【學(xué)術(shù)薈萃】蔡軍：腸道菌群與心血管疾病關(guān)系的研究進(jìn)展

1、【學(xué)術(shù)薈萃】蔡軍：腸道菌群與心血管疾病關(guān)系的研究進(jìn)展蔡軍中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院主任醫(yī)師，博士生導(dǎo)師。目前擔(dān)任中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院高血壓人體內(nèi)定植著超過100 萬億的微生物。 從某種程度上來說，人類就是包含著人自身的細(xì)胞和微生物的“超級(jí)生物體” ，人體和微生物的基因共同影響著人體的代謝及炎性反應(yīng)特征。在位于腸道的眾多種類的微生物中，只有極少數(shù)能被分離培養(yǎng)。宏基因組測(cè)序和代謝組學(xué)分析能幫助人們更好地研究和了解腸道菌群的結(jié)構(gòu)和功能、宿主與腸道菌群的相互作用以及腸道菌群與某些特定疾病的發(fā)展相關(guān)的可能途徑。本文將對(duì)腸道菌群和心血管疾病之間的關(guān)系的最新研究進(jìn)展進(jìn)行概述。1 腸道菌群與冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心

2、臟病冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病是臨床上最常見的心血管疾病之一，極大地危害著人類的健康。其最主要的病變機(jī)制是冠狀動(dòng)脈血管發(fā)生動(dòng)脈粥樣硬化。大量的臨床和基礎(chǔ)的研究通過不同的方法，在不同的方面揭示了腸道菌群與動(dòng)脈粥樣硬化之間的相互作用及潛在的作用機(jī)制。 1.1 慢性感染和炎性反應(yīng)炎性反應(yīng)在動(dòng)脈粥樣硬化性疾病的發(fā)生和發(fā)展中起著十分重要的作用。感染與動(dòng)脈粥樣硬化之間的關(guān)系長(zhǎng)期以來備受關(guān)注，但是目前的研究卻缺乏共識(shí)。一些研究表明，傳染性病原體，如幽門螺桿菌等，可能會(huì)通過破壞血管內(nèi)皮功能及引起全身免疫反應(yīng)等機(jī)制加速動(dòng)脈粥樣硬化，而其它一些研究則得出相反的結(jié)論。應(yīng)用抗生素是否對(duì)冠狀動(dòng)脈性心臟病的患者有積極的作用

3、，臨床試驗(yàn)的結(jié)果也存在爭(zhēng)議。1.2 腸道微生物的代謝產(chǎn)物動(dòng)脈粥樣硬化的患者與健康人群的腸道菌群結(jié)構(gòu)存在著明顯的差異。通過分析血漿、糞便和尿液等提取液中不同的生物代謝產(chǎn)物，不僅可以了解人類和腸道菌群之間共生關(guān)系，還能了解腸道菌群和人體疾病之間的關(guān)系。1.2.1 氧化三甲胺( trimethylamine N-oxide ， TMAO ) ：富含磷脂酰膽堿，膽堿和左旋肉堿等成分的食物經(jīng)胃腸道消化吸收轉(zhuǎn)化為三甲胺( trimethylamine ， TMA ) ，三甲胺進(jìn)一步氧化生成氧化三甲胺( TMAO ) 。腸道微生物生成的 TMAO 等生物活性代謝產(chǎn)物會(huì)加快動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展，促進(jìn)心血管事件的發(fā)

4、生。研究人員對(duì)3種食物中脂質(zhì)磷脂酰膽堿的代謝產(chǎn)物(膽堿、 TMAO 和甜菜堿)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其與心血管疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)呈劑量依賴的相關(guān)性。 動(dòng)脈粥樣硬化的易感小鼠 ( C57BL/6J ApoE -/- )體內(nèi)的巨噬細(xì)胞清道夫受體增加，造成膽固醇在細(xì)胞內(nèi)的堆積，增加泡沫細(xì)胞的形成，進(jìn)而引起動(dòng)脈粥樣硬化。相反，通過應(yīng)用廣譜抗生素來抑制腸道菌群可以減緩動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展。此外，通過進(jìn)行盲腸微生物移植可以改變食物誘導(dǎo)的 TMAO 的產(chǎn)生和動(dòng)脈粥樣硬化易感性。不僅是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，對(duì)人群的觀察結(jié)果同樣說明了 TMAO 在動(dòng)脈粥樣硬化中的作用。對(duì)接受擇期冠狀動(dòng)脈造影檢查的患者進(jìn)行3 年的隨訪發(fā)現(xiàn)，人體TMAO

5、水平的升高可增加主要不良心血管事件 ( major adverse cardiovascular events ， MACEs )的發(fā)生率 6 。 這些結(jié)論隨后被證實(shí)在不同人種的人群中同樣成立。左旋肉堿在紅肉中含量豐富。攝入人體的左旋肉堿也是通過腸道菌群的代謝進(jìn)一步產(chǎn)生TMAO 。 然而研究表明， 在那些血漿左旋肉堿的水平升高的患者中，只有同時(shí)存在TMAO 水平升高者， 其心血管疾病和 MACEs 的發(fā)生率才會(huì)增加。在小鼠試驗(yàn)中證實(shí)，三甲胺丁內(nèi)脂是左旋肉堿經(jīng)腸道菌群代謝后形成的最主要的中間產(chǎn)物，它進(jìn)一步在肝臟中轉(zhuǎn)化為 TMA 。黃素單氧酶( flavin mono-oxygenase ， FM

6、O)家族， 尤其是 FMO3 ， 參與將 TMA 轉(zhuǎn)化為 TMAO 的過程。在膽固醇喂養(yǎng)的小鼠中，敲除FMO3 可以改變膽汁脂質(zhì)的分泌，同時(shí)降低腸道對(duì)膽固醇的吸收及肝臟產(chǎn)生氧化甾醇和膽固醇酯水平，刺激巨噬細(xì)胞加速膽固醇的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)，從而調(diào)控了膽固醇的平衡。 在胰島素抵抗的小鼠中， 敲除 FMO3可以抑制代謝調(diào)控的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子 FoxO1 ，從而徹底地阻止高血糖癥、高脂血癥和動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展。膽堿在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為 TMA ，在轉(zhuǎn)化過程中需要膽堿 TMA 裂合酶的參與。 該酶的活性與CutC 和 CutD關(guān)系密切。在高膽堿或高左旋肉堿飲食的小鼠中，應(yīng)用模擬膽堿結(jié)構(gòu)的 3,3-二甲基 -1-丁

7、醇，可以抑制不同的微生物TMA 裂解酶，從而減少TMA 和 TMAO 的產(chǎn)生。1.2.2 膽汁酸代謝： 腸道菌群通過影響膽汁酸代謝來影響動(dòng)脈粥樣硬化。膽汁酸是一種兩親性分子，它在肝臟內(nèi)由膽固醇合成，通過與膽汁酸受體結(jié)合來調(diào)節(jié)血脂水平，進(jìn)而影響動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展。在胃腸道的各種細(xì)菌和古細(xì)菌中均存在微生物膽汁鹽水解酶(microbial bile salthydrolas ， BSH) ，其活性存在差異，不同的 BSH 等位基 因可能對(duì)體內(nèi)膽汁新陳代謝和其下游反應(yīng)有著不同的影響。在無菌小鼠胃腸道的克隆細(xì)菌 BSH 的表達(dá)可顯著改變小鼠的血漿膽汁酸譜及局部和系統(tǒng)的基因表達(dá)譜，從而調(diào)節(jié)包括脂代謝

8、(Ppar 丫Angptl4)、膽固醇代謝(Abcg5/8)、胃腸道 內(nèi)穩(wěn)態(tài)(Reglll 丫)及晝夜節(jié)(Dbp, Per1/2)等的信號(hào)通路。在 擁有正常腸道菌群的傳統(tǒng)方法喂養(yǎng)的小鼠中，提高其BSH活性可以顯著降低動(dòng)脈粥樣硬化的危險(xiǎn)因素，包括體重增加、血清膽固醇水平和肝臟甘油三酯水平。1.2.3 其他代謝產(chǎn)物 :原兒茶酸( protocatechuic acid ， PCA ) 和 GlcNAc-6-P ： 花青素廣泛存在于各種有色的水果和蔬菜中?；ㄇ嗨啬転槿梭w的健康帶來多種益處，它的抗動(dòng)脈粥樣硬化作用備受人們關(guān)注。實(shí)際上，在人體中真正發(fā)揮作用的可能是花青素的微生物代謝產(chǎn)物。 PCA 約占人

9、體攝取的葡萄糖苷花青素的 73% ， 它可以通過抑制 C-Jun 氨基末端激酶和 P38- 絲裂原活化蛋白激酶的激活，中斷CD40誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞的活化和凋亡，影響miRNA-10b-ABCA1/ABCG1- 膽固醇外流的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，從而起到抗動(dòng)脈粥樣硬化的作用。動(dòng)脈粥樣硬化相關(guān)的基因的表達(dá)也會(huì)受到 PCA 的調(diào)節(jié)，包括氧化應(yīng)激相關(guān)的 AOX1 、CYP2E1 或 TXNIP ， 粘附分子 JAM-A ， 血管生成相關(guān)的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體2 等。最近的一項(xiàng)研究，綜合應(yīng)用代謝組學(xué)和宏基因組學(xué)的方法對(duì) 59 例冠心病患者和 43 名健康對(duì)照者的血漿和尿液樣本進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)了包括GlcNAc-6-P

10、 和甘露醇等的一些其他的代謝產(chǎn)物的重要作用。通過分析腸道微生物的種類和其代謝產(chǎn)物的功能水平之間的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)了梭狀芽胞桿菌HGF2 與 GlcNAc-6-P 之間，梭狀芽胞桿菌 HGF2 、鏈球菌 M143 、鏈球菌 M334 與甘露醇之間的密切關(guān)聯(lián)。 以上這些腸道菌群的代謝產(chǎn)物及代謝途徑充分地向我們揭示了其在動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生發(fā)展中起到的重要作用。2 腸道菌群與高血壓 高血壓病作為腦卒中及冠心病發(fā)病和死亡的主要危險(xiǎn)因素和最常見的心血管疾病之一，一直以來都是研究的熱點(diǎn)。近年來，隨著研究的不斷深入，腸道菌群穩(wěn)態(tài)失調(diào)在高血壓病的發(fā)生和發(fā)展中的作用越來越受到關(guān)注。一些研究結(jié)果甚至暗示通過對(duì)腸道微生物群進(jìn)

11、行干預(yù)，可能對(duì)高血壓具有治療潛力。 2.1 腸道菌群穩(wěn)態(tài)失調(diào)大量研究表明，腸道菌群穩(wěn)態(tài)失調(diào)與高血壓之間具有直接的相互關(guān)聯(lián)性。 在一項(xiàng)研究中，對(duì)自發(fā)性高血壓和血管緊張素 II 灌注的大鼠模型的糞便樣本進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，兩組高血壓大鼠模型均存在腸道菌群穩(wěn)態(tài)的失調(diào)。應(yīng)用同樣的分析方法對(duì)一小組正常血壓（ 119±2 mmHg；n=10 ）和高收縮壓 （144 ± 9 mmHg；n=7） 的患者進(jìn)行研究，提示該組患者也存在腸道菌群穩(wěn)態(tài)的失調(diào)。這種腸道菌群穩(wěn)態(tài)的失調(diào)表現(xiàn)為：厚壁菌門與擬桿菌門（ F/B ）的比例增加，微生物的豐富性也顯著降低；產(chǎn)生醋酸鹽、丁酸鹽的腸道細(xì)菌數(shù)目顯著減少，而產(chǎn)生

12、乳酸鹽的細(xì)菌數(shù)目顯著增加。此外，二甲胺四環(huán)素可以引起厚壁菌門與擬桿菌門比例回落，在降低血壓的同時(shí)，矯正了腸道菌群的穩(wěn)態(tài)失調(diào)。另一項(xiàng)研究揭示了腸道菌群與血壓調(diào)節(jié)之間存在的密切關(guān)系。在高鹽飲食誘導(dǎo)大鼠的高血壓模型中，人們應(yīng)用16S rRNA 基因測(cè)序的技術(shù)對(duì)鹽敏感性與鹽抵抗性大鼠的盲腸樣本進(jìn)行了研究，比較它們腸道微生物群落結(jié)構(gòu)特征之間的差異。在高鹽飲食條件的誘導(dǎo)下，在鹽敏感性大鼠中，擬桿菌門的豐度和數(shù)目較鹽抵抗大鼠顯著增加；擬桿菌門中的 S24-7 菌科的豐度和厚壁菌門中韋榮球菌科的豐度， 在鹽敏感大鼠中均高于鹽抵抗大鼠 。2.2 短鏈脂肪酸( short chain fatty acids ，

13、SCFAs )短鏈脂肪酸是腸道微生物發(fā)酵代謝產(chǎn)生的終產(chǎn)物 能夠吸收進(jìn)入體循環(huán)，主要包括醋酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽。短鏈脂肪酸存在兩個(gè)主要受體，嗅覺感受器受體Olfr78 和 G 蛋白偶聯(lián)受體 Gpr41 ， 這兩種受體在短鏈脂肪酸的調(diào)控下， 產(chǎn)生相互拮抗的作用。嗅覺感受器受體Olfr78 激活后促進(jìn)血壓顯著上升，而G 蛋白偶聯(lián)受體Gpr41 激活后可降低血壓。在結(jié)腸，腎臟，交感神經(jīng)系統(tǒng)及血管等多種組織和細(xì)胞中被表達(dá)的 G 蛋白偶聯(lián)受體Gpr41 ，會(huì)影響血壓及體重增加。而腎小球旁器上表達(dá)的嗅覺感受器受體Olfr78 介導(dǎo)了腎素釋放。應(yīng)用抗生素后，嗅覺感受器受體Olfr78 敲除小鼠的腸道菌群的總體

14、生物量減少，血壓也隨之升高；而野生型小鼠則沒有這種改變。這表明，腸道菌群對(duì)與血壓的影響和調(diào)節(jié)作用可能是基于遺傳學(xué)的改變。2.3 阻塞性睡眠呼吸暫停( obstructive sleep apnea ， OSA )近期一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給予大鼠正常飲食條件時(shí)，阻塞性睡眠呼吸暫停模型對(duì)動(dòng)物的血壓并沒有有影響。當(dāng)給予高脂飲食誘導(dǎo)后，阻塞性睡眠呼吸暫停大鼠模型的血壓在7d后增加 24 mmHg ， 14d 后增加 29 mmHg 。該研究還發(fā)現(xiàn)，在高脂飲食誘導(dǎo)下的阻塞性睡眠呼吸暫停大鼠模型中，其腸道內(nèi)產(chǎn)生短鏈脂肪酸丁酸鹽的細(xì)菌數(shù)目顯著減少。將給予高脂飲食的阻塞性睡眠呼吸暫停大鼠模型作為糞菌移植的供體，移

15、植給正常飲食的血壓正常的阻塞性睡眠呼吸暫停大鼠后，引起了受體大鼠血壓明顯升高。這一研究結(jié)果表明，腸道菌群穩(wěn)態(tài)失調(diào)可能是阻塞性睡眠呼吸暫停誘發(fā)高血壓的直接致病因素。2.4 干預(yù)措施多項(xiàng)人類的臨床研究證實(shí)了食用益生菌在血壓調(diào)控方面的作用。一項(xiàng)薈萃分析結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比較，食用益生菌的人群收縮壓和舒張壓分別降低了 3.6 ± 2.9 mmHg（ 95% CI ）和 2.4 ± 1.5 mmHg （ 95%CI ）。益生菌的降壓作用在一定程度上間接支持了腸道微生物與高血壓可能存在的因果關(guān)系。同樣，有病例報(bào)道指出，抗生素治療可產(chǎn)生持續(xù)數(shù)月的降低血壓的作用，說明抗生素可能啟動(dòng)了潛在

16、的血壓調(diào)節(jié)機(jī)制。對(duì)行包括Roux-en-Y 胃旁路術(shù)或結(jié)腸切除術(shù)的患者的研究顯示，術(shù)后其出現(xiàn)高血壓的情況明顯減少，甚至?xí)霈F(xiàn)低血壓，提示腸道菌群可能在其中起到了一定的作用。關(guān)于益生菌和抗生素對(duì)高血壓的緩解效果目前只是初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在臨床上想要真正實(shí)現(xiàn)通過攝取益生菌和應(yīng)用抗生素來降血壓，尚需大量前期研究證實(shí)，但其向我們所展示的治療前景的確讓人十分期待。3 腸道菌群與心力衰竭 心力衰竭是各種類型的心血管疾病最終的共同轉(zhuǎn)歸，也是心血管疾病中最難解決的問題之一。心力衰竭的患者存在腸道菌群的改變，且前文提到的腸道菌群的代謝產(chǎn)物氧化三甲胺（ TMAO ） 的水平，在心力 衰竭患者中也有一定的意義。 3.

17、1 腸道菌群移位慢性心力衰竭的患者存在腸缺血，腸道粘膜遭到破壞，腸道內(nèi)微生物的成分發(fā)生改變，導(dǎo)致其進(jìn)入血液循環(huán)的代謝產(chǎn)物也相應(yīng)改變。這個(gè)過程可能會(huì)引起全身的炎癥反應(yīng)，使慢性心衰患者出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)不良和惡病質(zhì)。最近發(fā)表的一項(xiàng)研究，分析了 60 例營(yíng)養(yǎng)良好的輕度較穩(wěn)定的心衰患者及中重度患者，對(duì)受試者的糞便進(jìn)行培養(yǎng)分析發(fā)現(xiàn)，與健康對(duì)照組相比， 慢性心衰患者體內(nèi)的空腸彎曲菌、 志賀氏菌、 沙門氏菌、小腸結(jié)腸炎耶爾森菌和念珠菌等致病菌數(shù)量顯著增多。而且腸道通透性與右心房壓力和 C 反應(yīng)蛋白水平正相關(guān)， 提示菌群移位加重慢性心衰程度。3.2 TMAO心衰患者的血漿TMAO 水平升高，而較高的 TMAO 水平預(yù)示著長(zhǎng)期死亡風(fēng)險(xiǎn)增加，且與傳統(tǒng)心血管危險(xiǎn)因素及心腎功能指標(biāo)一樣，是一個(gè)獨(dú)立危險(xiǎn)因素。 TMAO 水平在急性及慢性心力衰竭患者中均有一定的意義。 在一項(xiàng)納入720例穩(wěn)定心衰患者的研究中， 入選患者平均 TMAO 為 5.0以mol/L ,高于無心衰患者（3.5以mol/L ; p 4結(jié)論 大量的研究結(jié)果證實(shí)，腸道菌群參與冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性