腸道菌群及其代謝產(chǎn)物與動脈粥樣硬化的研究進(jìn)展

劉紅宏綜述，胡曉敏、田然、曾勇、張抒揚(yáng)審校

綜述

腸道菌群及其代謝產(chǎn)物與動脈粥樣硬化的研究進(jìn)展

劉紅宏綜述，胡曉敏、田然、曾勇、張抒揚(yáng)審校

腸道菌群的組成、結(jié)構(gòu)變化與心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展有著密切關(guān)系。近年來研究發(fā)現(xiàn)依賴菌群的代謝產(chǎn)物氧化三甲胺誘發(fā)動脈粥樣硬化的發(fā)生，并與主要不良心血管事件明顯呈正相關(guān)。本文就腸道菌群參與調(diào)控的元代謝途徑與動脈粥樣硬化之間的作用機(jī)制及研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

腸桿菌科；動脈粥樣硬化；心血管疾病

動脈粥樣硬化（AS）是眾多心腦血管疾病共同的病理基礎(chǔ)，嚴(yán)重危害人類健康。據(jù)《中國心血管病報告2015》[1]，我國心血管疾病(CVD)患病率及死亡率仍處于上升趨勢?，F(xiàn)有的研究都認(rèn)為AS是一個復(fù)雜的代謝紊亂過程，其發(fā)生和發(fā)展是在遺傳和環(huán)境因素的基礎(chǔ)上，由多重危險因素共同作用導(dǎo)致的[2]。近年來許多大規(guī)模全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）在尋找遺傳變異方面進(jìn)行了廣泛研究，但其結(jié)果只能解釋小部分的發(fā)病機(jī)制[3]。遺傳學(xué)對探索病因的貢獻(xiàn)無疑將隨時間增加，但環(huán)境暴露在疾病發(fā)展過程中所起到的作用是不容忽視的，尤其是膳食攝入[4，5]。隨著對腸道菌群研究的逐步深入，發(fā)現(xiàn)腸道菌群及其代謝產(chǎn)物可能通過促進(jìn)AS的發(fā)生發(fā)展，成為心血管疾病的又一危險因素。

1 腸道菌群概述

人體是由真核細(xì)胞與體內(nèi)共生的微生物共同組成的“超級生物體（Superorganism）”，而這些微生物的全部基因信息，則被稱為“人體元基因組（Human metagenome）”[6]，其基因總數(shù)至少是人自身基因數(shù)目的150倍[7]。腸微生物與宿主之間進(jìn)行密切的信息交流，在代謝、免疫、神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控中都起到重要作用，維持著自身與人類宿主之間微妙的平衡[8]。

2 依賴菌群的代謝產(chǎn)物氧化三甲胺（trimethylamine-N-oxide，TMAO）

2.1 TMAO簡介

腸道菌群變化影響宿主的代謝表型，主要體現(xiàn)在生物流體例如尿和血漿的組成變化。代謝組學(xué)的發(fā)展使我們能更好的捕捉微生物-宿主間的相互作用。近年來廣泛受到人們關(guān)注的就是三甲胺（TMA）及TMAO[9]。Wang等[10]在大規(guī)模行冠狀動脈造影的患者中篩選CVD標(biāo)記物時，發(fā)現(xiàn)膽堿、TMAO和甜菜堿，這3種物質(zhì)不僅同在食物來源磷脂酰膽堿代謝通路上，且其代謝必須依賴腸道菌群參與，且血漿TMAO濃度與3年隨訪期間主要不良心血管事件（MACE）的發(fā)生率呈正相關(guān)。隨后另一項研究表明，L-肉堿，一種主要來自肉、魚和乳制品的非氨基酸類條件性必需營養(yǎng)素，長期以來被認(rèn)為是能夠改善血糖和血脂水平的補(bǔ)充品，能被大腸內(nèi)的細(xì)菌代謝產(chǎn)生TMAO，并在大型獨(dú)立隊列（n=2 595）中得到了驗(yàn)證[11]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)L-肉堿向TMA轉(zhuǎn)化過程的中間體γ-丁酰甜菜堿 ( γ-butyrobetaine，γBB)，也可以作為TMAO產(chǎn)生的替代途徑，并且比直接轉(zhuǎn)化效率高1 000倍[12]。

2.2 TMAO代謝途徑

具有TMA結(jié)構(gòu)的膳食營養(yǎng)物通過特定的微生物酶（TMA裂解活性）轉(zhuǎn)化為TMA，隨后被宿主吸收，經(jīng)肝臟中單加氧酶3（FMO3）作用轉(zhuǎn)化為TMAO，最終經(jīng)腎臟排出[13]。到目前為止，已經(jīng)鑒定了2種不同的微生物酶系統(tǒng)，cutC（催化多肽）及其伴侶cutD（調(diào)節(jié)多肽）選擇性地使用膽堿作為底物并釋放TMA[14]；類似地，微生物加氧酶（CntA）與微生物還原酶（CntB）復(fù)合選擇肉堿作為底物并形成TMA[15]。FMO3是FMO酶家族中活性水平最高的成員，其表達(dá)受性別和膽汁酸調(diào)控，是TMAO形成的關(guān)鍵酶。膽固醇喂養(yǎng)的小鼠中敲低FMO3會改變膽汁分泌，鈍化腸膽固醇吸收；同時活化肝臟X受體而加重內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和炎癥反應(yīng)。胰島素抵抗小鼠FMO3敲低可以抑制高血糖，高脂血癥和動脈粥樣硬化的發(fā)展。這可能解釋了胰島素抵抗和CVD之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制[16]。在無菌小鼠實(shí)驗(yàn)中觀察到了主動脈斑塊負(fù)荷減輕，給無菌小鼠喂食肉堿后TMAO水平無顯著升高，但在腸道細(xì)菌定殖后，即使喂食正常食物血漿TMAO水平也會隨之升高，人類試驗(yàn)產(chǎn)生了類似的結(jié)果[10，11，17]，這些都證明了腸道菌群在代謝途徑中導(dǎo)致AS形成的重要作用。

2.3 TMAO—心血管疾病的又一獨(dú)立危險因素

近年來，許多隊列研究想要探索TMAO水平與粥樣硬化主要不良事件的關(guān)系。在大型獨(dú)立臨床隊列（n = 4 007）表明TMAO處于最高四分位數(shù)的人群與最低四分位數(shù)相比發(fā)生MACE的風(fēng)險增加了2.5倍[17]。頸動脈粥樣硬化患者（n = 264）的血清γBB和肉堿水平相比于健康人明顯升高，且在調(diào)整年齡和估計的腎小球?yàn)V過率后，高水平的γBB與心血管死亡率仍相關(guān)[18]。來自加拿大的多種族人群試驗(yàn)也證實(shí)了TMAO與流行心血管危險因素的相關(guān)性[19]。通過對穩(wěn)定性冠狀動脈疾病患者（n = 2 235）進(jìn)行隨訪， 觀察到TMAO水平升高預(yù)示5年全因死亡風(fēng)險[20]。通過與冠狀動脈病變SYNTAX評分的關(guān)聯(lián)分析，TMAO還能用來評估冠心病斑塊負(fù)荷程度[21]。在糖尿病人群中，TMAO與死亡、心肌梗死、不穩(wěn)定性心絞痛、心力衰竭（心衰）等終點(diǎn)事件都相關(guān)；而在無糖尿病人群，TMAO只與死亡和心衰相關(guān)[22]。這些研究更加證實(shí)了TMAO可能成為CVD的又一獨(dú)立危險因素。并且可在通過傳統(tǒng)危險因素和血液檢測無法識別的人群中作為預(yù)測未來心臟病發(fā)作、卒中和死亡風(fēng)險的一種準(zhǔn)確篩查工具。

3 AS人群的菌群測序分析

AS患者的腸道菌群組成中含有更多的Collinsella，而正常對照組中含有較多的Roseburia和Eubacterium。宏基因組檢測進(jìn)一步表明，患者腸道編碼肽聚糖合成的菌群基因豐度上升而編碼八氫番茄紅素脫氫酶的基因相對減少，同時患者血清β-胡蘿卜素水平也有所降低[23]。Koren等[24]使用16S rRNA方法來調(diào)查15例患者的AS斑塊，口腔和腸道細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)斑塊中的Veillonella和Streptococcus的組成豐度與它們在口腔中的豐度相關(guān)。且使用qPCR檢測顯示其細(xì)菌DNA的量與炎癥水平相關(guān)。Kelly等[25]通過建立不同的模型對與終身的CVD風(fēng)險相關(guān)的個別種屬進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)與低心血管風(fēng)險的患者比，高心血管風(fēng)險的患者有四個種屬（Prevotella 2、Prevotella 7、Tyzzerella和Tyzzerella 4）含量豐富；兩個種屬的細(xì)菌（Alloprevotella和Catenibacterium）基本不存在。

4 腸道菌群促進(jìn)AS發(fā)生的可能機(jī)制

4.1 TMAO的“直接”影響

TMAO可以通過促進(jìn)脂質(zhì)流入，增強(qiáng)原位脂質(zhì)合成，并抑制脂質(zhì)清除。當(dāng)給ApoE-/-小鼠喂食TMAO時，兩種巨噬細(xì)胞清除受體CD36和SR-A1的表達(dá)水平增加，從而形成富含脂質(zhì)的泡沫細(xì)胞，而口服抗生素能夠抑制該現(xiàn)象[10]。此外，TMAO減少巨噬細(xì)胞膽固醇逆轉(zhuǎn)運(yùn)，這也是促進(jìn)AS的重要機(jī)制[11]。Zhu等[26]發(fā)現(xiàn)TMAO可以直接影響血小板功能，并增加血栓風(fēng)險。當(dāng)血小板直接暴露于高水平的TMAO中，細(xì)胞內(nèi)貯存Ca2+釋放，這增強(qiáng)了多種激動劑（凝血酶，二磷酸腺苷或膠原蛋白）依賴的血小板活化能力。在無菌小鼠中進(jìn)行的糞便移植能夠“轉(zhuǎn)移”血栓形成的高風(fēng)險，這一點(diǎn)揭示了一個全新的冠心病患者發(fā)生血栓事件的機(jī)制[26，27]。

4.2 依賴腸道菌群的“間接”代謝機(jī)制

腸道微生物來源的短鏈脂肪酸（SCFA），主要由乙酸，丙酸和丁酸組成，能夠激活外周脂肪組織中的G蛋白偶聯(lián)受體（GPR41和GPR43），抑制胰島素信號傳導(dǎo)，調(diào)節(jié)胰島素敏感性，從而控制能量利用[28]。膽汁酸在促進(jìn)脂類消化吸收和膽固醇平衡調(diào)節(jié)中具有重要作用，腸道微生物衍生的次級膽汁酸通過激活多功能核受體，調(diào)節(jié)肝臟中成纖維細(xì)胞生長因子15和膽固醇7α-羥化酶（CYP7A1）的表達(dá)，抑制膽汁酸合成[29]。這些關(guān)于生理機(jī)制的研究把腸道菌群和肥胖，高脂血癥和糖尿病這些冠狀動脈疾病的風(fēng)險因素聯(lián)系起來。

4.3 腸道菌群相關(guān)的炎癥機(jī)制

隨著腸道屏障功能的減弱，少量的細(xì)菌內(nèi)毒素可以進(jìn)入血液中從而引起慢性全身低度炎癥狀態(tài)，通常被稱為“代謝性內(nèi)毒素血癥”[30，31]。來自腸道的內(nèi)毒素被Toll樣受體4識別結(jié)合后，直接促進(jìn)內(nèi)皮損傷，引起單核細(xì)胞遷移分化成巨噬細(xì)胞，誘導(dǎo)斑塊形成[32]。最新發(fā)現(xiàn)，生理水平TMAO注射誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞相同的炎癥標(biāo)志物的基因表達(dá)，通過激活絲裂原活化蛋白激酶細(xì)胞外信號相關(guān)激酶和核因子κβ，TMAO還能夠招募白細(xì)胞黏附[33]。

5 未來的治療靶點(diǎn)

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，可以通過干擾飲食、調(diào)節(jié)腸道菌群、改善代謝產(chǎn)物來為治療冠心病提供新的手段。改變飲食無疑是最簡單而且安全的干預(yù)方法， David等[34]的研究表明短期膳食干預(yù)可以顯著改變腸道的微生物群。之前認(rèn)為一些抗生素能通過抑制菌群來發(fā)揮治療冠心病的作用，然而許多使用抗生素進(jìn)行二級預(yù)防的臨床試驗(yàn)都失敗了[35]。一個更有前景的預(yù)防及治療CVD的手段是使用益生元或益生菌。益生元主要包括攝取營養(yǎng)物或膳食成分，為“有益”細(xì)菌的生長提供優(yōu)勢。益生菌治療涉及攝入一種或多種活的細(xì)菌菌株，嘗試?yán)梦⑸锏墓采蜐撛诘乃交蜣D(zhuǎn)移以使宿主受益[36]。鑒于FMO3是產(chǎn)生TMAO 的關(guān)鍵酶，所以人們設(shè)想是否可以通過抑制FMO3酶的活性來減少TMAO的產(chǎn)生，有趣的是，在一種常染色體隱性疾病魚氣味綜合征的患者中，由于FMO3基因的突變導(dǎo)致患者排出具有強(qiáng)烈魚臭味的三甲胺尿[37]。所以FMO3抑制劑不是一種可行的藥物靶標(biāo)。研究人員試想將一種結(jié)構(gòu)上與膽堿類似的3，3-二甲基丁醇（3，3-dimethyl-1-butanol，DMB）作為靶點(diǎn)。DMB是TMA裂解酶的強(qiáng)效抑制劑，抑制培養(yǎng)微生物中TMA的形成，且DMB抑制了動物模型中AS的發(fā)生。創(chuàng)新之處在于抑制的僅僅是物質(zhì)的轉(zhuǎn)化途徑，而不是殺滅微生物[38]。總之，人體基因組是極難干預(yù)的，因此改變?nèi)梭w腸道微生物構(gòu)成將成為疾病防治上新的突破口，成為CVD防治上新的靶點(diǎn)。

6 小結(jié)

很多研究還表明了TMAO與糖尿病、高血壓、心衰、慢性腎功能障礙等一系列循環(huán)代謝疾病的關(guān)系[39-41]。腸道微生物通過從膳食底物產(chǎn)生代謝中間體來影響宿主生理狀態(tài)的概念逐漸清晰。因此，我們還需要聯(lián)合代謝組學(xué)技術(shù)與動物模型平臺，運(yùn)用“科赫法則”策略，探索腸道菌群與慢性代謝疾病的關(guān)系。目前，仍有一些問題需要深入研究，比如采取受試者治療前后的連續(xù)樣品將為進(jìn)一步檢測代謝產(chǎn)物的生物變異型和為治療效果提供證據(jù)；目前尚未發(fā)現(xiàn)遺傳對TMAO的影響，所以可能存在影響TMAO產(chǎn)生和消除的多個元生物位點(diǎn)；探索人群飲食、藥物和生活方式對菌群的影響研究還需要更完善、可信的數(shù)據(jù)。關(guān)于揭開腸道菌群及其代謝產(chǎn)物作用機(jī)制的面紗，還需要我們更深入的研究。

[1] 陳偉偉, 高潤霖, 劉力生, 等. 《中國心血管病報告2015》概要. 中國循環(huán)雜志, 2016, 31: 521-528.

[2] 高潤霖. 冠心病疾病負(fù)擔(dān)—中國出路. 中國循環(huán)雜志, 2017, 32: 1-4.

[3] Kathiresan S, Voight BF, Purcell S, et al. Genome-wide association of early-onset myocardial infarction with single nucleotide polymorphisms and copy number variants. Nat Genet, 2009, 41: 334-341.

[4] Brown JM, Hazen SL. The gut microbial endocrine organ: bacterially derived signals driving cardiometabolic diseases. Annu Rev Med,2015, 66: 343-359.

[5] Tang WH, Hazen SL. The contributory role of gut microbiota in cardiovascular disease. J Clin Invest, 2014, 124: 4204-4211.

[6] Zhao L. Genomics: The tale of our other genome. Nature, 2010, 465:879-880.

[7] Qin J, Li R, Raes J, et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature, 2010, 464: 59-65.

[8] Tremaroli V, Backhed F. Functional interactions between the gut microbiota and host metabolism. Nature, 2012, 489: 242-249.

[9] Griffin JL, Wang X, Stanley E. Does our gut microbiome predict cardiovascular risk? a review of the evidence from metabolomics. Circ Cardiovasc Genet, 2015, 8: 187-191.

[10] Wang Z, Klipfell E, Bennett BJ, et al. Gut flora metabolism of phosphatidylcholine promotes cardiovascular disease. Nature, 2011,472: 57-63.

[11] Koeth RA, Wang Z, Levison BS, et al. Intestinal microbiota metabolism of L-carnitine, a nutrient in red meat, promotes atherosclerosis. Nat Med, 2013, 19: 576-585.

[12] Koeth RA, Levison BS, Culley MK, et al. gamma-butyrobetaine is a proatherogenic intermediate in gut microbial metabolism of L-carnitine to TMAO. Cell Metab, 2014, 20: 799-812.

[13] Tang WH, Hazen SL. Microbiome, trimethylamine N-oxide, and cardiometabolic disease. Transl Res, 2017, 179: 108-115.

[14] Craciun S, Balskus EP. Microbial conversion of choline to trimethylamine requires a glycyl radical enzyme. Proc Natl Acad Sci USA, 2012, 109: 21307-21312.

[15] Zhu Y, Jameson E, Crosatti M, et al. Carnitine metabolism to trimethylamine by an unusual rieske-type oxygenase from human microbiota. Proc Natl Acad Sci USA, 2014, 111: 4268-4273.

[16] Miao J, Ling AV, Manthena PV, et al. Flavin-containing monooxygenase 3 as a potential player in diabetes-associated atherosclerosis. Nat Commun,2015, 6: 6498.

[17] Tang WH, Wang Z, Levison BS, et al. Intestinal microbial metabolism of phosphatidylcholine and cardiovascular risk. N Engl J Med, 2013,368: 1575-1584.

[18] Skagen K, Troseid M, Ueland T, et al. The Carnitine-butyrobetainetrimethylamine-N-oxide pathway and its association with cardiovascular mortality in patients with carotid atherosclerosis.Atherosclerosis, 2016, 247: 64-69.

[19] Mente A, Chalcraft K, Ak H, et al. The relationship between trimethylamine-N-Oxide and prevalent cardiovascular disease in a multiethnic population living in Canada. Can J Cardiol, 2015, 31:1189-1194.

[20] Senthong V, Wang Z, Li XS, et al. Intestinal microbiota-generated metabolite trimethylamine-N-Oxide and 5-year mortality risk in stable coronary artery disease: the contributory role of intestinal microbiota in a COURAGE-like patient cohort. J Am Heart Assoc,2016, 5. pii: e002816. doi: 10. 1161/JAHA. 115. 002816.

[21] Senthong V, Li XS, Hudec T, et al. Plasma trimethylamine N-Oxide, a gut microbe-generated phosphatidylcholine metabolite, is associated with atherosclerotic burden. J Am Coll Cardiol, 2016, 67: 2620-2628.

[22] Lever M, George PM, Slow S, et al. Betaine and trimethylamine-N-oxide as predictors of cardiovascular outcomes show different patterns in diabetes mellitus: An observational study. PLoS One, 2014, 9:e114969.

[23] Karlsson FH, Fak F, Nookaew I, et al. Symptomatic atherosclerosis is associated with an altered gut metagenome. Nat Commun, 2012, 3:1245.

[24] Koren O, Spor A, Felin J, et al. Human oral, gut, and plaque microbiota in patients with atherosclerosis. Proc Natl Acad Sci USA, 2011, 108(Suppl 1): 4592-4598.

[25] Kelly TN, Bazzano LA, Ajami NJ, et al. Gut microbiome associates with lifetime cardiovascular disease risk profile amongbogalusa heart study participants. Circ Res, 2016, 119: 956-964.

[26] Zhu W, Gregory JC, Org E, et al. Gut microbial metabolite TMAO enhances platelet hyperreactivity and thrombosis risk. Cell, 2016, 165:111-124.

[27] Tilg H. A gut feeling about thrombosis. N Engl J Med, 2016, 374:2494-2496.

[28] Kimura I, Ozawa K, Inoue D, et al. The gut microbiota suppresses insulin-mediated fat accumulation via the short-chain fatty acid receptor GPR43. Nat Commun, 2013, 4: 1829.

[29] Sayin SI, Wahlstrom A, Felin J, et al. Gut microbiota regulates bile acid metabolism by reducing the levels of tauro-beta-muricholic acid,a naturally occurring FXR antagonist. Cell Metab, 2013, 17: 225-235.

[30] Zhao L. The gut microbiota and obesity: from correlation to causality.Nat Rev Microbiol, 2013, 11: 639-647.

[31] Neves AL, Coelho J, Couto L, et al. Metabolic endotoxemia: a molecular link between obesity and cardiovascular risk. J Mol Endocrinol, 2013,51: R51-R64.

[32] Manco M, Putignani L, Bottazzo GF. Gut microbiota,lipopolysaccharides, and innate immunity in the pathogenesis of obesity and cardiovascular risk. Endocr Rev, 2010, 31: 817-844.

[33] Seldin MM, Meng Y, Qi H, et al. Trimethylamine N-oxide promotes vascular inflammation through signaling of mitogen-activated protein kinase and nuclear factor-kappaB. J Am Heart Assoc, 2016, 5. pii:e002767. doi: 10. 1161/JAHA. 115. 002767.

[34] David LA, Maurice CF, Carmody RN, et al. Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome. Nature, 2014, 505:559-563.

[35] Grayston JT, Kronmal RA, Jackson LA, et al. Azithromycin for the secondary prevention of coronary events. N Engl J Med, 2005, 352:1637-1645.

[36] Delzenne NM, Neyrinck AM, Backhed F, et al. Targeting gut microbiota in obesity: effects of prebiotics and probiotics. Nat Rev Endocrinol, 2011, 7: 639-646.

[37] Cashman JR, Zhang J. Human flavin-containing monooxygenases.Annu Rev Pharmacol Toxicol, 2006, 46: 65-100.

[38] Wang Z, Roberts AB, Buffa JA, et al. Non-lethal inhibition of gut microbial trimethylamine production for the treatment of atherosclerosis. Cell, 2015, 163: 1585-1595.

[39] Tang WH, Wang Z, Fan Y, et al. Prognostic value of elevated levels of intestinal microbe-generated metabolite trimethylamine-N-oxide in patients with heart failure: refining the gut hypothesis. J Am Coll Cardiol, 2014, 64: 1908-1914.

[40] Tang WH, Wang Z, Kennedy DJ, et al. Gut microbiota-dependent trimethylamine N-oxide (TMAO) pathway contributes to both development of renal insufficiency and mortality risk in chronic kidney disease. Circ Res, 2015, 116: 448-455.

[41] Dambrova M, Latkovskis G, Kuka J, et al. Diabetes is associated with higher trimethylamine N-oxide plasma levels. Exp Clin Endocrinol Diabetes, 2016, 124: 251-256.

國家自然科學(xué)基金項目（81670329）；中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程經(jīng)費(fèi)資助（編號①2016-IZM-3-011②2016-IZM-1-011）

100730 北京市，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院 心內(nèi)科

劉紅宏 博士研究生 主要從事腸道微生物方面的研究 Email: liuhonghong0625@163.com 通訊作者: 張抒揚(yáng) Email: shuyangzhang103@ 163. com

R541.4

A

1000-3614（2017）12-1237-03

10.3969/j.issn.1000-3614.2017.12.025

2017-03-05)

（編輯：梅平）