腸-腦軸與心血管疾病的研究進(jìn)展

譚伍平 王猛 周曉亞

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院心內(nèi)科 武漢大學(xué)心血管病研究所 心血管病湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室 武漢大學(xué)心臟自主神經(jīng)研究中心，湖北 武漢 430060)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)已成為中國居民總死亡的最主要病因。其中不科學(xué)的飲食習(xí)慣、適量運(yùn)動的缺乏以及吸煙飲酒等環(huán)境因素在CVD中發(fā)揮重要作用[1]。這些環(huán)境因素可能通過影響腸道菌群及其代謝產(chǎn)物促進(jìn)CVD的發(fā)展[2]，最近研究提示腸道菌群失調(diào)可能通過影響腸-腦軸促進(jìn)CVD的發(fā)生和發(fā)展[3]。

1 腸-腦軸

腸-腦軸主要由腸道菌群及其代謝產(chǎn)物與腸神經(jīng)系統(tǒng)、自主神經(jīng)的交感與迷走神經(jīng)分支、神經(jīng)免疫、內(nèi)分泌系統(tǒng)以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)構(gòu)成[4]。(1)神經(jīng)解剖通路：來自結(jié)狀神經(jīng)節(jié)和背根神經(jīng)節(jié)的傳入神經(jīng)分別通過迷走神經(jīng)和脊髓感覺神經(jīng)將腸道信號傳遞到CNS[5]。具體胃腸道與CNS的神經(jīng)聯(lián)系可概括為四層通路：第一層，腸神經(jīng)系統(tǒng)(分布于腸肌層神經(jīng)節(jié)、腸黏膜下神經(jīng)節(jié)和腸神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞)；第二層，調(diào)控外周內(nèi)臟神經(jīng)反射的椎前神經(jīng)節(jié)；第三層，脊髓內(nèi)自主神經(jīng)(起源于胸5～腰2的交感神經(jīng)以及骶2～骶4的副交感神經(jīng)、腦干孤束核與迷走神經(jīng)運(yùn)動背核)；第四層，大腦皮層高級中樞。損傷任意一層都會影響腸-腦軸的功能[6]。作為腸-腦軸中重要組成部分的迷走神經(jīng)，其沿著胃腸道形成末端突觸結(jié)構(gòu)(感受機(jī)械性和化學(xué)性刺激)感受胃腸道信號，傳入腦干孤束核，腦干孤束核表達(dá)谷氨酸能和天冬氨酸能等多種神經(jīng)肽受體，協(xié)調(diào)通過迷走神經(jīng)從腸道到大腦、從大腦到外周的相互感覺反饋的整合[5]。(2)下丘腦-垂體-腎上腺軸：通過迷走神經(jīng)通路、免疫介質(zhì)釋放、激活神經(jīng)的代謝產(chǎn)物及受體、合成內(nèi)分泌激素等方式參與下丘腦-垂體-腎上腺軸介導(dǎo)的腸、腦之間的信息傳遞。(3)胃腸道免疫系統(tǒng)：腸道菌群的成分(脂多糖等)或完整的細(xì)菌可通過全身循環(huán)進(jìn)入大腦激活小膠質(zhì)細(xì)胞或神經(jīng)元上的Toll樣受體，觸發(fā)細(xì)胞因子的局部釋放并進(jìn)入體循環(huán)[7]。(4)血腦屏障與腸黏膜屏障[8]。(5)代謝產(chǎn)物：腸源性激素、神經(jīng)遞質(zhì)、炎癥信號和免疫信號通過循環(huán)進(jìn)入CNS，影響中樞自主神經(jīng)核團(tuán)，參與神經(jīng)回路從而促進(jìn)CVD的進(jìn)展[5]。

2 腸-腦軸與CVD

2.1 腸-腦軸與高血壓

高血壓是導(dǎo)致多種心腦血管疾病死亡的主要原因[1]。其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激和腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)的過度激活、交感神經(jīng)過度激活以及內(nèi)皮細(xì)胞的功能紊亂等環(huán)境與遺傳共同影響高血壓的發(fā)生和發(fā)展。最近研究[9]顯示環(huán)境高壓性刺激影響神經(jīng)、內(nèi)分泌和免疫通路導(dǎo)致腸-腦軸失調(diào)，可能通過上述發(fā)病機(jī)制促進(jìn)高血壓的發(fā)生和發(fā)展。

2.1.1 自主神經(jīng)失衡

有基礎(chǔ)研究[10-11]表明高血壓前期出現(xiàn)腸道菌群失調(diào)，常伴隨自主神經(jīng)失衡。(1)交感神經(jīng)過度激活：腸道菌群失調(diào)伴隨交感神經(jīng)過度激活，交感神經(jīng)活性的增加通過直接作用于上皮細(xì)胞來促進(jìn)腸道滲漏，影響免疫系統(tǒng)的活動和腸道菌群，引起菌群失調(diào)。而菌群失調(diào)促進(jìn)短鏈脂肪酸的轉(zhuǎn)移和腸道中的蓄積，引起腸道嗜鉻細(xì)胞產(chǎn)生5-羥色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)。局部5-HT結(jié)合5-HT3受體調(diào)節(jié)腸道迷走神經(jīng)傳入的活動，可抑制迷走神經(jīng)-中樞神經(jīng)軸，而進(jìn)入循環(huán)中的5-HT可引起血管收縮。此外，循環(huán)中的5-HT可通過血液循環(huán)到達(dá)腦干孤束核，信息整合在下丘腦室旁核中，并傳遞到容納自主神經(jīng)元的腦干核團(tuán)。(2)副交感神經(jīng)抑制：胃腸道傳入神經(jīng)纖維信號與壓力感受器和化學(xué)感受器的傳入信號共同傳入腦干孤束核，胃腸道的信號激活也會影響心肺感受器的功能[12]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，激活胃腸道迷走傳入神經(jīng)纖維能引起竇性心動過緩和血壓降低。推測腸道菌群失調(diào)及其代謝產(chǎn)物可能通過作用于腸嗜鉻細(xì)胞上G蛋白耦聯(lián)膽汁酸受體1或G蛋白耦聯(lián)受體(G-protein coupled receptor，GPCR)41增加5-HT分泌，作用于迷走神經(jīng)上5-HT3受體，潛在地抑制中樞自主神經(jīng)核團(tuán)，導(dǎo)致自主神經(jīng)失衡[12]。 有間接證據(jù)表明，飲食誘導(dǎo)的實(shí)驗性肥胖鼠迷走神經(jīng)傳入興奮性降低，常伴有高血壓，可知迷走神經(jīng)活性受到抑制會影響高血壓的發(fā)生和發(fā)展[13]。

2.1.2 代謝產(chǎn)物

(1)短鏈脂肪酸：在外周，短鏈脂肪酸可通過結(jié)合腎臟OlfR78受體升高血壓以及結(jié)合GPCR41降低血壓。基礎(chǔ)實(shí)驗表明短鏈脂肪酸能通過表達(dá)在大腦心血管調(diào)節(jié)中樞下丘腦室旁核上短鏈脂肪酸受體GPCR41和GPCR43來調(diào)節(jié)血壓[12]。但最近一項臨床研究[14]顯示，高血壓組比正常對照組具有更高水平的乙酸和丁酸，研究者推測可能是另一種短鏈脂肪酸，也有可能是乙酰輔酶A上調(diào)的結(jié)果。未來需進(jìn)一步明確短鏈脂肪酸的具體機(jī)制。(2)5-HT:交感神經(jīng)節(jié)上分布著5-HT3受體，在Zucker小鼠模型上，抑制交感神經(jīng)節(jié)受體可降低血壓。此外，5-HT與腸黏膜內(nèi)迷走神經(jīng)傳入纖維的5-HT3受體結(jié)合，改變迷走神經(jīng)傳入腦干孤束核發(fā)揮的調(diào)節(jié)血壓作用。此外，有研究[12，15]顯示，5-HT可通過腦干孤束核上表達(dá)的5-HT3受體，發(fā)揮調(diào)節(jié)血壓效應(yīng)。

2.1.3 腸-腦-骨髓軸

飲食、血管緊張素Ⅱ、鹽以及壓力等刺激，增強(qiáng)了神經(jīng)元的活性，激活神經(jīng)炎癥通路，調(diào)節(jié)心臟的中樞核團(tuán)，引起交感神經(jīng)興奮。過度激活的交感神經(jīng)能誘導(dǎo)骨髓造血干細(xì)胞的動員，刺激造血干細(xì)胞分化為炎癥細(xì)胞，這些細(xì)胞隨后可能游走到大腦，分為小膠質(zhì)/巨噬細(xì)胞，這些細(xì)胞移動到腸道，引起腸道炎癥。而腸道的交感神經(jīng)活性可能調(diào)節(jié)腸道運(yùn)動和局部免疫反應(yīng)。腸道的輕度炎癥以及腸道菌群失調(diào)可能會導(dǎo)致相關(guān)的代謝物進(jìn)入血液循環(huán)，抑制神經(jīng)元和小膠質(zhì)細(xì)胞等免疫細(xì)胞的興奮性。菌群失調(diào)、下丘腦室旁核小膠質(zhì)細(xì)胞神經(jīng)炎癥、骨髓炎癥細(xì)胞遷移這種三角相互作用導(dǎo)致自主神經(jīng)失衡以及神經(jīng)炎癥，可能在維持高血壓的發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用[14，16]。

2.1.4 免疫球蛋白A與神經(jīng)炎癥

高壓性刺激激活小膠質(zhì)細(xì)胞，增加促炎分子，神經(jīng)炎癥在高血壓嚙齒動物的下丘腦室旁核尤為明顯，免疫球蛋白A和分泌免疫球蛋白A+的漿細(xì)胞在血液中循環(huán)，可靶向如肺、腎、血管和大腦等相關(guān)器官。有研究[9]表明胃腸道相關(guān)的分泌免疫球蛋白A+相關(guān)的漿細(xì)胞注射到中樞神經(jīng)系統(tǒng)可減輕神經(jīng)炎癥。

然而，Jackson等[17]一項納入2 737例研究對象的臨床隊列研究，分析了38種臨床常見疾病和51種藥物的腸道菌群相關(guān)性，顯示腸道微生物與高血壓缺乏明顯的相關(guān)性，可能與多種疾病、藥物和腸道微生物之間大量重疊有關(guān)。同時針對炎癥和腸道菌群的藥物更有可能降低高血壓患者的血壓，特別是患有難治性高血壓的患者，未來需研究進(jìn)一步驗證。

2.2 腸-腦軸與心房顫動

心房顫動(房顫)是成年人最常見的快速心律失常之一，據(jù)估計成人房顫的發(fā)生率為2%～4%[18]。房顫的發(fā)生機(jī)制目前尚不完全明確，推測需要觸發(fā)與維持，其中觸發(fā)主要機(jī)制為炎癥、氧化應(yīng)激、交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)失衡以及其他心律失常等誘發(fā)肺靜脈等異位興奮灶發(fā)放快速沖動導(dǎo)致房顫的發(fā)生。而維持機(jī)制可能為心房發(fā)生不同程度重構(gòu)，不同狀態(tài)的初始波傳導(dǎo)分裂成子波，子波以不斷碰撞、融合或是繼續(xù)分裂的方式顫動樣傳導(dǎo)[19]。多項臨床研究[20-21]顯示，腸道重要代謝物如氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide，TMAO)吸收進(jìn)入的循環(huán)濃度可預(yù)測不良心血管事件，獨(dú)立于傳統(tǒng)的房顫危險因素。最近有研究[22]顯示，房顫危險因素與糖尿病、肥胖、高血壓、冠心病、心力衰竭(心衰)和腸道菌群失調(diào)有關(guān)。

2.2.1 自主神經(jīng)失衡

房顫相關(guān)神經(jīng)節(jié)叢位于心外膜脂肪墊內(nèi)，其為心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)的整合中心。有研究[3]顯示刺激內(nèi)源性心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)能誘導(dǎo)房顫。本團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)TMAO通過腸-腦軸神經(jīng)回路首先激活CNS，促進(jìn)心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)的活性增加，右前神經(jīng)節(jié)叢過度激活，縮短心房有效不應(yīng)期，增加累計心房易損窗，增加房顫易感性[3]，但TAMO傳入到腦干孤束核的具體通路還未明確。

2.2.2 代謝產(chǎn)物

(1)TMAO: TMAO上調(diào)核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)的表達(dá)，增加神經(jīng)節(jié)叢中腫瘤壞死因子-α、白介素-1β和白介素-6等炎癥因子的含量，增加神經(jīng)生長因子的合成，從而激活心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)。TMAO還引起氧化應(yīng)激，激活核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)炎性小體與NF-κB p65和TGF-β1/Smad3信號通路，促進(jìn)心房肌細(xì)胞的炎癥和纖維化[23]。(2)初級膽汁酸：激活NADPH氧化酶，促進(jìn)活性氧的形成，誘導(dǎo)腺苷三磷酸釋放，通過P2X7受體引起K+外流，導(dǎo)致NLRP3炎性小體激活。還能通過胱天蛋白酶(caspase)-9和caspase-3引起心肌細(xì)胞凋亡，并通過激活毒蕈堿型受體，減少環(huán)磷酸腺苷的產(chǎn)生，從而改變細(xì)胞內(nèi)Ca2+的穩(wěn)態(tài)。(3)脂多糖: 脂多糖強(qiáng)烈激活NLRP3，增加間隙連接蛋白43的表達(dá)和偏側(cè)化，下調(diào)L型鈣通道的表達(dá)。這些代謝產(chǎn)物能促進(jìn)自主神經(jīng)失衡，促進(jìn)炎癥，導(dǎo)致心房電重構(gòu)與結(jié)構(gòu)重構(gòu)，增加房顫的易感性和維持房顫的能力[22]。

大多數(shù)關(guān)于腸道菌群與房顫的基礎(chǔ)研究與臨床研究只集中在細(xì)菌的鑒定上，而忽略了腸道微生物區(qū)系其他重要的非細(xì)菌成分，具體的腸-腦神經(jīng)通路也不十分清楚[24]。關(guān)于腸道菌群的異常是否僅是其他房顫危險因素的標(biāo)志，還是房顫的獨(dú)立危險因素，還有待研究證實(shí)。

2.3 腸-腦軸與室性心律失常

室性心動過速和心室顫動在臨床中稱為惡性心律失常，臨床數(shù)據(jù)顯示惡性心律失常是心肌梗死和心衰后心臟性猝死最主要的死因[25]。自律性異常、觸發(fā)、折返及傳導(dǎo)阻滯為室性心律失常的發(fā)病機(jī)制。有研究[26-27]表明交感神經(jīng)過度激活是惡性心律失常的重要觸發(fā)因素，左側(cè)星狀神經(jīng)節(jié)作為心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)通路中的重要節(jié)點(diǎn)，左側(cè)交感神經(jīng)過度激活，刺激左側(cè)星狀神經(jīng)節(jié)能顯著提高室性心律失常的發(fā)生，消融或切除左側(cè)星狀神經(jīng)節(jié)能顯著抑制惡性心律失常的發(fā)生。

本團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)靜脈輸注TMAO可顯著上調(diào)下丘腦室旁核中酪氨酸羥化酶陽性神經(jīng)元的c-fos表達(dá)與N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR)的表達(dá)，而左側(cè)星狀神經(jīng)節(jié)局部應(yīng)用TMAO效果不明顯。下丘腦室旁核交感神經(jīng)元的過度激活可進(jìn)一步增加左側(cè)星狀神經(jīng)節(jié)的神經(jīng)活性，加重缺血后室性心律失常的程度，縮短心室有效不應(yīng)期，促進(jìn)心衰后惡性室性心律失常的發(fā)生，可能與上調(diào)NMDAR的表達(dá)，通過激活酪氨酸激酶增加NMDAR介導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流有關(guān)[28]。然而具體腸-腦-心軸通路還有待進(jìn)一步研究。

2.4 腸-腦軸與冠心病

冠心病是居民全因死亡的主要原因之一，既往數(shù)據(jù)顯示冠心病的危險因素如肥胖、血脂異常、糖尿病和高血壓與腸道菌群有關(guān)，最近有研究[29]表明腸道菌群及其代謝產(chǎn)物參與調(diào)節(jié)基礎(chǔ)代謝過程，如膽固醇代謝、氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，促進(jìn)動脈粥樣硬化和冠心病的發(fā)生和發(fā)展。

2.4.1 腸道菌群失調(diào)

最近有一項臨床研究[30]表明冠心病患者成熟乳桿菌數(shù)量顯著增加，而類桿菌數(shù)量顯著減少，首次將腸道菌群定為冠心病的診斷標(biāo)志。研究表明腸道菌群失調(diào)引起腸道滲漏，通過模式識別受體識別應(yīng)激反應(yīng)，并通過激活炎癥細(xì)胞因子及免疫系統(tǒng)NF-κB來激活炎癥caspase，增加炎癥細(xì)胞分子，促進(jìn)相關(guān)的代謝物進(jìn)入血液循環(huán)，引起全身炎癥反應(yīng)，而慢性全身炎癥在動脈粥樣硬化的發(fā)生中起關(guān)鍵作用。

2.4.2 代謝產(chǎn)物

(1)TMAO：一系列研究表明，TAMO能促進(jìn)不穩(wěn)定斑塊形成，動脈內(nèi)皮細(xì)胞活化與受損，促進(jìn)炎癥發(fā)生，導(dǎo)致動脈發(fā)生粥樣硬化[31]。最近，一項納入760例女性的臨床研究[32]表明，10年內(nèi)TAMO水平與冠心病風(fēng)險呈正相關(guān)，尤其兩次采血時高濃度TMAO的參與者冠心病發(fā)生的風(fēng)險最高。具體機(jī)制目前還不清楚，可能與激活NLRP3信號通路、降低膽固醇逆向轉(zhuǎn)運(yùn)以及促進(jìn)血栓形成有關(guān)[33]。也有研究[34]對628例和587例受試者分別行冠狀動脈鈣化評分或頸動脈內(nèi)膜中層厚度與血漿TMAO水平相關(guān)性進(jìn)行分析，表明血漿TMAO與動脈粥樣硬化程度無直接關(guān)系，進(jìn)一步證明了TMAO血漿水平與動脈粥樣硬化斑塊不穩(wěn)定性密切相關(guān)。未來需進(jìn)一步驗證。(2)短鏈脂肪酸：某些冠心病患者中產(chǎn)生短鏈脂肪酸的菌群比例下降，推測與激活GPCR41作用減弱、調(diào)節(jié)緊密連接蛋白的表達(dá)下降以及難以維持腸道屏障完整性有關(guān)[29]。短鏈脂肪酸降低也可促進(jìn)高血壓的發(fā)展，間接影響冠心病的進(jìn)展。

2.5 腸-腦軸與心衰

心衰是多種CVD的終末階段，也是最常見的致殘率和致死率高的疾病。其病理生理機(jī)制主要包括：血流動力學(xué)紊亂、神經(jīng)激素系統(tǒng)(腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)、交感神經(jīng)-腎上腺系統(tǒng)、血管加壓素和炎性因子等)、心臟重構(gòu)和炎癥反應(yīng)等。然而，盡管治療措施眾多，目前還未發(fā)現(xiàn)確切的發(fā)病機(jī)制。一項臨床研究[35]顯示慢性心衰患者可能存在菌群紊亂，常伴有靜脈充血和炎癥。此外有研究[36]表明心衰的相關(guān)病因如房顫、急性心肌梗死、高血壓以及糖尿病等都與腸-腦軸密切相關(guān)。

2.5.1 自主神經(jīng)失衡

心衰時，有效灌注量不足，腸黏膜受損，腸道滲透性增加，促進(jìn)菌群的移位、菌群的失調(diào)與慢性炎癥[37]。腸道菌群失調(diào)常有交感神經(jīng)過度激活，而交感神經(jīng)過度激活在心衰進(jìn)展中起重要作用，對應(yīng)的臨床試驗使用β受體阻滯劑以及調(diào)節(jié)內(nèi)臟自主神經(jīng)有助于治療心衰[38]。

2.5.2 代謝產(chǎn)物

TMAO激活心肌細(xì)胞中TGF-β1/Smad3和NF-κB p65信號通路[39]，降低能量代謝，導(dǎo)致心肌細(xì)胞供氧不足，同時也能降低細(xì)胞內(nèi)鈣處理，降低心肌舒張能力。其次，TMAO能通過腸-腦軸增加交感神經(jīng)活性[28]。綜上所述，這些機(jī)制最終促進(jìn)了心衰的發(fā)展。

3 展望

目前對腸-腦軸促進(jìn)CVD機(jī)制的研究大部分來自動物實(shí)驗，缺乏相應(yīng)的臨床研究支持，腦-腸軸從中樞如何影響CVD潛在的腦-心環(huán)路的分子機(jī)制的研究還有待完善。針對腸-腦軸的調(diào)控神經(jīng)治療方法如調(diào)節(jié)內(nèi)臟自主神經(jīng)、低強(qiáng)度迷走神經(jīng)刺激都有助于改善患者的疾病進(jìn)展，然而腸道菌群受宿主和環(huán)境的影響，確切干預(yù)腸-腦軸治療CVD的臨床方案，有待進(jìn)一步研究。