心力衰竭與腸道菌群失調(diào)的研究進(jìn)展

楊芾 王淙玉 王琳 王軍奎 劉富強(qiáng) 姬新才

心力衰竭(HF)作為心血管疾病終末階段的病理狀態(tài)，其高患病率及高死亡率威脅著人類健康。隨著HF病理生理機(jī)制的深入探討，治療模式也由“水鈉潴留”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧窠?jīng)內(nèi)分泌異常激活”模式。盡管目前各類新型藥物的治療較有成效，但我國(guó)心血管疾病仍占居民疾病死亡原因構(gòu)成的40%以上，且住院費(fèi)用高昂。腸道黏膜損失引起細(xì)菌易位、腸道代謝產(chǎn)物等經(jīng)典學(xué)說(shuō)為HF的病理生理機(jī)制研究及治療策略提供了新的視角，同時(shí)與傳統(tǒng)細(xì)菌培養(yǎng)技術(shù)相比，16S rRNA擴(kuò)增子測(cè)序技術(shù)及代謝組學(xué)方法的推廣使用為腸道菌群紊亂提供了直接證據(jù)。本文將對(duì)HF與腸道菌群失調(diào)的研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

一、生理情況下腸道菌群的特點(diǎn)及作用

腸道作為抵御“外來(lái)侵略”的人體長(zhǎng)城，有著雙重屏障，一是機(jī)械屏障，由腸道黏膜上皮細(xì)胞及細(xì)胞間緊密連接的完整性發(fā)揮主要作用；二是免疫屏障，主要包括腸道相關(guān)淋巴組織與巨噬細(xì)胞，腸道中豐富的巨噬細(xì)胞通過(guò)分泌細(xì)胞因子控制腸道中促炎及抗炎反應(yīng)來(lái)誘導(dǎo)天然免疫應(yīng)答，炎癥效應(yīng)使得固有層巨噬細(xì)胞對(duì)共生細(xì)菌反應(yīng)減弱，從而維持對(duì)腸道微生物的耐受性，腸道免疫系統(tǒng)在共生菌的耐受性和致病菌的免疫力之間產(chǎn)生微妙的平衡[1]。腸道中細(xì)菌種類達(dá)1 000余種，基因組成高達(dá)100萬(wàn)億，為人類基因的100余倍，故腸道菌群被形象地稱為“第二個(gè)基因組”[2]。腸道菌群對(duì)內(nèi)外環(huán)境變化非常敏感，在機(jī)體體液失衡、電解質(zhì)紊亂、供血不足、營(yíng)養(yǎng)因素缺乏等內(nèi)源性因素的影響下，菌群結(jié)構(gòu)可發(fā)生變化。

二、HF時(shí)腸道菌群的變化特點(diǎn)

應(yīng)用16S rRNA擴(kuò)增子測(cè)序及宏基因組測(cè)序方法研究顯示，慢性HF患者的腸道菌群紊亂狀態(tài)表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：(1)HF患者糞便中菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，乳酸桿菌、雙歧桿菌、類桿菌等益生菌數(shù)量減少，而彎曲桿菌、志賀桿菌、沙門菌、耶氏森菌和假絲酵母菌等腸道上皮細(xì)胞病原菌數(shù)量增多；(2)腸道菌群組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由腸道細(xì)菌介導(dǎo)下的腸道代謝產(chǎn)物含量比例也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化；(3)HF患者血清免疫球蛋白A-抗脂多糖濃度較高，這與結(jié)腸黏膜活檢獲得細(xì)菌增多有關(guān)[3]。腸道細(xì)菌移位與腸道黏膜屏障受損通透性增高相關(guān)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)中三氯蔗糖排泄法為腸道黏膜通透性變化的測(cè)量提供直接證據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與正常人相比，HF患者腸道三氯蔗糖排泄率增加2.1倍[4]。HF癥狀和體征的嚴(yán)重程度與腸道通透性及細(xì)菌種類、數(shù)量密切相關(guān)。

三、腸道菌群改變對(duì)HF的影響及其可能機(jī)制

1.腸道菌群改變介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)與HF

HF患者腸道血流灌注減少，引起腸道上皮細(xì)胞脫落壞死、通透性增高，細(xì)菌產(chǎn)生的內(nèi)毒素(LPS)入血，與脂多糖結(jié)合蛋白(LBP)受體結(jié)合后啟動(dòng)信號(hào)級(jí)聯(lián)炎癥反應(yīng)，同時(shí)在內(nèi)源性刺激作用下腸道相關(guān)淋巴組織釋放細(xì)胞因子和炎癥介質(zhì)，如腫瘤壞死因子(TNF)-α、白細(xì)胞介素(IL)-6和IL-1等，導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡增加、內(nèi)皮功能障礙，進(jìn)而引起心肌重構(gòu)，加重HF癥狀[5]。研究表明周圍組織水腫的HF患者血漿內(nèi)毒素和炎性細(xì)胞因子濃度高于無(wú)水腫者，短期利尿劑治療后，血清內(nèi)毒素濃度下降，提示內(nèi)毒素可能與HF引起的胃腸道系統(tǒng)水腫有關(guān)[6]。

2.腸道菌群代謝產(chǎn)物與HF

(1)三甲胺N-氧化物代謝與HF

腸道菌群參與食物的消化代謝，血液中的TMAO水平與飲食中磷脂酰膽堿、膽堿和肉堿的攝入量有關(guān)，腸道菌群將攝入磷脂酰膽堿(卵磷脂)的膽堿轉(zhuǎn)化成三甲胺(TMA)，在肝臟黃素單加氧酶(FMO)的作用下轉(zhuǎn)換成TMAO[3]。用同位腸道素標(biāo)記的TMAO喂食小鼠，可在其血漿中檢測(cè)到被同位素標(biāo)記的TMA，同位素追蹤法驗(yàn)證了TMAO與TMA的逆轉(zhuǎn)學(xué)說(shuō)，且該逆轉(zhuǎn)反應(yīng)可被廣譜抗生素所抑制，考慮代謝逆轉(zhuǎn)反應(yīng)可能在腸道微生物的介導(dǎo)下完成，也推測(cè)出TMAO并非僅為腸道微生物代謝產(chǎn)物，也可經(jīng)腸道直接攝取所得[7]。

腎臟清除率、腸道菌群成分的變化及性激素水平均可影響血漿中TMAO的代謝：①TMAO通過(guò)腎臟排泄，慢性腎臟病患者的腎小球?yàn)V過(guò)率降低可引起TMAO的累積，可見腎功能下降能引起血漿TMAO濃度增加，在研究TMAO變化程度時(shí)需排除腎小球?yàn)V過(guò)率等混雜因素[8]；②在使用廣譜抗生素治療1周后發(fā)現(xiàn)ApoE基因敲除小鼠體內(nèi)TMAO水平明顯降低，說(shuō)明抗菌治療后腸道菌群的變化與TMAO水平密切相關(guān)[9]；③實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，性激素可作為誘導(dǎo)劑調(diào)控關(guān)鍵酶肝臟黃素單加氧酶3(FMO3)的相關(guān)基因，從而使雌性小鼠TMA向TMAO的轉(zhuǎn)化效率較雄性小鼠升高，即雌激素對(duì)TMAO的合成起促進(jìn)作用，相反睪酮對(duì)其合成起抑制作用[10]。有研究結(jié)果顯示，女性月經(jīng)后尿液中TMA含量較月經(jīng)前增加，間接說(shuō)明由TMA向TMAO轉(zhuǎn)化減少，可能與月經(jīng)周期中性激素變化有一定相關(guān)性[11]。

大量研究已證實(shí)TMAO可導(dǎo)致冠狀動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成，TMAO可作為預(yù)測(cè)心血管事件的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。TMAO引起缺血性心肌病患者HF的原因暫無(wú)明確定論。研究表明，缺血性HF患者TMAO水平不僅明顯高于非缺血性心肌病患者，與穩(wěn)定型心絞痛患者相比也有顯著差異[12]，表明除了缺血性病因?qū)е耇MAO升高外，其他潛在機(jī)制也可能增加TMAO水平升高HF患者的死亡風(fēng)險(xiǎn)[12]。

有研究在對(duì)小鼠行主動(dòng)脈弓縮窄術(shù)(TAC)后，分別對(duì)對(duì)照組、喂食膽堿組和喂食TMAO組小鼠建立3組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?2周后利用3組小鼠冠狀動(dòng)脈周圍組織制作病理切片，后行組織學(xué)染色結(jié)果表明：與對(duì)照組相比，喂食TMAO組小鼠冠狀動(dòng)脈周圍組織中定量的Pmicrosirius紅染色增加，表明心臟纖維化程度增加[13]。喂食TMAO的HF小鼠心臟纖維化增加，最終導(dǎo)致左心室僵硬，失去順應(yīng)性，從而損害心臟收縮和舒張功能，與心功能不良預(yù)后指標(biāo)變化相一致。可見血液中的TMAO水平升高會(huì)導(dǎo)致左心室擴(kuò)張、左心室射血分?jǐn)?shù)(LVEF)降低、腦尿鈉肽(BNP)水平增加、肺水腫加重及心肌纖維化等。同時(shí)發(fā)現(xiàn)促炎細(xì)胞因子TNF-α、IL-1升高及抗炎細(xì)胞因子IL-10減少[14]。

對(duì)于HF進(jìn)展與腸道菌群失調(diào)相關(guān)機(jī)制的研究尚未明確，有學(xué)者認(rèn)為血液中TMAO可調(diào)節(jié)促炎介質(zhì)與抗炎介質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡,即上調(diào)促炎細(xì)胞因子和下調(diào)抗炎細(xì)胞因子，最終導(dǎo)致心肌纖維化和心功能障礙[25]。研究表明血液中TMAO水平與LVEF及心肌成纖維細(xì)胞標(biāo)志物波形顯著相關(guān)[15]。除TMAO對(duì)于心肌細(xì)胞影響的炎癥學(xué)說(shuō)外，相關(guān)在能量代謝方面的研究也得到了新的見解，TMAO可抑制丙酮酸脫氫酶(PDH)和心肌線粒體丙酮酸氧化反應(yīng)的發(fā)生，從而減少ATP生成。透射電子顯微鏡(TEM)可視下心肌細(xì)胞中糖原積累及脂褐素的出現(xiàn)均為細(xì)胞氧化和線粒體功能障礙提供了可靠證據(jù)[16]。

關(guān)于TMAO對(duì)HF患者預(yù)后關(guān)系的研究表明血清中TMAO對(duì)慢性HF產(chǎn)生的影響較急性HF更強(qiáng)，引起這一差異的潛在機(jī)制尚未明確，在排除TMAO對(duì)冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的影響因素后，考慮與TMAO引起腎臟纖維化，繼而導(dǎo)致腎功能下降，循環(huán)中TMAO累積進(jìn)一步加重其對(duì)心功能的下降有關(guān)[17]。

(2)短鏈脂肪酸(SCFA)代謝與HF

腸道的另一代謝產(chǎn)物丁酸鹽SCFA(乙酸、丙酸和丁酸等)是膳食纖維在厭氧菌作用下的代謝產(chǎn)物，不僅可作為宿主的能量來(lái)源[18]，而且還可以通過(guò)防止致病菌及有害物質(zhì)侵入來(lái)維持腸道屏障。SCFA可表現(xiàn)出多重效應(yīng)[17]，其對(duì)于巨噬細(xì)胞可發(fā)揮抗炎及促炎作用，通過(guò)激活腸道巨噬細(xì)胞來(lái)誘導(dǎo)一氧化氮(NO)、IL-6、IL-12等炎癥介質(zhì)的釋放，從而防止心肌肥大及纖維化的發(fā)生[19]。有研究表明，膳食纖維和乙酸酯可通過(guò)調(diào)節(jié)關(guān)鍵通路和基因而改善心臟和腎臟功能，包括轉(zhuǎn)錄因子Egr1。轉(zhuǎn)錄因子Egr1是心臟和腎臟發(fā)生纖維化及炎癥而導(dǎo)致心血管疾病的主要調(diào)節(jié)因子，同時(shí)SCFA可通過(guò)抵御腸道革蘭陰性菌生長(zhǎng)、增加產(chǎn)醋酸菌群數(shù)量來(lái)糾正腸道菌群失調(diào)[20]。

HF與腸道菌群變化之間相互作用，HF患者腸道淤血引起菌群移位，繼而引起內(nèi)毒素入血、激活細(xì)胞因子，細(xì)胞因子的產(chǎn)生反過(guò)來(lái)又引起炎癥、纖維化、微血管和心肌功能的改變。因此腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生變化所引發(fā)的炎癥介質(zhì)及TMAO增多等多重因素共同影響HF的進(jìn)程。

四、干預(yù)腸道菌群失調(diào)治療HF的展望

隨著我國(guó)居民生活水平的不斷提高，雞蛋、肝臟、瘦肉、家禽和魚等富含膽堿食物的攝入增加為心血管疾病的發(fā)生帶來(lái)隱患，因此對(duì)于代謝產(chǎn)物TMAO、SCFA與HF的相關(guān)性研究有一定的必要性。通過(guò)調(diào)節(jié)菌群平衡、調(diào)控TMAO等代謝途徑為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，可能成為HF與腸道菌群失調(diào)領(lǐng)域新的突破口。

抗生素可通過(guò)消除微生物來(lái)抑制腸道菌群活性，降低TMAO的轉(zhuǎn)化。廣譜抗生素如環(huán)丙沙星和甲硝唑的使用幾乎完全抑制了TMAO的轉(zhuǎn)化，但只能起短期抑制作用，且抗生素對(duì)細(xì)菌的抑制作用難以精確定位靶點(diǎn)，長(zhǎng)期使用抗生素治療可導(dǎo)致細(xì)菌耐藥，影響有益的細(xì)菌繁植，也可引起抗生素相關(guān)性腸病[21]。

選擇性消化道去污(SDD)采用粘菌素B/布霉素等非吸收抗生素來(lái)降低慢性HF患者腸道革蘭陰性桿菌的負(fù)荷，同時(shí)顯著降低血液及糞便中內(nèi)毒素的產(chǎn)量，抑制免疫激活的發(fā)生，降低IL-1和IL-6等炎癥介質(zhì)水平，抑制炎癥因子途徑在HF進(jìn)展中的作用[22]。

膳食結(jié)構(gòu)的調(diào)整成為改變腸道菌群構(gòu)成的有效途徑，與傳統(tǒng)飼養(yǎng)的小鼠相比，無(wú)菌小鼠血漿和糞便中膳食纖維代謝產(chǎn)物乙酸、丙酸和丁酸的含量可忽略不計(jì)，表明腸道微生物是宿主產(chǎn)生這些CSFA的主要原因。部分研究顯示16S rRNA擴(kuò)增子測(cè)序技術(shù)可以檢測(cè)到腸道菌群中產(chǎn)SCFA細(xì)菌的豐度與腸道菌群結(jié)構(gòu)有相關(guān)性，代謝產(chǎn)物SCFA可促進(jìn)有益腸道微生物生長(zhǎng)并抑制機(jī)會(huì)病菌的生長(zhǎng)。慢性HF患者糞便中產(chǎn)SCFA細(xì)菌及其編碼基因減少，SCFA含量的變化也可作為反映腸道菌群結(jié)構(gòu)變化的生物標(biāo)志物[19]。

益生素這一生物活性物質(zhì)可作為調(diào)節(jié)腸道菌群失衡的補(bǔ)充劑，參與調(diào)節(jié)腸道內(nèi)pH、生成抗菌產(chǎn)物、直接抑制病原菌，同時(shí)也刺激了有益細(xì)菌的生長(zhǎng)。在慢性HF小鼠模型中，與安慰組相比，經(jīng)益生菌治療組小鼠中肌酐、尿酸、超敏C反應(yīng)蛋白(hs-CRP)等生化指標(biāo)水平下降，心臟超聲檢查結(jié)果顯示左心房?jī)?nèi)徑、LVEF均較前有所改善[23-24]。

五、總結(jié)

腸道菌群失調(diào)在心血管疾病發(fā)展進(jìn)程中起重要作用，細(xì)菌移位可引發(fā)炎癥介質(zhì)及免疫功能變化，細(xì)菌代謝產(chǎn)物TMAO及SCFA等均參與其中。探索腸道菌群HF的關(guān)系，為認(rèn)識(shí)和干預(yù)HF提供了新的視角及策略。