J. Future Foods | 针对糖尿病患者和糖尿病风险人群的个性化营养研究进展

Introduction

全球范围内的一个公共健康问题是患有慢性代谢性疾病（如肥胖症和糖尿病）的人数上升。据国际糖尿病联合会（IDF）估计，截至2019年，全球有4.63亿成年人患有糖尿病。这大大高于IDF在2015年报告的4.15亿。到2045年，这一数字可能达到6.93亿。糖尿病有2种主要类型，1型糖尿病（T1D，10%的患者）和2型糖尿病（T2D，90%的患者）。

食物和营养在糖尿病患者的血糖管理中起着重要作用。研究表明，不同受试者的血糖水平对相同的食物有不同的反应，表明个性化营养是控制血糖的潜在解决方案。 美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Raymond Chen、田纳西大学的陈国勋教授* 在本文旨在回顾个性化（精准）营养在预防和治疗T2D方面的新趋势。

糖尿病管理中个性化营养的实践、试验和挑战

最近在健康受试者中使用CGM的创新研究表明，餐后血糖水平对相同的标准化饮食的个体反应有很大的不同，如表1所总结的。一项800个队列的研究结果显示，尽管是同样的标准化膳食，健康受试者的餐后血糖水平仍有显著差异。这与肠道微生物组的变化有关。基于800人组的数据开发的算法能够预测另一个100人组的结果。另一项研究的结果，即对膳食成分试验的个性化反应（PREDICT 1）研究表明，不同个体对相同膳食的血液三酰甘油、葡萄糖和胰岛素的反应是不同的。这项研究清楚地表明，标准化的饮食建议可能只对一些人有效，而不是对所有人都有效。同一项PREDICT 1研究还显示，高蔬菜摄入量与低白细胞有关，这归因于肠道微生物组；肠道微生物组的组成也与肠道转运时间有关；餐后三酰甘油和葡萄糖的水平与6小时时的糖蛋白乙酰化（一种炎症的标志物）有关。

表1 健康成人对相同的标准化膳食表现出餐后血糖水平的不同反应

鉴于不同的人对同样的饮食有不同的反应，进行了人体临床试验，探讨实施个性化营养是否会改变T2D患者的血糖控制结果。如表2所示，CGM和人工学习已被用于对糖尿病患者和糖尿病前期受试者进行个性化的营养干预。数字化双胞胎精准治疗计划将CGM、机器学习和精准营养结合起来，对T2D患者进行了90 d的治疗。这种技术的整合对降低HbA1c、BMI、收缩压和舒张压是有效的。

表2 使用个性化营养干预和管理 T2D 的临床试验

在9名T2D受试者（40～80岁）中研究了地中海饮食对调节肠道微生物群的影响，为期12周。地中海饮食在第4周改变了微生物群，并在第12周改善了HbA1C和胰岛素抵抗平衡模型评估（HOMA-IR），这可能与微生物群的变化有关。一项个性化的营养研究将地中海饮食与T2D受试者的遗传信息结合起来，以预测和优化宏量营养素组成，从而控制血糖。在T2D的血糖管理方面，各种基因已经与特定的宏量营养素组成的特定选择相关。这表明，在对T2D患者进行个性化或精准营养干预时，应考虑基因和营养素之间复杂的相互作用。

PREVIEW（在欧洲和世界各地通过生活方式干预和人口研究预防糖尿病）旨在评估糖尿病前期受试者在8周减肥计划后的148周减肥维持期间的饮食因素和体育活动，以预防T2D。这项多中心、2×2因子的随机对照试验比较了高蛋白和低升糖指数饮食与中等蛋白和中等升糖指数饮食的效果，同时结合高强度或中等强度的体育活动。在148周的维持期间，T2D的发病率在2种饮食、体育活动类型或其组合之间没有差异。对PREVIEW结果的进一步分析表明，在148周的维持期内，总碳水化合物、血糖负荷和总纤维（而不是血糖指数）都与进食欲望或饥饿感的增加有关。另一方面，高蛋白和低升糖指数的饮食与进食欲望的抑制有关，但不影响体质量的反弹。

根据糖尿病前期受试者的临床特征和肠道微生物组，开发了一种个性化的餐后靶向（PPT）饮食。这种PPT饮食与地中海饮食先进行6个月的比较，然后再进行6个月的比较。两组都改善了每日血糖，并显示出HbA1c的减少。PPT饮食的表现略好于地中海饮食。然而，这两组之间的口服葡萄糖耐量试验结果没有差异。这些结果表明，个性化营养的做法似乎对管理血糖有帮助。在这种临床情况下，不受饮食影响的其他因素可能对胰岛素敏感性或葡萄糖处理发挥作用。

图1显示了如何通过调节肠道微生物组来实施个性化营养或精准营养来对抗糖尿病。残留在胃肠道的微生物在消化过程中和消化后与食物成分相互作用。饮食中的淀粉、蛋白质和脂肪首先被消化成葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和胆固醇，它们与其他生物活性化合物一起被小肠肠细胞从食物中释放出来，并被吸收到体内。未消化的食物成分和膳食纤维通过发酵与小肠和大肠中的微生物发生作用。它们可以被微生物发酵产生短链脂肪酸等产物，并被修饰成生物活性化合物，被吸收到体内以调节宿主的代谢，如T2D患者的糖代谢。另一方面，这些食物成分和纤维的发酵生产可以促进某些细菌的生长，抑制其他细菌的生长，从而调节微生物组的组成，进一步影响宿主的健康。非常重要的一点是，整个胃肠道都存在异质性，这给个性化或精准营养的实施过程带来了更多的复杂性。营养物质和生物活性化合物，以及饮食和微生物相互作用后新产生的分子通过小肠和大肠的吸收进入人体，并影响短期和长期的身体健康。为了实施个性化营养或精准营养干预，可以通过测序分析微生物组的组成，以确定可能损害或有利于宿主健康的细菌种类。此外，宿主的体液、肠腔中的生物活性化合物可以通过生化方法（如质谱法）确定。宿主的基因组和肠道微生物组信息可以与从宿主收集的其他数据（如CGM数据）结合起来，从而修改食物和营养摄入量以控制宿主的代谢。

图1 肠道微生物群的调节有助于个性化营养或精准营养，以对抗T2D等代谢失调

如表3所示，更多的临床试验数据将显示个性化营养的实践。一项为期12周的宏量营养素干预研究被设计用于测试最优或次优饮食对肥胖或超重受试者的葡萄糖代谢和其他健康结果的影响。在这里，受试者根据组织胰岛素抵抗、肝脏胰岛素抵抗（LIR）、肌肉胰岛素抵抗（MIR）和LIR/MIR或没有的情况进行分类。MIR受试者的最佳饮食被定义为高单不饱和脂肪酸的中等脂肪饮食，而LIR受试者的最佳饮食是低脂肪、高蛋白质和纤维的饮食。初步筛选的结果显示，MIR/LIT组受试者的血糖水平高于对照组，在四组中胰岛素最高，显示出胰岛素抵抗。

表3 正在进行中的临床试验

一项随机对照试验被提出，以测试个性化饮食作为一种辅助手段来改善服用二甲双胍的受试者的血糖管理（NCT03558867）。另一项个性化营养研究的n-of-1临床试验（NCT04125602）也被提出，研究宏观营养成分对个人餐后血糖反应的影响。

未来食品在糖尿病患者和糖尿病风险人群的个性化营养中至关重要

在评估个性化营养需求的过程中，应考虑更多因素的影响。图2总结了在实施个性化营养以控制或管理糖尿病患者或T2D风险患者的血糖水平时应考虑的几点。食物经过消化和吸收后首先转化为营养物质。在这个过程中，食物的选择和供应受到文化、社会经济和环境因素的影响。消化后释放的营养物质在被人体吸收之前与微生物组相互作用。食物的摄入量调节营养物质的含量和肠道内微生物组的动态组成，它们在这里相互影响。此外，肠道微生物组也会受到环境因素和药物的影响，并能同时调节这两者的影响。最终，营养物质、微生物组、药物和基因组共同作用，以协调的方式调节表观遗传学、组织或器官的胰岛素敏感性、肠道转运时间和全身代谢率，最终控制血糖水平。在实践个性化营养或为其开发算法时，文化和社会经济因素、环境因素、食物消化后的营养物质和肠道内的微生物群、药物、遗传设置、表观遗传学、个体器官或组织的胰岛素敏感性、代谢率和肠道过渡时间都应被考虑。

此外，未来的食品设计和生产将在预防糖尿病或糖尿病前期中发挥关键作用。例如，一项为期8周的随机对照临床试验表明，每天补充两份500 mg的黑种草油提取物能够降低空腹血糖并改善T2D患者的血脂状况。最近，来自心血管疾病、中风、T2D、结肠直肠癌的残疾调整寿命年被用来估计和排列16个欧洲国家的12个食物组（精制谷物、全谷物、蔬菜、水果、鸡蛋、含糖饮料、坚果、豆类、加工肉类、乳制品和鱼类）。低全谷物和高加工肉类摄入量导致了T2D的人群归因分数。鱼类摄入量的增加与糖尿病视网膜病变严重程度的降低有关。为了帮助T2D患者或糖尿病前期受试者，在为他们设计和生产食品时应考虑图2中所示的因素。基因组和微生物组数据应与受试者的动态血糖监测数据和社会经济状况相结合，以提供一个解决方案。应利用机器学习和人工智能工具对食物和营养摄入进行微调，最终分别在风险人群或受试者中达到治疗和预防目标。这会成为一个多学科方法，需要食品科学、营养科学、计算机科学、生物工程和模型医学的专业知识。

图2 个性化营养实践值得考虑的要点

Personalized nutrition for people with diabetes and at risk of diabetes has begun

Raymond Chena, Guoxun Chenb,*

a Department of Biochemistry, University of Texas at Austin, Austin 78705, USA

b Department of Nutrition, University of Tennessee at Knoxville, Knoxville 37996, USA

*Corresponding author.

E-mail address: gchen6@utk.edu

Abstract

Food and nutrition are essential parts for the management of blood glucose of patients with diabetes and other metabolic diseases. The results of recent human clinical studies have shown that the blood glucose levels change differently in different people in response to the same standardized meals. This phenomenon shows the challenges to find a one-size-fits-all approach to combat diabetes. With the development of technologies, personalized nutrition/precision nutrition has gradually become more practical in order to treat individual diabetes. The aim of this review article is to summarize personalized nutrition's progress and potential in treating the diabetes epidemic. We have searched PubMed to identify relevant articles and found that personalized nutrition on multiple factors associated with an individual has started to draw attention to scientific communities. Two seminal studies have shown that healthy adults show differential responses of postprandial blood glucose levels to the same standardized meals. Human clinical trials have started to integrate sensor technologies such as continuous glucose monitoring and personal data such as genomic sequences and microbiome to provide personalized nutrition advice, and shown promises in intervention and management of type 2 diabetes. It appears that the interplays of diets and genomes, gut microbiome, gut transit time, insulin sensitivity, cultural, social, and economic factors should all be considered to create a personalized treatment for an individual's chronic metabolic disease. This probably can be achieved through the integration of personalized nutrition and personalized food intervention with the development of technologies and advances in food and nutrition sciences. More research should be anticipated soon.

Reference:

CHEN R, CHEN G X. Personalized nutrition for people with diabetes and at risk of diabetes has begun[J]. Journal of Future Foods, 2022, 2(3): 193-202. DOI:10.1016/j.jfutfo.2022.06.001.

翻译/编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅