腸道菌群與心血管疾病的關(guān)聯(lián)及基于菌群的治療方案研究進展Δ

王金龍，杜智勇，逯穎媛，屠鵬飛，李　軍，姜　勇

(北京大學(xué)天然藥物及仿生藥物國家重點實驗室，北京100191)

寄生在機體腸道組織內(nèi)的細(xì)菌群落，構(gòu)建了一個多元且充滿活力的微生態(tài)系統(tǒng)。它們與宿主之間保持著微妙的動態(tài)平衡，參與機體的消化、代謝、免疫和防御等多種生命過程。研究結(jié)果表明，腸道菌群失衡引起的內(nèi)毒素釋放、代謝紊亂等可誘發(fā)并加劇心血管疾病的發(fā)生發(fā)展，因此，腸道菌群的研究也為近年來心血管疾病的研究及治療提供了新思路和新方向?，F(xiàn)就腸道菌群結(jié)構(gòu)失調(diào)與心血管疾病之間的關(guān)聯(lián)、菌群代謝紊亂對疾病的影響、與心血管疾病相關(guān)的腸道菌群代謝物以及基于菌群的治療方案進行綜合概述，以期為后續(xù)的研究提供參考。

1　腸道菌群概述

據(jù)報道，人體腸道內(nèi)有1 000～1 150種、共約100萬億數(shù)目的細(xì)菌，是人體細(xì)胞數(shù)量的10倍，這些微生物所攜帶的基因約為人類基因組的150倍。腸道菌群以厭氧菌為主，主要包含以下4種：厚壁菌門(firmicutes)、擬桿菌門(bacteroidetes)、變形菌門(proteobacteria)及放線菌門(actinobacteria)[1]。腸道菌群與機體互利共生，相互關(guān)聯(lián)，一方面，機體為腸道菌群提供適宜的生存環(huán)境和必需的營養(yǎng)物質(zhì)；另一方面，腸道菌群為機體組成生物屏障，阻礙致病因子的入侵，抵御感染風(fēng)險和增強免疫功能，維持機體的生理健康[2]。然而，當(dāng)外界環(huán)境及機體代謝發(fā)生紊亂可導(dǎo)致腸道菌群結(jié)構(gòu)失調(diào)，同時，具有生物活性的代謝物紊亂也會對宿主的生理活動和生命過程產(chǎn)生影響。

2　腸道菌群結(jié)構(gòu)失調(diào)與心血管疾病的關(guān)聯(lián)

根據(jù)《中國心血管病報告2016》，我國心血管疾病的危險因素流行趨勢愈發(fā)明顯，心血管疾病的患病率及死亡率仍處于上升階段，且死亡率在各類疾病中居首位，占居民疾病死亡原因的40%以上。據(jù)估算，我國心血管病現(xiàn)有患病人數(shù)約2.9億人，因此，防治心血管疾病已成為重大的公共衛(wèi)生問題，刻不容緩[3]。如何早期預(yù)防和治療心血管疾病，尋找藥物作用的有效靶點，開辟新的治療途徑，成為該領(lǐng)域的研究熱點。大量的臨床和基礎(chǔ)研究結(jié)果證明，腸道菌群在心血管疾病的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要角色[4]。下面就腸道菌群物種組成變化與幾類經(jīng)典心血管疾病的關(guān)系進行論述，以期為相關(guān)研究及治療提供新的思路。

2.1　動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)

AS成因復(fù)雜，關(guān)于其發(fā)生機制，目前主要有脂質(zhì)浸潤、血栓形成、平滑肌細(xì)胞克隆、炎癥和感染等多種假說。國內(nèi)外多項研究結(jié)果表明，AS患者腸道菌群的物種組成與豐度均發(fā)生了顯著變化。Jie等[5]對AS患者及健康對照者的糞便菌群進行了宏基因組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)AS患者糞便中的腸桿菌科(entero-bacteriaceae)、鏈球菌屬(streptococcus.spp)豐度顯著增加，而類桿菌(bacteroides)和普雷沃氏菌(prevotella)則相對減少；在功能預(yù)測上，發(fā)現(xiàn)鏈球菌屬的豐度與血壓呈正相關(guān)，腸桿菌科的豐度與心肌指標(biāo)呈正相關(guān)。Wilson等[6]對9例AS患者和10名健康對照者進行了腸道菌群分析比較，發(fā)現(xiàn)AS患者的腸道菌群組成中含有更多的柯林斯菌(collinsella)，而健康對照者中含有較多的羅斯氏菌(roseburia)和真桿菌屬(eubacterium)。更有研究指出，AS患者AS斑塊中的細(xì)菌與腸道菌群的微生物組成具有一定的相似度，提示AS斑塊中發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌可能來源于腸道菌群[7]。然而，基于多種客觀原因，引起AS的核心菌群還有待進一步的驗證闡明。

2.2　高血壓病

高血壓病是最常見的慢性病，也是心腦血管疾病最主要的危險因素。長期血壓升高可影響心腦腎等器官的功能，最終導(dǎo)致這些器官功能衰竭。關(guān)于腸道菌群與高血壓病的研究也很豐富。Yang等[8]指出，在自發(fā)性高血壓病大鼠模型中，觀察到腸道菌群的豐富度、多樣性和均衡性顯著降低，厚壁菌與擬桿菌所占比例大幅升高，其中產(chǎn)乙酸鹽和產(chǎn)丁酸鹽細(xì)菌的豐度降低，產(chǎn)乳酸鹽細(xì)菌數(shù)目明顯增加。Mell等[9]通過飼喂高鹽飲食誘導(dǎo)高血壓病大鼠模型，應(yīng)用16S rRNA基因測序技術(shù)對鹽敏感性(S)與鹽抵抗性大鼠(R)的盲腸樣本進行了研究，比較其腸道微生物群落結(jié)構(gòu)特征之間的差異，結(jié)果表明，S大鼠擬桿菌門中的S24-7菌科的豐度和厚壁菌門中韋榮球菌科(veillonellaceae)的豐度均高于R大鼠。種種結(jié)果顯示，在研究高血壓病時，腸道菌群的作用不容忽視。

2.3　心力衰竭(heart failure，HF)

HF是多種心血管疾病的終端表現(xiàn)形式，心肌梗死、心肌病、血流動力學(xué)負(fù)荷過重及炎癥等病變引起的心肌損傷，均可造成心肌結(jié)構(gòu)和功能的改變，最終演化為HF。HF導(dǎo)致組織灌注不足和胃腸充血等血液流動變化，可改變機體的腸道形態(tài)、滲透性以及腸道菌群的豐度和組成，進而損害腸屏障功能，刺激炎癥反應(yīng)，加速其病理發(fā)展[10]。Pasini等[11]調(diào)查了60例HF患者的糞便樣本，發(fā)現(xiàn)與健康對照組相比，HF患者體內(nèi)的空腸彎曲菌(campylobacter)、志賀菌(shigella)、沙門菌(salmonella)和念珠菌(Candida)等致病菌數(shù)量顯著增多；同時，腸道通透性與右心房壓力和C反應(yīng)蛋白水平呈正相關(guān)，表明菌群結(jié)構(gòu)紊亂可加重HF程度。而Kamo等[12]基于16S rRNA基因測序技術(shù)分析比較了12例HF患者和12名健康對照者的腸道菌群，發(fā)現(xiàn)相對于正常人群，HF患者糞便中優(yōu)桿菌屬的Eubacteriumrectale及梭菌屬的Dorealongicatena豐度降低。上述研究結(jié)果均為腸道菌群在HF中的作用影響提供了有力支撐。

除上述幾種心血管疾病外，腸道菌群在其他心血管疾病中也十分重要，如冠心病、高脂血癥等。Emoto等[13]發(fā)現(xiàn)，冠心病患者腸道出現(xiàn)菌群失調(diào)，表現(xiàn)為乳桿菌(lactobacillales)數(shù)量增加，而擬桿菌(bacteroides+prevotella)數(shù)量減少。越來越多的證據(jù)提示，可以通過調(diào)控腸道菌群來作為心血管疾病的潛在治療手段，當(dāng)然這也需要更多堅實的基礎(chǔ)科學(xué)證據(jù)以及臨床監(jiān)測數(shù)據(jù)支持。

3　與心血管疾病相關(guān)的腸道菌群代謝物

腸道菌群的組成及豐度變化與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，其代謝生成的具有生物活性的代謝物也干預(yù)了機體的疾病過程。下面就與心血管疾病密切相關(guān)的腸道菌群代謝物及相關(guān)通路，如三甲胺(trimethylamine，TMA)/氧化三甲胺代謝(trimethylamine oxide，TMAO)、短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFA)代謝、膽汁酸(bile acid，BA)代謝、支鏈氨基酸(branched chain amino acid，BCAA)代謝和色氨酸代謝等分別進行討論，以闡釋各個代謝通路在心血管疾病中的作用。

3.1　TMA/TMAO

腸道菌群代謝攝入食物中的營養(yǎng)物質(zhì)(如膽堿、磷脂酰膽堿和L-肉毒堿等)生成TMA，TMA經(jīng)過肝腸循環(huán)進入肝臟被快速氧化生成TMAO而進入體循環(huán)。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，TMAO水平與心血管疾病的風(fēng)險值呈正相關(guān)。Tang等[14]發(fā)現(xiàn)，HF患者血漿中TMAO的含量顯著高于健康對照者，且隨其含量的升高，HF患者的5年病死率明顯升高。Makrecka-Kuka等[15]發(fā)現(xiàn)，TMAO水平的升高可干擾心肌細(xì)胞線粒體中丙酮酸鹽和脂肪酸的生成，進而影響線粒體修復(fù)，導(dǎo)致心臟組織能量代謝失調(diào)，增加心血管疾病的風(fēng)險和嚴(yán)重程度?？梢悦鞔_的是，隨著研究的深入，TMAO已成為研究與治療心血管疾病的一大利器。

3.2　SCFA代謝

SCFA主要包括乙酸、丙酸和丁酸，是腸道菌群厭氧發(fā)酵的主要產(chǎn)物。較高水平的SCFA可促進胰高血糖素樣肽-1分泌，從而保護胰島β細(xì)胞功能不受破壞、促進胰島素分泌和增強胰島素敏感性[16]。同時，SCFA還是機體心肌組織重要的供能物質(zhì)，在發(fā)生菌群紊亂時，SCFA生成受阻，導(dǎo)致心肌組織的能量利用受損，心肌組織發(fā)生重塑[17]。此外，SCFA中的丁酸還具有顯著的抗炎癥作用，包括保護腸道上皮屏障不受破壞，抑制腫瘤壞死因子α、白細(xì)胞介素12等促炎因子釋放，促進抗炎因子白細(xì)胞介素10的釋放[18]。綜上所述，SCFA可通過調(diào)節(jié)宿主對胰島素敏感性、能量代謝和炎癥反應(yīng)等影響心血管疾病的發(fā)展。

3.3　BA代謝

BA主要由肝細(xì)胞分泌，輔助消化吸收脂類物質(zhì)是其基本生理功能。在肝臟中合成的BA即為初級BA，初級BA在擬桿菌、真桿菌和梭菌等代謝下生成次級BA。Rainer等[19]研究發(fā)現(xiàn)，血漿中高濃度的BA會誘發(fā)心律失常，同時，心房顫動患者血清中的BA濃度也處于較高水平。Zavecz等[20]的體外實驗結(jié)果表明，親脂性BA可對離體心肌細(xì)胞造成損傷，破壞心肌細(xì)胞線粒體功能，誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡，提示循環(huán)系統(tǒng)中BA濃度升高會影響心肌細(xì)胞功能。Porez等[21]發(fā)現(xiàn)，法尼醇X受體(farnesoid X receptor，F(xiàn)XR)可調(diào)節(jié)BA的生成，通過菌群代謝釋放FXR激動劑激活FXR，進而調(diào)節(jié)脂質(zhì)、葡萄糖和能量代謝，以參與心血管疾病的發(fā)展。相信今后更多的基礎(chǔ)研究與臨床發(fā)現(xiàn)會為后續(xù)的BA相關(guān)研究提供更多的依據(jù)和指導(dǎo)。

3.4　BCAA代謝

BCAA包括亮氨酸、異亮氨酸及纈氨酸，是人體必需氨基酸，由食物經(jīng)腸道菌群代謝而來。三者分解代謝產(chǎn)生相對應(yīng)支鏈α酮酸，后者在相關(guān)酶催化下，不可逆地氧化脫羧進入三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA)，最終生成三磷酸腺苷，為機體提供能量。同時，BCAA對缺血心肌具有保護作用，體現(xiàn)在3個方面：(1)促進心肌細(xì)胞蛋白質(zhì)合成或者加強心肌的糖異生；(2)通過代謝產(chǎn)生TCA的中間產(chǎn)物來調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞的物質(zhì)代謝和能量代謝，如代謝生成葡萄糖從而有利于高能磷酸化合物的生成；(3)通過抗氧化作用，清除心肌細(xì)胞的自由基而發(fā)揮心臟保護作用[22]。

3.5　色氨酸代謝

色氨酸是人體必需的氨基酸，其分解途徑主要5-羥色胺途徑和犬尿氨酸途徑2種。以大腸桿菌為主的腸道菌群可將95%的色氨酸代謝為犬尿氨酸，進而生成吲哚。吲哚在微生物酶作用下生成吲哚酚，后者在肝臟內(nèi)通過磺化反應(yīng)生成硫酸吲哚酚(indoxyl-sulfate，IS)[23]。IS在體內(nèi)的蓄積對心血管系統(tǒng)具有較大的風(fēng)險。Saito等[24]發(fā)現(xiàn)，IS可通過作用于核轉(zhuǎn)錄因子κB p65及轉(zhuǎn)錄激活子3，上調(diào)腎素原的表達(dá)，從而誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)黏附分子，增強白細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的相互作用，誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)，促進血栓形成，增加心腎綜合征患者發(fā)生心血管疾病的風(fēng)險。Yang等[25]對新生大鼠心肌細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，高含量的IS可以抑制腺苷酸活化蛋白激酶/胰腺解耦連蛋白信號通路的表達(dá)、增加氧化壓力誘導(dǎo)心肌細(xì)胞肥大。因此，色氨酸代謝也成為研究心血管疾病不可忽視的重要方面。

除上述相關(guān)代謝通路外，還有一些腸道菌群的活性代謝產(chǎn)物可以影響心血管疾病的進程，包括硫化氫、多胺、精氨酸及中鏈脂肪酸等。諸多證據(jù)表明，腸道菌群的活性代謝物深度介導(dǎo)了心血管疾病的病理過程，為將腸道菌群代謝物作為靶標(biāo)的心血管疾病治療方法開拓了新的思路。

4　基于腸道菌群的心血管疾病治療方案

以上結(jié)果展示了腸道菌群結(jié)構(gòu)紊亂與代謝失調(diào)對于心血管疾病的影響，鑒于此，科研工作者們也以菌群及相關(guān)代謝物為研究靶點，進行了心血管疾病的預(yù)防、診斷與治療。目前，應(yīng)用較多的有飲食調(diào)節(jié)、抗菌藥物干預(yù)、益生菌/益生元補充、糞便移植及藥物治療等技術(shù)手段。

4.1　飲食調(diào)節(jié)

研究結(jié)果已經(jīng)證明，富含卵磷脂、膽堿、甜菜堿和L-肉堿的食物在腸道菌群的作用下可代謝生成TMA。Koeth等[26]對素食者與雜食者的糞便樣本進行了16S rRNA測序，發(fā)現(xiàn)雜食者糞便中梭菌科(clostridiaceae)和消化鏈球菌科(peptostreptococcaceae)的豐度相對較高，而毛螺旋菌屬(helicobacter)和芽孢菌(bacillus)的豐度則較低；同時，雜食者血漿和尿液中的TMAO含量顯著高于素食者。但是，近期也有報道指出，可代謝產(chǎn)生TMA的營養(yǎng)物質(zhì)對心血管系統(tǒng)具有一定的保護作用，如膽堿和甜菜堿可通過減輕炎癥反應(yīng)來防治心血管疾病；L-肉堿可使心絞痛的發(fā)生概率降低40%，使急性心肌梗死導(dǎo)致的死亡率降低27%[27]。因此，對于心血管疾病患者，合理調(diào)整飲食結(jié)構(gòu)、優(yōu)化膳食組成，對于預(yù)防心血管疾病和保護機體健康尤為重要。

4.2　抗菌藥物干預(yù)

當(dāng)機體內(nèi)環(huán)境失衡時，免疫屏障功能減弱，可致有害細(xì)菌滋生，加重機體病變，因此，給予抗菌藥物抑制菌群也成為可能的治療方向。Rune等[28]發(fā)現(xiàn)，氨芐青霉素可以降低ApoE-/-模型小鼠血漿中低密度脂蛋白膽固醇和極低密度脂蛋白膽固醇水平，減少主動脈粥樣硬化病變面積及改善葡萄糖耐受。Tang等[29]給予受試者高膽堿飲食，同時給予觀察組人群抗菌藥物，結(jié)果顯示，觀察組人群血漿中的TMAO水平顯著低于正常對照組，表明抗菌藥物作用于腸道菌群，阻礙了膽堿等物質(zhì)的代謝，使TMAO生成受阻。但是，一般抗菌藥物作用范圍廣，對腸道菌群的針對性、靶向性弱，可能為機體帶來副作用。因此，這種治療策略仍具有挑戰(zhàn)性，應(yīng)用時需仔細(xì)考慮其不良反應(yīng)并將不良反應(yīng)降至最低。

4.3　益生菌/益生元

益生菌可抑制腸道內(nèi)有害菌的生長，穩(wěn)定腸道菌群結(jié)構(gòu)平衡；益生元能促進益生菌生長繁殖，間接改善腸道菌群失調(diào)。Jones等[30]對127名受試者進行了隨即雙盲試驗，分別給予羅伊氏乳桿菌膠囊或安慰劑膠囊，結(jié)果顯示，羅伊氏乳桿菌膠囊組受試者血漿中低密度脂蛋白膽固醇、總膽固醇水平明顯低于安慰劑膠囊組。Koutsos等[31]在水果和蔬菜中發(fā)現(xiàn)植物多酚具有益生元的作用，它們可以直接作用于腸道微生物，調(diào)節(jié)微生物組成，通過減少炎性因子、降低總膽固醇水平以實現(xiàn)對心血管系統(tǒng)的保護作用。因此，心血管疾病患者可根據(jù)情況補充益生菌或益生元調(diào)節(jié)菌群紊亂，改善代謝失調(diào)。

4.4　糞便移植

糞便移植是將健康人糞便中的功能菌群移植到患者胃腸道內(nèi)，幫助患者重建具有正常功能的腸道菌群。其作用機制包括對營養(yǎng)物質(zhì)的競爭、抑制病原體的增長，通過正常菌群調(diào)節(jié)宿主的免疫機能[32]。Li等[33]對載脂蛋白E缺陷小鼠AS模型進行了糞便移植手術(shù)，并通過實時聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)跟蹤糞便中細(xì)菌豐度變化，發(fā)現(xiàn)移植的Akkermansiamuciniphila可有效逆轉(zhuǎn)西方飲食誘導(dǎo)的AS病變，改善高膽固醇血癥。目前，糞便移植多用于腸易激綜合征、自身免疫性疾病等的治療，在心血管疾病治療方面的應(yīng)用較少，但其潛在的應(yīng)用價值令人鼓舞。另外，如何長期保存菌群的活力成為這一技術(shù)手段大范圍推廣的瓶頸。

4.5　藥物治療

針對腸道菌群的結(jié)構(gòu)失調(diào)與代謝紊亂，還可以通過藥物治療進行糾正。Wang等[34]利用藥物干擾腸道菌代謝活性，篩選出的化合物3,3-二甲基丁醇能夠抑制TMA的產(chǎn)生；在AS小鼠模型中，發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)通過抑制TMA的形成而降低小鼠的TMAO水平，抑制AS斑塊形成，并且尚未發(fā)現(xiàn)不良反應(yīng)。Li等[35]觀察到抗氧化藥Tempol能夠降低高脂飲食誘導(dǎo)的小鼠腸道乳酸桿菌數(shù)目，導(dǎo)致腸道牛黃β鼠膽酸的濃度增加，進而抑制腸道中參與體內(nèi)脂肪和血糖代謝的FXR的水平。從微生物、核受體和代謝紊亂的相互關(guān)聯(lián)入手，通過調(diào)節(jié)腸道菌群來改變受體信號通道，有望開發(fā)出用于預(yù)防和治療心血管疾病的新型藥物。

5　總結(jié)與展望

腸道微生物作為機體重要的微生態(tài)系統(tǒng)，與機體的健康和疾病息息相關(guān)。而心血管疾病作為當(dāng)前嚴(yán)重危害人類健康、致病率和死亡率居高不下的“頭號殺手”，對其進行綜合、全面的機制研究愈發(fā)重要。日新月異的科學(xué)研究與臨床發(fā)現(xiàn)，將逐漸揭示腸道菌群與心血管疾病的關(guān)系。盡管二者之間的作用機制仍待明確，菌群的治療方案需進一步評估，但是，鑒于目前已取得的研究基礎(chǔ)，有理由相信，對于腸道菌群的深入研究與發(fā)現(xiàn)會對心血管疾病的認(rèn)識及臨床治療產(chǎn)生重要影響，加深對于疾病的認(rèn)知并提高臨床診治手段。