腸道菌群與心血管疾病及非酒精性脂肪肝的研究進(jìn)展

宋丹丹，鄧志華

腸道菌群約有數(shù)萬億微生物，細(xì)菌種類超過100種，主要分為6門，包括厚壁菌門、擬桿菌門、變形桿菌門、放線菌門、疣微菌門、梭桿菌門，其中厚壁菌門(如梭狀芽孢桿菌、腸球菌、乳酸菌和瘤胃球菌)占腸道菌群的60%，擬桿菌門(如擬桿菌和普氏菌)占15%，其他菌種所占比例較小，腸道菌群因宿主基因型和環(huán)境因素不同，表現(xiàn)出個(gè)體差異性[1-2]。一方面，腸道菌群隨著人類發(fā)展而變化，受飲食習(xí)慣、健康狀況、藥物等因素的影響[2]；另一方面，腸道菌群可以影響碳水化合物、脂質(zhì)和氧化三甲胺(trimethylamine oxide，TMAO)代謝，從而影響多種代謝性疾病，同時(shí)也會影響免疫信號傳導(dǎo)導(dǎo)致低級別、持續(xù)性、全身性炎癥，造成動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)、高血壓、非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)、肥胖和糖尿病等多種疾病[1]。因此，未來腸道菌群可能作為一種生物標(biāo)志物，為臨床研究NAFLD、心血管疾病的發(fā)病機(jī)制提供新方向。

1 腸道菌群與宿主代謝

1.1 碳水化合物 不同類型飲食中的碳水化合物可以影響腸道菌群的組成和功能，F(xiàn)ava等[3]研究發(fā)現(xiàn)給予24周低脂、高碳水化合物飲食可以增加糞便中擬桿菌、雙歧桿菌豐度，考慮擬桿菌屬是腸道內(nèi)碳水化合物主要的降解細(xì)菌，因此，擬桿菌、雙歧桿菌可能與改善身體能量調(diào)節(jié)、降低代謝綜合征的風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。而高脂、高糖飲食可以降低擬桿菌和梭菌屬Ⅳ簇豐度、增加腸桿菌的相對豐度[4]。同樣，腸道菌群也可通過在新陳代謝中的作用影響碳水化合物分解，由于碳水化合物代謝與肥胖和糖尿病直接相關(guān)，所以腸道菌群在這些疾病中也起著重要的作用[1]。Ley等[5]發(fā)現(xiàn)，相對于偏瘦小鼠，肥胖小鼠的擬桿菌門的豐度降低了50%，厚壁菌門豐度相對增加，且厚壁菌門與擬桿菌門的比例增加使肥胖小鼠獲取能量的能力增加，進(jìn)一步導(dǎo)致肥胖，增加NAFLD、心血管疾病發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 脂質(zhì) 不同的脂肪類型對腸道菌群的影響也是不同的[6]。Muralidharan等[7]報(bào)道了堅(jiān)果、花生、杏仁、玉米油、椰子油、橄欖油、芝麻油、大豆油、地中海式飲食等各種脂肪可以不同程度地調(diào)節(jié)腸道菌群組成，發(fā)現(xiàn)堅(jiān)果和其他植物脂肪可以提高機(jī)體代謝，增加雙歧桿菌屬、羅斯氏菌屬和糞桿菌屬的豐度；而牛奶脂肪和玉米油可以增加小鼠腸道微生物的Alpha多樣性[8]。此外，Mani等[9]發(fā)現(xiàn)來源不同的脂肪可以通過改變腸道菌群組成進(jìn)一步影響腸黏膜屏障滲透性，如魚肝油、魚油(不飽和脂肪酸)可以降低腸黏膜通透性，而椰子油(飽和脂肪酸)可增加腸道通透性。飲食習(xí)慣可以改變腸道菌群，腸道菌群通過影響食物的能量吸收、儲存來調(diào)節(jié)宿主的脂質(zhì)代謝能力。Backhed等[10]將傳統(tǒng)飼養(yǎng)動物糞菌移植給無菌C57BL/6小鼠，同樣低能量飲食的情況下，與無菌小鼠相比，傳統(tǒng)飼養(yǎng)小鼠14 d內(nèi)體內(nèi)脂肪含量和胰島素抵抗增加，且誘導(dǎo)肝內(nèi)脂肪生成和能量儲存。對高膽固醇血癥病人的糞便微生物、血脂研究發(fā)現(xiàn)，厭氧菌和嗜血桿菌豐度與膽固醇、三酰甘油水平呈負(fù)相關(guān)，與高密度脂蛋白呈正相關(guān)[11]。

1.3 短鏈脂肪酸 短鏈脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)是腸道菌群在結(jié)腸發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生，主要有丁酸鹽、醋酸鹽、丙酸鹽等，生成丙酸鹽的細(xì)菌主要為厭氧的梭狀芽孢桿菌，生成乙酸鹽和丁酸鹽的細(xì)菌種類較為多樣[12]。動物實(shí)驗(yàn)表明，給肥胖小鼠口服丁酸鹽可以使能量消耗和脂質(zhì)氧化增加，導(dǎo)致體重下降，這種作用與產(chǎn)熱相關(guān)基因(過氧化物酶增殖物激活受體共激活因子1α、解偶聯(lián)蛋白1)在棕色脂肪組織表達(dá)上調(diào)有關(guān)[13]；其次，丁酸鹽還可以通過上調(diào)緊密連接蛋白和腸黏膜上皮黏液表達(dá)增加，提高腸黏膜屏障功能，防止乙醇、促炎細(xì)胞因子等向肝臟遷徙，對維持腸黏膜屏障完整性具有重要作用[14]。此外，Kim等[15]發(fā)現(xiàn)，高血壓病人中產(chǎn)丁酸細(xì)菌豐度減少，在高血壓誘導(dǎo)心肌肥厚的情況下，補(bǔ)充丁酸鹽可以逆轉(zhuǎn)小鼠血管收縮和舒張功能障礙，不僅能增加冠狀動脈血流量，減慢心率，還能減輕氧化應(yīng)激和血管炎癥狀態(tài)。因此，微生物相關(guān)代謝物在心血管疾病發(fā)展和治療中發(fā)揮重要作用。

2 腸道菌群與心血管疾病

2.1 細(xì)菌與炎癥反應(yīng) 腸道菌群與多種心血管疾病密切相關(guān)。高血壓病人存在腸道菌群失調(diào)，表現(xiàn)為厚壁菌屬、擬桿菌屬豐度增加[15]；慢性心力衰竭病人存在腸道菌群過度繁殖，如腸桿菌屬、志賀菌屬、克雷伯菌和梭桿菌豐度顯著增加；腸道菌群過度生長可以促進(jìn)循環(huán)中炎性細(xì)胞因子[腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白細(xì)胞介素-6(IL-6)]分泌，從而抑制心肌細(xì)胞功能[16]。革蘭陰性菌細(xì)胞壁分解生成的脂多糖作用于Toll樣受體4(Toll-like receptor 4，TLR4)上調(diào)脂肪細(xì)胞表達(dá)、激活巨噬細(xì)胞中的c-Jun N-末端激酶和核因子-κB(NF-κB)，其中c-Jun N-末端激酶激活導(dǎo)致應(yīng)激反應(yīng)基因上調(diào)，與心臟不良事件相關(guān)，NF-κB激活導(dǎo)致炎性細(xì)胞因子和下游分子(如細(xì)胞因子、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶和白細(xì)胞黏附分子)與動脈內(nèi)皮結(jié)合，促進(jìn)心血管疾病的發(fā)生發(fā)展[17]。細(xì)菌的鞭毛蛋白可以通過Toll樣受體5(TLR5)信號通路激活I(lǐng)L-6及單核細(xì)胞趨化蛋白-1，單核細(xì)胞趨化蛋白-1能夠促進(jìn)單核巨噬細(xì)胞向動脈遷徙和浸潤，IL-6參與血管炎癥的級聯(lián)反應(yīng)，二者均為動脈粥樣硬化的危險(xiǎn)因素[17]。隨著動脈粥樣硬化的進(jìn)展，免疫激活和局部炎癥反應(yīng)會促進(jìn)已形成的動脈粥樣斑塊的不穩(wěn)定性增加，導(dǎo)致心肌梗死或者缺血性中風(fēng)而危及生命[18]。

2.2 腸道菌群衍生物 腸道菌群中的變形桿菌、厚壁菌屬可以通過三甲胺裂解酶的作用，分解膳食中富含的甲胺、膽堿、磷脂酰膽堿和肉堿等營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生三甲胺(trimethylamine，TMA)，TMA通過門靜脈轉(zhuǎn)移到肝臟被黃素單加氧酶轉(zhuǎn)化為氧化三甲胺，氧化三甲胺可以促進(jìn)活化的白細(xì)胞向人體內(nèi)皮細(xì)胞聚集導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙，顯著增加動脈粥樣硬化和心血管疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[12]。古細(xì)菌中的部分菌株可以將腸道中的TMA轉(zhuǎn)化為甲烷。Ramezani等[19]將產(chǎn)甲烷古細(xì)菌移植到C57BL/6小鼠體內(nèi)可顯著降低腸道中的TMA濃度，從而減少肝臟產(chǎn)生氧化三甲胺，降低小鼠動脈粥樣硬化風(fēng)險(xiǎn)。Ottosson等[20]證實(shí)腸道菌群代謝生成的苯乙酰谷氨酰胺(phenylacetyl glutamine，PAG)是獨(dú)立于其他傳統(tǒng)心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)(血脂、血糖、血壓、遺傳等)的另一種高危因素，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)PAG可能通過G蛋白偶聯(lián)受體增加血小板活化，增強(qiáng)血小板對膠原基質(zhì)的黏附誘發(fā)血栓形成，導(dǎo)致心臟不良事件及死亡風(fēng)險(xiǎn)增加。

3 腸道菌群與NAFLD

NAFLD是世界上最常見的慢性肝病之一，包括一系列的肝臟病變，從簡單的脂肪變性到非酒精性脂肪性肝炎、肝硬化和肝細(xì)胞癌，NAFLD的發(fā)生、發(fā)展與脂質(zhì)代謝異常、胰島素抵抗、氧化應(yīng)激、炎癥細(xì)胞因子產(chǎn)生、免疫細(xì)胞的激活和環(huán)境因素密切相關(guān)[21]。有研究表明NAFLD病人存在腸道菌群失調(diào)，變形桿菌、腸桿菌屬豐度增多及胃瘤球菌屬、厚壁菌屬豐度減少，且隨著NAFLD疾病進(jìn)展至晚期肝纖維化，革蘭陰性菌數(shù)量增加，尤以變形桿菌增加明顯[22]。Mouries等[23]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群失調(diào)造成的腸上皮屏障破壞是非酒精性脂肪肝炎發(fā)展的首要條件，給予高脂飲食喂養(yǎng)C57BL/6J小鼠1周后發(fā)現(xiàn)其腸道細(xì)菌過度生長，且有害菌可以干擾Wnt/β-連環(huán)蛋白信號通路傳導(dǎo)，使腸上皮中的緊密連接蛋白ZO-1、血管內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)下調(diào)造成腸黏膜屏障破壞，細(xì)菌及其產(chǎn)物移位進(jìn)入肝臟，使肝內(nèi)脂肪含量增加、炎性細(xì)胞因子激活、內(nèi)毒素聚集。此外，將高脂飲食喂養(yǎng)小鼠的糞便微生物移植到無菌小鼠中也會發(fā)現(xiàn)無菌小鼠腸黏膜屏障損傷和附睪脂肪組織增加；奧貝膽酸是一種法尼醇受體激動劑，可以通過激活WNT/β-連環(huán)蛋白信號通路并上調(diào)緊密連接蛋白及內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)，抑制有害菌及其代謝物移位，對NAFLD及其相關(guān)的代謝綜合征具有明顯的預(yù)防作用[23]。宿主免疫細(xì)胞可以通過模式識別受體識別病原微生物，如脂多糖可通過TLR4/髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor，MyD88)通路增加腸黏膜通透性，影響免疫信號介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，促進(jìn)NAFLD的發(fā)生、發(fā)展。此外，TLR4的缺失可以顯著降低MyD88和TNF-α的水平，減少高脂飲食引起的NF-κB激活和全身炎癥反應(yīng)，從而提高胰島素敏感性，降低肝脂肪變性[18]。NLRP3炎性小體也被證實(shí)在代謝綜合征和NAFLD疾病進(jìn)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用，與野生小鼠相比，高糖飲食的NLRP3缺陷小鼠可觀察到腸道通透性增加和細(xì)菌移位，上調(diào)脂肪酸攝取和新生脂肪形成，發(fā)展為更嚴(yán)重的NAFLD[22]。因此，通過調(diào)節(jié)腸道菌群影響易感宿主代謝及免疫信號傳導(dǎo)可能是治療代謝綜合征及NAFLD的潛在靶點(diǎn)。

4 腸道菌群靶向調(diào)節(jié)

4.1 飲食 特定的飲食干預(yù)措施可通過調(diào)節(jié)腸肝軸來對NAFLD進(jìn)行治療，如地中海飲食可以改善宿主能量代謝和減輕體重[22]。和單純的低脂飲食相比，聯(lián)合地中海飲食和低碳水化合物飲食可更大程度地降低肝臟的脂肪含量和心血管代謝風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)[24]。研究表明，地中海飲食可以將腸道菌群調(diào)節(jié)為更健康的狀態(tài)，如大腸桿菌豐度降低、雙歧桿菌和普沃氏菌豐度增加[25]。地中海飲食包括全谷物和單不飽和脂肪酸，全谷物中的纖維、多酚可以減少能量攝入，并增加腸道中的雙歧桿菌、乳酸桿菌、梭菌屬，使腸道中丁酸增加改善NAFLD、降低胰島素抵抗，且丁酸具有抗炎作用[22]。因此，合理規(guī)劃飲食結(jié)構(gòu)及伴隨生活方式的改變可以改善腸道菌群組成，降低NAFLD和心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 糞菌移植 糞菌移植(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT)是通過灌腸、口服膠囊或內(nèi)鏡等方式從健康供體向患有相關(guān)疾病受者的治療性給藥，以恢復(fù)受者腸道微生物的正常多樣性和功能[26]。在我國古代葛洪首次對糞菌移植進(jìn)行描述，口服健康人的糞便懸浮液可以治療食物中毒和腹瀉[27]。有研究表明，糞菌移植可用于治療艱難梭菌感染的病人，有效率約為90%[28]。對患有代謝綜合征的病人進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)[29]，使用常規(guī)飲食小鼠糞菌對高脂高糖飲食小鼠進(jìn)行糞菌移植可顯著降低高脂高糖飲食小鼠的肝臟三酰甘油含量，緩解肝臟組織學(xué)進(jìn)展，此外，糞菌移植還可以部分糾正高脂高糖小鼠的腸道菌群失調(diào)，增加糞便中丁酸鹽的濃度。但目前仍缺少關(guān)于糞菌移植對人類代謝綜合征、NAFLD及心血管疾病作用的研究。雖然已經(jīng)對糞菌移植的糞便供體和樣品進(jìn)行了各種潛在致病性細(xì)菌、病毒、寄生蟲和其他微生物的檢測，仍不能確定要移植樣品的完整微生物組成，因此，仍然有不少學(xué)者提出關(guān)于糞菌移植安全性方面的擔(dān)憂。

4.3 其他 腸道菌群失調(diào)可以促進(jìn)動脈粥樣硬化、慢性肝病等多種疾病的發(fā)生發(fā)展。Chen等[30]發(fā)現(xiàn)口服可選擇性修飾細(xì)菌生長的小分子環(huán)狀D，L-α-肽，可以精準(zhǔn)調(diào)節(jié)小鼠腸道微生物群、降低血漿總膽固醇水平和減少動脈粥樣硬化斑塊形成，抑制動脈粥樣硬化的疾病進(jìn)展；這些“環(huán)肽”可以靶向與腸道有害菌外膜相互作用、抑制有害菌生長，通過提取小鼠的腸道菌群樣本，并對每個(gè)樣本加入不同“環(huán)肽”分子后進(jìn)行細(xì)菌DNA測序，發(fā)現(xiàn)有兩種環(huán)肽可顯著抑制腸道有害菌生長，同時(shí)，抑制促炎細(xì)胞因子[如IL-6、TNF-α和白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)]產(chǎn)生，促進(jìn)短鏈脂肪酸、膽汁酸代謝平衡，改善腸黏膜屏障的完整性并促進(jìn)腸道內(nèi)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞增殖。噬菌體療法主要用于治療腸道、泌尿系統(tǒng)等部位的細(xì)菌感染，與傳統(tǒng)抗生素相比，利用靶向噬菌體治療細(xì)菌感染幾乎不影響腸道菌群組成和豐度。Duan等[31]鑒定出糞腸球菌所分泌的細(xì)菌毒素是加劇酒精性肝病的關(guān)鍵細(xì)菌，通過噬菌體療法降低腸道中糞腸球菌豐度，顯著緩解了肝臟損傷程度。因此，將來通過噬菌體療法來精準(zhǔn)調(diào)控腸道致病菌治療疾病可能是一種有效的新理念。

5 小結(jié)與展望

腸道菌群及其代謝產(chǎn)物與肥胖、2型糖尿病、NAFLD及心血管病事件密切相關(guān)，腸道菌群失調(diào)、腸道屏障功能障礙會促進(jìn)上述疾病進(jìn)展，許多菌群代謝產(chǎn)物是缺氧、炎癥、免疫、應(yīng)激的重要介質(zhì)，加強(qiáng)對心血管疾病、NAFLD中微生物與宿主相互作用的理解，有望促進(jìn)通過腸道菌群及其代謝物來預(yù)防和治療疾病。