腸道菌群介導肥胖的機制及調控方法研究進展
肥胖是一種受多因素影響、多基因控制的慢性代謝性疾病，可由遺傳因素或非遺傳因素引起，此前人們主要將肥胖的原因歸結于能量失衡，即攝入的能量遠大于輸出的能量，導致脂肪在體內積累引起肥胖，而近年來的研究證實，肥胖與腸道微生物菌群密切相關。紊亂的腸道菌群及其代謝產物能夠通過某些機制促進肥胖的發生，同時也能夠誘導機體炎癥反應，進而引起各種慢性疾病的發生。
近日，東北農業大學食品學院，乳品科學教育部重點實驗室通過分析腸道菌群介導肥胖的機制和飲食，改善機體腸道菌群組成，分析腸道菌群誘導肥胖的機制制定其對應的個性化膳食調節方案進而改善腸道菌群，進而改善肥胖癥狀，提升肥胖治療手段。
01 傳統醫學關于肥胖的概念
體質量指數（BMI）是體質量與身高的平方之間的比率（kg/m2）。世界衛生組織將肥胖定義為BMI≥30 kg/m2，我國將BMI≥28 kg/m2作為肥胖判定閾值。但當體內肌肉含量增加而造成BMI值升高時，仍然依據此標準判斷肥胖則有失妥當。相比于BMI值，體脂率（BF）則能夠更準確地評估體內脂肪含量，男性不低于25%、女性不低于35%即為肥胖。此外，腰圍（WC）也可作為肥胖判定指標，對于亞洲人來說，男性不低于90 cm，女性不低于80 cm即為肥胖。與BMI值相比，WC或結合BMI值的WC與代謝及心血管疾病的關聯性更強。臨床上對于肥胖的診斷通常綜合性考慮多個指標。肥胖人群體內腸道菌群豐度異常，近期，有人提出了一項新概念——腸道微生物組健康指數（GMHI），它是一種基于糞便宏基因組樣本的種級分類圖譜，將兩組樣本（即良好和肥胖狀態）相關微生物物種的相對豐度進行比較，用以確定患病的可能性。這種方法獨立于傳統的臨床診斷之外，有望成為判定肥胖的新概念。
02 腸道菌群介導肥胖的分子機制
腸道屏障主要由機械屏障、免疫屏障、化學屏障和生物屏障4 部分組成，能夠將內臟與一些有害微生物、炎癥因子等分隔開。健康的腸道以營養物質、水和細菌產物的選擇性滲透為特征，當腸道屏障破損時，微生物及其衍生代謝產物等即可通過屏障轉移到宿主組織中，導致全身炎癥的發生，進而誘發疾病。細胞間緊密連接是機械屏障的組成部分，主要由緊密連接蛋白ZO-1和Occludin組成，緊密連接蛋白大部分分布在細胞的頂端邊界。肥胖會導致機體腸道屏障破壞，對小鼠飼喂高脂飲食后，腸道菌群通過激活腸表皮生長因子從而激活蛋白酶受體，導致ZO-1和Occludin蛋白的基因表達下調，使機械屏障破損，增加腸道的通透性。腸道菌群是生物屏障的重要組成部分，肥胖人群腸道內的菌群組成發生改變，腸道菌群紊亂導致腸道微生物屏障被破壞。
2.1 肥胖患者的腸道菌群特征
腸道菌群的結構受飲食、體質量、精神狀態和宿主代謝等諸多因素影響。腸道菌群與肥胖有關的證據主要來自動物實驗，將常規飼養小鼠的腸道微生物移植到無菌小鼠體內，結果發現接受移植的小鼠食物攝入量減少，但體內脂肪含量和胰島素抵抗水平增加，這表明腸道菌群能夠使宿主體內脂肪分子的產生或分泌發生變化。日本學者則認為，肥胖人群體內腸道菌群的多樣性顯著高于非肥胖人群，與之前的研究結果不同，可能與人種、地域及檢測方法或樣本量不同等諸多因素有關。
2.2 代謝產物
腸道屏障被破壞后，腸道菌群代謝物穿過腸道屏障從而影響宿主的生理功能，目前已在代謝水平上鑒定出較多的與肥胖有關的腸道菌群代謝物，如SCFA、次級膽汁酸、谷氨酸、吲哚、TMAO等，這些代謝產物能夠通過不同的機制對機體產生正反兩方面的影響。
2.2.1 短鏈脂肪酸
肥胖人群體內產SCFA 的厭氧丁酸產生菌（Anaerobutyricum soehngenii）及糞桿菌屬（Faecalibacterium）豐度降低。SCFA是腸道菌群利用人體不能消化吸收的碳水化合物而產生的菌群代謝物，主要包括乙酸、丙酸、丁酸等。丙酸能夠激活G蛋白偶聯受體（GPCRs）中的GPR41，GPR41可使體內瘦素水平升高，瘦素能夠使增強食欲的神經肽Y（NPY）含量降低。GPR41還可促進抑制食欲的PYY的分泌。丁酸通過激活GPR43增加血漿中GLP-1的含量來抑制肥胖。GLP-1是一種由腸道L細胞產生的激素，可通過中樞神經系統控制食欲，用減少進食量的方式降低肥胖的發生率。此外，研究表明，苦味受體（TAS2R）能夠通過促進GLP-1的表達來降低食欲，從而促進體質量減輕。
SCFA通常被認為在體內產生積極作用，但有研究表明，過量的SCFA可能會對機體產生負面影響。此外，肥胖人群血清中琥珀酸含量增加，這是由于機體內產琥珀酸的普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）和韋榮氏球菌科（Veillonellaceae）相對豐度較高，而消耗琥珀酸的梭菌科（Clostridaceae）相對豐度較低導致的。在2型糖尿病、高血壓、缺血性心臟病患者體內均發現琥珀酸水平升高。研究發現，琥珀酸水平與BMI值之間存在正相關，因此其也被視為與心血管疾病風險成正相關的潛在微生物菌群代謝物。
2.2.2 次級膽汁酸
厚壁菌門中A.soehngenii的豐度在肥胖人群體內降低，此菌株具有鈉膽汁酸轉運蛋白和甘氨酸膽堿水解酶基因，可使代謝綜合征患者次級膽汁酸濃度升高。次級膽汁酸的代謝還與克里斯滕森菌科（Christensenellaceae）的豐度呈正相關。次級膽汁酸由初級膽汁酸轉換而來，具有促進能量代謝、增加胰島素敏感性、減輕炎癥的作用。通過比較分析肥胖人群與健康人群血清及糞便代謝物發現，肥胖人群的初級膽汁酸生物合成受到干擾，從而導致無法生成次級膽汁酸，而腸道微生物可將初級膽汁酸轉換成為次級膽汁酸，目前已知的與膽汁酸解偶聯相關的腸道菌群有擬桿菌屬、梭菌屬、乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬、李斯特菌屬等。然而，過量的膽汁酸對肝細胞具有損傷作用。腸道梗阻可使膽汁酸流動中斷，導致膽汁酸在肝臟中積累，引起肝細胞毒性。菌群代謝物能夠對宿主產生正反兩方面影響，若想通過調控菌群代謝物來調節機體炎癥水平，應關注其濃度問題。
2.2.3 谷氨酸
肥胖人群體內富集的瘤胃球菌屬（Ruminococcus）和長鏈多爾氏菌（D.longicatena）具有編碼谷氨酰胺產生谷氨酸所需酶的基因。谷氨酸在肥胖人群血清中含量增加，而其含量偏高會導致肝功能異常。研究表明，灌胃帶有編碼谷氨酸脫羧酶基因的多形擬桿菌（B.thetaiotaomicron）能夠降低血漿谷氨酸水平，并且能夠下調WAT形成基因、上調脂肪分解和氧化基因的表達，抑制高脂飲食誘導的小鼠體質量增加和肥胖，而在肥胖人群中該菌種含量較低。
2.2.4 吲哚
吲哚是腸道菌群衍生代謝物的一種，能夠通過孕烷X受體加強腸道上皮細胞的緊密連接，增強腸上皮細胞的屏障功能，抑制促炎因子分泌，減輕宿主炎癥水平。吲哚還能夠促進GLP-1的分泌，降低食欲。但并非體內存在的所有吲哚都具有益生作用，腸道菌群通過代謝色氨酸而產生的吲哚代謝物可促進機體炎癥并誘導癌癥發生，如乳酸菌通過代謝色氨酸生成的吲哚-3-醛能夠激活腫瘤相關巨噬細胞上的芳香烴受體，導致胰腺導管腺癌的發生，且芳香烴受體能夠激活核因子κB（NF-κB），從而促進機體炎癥反應的發生。同時，若體內存在過量的吲哚，其會進入肝臟中生成吲哚氧基硫酸鹽，該物質能夠導致腎臟相關疾病的發生。
2.2.5 氧化三甲胺
腸道菌群以紅肉類、蛋類、奶類中富含的磷脂酰膽堿、膽堿和左旋肉堿等為底物生成代謝物三甲胺（TMA），TMA在黃素單加氧酶3（FMO3）的作用下生成TMAO。研究表明，健康人群的TMAO水平低于肥胖人群，且對同時患有肥胖及2型糖尿病的患者進行減肥手術1 年后其體內TMAO水平明顯降低。對比接受Roux-en-Y胃旁路手術前后2型糖尿病肥胖患者的血清發現，雙歧桿菌（Bifidobacterium）、擬桿菌門（Bacteroidetes）的豐度與TMAO水平呈負相關，而這些菌群在肥胖人群體內豐度顯著降低。對肥胖結腸癌患者的血清進行分析發現，TMAO水平與腸桿菌科（Enterobacteriaceae）和大腸埃希菌（E.coli）的豐度呈正相關。TMAO可能通過促進炎癥因子表達從而導致肥胖，小鼠實驗表明，注射TMAO后IL-6、TNF-α等炎癥因子水平升高。此外，真細菌（Enterococcus）和大腸埃希菌（E.coli）能夠產生TMA。除TMAO本身對肥胖的不利影響外，其合成酶FMO3與肥胖的發生也密切相關。FMO3水平與BMI值、腰臀比呈正相關，與脂肪組織褐變水平呈負相關，對小鼠進行FMO3基因敲除，發現小鼠能夠避免高脂飲食所誘導的肥胖，其原因可能是敲除FMO3基因促進了脂肪向碳水化合物的轉換。
2.3 免疫炎癥因子
肥胖被認為是一種慢性炎癥狀態，因在其發生過程中，分泌抑炎因子的M2型巨噬細胞減少，而分泌促炎因子的M1型巨噬細胞、輔助性T細胞1（Th1）、CD8＋T細胞增多。肥胖患者體內檢測到脂多糖（LPS）水平升高，而LPS是極強的炎癥誘導劑。LPS能夠激活NF-κB信號通路，進而導致慢性炎癥、內毒素血癥的發生并增加脂肪積聚。LPS可被脂肪細胞吸收，并且脂肪細胞越大，其活性越強。同時，LPS和干擾素-γ又可激活體內M1型巨噬細胞，分泌TNF-α、IL-12、IL-6等炎癥因子。
腸道通透性增加導致血漿中炎癥因子水平升高，使機體處于炎癥狀態。肥胖人群體內腸桿菌科（Enterobacteriaceae）和脫硫弧菌科（Desulfovibrionaceae）豐度增加，其產生LPS的活性極強。小鼠實驗表明，補充多形擬桿菌（B.thetaiotaomicron）能降低I L-6 含量，從而減輕局部炎癥水平，但在肥胖人群體內多形擬桿菌豐度較低。丁酸能激活體內M2型巨噬細胞，動物實驗表明，經丁酸處理后的小鼠體內IL-6、IL-12等促炎因子表達下調。此外，丁酸還能夠抑制轉錄因子NF-κB的活性，從而調節某些參與炎癥反應基因的表達。
03 腸道菌群介導調控肥胖的研究現狀及趨勢
肥胖人群的腸道通透性增加，一些與肥胖有關的特征性腸道菌群及其代謝產物改變了宿主腸穩態并引發炎癥。腸道菌群作為肥胖預防、治療方式中的可控因素，對其組成的調控顯得極為重要。調控益生菌及飲食模式等可通過調節菌群組成并促進對機體有利的代謝作用減輕機體炎癥反應，并創造健康穩定的腸道環境。
3.1 益生菌及益生元對腸道菌群的調控作用
基于腸道微生態與腸道免疫及肥胖的關系，近年來也有一些研究探討通過補充益生菌（和/或益生元）以調節腸道菌群組成，降低腸道通透性，以改善機體免疫功能，并由此調整脂肪代謝等從而達到減肥的目的。
3.1.1 益生菌
益生菌能夠促進機體有益菌的生長，補充益生菌及益生菌補充劑能夠通過使機體腸道菌群組成向有益趨勢改變從而改善肥胖。益生菌還能夠通過使緊密連接蛋白重新連接而修復腸道屏障，并減輕體內的炎癥反應從而改善肥胖。除傳統的益生菌外，某些非傳統益生菌的腸道細菌在無菌小鼠體內定植后也可影響宿主的新陳代謝并恢復小鼠的黏膜免疫系統。
此外，益生菌能通過物質及能量代謝的途徑改善肥胖。益生菌還能直接降低促炎因子含量，從而改善肥胖。積累過多的TNF-α能夠引起局部以及全身的炎癥蔓延，這種炎癥反應會導致ZO-1和Occludin蛋白的緊密連接發生改變。益生菌干預還可降低小鼠體內炎癥物質LPS水平，但在腸道屏障受損的情況下大劑量補充益生菌會導致免疫系統紊亂，所以應依據自身情況適量補充。補充益生菌對動物及人體影響的總結見表1。
3.1.2 益生元
益生元是指不被人體消化但能被腸道菌群發酵的物質，包括功能性低聚糖、多糖、天然植物提取物黃酮及多酚類等。對高脂飲食誘導肥胖的小鼠以及肥胖人群進行益生元干預能夠有效地控制其體質量的增加。腸道菌群失調的發生機制與飲食密切相關，高脂低纖維的飲食會導致腸道菌群的組成發生紊亂。膳食纖維進入人體后不能夠被消化，但能被腸道菌群利用并生成SCFA，SCFA可以減輕炎癥、增加飽腹感，因此可以通過低熱量飲食來改善肥胖。此外，攝入較多的膳食纖維可以增加肥胖人群體內的微生物多樣性。益生元可促進有益菌的生長從而改善肥胖。經低聚果糖益生元干預后，肥胖人群體內雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）含量升高。
益生元可通過降低體內炎癥水平及上調食欲抑制激素而抑制肥胖。肥胖人群補充益生元后ZO-1和Occludin蛋白的緊密連接程度增加，腸道屏障的通透性及機體內LPS、TNF-α、IL-6水平降低。在一項人體研究中，經過幾周益生元治療后，受試者體內GLP-1、PYY水平上調，食欲降低，從而減少了食物攝入量并抑制了體質量增加。補充益生元對動物及人體影響的總結見表2。
3.2 生活作息及飲食方式對腸道菌群的影響
熬夜對腸道菌群具有毀滅性的影響，很多情況下肥胖均與不良睡眠習慣有關。而運動及改變飲食方式均可改善腸穩態，腸道菌群的生長依賴于機體攝入的食物，隨著飲食模式的改善，腸道菌群組成也會發生一定變化，這種變化多數是對機體有益的，并且結合適當的運動會放大這種有益變化。
3.2.1 睡眠
生物鐘是指機體為了適應24 h內的晝夜交替而使各種生理活動表現出的節律性變化，與人體生物鐘類似，腸道菌群也具有晝夜節律。研究表明，菌群的晝夜節律受人體生物鐘的影響。睡眠不足或熬夜使得機體原本的生物鐘被打亂，從而擾亂腸道菌群晝夜節律，誘發機體疾病及生理壓力。輪班或長期經歷時差工作增加了罹患肥胖及糖尿病的風險。研究表明，僅幾晚的睡眠缺失就會極大提高TNF-α和C反應蛋白（CRP）含量。因此，保證充足的睡眠時間以維持生物鐘穩定，進而維持腸道菌群穩定，就能夠達到預防及改善肥胖的目的。
3.2.2 運動
體育鍛煉能有效地減少腹部脂肪含量，且堅持鍛煉對減肥后的體質量保持有重要作用。但有研究發現，運動還能通過改變人體內腸道菌群組成從而減輕體質量。鍛煉對減輕體質量產生積極影響的機制可能是腸道菌群豐度的變化改善了腸屏障功能，并抑制促炎因子表達，以及提高代謝乳酸并生成SCFA的菌群豐度。
3.2.3 飲食模式
飲食是對腸道微生物菌群定向干預的基礎，其有效地改變了微生物菌群組成，最重要的是，其可以創造一個促進健康微生物區系長期穩定的環境。
1 ) 間歇性禁食
間歇性禁食（IF）指交替地進行膳食和禁食，包括隔日禁食、限時進食（即每日進食時間限制在6～8 h內）、5∶2飲食（即每周連續禁食2 d）等。動物實驗以及人體研究均表明，經過IF處理后機體總進食量不變，但體質量明顯降低。這種良好的效果依賴于腸道菌群介導的WAT褐變、腸道菌群組成的改變及體內脂肪的消耗。此外，IF還能夠通過增加腸道菌群的多樣性、降低厚壁菌門與擬桿菌門的比值來改善腸道菌群組成，從而改善肥胖狀態。禁食還能夠促進脂肪消耗，餐后人體細胞所需能量由葡萄糖提供，脂肪則以甘油三酯的形式儲存在脂肪組織中，而禁食期間，甘油三酯分解為甘油和脂肪酸，脂肪酸在肝臟中被轉化為酮體，酮體為體內各組織提供能量。IF由于進食時間的特殊性，不適用于低血糖人群，此外，由于禁食期間機體會處于生酮階段，所以不適合于生酮飲食（KD）的人群亦不適合IF。
2) 生酮飲食
KD是指攝入大量的脂肪、適量的蛋白質以及極少量碳水化合物的飲食模式。在低碳水化合物的飲食方式中，機體供能方式發生轉變，且能夠在1 周內實現由葡萄糖供能到酮體供能的轉變，也就是說攝入的脂肪不再以甘油三酯的形式儲存于體內，而是分解生成酮體后進行供能，因此，盡管通過脂肪攝入的方式來減肥，其效果仍非常顯著。KD對于減肥的有益作用主要有以下原因：一方面，KD燃燒了大量脂肪，且許多人在KD期間不會經常感到饑餓，因此減少了總熱量的攝入；另一方面，KD改善腸道菌群組成，能夠對腸道環境產生有益作用，減輕體內炎癥狀態，從而改善肥胖。此外，KD能夠增加益生菌如阿克曼氏菌（A.muciniphila）和乳酸桿菌（Lactobacillus）的豐度，降低脫硫弧菌（Desulfovibrio）、瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）豐度。KD期間主要依靠肝臟將脂肪酸轉化為酮體，因此KD不適用于患有肝病的人群，糖尿病、低血糖以及患有胃腸道疾病的人群也不適用。
3 ) 地中海飲食
MedDiet攝入大量的水果、蔬菜、魚類、谷物、豆類以及極少量的紅肉，并以橄欖油作為脂肪攝入的主要來源，低脂低能量的水果蔬菜能在低熱量攝入的情況下誘導產生飽腹感。MedDiet是公認的健康飲食方式，對腸道菌群有積極的影響，并能夠降低罹患肥胖以及慢性疾病的風險。MedDiet中大量的蔬菜、水果均為多酚類食物，多酚在抗炎、抗氧化、抗癌、抗糖尿病和抗脂肪等方面發揮了重要的作用，以果蔬為主的飲食相當于攝入了大量多酚，而小腸對于多酚的吸收率很低，其余多酚會干擾腸道菌群的組成，從而改善機體肥胖。堅持MedDiet的受試者體內雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）豐度增加、SCFA水平升高、瘤胃球菌屬（Ruminococcus）豐度降低、炎癥標志物CRP水平降低。健康的飲食以蔬菜、谷物為主，MedDiet符合這一理念且飲食結構較為豐富，與其他低脂飲食模式相比，MedDiet對超重或肥胖人群的長期減肥更有效。但MedDiet攝入植物性食物偏多，消化功能欠佳的人群并不適用。
04 結 語
肥胖是多種慢性疾病的誘因，手術或藥物等減肥方法可能需要昂貴的費用，且這些減肥方法并不能達到長期的效果。腸道菌群已被證明與肥胖的發生發展密切相關，因此通過健康的飲食及生活習慣調節腸道菌群來治療肥胖是一種極具希望的減肥手段。通過改善飲食加運動等特定方法對腸道菌群進行干預后，可使腸道微生態發生逆轉，改善腸道屏障功能、抑制炎癥因子水平，從而預防并輔助治療肥胖。而從宏觀層面分析各代謝物如何調控炎癥水平及各代謝物之間是否存在相互作用，可作為研究預防及治療肥胖手段的新思路。
