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[转载]肠道菌群与糖尿病：研究、转化和临床应用
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这篇文章总结了关于肠道微生物群(GM)在糖尿病中的作用的研究现状与结论，内容来自《Diabetes》、《Diabetes Care》和《Diabetologia》最近举办的一次国际专家论坛，该论坛在2023年的欧洲糖尿病研究协会年会上举行。论坛参与者包括在肠道微生物组和代谢领域的领军研究人员，其中既有临床医生，也有基础科学家。
讨论主要分为四个主题：流行病学、生理学和病理生理学、技术和方法以及临床应用。他们得出的结论如下：
肠道微生物群参与2型糖尿病的病理生理过程。微生物产生的代谢物与疾病有正面和负面的关联，而且最近通过人类的孟德尔随机化研究，发现了肠道微生物功能（如丁酸盐生产基因）与葡萄糖代谢之间的机制联系。
肠道微生物群的高度个体化特性是研究的一大障碍。需要大型队列和深度测序的方法来稳健地评估关联性和因果关系。
由于单次采样对于捕捉糖尿病个体内肠道微生物群的动态变化有些困难，建议未来需要要对个体多次重复测量的研究，就是要增加纵向队列的研究。
未来还需要大量研究来确定这些不断扩展的知识如何应用于糖尿病的诊断和治疗。新技术和改进的计算工具将对实现这一目标很重要。
研究小组承认，对肠道菌群在代谢疾病中的作用的理解存在许多差距，这并非糖尿病领域所独有，而是反映了更广泛的需求。开展更多控制良好的前瞻性和回顾性人体研究，并在机制上跟进模型系统研究，改进计算工具，将有利用将目前的微生物组数据应用于未来糖尿病的诊疗。
流行病学观点Perspectives
1)
肠道菌群与糖尿病之间的流行病学关联
肠道微生物群是人体最大且最复杂的微生物群落，它连接着我们的外部和内部环境。对肥胖症和心血管代谢疾病(包括2型糖尿病)中肠道微生物群进行流行病学研究的动机源于啮齿动物研究，这些研究证明了肠道微生物群、脂肪性和葡萄糖耐受性之间的联系。
在人类研究中，流行病学研究观察到肥胖症患者的微生物多样性降低，但通过对小型队列进行16S rRNA基因测序或全基因组宏基因组学分析的荟萃分析，并未发现普遍适用的与肥胖相关的肠道微生物特征(换句话说，微生物与疾病的研究需要大队列和大数据库)。
然而，一项对以色列和美国34057名个体进行深度测序全基因组宏基因组学的大规模肠道微生物研究显示，肠道微生物与表型之间存在一致的关联，并且基于微生物组数据训练的机器学习模型对体重指数(BMI)和糖化血红蛋白(HbA1c)的预测准确性可以在不同队列间复制。
通过对训练队列进行子采样，发现随着队列规模的增加，预测准确性也随之提高，约7500-10000个体的样本量可以获得可重复的结果(目前谷禾糖尿病模型使用了9989个样本队列)。这一发现强调了在人类肠道微生物横断面研究中使用大型队列（包含数百名个体）和深度测序组学的必要性，以充分代表人群中的个体异质性以及地区和人口统计学变异。
Byndloss M, et al.Diabetes Care.2024
胃肠道(GI)沿线的微生态和生理差异反映了各种环境因素的变化，这些变化依赖于物理、营养和生物学的宿主因素。这些因素导致肠道不同区域的细菌及其生理功能的适应和差异，通过可能影响葡萄糖代谢和糖尿病风险的多向交互产生效果。
以下是影响不同区域微生物数量和组成的主要因素：
pH值：从胃(pH1.0–4.4)到小肠(pH 5.5–7.0)，然后更为渐进地到达结肠，在那里由于复杂碳水化合物(纤维)的微生物发酵，pH值可能再次下降(pH5.5)。在粪便中pH值再次升高(可达pH7.8)。
肠道蠕动：在小肠中，肠道通过时间较短，肠蠕动更为强烈，而在大肠中则不然。
肠道上皮细胞：小肠的泛素细胞分泌抗菌肽(AMPs)，充当天生防御屏障以减少细菌定植；而M细胞从肠腔中捕获细菌。
氧气浓度：从小肠到大肠，氧气水平逐渐降低。
膳食营养：主要在小肠中由宿主酶消化和快速吸收蛋白质、脂肪和简单碳水化合物，因此限制了细菌对这些营养物质的获取；而部分未消化的膳食残留(例如复杂碳水化合物和部分水解的蛋白质/氨基酸)则积聚在大肠，为细菌提供营养。
宿主糖基：它是由杯状细胞产生的粘液层的一部分，在大肠中远比小肠厚，也是肠道细菌的营养来源，支持其生长。
胆汁酸：分泌至小肠，抑制和有利于某些参与其代谢和再循环的特定细菌的生长。
以上所有生物和非生物因素影响生态条件，使得细菌群体可以在向肠道最远端部分移动时更加密集（从十二指肠的每克102–104个细菌到回肠的107–109个，以及结肠的1011–1012个），并导致细菌组成的差异，其中兼性厌氧菌优先在小肠定殖，而严格厌氧菌在大肠内的微生物中占主导地位，包括丁酸盐生产者。
因此，为了在种族/民族、生活方式和其他人口特征差异之外识别疾病特异性的微生物特征，重要的是在大型人群中进行研究，并将来自不同研究的健康个体/对照参与者作为参考；这些方法已被证明可以提高疾病预测准确性。
2)
肠道微生物代谢与葡萄糖稳态的关联
多项观察性研究报告了肠道微生物群与2型糖尿病之间的关联。在全球流行病学研究中发现，2型糖尿病和糖耐量受损/空腹血糖异常患者的肠道微生物组成发生了一致的改变，这些改变在代谢综合征中也存在，主要特征是微生物多样性降低和产生短链脂肪酸(SCFA)丁酸盐的细菌丰度减少。一些研究还观察到机会性病原体的增加。
最近，粘液降解菌Ruminococcus gnavus被确定为代谢综合征多个特征的预测因子，包括低度炎症、腰围增大、血清甘油三酯升高、糖化血红蛋白升高和高密度脂蛋白胆固醇降低。然而，正如对不同疾病（包括胃肠道和代谢性疾病）肠道菌群改变的荟萃分析所指出的，这些特征中的几个并非疾病特异性，可能代表了一般的肠道菌群的失调。
与葡萄糖代谢和2型糖尿病相关的肠道微生物代谢物和信号分子，肠道微生物群的结构蛋白和分泌蛋白参与调节免疫反应和炎症，正如F. prausnitzii（普拉梭菌）分泌的蛋白质（微生物抗炎分子[MAM]），它能够抑制核因子-κB（NF-κB）通路。另一个例子是A. muciniphila（AKK菌）的外膜蛋白Amuc_1100，它能改善肠道屏障并降低炎症。
①短链脂肪酸
肠道菌群生成短链脂肪酸（SCFAs），SCFAs调节几个过程，包括肠道蠕动和pH值、肠道屏障免疫反应以及通过影响糖异生、胰岛素敏感性和胰岛素分泌的途径来调节系统代谢。
此外，SCFAs调节免疫细胞功能，增强肠道屏障，并刺激肠神经的信号传导。其中丁酸盐还为结肠细胞提供主要能量，并通过激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）增加结肠细胞的β-氧化（β-ox）。
然而，人类研究显示，2型糖尿病患者粪便或血液中不同SCFAs的水平存在广泛变异，这可能是由于方法学局限性造成的。支持SCFAs在调节葡萄糖代谢中作用的最强有力证据来自动物研究和最近一项使用孟德尔随机化统计方法的人类研究(参见下文)。
②胆汁酸
胆汁酸是两性分子，可介导膳食脂肪和脂溶性维生素的吸收。这些分子也被认为是调节脂质、葡萄糖和能量代谢的主要参与者。因此，在2型糖尿病和其他肥胖相关疾病中发现了胆汁酸池的改变，并被认为可能是2型糖尿病病理生理学的潜在贡献因素。
12α-羟基化胆汁酸水平的增加和6α-羟基化胆汁酸水平的降低与胰岛素抵抗有关，并在2型糖尿病患者中出现。胃旁路手术后观察到6α-羟基化胆汁酸水平增加，可预测2型糖尿病的缓解。
干预研究也调查了胆汁酸在人类代谢中的潜在重要性。在减肥手术后，系统性胆汁酸水平升高以及肠道信号激发GLP-1释放的现象得到了验证，尤其是餐后增加被认为特别重要。
然而，在一些进行过胆囊切除术的个体中发现胆汁酸反应过度，并与GLP-1和胰岛素反应的进一步增强相关联。在2型糖尿病患者中，已证明二甲双胍通过减少脆弱拟杆菌的丰度来改善葡萄糖代谢，这与肠道中甘牛胆酸水平的增加和法尼醇X受体（FXR）的抑制有关。
然而，对肠道微生物群与胆汁酸之间直接相互作用及其与2型糖尿病及相关疾病的发展和治疗的关联的理解仍然有限，还需要更多的人体研究来探索。
③色氨酸代谢物
肠道菌群色氨酸代谢物，如吲哚丙酸(IPA)和吲哚丙烯酸(IA)，通过孕烷X受体(PXR)改善肠道屏障，并通过肠道免疫细胞上的芳香烃受体（AHR）进行信号传导，增加白介素-22（IL-22）的产生，从而调节免疫和代谢反应。
④其他代谢物
在血液中，IPA和IA还提供抗氧化和抗炎功能。研究还表明，3-吲哚丙酸（色氨酸的代谢产物）的循环水平升高与胰岛素分泌和敏感性改善以及2型糖尿病风险降低相关。
咪唑丙酸和支链氨基酸(BCAAs)通过激活雷帕霉素复合体1(mTORC1)的机制型靶标来损害胰岛素信号传导。
肠道菌群还产生乙醇，与脂肪肝病和胰岛素抵抗有关。
肠道微生物群产生的氨基酸代谢物也与2型糖尿病相关（前两个图）。研究表明，3-吲哚丙酸（色氨酸的代谢产物）的循环水平升高与胰岛素分泌和敏感性改善以及2型糖尿病风险降低相关。
此外，在存在胰岛素抵抗和2型糖尿病的个体中，血浆组氨酸代谢的细菌产物——咪唑丙酸水平增加。来自肠道菌群对芳香氨基酸代谢的这些代谢物和其他一些代谢物也与欧洲和美国独立队列中的心血管事件风险和死亡率有关。
肠道菌群还产生乙醇，与脂肪肝病和胰岛素抵抗有关。
Byndloss M, et al.Diabetes Care.2024
3)
肠道菌群或其代谢产物和降糖药物治疗的关系
支持肠道微生物群在2型糖尿病中作用的证据已通过观察性和干预性研究得到加强。这些研究表明，二甲双胍使用者的肠道菌群中多种细菌物种的相对丰度发生了变化。
二甲双胍使用者肠道菌群发生显著变化
在多个涉及接受二甲双胍治疗个体的队列研究中，发现大肠杆菌(Escherichia coli)的相对丰度升高，而Intestinibacter bartlettii的丰度降低。
此外，最近一项大规模宏基因组研究发现，接受二甲双胍治疗的个体中Escherichia marmotae增加，而Romboutsia timonensis减少。
随机试验和对未使用药物的个体的研究为这些肠道菌群差异在2型糖尿病中的因果效应提供了支持。这些研究表明，肠道菌群组成的变化转化为丙酸盐和丁酸盐产生的增加以及胆汁酸池的调节，这可能介导了二甲双胍降血糖效应的一部分。
然而，肠道菌群也可能是约30%服用二甲双胍的个体经历短暂或持续肠道不适的原因（例如，通过一些大肠杆菌属种增加气体产生）。
Byndloss M, et al.Diabetes Care.2024
肠道微生物代谢物参与二甲双胍的作用机制
肠道微生物代谢物参与二甲双胍的作用机制，包括通过胆汁酸受体FXR和TGR5进行胆汁酸信号传导，以及生产短链脂肪酸，这些都调节了内分泌细胞(K细胞和L细胞)中胰高血糖素样肽-1(GLP-1)、胃抑制多肽(GIP)和肽YY(PYY)等促胰岛素分泌激素的释放。
其他与二甲双胍作用相关的肠道菌群依赖机制包括通过钠-葡萄糖共转运蛋白1(SGLT1)改善葡萄糖感知和提高肠道屏障功能(例如，恢复紧密连接和增加产粘蛋白的杯状细胞)。
然而，肠道菌群通过表达二肽基肽酶-4(DPP-4)同工酶，可能降低GLP-1活性并影响降糖药物的疗效。
其他降糖药物与肠道微生物群的关联
关于其他口服降糖药物，研究表明二肽基肽酶4（DPP-4）抑制剂和α-葡萄糖苷酶抑制剂对肠道微生物群和微生物代谢物有影响，但钠-葡萄糖共转运蛋白2（SGLT2）抑制剂、噻唑烷二酮类和胰高血糖素样肽1（GLP-1）受体激动剂的影响较不明确。
迄今为止，大多数涉及SGLT2抑制剂的研究都是在小鼠模型中进行的，少数现有的人体研究结果存在矛盾，无法清楚地区分SGLT2抑制剂的效果与之前或同时使用二甲双胍治疗或同期生活方式改变的影响。
GLP-1受体激动剂可能通过激活上皮内淋巴细胞GLP-1受体产生抗炎作用，进而可能有助于调节肠道微生物群。尽管需要更多研究，但现有证据表明肠道菌群可能介导一些降糖治疗的益处，某些益生菌或益生元可能通过影响肠道微生物或其功能进一步改善这些药物的降糖效果。
需要进一步的干预和转化研究来确定药物诱导的肠道菌群变化是否在介导健康效应中起因果作用，并揭示潜在机制。
重要的是，肠道菌群还可能影响降糖药物的效果，例如通过表达人类DPP-4的同源物，这可能降低GLP-1的活性并影响葡萄糖代谢（下图）。由于细菌DPP-4同源物似乎对一些靶向人类DPP-4的药物具有耐药性，因此可能需要抑制细菌同工酶来改善当前药物的代谢反应。
4)
孟德尔随机化在阐明因果关系中的作用
肠道微生物群能够通过多种方式影响和与宿主健康互动，因果关系的方向通常是双向的甚至是多向的。肠道微生物群特征在不同层次（如群落、物种、途径、基因和代谢物）能影响宿主表型（例如改变肥胖的风险），同时，表型的发展（如肥胖）又可以反过来改变肠道微生物群。
孟德尔随机化（MR）是一种统计方法，利用与暴露相关的人类遗传变异体来区分疾病结果的因果效应、混杂、反向因果关系或其他因素导致的关联。为了应用MR研究肠道微生物与2型糖尿病的联系，所研究的肠道微生物特征需要受到一个或多个强烈的人类遗传变异体的影响，以便在工具变量分析中用作工具。
尽管已经有若干全基因组关联研究针对不同的肠道菌群特征（如肠道细菌分类群的相对丰度和人类粪便微生物代谢物）进行，但研究其在2型糖尿病中的因果作用的大型MR研究仍然有限，且尚未在重复研究中得到证实。
部分鉴定出与粪便短链脂肪酸（SCFA）水平相关的人类遗传变异体，并报告了肠道菌群丁酸盐生成潜力（即负责肠道丁酸盐生成的基因）与口服葡萄糖耐量测试中胰岛素反应改善之间的潜在因果联系。这些作者还发现异常的粪便丙酸水平与2型糖尿病风险增加之间存在因果关系。
另一项MR研究报告称，2型糖尿病和肾脏疾病提高了血浆中肠道菌群依赖的代谢物三甲胺氧化物（TMAO）的水平，并提出此前观察到的较高TMAO水平与心血管疾病风险升高的证据可能是由于混杂或反向因果关系，而非因果效应。
另一项近期研究则表明某些细菌属与2型糖尿病之间可能存在因果联系。考虑到MR（如多效性和与弱工具变量相关的问题）及肠道菌群研究（如方法学差异、个体间异质性和个体内可变性）的局限性，需要进行大型高质量研究，以评估使用MR的宿主遗传变异体模拟特定肠道菌群特征（无论是特定细菌物种、属还是代谢产物）的能力，以理解与2型糖尿病发病机制的因果关系。
饮食、基因改造和糖尿病之间的关系Relationship
▸ 膳食纤维摄入量较少可能导致2型糖尿病
膳食纤维摄入量减少与2型糖尿病风险增加有关；因此，新的糖尿病管理饮食建议鼓励多食用加工程度低的植物性食物，如全谷物、蔬菜、全水果、豆类、坚果和种子。
饮食是肠道生态系统的驱动因素，微生物可及碳水化合物促进菌群多样性和短链脂肪酸生成，从而减少炎症并支持肠道屏障的维持。
就肠道菌群和葡萄糖代谢而言，增加纤维摄入量与不同菌种水平的增加有关，例如Prevotella copri（现已更名为Segatella copri）。研究还表明，纤维对 HbA 1c的有益作用可能是由特定的基线肠道菌群组成和纤维促进的短链脂肪酸产生菌的多样性介导的。
▸ 肠道微生物的特定成分会影响其宿主反应
然而，即使在控制良好的饮食干预中也会观察到不同的影响，而且鉴于肠道菌群的个体间差异很大，对肠道菌群的饮食反应是高度个性化的。
精准营养或“个性化”营养是一个不断发展的领域，它基于识别可用于设计饮食干预措施的个体特定反应预测特征。利用关于肠道菌群成分的个人数据以及血液生物标志物和饮食习惯等其他信息，机器学习方法已被用于预测标准化膳食后的血糖反应，其准确度高于其他预测方法。
这些研究表明，肠道微生物的特定成分会影响其宿主的特定反应（即在不同细菌存在的情况下，对饮食的反应不同）。因此，肠道菌群至少在一定程度上决定了人类代谢的异质性。肠道菌群可改变且代谢活性高，为更精确的生活方式干预和新疗法提供了可能性。
知识差距、挑战和机遇
目前已有数个大型的高质量参考基因组目录 ，它们为人类研究中肠道微生物的分类和功能表征提供了极大的便利。然而，这些数据库并非没有局限性。
对于流行病学分析而言，肠道菌群数据充满了挑战，包括个体间和个体内巨大的变异性、高维性(即观察到的肠道菌群特征的数量可能大于样本和受试者的数量)和稀疏性(即肠道菌群特征，如物种，仅在部分样本中检测到)。
在种群水平上，肠道菌群由数千个相互作用的物种组成，每个物种在不同宿主之间以及在同一宿主内随时间推移都具有遗传多样性；然而，常见的分析往往忽略了这种非独立性、微生物之间复杂的加性与相互作用效应，以及肠道菌群的可修改性和波动性。然而，最近的一些分析表明，不同细菌物种的个体内变异和对宿主生理的适应模式不同。
其他挑战与肠道微生物群可能影响和响应的大量表型和环境因素有关。大规模群体研究的重要性在人体遗传学中已被无可置疑地证明；大多数多基因性状已知受许多具有小效应的遗传变异影响，但这些变异可以汇总成具有临床重要性的强大多基因风险评分。
类似地，大规模宏基因组研究结果表明，单一的细菌物种可能与人类表型存在低效应大小的关联，或以低丰度存在。因此，需要大样本量以获得足够的统计能力和涵盖个体间变异性，以获得可复制的结果和高预测准确性。
为了更好地理解肠道菌群变异和动态对2型糖尿病的长期影响，前瞻性研究至关重要。在目前发表的少数前瞻性研究中，肠道菌群特征与中国地区多样人群中发生的2型糖尿病事件和西班牙一项临床试验的子集相关，这些研究均使用16S rRNA基因测序。
在一个拥有18年随访的大规模芬兰基于人群的队列研究中，肠道菌群特征也与2型糖尿病有关，使用的是浅层宏基因组测序。然而，在这些研究中，发生病例的数量有限，分析的分辨率也有限。
例如，Faecalibacterium prausnitzii是下一代益生菌最有希望的候选者之一，但也有其他有希望的候选者，如Akkermansia muciniphila和P. copri。关于F. prausnitzii，已在人体肠道中发现了几种潜在亚种，它们具有利用复杂多糖的不同功能潜力 。
与此观察一致，大型宏基因组学研究也发现了几种F. prausnitzii 亚种，但仅其中一部分亚种与 BMI 呈负相关。就P. copri 而言，已发现其与宿主代谢表型（如内脏脂肪和葡萄糖反应）呈正相关和负相关。
这些不一致的发现可以部分地用种内和种间多样性来解释。例如，这些差异可能将同一物种内的菌株定义为共生菌或致病菌，如脆弱拟杆菌和艰难梭菌的情况，这取决于该菌株是否编码毒力因子。
生理学和病理生理学观点Perspectives
在进化过程中，哺乳动物必须适应充满微生物、病毒和真菌的世界。在无菌的宫内环境中，哺乳动物在出生期间和出生后立即暴露于潜在的有害微生物中。进化创造了实质性的屏障，包括胃肠道运输过程、免疫球蛋白A (IgA) 、粘液、上皮层、内皮屏障、淋巴结和肝脏，所有这些屏障阻止微生物易位进入体内，但为微生物生态系统创造了最佳储存库。上消化道中的微生物数量较少。同时，大肠内微生物密度和丰富度较高，从小肠到大肠，pH值和有氧/厌氧条件发生生理变化，大肠内为厌氧条件。
1)
微生物的基本功能
肠道微生物除了对哺乳动物造成潜在的有害威胁外，还为哺乳动物提供必需功能，包括训练免疫系统、保护其免受病原体的侵害(即抗定植)、代谢功能、营养物质供应(如维生素)、肠道蠕动和外来生物的解毒。
同时，微生物和宿主在小肠中竞争营养物质，微生物产生的常量营养素副产物被提供给宿主。
营养物质(即纤维)和哺乳动物代谢物（如葡萄糖醛酸苷、粘液多糖和胆汁酸）通过微生物代谢进行发酵或转化。微生物代谢以及微生物细胞的死亡和周转形成了外周血中微生物代谢物池，其中约30%的外周血代谢物与肠道菌群及其代谢物有关。
这些微生物代谢物被G蛋白偶联受体(GPCR) 或芳烃受体(AHR)等受体识别，或被哺乳动物酶(如 TMAO)进一步加工，通过表观遗传修饰调节哺乳动物基因表达，对代谢健康产生影响。
2)
不可消化纤维及其代谢物的作用
不可消化的碳水化合物是大肠中特定细菌的能量来源，这些细菌含有宿主所缺乏的酶，这些酶可以代谢这些纤维并促进SCFA的产生。大量研究表明，外源性短链脂肪酸(尤其是丙酸和丁酸)对糖尿病样表型的啮齿动物模型有益。然而，1型和2型糖尿病临床试验的证据尚不明确。
在结肠中，短链脂肪酸(SCFA)通过与GPCR和游离脂肪酸受体2和3结合激活肠内分泌细胞(EEC)，诱导肠道肽(主要是GLP-1和肽YY)的释放。为了支持这一发现，啮齿动物和人类补充益生元可以改善葡萄糖耐量和胰岛素抵抗，并且与肠道肽水平升高有关 。
在一项研究中，高纤维饮食改善了2型糖尿病患者的葡萄糖耐量，这种效果与粪便丁酸水平和循环GLP-1水平升高有关。GLP-1通过增加胰岛素分泌、促进胰岛素敏感性和减少肝葡萄糖生成来调节葡萄糖稳态。
此外，短链脂肪酸(SCFA)对于维持整体肠道健康和肠道屏障至关重要，因为丁酸是结肠细胞的主要燃料来源。相反，丁酸减少会促使结肠细胞进行无氧糖酵解，从而增加上皮氧合，破坏结肠的厌氧环境。
3)
肠道菌群在肠道屏障功能中的作用
肠道微生物在肠道屏障功能中起着至关重要的作用。肠道屏障受损会导致肠漏，从而引发低度全身性炎症，这是肥胖和糖尿病的特征。尽管这些机制主要在实验模型中进行研究，但导致全身性炎症的一个潜在机制是来自革兰氏阴性细菌细胞包膜的脂多糖(LPS)内毒素增加，也称为代谢性内毒血症。
肠道菌群失调会导致促炎反应，影响葡萄糖稳态
脂多糖(LPS)可以作用于全身特定的病原体相关分子模式 (PAMP) — Toll 样受体 4 (TLR4) — 从而引发促炎免疫反应，从而对葡萄糖稳态产生负面影响。一系列研究表明A. muciniphila通过作用于 TLR4 和肠道屏障，在介导肠道微生物改变对全身炎症的一些影响方面发挥潜在作用；
然而，关于其在代谢疾病中介导葡萄糖代谢作用的证据较少 。然而，还需要更多的研究来确定TLR4以外的 PAMPs 对代谢物的感知是否与调节宿主-微生物串扰和人类肠道屏障完整性有关。
与此同时，在肥胖个体的肠道中观察到促炎性巨噬细胞的积聚、CD8αβ T 细胞浸润和 IgA+ 免疫细胞减少 ，导致胰岛素抵抗。肠道菌群调节策略可以减轻高热量饮食对肠道免疫的不利影响。例如，减少促炎性巨噬细胞的比例并增加 3 型先天淋巴细胞和调节性 T 细胞与改善葡萄糖代谢有关。
尽管如此，了解驱动肠道微生物与免疫相互作用的精确分子机制及其在人类中的应用也需要未来进行广泛的研究。
技术和方法的进步Progress
在微生物组领域，将现象学与实际生物学区分开来需要工具和方法来识别机制，以解析微生物组是否是代谢疾病的驱动因素或提供治疗机会。在这里，我们讨论了推动该领域发展的最有希望的技术发展。
模型系统
在比较研究肠道微生物与代谢疾病之间关系的模型系统时，必须同时考虑传统模型(例如无菌和无菌小鼠)和新兴技术（例如器官芯片和非鼠类GF模型，如斑马鱼和猪）。
无菌模型有利于研究肠道菌群与特定疾病的关联
无菌动物已被广泛用于研究人类肠道微生物在肥胖和糖尿病中的作用。这些动物出生时没有任何微生物群，可以在没有微生物组的情况下对干预措施进行研究。因此，我们可以深入了解微生物组是否对给定的生物过程必不可少。
通过将整个肠道菌群（通过供体粪便）或特定的分离菌株定植到无菌小鼠体内，建立无菌疾病模型。研究表明，将肥胖和2型糖尿病患者粪便中的微生物接种到无菌动物体内后，无菌动物成功复制了疾病表型，这为肠道菌群与代谢疾病的关联提供了证据。
此外，从患有病态肥胖和糖尿病的人的肠道中分离出一种过度生长的产生内毒素的细菌阴沟肠杆菌B29，它在无菌 C57BL/6J 小鼠中诱发了肥胖、脂肪肝和胰岛素抵抗，而这些小鼠对高脂饮食引起的代谢缺陷具有抵抗力。敲除B29菌株中产生内毒素的基因或C57BL /6J小鼠中的Tlr4基因可预防代谢缺陷，强调了特定肠道细菌和宿主反应在代谢疾病的发生和发展中的因果关系。
然而，某些关于肠道微生物小鼠的概念一直流传，而这些概念只是研究一种基因型的结果。例如，GF C57BL/6J 小鼠对饮食诱导的肥胖具有抗性，而 GF Swiss Webster 小鼠则不能；因此，由于大多数 GF 小鼠研究都使用 C57BL/6J 小鼠，因此 GF 小鼠通常必须比传统小鼠吃得更多才能维持体重，这已成为事实。这些模型对高脂饮食的不同反应凸显了遗传背景在研究结果中的重要性。
其他GF模型（如猪和斑马鱼）的存在补充了 GF 小鼠的使用。在开发与人类微生物群相关的无菌模型时，GF 猪和仔猪比小鼠能提供更多与人类相关的见解，尽管饲养它们所需的空间对于许多机构而言过于宽裕，或限制了研究只能使用少数动物。另一方面，无菌斑马鱼已被证明可用于研究肠道微生物和不同宿主细胞发育阶段 。
鱼体的透明度、在不同细菌存在下荧光标记和成像不同细胞类型的能力，以及饲养和繁殖斑马鱼的便利性，都有利于研究特定问题。这些模型不能完全复制人类生理学，但它们允许在严格控制的条件下进行纵向和侵入性采样，这在探究机制问题时非常重要。
器官芯片利于研究人体组织内的相互作用
器官芯片（如肠道芯片）提供了更多与人类相关的系统，因为它们可以直接从人体组织或血液来源的诱导性多能干细胞中获得，这些干细胞保留了宿主的遗传特征，因此，它们使我们可以在受控环境中研究复杂的人体组织和细胞相互作用。
最近的研究已经证明了在半厌氧环境中将微生物群接种到肠道芯片中的能力，目前许多研究小组正在测试在这些芯片上接种日益复杂的群落的效率。虽然肠道芯片模型缺少一些关键的细胞类型，如免疫细胞，但重大进展包括能够连接不同的器官芯片，如肠道芯片和神经元芯片，以模拟肠脑相互作用。利用器官芯片研究微生物组的创造性方法将继续涌现，并可能填补重要的空白，补充动物模型。
了解细菌基因和功能
对细菌全基因组进行测序和组装的能力是一种非常强大的方法，可用于识别菌株的谱系和相关性，以及识别可能与人类健康或疾病相关的特定细菌表型所涉及的假定途径。如果我们思考已从基因改造小鼠研究中阐明的人类疾病机制，就不难想象在细菌中进行同样研究可以获得的大量信息。敲除和操纵细菌基因的能力并不是什么新鲜事。
近80年的细菌遗传学研究已经阐明了病原体如何在肠道上皮中定植并分泌毒素从而导致霍乱等疾病，它们如何相互共享信息以适应不同的环境，以及营养选择如何驱动它们在宿主中的组成。大肠杆菌可以被认为是 C57BL/6 小鼠的细菌版本；其基因定义明确且易于改造，而且它已经成为在特定环境下测试改造效果的主力。然而，共生肠道细菌的多样性远不止大肠杆菌；因此，研究人员正在积极寻求对肠道j基因的更深入了解，例如使用拟杆菌和梭菌作为代表性生物 ，因为大量人类和小鼠研究已经证明了这些生物在健康和疾病中的重要作用。
人工智能等先进计算工具通过预测蛋白质的三维结构，为细菌基因组中未注释部分提供了新的见解，AlphaFold2 等技术极大地推进了这一任务。通过分析这些结构，研究人员可以根据它们的形状和结合位点推断出可能的功能。这些潜在作用可以通过生化和微生物学研究中的实验验证来证实。这些知识，特别是关于蛋白质如何影响代谢途径的知识，对于将微生物活动与糖尿病等健康状况联系起来至关重要，有助于深入了解疾病机制和潜在的治疗靶点。
无参考数据分析
目前，微生物组测序分析中依赖数据库的方法最关键的问题是它们在检测新型或研究不足的微生物方面存在局限性。当使用基于已充分表征的细菌的参考基因组的数据库分析微生物群落样本时，不匹配的序列会被忽略或错误分类。
这一过程导致对微生物生态系统的看法出现偏差，可能会遗漏在健康和疾病（包括糖尿病）中发挥重要作用的关键成分。因此，推进微生物组研究需要开发和使用能够发现和表征这些代表性不足的微生物实体的方法。
从宏基因组测序数据中从头组装基因组是微生物组研究中一种强大的方法，该方法涉及直接从测序读取构建基因组，而不依赖于参考数据库。
该方法使用先进的计算算法将样本中的 DNA 片段拼凑在一起，从而可以识别来自各种生物体的遗传物质，包括那些以前未测序或编目的生物体。通过组装这些基因组，研究人员可以发现新物种并揭示新的基因功能，从而大大扩展我们对微生物多样性及其在包括人体在内的各种环境中的潜在作用的理解。
对于16S测序来说，由于其经济和丰富的样本积累，对于构建疾病的大数据库来说存在很大的优势，虽然16S分辨率没有宏基因组高，但是通过方法和技术的弥补，可以大大提供16S的预测精准度。
例如谷禾健康结合宏基因组数据和已有的菌群构成数据，通过算法可以大大提高扩增子数据的物种分辨率。此外病毒、真菌、寄生虫和部分16S难区分的病原菌目前通过增加靶向引物进行tNGS的方式来实现，大大拓展了二代测序微生物多样性检测领域的涵盖范围。
这种方法在揭示微生物生命的全部范围方面特别有用，包括可能在健康和疾病中发挥关键作用的物种或基因。
了解小肠微生物群
小肠是营养吸收、肠肝循环和承受肠道激素刺激的主要部位；因此，深入了解人体这一部位的微生物功能至关重要。然而，我们对人类微生物组的大部分了解都基于粪便样本和结肠微生物群，因为即使使用现代内窥镜检查方法，获取小肠微生物群也很困难。
最近的进展使用了创新方法，例如可摄入的胶囊，它可以对整个胃肠道中的肠道物质进行取样。由于每个胶囊都由肠道中不同的 pH 值触发，因此这种方法可以提供肠道群落的微生物图谱。这些工具正在进一步完善和商业开发，以用于诊断和研究。但需要注意的是，样本采集到胶囊内后，微生物有可能继续生长，因此不能准确地代表原生微生物群落。
此外，这些胶囊和其他胶囊都是为空腹状态下的取样而开发的，因此对餐后反应的研究仍然有限，尽管这些反应对于全面了解微生物对葡萄糖代谢调节的贡献可能很重要。解决这些问题对于确保使用此类设备进行微生物组研究的可靠性和准确性至关重要。
同工酶和小分子筛选
微生物组研究中，同工酶和小分子筛选对于识别可以作为治疗目标的特定细菌产物至关重要。微生物同工酶是具有不同分子结构但催化与宿主酶相同反应的酶。筛选这些产物可以揭示微生物代谢的变化，这些变化可能会影响健康并可能干扰药物治疗，例如细菌 DPP-4 同工酶的情况。
小分子筛选专注于识别微生物产生的生物活性化合物 。这些化合物可对宿主的病理生理学产生显著影响。通过识别特定的同工酶和小分子，研究人员可以针对它们进行降解或增强，从而为糖尿病等疾病提供潜在的治疗策略。
基于肠道菌群诊断和治疗糖尿病Treatment
如上所述，目前尚未发现针对1型或2型糖尿病的诊断性和广义的粪便微生物群分类学特征。因此，未来的研究应转向在大规模前瞻性人群中进行菌种和菌株水平的研究，并在可能的情况下，重点研究胃肠道肠道微生物的功能分析，特别关注稳定同位素前体，以研究不同胃肠道区域重要微生物代谢物的生成和底物通量。
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高纤维饮食和基于短链脂肪酸的治疗
关于基于肠道菌群的糖尿病疗法，高纤维饮食已被证明可有效控制1型和2型糖尿病患者的血糖水平并降低胰岛素抵抗。尽管膳食纤维通过肠道菌群直接起作用的方式仍有待证实，但这些试验强调了将肠道菌群调节策略纳入糖尿病干预试验的潜在重要性，特别是对于生产有益代谢物（如 SCFA）而言。
但是，如上所述，口服短链脂肪酸(丁酸盐)补充剂的干预试验并未显示在1型或2型糖尿病患者的血糖控制或其他糖尿病调节标志物上 ，可能是因为给药部位与内源性产生不同。对于其他短链脂肪酸，包括丙酸盐和乙酸盐，数据太少，无法得出关于对代谢调节的可能影响的任何结论。
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传统益生菌和新一代益生菌
用于糖尿病的益生菌疗法可分为传统益生菌，特别是乳酸杆菌和双歧杆菌菌株，它们历来被用于发酵食品或补充剂中以促进健康，以及下一代益生菌，它们是最近被鉴定为人类肠道菌群成员的新菌种菌株。这些菌株与健康有关，但在疾病环境中存在会减少。
传统益生菌
关于传统益生菌，一项关于益生菌(双歧杆菌、乳酸杆菌和唾液链球菌菌株)的开放标签试验发现，益生菌对1型糖尿病患者的兄弟姐妹的1型糖尿病易感性和进展有益。
针对新发1型糖尿病的前瞻性随机对照试验 (RCT) 正在进行中(NCT03961854、NCT03961347、NCT04769037 和 NCT05767450)，一项规模较小的试验显示，其对长期 1 型糖尿病仅有中等效果。
在2型糖尿病中，最近的一项荟萃分析描述了这些益生菌菌株在代谢控制和降低胰岛素抵抗方面具有一定功效。
新一代益生菌
关于下一代益生菌，在人体中产生的数据较少。例如，尽管特定菌株（例如Akkermansia）与健康的代谢表型相关，但使用A. muciniphila的 RCT 干预并未发现强烈的代谢影响。
这一发现可能是由于这些测试菌株与代谢综合征缺乏因果关系、通过胃后活力降低、剂量不足或引入人体肠道时缺乏定值。
由于小肠对1型和2型糖尿病的病理生理学都很重要，因此需要进一步分析1型和2型糖尿病患者的小肠微生物群，并研究确定的下一代益生菌菌株组合作为糖尿病的可能干预措施。然而，这种努力应该考虑细菌菌株的植入条件、对其他细菌成员的生态或功能依赖性、以及功能上的潜在冗余。
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供体粪菌移植
在完成针对特定菌株组合的研究之前，供体粪菌移植(FMT)可能有助于了解调节肠道菌群的效果以及这种调节对糖尿病病理生理和潜在可逆性的影响。
最近发表了一项研究，探新鲜粪菌移植在维持残余β细胞功能和抑制新发1型糖尿病患者自身免疫方面的功效。其他针对 2 型糖尿病和胰岛素抵抗的研究显示，FMT 对胰岛素抵抗和非酒精性脂肪肝疾病有适度影响 ，而一项研究表明对这些参数没有影响。
此外，微囊供体 FMT 和纤维补充的联合干预显示出对葡萄糖代谢有益的影响，这表明干预设计不仅需要合成菌株联合体，还需要饮食支持（例如纤维来滋养菌株）。最后，评估生活方式干预后自体 FMT 是否有助于防止体重反弹的研究发现，饮食引起的低丰度细菌变化可能是维持减肥效果的原因，这可以指导更精准的干预措施，减少伦理负担，降低传播疾病的风险。
总体而言，与针对性菌株或代谢物的干预措施相比，供体 FMT 是一种更为分散的方法。此外，现有数据集中的粪便物质给药方式（胶囊与新鲜 FMT）、肠道 pH 值（例如由于抗酸药）和结肠转运时间存在差异，并且施用的粪便微生物群的数量似乎也会影响供体细菌菌株的植入。
关于糖尿病和基于肠道菌群的疗法的试验结果，使用随时间动态测量葡萄糖代谢(例如混合餐测试或连续血糖监测)可以更好地了解在 FMT 和施用确定的菌株组合期间肠道微生物、饮食和葡萄糖稳态之间的相互作用。
对小肠微生物组的研究仍不足，但对肠道微生物的新认识越来越多地将其与人类糖尿病联系起来。对人类 FMT 的干预研究已经能够从因果关系中分离出关联，并且确实显示出一些临床益处，虽然平均而言相对较小的治疗效果和伦理问题阻碍了这种治疗方法在糖尿病临床护理中的广泛实际应用。
因此，还需要在多民族队列中对肠道菌群和糖尿病之间的前瞻性关联进行更多研究。与此同时，还应探索合成的肠道菌群衍生的细菌菌株或群落和工程系统在糖尿病中靶向肠道输送已识别代谢物的治疗潜力。
结论Perspectives
在过去二十年中，肠道微生物的改变与糖尿病患者的异常葡萄糖代谢和脂肪变性有关。流行病学研究中的较大样本量现已开始显示肠道菌群与肥胖或2型糖尿病相关的人类代谢特征之间的相关性的大小和可能的一致性；然而，对于1型糖尿病，情况就不那么明朗了。
未来的研究应更严格地考虑糖尿病药物与种族和饮食摄入之间的相互作用。此外，近年来，人们对肠道菌群的功能有了更多的了解，而不仅仅是其成分，这些信息与之前关于特定代谢物(包括短链脂肪酸、支链氨基酸和胆汁酸)与肥胖和糖尿病之间联系的报告非常吻合。
关于肠道菌群成分，只有少数研究探讨了噬菌体和真菌的作用以及这些菌落与细菌菌株在糖尿病中的相互作用。显然，未来的研究还需要关注小肠微生物群的功能，以及开发足够的生物信息学流程和正确组装基因组。
我们还必须考虑到，迄今为止的大多数数据都是在小鼠研究中产生的，由于小鼠和人类在饮食、遗传和寿命方面存在巨大差异，其与人类糖尿病的相关性需要进一步证实。尽管如此，在人类糖尿病环境中对单一菌株和粪菌移植的人体干预研究表明，存在一系列临床代谢效应（与药物更一致的效果相比），但没有严重的副作用。
总之，经过近二十年的研究，我们仍然必须期待未来的努力，以阐明肠道微生物研究对人类糖尿病的临床诊断和治疗适用性。
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本文转自：谷禾健康
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