腸道菌群和黏膜免疫與心血管疾病關(guān)系研究新進(jìn)展①

趙樂(lè)恒 呂昌龍 孫洪濤

(內(nèi)蒙古民族大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，通遼028000)

心血管病是目前導(dǎo)致死亡的主要原因之一。致心血管疾病的常見危險(xiǎn)因素(如肥胖、2型糖尿病和代謝綜合征)日益增加。引起心血管疾病的主要發(fā)生機(jī)制是免疫性炎癥。腸道菌群失調(diào)，致病菌侵入，誘發(fā)腸道免疫細(xì)胞活化，分泌前炎癥細(xì)胞因子，免疫功能紊亂，免疫耐受遭到破壞，引起腸黏膜炎癥，腸上皮層細(xì)胞間緊密連接程度降低，通透性增加，細(xì)菌代謝產(chǎn)物及死亡細(xì)菌的崩解產(chǎn)物進(jìn)入血液循環(huán)，形成毒素血癥，使血管內(nèi)膜受到損傷，導(dǎo)致血管炎癥，發(fā)生動(dòng)脈粥樣硬化，造成心血管疾病。本文就腸道菌群-黏膜免疫-心血管疾病間的作用關(guān)系研究新進(jìn)展簡(jiǎn)要概述。

1 腸道菌群與黏膜免疫

正常人體的胃腸道內(nèi)寄居著數(shù)量繁多的微生物，構(gòu)成了一個(gè)巨大而復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。因以細(xì)菌為主，故也稱腸道菌群。胃腸道內(nèi)的菌群種類和數(shù)量從上到下逐漸增多，主要存在于結(jié)腸。據(jù)估計(jì)腸道菌群的種類超過(guò)1 000種，數(shù)量達(dá)1013～1014。腸道菌群含有需氧菌、兼性厭氧菌和厭氧菌，其中厭氧菌，特別是革蘭氏陰性厭氧菌占絕大多數(shù)。主要細(xì)菌種類有梭菌、類桿菌、雙歧桿菌、乳酸桿菌、腸桿菌、脫硫弧菌等菌屬[1]。 腸道菌群在人體健康，包括生理、免疫和代謝等方面均發(fā)揮極其重要的作用。腸道菌群在黏膜免疫及全身免疫系統(tǒng)成熟發(fā)育，誘導(dǎo)食物抗原和自身抗原免疫耐受中具有重大效應(yīng)[2]。

1.1腸道菌群與固有免疫細(xì)胞 腸道固有免疫細(xì)胞時(shí)刻監(jiān)測(cè)腸腔內(nèi)的外原性抗原，構(gòu)成腸道防御功能之一。固有免疫細(xì)胞通過(guò)表達(dá)的模式識(shí)別受體(Pattern recognition receptor,PRR)同腸道棲息菌存在的保守分子病原相關(guān)分子模式(Pathogen associated molecular pattern,PAMP)相互作用。PRR家族成員主要有TLR和NLR。腸道棲息菌的PAMP與固有免疫細(xì)胞的PRR結(jié)合可誘導(dǎo)腸道黏膜的免疫耐受。固有免疫細(xì)胞的PRR同感染的病原菌PAMP結(jié)合啟動(dòng)炎癥性免疫應(yīng)答。棲息菌結(jié)合PRR不同，革蘭氏陰性菌的LPS結(jié)合TLR-4，革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞壁的肽聚糖和其他成分結(jié)合TLR-2，刺激固有免疫細(xì)胞產(chǎn)生炎癥或抗炎癥免疫應(yīng)答[3]。

固有層樹突狀細(xì)胞(Dendritic cell,DC)能夠通過(guò)伸出偽足穿入腸腔攝取細(xì)菌等抗原物質(zhì)，在其內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)將抗原加工處理成小分子肽，與MHCⅡ類分子結(jié)合呈遞給GALT內(nèi)的T淋巴細(xì)胞產(chǎn)生應(yīng)答，同時(shí)可誘導(dǎo)IgA的漿細(xì)胞分化。DC指揮淋巴細(xì)胞定位，還可決定免疫應(yīng)答的性質(zhì)：產(chǎn)生IL-2上調(diào)分泌IFN-γ的Th1應(yīng)答；產(chǎn)生IL-1、IL-6和IL-23促Th17應(yīng)答。與未成熟DC相互作用或有IL-10和TGF-β存在條件下能誘導(dǎo)具有抗炎癥應(yīng)答的調(diào)節(jié)性 T細(xì)胞(Treg)產(chǎn)生[3]。小鼠和人類，腸道菌群和黏膜功能正常的情況下，DC和巨噬細(xì)胞對(duì)病原相關(guān)分子模式產(chǎn)生低應(yīng)答。黏膜上皮層出現(xiàn)破壞損傷，固有免疫細(xì)胞通過(guò)toll樣受體、NOD樣受體、可溶性維甲酸誘導(dǎo)基因I或黑色素瘤分化相關(guān)蛋白5識(shí)別病原菌，產(chǎn)生炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)、分泌前炎癥細(xì)胞因子和適應(yīng)性免疫應(yīng)答激活[4]。

腸道菌群極大地影響固有免疫細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄程序。去除正常菌群，固有淋巴樣細(xì)胞(Intrinsic lymphoid cells,ILC)遺傳表型和基因轉(zhuǎn)錄會(huì)受到影響，髓樣細(xì)胞基因表達(dá)譜(如前炎癥基因的表達(dá))也會(huì)受到影響。腸道菌群與固有免疫細(xì)胞之間的通訊聯(lián)系還特殊地依賴于菌群的代謝產(chǎn)物，如ILC依賴色氨酸代謝物，髓樣細(xì)胞依賴短鏈脂肪酸。細(xì)菌代謝產(chǎn)物-固有免疫交叉作用產(chǎn)生于小兒出生之前，并經(jīng)抗體介導(dǎo)轉(zhuǎn)移到哺乳期[5]。

1.2腸道菌群與T細(xì)胞 棲息的菌群在調(diào)節(jié)腸道淋巴細(xì)胞亞群的發(fā)育與分化中起重要作用。腸道棲息的脆弱類桿菌影響Th1和Th2細(xì)胞間的平衡[5]。棲息菌SFB可誘導(dǎo)Th17細(xì)胞分化，激活產(chǎn)生IL-23、IL-22誘導(dǎo)B細(xì)胞產(chǎn)生免疫球蛋白類別變化防御細(xì)胞外病原菌感染[3]。Th17細(xì)胞通過(guò)產(chǎn)生前炎癥細(xì)胞因子，如IL-17和IL-22，及募集中性粒細(xì)胞，在抵御細(xì)菌和真菌感染中起重要作用[4]。Th17細(xì)胞具有雙向作用，參與自身免疫性炎癥的發(fā)生和發(fā)展。

脆弱類桿菌分泌的多糖A能誘導(dǎo)CD4+T細(xì)胞成為Foxp3+Treg細(xì)胞。部分棲息的梭狀芽孢桿菌也參與Treg 細(xì)胞的誘導(dǎo)[4]。細(xì)菌來(lái)源的SCFA是菌群誘導(dǎo)Treg效應(yīng)的有力介導(dǎo)劑[5]。調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg)在腸道集聚，輔助維持腸道穩(wěn)定。Treg控制異常表達(dá)抗棲息菌T細(xì)胞受體的CD4+T細(xì)胞增殖，抑制腸道炎癥；分泌炎癥抑制因子TGF-β和IL-10，介導(dǎo)腸黏膜免疫穩(wěn)定性[4]；維持對(duì)食物抗原和腸道棲息菌群耐受性；保持對(duì)自身抗原的耐受和阻止自身免疫性應(yīng)答[3]。

1.3腸道菌群與B細(xì)胞 腸道菌群與體液免疫應(yīng)答間存在重要關(guān)系。影響腸道產(chǎn)生sIgA及其多樣性的漿細(xì)胞集聚。 腸道菌群能刺激固有層樹突狀細(xì)胞產(chǎn)生B細(xì)胞活化因子和增殖誘導(dǎo)配體(稱為APRIL)，誘導(dǎo)IgA+B細(xì)胞分化與增殖；指令固有層樹突狀細(xì)胞和濾泡樹突狀細(xì)胞誘導(dǎo)分泌IgA漿細(xì)胞產(chǎn)生。 受到腸道菌群作用的樹突狀細(xì)胞呈遞蛋白質(zhì)類抗原給Th細(xì)胞，提呈抗原信息給B細(xì)胞。B細(xì)胞可經(jīng)Th細(xì)胞依賴性或非依賴性機(jī)制分化成漿細(xì)胞。在派氏集合淋巴結(jié)發(fā)生Th細(xì)胞依賴性應(yīng)答，伴隨免疫球蛋白同種型轉(zhuǎn)換，誘導(dǎo)抗原高親和性IgA分泌性漿細(xì)胞的分化，合成高親和性分泌型IgA(sIgA)。Th細(xì)胞非依賴性的應(yīng)答主要由B細(xì)胞直接接受多糖類抗原刺激，分化成抗原低親和性多克隆分泌IgA漿細(xì)胞。sIgA具有屏障功能，與棲息菌共同作用抑制病原菌與腸上皮細(xì)胞結(jié)合侵入固有層，保護(hù)機(jī)體免于腸道感染[4]。 腸道菌群通過(guò)B細(xì)胞的MYD88信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑限制血清IgE的水平和嗜堿性粒細(xì)胞的數(shù)量，抑制變態(tài)反應(yīng)性炎癥發(fā)生。反過(guò)來(lái)， sIgA調(diào)節(jié)腸道菌群的組成和功能。sIgA包被SFB和黏液螺旋菌(Mucispirillum spp)調(diào)控Th17所致的炎癥性應(yīng)答[5]。

2 腸道菌群失調(diào)和免疫與心血管疾病

2.1血管炎 以往揭示動(dòng)脈粥樣硬化的免疫性與炎癥性應(yīng)答機(jī)制主要聚焦于血管內(nèi)膜，因?yàn)樵摬课皇莿?dòng)脈粥樣斑塊定著部位。然而近年來(lái)研究證明免疫與炎癥波及血管動(dòng)脈壁全層，即內(nèi)膜層、中膜層和外膜層。最近認(rèn)為血管三層均受累致動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生。外膜層主要為免疫性炎癥活動(dòng)的溫床，其內(nèi)也存在多種免疫細(xì)胞。外膜層構(gòu)建營(yíng)養(yǎng)血管致斑塊形成的微循環(huán)系統(tǒng)。器官化的末端淋巴樣結(jié)構(gòu)也位于外膜層內(nèi)。樹突狀細(xì)胞巡查局部及其他部位的損傷性細(xì)胞抗原并呈遞給T淋巴細(xì)胞，T細(xì)胞自身活化或輔助B細(xì)胞產(chǎn)生適應(yīng)性免疫應(yīng)答。外膜層內(nèi)的肥大細(xì)胞也參與動(dòng)脈炎的產(chǎn)生。外膜內(nèi)的神經(jīng)末梢分泌的介質(zhì)調(diào)節(jié)血管功能[6]。在動(dòng)脈瘤形成期間，炎癥過(guò)程歸因于細(xì)胞外基質(zhì)降解，特別是彈性組織分解作用。在許多動(dòng)脈瘤損傷部位發(fā)現(xiàn)的豐富微血管可能來(lái)自于外膜。祖細(xì)胞和髓樣纖維母細(xì)胞棲息于外膜，提供參與損傷和修復(fù)血管應(yīng)答的細(xì)胞來(lái)源[7]。外膜含有肥大細(xì)胞，影響動(dòng)脈疾病的病理作用。自主與痛覺神經(jīng)引入并圍繞外膜，外膜影響神經(jīng)體液微環(huán)境，沐浴血管和不同類型的免疫細(xì)胞。黏附分子和趨化因子調(diào)控各種炎性細(xì)胞進(jìn)入動(dòng)脈壁。免疫性炎癥可以影響中層膜的各種功能，參與動(dòng)脈炎性疾病。其機(jī)制解釋為動(dòng)脈平滑肌受到 Th1型細(xì)胞因子IFN-γ刺激，能誘導(dǎo)吲哚胺二氧酶產(chǎn)生，輔助限制內(nèi)層炎癥和免疫應(yīng)答保護(hù)動(dòng)脈的完整性。否則，會(huì)引起動(dòng)脈瘤及相關(guān)炎癥的病理學(xué)作用[8]。Th2細(xì)胞、Treg細(xì)胞 、Th17細(xì)胞、B細(xì)胞、單核-巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞和中性粒細(xì)胞等多種免疫細(xì)胞均參與動(dòng)脈炎性疾病發(fā)生與消退的復(fù)雜過(guò)程[6]。

2.2高血壓 已有研究證明腸道菌群同高血壓有密切聯(lián)系，表現(xiàn)為雙向作用。自發(fā)性高血壓和輸注血管緊張素Ⅱ誘發(fā)高血壓大鼠模型和高血壓患者，均顯示腸道菌群數(shù)量和多樣性存在失調(diào)，厚壁菌/擬桿菌比例增加[9,10]。腸道菌群消化食物纖維生成短鏈脂肪酸(Short chain fatty acid,SCFA)，主要包含乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，在機(jī)體生理方面及疾病敏感性方面具有廣泛的影響。SCFA是腸上皮組織的能量來(lái)源，影響細(xì)胞的分化發(fā)育、腸道運(yùn)動(dòng)，維持黏膜上皮屏障完整性減少炎癥，直接影響免疫細(xì)胞活性和減少交感神經(jīng)興奮性；SCFA與腎臟、心臟、交感神經(jīng)節(jié)和血管的嗅覺受體gpr41、gpr43和olfO79結(jié)合調(diào)節(jié)血壓[11]；刺激G-蛋白結(jié)合受體途徑，影響腎素分泌和血壓調(diào)節(jié)[12]；與芳香基烴受體結(jié)合增加IL-10R的轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)腸道免疫應(yīng)答，減少回腸上皮的炎癥，降低血壓[13]。肥胖孕婦腸道丁酸鹽產(chǎn)生菌減少造成丁酸鹽產(chǎn)生量降低，致血壓升高[14]。腸道菌群的代謝產(chǎn)物影響線粒體功能，腦脊髓液內(nèi)的線粒體DNA片段可通過(guò)TGF-β介導(dǎo)的活化途徑致神經(jīng)炎癥誘發(fā)高血壓[13]。

2.3動(dòng)脈粥樣硬化 頸動(dòng)脈粥樣硬化和冠狀動(dòng)脈粥樣硬化均表現(xiàn)為擬桿菌門減少。厚壁菌門/擬桿菌門比率增加。病情的嚴(yán)重性同益生菌，如擬桿菌屬、普氏菌屬和Faecalibacterium減少密切相關(guān)[15]。由于某種原因造成腸道菌群失調(diào)，致病菌及條件性致病菌均可侵入腸道黏膜，黏膜固有層的免疫細(xì)胞，如Th細(xì)胞、γδT細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞等將對(duì)入侵的細(xì)菌產(chǎn)生應(yīng)答。免疫細(xì)胞受到細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物刺激活化，產(chǎn)生炎癥反應(yīng)殺傷細(xì)菌。死亡細(xì)菌釋放的脂多糖(LPS)入血可引起內(nèi)毒素血癥；與吞噬細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)的TLR4結(jié)合，激發(fā)細(xì)胞前炎癥因子釋放，導(dǎo)致血管內(nèi)皮損傷和功能障礙；使低密度脂蛋白(LDL)氧化血栓產(chǎn)生，動(dòng)脈粥樣硬化斑塊形成和脫落[16]。

通過(guò)對(duì)人腸道和動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中的細(xì)菌代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，心血管病的發(fā)生與磷脂酰膽堿的代謝產(chǎn)物膽堿、肉堿和TMAO有關(guān)。膽堿是食物中的基本營(yíng)養(yǎng)成分，缺乏會(huì)導(dǎo)致肌損傷和脂肪肝。食物中的膽堿經(jīng)腸道菌群含有的三甲胺裂解酶代謝成TMA，吸收后通過(guò)門靜脈運(yùn)送到肝臟，經(jīng)黃素單加氧酶(FMO)氧化生成TMAO[17]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也證明，將TMAO投給載脂蛋白E缺陷小鼠，發(fā)現(xiàn)在動(dòng)脈壁和腹腔產(chǎn)生巨噬細(xì)胞泡沫細(xì)胞，促使動(dòng)脈粥樣硬化斑塊發(fā)生[18]。左旋肉堿含有與膽堿類似的三甲胺結(jié)構(gòu)，富含于紅肉內(nèi)。腸道菌群代謝肉堿使TMAO濃度升高，引起以菌群依賴方式提高動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生率。飲食結(jié)構(gòu)直接影響腸道菌群的組成和數(shù)量，以素食為主或素食者體內(nèi)TMAO產(chǎn)生水平顯著低于食肉量較多者。 過(guò)量消費(fèi)紅肉會(huì)增加心血管病的發(fā)生[19]。

2.4心衰 腸道菌群失調(diào)與心衰的發(fā)生及病情加重密切相關(guān)。心衰患者結(jié)腸黏液內(nèi)細(xì)菌量增多，甚至在糞便中可查出大量的病原菌，如彎曲桿菌、志賀菌和傷寒桿菌[20,21]。血漿TMAO水平升高增加心衰死亡、心肌梗死和中風(fēng)的危險(xiǎn)性[22]。腸道菌群還發(fā)酵食物中的色氨酸和酪氨酸生成尿毒癥毒素硫酸吲哚酚和硫酸對(duì)甲酚。硫酸吲哚酚促心肌細(xì)胞過(guò)度增殖和纖維化，使得心肌肥大和彈性減弱[23]。心衰患者與全身其他部位一樣，血流緩慢，腸管水腫，膠原物質(zhì)堆積，腸道組織結(jié)構(gòu)損傷和功能障礙[20]。心衰患者腸道缺血和黏膜通透性增加，中度以上充血性心衰患者腸黏膜通透性較正常人增加78%。心衰患者肝靜脈內(nèi)的LPS水平高于肺動(dòng)脈和左心室，提示內(nèi)毒素從腸道進(jìn)入血流可加速心衰。LPS與脂多糖結(jié)合蛋白結(jié)合，啟動(dòng)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，增加細(xì)胞因子產(chǎn)生，如TNF-α、IL-6等加重心衰的病程[24]。

3 腸道菌群失調(diào)的免疫治療

3.1益生菌治療 盡管腸道菌群調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答的確切機(jī)制尚不完全清楚，但已了解調(diào)整腸道菌群對(duì)于維持免疫系統(tǒng)的健康狀態(tài)十分重要。益生菌乳酸桿菌和雙歧桿菌利用食物中的非消化性碳水化合物增加SCFA和丁酸鹽水平。SCFA可通過(guò)G-蛋白結(jié)合受體和表觀遺傳機(jī)制發(fā)揮抑制免疫性炎癥作用[25,26]。丁酸鹽：①抑制組蛋白去乙酰酶6和9，增高FOXP3啟動(dòng)子的乙酰化作用，促Treg增殖；②增加血漿中的抗炎癥因子IL-10的水平；③抑制轉(zhuǎn)錄因子NF-κB表達(dá)，降低前炎癥細(xì)胞因子(如 IL-6、IL-8、巨噬細(xì)胞趨化因子等)的分泌[27]。國(guó)內(nèi)外已有多種益生菌制劑用于調(diào)節(jié)腸道菌群失調(diào)[28]和益生菌用于發(fā)酵中藥提取有效成分治療疾病的研究報(bào)道[29]。

3.2糞菌移植治療 糞菌移植(FMT)臨床治療的研究日益增加并特殊地受到關(guān)注[30]。FMT在臨床治療艱難梭菌感染中已取得顯著效果。近來(lái)FMT作為新興措施也已試用于心臟代謝性疾病的治療[31]。Akkermanciamuciniphila(A.muciniphila)可預(yù)防高脂肪和膽固醇食物誘導(dǎo)Apoe-/-小鼠發(fā)生的炎癥，抑制動(dòng)脈粥樣硬化損傷的形成。分析其機(jī)制認(rèn)為，A.muciniphila作為一種具有降解黏液素(mucin)能力的細(xì)菌，能誘導(dǎo)腸道緊密連接蛋白(如zonula occuldens-1 and occludin)的表達(dá)，維持腸黏膜完整性。動(dòng)脈粥樣硬化小鼠腸道A.muciniphila的減少，引起腸道屏障損傷，內(nèi)毒素血癥和血管炎癥加重[32]。FMT使整個(gè)腸道菌種類和數(shù)量，特別是產(chǎn)丁酸鹽菌，如羅氏菌屬增加[33]。臨床上是否也是如此尚需進(jìn)一步研究。

4 展望

綜上所述，腸道菌群與黏膜免疫相互作用，同心血管系統(tǒng)生理功能維持和疾病發(fā)生關(guān)系密切。腸道菌群失調(diào)會(huì)導(dǎo)致血管炎、高血壓和動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生及心衰的加重。深入了解腸道菌群、黏膜免疫和心血管疾病之間的相互作用機(jī)制，可為尋找心血管病的防治提供新的理論基礎(chǔ)，也將有助于應(yīng)用益生菌和免疫調(diào)節(jié)劑治療心血管病開創(chuàng)新思路。