《Experimental Physiology》：Translating gut microbiome research into therapies for type 1 diabetes
编辑推荐：
1型糖尿病（T1D）的特征是功能性胰腺β细胞的丧失，终身胰岛素治疗仍是其标准治疗方案。鉴于肠道微生物组能够影响宿主健康，且已在T1D中观察到肠道微生物谱的偏移，人们对肠道微生物组在T1D中的作用，尤其是其治疗潜力，产生了日益浓厚的兴趣。本综述旨在概述目前关于T
1型糖尿病（T1D）的特征是功能性胰腺β细胞的丧失，终身胰岛素治疗仍是其标准治疗方案。鉴于肠道微生物组能够影响宿主健康，且已在T1D中观察到肠道微生物谱的偏移，人们对肠道微生物组在T1D中的作用，尤其是其治疗潜力，产生了日益浓厚的兴趣。本综述旨在概述目前关于T1D中失调或改变的肠道微生物代谢通路及微生物来源代谢产物的现有知识。随后，研究人员探讨了基于肠道微生物组的疗法的最新进展，涵盖从益生元到粪便微生物群移植（FMT）的临床前及临床研究。T1D中的观察性研究已证明短链脂肪酸、次级胆汁酸和色氨酸代谢发生改变，某些肠道微生物的丰度以及参与这些代谢通路的微生物基因表达也发生变化。此外，针对肠道微生物组的策略已被证明可改善T1D中的某些血糖和免疫学参数以及肠道微生物群落组成。尽管如此，各研究结果之间存在高度异质性，这也取决于所研究人群的特征。虽然基于微生物组的干预措施有望成为T1D的新型治疗方法，但扩大基于肠道微生物组的治疗手段并开展更稳健的临床试验，是在这些干预措施作为T1D辅助疗法应用之前，证实当前发现并确立其有效性的关键步骤。
1 引言
1型糖尿病（T1D）是一种由T细胞介导的自身免疫性疾病，其特征是胰腺β细胞破坏，导致胰岛素缺乏。尽管努力开发T1D的替代干预措施，胰岛素治疗仍是当前的金标准疗法。终身胰岛素治疗对于生存和降低T1D相关并发症的发生率至关重要。然而，只有少数患者能达到最佳血糖控制，一项研究报告仅17%的青少年和21%的成人达到最佳控制。根据诊断年龄，T1D可使预期寿命缩短7.6至17.7年。2024年估计有915万人患有T1D，预计到2040年这一数字将上升至1470万。随着时间的推移，人们日益认识到仅靠遗传学无法解释发病率的上升。值得注意的是，近几十年来，人们对肠道微生物组在T1D发生和发病机制中作用的兴趣有所增加。肠道微生物组由大量活微生物及其相关基因组、结构元件、代谢物和环境条件组成。在这个复杂的生态系统中，大多数肠道细菌因其对健康和疾病的深远影响而成为研究重点。它们通过产生特定代谢物、合成维生素、抑制病原体生长或定植以及与宿主免疫系统相互作用来影响宿主健康。尽管T1D各阶段的肠道微生物组改变已在别处综述，但研究一致报告微生物多样性下降、拟杆菌门与厚壁菌门比率增加以及病原菌丰度升高。迄今为止，糖尿病幼儿环境决定因素（TEDDY）研究仍是探索T1D相关肠道微生物组改变的最著名研究。值得注意的是，T1D发展与11个细菌属（包括阿克曼氏菌属、乳球菌属、链球菌属和未分类的瘤胃球菌科）的丰度降低相关，而其他五个属（包括副杆菌属）与T1D发病显著相关。值得注意的是，肠道微生物群拥有巨大的代谢能力，产生一系列可作为宿主信号分子的代谢物，从而影响宿主生理。基于T1D肠道微生物组改变的早期证据，各种研究目前正在调查潜在的干预靶点和不同的基于肠道微生物组的疗法，从益生元到粪便微生物群移植（FMT）。
2 T1D中的肠道微生物代谢物
肠道微生物群可产生大量代谢物，这些代谢物通过受体信号传导、细胞摄取、酶抑制或经历肝脏代谢与宿主相互作用。多年来，大多数研究集中在短链脂肪酸（SCFAs）、次级胆汁酸（BAs）和色氨酸衍生代谢物的作用上。在T1D中，已观察到这些代谢物及相关微生物的丰度变化，以及与其代谢通路相关的基因表达变化。
2.1 短链脂肪酸
膳食纤维在上胃肠道（GI）中未被宿主酶完全消化，可在盲肠和结肠中被微生物发酵，产生SCFAs和各种气体，是结肠细胞的主要能量来源。SCFAs是这种发酵中最著名的代谢物，包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐。SCFA的产生高度依赖于存在的肠道细菌类型，这受宿主饮食、环境条件和微生物交叉互养相互作用的影响。SCFAs可通过与G蛋白偶联受体（GPCRs）相互作用发挥功能，包括游离脂肪酸受体（FFARs），这些受体在全身广泛表达，包括在肠道和免疫细胞上。此外，SCFAs可抑制组蛋白去乙酰化酶（HDACs），并通过代谢为乙酰辅酶A，促进组蛋白乙酰化，从而增加基因转录的染色质可及性。HDAC抑制进一步在色氨酸衍生的芳香烃受体（AhR）激动剂存在下促进AhR与其靶基因启动子的结合。作为配体依赖性转录因子，AhR协调对环境信号的反应，并在各种免疫和代谢过程中发挥关键作用。SCFAs还通过多种机制促进肠道完整性和稳态，包括防止病原体定植和刺激黏蛋白2产生。此外，SCFAs刺激先天免疫细胞导致促炎细胞因子（肿瘤坏死因子[TNF]、白细胞介素[IL]-1β和IL-6）产生减少，诱导耐受表型，并增加抗炎细胞因子IL-10的产生。在适应性免疫中，SCFAs可通过HDAC抑制诱导调节性T（Treg）细胞的生成和活化。然而，取决于其浓度和免疫环境，SCFAs可能有助于更炎症的状态。最后，SCFAs已被证明可增强IgA介导的黏膜免疫，并诱导B细胞分化为产生IL-10的调节性B（Breg）细胞。在T1D中，SCFAs及其相关通路已被越来越多地研究。一项针对成人T1D的早期研究报告产丁酸盐物种丰度降低，参与丁酸盐产生的丁酰辅酶A转移酶基因表达下降，以及血浆乙酸盐和丙酸盐水平降低。同样，一项针对儿科T1D患者的研究显示粪便中乙酸盐、丁酸盐和丙酸盐浓度降低。支持SCFAs在T1D中的有益作用，粪便乙酸盐水平与空腹C肽呈正相关。与早期研究相比，Yuan等人确定了T1D儿童肠道微生物群中额外减少的产丁酸盐属和种。与此一致，大多数参与丁酸盐产生的基因以及碳水化合物活性酶（CAZyme）基因的丰度显著降低。纵向TEDDY研究同样报告对照组儿童中发酵相关基因水平更高，SCFA生物合成通路富集。
2.2 次级胆汁酸
除了在饮食来源营养吸收中的作用外，初级BAs通过BA信号传导发挥全身效应。在肠道中，肠道微生物将初级BAs转化为次级BAs。在此，微生物胆汁盐水解酶（BSHs）通过去结合作用去除BAs上的甘氨酸和牛磺酸，从而减少其通过肠肝循环的重摄取。这些未结合的BAs随后经历微生物修饰，包括脱羟基、差向异构化和氧化，导致次级BAs的形成。次级BAs可重新进入肠肝循环并被再结合。BA信号传导主要通过法尼醇X受体（FXR）和Takeda G蛋白偶联受体5（TGR5）的相互作用介导。初级BAs优先激活FXR，而次级BAs主要参与TGR5。次级BAs可通过促进肠内分泌细胞分泌GLP-1以及驱动TGR5介导的L细胞分化来增强胰岛素敏感性。次级BAs还可通过上调连接蛋白增强肠道完整性。次级BAs也表现出免疫调节作用。脱氧胆酸（DCA）和石胆酸（LCA）通过GPBAR1抑制细菌抗原刺激的巨噬细胞产生TNF-α，而LCA通过孕烷X受体（PXR）介导的Il6和Tlr4下调进一步减少早期坏死性小肠结肠炎的炎症。3-氧代石胆酸（3-oxoLCA）通过结合转录因子维甲酸相关孤儿受体-γt（RORγt）抑制Th17细胞分化，而异别石胆酸（isoalloLCA）通过线粒体活性氧（ROS）产生上调Foxp3促进Treg细胞分化。在T1D中，次级BA代谢改变与疾病发病机制和进展相关。新发T1D儿童表现出粪便BA代谢基因和某些BAs水平降低，而FGF19水平升高。一项为期三年的纵向研究显示，发展为多种胰岛自身抗体的儿童与单一自身抗体者相比，表现出不同的BA代谢细菌丰度。在血清转换前，次级BA生物转化率显著降低。在成人T1D中，一项近期研究证明粪便中BA诱导（bai）操纵子基因和羟基类固醇脱氢酶基因表达显著降低。相应地，粪便和血清谱显示初级BA胆酸（CA）增加，同时几种次级BAs减少。值得注意的是，次级BA水平与空腹C肽浓度和C肽曲线下面积（AUC）呈正相关，将BA代谢与β细胞功能联系起来。
2.3 色氨酸衍生的微生物代谢物
色氨酸是必需的膳食氨基酸，支持蛋白质生物合成，并是一系列具有生物活性的宿主和微生物来源代谢物的前体。色氨酸代谢主要通过宿主犬尿氨酸和血清素通路、细菌吲哚通路以及较少研究的白细胞介素4诱导基因1（IL4I1）细胞因子诱导通路发生。肠道微生物可通过其代谢物和宿主酶的表达影响两条宿主通路，或通过色氨酸酶（TnA）、色氨酸脱羧酶（TrD）、色氨酸单加氧酶（TMO）和芳香族氨基酸氨基转移酶（ArAT）的活性将色氨酸代谢为吲哚及其衍生物。几种细菌色氨酸衍生分解代谢物可激活AhR，这可能对T1D发病机制和进展产生保护作用，具体取决于部位、激活程度和配体类型。在肠道中，AhR在肠道固有层免疫细胞和肠上皮细胞（IECs）中沿近端到远端梯度表达。在IECs中，AhR信号传导促进上皮细胞更新和周转以及肠道完整性。几种微生物吲哚衍生物通过AhR信号传导调节肠道免疫和屏障完整性。例如，吲哚-3-甲醛诱导AhR依赖性IL-22产生，抵抗白色念珠菌定植和黏膜炎症。在T1D中，色氨酸代谢起关键的免疫调节作用。特别是，犬尿氨酸通路的限速酶吲哚胺2,3-双加氧酶1（IDO1）的活性在T1D中有缺陷。IDO1催化色氨酸向犬尿氨酸的转化，限制T细胞增殖并促进Th1细胞凋亡和Treg细胞分化。色氨酸代谢物水平的改变与T1D相关。谷氨酸脱羧酶抗体阳性的成人T1D患者表现出色氨酸相关代谢物血清水平降低。此外，T1D成人和儿童中血清色氨酸和犬尿氨酸以及微生物来源的吲哚乙酸（IAA）显著降低。
3 T1D中的肠道微生物组疗法
临床前和临床研究中的肠道微生物组疗法显示出作为对抗T1D的潜在干预措施的令人鼓舞的结果。
3.1 T1D中的益生元干预
益生元是被微生物群利用的特定化合物，可对宿主健康或表现产生有益影响。在T1D小鼠模型中，益生元改善免疫、肠道微生物群组成和疾病严重程度，尤其是在长期治疗中。向非肥胖糖尿病（NOD）小鼠施用酵母来源的β-葡聚糖增加了肠道黏膜调节性和Th17细胞因子的表达，以及某些促炎细胞因子的表达。此外，β-葡聚糖延迟了高血糖症，降低了NOD小鼠的胰岛炎严重程度和T1D发病率。在链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病中，菊粉补充完全防止了糖尿病发展，并改善了血糖、胰腺损伤和胰岛素水平。机制上，菊粉恢复了胰腺Treg细胞丰度和IL-10产生，同时增加了盲肠淋巴结（CLNs）中的FOXP3+ CCR4+ Treg细胞。临床上，在T1D青少年中补充低聚果糖富集菊粉可保留C肽水平，改变肠道微生物群组成，并显示出降低肠道通透性的趋势。
3.2 益生菌作为T1D的辅助治疗
益生菌是活的微生物，包括细菌和酵母，具有潜在的健康益处。临床前T1D研究主要涉及阿克曼氏菌的应用。在NOD小鼠中补充阿克曼氏菌延迟了T1D发病并促进黏膜耐受。临床T1D研究主要关注乳杆菌和双歧杆菌。在T1D儿童和青少年中补充嗜酸乳杆菌改善了多项血糖指标，IL-21降低与空腹血糖、HbA1c和总胆固醇正相关，而IL-22升高呈负相关。一项多菌株益生菌Vivomixx?的随机对照试验显示，补充该细菌联合体显著降低了HbA1c和血糖水平，同时增加了C肽水平，并增加了诱导型Treg细胞百分比、血浆IL-10，降低了胰岛素剂量需求和自身抗体水平。
3.3 T1D中的后生元：直接代谢物补充
后生元含有非活微生物细胞和/或其副产物，如代谢物、细胞片段和蛋白质。在T1D中，研究主要集中于SCFAs的使用。在NOD小鼠中，SCFAs可通过GPCR信号传导增强β细胞产生导管素相关抗菌肽（CRAMP），促进胰腺耐受环境，最终降低T1D发病率。然而，在成人T1D中，为期4周的每日口服丁酸钠补充未影响先天或适应性免疫、血糖标志物或β细胞功能。另一种方法是高直链玉米抗性淀粉（HAMS）乙酰化和丁酰化，可直接向结肠递送高浓度SCFAs。在NOD小鼠中，HAMSAB最有效地减少胰岛浸润并预防T1D。在人类T1D中，HAMSAB饮食在成人和青少年中进行了研究。尽管在成人中HAMSAB饮食未改变血糖标志物，但血浆和粪便SCFAs增加，B和T细胞采用更多调节表型。在青少年中，HAMSAB饮食改善了血糖波动，但未影响餐后C肽。
3.4 T1D中的合生元和联合疗法
合生元通常由益生菌与可被宿主常驻微生物或共同施用的益生菌利用的底物（益生元）配对组成。迄今为止，益生菌-后生元组合的效果仅在T1D临床前研究中探索过。在STZ处理的大鼠中，联合阿克曼氏菌和丁酸钠大大降低了T1D严重程度，并将血糖改善至接近健康对照水平，优于单独治疗。迄今为止，T1D中的临床研究仅限于合生元。补充凝结芽孢杆菌GBI-30与麦芽糊精和低聚果糖改善了血糖标志物、氧化应激和炎症标志物。
3.5 T1D中的粪便微生物群移植
在基于肠道微生物组的疗法中，FMT是研究最广泛和实施最多的方法。T1D中首个FMT临床研究比较了新发T1D中的自体与来自健康供体的异体移植。自体移植保留了平均空腹和刺激C肽，而异体组恶化。相比之下，Liu等人研究了洗涤微生物群移植（WMT），重点关注次级BA代谢。T1D患者的WMT治疗显著改善了血糖控制，降低了HbA1c率，并显著降低了IL-17A、IL-1β和Th17细胞频率。此外，WMT恢复了肠道微生物多样性，显著减少了致病物种，并富集了SCFA产生菌。最近，一项单臂初步研究证明了封装冻干自体FMT在T1D病程少于4年的患者中的安全性和适用性，稳定了刺激C肽的初始下降。
4 结论与未来方向
目前正在T1D中研究各种基于肠道微生物组的疗法，从益生元到FMT。这些干预措施在一定程度上对T1D发病机制和进展产生有益影响，至少是暂时的，尽管研究结果各异。然而，该领域仍处于早期阶段，大多数研究在临床前或早期临床环境中进行，缺乏强有力的证据且研究间存在不一致。最强的抗糖尿病效应主要见于临床前模型，尽管这些积极发现大多基于T1D发病前的干预。因此，迫切需要临床试验来研究基于肠道微生物组的干预措施在疾病发病前（血清阳性或遗传风险个体中）以及疾病不同阶段（例如新发和长期T1D）的治疗潜力，以阐明其对T1D预防和疾病进展的影响。这些干预措施可能代表当前标准治疗（胰岛素治疗）和即将到来的免疫疗法的辅助治疗。
