基于腸道菌群及膽汁酸代謝探討動脈粥樣硬化的發(fā)病機制

陳 嫚，劉洪濤，林相豪，鄒小娟

(湖北中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

動脈粥樣硬化(AS)是一種以脂質(zhì)和復(fù)合糖類等血液成分的沉積為特征的血管退行性疾病。目前，AS引起的冠心病、腦梗死等眾多中老年心腦血管疾病的發(fā)病率逐年增高，已成為目前人類致死、致殘的主要原因[1]，嚴(yán)重威脅著人類的生命健康。在我國因動脈粥樣硬化性心血管疾病所致的死亡人數(shù)約占總死亡人數(shù)的25%[2]，并且，其患病率仍在持續(xù)上升，據(jù)推算，我國心血管疾病現(xiàn)患病人數(shù)達2.9億人，給社會經(jīng)濟帶來了巨大負(fù)擔(dān)，這表明AS已成為目前威脅人類健康的主要疾病之一。作為近年來的研究熱點，腸道菌群在AS中的潛在作用受到高度關(guān)注[3]，伴隨著腸道菌群與AS關(guān)系研究的深入，作為腸道菌群與宿主代謝產(chǎn)生的重要信號因子，膽汁酸亦成為醫(yī)學(xué)各學(xué)科關(guān)注的焦點[4]。深入研究膽汁酸代謝與AS的關(guān)系，從不同的角度去探討AS的發(fā)生機制，對積極探索AS的進程和新的防治方法具有重大意義。

1 動脈粥樣硬化的發(fā)病機制

AS的發(fā)生是多方面因素共同作用的結(jié)果，其確切病因和危險因素尚不清楚。流行病學(xué)研究顯示某些危險因素或習(xí)慣可能會加速AS的發(fā)生，包括年齡、性別、家族遺傳等不可逆因素，吸煙、飲酒、久坐等不良生活習(xí)慣，肥胖、糖尿病、高血壓、高血脂癥等慢性疾病因素[5]。這些危險因素常導(dǎo)致AS的發(fā)生。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，AS的發(fā)生可以分為以下幾個階段[6]：第一階段是血管內(nèi)膜脂質(zhì)(低密度脂蛋白)的沉積。血管內(nèi)皮屏障可以控制血漿分子的擴散，調(diào)節(jié)血管張力和炎癥，防止血栓形成，然而伴隨內(nèi)皮細(xì)胞功能的失調(diào)，這些特性將逐漸喪失。第二階段是氧化低密度脂蛋白激活機體先天性免疫反應(yīng)。通過誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞等分泌血管細(xì)胞黏附分子、單核細(xì)胞趨化蛋白及其他細(xì)胞因子，血管平滑肌細(xì)胞和內(nèi)膜層白細(xì)胞的聚集和增殖，被招募并附著在血管內(nèi)皮上，下一步就會進入血管壁，并轉(zhuǎn)化為巨噬細(xì)胞。第三階段是巨噬細(xì)胞在血管壁吞噬沉積的膽固醇，使單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞及其他炎癥細(xì)胞從內(nèi)皮層進入內(nèi)膜，同時在介導(dǎo)膽固醇逆向轉(zhuǎn)運以加快清除的過程，并轉(zhuǎn)化為泡沫細(xì)胞。在AS的早期，泡沫細(xì)胞的積累演變成脂肪條紋，當(dāng)泡沫細(xì)胞釋放生長因子和細(xì)胞因子，進一步刺激血管平滑肌細(xì)胞向內(nèi)膜遷移，導(dǎo)致內(nèi)膜分裂和膠原纖維增生，就會出現(xiàn)AS等心血管病變。第四階段是巨噬細(xì)胞無法清除血管中積聚的膽固醇，它們就會發(fā)生凋亡，將膽固醇釋放到血管壁進一步沉積，AS斑塊最終形成。因此，膽固醇代謝受阻及慢性炎癥反應(yīng)貫穿AS發(fā)生的全過程，也是AS形成的直接原因。

AS的發(fā)病機制研究一直是醫(yī)學(xué)界的熱點，提出多種學(xué)說[7]，主要包括脂質(zhì)浸潤學(xué)說、炎癥反應(yīng)學(xué)說、氧化應(yīng)激學(xué)說、血栓形成學(xué)說、細(xì)胞學(xué)說、免疫學(xué)說基因組和蛋白組學(xué)說等。目前普遍認(rèn)為主要的發(fā)病機制為“脂質(zhì)浸潤學(xué)說”，其學(xué)說是1863年由德國病理學(xué)家Virchow 提出，認(rèn)為AS主要是由于血漿中脂質(zhì)水平增高所引起的。有研究表明，膽固醇和膽固醇酯則是構(gòu)成粥樣斑塊的主要成分[8]。而作為近年來的研究熱點，腸道菌群學(xué)說在AS發(fā)生中的潛在作用也已受到高度關(guān)注。

2 腸道菌群與膽汁酸的關(guān)系

腸道菌群在與宿主的共同進化中形成，數(shù)量巨大。據(jù)統(tǒng)計，人體腸道菌群的總數(shù)超過1 000億，約1 000余種，其編碼的基因數(shù)量是體細(xì)胞的150倍[9]。當(dāng)腸道菌群的種類、數(shù)量和比例處于相對穩(wěn)定時，不僅可以促進宿主的營養(yǎng)代謝，亦可以提高腸道的免疫與屏障功能。反之，腸道菌群失調(diào)則將導(dǎo)致肥胖、糖尿病、高血脂癥及AS等多種代謝疾病的發(fā)生[10]。

近年來，膽汁酸作為腸道菌群與宿主代謝產(chǎn)生的重要信號因子，也越來越受到醫(yī)學(xué)各學(xué)科的關(guān)注和重視。膽汁酸是膽汁的主要成分，在肝臟中合成的初級膽汁酸，通過膽管運輸并以?；撬岷透拾彼峁曹椥问絻Υ嬖谀懩抑小Ｔ诟闻K中合成的初級膽汁酸主要為膽酸(CA)和鵝脫氧膽酸(CDCA)，其中CA與甘氨酸或?；撬峤Y(jié)合生成甘糖膽酸(GCA)和牛磺膽酸(TCA)，CDCA與甘氨酸或牛磺酸結(jié)合生成甘糖鵝脫氧膽酸(GCDCA)和?；蛆Z脫氧膽酸(TCDCA)[11]。進食后膽汁酸從膽囊釋放到十二指腸，大約95%的膽汁酸在回腸中被重新吸收，少于5%排泄至糞便中。腸上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運的膽汁酸經(jīng)門靜脈重吸收至肝臟，完成腸肝循環(huán)，通常每天可通過腸肝循環(huán)6次[12]。釋放到腸道的共軛膽汁酸，被腸道菌群中的膽鹽水解酶轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸[13]，主要包括脫氧膽酸(DCA)、石膽酸(LCA)和熊脫氧膽酸(UDCA)，進一步調(diào)節(jié)宿主的新陳代謝和腸道微生物的組成。

膽汁酸與腸道菌群之間存在復(fù)雜的相互作用。一方面，膽汁酸能抑制有害菌的生長，通過自身的生理作用及其所介導(dǎo)的信號通路來影響腸道菌群的數(shù)量和組成，維持腸道菌群穩(wěn)態(tài)、防止細(xì)菌移位、增強黏膜屏障的防御作用。CA可以調(diào)節(jié)腸道菌群的組成，具體而言，CA誘導(dǎo)腸道菌群水平的改變，其中以厚壁菌門增加而擬桿菌門減少為主[14]。膽汁酸還可以通過法尼醇X受體(FXR)發(fā)揮間接抗菌作用，研究顯示膽汁酸的核受體FXR，誘導(dǎo)參與腸保護的基因，并抑制由膽管結(jié)扎引起的回腸細(xì)菌過度生長和黏膜損傷；而缺乏FXR的小鼠回腸細(xì)菌水平增加，上皮屏障受損[15]。

另一方面，腸道菌群數(shù)量及組成的變化也會影響膽汁酸的組成；同時，腸道菌群還參與調(diào)節(jié)肝臟膽汁酸合成，而且可以激活膽汁酸相關(guān)信號通路調(diào)控膽汁酸代謝[16-17]。已知益生菌是改善腸道菌群組成、調(diào)節(jié)腸道菌群平衡的最有效的調(diào)節(jié)劑。Degirolamo等[18]研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合益生菌能夠有效調(diào)節(jié)小鼠的腸道菌群的組成，小鼠腸道菌群厚壁菌門和放線菌屬數(shù)量顯著增加，擬桿菌屬和變形桿菌屬數(shù)量減少，進而導(dǎo)致腸道中FXR和成纖維細(xì)胞生長因子15(FGF15)表達下調(diào)，促進了回腸膽汁酸解耦聯(lián)以及隨后的糞便膽汁酸的排泄，調(diào)節(jié)肝臟中膽汁酸新合成的增加。有研究顯示，肥胖、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝、AS等代謝性疾病，其真正的靶點可能位于腸道菌群-膽汁酸代謝軸[19]，應(yīng)探索腸道菌群-膽汁酸代謝軸在以上疾病中的變化[20]，進一步研究靶向調(diào)節(jié)腸道菌群對于機體代謝的改善作用，從而為它們的治療打開新的潛在途徑。

3 腸道菌群與動脈粥樣硬化的關(guān)系

在AS的形成過程中，不同種類的腸道菌群發(fā)揮的功能也大相徑庭，有些菌群可促進AS的發(fā)生，而另一些菌群則可抑制AS的形成[21]。腸道菌群可通過多種途徑影響AS的發(fā)生發(fā)展：腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致炎癥反應(yīng)，加重AS斑塊的發(fā)展或?qū)е掳邏K破裂；腸道菌群通過調(diào)節(jié)宿主的膽固醇和脂質(zhì)代謝影響AS斑塊的發(fā)生發(fā)展；腸道菌群的代謝產(chǎn)物可對AS的發(fā)生起到有益[如短鏈脂肪酸(SCFAs)]或有害[如氧化三甲胺(TMAO)]的影響[22]。

研究發(fā)現(xiàn)，高脂高糖飲食將誘導(dǎo)腸道菌群功能失調(diào)，破壞腸道屏障功能，刺激腸道組織發(fā)生炎癥反應(yīng)，通過腸上皮細(xì)胞吸收入血，引發(fā)血管壁的炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致AS的發(fā)生，這表明腸道菌群失調(diào)是腸道屏障功能受損、炎癥反應(yīng)發(fā)生及AS形成的重要推手[23]。Liu等[24]通過對161名冠心病患者及40名健康人進行多組學(xué)分析(16S rRNA基因V3-V4區(qū)域的序列和代謝組學(xué))，發(fā)現(xiàn)腸道菌群和代謝物的組成均隨冠心病的嚴(yán)重程度而發(fā)生顯著變化。與健康對照組相比，冠心病患者的腸道菌群變化顯著，如羅斯菌屬(Roseburia)、克雷伯桿菌屬(Klebsiella)、Ⅳ型梭菌(Clostridium Ⅳ)和瘤胃菌科(Ruminococcaceae)等,并通過影響宿主的代謝途徑進一步影響患者AS的嚴(yán)重程度。

通過調(diào)節(jié)腸道菌群可以抑制AS的發(fā)生。TMAO被認(rèn)為是一種通過抑制肝臟膽汁酸合成來影響膽固醇代謝，促進AS發(fā)生的危險因子。Chen等[20]通過TMAO誘導(dǎo)載脂蛋白E敲除(ApoE-/-)小鼠致AS，研究結(jié)果顯示白藜蘆醇通過重塑小鼠腸道菌群來抑制三甲胺(TMA)的產(chǎn)生，降低了TMAO的水平，改善了AS；此外，白藜蘆醇還增加了乳酸桿菌和雙歧桿菌的相對豐度，提高了膽鹽水解酶的活性，從而增強ApoE-/-小鼠膽汁酸的合成及其排泄能力。Shimizu 等[25]研究發(fā)現(xiàn)次級膽汁酸DCA水平升高，通過上調(diào)氨基端激酶(JNK)和血小板源生長因子β受體引起高脂飲食誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞增殖和遷移，通過改變腸道菌群組成和增加產(chǎn)生的DCA腸道細(xì)菌，改變了膽汁酸池的組成。通過調(diào)節(jié)腸道菌群改變膽汁酸池的組成及大小，為預(yù)防AS的發(fā)生提供了潛在的治療和預(yù)防策略。

4 膽汁酸代謝與動脈粥樣硬化的關(guān)系

肝細(xì)胞受損時可引起膽汁酸合成及排泄障礙，肝細(xì)胞內(nèi)膽固醇7α-羥化酶(CYP7A1)及12α-羥化酶(CYP8B1)活力降低，膽汁酸的合成減少，體內(nèi)膽汁酸不足，影響脂類物質(zhì)和脂溶性維生素的吸收和代謝。與膽汁酸代謝紊亂相關(guān)的疾病多是由于膽汁酸代謝途徑中關(guān)鍵酶的活性下降或缺失, 膽汁酸合成減少，大量膽固醇或膽汁酸代謝中間產(chǎn)物在體內(nèi)積聚所致[26]。AS形成的直接原因是由于膽固醇代謝受阻及慢性炎癥反應(yīng)，因此膽汁酸代謝異常與AS的發(fā)生密切相關(guān)。在長期高脂、高膽固醇食物飼養(yǎng)條件會出現(xiàn)AS，其機制可能是小鼠不能及時將過剩的膽固醇以膽汁酸的形式通過腸道排出體外，膽固醇轉(zhuǎn)化為膽汁酸的代謝途徑異常可導(dǎo)致高膽固醇血癥，進而參與AS的發(fā)生、發(fā)展[27]。而在飲食條件相同的情況下，與健康對照組相比，冠心病患者的膽汁酸排泄能力明顯降低，糞便中總膽汁酸的含量明顯低于對照組，DCA和LCA更少，無法有效排泄膽汁酸會導(dǎo)致冠狀動脈粥樣硬化的進一步發(fā)展[28]。增加冠心病患者膽汁酸的排泄，對控制冠心病的發(fā)生發(fā)展有積極的作用。

膽汁酸作為重要的信號因子，主要通過FXR和G蛋白跨膜耦聯(lián)受體5(TGR5)受體調(diào)節(jié)脂質(zhì)、葡萄糖、能量代謝[29]，炎癥反應(yīng)和免疫應(yīng)答[30-31]。 FXR又名膽汁酸受體，主要分布在肝臟和腸道系統(tǒng)中，參與脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)，尤其是三酰甘油的運輸、合成和利用[32]。TGR5是G蛋白耦聯(lián)受體類紫紅質(zhì)樣超家族的一員，主要在膽囊、回腸和結(jié)腸中表達[33]，膽汁酸激活TGR5受體參與了生物體內(nèi)各種過程的調(diào)節(jié)[19]。

膽汁酸通過激活FXR影響AS的發(fā)生。ApoE-/-小鼠是目前已被廣泛應(yīng)用于AS的小鼠模型，研究發(fā)現(xiàn)，法尼醇X受體和載脂蛋白 E同時敲除(FXR-/-ApoE-/-)小鼠在喂食高脂、高膽固醇食物后，導(dǎo)致更嚴(yán)重的AS[34]。FXR降低AS斑塊形成的作用部分歸因于脂質(zhì)代謝，除了調(diào)控脂質(zhì)代謝外；FXR還可以抑制炎癥反應(yīng)，降低AS的發(fā)展進程[35]。FXR還具有擴張血管的作用，F(xiàn)XR通過增加內(nèi)皮一氧化氮合酶(eNOS)的表達和血管擴張劑一氧化氮(NO)的產(chǎn)生，同時降低血管收縮內(nèi)皮素-1的表達來調(diào)節(jié)血管張力[36]。總的來說，激活FXR受體可以防止AS斑塊的形成。膽汁酸也通過激活TGR5受體影響AS的發(fā)展，有研究顯示TGR5具有抗AS作用，牛磺酸和甘氨酸結(jié)合的膽汁酸可以通過激活細(xì)胞表面的膜受體TGR5，降低核因子kappa-B(NF-κB)的轉(zhuǎn)錄活性，抑制促炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生，降低了低密度脂蛋白受體敲除(LDL-/-)小鼠的動脈粥樣斑塊內(nèi)的炎癥，抑制AS的發(fā)展進程與減少斑塊內(nèi)炎癥和減少斑塊巨噬細(xì)胞含量密切相關(guān)[37]。有研究表明FXR和TGR5雙重缺乏加劇了AS的發(fā)展[38]，F(xiàn)XR和TGR5的雙重激活是防治AS的一種潛在的有效策略。

5 小 結(jié)

膽固醇代謝受阻及慢性炎癥反應(yīng)是AS形成的直接原因，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物與AS緊密相關(guān)，同時膽汁酸作為腸道菌群與宿主代謝產(chǎn)生的重要信號因子在AS的形成過程中也扮演著重要的角色。探索腸道菌群-膽汁酸代謝軸在AS中的變化，積極有效的防治AS的發(fā)生，一方面，通過調(diào)節(jié)腸道菌群；另一方面，通過激活膽汁酸受體FXR和TGR5調(diào)節(jié)脂質(zhì)、代謝和炎癥反應(yīng)。因此，深入研究腸道菌群及膽汁酸代謝與AS的關(guān)系，從不同的角度去探討AS的發(fā)病機制，以期為防治AS提供新的思路。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。