腸道微生物與心血管疾病的相關性研究進展

楊欣穎，晉夢迪，繆從良，周丹丹，丁曉穎，洪江,

(1.南京醫科大學附屬上海一院臨床醫學院，上海 200080； 2.上海交通大學附屬第一人民醫院 a.急診危重病科，b.內分泌科，上海 200080)

心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)是全球范圍內致死的最主要原因，2017年全球因CVD死亡人數達1 780萬，其中缺血性心臟病居全球疾病負擔的首位[1]。CVD公認的危險因素包括高血壓、高血糖、血脂異常、肥胖、吸煙、不良飲食習慣、體力勞動不足等。但控制這些高危因素后，CVD的發病率和病死率仍逐年上升，因此科學家們致力于尋找防治CVD和降低死亡率的方法，近年來腸道微生物已成為預防和治療各種心臟疾病的潛在靶標[2]。人體的胃腸道是一個巨大而多樣的生態系統，擁有100萬億個分泌代謝產物的微生物群落，這些微生物在新陳代謝、消化吸收、免疫防御、神經調節等方面與宿主進行密切的信息交流，與宿主保持微妙的平衡[3]。研究表明，腸道微生物及其代謝產物與人類健康和各種疾病的發生密切相關[2]。腸道微生物的代謝產物包括三甲胺-N-氧化物(trimethylamine-N-oxide，TMAO)、膽汁酸、短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)、原兒茶酸和其他代謝物，如苯乙酰谷氨酰胺、硫酸吲哚、對甲酚硫酸酯、腸內酯和硫化氫[2]，其中TMAO和SCFAs與CVD密切相關，尤其是TMAO具有減少膽固醇代謝、誘導血小板活化和血栓形成、促進動脈粥樣硬化的作用，被認為是影響CVD的重要危險因子之一[4]?，F就腸道微生物及其主要代謝產物與CVD的相關性研究進展予以綜述。

1 腸道微生物的主要代謝產物

1.1TMAO TMAO是腸道微生物群代謝膳食中磷脂酰膽堿的重要產物[5]。當人體攝入大量膽堿、L-肉堿和卵磷脂(主要來自紅肉、蛋黃、乳制品和海鮮)時，特定的腸道菌群將其降解為前體三甲胺，腸道菌群在三甲胺裂解酶的作用下釋放三甲胺，裂解攝入營養物質的碳氮鍵[6]。三甲胺裂解過程主要涉及兩種微生物酶：Rieske型加氧酶/還原酶是肉堿轉化為三甲胺所必需的[7]，而與甘氨酰自由基酶同族的膽堿三甲胺裂解酶則催化膽堿向三甲胺的厭氧轉化[8]。三甲胺通過門靜脈循環運輸至肝臟，被肝黃素單加氧酶(flavin-containing monooxygenase，FMO)進一步氧化為TMAO，隨后通過尿液排出[3]。FMO家族有5個成員(FMO1～5)。其中，FMO1、FMO2和FMO3相對較活躍，FMO3的活性較FMO1高約10倍[3]。此外，三甲胺還可以通過直接去甲基化轉化為二甲胺和甲醛[9]。研究表明，TMAO與CVD風險存在關聯，可能在CVD的治療中發揮作用[10-11]。

1.2SCFAs SCFAs是腸道微生物群代謝膳食纖維的主要終產物，包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽[12]。SCFAs既可隨糞便排泄，也可以通過腸上皮細胞攝取，參與各種生理過程。SCFAs的攝取涉及腸上皮細胞表達的陰離子轉運蛋白，選擇性較差，能夠最大限度地吸收管腔中的SCFAs，尤其是丁酸鹽，它是結腸細胞能量來源的首選，且為局部消耗[13]，其余重吸收的SCFAs則進入門靜脈循環被肝臟代謝，或釋放到體循環中與血管上皮或傳入小動脈中的SCFAs受體結合，進而影響心臟代謝[12，14]。已有體外實驗表明，SCFAs可能對心臟代謝有益，丁酸鹽通過穩定特異性轉錄因子、組裝緊密連接蛋白和分泌黏液蛋白來維持管腔內厭氧狀態，在維持腸道屏障功能方面起關鍵作用[15-16]。通過加強腸道屏障，丁酸鹽可阻斷脂多糖轉運，與炎癥、代謝性內毒素血癥、胰島素抵抗和肥胖有關[17]。

2 腸道微生物與CVD

2.1腸道微生物與冠心病 研究表明，TMAO是冠心病患者動脈粥樣硬化的獨立危險因素[18-19]。目前已知的TMAO促進動脈粥樣硬化的機制有：TMAO通過抑制膽固醇7α羥化酶(膽汁酸合成的限速酶)逆轉膽固醇轉運，從而促進動脈粥樣硬化[4]。同時，TMAO可上調巨噬細胞清道夫受體的表達，促進膽固醇在巨噬細胞中沉積，并形成泡沫細胞[20]。此外，TMAO還可以通過激活核因子κB、蛋白激酶C和核苷酸結合寡聚化域樣受體家族的吡喃結構域來誘導內皮功能障礙和單核細胞黏附，并增加血管內皮炎癥因子的表達[21-22]。研究發現，膽堿飲食小鼠血漿TMAO水平是普通飲食小鼠的2倍，進一步對膽堿飲食小鼠進行盲腸微生物移植后，可測得其血漿TMAO水平較移植前增長10倍，且血小板對激動劑的反應和血栓形成潛力均明顯增強，可能增加心血管血栓事件的發生風險[23]。

研究表明，TMAO有望成為冠心病患者診斷和預后的標準[2]。Yamashita等[24]報道，與對照組相比，冠心病患者的腸道微生物結構發生改變，同時血清TMAO水平升高，故認為腸道微生物可作為冠心病的診斷標志物。Tang等[25]對4 007例冠狀動脈造影術后患者進行3年隨訪發現，血清TMAO水平與心血管終點事件呈正相關，TMAO>6.5 mol/L冠心病患者的全因死亡率是低水平(TMAO<2.5 mol/L)患者的3.9倍[25]。從代謝組學的角度來看，TMAO間接提示了腸道微生態對冠心病的臨床預后價值。Senthong等[26]的研究顯示，血清TMAO水平與冠心病患者的斑塊狹窄程度呈正相關。Wang等[27]用高膽堿飲食喂養小鼠發現，小鼠血清TMAO水平與冠狀動脈粥樣硬化斑塊面積呈正相關，再次提示TMAO對冠心病患者的長期生存預后具有重要預測價值。

急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)是起病急、進展快、死亡率高的一種冠心病類型。臨床研究表明，AMI患者易出現腸道微生態失衡、益生菌減少、致病菌大量繁殖，患者體內將發生腸屏障功能受損和腸通透性增加等一系列變化[28]。Zhou等[28]通過對比AMI患者、穩定型冠心病患者和健康人群的血液菌群發現，AMI患者血液菌群的種類明顯增多，其中12%以上的血液細菌來自腸道，表明血液中腸道菌群增多與AMI事件的發生相關。AMI與腸道微生物結構之間的關聯也在動物實驗中得到證實，Wu等[29]報道了大鼠AMI后第7天的腸道微生物豐富度明顯增加。Gan等[30]發現，益生菌可延緩AMI后大鼠的心肌肥厚和心力衰竭。Lam等[31]通過進一步實驗表明，抗生素可以減少AMI小鼠的心肌梗死面積，其機制可能與調節腸道微生物相關。Tang等[32]發現，在心肌梗死前，給予抗生素治療小鼠補充益生菌有利于恢復心臟功能和延長存活時間，腸道微生物源性SCFAs在維持心肌梗死后宿主免疫成分和修復能力方面發揮了重要作用，提示調控腸道菌群可能為心肌梗死后康復提供機會，但能否預防冠狀動脈粥樣硬化并降低AMI的發生率尚不清楚。

2.2腸道微生物與心力衰竭 心力衰竭的發病率和死亡率極高，約有一半患者在診斷心力衰竭后5年內死亡[33]。在心力衰竭患者中，心排血量和血液再分配的減少導致腸灌注減少和腸屏障破壞，腸道微生物和內毒素進入血液循環，加重全身炎癥反應，進而加重心力衰竭[34]。另有研究表明，腸道微生態的變化可以直接損害心肌細胞并導致心臟功能障礙。Organ等[35]發現，喂食膽堿或TMAO小鼠心力衰竭嚴重程度明顯高于標準飲食小鼠，但腸道微生物和飲食膽堿→TMAO途徑是否會增加心力衰竭易感性尚不清楚。Tang等[6]報道，TMAO、膽堿和甜菜堿的水平與左心室舒張功能障礙有關，同時他們還發現心力衰竭患者的TMAO水平與5年內死亡率呈正相關。Suzuki等[33]對972例急性心力衰竭患者的1年死亡率和心力衰竭再發率進行研究發現，血清TMAO和腦鈉肽前體的聯合應用對心力衰竭的1年預后有較好的預測價值。一項臨床隊列研究顯示，慢性心力衰竭患者的血清TMAO水平升高，TMAO水平與心功能和生存率呈負相關[36]。與心力衰竭的傳統危險因素、心腎指數和全身炎癥標志物相比，TMAO的血漿水平對心力衰竭的嚴重程度和總體死亡率具有更好的預測價值[37]。因此，改善腸道微生物結構和降低TMAO水平可能成為治療和改善心力衰竭預后的新方法，但關于TMAO與心力衰竭的具體機制有待進一步研究。

2.3腸道微生物與高血壓 高血壓是CVD可控的危險因子之一，研究表明腸道微生物與高血壓之間存在關聯[38]。試驗表明，腸道微生物通過血管免疫細胞浸潤和炎癥反應，促進了血管緊張素Ⅱ誘導的血管功能障礙和高血壓[38]。TMAO不會直接影響血壓，但會延長血管緊張素Ⅱ的血流動力學效應。SCFAs已被證實與高血壓的發生相關，其通過與腎臟、心臟、交感神經節和血管中G蛋白偶聯受體41、G蛋白偶聯受體43和嗅覺受體78的結合調節血壓[39]。SCFAs可誘導嗅覺受體78介導的傳入小動脈釋放腎素，升高血壓；G蛋白偶聯受體41可刺激交感神經增加能量消耗，同時導致血壓升高[2]。Yang等[40]報道，與普通大鼠相比，高血壓大鼠的腸道微生物豐富度顯著降低，而厚壁菌門/擬桿菌門比值增加。此外，臨床高血壓患者的腸道菌群也遵循類似的菌群失調模式[40]。Durgan等[41]通過動物研究驗證了腸道微生物失調可能是阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征誘導的高血壓的直接原因。研究表明，改善腸道微生態對治療高血壓存在有利作用[42]。Wilck等[42]報道高鈉通過誘導輔助性T細胞17引起高血壓，而乳酸桿菌可通過減少輔助性T細胞17的數量延緩鈉敏感性高血壓的惡化。另有文獻報道，益生菌及其發酵產品可抑制巨噬細胞中氮氧化物的產生，減少活性氧種類，增加膳食鈣吸收，從而降低血壓[43]。因此，通過調節飲食恢復腸道微生態平衡可能是治療高血壓的一個新策略。

2.4腸道微生物與心房顫動 心房顫動是臨床最常見的心律失常之一，與血栓栓塞事件風險增加相關。目前，關于腸道微生物與心房顫動之間的報道較少。Zuo等[44]通過對比心房顫動和對照人群的腸道微生物發現，心房顫動患者的腸道微生物群和代謝產物譜更紊亂。一項大型隊列研究表明，TMAO與心房顫動發病呈正相關，并能預測心房顫動風險[45]。迄今為止，關于TMAO促進心房顫動的機制主要有兩種：①通過神經節叢調節自主神經傳導；②核因子κB介導的炎癥信號通路的增強活化[46-47]。Hou等[47]在房性心動過速起搏誘發的心房顫動犬模型中發現，將TMAO直接應用于心房神經節叢可增加神經生長因子的表達和心房電重構，從而為心房顫動的發生提供基質。Yu等[46]報道，TMAO可能通過激活促炎性核因子κB-p65信號傳導途徑誘發炎癥反應來促進心房顫動底物。Yao等[48]進一步證明，核因子κB-p65信號通路可能通過促進心房異位活動和縮短有效不應期影響心臟炎癥小體信號轉導，從而促進心房顫動發生。然而，由于飲食攝入或腸道微生物變化而導致的血清TMAO水平改變是否足以直接調節心臟的自主神經系統或激活心肌細胞中的炎癥小體途徑仍未知。此外，TMAO是否可以建立腸道微生物變化和心房顫動發生的病理聯系尚未明確，需要進一步研究以確定TMAO作為生物標志物預測心房顫動發病的實用性。

3 腸道微生物在CVD治療中的潛在應用

腸道微生物及其代謝產物正在成為CVD治療的一個潛在靶點，靶向抑制產生TMAO的菌群和恢復腸道微生態平衡可能是一種新型的治療策略，如益生菌、益生元、飲食調節、糞便菌群移植、窄譜抗生素和三甲胺抑制劑等。研究表明，益生菌和益生元在CVD的治療中起重要作用[10]。動物實驗表明，益生菌可減小心肌梗死面積、動脈粥樣硬化斑塊面積，并可降低心肌梗死后心肌肥厚和心力衰竭的發生率[10]。同時，益生菌也可減少心肌梗死后的瘦素，增加?；撬?，從而減輕心臟重構、延遲心力衰竭發生、增加射血分數[11]。在一項隨機雙盲試驗中，接受布拉酵母治療3個月心力衰竭患者的心功能得到改善[49]。另一研究顯示，益生菌乳桿菌可通過減少血管炎癥和保護內皮功能來幫助控制血壓[21]。薈萃分析表明，益生菌可通過減少胰島素抵抗和調節腎素-血管緊張素系統來預防高血壓或調節血壓[40]。此外，益生元亦可以有效降低血糖和血脂，控制CVD的危險因素[40]。高纖維飲食可顯著降低高血壓患者的血壓，改善心臟功能并減輕心肌纖維化[50]。糞便菌群移植是將腸道菌群從供體轉移到受體腸道，可增加腸道菌群的豐富度，改善腸道微生態結構。動物實驗表明，將糞便菌群從高血壓小鼠移植到無菌小鼠后，高血壓也隨之發生轉移[51]。然而，糞便菌群移植也不可避免地存在將未知細菌和病毒傳播到受體的風險[51]，因此開發這種方法仍有諸多困難。米諾環素可增加腸道微生物群的多樣性并減少沙門菌，從而逆轉腸道菌群失衡，降低血壓[3]。但是，長期使用抗生素也會導致耐藥性，引起菌群失調[3]。

近期科學家們將目光聚焦到三甲胺抑制劑的研發中。研究表明，膽堿結構類似物(3，3-二甲基-1-丁醇)可通過阻斷膽堿代謝途徑減少三甲胺產生，從而在預防和治療CVD中發揮作用[52]。另一項研究表明，白藜蘆醇可通過刺激腸道有益菌的生長抑制TMAO的產生[53]。隨著腸道微生物調節劑與CVD動物模型研究的日益增多，基礎研究成果有望轉化為臨床干預手段，但是目前通過調節腸道微生物治療CVD的療效尚未得到證實。

4 小 結

腸道微生物及其主要代謝產物(TMAO、SCFAs)在冠心病、心力衰竭、高血壓、心房顫動等CVD的發生發展中起重要作用。TMAO具有抑制膽固醇代謝、誘導血小板聚集和血栓形成、促進動脈粥樣硬化的作用，直接或間接參與了CVD的發病過程，被認為是影響CVD發生甚至預后的重要危險因子。SCFAs在維持腸道屏障功能中發揮關鍵作用，對心臟代謝健康起積極作用。腸道微生態的變化可能導致心臟功能減退，造成多種心臟疾病的發生和惡化，并對不良心血管事件的預后有重要預測意義。因此，探索CVD患者腸道微生物的變化可能為CVD患者疾病嚴重程度的判斷提供新的參考依據，并為CVD的分層治療提供新的思路。然而，目前的研究大多仍處于基礎實驗階段，具體機制尚未完全闡明，研究菌群種類有限，缺少大規模臨床研究，有待進一步探索和完善。