2型糖尿病（T2DM）是世界上增长迅速的代谢性疾病之一。人体肠道菌群（GM）在新陈代谢和免疫调节中起着重要作用。T2DM患者中肠道微生物群代谢异常促进了肠道细菌及其有害代谢产物进入循环系统，通过干扰胰岛素敏感性、葡萄糖代谢和免疫稳态而对多个器官造成损害。笔者从代谢组学在T2DM中的应用出发，主要从T2DM中的GM失调、代谢组学阐释GM对T2DM代谢调控的相关机制、基于GM代谢的T2DM治疗几个方面进行阐述。

  自20世纪以来，糖尿病已成为全球增长迅速的代谢性疾病之一。据估计，在中国每11名成年人中就有1名患有糖尿病，其中90%是2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM），高血糖和胰岛素抵抗是其主要特征。肠道菌群（gut microbiota，GM）被认为是人体的内分泌器官，除了帮助人体消化食物并吸收营养外，还能保护肠屏障并抵抗病原菌的入侵、改善肠道免疫系统的发育和功能，以及调节宿主的新陈代谢。代谢组学能够同时评估存在于生命系统中的数百种化合物，使其成为促进我们对疾病机制理解的关键工具，并为确定新的靶点和治疗方法打开了大门。我们从代谢组学在T2DM中的应用出发，主要从T2DM中的GM失调、代谢组学阐释GM对T2DM代谢调控的相关机制、基于GM代谢的T2DM治疗几个方面进行阐述，以飨读者。

一、T2DM中的GM失调

  GM与T2DM的病理生理有关，GM失调是指微生物群落的不平衡分布和细菌代谢活动的失调。因此，探索GM失调对于了解代谢性疾病（如T2DM）的病理生理至关重要。

  在中国和欧洲，有两次大规模的宏基因组分析研究了T2DM患者和健康个体中肠道菌群的结构特征。在中国进行的研究发现，在T2DM患者中富集的细菌主要是条件病原体（如大肠杆菌），而产生丁酸盐的细菌大量减少。在欧洲女性T2DM患者中，主要表现为格氏乳杆菌、变形链球菌、一些梭菌属和乳杆菌的丰度增加，产丁酸盐细菌的丰度下降。然而，由于这两个人群的基因组成、地理和饮食差异，其宏基因组簇仍然存在很大差异。目前，尚未发现T2DM的特定肠道微生物组特征。

  在现有的研究中，T2DM的GM变化通常表现为有益细菌的减少（如产生丁酸盐的细菌和参与胆汁酸代谢的细菌），而条件致病细菌增加。结合动物和人类的研究，T2MD患者和健康对照组之间的GM差异总体表现为：双歧杆菌属、拟杆菌属、粪杆菌属、阿克曼菌属、罗斯氏菌属与T2DM呈负相关，瘤胃球菌属、梭杆菌属、布劳特氏菌属则与T2MD呈正相关。

二、代谢组学阐释GM对T2DM代谢调控的相关机制

   与T2DM相关的特定代谢物可以通过基于血浆、粪便、尿液或其他生物流体的质谱或磁共振代谢组学进行鉴定，从而能够对微生物组、代谢组进行联合分析，以确定潜在的机制联系。下面着重介绍利用代谢组学鉴定的几种GM代谢产物，以及它们在T2DM发展的代谢调控中的作用。

  1.短链脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）：复杂的碳水化合物（如膳食纤维）被GM代谢为寡糖或多糖，并发酵为SCFA，如丁酸、乙酸和丙酸。SCFA主要通过以下方式影响宿主健康：SCFA可以用作碳源，以促进GM产生内源性代谢产物；SCFA充当G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，GPCR）的配体激活肠道细胞，并调节肠道免疫系统；SCFA可以通过抑制组蛋白脱乙酰基酶促进宿主基因表达；SCFA可以通过酸化肠道环境来抑制致病菌的定殖并促进有益细菌的生长。SCFA（尤其是丁酸）可与肠内分泌L细胞上表达的GPCR-41和GPCR-43结合，随后诱导胰高糖素样肽-1（glucagon like peptide-1，GLP-1）和肽YY（peptide YY，PYY）的分泌从而增加能量消耗，减少食物摄入，改善葡萄糖代谢和胰岛素分泌。丁酸盐浓度的增加可触发肠道糖异生，从而改善葡萄糖和能量稳态，并使肝葡萄糖产生降低、食欲和体重下降以及增加上皮屏障功能。丙酸酯能够维持肠道糖异生，从而提高能量利用率。Zhao等对65例T2DM患者和35例健康人群的SCFA靶向代谢组学分析发现，T2DM患者血清中总SCFA、乙酸盐和丙酸盐显著升高，粪便中SCFA降低，这可能是由于肠道内产SCFA菌群减少，肠道屏障遭到破坏后进入循环中的SCFA增加。

  2.支链氨基酸（branched chain amino acid，BCAA）：从蛋白质获得的BCAA在葡萄糖和蛋白质的代谢中起着重要的作用，其水平的升高可表明T2DM的发生和胰岛素的初步信号传导。由于脂肪组织、肝脏和骨骼肌中蛋白质的分解，这些氨基酸的水平会升高。GM可以改变蛋白质的分解以及改变血浆中BCAA的水平。BCAA（尤其是亮氨酸）通过刺激哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）及其下游效应子S6激酶以及丝氨酸残基上的胰岛素受体底物1（IRS-1）的磷酸化来干扰胰岛素信号传导，从而可能中断胰岛素信号。Pedersen等针对胰岛素抵抗人群的血清代谢组学分析显示，其特征是可以从GM中获得较高水平的BCAA。如果减少这些支链氨基酸BCAA摄入，那么饭后胰岛素的释放就会减少，同时可以改善白色脂肪组织的代谢和GM结构。

  3.胆汁酸（bile acid，BA）：BA在肝脏中由胆固醇合成，并与甘氨酸或牛磺酸结合以提高其溶解性。大多数结合后的BA（初级）通过肝肠道再进入循环，肠道中的微生物可以将初级BA转化为次级BA。法尼醇X受体（farnesoid X receptor，FXR）受到初级BA的刺激，而次级BA刺激GPCR-19，从肠内分泌细胞释放GLP-1。FXR和GPCR-19维持葡萄糖代谢，前者刺激葡萄糖代谢，后者阻碍葡萄糖代谢。通过BA的组成以及FXR和GPCR-19信号的调节，GM可能通过调节葡萄糖代谢来影响T2DM的水平。调节胆汁酸的浓度可以作为T2DM患者的治疗方法，如可以施用胆汁酸螯合剂以增强T2DM患者的葡萄糖代谢。de Siqueira Cardinelli等对Roux-en-Y胃旁路手术后的人粪便样本进行BA代谢组学分析，发现手术治疗能降低粪便BA浓度，其中手术后对T2DM有缓解反应者BA代谢谱变化更显著。

  4.吲哚衍生物：食物中富含的色氨酸在小肠中被吸收，部分可到达结肠，被GM分解代谢为一系列吲哚衍生物，如吲哚、吲哚乙酸、吲哚丙酸、吲哚丙烯酸等。吲哚丙酸可防止氧化应激和炎症，并改善葡萄糖的代谢。吲哚、吲哚丙酸及吲哚丙烯酸可能通过结合孕烷X受体，降低肠道通透性，影响黏膜稳态。此外，吲哚还可以通过诱导L细胞分泌GLP-1来促进胰岛素分泌。因此，GM代谢产生的吲哚衍生物似乎对T2DM的发展具有保护作用。有学者采用非靶向代谢组学方法，通过检测两组参加芬兰糖尿病预防研究个体的血清代谢物谱，发现较高的吲哚丙酸与较低的T2DM发生可能性有关，在非T2DM患者中，吲哚丙酸与更好的胰岛素分泌相关，吲哚丙酸可作为T2DM发生的潜在生物标志物。

  5.氧化三甲胺（trimethylamine N-oxide，TMAO）：TMAO是营养物质前体（胆碱、磷脂酰胆碱和L-肉碱）的血浆代谢物，首先在肠道内经GM代谢为三甲胺，随后，肝脏中的含黄素单加氧酶（flavin monooxygenase，FMO）将三甲胺转化为TMAO。高浓度的TMAO可以直接结合内质网应激激酶并诱导转录因子FoxO1的表达以促进高血糖。Shan等在一项病例对照研究中，对2 000多名参与者血浆中的TMAO进行靶向代谢组学检测，发现血浆TMAO水平升高与新诊断T2DM的概率增加有关。Heianza等选取不同饮食结构的减肥干预人群，利用代谢组学技术检测TMAO及其前体物质的表达变化，以明确其对糖尿病相关特征及代谢的影响，结果发现，高脂饮食人群中，TMAO降低的参与者表现出空腹血糖降低和胰岛素敏感性显著增加，TMAO升高的参与者表现出空腹血糖升高和胰岛素敏感性改善幅度较小。因此，通过抑制FMO来降低血浆中TMAO水平可能有助于T2DM的治疗。

  6.丙酸咪唑（imidazole propionate，ImP）：丙酸咪唑是一种由微生物产生的组氨酸代谢衍生物，Koh等对T2DM患者的血浆进行了代谢组学研究，这些样本的代谢组学分析显示，T2DM患者的ImP水平升高。此外，ImP暴露小鼠表现出糖耐量受损。进一步的机制研究确定ImP在胰岛素受体底物水平上抑制胰岛素信号传导，这是通过激活mTORC1通路发生的，受损的胰岛素信号导致胰岛素抵抗。对与ImP产生有关的肠道微生物群代谢的进一步了解可能还会揭示新的靶标及改善胰岛素信号转导的新疗法。该团队随后的一项研究还发现，在服用二甲双胍且血糖高的T2DM患者中，ImP的浓度更高，Imp通过p38γ和Akt通路抑制二甲双胍诱导的腺苷酸活化蛋白激酶活化，从而使得二甲双胍的治疗无效。

三、基于GM代谢的T2DM治疗

   GM的多种代谢产物参与了T2DM的发展，针对GM代谢可能是改善T2MD及其相关疾病的一个新的治疗途径，而在这个过程中，代谢组学同样可以作为评价或预测治疗效果以及推断治疗作用机制的强有力工具。

  1.益生菌/益生元/合生元：益生菌是一类对人体有益的活性微生物，较常见的有双歧杆菌、乳酸菌等。益生菌摄入可能会积极影响T2DM中的几种代谢紊乱，包括胰岛素分泌、炎症和氧化应激途径的改变，Plovier等利用肠道益生菌Akkermansia muciniphila以及从中分离出的特异性膜蛋白可以降低患有肥胖症的糖尿病小鼠的脂肪质量，改善胰岛素抵抗和血脂异常，这些改善与宿主尿液代谢组学和肠道能量吸收的调节显著相关。益生元是宿主微生物选择性使用的物质。菊粉、低聚果糖、半乳糖和抗性淀粉等几种常见益生元已被证明对代谢性疾病有益。Birkeland等的一项随机对照试验中，25例T2DM患者在6周内服用了16 g的菊粉型果聚糖（低聚果糖和菊粉的混合物）和16g的安慰剂（麦芽糊精），粪便代谢组学分析表明，服用益生元后粪便中总的SCFA、乙酸和丙酸的浓度明显更高。益生菌和益生元的组合具有增效的协同作用，被称为“合生元（synbiotic）”。Ke等对高脂饮食小鼠进行益生菌（动物双歧杆菌牛奶亚种DSM10140和副干酪乳杆菌DSM46331）、益生元（燕麦β-葡聚糖）以及两者混合的合生元干预，功能水平上的代谢组学分析显示，所有干预显著恢复了盲肠中乙酸、丙酸和丁酸的水平，而合生元干预最有效地减少了BA的存储。

  2.粪便菌群移植（faecal microbiota transplantation，FMT）：先前的研究表明，肥胖的代谢综合征患者从较瘦的供体中进行FMT可以增加胰岛素敏感性和微生物群的多样性，表明FMT在T2DM和相关疾病的微生态治疗中具有潜在的应用价值。Kootte等对比研究了瘦人供体（异体）和患者自体FMT对男性代谢综合征患者的影响，结果表明，在自体FMT后18周，没有观察到代谢变化，而异体FMT 6周后，显示出微生物群组成的改变，胰岛素敏感性显著提高，代谢组学分析还观察到血浆代谢物（如γ-氨基丁酸）的变化，粪便中胆酸、乙酸盐和丙酸盐水平明显升高。最近的一次长期性随访研究表明，FMT具有良好的治疗效果并且严重不良反应的发生率较低，但仍应严格地筛选捐献者，并且对接受者进行临床评估。

  3.工程菌和噬菌体：利用合成生物学方法构建工程菌反映了微生态治疗的一个新领域，有望成为更安全、更有针对性的疗法。Chen等用产生N-酰基磷脂酰乙醇胺的工程化E.coli Nissle 1917细菌喂养高脂肪诱导的肥胖小鼠，发现可以减少肥胖小鼠的食物摄入、胰岛素抵抗和肝脂肪变性。噬菌体是肠道中丰富的微生物之一，是以宿主特异性方式攻击细菌的原核病毒。Rasmussen等将盲肠病毒组从瘦肉型小鼠转移到肥胖型小鼠中，结果导致肥胖小鼠体重增加减少和血糖参数正常化，从而改善T2DM，血浆非靶向代谢组学分析显示，其差异代谢物主要由几种饱和或不饱和的溶血磷脂酰胆碱和（或）磷脂酰胆碱组成。人工操纵肠道微生物基因和改造噬菌体或细菌将有助于控制肠道微生物群落，发展个性化的微生物治疗。

四、结论与展望

   T2DM伴随着GM失调，不同人群之间表现出一定的差异，但也存在许多共同特征。代谢组学的大规模分析技术拓宽了与T2DM发病机理有关的新发现的可能性，目前已鉴定出包括SCFA在内的多种GM代谢产物，并揭示了它们对T2DM代谢调控作用中可能涉及的途径。基于GM代谢的T2DM治疗目前虽不能在临床上替代传统药物，但已显示出潜在的应用价值。未来应着重将代谢组学与其他组学技术（如基因组学、转录组学、蛋白组学）相结合，用以全面理解疾病发病与治疗的精确生物学过程。