT代谢结果呈负相关，表明特定供体-宿主相互作用是FMT疗效的重要决定因素。根据受体的基线微生物群组成，可以预测FMT的代谢反应。

实验方案的变化、粪便样品的制备以及肠道微生物群的日变化是影响FMT疗效变化的其他²¹⁴。这就需要我们制定严格的标准操作程序(SOPs) ⁵⁴。除细菌外，病毒、真菌和噬菌体等所有这些都存在于粪腔内的微生物都应被一起移植²¹⁵。虽然还没有确定这些成分是否和如何有助于FMT的疗效，但最近的研究表明，病毒体(噬菌体)通过调节细菌群落和与宿主细胞的直接相互作用在宿主健康中发挥了重要作用^216,217。此外，真核病毒和噬菌体已经被证明可以调节细菌代谢(如氨基酸、脂质和碳水化合物代谢)，并影响信号转导通路和转录调控^216,218。

FMT对肠道微生物组成和功能的调节作用仅部分影响肥胖和T2DM的病理生理。肠道菌群的组成和功能受多种因素的影响，因此单一FMT不太可能治愈肥胖或T2DM。然而，将FMT与个性化的益生菌或与“缺失”的肠道菌株(微生物给药)联合使用可能会增强传统治疗方法的效果⁵⁴。此外，对有T2DM风险的患者或最近被诊断为T2DM的患者可能会受益于早期干预，以个性化方式对肠道微生物的调节，例如基于微生物的饮食策略或个性化FMT。

12 系统方法可能是确定肠道菌群在肥胖和T2DM发生中的驱动作用的关键

DNA测序技术的引入极大地促进了对复杂微生物群落的研究，并允许对单个微生物进行分类学鉴定。然而，早期测序技术缓慢且昂贵，因为在测序前，必须将大的基因组片段克隆成质粒载体，转化为合适的扩增宿主²¹⁹。基于pcr的大规模平行测序现在可以在复杂群落中识别出以前无法检测到的细菌²¹⁹。此外，鸟枪全基因组测序(shotgun whole-genome sequencing, WGS)方法显著提高了对物种多样性的检测，增加了对物种水平的基因和分类群的预测²²⁰。虽然目前WGS更昂贵，需要更广泛的数据分析，但这种方法优于基于PCR的测序。

参考基因组的微生物被人类微生物组联盟(HMC)在2012年出版，人类肠道中的主要微生物类群包括拟杆菌、厚壁菌门,变形菌门，同时包括脆弱拟杆菌、拟杆菌melaninogenicus,粪肠球菌,大肠杆菌等五种菌种存在于大多数的健康人体内²²¹。值得注意的是肠道微生物群的分类特征是基于相对的(而不是绝对的)丰度，并不总是转化为功能。为了有效地了解微生物群对宿主的影响，将组成与功能研究联系起来是至关重要的。这可以通过系统生物学方法来实现。

系统生物学方法可用于整合组学数据，以理清肠道菌群组成的驱动因素(图3)。此外，这些方法可提供代谢疾病发生机制的优先顺序。分类法分析可以识别谁在那里，并且与宏基因组学分析互补:它们能做什么?然而，重要的是要强调，高通量测序所产生的大量数据目前超过了用现有生物信息学工具分析这些数据的能力。

图3:系统生物学方法在肠道微生物研究中的作用。系统生物学方法将患者数据与干预前、后的微生物组和微生物代谢物组成结合在一起，并在包含大量最初健康的受试者的前瞻性队列中，揭示肠道微生物组在代谢疾病发生中的重要作用。此外，该策略将允许开发工具来预测代谢疾病的发展，并指定最佳治疗策略来治疗这些疾病。

一项研究系统地比较了人类肠道微生物群落的宏基因组学(存在哪些微生物，它们具有哪些遗传潜力)和环境转录组学(表达最高的基因)之间的重叠，发现只有41%的微生物转录对应于微生物基因组丰度²²²。这强调了超越宏基因组学的重要性，以便理解“群落真正在做什么”。此外，必须考虑到转录后和翻译调节的重要性以及蛋白质丰度与真核生物或细菌中的基因表达不一致的事实^223,224。宏蛋白质组学和代谢组学可能是更好地了解微生物群功能作用的方法。由于对肠道微生物基因组和蛋白质组的信息不完整，以及缺乏(肠道特异性的)参考数据库²¹⁹，因此很难对代谢和蛋白质组数据的解释。此外，环境转录组学仅提供了宿主、肠道微生物群和环境之间动态交互的简单关系²²⁵。一个例子："谁在那里"更重要的是"谁很活跃"，来自于一项研究，其中宏蛋白质组学与从肥胖和非肥胖个体获得的肠道微生物组的分类学概要相结合²²⁶。本研究表明，尽管细菌丰度较低，但肥胖个体的拟杆菌比非肥胖个体的代谢活性更高。此外，根据体内平衡模型评估(HOMA)指数估算，胰岛素敏感性与一组源自瘤胃球菌(Ruminococcus)的蛋白质的多肽正相关²²⁶。代谢组学(metabolomics)提供了一种互补的方法来研究微生物群功能和宿主-微生物群协同代谢。代谢组学分析宿主体液和组织的小分子组成，以检测从宿主以外的细菌或有机体中提取出的代谢物²²⁶。代谢组学可以分为靶向和非靶向两大类。利用非靶向代谢组学可以测量多达10000个独立的光谱特征²²⁷。然而，到目前为止，这些光谱中只有三分之一可以识别，因为将质谱获得的信号转换为特定/已知的化学结构仍然是低产的²²⁷。靶向代谢组学是一种定量技术，因为它测量了具有相似化学结构集群的已知的代谢产物²²⁸。这种方法揭示了几种微生物代谢物与人体代谢综合征和实验模型有关²²⁸。靶向代谢组学也可用于检测微生物基因功能的变化是否与群落功能的变化相耦合，如通过分析肥胖患者的SCFAs²²⁹和胆汁酸^230，231以及减肥手术介导的体重减轻^143，144。结合不同组学数据集的系统生物学方法将加速我们对微生物群对人类健康和代谢疾病中的作用的理解。

评论

自从引入NGS技术以来，大量的研究表明，肠道菌群或肠道微生物代谢物的组成与肥胖和糖尿病的发生有着显著的联系。然而，只有很少的研究提供了关于肠道菌群在人类代谢性疾病发生中起关键作用的机制或因果证据。种族、宿主遗传、饮食习惯和药物使用之间的复杂相互作用在塑造微生物群落都起着重要作用，因此这是一个有趣但具有挑战性的研究领域。在解释人类数据时，混杂因素不一致或缺乏纠正措施可能是研究肠道微生物组成变化的一个具有挑战性的方面。这可能也是研究结果重复率低的主要原因之一。如果肠道微生物的组成是疾病本身的反映，或者微生物的组成在疾病发生之前受到了影响，从而成为其中一个病因，那么大规模的前瞻性研究将至关重要。虽然使用抗生素治疗或粪便微生物组移植的研究表明肠道微生物组与代谢疾病的发展之间存在因果联系，但说明作用大小和因果关系的证据仍然很少。此外，这些研究并没有提供关于肠道菌群与宿主代谢相互作用的机制。因此要在大型人类队列中进行前瞻性和干预研究，并在模型系统中进行专门的机制研究，以了解肠道菌群是否和如何影响代谢疾病的发生。采用多组学方法，可以对宿主-微生物、微生物-微生物和饮食-微生物相互作用有更深入的了解。这将为了解代谢疾病发生背后的机制层次，以及识别个性化的肠道菌群特征提供线索。这将加速预测心脏代谢疾病发生的策略的发展，重要的是，建立一种基于微生物的，个性化的干预手段，以解决人类代谢疾病。

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