腸道微生物與心血管疾病的相關(guān)性研究進(jìn)展

楊欣穎，晉夢(mèng)迪，繆從良，周丹丹，丁曉穎，洪江,

(1.南京醫(yī)科大學(xué)附屬上海一院臨床醫(yī)學(xué)院，上海 200080； 2.上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院 a.急診危重病科，b.內(nèi)分泌科，上海 200080)

心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)是全球范圍內(nèi)致死的最主要原因，2017年全球因CVD死亡人數(shù)達(dá)1 780萬(wàn)，其中缺血性心臟病居全球疾病負(fù)擔(dān)的首位[1]。CVD公認(rèn)的危險(xiǎn)因素包括高血壓、高血糖、血脂異常、肥胖、吸煙、不良飲食習(xí)慣、體力勞動(dòng)不足等。但控制這些高危因素后，CVD的發(fā)病率和病死率仍逐年上升，因此科學(xué)家們致力于尋找防治CVD和降低死亡率的方法，近年來(lái)腸道微生物已成為預(yù)防和治療各種心臟疾病的潛在靶標(biāo)[2]。人體的胃腸道是一個(gè)巨大而多樣的生態(tài)系統(tǒng)，擁有100萬(wàn)億個(gè)分泌代謝產(chǎn)物的微生物群落，這些微生物在新陳代謝、消化吸收、免疫防御、神經(jīng)調(diào)節(jié)等方面與宿主進(jìn)行密切的信息交流，與宿主保持微妙的平衡[3]。研究表明，腸道微生物及其代謝產(chǎn)物與人類健康和各種疾病的發(fā)生密切相關(guān)[2]。腸道微生物的代謝產(chǎn)物包括三甲胺-N-氧化物(trimethylamine-N-oxide，TMAO)、膽汁酸、短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)、原兒茶酸和其他代謝物，如苯乙酰谷氨酰胺、硫酸吲哚、對(duì)甲酚硫酸酯、腸內(nèi)酯和硫化氫[2]，其中TMAO和SCFAs與CVD密切相關(guān)，尤其是TMAO具有減少膽固醇代謝、誘導(dǎo)血小板活化和血栓形成、促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化的作用，被認(rèn)為是影響CVD的重要危險(xiǎn)因子之一[4]?，F(xiàn)就腸道微生物及其主要代謝產(chǎn)物與CVD的相關(guān)性研究進(jìn)展予以綜述。

1 腸道微生物的主要代謝產(chǎn)物

1.1TMAO TMAO是腸道微生物群代謝膳食中磷脂酰膽堿的重要產(chǎn)物[5]。當(dāng)人體攝入大量膽堿、L-肉堿和卵磷脂(主要來(lái)自紅肉、蛋黃、乳制品和海鮮)時(shí)，特定的腸道菌群將其降解為前體三甲胺，腸道菌群在三甲胺裂解酶的作用下釋放三甲胺，裂解攝入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的碳氮鍵[6]。三甲胺裂解過(guò)程主要涉及兩種微生物酶：Rieske型加氧酶/還原酶是肉堿轉(zhuǎn)化為三甲胺所必需的[7]，而與甘氨酰自由基酶同族的膽堿三甲胺裂解酶則催化膽堿向三甲胺的厭氧轉(zhuǎn)化[8]。三甲胺通過(guò)門靜脈循環(huán)運(yùn)輸至肝臟，被肝黃素單加氧酶(flavin-containing monooxygenase，F(xiàn)MO)進(jìn)一步氧化為TMAO，隨后通過(guò)尿液排出[3]。FMO家族有5個(gè)成員(FMO1～5)。其中，F(xiàn)MO1、FMO2和FMO3相對(duì)較活躍，F(xiàn)MO3的活性較FMO1高約10倍[3]。此外，三甲胺還可以通過(guò)直接去甲基化轉(zhuǎn)化為二甲胺和甲醛[9]。研究表明，TMAO與CVD風(fēng)險(xiǎn)存在關(guān)聯(lián)，可能在CVD的治療中發(fā)揮作用[10-11]。

1.2SCFAs SCFAs是腸道微生物群代謝膳食纖維的主要終產(chǎn)物，包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽[12]。SCFAs既可隨糞便排泄，也可以通過(guò)腸上皮細(xì)胞攝取，參與各種生理過(guò)程。SCFAs的攝取涉及腸上皮細(xì)胞表達(dá)的陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，選擇性較差，能夠最大限度地吸收管腔中的SCFAs，尤其是丁酸鹽，它是結(jié)腸細(xì)胞能量來(lái)源的首選，且為局部消耗[13]，其余重吸收的SCFAs則進(jìn)入門靜脈循環(huán)被肝臟代謝，或釋放到體循環(huán)中與血管上皮或傳入小動(dòng)脈中的SCFAs受體結(jié)合，進(jìn)而影響心臟代謝[12，14]。已有體外實(shí)驗(yàn)表明，SCFAs可能對(duì)心臟代謝有益，丁酸鹽通過(guò)穩(wěn)定特異性轉(zhuǎn)錄因子、組裝緊密連接蛋白和分泌黏液蛋白來(lái)維持管腔內(nèi)厭氧狀態(tài)，在維持腸道屏障功能方面起關(guān)鍵作用[15-16]。通過(guò)加強(qiáng)腸道屏障，丁酸鹽可阻斷脂多糖轉(zhuǎn)運(yùn)，與炎癥、代謝性內(nèi)毒素血癥、胰島素抵抗和肥胖有關(guān)[17]。

2 腸道微生物與CVD

2.1腸道微生物與冠心病 研究表明，TMAO是冠心病患者動(dòng)脈粥樣硬化的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[18-19]。目前已知的TMAO促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化的機(jī)制有：TMAO通過(guò)抑制膽固醇7α羥化酶(膽汁酸合成的限速酶)逆轉(zhuǎn)膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)，從而促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化[4]。同時(shí)，TMAO可上調(diào)巨噬細(xì)胞清道夫受體的表達(dá)，促進(jìn)膽固醇在巨噬細(xì)胞中沉積，并形成泡沫細(xì)胞[20]。此外，TMAO還可以通過(guò)激活核因子κB、蛋白激酶C和核苷酸結(jié)合寡聚化域樣受體家族的吡喃結(jié)構(gòu)域來(lái)誘導(dǎo)內(nèi)皮功能障礙和單核細(xì)胞黏附，并增加血管內(nèi)皮炎癥因子的表達(dá)[21-22]。研究發(fā)現(xiàn)，膽堿飲食小鼠血漿TMAO水平是普通飲食小鼠的2倍，進(jìn)一步對(duì)膽堿飲食小鼠進(jìn)行盲腸微生物移植后，可測(cè)得其血漿TMAO水平較移植前增長(zhǎng)10倍，且血小板對(duì)激動(dòng)劑的反應(yīng)和血栓形成潛力均明顯增強(qiáng)，可能增加心血管血栓事件的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[23]。

研究表明，TMAO有望成為冠心病患者診斷和預(yù)后的標(biāo)準(zhǔn)[2]。Yamashita等[24]報(bào)道，與對(duì)照組相比，冠心病患者的腸道微生物結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，同時(shí)血清TMAO水平升高，故認(rèn)為腸道微生物可作為冠心病的診斷標(biāo)志物。Tang等[25]對(duì)4 007例冠狀動(dòng)脈造影術(shù)后患者進(jìn)行3年隨訪發(fā)現(xiàn)，血清TMAO水平與心血管終點(diǎn)事件呈正相關(guān)，TMAO>6.5 mol/L冠心病患者的全因死亡率是低水平(TMAO<2.5 mol/L)患者的3.9倍[25]。從代謝組學(xué)的角度來(lái)看，TMAO間接提示了腸道微生態(tài)對(duì)冠心病的臨床預(yù)后價(jià)值。Senthong等[26]的研究顯示，血清TMAO水平與冠心病患者的斑塊狹窄程度呈正相關(guān)。Wang等[27]用高膽堿飲食喂養(yǎng)小鼠發(fā)現(xiàn)，小鼠血清TMAO水平與冠狀動(dòng)脈粥樣硬化斑塊面積呈正相關(guān)，再次提示TMAO對(duì)冠心病患者的長(zhǎng)期生存預(yù)后具有重要預(yù)測(cè)價(jià)值。

急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)是起病急、進(jìn)展快、死亡率高的一種冠心病類型。臨床研究表明，AMI患者易出現(xiàn)腸道微生態(tài)失衡、益生菌減少、致病菌大量繁殖，患者體內(nèi)將發(fā)生腸屏障功能受損和腸通透性增加等一系列變化[28]。Zhou等[28]通過(guò)對(duì)比AMI患者、穩(wěn)定型冠心病患者和健康人群的血液菌群發(fā)現(xiàn)，AMI患者血液菌群的種類明顯增多，其中12%以上的血液細(xì)菌來(lái)自腸道，表明血液中腸道菌群增多與AMI事件的發(fā)生相關(guān)。AMI與腸道微生物結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)也在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)，Wu等[29]報(bào)道了大鼠AMI后第7天的腸道微生物豐富度明顯增加。Gan等[30]發(fā)現(xiàn)，益生菌可延緩AMI后大鼠的心肌肥厚和心力衰竭。Lam等[31]通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，抗生素可以減少AMI小鼠的心肌梗死面積，其機(jī)制可能與調(diào)節(jié)腸道微生物相關(guān)。Tang等[32]發(fā)現(xiàn)，在心肌梗死前，給予抗生素治療小鼠補(bǔ)充益生菌有利于恢復(fù)心臟功能和延長(zhǎng)存活時(shí)間，腸道微生物源性SCFAs在維持心肌梗死后宿主免疫成分和修復(fù)能力方面發(fā)揮了重要作用，提示調(diào)控腸道菌群可能為心肌梗死后康復(fù)提供機(jī)會(huì)，但能否預(yù)防冠狀動(dòng)脈粥樣硬化并降低AMI的發(fā)生率尚不清楚。

2.2腸道微生物與心力衰竭 心力衰竭的發(fā)病率和死亡率極高，約有一半患者在診斷心力衰竭后5年內(nèi)死亡[33]。在心力衰竭患者中，心排血量和血液再分配的減少導(dǎo)致腸灌注減少和腸屏障破壞，腸道微生物和內(nèi)毒素進(jìn)入血液循環(huán)，加重全身炎癥反應(yīng)，進(jìn)而加重心力衰竭[34]。另有研究表明，腸道微生態(tài)的變化可以直接損害心肌細(xì)胞并導(dǎo)致心臟功能障礙。Organ等[35]發(fā)現(xiàn)，喂食膽堿或TMAO小鼠心力衰竭嚴(yán)重程度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)飲食小鼠，但腸道微生物和飲食膽堿→TMAO途徑是否會(huì)增加心力衰竭易感性尚不清楚。Tang等[6]報(bào)道，TMAO、膽堿和甜菜堿的水平與左心室舒張功能障礙有關(guān)，同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)心力衰竭患者的TMAO水平與5年內(nèi)死亡率呈正相關(guān)。Suzuki等[33]對(duì)972例急性心力衰竭患者的1年死亡率和心力衰竭再發(fā)率進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，血清TMAO和腦鈉肽前體的聯(lián)合應(yīng)用對(duì)心力衰竭的1年預(yù)后有較好的預(yù)測(cè)價(jià)值。一項(xiàng)臨床隊(duì)列研究顯示，慢性心力衰竭患者的血清TMAO水平升高，TMAO水平與心功能和生存率呈負(fù)相關(guān)[36]。與心力衰竭的傳統(tǒng)危險(xiǎn)因素、心腎指數(shù)和全身炎癥標(biāo)志物相比，TMAO的血漿水平對(duì)心力衰竭的嚴(yán)重程度和總體死亡率具有更好的預(yù)測(cè)價(jià)值[37]。因此，改善腸道微生物結(jié)構(gòu)和降低TMAO水平可能成為治療和改善心力衰竭預(yù)后的新方法，但關(guān)于TMAO與心力衰竭的具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

2.3腸道微生物與高血壓 高血壓是CVD可控的危險(xiǎn)因子之一，研究表明腸道微生物與高血壓之間存在關(guān)聯(lián)[38]。試驗(yàn)表明，腸道微生物通過(guò)血管免疫細(xì)胞浸潤(rùn)和炎癥反應(yīng)，促進(jìn)了血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的血管功能障礙和高血壓[38]。TMAO不會(huì)直接影響血壓，但會(huì)延長(zhǎng)血管緊張素Ⅱ的血流動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。SCFAs已被證實(shí)與高血壓的發(fā)生相關(guān)，其通過(guò)與腎臟、心臟、交感神經(jīng)節(jié)和血管中G蛋白偶聯(lián)受體41、G蛋白偶聯(lián)受體43和嗅覺(jué)受體78的結(jié)合調(diào)節(jié)血壓[39]。SCFAs可誘導(dǎo)嗅覺(jué)受體78介導(dǎo)的傳入小動(dòng)脈釋放腎素，升高血壓；G蛋白偶聯(lián)受體41可刺激交感神經(jīng)增加能量消耗，同時(shí)導(dǎo)致血壓升高[2]。Yang等[40]報(bào)道，與普通大鼠相比，高血壓大鼠的腸道微生物豐富度顯著降低，而厚壁菌門/擬桿菌門比值增加。此外，臨床高血壓患者的腸道菌群也遵循類似的菌群失調(diào)模式[40]。Durgan等[41]通過(guò)動(dòng)物研究驗(yàn)證了腸道微生物失調(diào)可能是阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征誘導(dǎo)的高血壓的直接原因。研究表明，改善腸道微生態(tài)對(duì)治療高血壓存在有利作用[42]。Wilck等[42]報(bào)道高鈉通過(guò)誘導(dǎo)輔助性T細(xì)胞17引起高血壓，而乳酸桿菌可通過(guò)減少輔助性T細(xì)胞17的數(shù)量延緩鈉敏感性高血壓的惡化。另有文獻(xiàn)報(bào)道，益生菌及其發(fā)酵產(chǎn)品可抑制巨噬細(xì)胞中氮氧化物的產(chǎn)生，減少活性氧種類，增加膳食鈣吸收，從而降低血壓[43]。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)飲食恢復(fù)腸道微生態(tài)平衡可能是治療高血壓的一個(gè)新策略。

2.4腸道微生物與心房顫動(dòng) 心房顫動(dòng)是臨床最常見(jiàn)的心律失常之一，與血栓栓塞事件風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)。目前，關(guān)于腸道微生物與心房顫動(dòng)之間的報(bào)道較少。Zuo等[44]通過(guò)對(duì)比心房顫動(dòng)和對(duì)照人群的腸道微生物發(fā)現(xiàn)，心房顫動(dòng)患者的腸道微生物群和代謝產(chǎn)物譜更紊亂。一項(xiàng)大型隊(duì)列研究表明，TMAO與心房顫動(dòng)發(fā)病呈正相關(guān)，并能預(yù)測(cè)心房顫動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)[45]。迄今為止，關(guān)于TMAO促進(jìn)心房顫動(dòng)的機(jī)制主要有兩種：①通過(guò)神經(jīng)節(jié)叢調(diào)節(jié)自主神經(jīng)傳導(dǎo)；②核因子κB介導(dǎo)的炎癥信號(hào)通路的增強(qiáng)活化[46-47]。Hou等[47]在房性心動(dòng)過(guò)速起搏誘發(fā)的心房顫動(dòng)犬模型中發(fā)現(xiàn)，將TMAO直接應(yīng)用于心房神經(jīng)節(jié)叢可增加神經(jīng)生長(zhǎng)因子的表達(dá)和心房電重構(gòu)，從而為心房顫動(dòng)的發(fā)生提供基質(zhì)。Yu等[46]報(bào)道，TMAO可能通過(guò)激活促炎性核因子κB-p65信號(hào)傳導(dǎo)途徑誘發(fā)炎癥反應(yīng)來(lái)促進(jìn)心房顫動(dòng)底物。Yao等[48]進(jìn)一步證明，核因子κB-p65信號(hào)通路可能通過(guò)促進(jìn)心房異位活動(dòng)和縮短有效不應(yīng)期影響心臟炎癥小體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而促進(jìn)心房顫動(dòng)發(fā)生。然而，由于飲食攝入或腸道微生物變化而導(dǎo)致的血清TMAO水平改變是否足以直接調(diào)節(jié)心臟的自主神經(jīng)系統(tǒng)或激活心肌細(xì)胞中的炎癥小體途徑仍未知。此外，TMAO是否可以建立腸道微生物變化和心房顫動(dòng)發(fā)生的病理聯(lián)系尚未明確，需要進(jìn)一步研究以確定TMAO作為生物標(biāo)志物預(yù)測(cè)心房顫動(dòng)發(fā)病的實(shí)用性。

3 腸道微生物在CVD治療中的潛在應(yīng)用

腸道微生物及其代謝產(chǎn)物正在成為CVD治療的一個(gè)潛在靶點(diǎn)，靶向抑制產(chǎn)生TMAO的菌群和恢復(fù)腸道微生態(tài)平衡可能是一種新型的治療策略，如益生菌、益生元、飲食調(diào)節(jié)、糞便菌群移植、窄譜抗生素和三甲胺抑制劑等。研究表明，益生菌和益生元在CVD的治療中起重要作用[10]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，益生菌可減小心肌梗死面積、動(dòng)脈粥樣硬化斑塊面積，并可降低心肌梗死后心肌肥厚和心力衰竭的發(fā)生率[10]。同時(shí)，益生菌也可減少心肌梗死后的瘦素，增加?；撬?，從而減輕心臟重構(gòu)、延遲心力衰竭發(fā)生、增加射血分?jǐn)?shù)[11]。在一項(xiàng)隨機(jī)雙盲試驗(yàn)中，接受布拉酵母治療3個(gè)月心力衰竭患者的心功能得到改善[49]。另一研究顯示，益生菌乳桿菌可通過(guò)減少血管炎癥和保護(hù)內(nèi)皮功能來(lái)幫助控制血壓[21]。薈萃分析表明，益生菌可通過(guò)減少胰島素抵抗和調(diào)節(jié)腎素-血管緊張素系統(tǒng)來(lái)預(yù)防高血壓或調(diào)節(jié)血壓[40]。此外，益生元亦可以有效降低血糖和血脂，控制CVD的危險(xiǎn)因素[40]。高纖維飲食可顯著降低高血壓患者的血壓，改善心臟功能并減輕心肌纖維化[50]。糞便菌群移植是將腸道菌群從供體轉(zhuǎn)移到受體腸道，可增加腸道菌群的豐富度，改善腸道微生態(tài)結(jié)構(gòu)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，將糞便菌群從高血壓小鼠移植到無(wú)菌小鼠后，高血壓也隨之發(fā)生轉(zhuǎn)移[51]。然而，糞便菌群移植也不可避免地存在將未知細(xì)菌和病毒傳播到受體的風(fēng)險(xiǎn)[51]，因此開發(fā)這種方法仍有諸多困難。米諾環(huán)素可增加腸道微生物群的多樣性并減少沙門菌，從而逆轉(zhuǎn)腸道菌群失衡，降低血壓[3]。但是，長(zhǎng)期使用抗生素也會(huì)導(dǎo)致耐藥性，引起菌群失調(diào)[3]。

近期科學(xué)家們將目光聚焦到三甲胺抑制劑的研發(fā)中。研究表明，膽堿結(jié)構(gòu)類似物(3，3-二甲基-1-丁醇)可通過(guò)阻斷膽堿代謝途徑減少三甲胺產(chǎn)生，從而在預(yù)防和治療CVD中發(fā)揮作用[52]。另一項(xiàng)研究表明，白藜蘆醇可通過(guò)刺激腸道有益菌的生長(zhǎng)抑制TMAO的產(chǎn)生[53]。隨著腸道微生物調(diào)節(jié)劑與CVD動(dòng)物模型研究的日益增多，基礎(chǔ)研究成果有望轉(zhuǎn)化為臨床干預(yù)手段，但是目前通過(guò)調(diào)節(jié)腸道微生物治療CVD的療效尚未得到證實(shí)。

4 小 結(jié)

腸道微生物及其主要代謝產(chǎn)物(TMAO、SCFAs)在冠心病、心力衰竭、高血壓、心房顫動(dòng)等CVD的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。TMAO具有抑制膽固醇代謝、誘導(dǎo)血小板聚集和血栓形成、促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化的作用，直接或間接參與了CVD的發(fā)病過(guò)程，被認(rèn)為是影響CVD發(fā)生甚至預(yù)后的重要危險(xiǎn)因子。SCFAs在維持腸道屏障功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用，對(duì)心臟代謝健康起積極作用。腸道微生態(tài)的變化可能導(dǎo)致心臟功能減退，造成多種心臟疾病的發(fā)生和惡化，并對(duì)不良心血管事件的預(yù)后有重要預(yù)測(cè)意義。因此，探索CVD患者腸道微生物的變化可能為CVD患者疾病嚴(yán)重程度的判斷提供新的參考依據(jù)，并為CVD的分層治療提供新的思路。然而，目前的研究大多仍處于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段，具體機(jī)制尚未完全闡明，研究菌群種類有限，缺少大規(guī)模臨床研究，有待進(jìn)一步探索和完善。