肠道菌群与心血管疾病相关性的研究进展

罗晓雅，杨志宏

(中国医学科学院北京协和医学院药用植物研究所药理毒理中心，北京 100193)

肠道菌群是一类寄居在人体胃肠道中数量庞大、种类繁多的微生物群，包含有15 000～36 000个细菌种类，总体数量约是人体细胞总数的10倍，可通过调节宿主代谢活动及调控肠道免疫屏障和生物屏障来维护宿主健康。其种类和数量受到遗传、环境、饮食等多种因素的影响。众所周知，肠道菌群稳态对人体的生理代谢和免疫调节等方面具有重要意义，但对肠道菌群系统如何长期维持稳态仍存在疑问。有研究发现，肠道菌群稳态可能是通过不同菌群之间的竞争关系而得到维持，而非人们所认为的协作关系[1]。

基于肠道菌群的整体性和复杂性，肠道菌群稳态往往取决于菌群的多样性、丰富度以及其相关代谢功能的保留程度，其中一方面或多方面的紊乱可导致多种疾病的发生或加剧，例如肥胖、非酒精性脂肪肝、炎症性肠炎等。本文主要探讨肠道菌群与心血管疾病的相关性。研究证明，心血管疾病患者肠道中的双歧杆菌和乳酸杆菌明显下调，大肠杆菌和链球菌等明显增加。肠道菌群紊乱可导致宿主体内糖类、脂质等物质代谢失调，并加强体内炎症反应和氧化应激，促使疾病发生或恶化[2]。肠道菌群作为人体代谢和免疫调节等过程的重要参与者，与心血管疾病相互关系的研究对治疗心血管疾病具有重要意义。本文对近16年国内外的相关研究进行了收集和整理，以期梳理肠道菌群对心血管疾病的作用机制以及相关治疗方法，为基于肠道菌群治疗心血管疾病提供一定的理论参考。

1 肠道菌群对心血管疾病的影响

肠道菌群紊乱通常包括细菌数量、种类的变化以及细菌移位。目前研究表明，肠道菌群紊乱对心血管疾病的影响机制主要包括4个方面：① 肠道菌群紊乱导致细菌内毒素移位，并促进炎症因子释放而导致炎症反应；② 肠道菌群紊乱导致物质代谢异常，从而引发心血管疾病，如脂质和色氨酸代谢；③ 肠道菌群紊乱促进体内氧化应激反应，加重心血管疾病发展；④ 肠道菌群基因对宿主的影响。

1.1炎症反应肠道菌群多由革兰阴性菌组成，故细菌移位往往伴随着细菌内毒素在循环系统的增加。细菌内毒素由脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)或类脂成分组成，主要由肠道内凋亡或自溶的革兰阴性菌细胞壁破裂产生。心血管疾病患者肠道屏障功能被破坏，是导致相关细菌过度增殖以及血浆内毒素浓度升高的主要原因。细菌内毒素可损伤内皮细胞，刺激粒细胞和吞噬细胞释放儿茶酚胺，对肠灌注产生不利影响，同时增加活跃的交感紧张，加剧心血管疾病的发生[3]。

血浆中内毒素可作用于单核细胞和巨噬细胞，促进肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α, TNF-α)、白细胞介素1(interleukin 1, IL-1)、白细胞介素6(interleukin 6, IL-6)等促炎性细胞因子的释放。TNF-α能够通过横纹肌和其他组织细胞表面的特殊受体介导心肌细胞凋亡，心肌细胞凋亡不足或凋亡过度均会影响心脏功能。TNF-α还可通过抑制内皮细胞释放NO，上调促细胞分裂剂激活性蛋白激酶/细胞外信号调节性激酶-3(MAP/ERK kinase 3, MEKK-3)和肌动蛋白表达而损伤内皮细胞，并刺激内皮细胞表达黏附分子，以及促进炎症细胞对内皮细胞的黏附作用，导致动脉粥样硬化的形成[4-5]。IL-6主要由肝细胞、胰岛细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和T细胞的某些亚型表达产生，其浓度水平与心脏疾病紧密相关，对心脏功能、内皮功能、炎症细胞和类脂物代谢具有多种效应。

值得注意的是，细菌内毒素和促炎性细胞因子的释放会进一步损伤患者内皮细胞，改变肠道通透性，形成正反馈回路，导致心血管疾病患者处于长期且愈加严重的炎症反应中，减弱心脏功能。

1.2脂质代谢肠道菌群是脂质代谢的主要参与者，其中高脂饮食是心血管疾病产生并加重的重要外源性因素，血胆固醇和甘油三酯水平与心血管疾病的发病率密切相关。高脂饮食在代谢过程中可影响肠道菌群结构，增加肠道内肠杆菌，并减少双歧杆菌、乳酸杆菌等益生菌。还可抑制肠上皮紧密连接蛋白Occludin和ZO-1的表达，影响肠上皮的完整性，致使肠道通透性及内毒素水平增加[6]。同时，肠道菌群紊乱可进一步影响脂质代谢。研究发现，肠道中拟杆菌增多与体内脂肪蓄积相关，拟杆菌可提高脂蛋白酶的活性，抑制体内禁食诱导脂肪因子的表达，降低骨骼肌中脂肪酸的氧化，导致脂肪积累，增加心血管疾病发生风险[7]。

胆汁酸是胆固醇在肝脏的代谢产物，在脂肪代谢中具有重要作用。双歧杆菌、乳酸杆菌可产生结合胆盐水解酶，将结合胆盐转变为游离胆盐，而游离胆盐疏水性增加，不易被重吸收进入肠肝循环，大部分通过粪便排出体外。此时肝脏会更多地利用血清胆固醇重新合成胆汁酸以保证正常的脂肪消化，从而实现降血脂的作用。因此，宿主肠道中双歧杆菌、乳酸杆菌等菌属数量减少可降低血中胆固醇的转化利用，使血脂升高。

有研究表明，膳食胆碱、磷脂酰胆碱或甜菜碱依赖于肠道菌群的代谢产物——氧化三甲胺(trimethylamine oxide, TMAO)能增加心血管疾病的患病风险。磷脂酰胆碱主要来源于鸡蛋、牛奶、肝脏、红色肉类、鱼类等，在肠道中首先被肠道菌群代谢生成三甲胺(trimethylamine, TMA)，TMA在肝脏黄素单加氧酶(flavin monooxygenase, FMO)的作用下形成TMAO，进而通过调节巨噬细胞表面清道夫受体的表达水平，参与动脉粥样硬化过程[8]。综上所述，高脂饮食可通过与肠道菌群的相互作用，间接地增加心血管疾病的患病风险。

1.3氧化应激氧自由基含量升高与动脉粥样硬化早期斑块的形成密切相关，炎症相关的激素和细胞因子可刺激斑块部位的心肌细胞产生氧自由基。氧化应激发生时，内皮型NO合酶(endothelial nitric oxide synthase, eNOS)来源的NO和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)来源的氧阴离子发生反应，形成过氧亚硝基(ONOO-)，ONOO-作用于内皮祖细胞，降低eNOS活性，加重血管内皮损伤[9]。活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)可对低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL)氧化修饰，氧化型低密度脂蛋白与巨噬细胞上清道夫受体高度亲和，趋化单核细胞和淋巴细胞至内皮下间隙释放炎症因子，促进平滑肌细胞增殖，巨噬细胞中聚积大量的胆固醇酯，形成泡沫细胞，导致动脉粥样硬化形成[10]。

尿酸具有抗氧化性，但高浓度尿酸则表现为促氧化作用。血尿酸水平升高可导致血中亚硝酸盐/硝酸盐含量增加、NO生物利用度降低以及氧化应激发生。冠心病患者肠道菌群对尿酸的分解活性增强，血尿酸水平明显升高，表明肠道菌群可能在冠心病患者尿酸代谢中具有重要作用。

1.4色氨酸代谢食物中的色氨酸经肠道大肠杆菌分解后可产生硫酸吲哚酚(indolol sulfate, IS)，系统性IS水平升高可诱导左心室肥大，增加慢性肾病患者患心血管疾病的风险。在内皮细胞中，IS能通过诱导NADPH氧化酶，促进超氧化物和过氧亚硝酸盐的生成，抑制NO的生成及内皮细胞活性和生长，引起内皮功能障碍。体外研究显示，IS能够促进心肌成纤维细胞胶原的合成和细胞肥大，刺激人单核细胞中TNF-α、IL-6、IL-1β的表达[11]。

1.5病毒性心肌炎(viralmyocarditis，VMC) VMC是一种由病毒感染所致的局限性或弥漫性心肌炎性病变。B3型柯萨奇病毒(coxsackievirus B type 3，CVB3)是其中一种致病病毒，可被多种Toll样受体(Toll-like receptor, TLR)识别而启动机体的抗炎症应答，TLR13是其中之一。研究发现，革兰细菌23S rRNA上的一段保守序列是TLR13的天然配体，且CVB3对♀鼠和♂鼠的致病性存在差异，经测定♀鼠和♂鼠的肠道菌群多样性和丰富度差异明显，由此推测，CVB3的致病性可能与宿主肠道菌群相关，有待于进一步研究[12]。

2 基于肠道菌群的可能治疗机制

目前，基于肠道菌群对心血管疾病治疗的理论机制主要在于对菌群稳态的调节，以及其相关生物途径的干预。研究表明，日常饮食可影响肠道微生物的组成，部分富含脂肪的膳食还会增加心血管疾病发生的概率，故控制饮食是预防或缓解心血管疾病的基础手段。此外，使用抗生素和益生菌、粪菌移植、内毒素吸附以及药物干预目标菌群和其相关代谢途径等，均是与肠道菌群相关的治疗手段。恢复肠黏膜损伤，重建肠道完整的屏障功能和生理活性也是值得考虑的治疗方向。

2.1膳食营养饮食是影响肠道菌群结构和功能的重要因素，也是用于调节肠道菌群的基础手段。高纤维、高蛋白以及富含糖类和多酚的食物可增加菌群多样性，平衡菌群结构并增强其代谢功能，从而缓解炎症反应[13]。因此富含上述物质的粗粮、蔬菜、水果以及奶制品等，是我们日常饮食的首选。

2.2抗生素抗生素作为控制细菌感染性疾病的重要治疗手段被广泛使用。万古霉素可改变肠道菌群丰富度，减少缺血/再灌注损伤的大鼠的心肌梗死面积，并提高其缺血后机械功能的恢复[14]。多黏菌素B和妥布霉素可减少心力衰竭患者肠道内的革兰阴性菌和粪便中内毒素含量，以及体内IL-1β、IL-6、TNF-α的含量[15]。但多黏菌素B已因其毒性被临床限制使用。这一现状提示我们在关注抗生素临床治疗效果的同时，也要关注其带来的副作用。抗生素使用不当可杀死体内有益菌，使致病菌产生耐药性，带来诸多不良反应。目前，如何明确抗生素不良反应机制，使其临床治疗效应最大化仍是亟待解决的问题。

2.3益生菌动物体内的益生菌主要包括乳酸菌、双歧杆菌、放线菌、酵母菌等。益生菌可降低重度颅脑损伤患者体内的IL-6和TNF-α水平，抑制机体炎症反应，保护并修复患者肠黏膜屏障，改善肠道功能[16]。鼠李糖乳杆菌GR-1可明显减弱冠状动脉阻塞大鼠的左心室肥大，提高左心室收缩和舒张的能力，停止治疗后仍可保留持续的治疗效应，且GR-1未在肠道中定植，也未对盲肠中的微生物组成产生影响[17]。但使用益生菌仍存在感染的风险，其安全性还需进一步研究。

2.4内毒素吸附内毒素可损伤肠道屏障功能，促进系统性炎症因子释放，加重心血管疾病，故抑制或清除内毒素是治疗心血管疾病等炎症性疾病的有效手段。用固定有多黏菌素B短肽的聚苯乙烯微球对动物模型进行血液灌流，可清除动物模型血液中的内毒素，并具有良好的血液相容性。MATISSE®是一种人血白蛋白固定吸附器，对重症脓毒症和内毒素血症有潜在治疗作用，并且未发现任何副作用。

2.5中药治疗中药与肠道菌群具有相互作用的关系，中药部分有效成分的药效发挥依赖于肠道菌群的代谢作用，同时中药对肠道菌群以及由肠道菌群紊乱引起的一系列炎症反应具有调节作用。心血管疾病具有发病机制复杂、病程长且难治愈的特点，中药复方的药物组分和作用机制具有多样性, 可对心血管疾病进行多靶点、多方面、多层次防治干预。丹参、黄芩、黄芪、人参等中药是治疗心血管疾病复方中的主要药物。

丹参主要通过丹参酮ⅡA、丹酚酸B、丹参酮ⅡB、黄芩苷、二氢丹参酮Ⅰ、丹参酮Ⅰ等13个化学成分对心血管疾病进行多靶点治疗，治疗机制包括促进脂质代谢、抗炎、抗应激损伤、调节细胞增殖等方面。具体地，丹参酮IIA可抑制TNF-α等促炎性因子的产生，并可能通过抑制TNF-α诱导的核转录因子κB(nuclear factor kappa B, NF-κB)和巨噬细胞浸润来治疗心血管疾病[18]。丹参多酚酸盐可抑制LDL的氧化修饰，对动脉粥样硬化的发展可能具有抑制作用。丹酚酸B可抑制ROS产生和NF-κB激活[19]。口服低剂量丹参饮片或粉末可明显增加肠道内双歧杆菌等益生菌，并抑制肠杆菌等致病菌，调节肠道微环境。由此推测，丹参对心血管疾病多靶点的治疗机制可能与其对肠道菌群的调节作用相关。

黄芩中的黄芩苷可经由肠道菌群代谢后发挥药效，通过抗氧化应激、调节免疫功能以及减轻组织缺血/再灌注损伤等方面，治疗心血管疾病。同时，黄芩苷可抑制由LPS诱导的肠上皮细胞凋亡，对肠道屏障功能具有修复和保护作用[20]。低剂量的黄芩苷能降低肠道内革兰阴性菌与阳性菌的比例，这可能是其减少内毒素含量，减轻肠道内炎症的主要原因。野黄芩素是黄芩属植物中的一种黄酮类成分，可增加血红素氧合酶-1(heme oxygenase 1,HO-1)的表达水平，并通过提高酶活性来抑制机体的炎症反应[21]。其中，HO-1是血红素分解代谢的起始酶及限速酶，其表达上调可明显减少心力衰竭大鼠细菌移位率及血浆内毒素含量。

黄芪含有黄芪多糖、黄芪皂苷、黄芪黄酮类等多种活性成分，对心血管疾病有明显的治疗作用。黄芪多糖和黄芪皂苷可抑制同型半胱氨酸引起的环鸟苷酸(cyclic guanosine monophosphate, cGMP)水平的下降和 ROS的产生，通过抗氧化应激有效地保护同型半胱氨酸引起的内皮依赖性舒张损伤[22]。黄芪总黄酮可明显降低动脉粥样化兔模型血浆中总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇的水平，并增加高密度脂蛋白胆固醇(high density lipoprotein cholesterol, HDL-c)的水平[23]。HDL-c具有抗氧化、抗炎、抗凋亡、促进NO合成等作用，是心血管疾病治疗的重要靶点。利用黄芪治疗肠道菌群紊乱的大鼠，其肠道内双歧杆菌、乳酸杆菌含量明显增加，而肠杆菌含量明显降低，这一结果提示黄芪对心血管疾病的治疗作用可能与其调节肠道菌群稳态作用相关[24]。

人参中的人参总皂苷包含单体成分较多，作用机制复杂。部分人参皂苷可经由肠道菌群代谢后发挥药效，参与抗氧化应激、调节免疫系统、保护内皮细胞等过程。服用人参皂苷的小鼠，其肠道内的荧光假单胞菌和丁酸梭菌的数量明显增加，推测人参皂苷可通过上调肠道荧光假单胞菌和丁酸梭菌的数量，促进优势菌的增殖，抑制肠道病原菌生长，从而维护宿主健康[25]。

综上所述，中药成分较多，作用机制复杂，可从多方面对心血管疾病进行调整干预。中药的部分有效成分需经肠道菌群代谢后发挥或增强药效，除调节肠道菌群稳态外，还可缓解由肠道菌群紊乱引起的炎症反应、代谢紊乱等。心血管疾病患者在致病因素的影响下，处于长期恶性循环之中，中药能够从多方面切断这一恶性循环，并通过肠道屏障功能和生理功能、肠道菌群以及免疫系统之间相互调节，达到更好的治疗效果。

3 展望

心血管疾病发病机制复杂、病程长且难以治愈，即使是在医学科学快速发展的今天，心血管疾病治疗仍是世界医学的棘手问题。近年来，随着对心血管疾病和肠道微生态研究的深入，心血管疾病和肠道菌群之间的相互关系逐渐被认识，为治疗心血管疾病提供了新的方向。具体地，心血管疾病患者的肠道形态和功能发生病变，导致肠道菌群紊乱，破坏机体正常代谢，增强体内氧化应激反应和全身性炎症。这一系列的变化又可导致肠道病变恶化，菌群紊乱加剧，形成正反馈调控，使得心血管疾病患者处于长期且愈加严重的炎症反应当中，甚至增加其他疾病的患病风险。目前，基于肠道菌群对心血管疾病治疗的理论机制主要在于对肠道菌群稳态的调节，以及对其与心血管疾病的相关生物途径的干预，包括使用抗生素和益生菌、内毒素免疫吸附、药物干预等。近年来，随着中医药的发展，中药治疗心血管疾病的优势已经渐渐凸显，多靶点、低毒性的特点使中药在心血管疾病治疗方面具有极大的潜能。发展传统中医药，对中药复杂成分和治疗机制的研究是未来发展的重要方向。同时，基于肠道菌群的复杂性和多样性，其与心血管疾病之间的相互关系仍有待于进一步研究。而对于心血管疾病的治疗方法，我们不仅要关注其疗效，更应该明确其中的风险，在完善现有的相关治疗手段的同时，研发新策略，为心血管疾病的治疗提供更为有效的手段。