【學術薈萃】蔡軍：腸道菌群與心血管疾病關係的研究進展

蔡軍

中國醫學科學院阜外醫院

主任醫師，博士生導師。目前擔任中國醫學科學院阜外醫院高血壓...

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　　人體內定植著超過 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胞和微生物的「超級生物體」 ，人體和微生物的基因共同影響著人體的代謝及炎性反應特徵。在位於腸道的眾多種類的微生物中，只有極少數能被分離培養。宏基因組測序和代謝組學分析能幫助人們更好地研究和了解腸道菌群的結構和功能、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展相關的可能途徑。本文將對腸道菌群和心血管疾病之間的關係的最新研究進展進行概述。

　　冠狀動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。其最主要的病變機制是冠狀動脈血管發生動脈粥樣硬化。大量的臨床和基礎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脈粥樣硬化之間的相互作用及潛在的作用機制。

1.1 慢性感染和炎性反應

　　炎性反應在動脈粥樣硬化性疾病的發生和發展中起著十分重要的作用。感染與動脈粥樣硬化之間的關係長期以來備受關注，但是目前的研究卻缺乏共識。一些研究表明，傳染性病原體，如幽門螺桿菌等，可能會通過破壞血管內皮功能及引起全身免疫反應等機制加速動脈粥樣硬化，而其它一些研究則得出相反的結論。應用抗生素是否對冠狀動脈性心臟病的患者有積極的作用，臨床試驗的結果也存在爭議。

1.2 腸道微生物的代謝產物

　　動脈粥樣硬化的患者與健康人群的腸道菌群結構存在著明顯的差異。通過分析血漿、糞便和尿液等提取液中不同的生物代謝產物，不僅可以了解人類和腸道菌群之間共生關係，還能了解腸道菌群和人體疾病之間的關係。

　　1.2.1 氧化三甲胺（ trimethylamine N-oxide， TMAO） ： 富含磷脂醯膽鹼，膽鹼和左旋肉鹼等成分的食物經胃腸道消化吸收轉化為三甲胺（ trimethylamine，TMA），三甲胺進一步氧化生成氧化三甲胺（ TMAO）。

　　腸道微生物生成的 TMAO 等生物活性代謝產物會加快動脈粥樣硬化發展，促進心血管事件的發生。研究人員對 3 種食物中脂質磷脂醯膽鹼的代謝產物（膽鹼、 TMAO 和甜菜鹼）進行研究，發現其與心血管疾病發生的風險呈劑量依賴的相關性。動脈粥樣硬化的易感小鼠（ C57BL/6J ApoE -/-）體內的巨噬細胞清道夫受體增加，造成膽固醇在細胞內的堆積，增加泡沫細胞的形成，進而引起動脈粥樣硬化。相反，通過應用廣譜抗生素來抑制腸道菌群可以減緩動脈粥樣硬化的發展。此外，通過進行盲腸微生物移植可以改變食物誘導的 TMAO 的產生和動脈粥樣硬化易感性。不僅是動物實驗，對人群的觀察結果同樣說明了 TMAO在動脈粥樣硬化中的作用。對接受擇期冠狀動脈造影檢查的患者進行 3 年的隨訪發現，人體 TMAO 水平的升高可增加主要不良心血管事件（ major adverse cardiovascular events， MACEs）的發生率[6]。這些結論隨後被證實在不同人種的人群中同樣成立。

　　左旋肉鹼在紅肉中含量豐富。攝入人體的左旋肉鹼也是通過腸道菌群的代謝進一步產生 TMAO。然而研究表明，在那些血漿左旋肉鹼的水平升高的患者中，只有同時存在 TMAO水平升高者，其心血管疾病和 MACEs的發生率才會增加。在小鼠試驗中證實，三甲胺丁內脂是左旋肉鹼經腸道菌群代謝後形成的最主要的中間產物，它進一步在肝臟中轉化為 TMA。黃素單氧酶（ flavin mono-oxygenase，FMO)家族，尤其是 FMO3，參與將 TMA 轉化為 TMAO 的過程。 在膽固醇餵養的小鼠中，敲除 FMO3 可以改變膽汁脂質的分泌，同時降低腸道對膽固醇的吸收及肝臟產生氧化甾醇和膽固醇酯水平，刺激巨噬細胞加速膽固醇的逆向轉運，從而調控了膽固醇的平衡。 在胰島素抵抗的小鼠中，敲除 FMO3 可以抑制代謝調控的關鍵轉錄因子 FoxO1，從而徹底地阻止高血糖症、高脂血症和動脈粥樣硬化的發展。

　　膽鹼在微生物的作用下轉化為 TMA，在轉化過程中需要膽鹼 TMA 裂合酶的參與。該酶的活性與 CutC 和 CutD 關係密切。在高膽鹼或高左旋肉鹼飲食的小鼠中，應用模擬膽鹼結構的 3,3-二甲基-1-丁醇，可以抑制不同的微生物 TMA 裂解酶，從而減少 TMA 和 TMAO 的產生。

　　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脈粥樣硬化。膽汁酸是一種兩親性分子，它在肝臟內由膽固醇合成，通過與膽汁酸受體結合來調節血脂水平，進而影響動脈粥樣硬化的發生和發展。在胃腸道的各種細菌和古細菌中均存在微生物膽汁鹽水解酶(microbial bile salt hydrolas， BSH)，其活性存在差異，不同的 BSH 等位基因可能對體內膽汁新陳代謝和其下游反應有著不同的影響。在無菌小鼠胃腸道的克隆細菌 BSH 的表達可顯著改變小鼠的血漿膽汁酸譜及局部和系統的基因表達譜，從而調節包括脂代謝(Pparγ, Angptl4)、 膽固醇代謝(Abcg5/8)、胃腸道內穩態(RegIIIγ)及晝夜節律(Dbp, Per1/2)等的信號通路。在擁有正常腸道菌群的傳統方法餵養的小鼠中，提高其 BSH 活性可以顯著降低動脈粥樣硬化的危險因素，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 其他代謝產物:原兒茶酸（ protocatechuic acid， PCA）和 GlcNAc-6-P： 花青素廣泛存在於各種有色的水果和蔬菜中。花青素能為人體的健康帶來多種益處，它的抗動脈粥樣硬化作用備受人們關注。實際上，在人體中真正發揮作用的可能是花青素的微生物代謝產物。 PCA 約佔人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 誘導的內皮細胞的活化和凋亡，影響 miRNA-10b-ABCA1/ABCG1-膽固醇外流的級聯反應，從而起到抗動脈粥樣硬化的作用。動脈粥樣硬化相關的基因的表達也會受到 PCA 的調節，包括氧化應激相關的 AOX1、 CYP2E1 或 TXNIP，粘附分子 JAM-A，血管生成相關的血管內皮生長因子受體 2 等。

　　最近的一項研究，綜合應用代謝組學和宏基因組學的方法對 59 例冠心病患者和 43 名健康對照者的血漿和尿液樣本進行分析，發現了包括 GlcNAc-6-P 和甘露醇等的一些其他的代謝產物的重要作用。通過分析腸道微生物的種類和其代謝產物的功能水平之間的關聯，發現了梭狀芽胞桿菌 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聯。 以上這些腸道菌群的代謝產物及代謝途徑充分地向我們揭示了其在動脈粥樣硬化發生髮展中起到的重要作用。

　　高血壓病作為腦卒中及冠心病發病和死亡的主要危險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。近年來，隨著研究的不斷深入，腸道菌群穩態失調在高血壓病的發生和發展中的作用越來越受到關注。一些研究結果甚至暗示通過對腸道微生物群進行干預，可能對高血壓具有治療潛力。

2.1 腸道菌群穩態失調

　　大量研究表明，腸道菌群穩態失調與高血壓之間具有直接的相互關聯性。 在一項研究中，對自發性高血壓和血管緊張素 II 灌注的大鼠模型的糞便樣本進行分析發現，兩組高血壓大鼠模型均存在腸道菌群穩態的失調。應用同樣的分析方法對一小組正常血壓（ 119±2 mmHg； n=10）和高收縮壓(144±9 mmHg； n=7)的患者進行研究，提示該組患者也存在腸道菌群穩態的失調。這種腸道菌群穩態的失調錶現為：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；產生醋酸鹽、丁酸鹽的腸道細菌數目顯著減少，而產生乳酸鹽的細菌數目顯著增加。此外，二甲胺四環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，矯正了腸道菌群的穩態失調。

　　另一項研究揭示了腸道菌群與血壓調節之間存在的密切關係。在高鹽飲食誘導大鼠的高血壓模型中，人們應用 16S rRNA 基因測序的技術對鹽敏感性與鹽抵抗性大鼠的盲腸樣本進行了研究，比較它們腸道微生物群落結構特徵之間的差異。在高鹽飲食條件的誘導下，在鹽敏感性大鼠中，擬桿菌門的丰度和數目較鹽抵抗大鼠顯著增加；擬桿菌門中的 S24-7菌科的丰度和厚壁菌門中韋榮球菌科的丰度，在鹽敏感大鼠中均高於鹽抵抗大鼠 。

2.2 短鏈脂肪酸 （ short chain fatty acids， SCFAs）短鏈脂肪酸是腸道微生物發酵代謝產生的終產物　　能夠吸收進入體循環，主要包括醋酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽。短鏈脂肪酸存在兩個主要受體，嗅覺感受器受體 Olfr78 和 G 蛋白偶聯受體 Gpr41，這兩種受體在短鏈脂肪酸的調控下，產生相互拮抗的作用。嗅覺感受器受體 Olfr78 激活後促進血壓顯著上升，而 G 蛋白偶聯受體 Gpr41 激活後可降低血壓。在結腸，腎臟，交感神經系統及血管等多種組織和細胞中被表達的 G 蛋白偶聯受體 Gpr41，會影響血壓及體重增加。而腎小球旁器上表達的嗅覺感受器受體 Olfr78 介導了腎素釋放。應用抗生素後，嗅覺感受器受體 Olfr78 敲除小鼠的腸道菌群的總體生物量減少，血壓也隨之升高；而野生型小鼠則沒有這種改變。這表明，腸道菌群對與血壓的影響和調節作用可能是基於遺傳學的改變。

2.3 阻塞性睡眠呼吸暫停（ obstructive sleep apnea， OSA）

　　近期一項研究發現，當給予大鼠正常飲食條件時，阻塞性睡眠呼吸暫停模型對動物的血壓並沒有有影響。當給予高脂飲食誘導後，阻塞性睡眠呼吸暫停大鼠模型的血壓在 7d 後增加 24 mmHg， 14d 後增加 29 mmHg。該研究還發現，在高脂飲食誘導下的阻塞性睡眠呼吸暫停大鼠模型中，其腸道內產生短鏈脂肪酸丁酸鹽的細菌數目顯著減少。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，移植給正常飲食的血壓正常的阻塞性睡眠呼吸暫停大鼠後，引起了受體大鼠血壓明顯升高。這一研究結果表明，腸道菌群穩態失調可能是阻塞性睡眠呼吸暫停誘發高血壓的直接致病因素。

2.4 干預措施

　　多項人類的臨床研究證實了食用益生菌在血壓調控方面的作用。一項薈萃分析結果顯示，與對照組相比較，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係。同樣，有病例報道指出，抗生素治療可產生持續數月的降低血壓的作用，說明抗生素可能啟動了潛在的血壓調節機制。對行包括 Roux-en-Y 胃旁路術或結腸切除術的患者的研究顯示，術後其出現高血壓的情況明顯減少，甚至會出現低血壓，提示腸道菌群可能在其中起到了一定的作用。關於益生菌和抗生素對高血壓的緩解效果目前只是初步的實驗結果，在臨床上想要真正實現通過攝取益生菌和應用抗生素來降血壓，尚需大量前期研究證實，但其向我們所展示的治療前景的確讓人十分期待。

　　心力衰竭是各種類型的心血管疾病最終的共同轉歸，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。

3.1 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，腸道內微生物的成分發生改變，導致其進入血液循環的代謝產物也相應改變。這個過程可能會引起全身的炎症反應，使慢性心衰患者出現營養不良和惡病質。最近發表的一項研究，分析了 60 例營養良好的輕度較穩定的心衰患者及中重度患者，對受試者的糞便進行培養分析發現，與健康對照組相比，慢性心衰患者體內的空腸彎麴菌、志賀氏菌、沙門氏菌、小腸結腸炎耶爾森菌和念珠菌等致病菌數量顯著增多。而且腸道通透性與右心房壓力和C反應蛋白水平正相關，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水平預示著長期死亡風險增加，且與傳統心血管危險因素及心腎功能指標一樣，是一個獨立危險因素。 TMAO水平在急性及慢性心力衰竭患者中均有一定的意義。在一項納入 720 例穩定心衰患者的研究中， 入選患者平均TMAO為 5.0 μmol/L， 高於無心衰患者（ 3.5μmol/L； p < 0.001）。="" 血漿tmao水平較高的患者死亡風險增加="" 3.4="" 倍。="" 校正傳統心血管危險因素和bnp後，="" tmao水平的升高依然預示著="" 5="" 年死亡率的增加。另一項近期的研究，以急性心衰入院的患者為研究對象，對="" 972="" 例血漿樣本的tmao的濃度進行分析，並評估了其與住院期間死亡率（="" 72="" 例）、全因死亡率（死亡，="" 268="" 例）以及在一年內因心衰死亡或再入院的總的發生率（死亡/心衰，="" 384="" 例）之間的關聯性。="" tmao可以為因急性心衰入院患者的住院期間死亡率危險分層提供更多的信息，而且升高的tmao水平提示患者的預後不良。="">

　　大量的研究結果證實，腸道菌群參與冠狀動脈粥樣硬化性心臟病、高血壓和心力衰竭等疾病的發生和發展，甚至在其中起重要作用。這些心血管疾病反過來也影響著腸道菌群的結構和功能。除了傳統的培養方法，宏基因組和代謝組學這些更先進的技術成為研究人類腸道菌群的重要手段。大量的研究觀察到了腸道菌群與心血管疾病之間的關係並提出各種潛在的作用機制，特別是代謝途徑等機制。更好的理解人類腸道菌群和其自身的關係，可以在目前臨床傳統藥物治療的基礎上為心血管疾病患者提供更多的潛在的治療方法，如調整飲食，益生菌和抗生素的合理應用，甚至糞便移植等；為數量眾多的心血管疾病患者在預防和治療上帶來更多的可能性。

作者：王燕 蔡軍