腸道菌群與急性心肌梗死的相關(guān)性研究

李曉紅 王鵬飛 吳廣 趙興勝

010000 呼和浩特，內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院內(nèi)蒙古臨床醫(yī)學(xué)院(李曉紅、王鵬飛)；010000 呼和浩特，內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院心臟中心(吳廣、趙興勝)

《中國(guó)心血管健康與疾病報(bào)告2020》顯示，我國(guó)心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)現(xiàn)患人數(shù)3.3億，其中冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病1 139萬(wàn)[1]，根據(jù)2010—2014年全國(guó)參保住院患者抽樣數(shù)據(jù)庫(kù)推算，現(xiàn)急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)年住院率為44.2/10萬(wàn)，中國(guó)城鎮(zhèn)AMI患者的中位住院費(fèi)用為3.1萬(wàn)元，住院時(shí)間為9 d。因此，AMI的防治仍是需攻克的一大難題?，F(xiàn)越來(lái)越多的證據(jù)表明，腸道菌群(gut microbiota，GM)及其代謝產(chǎn)物在人類健康和CVD中發(fā)揮著重要作用，除菌群失調(diào)外，GM的代謝產(chǎn)物已被確認(rèn)為疾病發(fā)展的一個(gè)促成因素，調(diào)節(jié)GM被認(rèn)為是治療CVD的潛在新靶點(diǎn)。

1 GM概述

1.1 GM

人體內(nèi)包含數(shù)以億計(jì)的細(xì)菌、古菌、病毒和單細(xì)胞真核生物，這些微生物與宿主共同構(gòu)成微生物區(qū)系，分布于人體胃腸道者則稱為GM，它們與宿主的健康、疾病密切相關(guān)。宿主為GM提供適宜的生存環(huán)境及所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，GM參與人體的消化吸收、生物屏障、免疫調(diào)節(jié)、新陳代謝等諸多方面，二者相互維持著動(dòng)態(tài)平衡。

健康成年人腸道中至少含有1 000種菌群，細(xì)菌總數(shù)超過(guò)100萬(wàn)億[2]，易受遺傳、免疫、環(huán)境、飲食及藥物應(yīng)用等多種因素影響。通常GM主要包括擬桿菌、厚壁菌、放線菌、變形菌和疣微菌5個(gè)菌門，其中以厭氧菌為主[2]。生活在胃腸道不同區(qū)域的微生物數(shù)量不同，且相差很大，尤其結(jié)腸段，以厭氧環(huán)境為主，營(yíng)養(yǎng)豐富，是GM定殖的首選場(chǎng)所，因此也是GM生活數(shù)量最多的地方。

1.2 GM代謝產(chǎn)物

隨著對(duì)GM研究的深入，GM被越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)為是一個(gè)具有內(nèi)分泌功能的虛擬器官，其產(chǎn)生的生物活性代謝產(chǎn)物可以影響宿主的生理功能。有研究表明，GM主要通過(guò)糖水解和蛋白水解兩種途徑參與食物消化、分解。糖水解途徑中，GM主要分解碳水化合物，并產(chǎn)生大量短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)，包括丁酸、丙酸、醋酸等。蛋白水解途徑是以發(fā)酵蛋白質(zhì)類為主，也會(huì)誘導(dǎo)SCFA的形成，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生其他代謝產(chǎn)物，如三甲胺、膽汁酸、吲哚硫酸鹽等[3]。其中，有潛在毒性的代謝產(chǎn)物主要通過(guò)腎臟排出，以維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。

2 GM與AMI

AMI是指在冠狀動(dòng)脈管腔狹窄的基礎(chǔ)上，發(fā)生急劇、持續(xù)的缺血，引起心肌缺血、壞死，是嚴(yán)重威脅人類健康的心血管急癥。AMI患者由于長(zhǎng)期臥床和進(jìn)食減少、腸黏膜再生能力減弱及使用質(zhì)子泵抑制劑導(dǎo)致腸道過(guò)度堿化和細(xì)菌繁殖，易引起腸屏障功能障礙，發(fā)生GM移位。隨著微生態(tài)學(xué)相關(guān)研究的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到GM參與AMI的發(fā)生、發(fā)展，綜合國(guó)內(nèi)外研究，雖然GM與AMI的研究相對(duì)較少，但得出了相似的結(jié)論，為AMI治療提出了新的研究靶點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)一項(xiàng)研究顯示，AMI患者腸道腸桿菌及腸球菌數(shù)量較健康人群顯著增加，而雙歧桿菌、乳酸桿菌等被認(rèn)為是人體腸道內(nèi)“有益”的細(xì)菌數(shù)量顯著降低，表明AMI患者存在典型的GM失調(diào)[4]。Zhou等[5]對(duì)49名健康者、50例穩(wěn)定性冠心病患者和100例ST段抬高型心肌梗死(ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI)患者進(jìn)行了全細(xì)菌的元基因組分析，證實(shí)了STEMI患者有較高的微生物豐富度和多樣性，其中超過(guò)12%的細(xì)菌源于GM，以乳桿菌、類桿菌和鏈球菌為主，提示AMI后的心血管結(jié)局是由腸道微生物區(qū)系移位進(jìn)入體循環(huán)所驅(qū)動(dòng)的。國(guó)外一項(xiàng)研究將66只雄性Wistar大鼠隨機(jī)分為對(duì)照組、AMI組和假手術(shù)組，麻醉后處死對(duì)照組。結(jié)扎冠狀動(dòng)脈左前降支建立AMI模型，分別于術(shù)后12 h、1 d、3 d、7 d和14 d處死大鼠，運(yùn)用16Srdna高通量測(cè)序分析GM發(fā)現(xiàn)，AMI后7 d，AMI組GM數(shù)量明顯高于假手術(shù)組，互養(yǎng)菌門、螺旋菌門、毛螺菌科、單胞菌科和泰式菌屬的豐富度均高于假手術(shù)組，與腸屏障功能受損相平行[6]，再次表明GM參與AMI的發(fā)生，并可能影響AMI患者的預(yù)后(表1)。

表1 相關(guān)研究中GM的變化特點(diǎn)

3 GM致AMI的可能機(jī)制

GM及其代謝產(chǎn)物致AMI的機(jī)制尚不明確，現(xiàn)有研究表明，GM可通過(guò)多種途徑參與AMI的發(fā)生發(fā)展。首先，AMI后腸道的血流動(dòng)力學(xué)變化，絨毛易發(fā)生功能性缺血，以及AMI后心力衰竭背景下的腸道淤血，均易引起腸道功能障礙、通透性增加，使腸道微生物區(qū)系移位、GM組成發(fā)生改變。隨后，大量GM代謝產(chǎn)物進(jìn)入血液循環(huán)，進(jìn)一步促進(jìn)全身炎癥反應(yīng)，進(jìn)而加重腸黏膜損傷，形成惡性循環(huán)。GM及其代謝產(chǎn)物引發(fā)AMI的機(jī)制可能通過(guò)以下幾條途徑(圖1)。

3.1 三甲胺/三甲胺-N-氧化物途徑

在人體內(nèi)，富含膽堿、卵磷脂和L-肉堿的食物，如紅肉、雞蛋、乳制品和咸水魚(yú)，經(jīng)GM代謝生成前體三甲胺[10]。三甲胺被血液吸收，在肝臟黃素單加氧酶3作用下，迅速氧化成三甲胺-N-氧化物(trimethylamine-N-oxide，TMAO)[11]。TMAO作為一種生物活性分子，可加速動(dòng)脈粥樣斑塊的進(jìn)展[12]，與急性冠狀動(dòng)脈綜合征患者中不穩(wěn)定斑塊的存在、破裂及長(zhǎng)期心血管事件的風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)[13]。TMAO通過(guò)抑制SIRT3-SOD2-線粒體活性氧信號(hào)通路，觸發(fā)氧化應(yīng)激，激活血栓素NIPNLRP3型炎癥小體[14]，增加細(xì)胞表面CD36受體的表達(dá)，加劇巨噬細(xì)胞、膽固醇的積聚[12]，釋放炎癥細(xì)胞因子白細(xì)胞介素1、β和18，抑制一氧化氮合酶和一氧化氮的生成，從而誘導(dǎo)炎癥和內(nèi)皮功能障礙[15]，促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化，參與AMI的發(fā)生。有研究表明，TMAO可獨(dú)立預(yù)測(cè)AMI后短期(6個(gè)月)和長(zhǎng)期(2年)全因死亡率或再發(fā)心肌梗死不良結(jié)局的發(fā)生[16]，肌鈣蛋白T陰性的急性冠狀動(dòng)脈綜合征患者的心血管事件發(fā)生率隨著TMAO水平的升高而增加[17]。

此外，TMAO通過(guò)上調(diào)巨噬細(xì)胞的清道夫受體，激活核因子-κB和下調(diào)血栓調(diào)節(jié)蛋白在內(nèi)皮細(xì)胞中的表達(dá)來(lái)觸發(fā)組織因子(tissue factor，TF)依賴的促凝活性(procoagulant activity，PCA)，促進(jìn)血栓形成[18]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，TMAO通過(guò)產(chǎn)生的三磷酸肌醇，觸發(fā)血小板內(nèi)儲(chǔ)存的鈣離子釋放，致血小板高反應(yīng)性，進(jìn)而引起血栓效應(yīng)[17， 19]，并且這種效應(yīng)呈劑量依賴性[20]。然而，目前基于TMAO與人類AMI的研究仍較少，其參與AMI的具體機(jī)制仍需進(jìn)一步明確，TMAO水平相關(guān)的特定GM可能是準(zhǔn)確診斷ACS發(fā)病的潛在預(yù)測(cè)生物標(biāo)志物[21]。降低TMAO水平有可能預(yù)防或治療動(dòng)脈粥樣硬化相關(guān)疾病，減少心腦血管疾病的發(fā)病率。

3.2 SCFA途徑

人體內(nèi)，SCFA由高膳食纖維和少量蛋白質(zhì)經(jīng)GM分解代謝產(chǎn)生，通過(guò)G蛋白耦聯(lián)受體(G protein-coupled receptor 43，GPR43)，可促進(jìn)腸道IgA反應(yīng)，維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)[22]，調(diào)節(jié)肝臟脂質(zhì)和葡萄糖穩(wěn)態(tài)。有研究表明，通過(guò)肝臟的丙酸濃度的增加，可降低肝內(nèi)的三酰甘油，這也可能在維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)中起作用。醋酸作為外周循環(huán)中含量最豐富的SCFA，

TMAO：三甲胺-N-氧化物；SCFA：短鏈脂肪酸；LPS：脂多糖圖1 GM導(dǎo)致AMI的可能機(jī)制

通過(guò)抑制脂肪細(xì)胞脂解，促進(jìn)脂肪氧化，從而減少了流向肝臟的游離脂肪酸濃度，可改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)和炎癥狀態(tài)[23]，并證實(shí)血漿醋酸水平的升高與血漿胰島素水平成反比。而丁酸，不僅是結(jié)腸細(xì)胞的主要能源物質(zhì)，還在維持腸道屏障中發(fā)揮重要作用。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，丁酸通過(guò)穩(wěn)定特定的轉(zhuǎn)錄因子、緊密連接蛋白的組裝和粘蛋白的分泌來(lái)保護(hù)腸腔厭氧，從而在維持腸道屏障功能方面起著關(guān)鍵作用[24]。通過(guò)增強(qiáng)腸道屏障，丁酸鹽可以阻止脂多糖易位，從而抑制巨噬細(xì)胞的激活、減少促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生[24]。綜上所述，SCFA在調(diào)節(jié)血糖穩(wěn)態(tài)、維持腸道屏障功能、抑制炎癥中發(fā)揮重要作用。然而，發(fā)生AMI時(shí)，腸道屏障功能減低、GM移位，乳桿菌等腸道益生菌減少，導(dǎo)致SCFA生成減少，從而影響宿主能量代謝及 AMI患者預(yù)后。

3.3 膽汁酸途徑

膽汁酸是一種重要的信號(hào)調(diào)節(jié)分子，可以激活核法尼醇X受體、孕烷X受體、維生素D受體和G蛋白耦聯(lián)膽汁酸受體1，影響宿主的能量、脂質(zhì)和葡萄糖代謝，調(diào)節(jié)自身的合成和膽固醇的降解[25]。同樣地，發(fā)生GM失調(diào)時(shí)，膽汁酸生成減少，脂質(zhì)、葡萄糖代謝紊亂，促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊形成，促進(jìn)AMI進(jìn)展。

3.4 內(nèi)毒素途徑

內(nèi)毒素是革蘭陰性細(xì)菌細(xì)胞壁中的活性成分，其主要成分是脂多糖。在腸道通透性增加、GM移位時(shí)，循環(huán)中脂多糖大量增加，在免疫細(xì)胞(單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和Kupffer細(xì)胞)中觸發(fā)Toll樣受體4介導(dǎo)的促炎級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致下游信號(hào)通路激活，如核因子κB和絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)，從而導(dǎo)致由細(xì)胞因子腫瘤壞死因子α和白細(xì)胞介素6等細(xì)胞因子驅(qū)動(dòng)的炎癥，作用于內(nèi)皮細(xì)胞和血小板，激活凝血級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致高凝狀態(tài)，誘發(fā)AMI。通過(guò)青年AMI組與健康百歲老人對(duì)照組的比較，進(jìn)一步表明腸道高通透性可能導(dǎo)致內(nèi)毒素血癥，進(jìn)而可能導(dǎo)致炎癥，引起胰島素抵抗、動(dòng)脈粥樣硬化和高凝狀態(tài)[26]，促進(jìn)AMI發(fā)生。

4 基于GM的AMI 治療策略

4.1 補(bǔ)充益生菌

通過(guò)補(bǔ)充益生菌，間接增加SCFA、膽汁酸等代謝產(chǎn)物的血漿濃度，可預(yù)防AMI發(fā)生、改善AMI預(yù)后。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)抗生素治療7 d的小鼠AMI后，觀察到GM枯竭與SCFA(尤其醋酸、丁酸鹽和丙酸)比例顯著降低，給予補(bǔ)充乳酸桿菌后，可增加SCFA血漿濃度，產(chǎn)生心臟保護(hù)作用[27]。予大鼠補(bǔ)充活性益生菌14 d，異丙腎上腺素誘導(dǎo)大鼠心肌梗死樣損傷后，于心肌損傷后24 h行右頸動(dòng)脈和左心室插管，記錄血壓和心臟參數(shù)，結(jié)果表明活性益生菌通過(guò)抑制腫瘤壞死因子α和氧化應(yīng)激損傷對(duì)大鼠心肌梗死樣損傷產(chǎn)生心臟保護(hù)作用，減輕AMI后左室肥厚，延緩心力衰竭的進(jìn)展[28]。因此，益生菌一方面通過(guò)增加SCAF產(chǎn)生心臟保護(hù)，另一方面可通過(guò)抑制炎癥反應(yīng)、減輕AMI后左室肥厚而影響AMI預(yù)后。

4.2 抗生素治療

抗生素治療極大程度地破壞了微生物平衡，包括降低菌群的豐富度和多樣性。有研究表明，萬(wàn)古霉素能改變大鼠缺血再灌注損傷后腸道菌群豐度，縮小心肌梗死面積，進(jìn)一步研究表明，利福昔明還可降低細(xì)菌毒性和移位，具有抗炎作用，正向調(diào)節(jié)GM組成[29]，促進(jìn)益生菌生長(zhǎng)，多粘菌素B和妥布霉素可降低心力衰竭患者腸道和糞便中的內(nèi)毒素，降低體內(nèi)白細(xì)胞介素1β、白細(xì)胞介素6和腫瘤壞死因子α的含量。但抗生素的應(yīng)用，可能引起新的菌群失調(diào)以及菌群耐藥，是目前臨床亟須解決的問(wèn)題。

4.3 糞便微生物區(qū)系移植(fecal microflora transplantation，F(xiàn)MT)

FMT是一種將供體糞便中的菌群或代謝物引入病變受體，以糾正腸道微生態(tài)失衡，重建正常腸道功能的治療方法。薈萃分析推測(cè)，糞便移植在恢復(fù)腸道菌群方面可能比益生菌更有效，因?yàn)榧S便菌群輸注可以克服益生菌的短期療效，并使菌群發(fā)生永久性變化[30]。一項(xiàng)關(guān)于9名肥胖男性和9名健康男性經(jīng)胃十二指腸腸管輸注腸道微生物的研究顯示，輸入同種異體腸道微生物后，肥胖組腸道微生物區(qū)系多樣性顯著增加，其中產(chǎn)生丁酸的細(xì)菌腸薔薇酸菌增加了2.5倍[31]。然而有研究指出，在糞便細(xì)菌被移植時(shí)，病毒也會(huì)被移植[32]。因此，需要進(jìn)一步的臨床研究來(lái)評(píng)估FMT對(duì)于AMI患者的治療效果。

4.4 阻斷TMAO生成

最后，基于TMAO在AMI發(fā)病中的作用機(jī)制，微生物酶和宿主肝酶都是減少TMAO產(chǎn)生的潛在靶點(diǎn)，可通過(guò)阻斷三甲胺向TMAO的轉(zhuǎn)化，阻止氧化應(yīng)激、血栓形成。有研究表明，膽堿結(jié)構(gòu)類似物(3，3-二甲基-1-丁醇)可阻斷膽堿代謝途徑，減少三甲胺的產(chǎn)生，有望成為AMI治療的新靶點(diǎn)，使心血管疾病患者獲益更多?，F(xiàn)在已知有助于生成三甲胺的其他微生物酶系統(tǒng)包括用于將肉堿轉(zhuǎn)化為三甲胺的CNTA/B和YAW/X[33]，其作為新靶點(diǎn)治療AMI的研究較少，尚需大量臨床試驗(yàn)證實(shí)。

5 展望

綜上所述，在進(jìn)一步明確GM及其代謝產(chǎn)物促AMI發(fā)病機(jī)制的基礎(chǔ)上，全基因與GM分析相結(jié)合，通過(guò)多種干預(yù)改變GM，可靶向調(diào)節(jié)參與炎癥和AMI發(fā)病機(jī)制的信號(hào)通路，減少AMI等不良心血管事件的發(fā)生。

利益沖突：無(wú)