最新的全球糖尿病地图显示，全世界共有4.63亿人罹患糖尿病，相当于每11个成年人中就有1个糖尿病患者，而中国内地糖尿病人口已经达到1.16亿，位居世界首位[1]。
除了已知的遗传和环境因素，糖尿病的发生发展也与肠道菌群密切相关。肠道菌群失调可富集释放脂多糖的革兰阴性菌，进而增加肠道黏膜通透性，引起全身性的低度炎症，导致胰岛素抵抗和糖尿病[2]。
最近浙江大学章宇教授和焦晶晶教授领导的研究团队发现，n-3多不饱和脂肪酸EPA和DHA可通过改变肠道微生物组成和微生物代谢物来改善糖尿病小鼠的高血糖和胰岛素抵抗，而且EPA的效果似乎更明显，相关研究结果发表在 Microbiome 上[3]。
图1-论文首页截图
提到二十碳五烯酸（EPA），大家可能会比较陌生。而说到二十二碳六烯酸（DHA），我们可能脑中会自动跳出各式各样的奶粉广告。事实上，EPA和DHA也是大家熟知的深海鱼油的主要功效成分，同属于n-3多不饱和脂肪酸。
n-3多不饱和脂肪酸是人体必需脂肪酸以及维持细胞结构和功能的重要组成成分，以EPA和DHA为代表的n-3多不饱和脂肪酸主要来源于鲑鱼、金枪鱼和沙丁鱼等海洋鱼类[4]。近年来，有研究发现n-3多不饱和脂肪酸可恢复肠道菌群平衡及减轻炎症[5]，但也有研究提出n-3多不饱和脂肪酸不能预防糖尿病[6]，或是无法改善小鼠中的肠道菌群紊乱[7]。
于是，为了探究出外源性补充EPA/DHA对糖尿病状态下肠道菌群微环境的直接和间接作用，章宇和焦晶晶课题组开展了一系列实验。
研究人员使用的是瘦素受体基因缺陷导致的自发性2型糖尿病小鼠（db/db小鼠），本品系小鼠出生4周后就会出现肥胖、高血糖、高血脂、糖尿等一系列糖尿病的症状，其生理性与行为性特征与人类2型糖尿病表现极为相似，目前被认为是较理想的2型糖尿病研究用动物模型[8]。
研究结果表明， 相较于对照组，饮食中加入EPA/DHA的db/db小鼠高血糖和胰岛素抵抗有明显改善。至于脂质代谢，研究人员发现 外源性补充EPA的雌性db/db小鼠表现为血清甘油三酯（TG）、总胆固醇（TC）及低密度脂蛋白（LDL-C）水平明显下降。与此同时， 外源性补充EPA/DHA的db/db小鼠表现出耗氧量的增加和呼吸交换率（RER）的下降，提示其能量消耗和脂肪利用的增强。
图2-EPA和DHA可明显改善db/db小鼠糖稳态
OGTT：口服葡萄糖耐量实验，评价血糖调节能力；ITT：胰岛素耐量实验，评估胰岛素敏感性；PTT：丙酮酸耐量实验，评估肝脏的糖异生水平
肠道菌群的多样性对生态系统的稳定性和效率至关重要，2型糖尿病患者可表现为肠道微生物丰富度遭到破坏而导致菌群失调[2]。而EPA/DHA的补充可明显增加db/db小鼠肠道菌群的多样性和调节菌群物种结构组成。具体来说， DHA和EPA降低了含有脂多糖的肠杆菌科及条件致病菌，如葡萄球菌、链球菌和克雷伯菌的丰度。
与此同时， EPA和DHA可富集对抗内毒素血症和炎症的双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳酸杆菌 (Lactobacillus)菌群，也可提高与谷氨酸水平呈负相关的红蝽菌菌群 (Coriobacteriaceae)的丰度，增加与胆汁酸生产相关的巴恩斯氏菌属 (Barnesiella) 和梭菌属 (Clostridium)的丰度，以及富集某些短链脂肪酸（SCFAs）产生菌。值得注意的是，EPA/DHA对菌群物种结构组成的影响存在性别差异。
图3-EPA和DHA可调控db/db小鼠肠道菌群组成
通过对肠道微生物组及代谢组进行KEGG分析，研究者们发现谷氨酸代谢通路是DHA/EPA主要调控的代谢通路，而动物实验也证实EPA可降低L-谷氨酸水平及减少谷氨酸诱导的β细胞凋亡。再结合研究结果提示DHA/EPA可富集与谷氨酸水平呈负相关的红蝽菌菌群，研究人员推测外源性补充DHA/EPA可通过提高小鼠肠道中红蝽菌菌群丰度来加速谷氨酸降解，进而减少β细胞凋亡。
图4-EPA和DHA可减少db/db小鼠β细胞凋亡
越来越多的研究证实肠道微生物与胆汁酸的相互作用在机体代谢调控中扮演重要作用。作为重要的信号分子，胆汁酸能通过在不同器官与法尼酯衍生物X受体（FXR）的结合控制血糖、血脂和能量代谢，影响肠道激素分泌、肝糖异生和肠道菌群结构的调节[9]。
本次研究中，考虑到DHA/EPA可增加与胆汁酸生产相关的巴恩斯氏菌属和梭菌属的丰度，同时KEGG分析证实胆汁酸代谢通路也是DHA/EPA主要调控的代谢通路。与KEGG分析结果一致的是，通过非靶向代谢组学方法来评估不同组别粪便代谢物谱也发现胆酸（CA）和鹅去氧胆酸（CDCA）含量明显下降。
再有，qRT-PCR结果提示 DHA/EPA组糖尿病小鼠肝脏中糖异生相关基因，如磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（PEPCK）、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PC)，mRNA表达明显下降。而qRT-PCR和Western Blot结果也显示 外源性补充EPA或DHA可明显增加糖尿病小鼠肝脏FXR及SHR的mRNA及蛋白质的表达水平，同时诱导FoxO1的磷酸化。
因此，课题组认为 DHA/EPA可通过富集小鼠肠道中巴恩斯氏菌属和梭菌属的丰度来加速初级胆汁酸，CA和CDCA的生成，进而激活FXR-SHP-FOXO1通路来抑制肝脏糖异生。
除了胆汁酸，研究人员还发现 DHA和EPA干预后一些短链脂肪酸，例如丙酸和丁酸显著增加。
以往研究发现，肠道菌群中的有益菌能够分解复杂碳水化合物产生短链脂肪酸（SCFAs），可改善胰岛素抵抗和糖代谢紊乱[10]。研究人员也发现DHA/EPA可通过增加某些短链脂肪酸（SCFAs）产生菌，如普雷沃氏菌属 (Prevotella) 、拟普雷沃氏菌属 (Alloprevotella)、梭菌属XlVa (Clostridium XlVa) 、真杆菌属 (Eubacterium)及肠单胞球菌属 (Intestinimonas)的表达，进而促进肠道L细胞分泌更多的胰高血糖素样蛋白1（GLP-1）、激活胰岛素信号通路及白色脂肪米色化来改善db/db小鼠的糖代谢紊乱和胰岛素抵抗。
为了进一步探索DHA/EPA干预后降低血糖与肠道微生物之间的因果关系，研究人员通过粪菌移植的方式，将DHA/EPA处理过的小鼠肠道微生物“传递”给抗生素处理过的db/db小鼠。结果显示，接受了DHA/EPA处理后肠道微生物移植的小鼠表现出类似的肠道微生物变化，同时也恢复了葡萄糖的稳态。
图5-EPA和DHA可直接影响肠杆菌和红蝽菌的生长速度
另外，尽管没有做临床实验，但db/db小鼠和2型糖尿病患者均出现明显的肠道菌群紊乱，表现为肠杆菌科丰度增加[11]和红蝽菌属丰度降低[12]。而体外实验证实，EPA/DHA可以直接加快红蝽菌属的生长速度而降低肠杆菌科的生长速度。
因此，可推测外源性补充EPA/DHA可能通过类似的机制直接影响人类肠道微生物组。值得注意的是，尽管本次实验发现在饮食中直接添加EPA/DHA可明显改善糖尿病小鼠的高血糖和胰岛素抵抗，但EPA/DHA能否成为治疗糖尿病的“明日之星”，还需要进一步的临床研究来证实。
参考文献：
1、Federation I D. IDF diabetes atlas ninth[J]. Dunia: IDF, 2019.
2、Allin Kristine H,Nielsen Trine,Pedersen Oluf,Mechanisms in endocrinology: Gut microbiota in patients with type 2 diabetes mellitus.[J] .Eur J Endocrinol, 2015, 172: R167-77.
3、Zhuang Pan,Li Haoyu,Jia Wei et al. Eicosapentaenoic and docosahexaenoic acids attenuate hyperglycemia through the microbiome-gut-organs axis in db/db mice.[J] .Microbiome, 2021, 9: 185.
4. Schulze Matthias B,Minihane Anne Marie,Saleh Rasha Noureldin M et al. Intake and metabolism of omega-3 and omega-6 polyunsaturated fatty acids: nutritional implications for cardiometabolic diseases.[J] .Lancet Diabetes Endocrinol, 2020, 8: 915-930.
5. Caesar Robert,Tremaroli Valentina,Kovatcheva-Datchary Petia et al. Crosstalk between Gut Microbiota and Dietary Lipids Aggravates WAT Inflammation through TLR Signaling.[J] .Cell metab, 2015, 22: 658-68.
6. Brown Tracey J,Brainard Julii,Song Fujian et al. Omega-3, omega-6, and total dietary polyunsaturated fat for prevention and treatment of type 2 diabetes mellitus: systematic review and meta-analysis of randomised controlled trials.[J] .BMJ, 2019, 366: l4697.
7. Mujico Jorge R,Baccan Gyselle C,Gheorghe Alina et al. Changes in gut microbiota due to supplemented fatty acids in diet-induced obese mice.[J] .Br J Nutr, 2013, 110: 711-20.
8. Garris David R,Estrogenic stimulation of ovarian follicular maturation in diabetes (db/db) mutant mice: restoration of euglycemia prevents hyperlipidemic cytoatrophy.[J] .Cell Tissue Res, 2004, 318: 365-73.
9. Shapiro Hagit,Kolodziejczyk Aleksandra A,Halstuch Daniel et al. Bile acids in glucose metabolism in health and disease.[J] .J Exp Med, 2018, 215: 383-396.
12. Liu Haijun,Zhang Hong,Wang Xiao et al. The family Coriobacteriaceae is a potential contributor to the beneficial effects of Roux-en-Y gastric bypass on type 2 diabetes.[J] .Surg Obes Relat Dis, 2018, 14: 584-593.
