腸道微生物及其代謝產(chǎn)物與心力衰竭相關(guān)性研究進(jìn)展

郝佳慧，尹德春綜述 曲秀芬審校

心力衰竭(HF)對于全球公共衛(wèi)生來說是一項艱巨的挑戰(zhàn)，每年導(dǎo)致超過100萬人住院，每月患者的再住院率高達(dá)25%[1]。HF是各種心臟結(jié)構(gòu)或功能性疾病導(dǎo)致心室充盈和/或射血能力受損，器官、組織血液灌注不足，同時出現(xiàn)肺循環(huán)和/或體循環(huán)瘀血，臨床表現(xiàn)主要為呼吸困難、體力活動受限和水腫。隨著時間的推移，心力衰竭患者靜脈淤血、炎性反應(yīng)和氧化應(yīng)激逐漸增加，血液中炎性標(biāo)志物升高[2-5]，加重組織損傷并導(dǎo)致嚴(yán)重的臨床后果。近年來研究發(fā)現(xiàn)，一些腸道微生物及其代謝產(chǎn)物與動脈粥樣硬化、高血壓、心力衰竭、慢性腎病、肥胖及2型糖尿病等疾病密切相關(guān)[6-7]。腸道微生物群作為一個獨特的系統(tǒng)，產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物作為信號分子參與機(jī)體代謝，在機(jī)體心血管疾病的發(fā)展進(jìn)程中起到重要的調(diào)節(jié)作用[8]。腸道微生物與心力衰竭的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，因此，腸道菌群有望成為心力衰竭干預(yù)的重要靶點。

人類的腸道在出生時是相對無菌的，當(dāng)持續(xù)暴露在環(huán)境中，腸道就會迅速地被大量非致病菌占據(jù)。研究顯示，每個個體約有40萬億個常駐微生物細(xì)胞，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類細(xì)胞總數(shù)量[9]。雖然大多數(shù)微生物存在于腸道，但也廣泛分布于鼻咽、口腔、肺、皮膚及子宮頸等部位[10]。由于消化道各部位酸堿度的差異，其細(xì)菌含量及種類不盡相同。胃液的pH較低，其包含的微生物相對較少；小腸中存在大量的耐氧菌，主要是鏈球菌和乳桿菌；結(jié)腸的微生物密度更是達(dá)到1011～1012個/ml[11]。腸道微生物群與機(jī)體保持著一種“共生”關(guān)系，腸道微生物既促進(jìn)維生素K合成和關(guān)鍵營養(yǎng)素的吸收，又作為潛在的病原體，如幽門螺桿菌和大腸桿菌等可致病。腸道微生物的組成處在動態(tài)變化之中，同一個體在不同時間、不同生理狀態(tài)下，微生物的構(gòu)成不同。最近的證據(jù)也表明，腸道菌群可能在維持人類健康和疾病中發(fā)揮重要作用。腸道微生物參與心血管系統(tǒng)炎性反應(yīng)、氧化應(yīng)激及纖維化，有可能為HF識別新的途徑和治療策略。

1 腸道微生物與心力衰竭

正常人腸道里有500多種不同的微生物菌種，以及更多的微生物菌株。人體有10萬億～100萬億個微生物(主要是腸道里的細(xì)菌)，數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人體細(xì)胞。人體腸道微生物群主要由厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、變形菌門等組成。其中厚壁菌門和擬桿菌門為優(yōu)勢菌群，約占腸道菌群總數(shù)的90%以上，其余菌群占腸道菌群總數(shù)的比例不足1%[12-13]。雖然一些腸道微生物菌群的結(jié)構(gòu)及功能特征在妊娠時就“遺傳”了，但腸道菌群的組成在個體之間存在很大差異，除了宿主基因外，個性化的環(huán)境暴露，包括飲食、外源性和藥物治療也發(fā)揮重要的作用。急性體液失衡、慢性腸道缺血缺氧、酸堿失衡、胃腸動力減弱、營養(yǎng)缺乏等因素都可能使腸道菌群發(fā)生改變。采用16 s rRNA基因擴(kuò)增序列對糞便樣本進(jìn)行測序發(fā)現(xiàn),急性失代償性和射血分?jǐn)?shù)下降的心力衰竭(HFrEF)患者，其腸道菌群豐富度明顯下降。Pasini等[14]研究發(fā)現(xiàn)，與健康對照組相比，慢性心力衰竭患者腸道致病菌如念珠菌、彎曲桿菌、志賀氏菌、沙門氏菌等均有所增加。HF患者腸道細(xì)菌和真菌數(shù)量增加、腸道黏膜屏障破壞，腸壁通透性增加，導(dǎo)致細(xì)菌移位和體循環(huán)內(nèi)毒素增加，導(dǎo)致心力衰竭患者發(fā)生潛在炎性反應(yīng)，進(jìn)一步加重心力衰竭。

2 腸道微生物及其代謝產(chǎn)物對心力衰竭的影響

越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物及其代謝產(chǎn)物與心血管疾病密切相關(guān)。腸道微生物群通過糖代謝和氨基酸代謝產(chǎn)生大量氧化三甲胺(TMAO)、短鏈脂肪酸(SCFA)、膽汁酸、吲哚硫酸鹽(IndS)等物質(zhì)，其與心力衰竭的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。此外尿毒癥患者中IndS的蓄積具有一定毒性，并且通過氧化應(yīng)激損傷心臟[15]。

2.1 TMAO與心力衰竭 飲食和腸道菌群之間的相互作用可能通過共同或獨立的機(jī)制導(dǎo)致動脈粥樣硬化、急性冠狀動脈綜合征和心力衰竭。肉類食物中存在大量的左旋肉堿和膽堿，經(jīng)腸道微生物代謝生成三甲胺(TMA)，進(jìn)一步在肝臟中通過黃素單加氧酶(FMO)氧化為TMAO，多項研究表明TMAO對心血管系統(tǒng)產(chǎn)生有害影響。相關(guān)研究對比發(fā)生了心肌梗死、卒中或死亡的患者與未發(fā)生上述事件患者的代謝組學(xué)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)TMAO與動脈粥樣硬化性血栓性疾病發(fā)生顯著相關(guān)。

Cui等[16]研究表明，當(dāng)腸道菌群正常的小鼠被喂以富含膽堿的食物時，循環(huán)中的TMAO水平升高，導(dǎo)致泡沫細(xì)胞聚集，促進(jìn)動脈粥樣硬化斑塊形成。研究發(fā)現(xiàn)，TMAO可以誘導(dǎo)主動脈縮窄大鼠模型發(fā)生心臟肥大和心肌纖維化，使心房利鈉肽和β-myosin重鏈的表達(dá)增加[17]。此外,TMAO通過SIRT3-SOD2-mtROS途徑激活NLRP3炎性受體，促進(jìn)炎性反應(yīng)基因的表達(dá)，導(dǎo)致血管炎性反應(yīng)[18-19]。動物模型研究表明，TMAO途徑可直接導(dǎo)致心肌對抗性重構(gòu)和心力衰竭表型的發(fā)展。在主動脈弓縮窄模型致心力衰竭大鼠的實驗中，TMAO可促進(jìn)心肌細(xì)胞及血管纖維化，導(dǎo)致心室重塑，降低心臟泵血功能[20]。

Savi等[21]在體外實驗中發(fā)現(xiàn)，TMAO的存在使心肌細(xì)胞收縮力明顯惡化。Roberts等[22]研究發(fā)現(xiàn)，膽堿飲食小鼠的洗滌血小板本身反應(yīng)性并未發(fā)生改變，當(dāng)血漿中TMAO升高時導(dǎo)致血小板高反應(yīng)性，Ca2+染色確定了TMAO介導(dǎo)胞內(nèi)Ca2+激活物依賴性釋放，導(dǎo)致血小板高反應(yīng)性，增加血栓形成的風(fēng)險。TMAO增加動脈粥樣硬化和血栓形成，這兩種疾病在病因中相互交織，從而導(dǎo)致心力衰竭的發(fā)展。慢性心力衰竭患者血漿TMAO水平明顯高于健康人群，高血漿TMAO水平也是遠(yuǎn)期死亡的獨立預(yù)測因素[23]。對于急性心力衰竭患者，其1年死亡/心力衰竭再入院風(fēng)險隨血漿TMAO的升高而增加，聯(lián)合TMAO和N端B型利鈉肽(NT-proBNP)能改善患者危險分層[24]。

2.2 SCFA與心力衰竭 一些膳食纖維、抗性淀粉及蛋白質(zhì)不能在近端腸道消化吸收，通過遠(yuǎn)端腸道內(nèi)的腸道微生物菌群進(jìn)行發(fā)酵，產(chǎn)生1～6個碳的SCFA，這是結(jié)腸上皮細(xì)胞的主要營養(yǎng)來源。結(jié)腸中產(chǎn)生的SCFAs大部分是含2、3及4個碳原子的短鏈脂肪酸，主要包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，其通過G蛋白偶聯(lián)受體(GPCRS)如GPR41、GPR43、GPR109A等及Olfr78受體進(jìn)行信號的傳遞，是維持腸道穩(wěn)態(tài)及腸道黏膜屏障的重要調(diào)節(jié)因子[25]。Tang等[26]的最近研究表明，產(chǎn)酸細(xì)菌可能是治療高血壓、心肌肥厚及纖維化的潛在性干預(yù)手段。在高血壓小鼠模型中，高纖維及醋酸鹽喂養(yǎng)可顯著降低小鼠血壓，減少心肌纖維化，改善心臟功能。

HF患者由于心輸出量下降和交感神經(jīng)興奮，刺激外周及內(nèi)臟血管收縮，導(dǎo)致腸道灌注下降及腸黏膜屏障受損，微生物群和內(nèi)毒素移位進(jìn)入血液循環(huán)，加劇全身炎性反應(yīng)，進(jìn)一步破壞黏膜屏障功能和加重心力衰竭。大量研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs在機(jī)體免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用，如丁酸鹽通過抑制組蛋白去乙酰化酶(HDAC)調(diào)節(jié)基因表達(dá)，增加Treg細(xì)胞的數(shù)量，增強(qiáng)其功能，達(dá)到抗炎的目的[27]。此外，丁酸鹽能促進(jìn)腸上皮細(xì)胞的增殖和分化，修復(fù)受損腸黏膜，減少細(xì)菌等外源性物質(zhì)及其代謝產(chǎn)物進(jìn)入血液循環(huán)，降低炎性反應(yīng)。SCFAs還可通過誘導(dǎo)梗死周圍區(qū)CX3CR1+單核細(xì)胞浸潤促進(jìn)梗死后心臟修復(fù)[28]。綜上所述，SCFAs可以通過多種機(jī)制對血壓進(jìn)行調(diào)控、抑制炎性反應(yīng)，改善心肌纖維化，控制心力衰竭的發(fā)生發(fā)展。

2.3 膽汁酸與心力衰竭 膽汁酸由膽固醇在肝臟內(nèi)合成初級膽汁酸，初級膽汁酸與甘氨酸和?；撬峤Y(jié)合生成次級膽汁酸，每日經(jīng)過“腸肝循環(huán)”分泌的膽汁酸被排出的不足5%。心力衰竭患者初級膽汁酸與次級膽汁酸的比例下降，在單因素分析中，這種關(guān)聯(lián)往往與患者整體生存率降低有關(guān)，但在調(diào)整臨床特征和NT-proBNP后，這種關(guān)聯(lián)并不顯著[29]。此外，TMAO能夠降低膽汁酸合成關(guān)鍵酶，以及多個膽汁酸排泄相關(guān)轉(zhuǎn)運體的排泄水平，動物實驗發(fā)現(xiàn)TMAO飲食小鼠的膽汁酸池明顯減少，提示TMAO能夠抑制膽汁酸的合成和排泄過程，進(jìn)而減少膽固醇通過膽汁酸途徑的清除。

研究發(fā)現(xiàn)，膽汁酸通過與法尼酯X受體(FXR)結(jié)合，影響心血管內(nèi)皮功能、心率及多種代謝途徑。法尼酯X受體配體有2種:一種是WAY-362450，這是一種強(qiáng)有力的FXR激動劑，在預(yù)防高脂肪飲食誘導(dǎo)的動脈粥樣硬化、減少斑塊形成中具有重要作用，在載脂蛋白E缺乏小鼠模型中與心血管疾病進(jìn)展相關(guān)的幾個炎性標(biāo)志物方面顯示出了積極作用[30];另一種是G-蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體(TGR5)，其通過抑制核因子κB(NF-κB)來拮抗炎性反應(yīng)，NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)可獨立于高血壓等過程而導(dǎo)致心肌肥大，這為FXR靶向治療改善心力衰竭提供了間接證據(jù)。TGR5激動劑可誘導(dǎo)心肌細(xì)胞的應(yīng)激改變，改善小鼠對生理性、變力性及血流動力學(xué)應(yīng)激的反應(yīng)[31]。因此，TGR5激動劑和FXR可能成為未來治療心力衰竭的新靶點。

3 腸道微生物的干預(yù)

近年的研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群失調(diào)與HF的病理生理過程密切相關(guān)。降低腸道代謝水平或改變腸道菌群構(gòu)成可能降低HF的發(fā)生風(fēng)險。因此，通過對腸道微生物進(jìn)行干預(yù)有望成為心力衰竭新的治療靶點。(1)飲食干預(yù)：飲食主要以水果、蔬菜、全谷物和低脂奶制品為主，盡量避免紅肉、魚、家禽、堅果和添加脂肪；高纖維飲食可以促進(jìn)產(chǎn)生醋酸鹽的細(xì)菌生長，降低血壓，抑制心肌肥厚和纖維化[32]。(2)益生菌療法：益生菌主要包括雙歧桿菌、酵母菌、乳酸菌等，可抑制炎性反應(yīng)，保護(hù)和修復(fù)腸黏膜屏障，改善腸功能。研究表明，益生菌能減少高血壓大鼠心肌細(xì)胞凋亡，改善心室重構(gòu)。(3)TMA裂解酶抑制劑：利用膽堿類似物抑制TMA合成中的關(guān)鍵酶CutC/D，從而通過降低小鼠血漿氧化三甲胺水平來降低心血管疾病的風(fēng)險[33]。(4)中草藥干預(yù)。研究表明，小青龍湯可預(yù)防心肌細(xì)胞肥大和纖維化，通過調(diào)節(jié)腸道菌群組成改善腸黏膜組織學(xué)。蟲草多糖可以改善腸道菌群和完整性，減少代謝性內(nèi)毒素和炎性反應(yīng)。火山石斛多糖可以通過刺激細(xì)胞因子的產(chǎn)生和免疫系統(tǒng)細(xì)胞的發(fā)育來調(diào)節(jié)腸道免疫屏障功能。黃芪通過抑制炎性細(xì)胞因子的表達(dá)，減輕腸黏膜損傷，促進(jìn)組織修復(fù)[34]。

4 小結(jié)與展望

腸道微生物及其代謝產(chǎn)物與心力衰竭的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。腸道微生物代謝產(chǎn)物TMAO、膽汁酸、SCFA、IndS等與菌群失調(diào)、腸道屏障破壞、腸道菌群移位而引起的慢性炎性反應(yīng)及心肌纖維化的關(guān)系已經(jīng)得到驗證。但關(guān)于腸道微生物如何對心力衰竭及相關(guān)并發(fā)癥的作用機(jī)制研究仍不足。因此，需要進(jìn)一步了解腸道菌群在心力衰竭中的作用，以更好地促進(jìn)心力衰竭診斷和治療的發(fā)展。