肠道菌群与慢性心力衰竭相关性研究进展

崔 晓，蔡 军

慢性心力衰竭因血流灌注不足以满足机体需求，进而影响多种脏器功能；与此同时，包括肠道在内的多种脏器的功能异常也可影响慢性心力衰竭的发生发展[1-3]。近年来，越来越多的研究发现肠道内细菌可以通过免疫、代谢等途径参与健康状态的维持以及多种疾病的发生发展[4]。目前有一些研究提示肠道细菌与慢性心力衰竭之间亦存在相互作用，但是具体机制尚未完全明确。本文将从肠道病原菌及内毒素移位、肠道细菌相关代谢产物以及影响肠道菌群的干预手段等角度对肠道菌群与慢性心力衰竭的研究进展作一综述。

1 肠道病原菌及内毒素移位与慢性心力衰竭的关系

1.1 慢性心力衰竭患者的肠道病原菌增加 研究显示，慢性心力衰竭患者肠道动脉血流减少是其肠道内细菌增长、胃肠道症状及恶液质之间的联结[5]。慢性心力衰竭患者中有30%～43%的患者存在肠系膜上动脉、肠系膜下动脉和腹腔干的平均收缩期血流减少，较之对照组存在显著性差异（P＜0.002）。并且，肠系膜上动脉及腹腔干的血流减少与心力衰竭严重程度及心源性恶液质相关（P＜0.04），腹腔干血流减少与更严重的胃肠道症状及抗脂多糖的IgA水平升高相关（r=0.76，P＜0.02），而抗脂多糖抗体水平与肠黏膜表面细菌增长有关[5]。

此外，慢性心力衰竭患者的肠道中存在病原性细菌及真菌水平升高的现象[6]。研究发现，较之性别、年龄、体质量指数（body mass index, BMI）匹配的健康对照，稳定性慢性心力衰竭患者粪便样本中病原菌数量显著增加，如弯曲杆菌 [（85.3±3.7）CFU/ml vs.（1.0±0.3）CFU/ml，P ＜ 0.001]、 志 贺 杆 菌[（38.9±12.3）CFU/ml vs.（1.6±0.2）CFU/ml，P＜0.001]、沙门菌[（31.3±9.1）CFU/ml vs.0 CFU/ml，P＜0.001]、小肠结肠炎耶尔森菌[（22.9±6.3）CFU/ml vs. 0 CFU/ml，P＜0.0001]和念珠菌属[（21.3±1.6）CFU/ml vs.（0.8±0.4）CFU/ml，P＜0.001][6]。与此相一致的是，一项美国的全国性研究显示心力衰竭患者的艰难梭菌感染率更高，且与其院内病死率的显著升高相关[7]。

1.2 慢性心力衰竭患者肠壁通透性增加 除了肠道动脉血流减少外，慢性心力衰竭患者同时存在肠道形态改变、肠壁通透性增加且吸收功能减低的情况[5，8]。肠壁通透性的增加则为病原菌及内毒素的移位创造了可能。有研究显示，与对照组相比，慢性心力衰竭患者的肠壁厚度显著增加（P均＜0.01），包括回肠末端[（1.48±0.16）mm vs.（1.04±0.08）mm]， 升结 肠 [（2.32±0.18）mm vs.（1.31±0.14）mm]， 横 结肠 [（2.19±0.20）mm vs.（1.27±0.08）mm]， 降 结 肠[（2.59±0.18）mm vs.（1.43±0.13）mm]， 乙 状结 肠 [（2.97±0.27）mm vs.（1.64±0.14）mm]。 与此同时，慢性心力衰竭患者小肠肠壁通透性增加35%（乳果糖/甘露糖比值：0.023±0.001 vs.0.017±0.001，P=0.006），大肠肠壁通透性增加210%[三氯蔗糖排泄率：（0.62±0.17）% vs.（0.20±0.06）%，P=0.03]，肠黏膜表面细菌定植浓度显著增加（P=0.007），而标志被动转运功能的右旋木糖吸收率则减少29%[（26.7±3.0）%vs.（37.4±1.4）%，P=0.003][8]。

但是，也有研究不支持充血性心力衰竭患者存在肠壁通透性增加的学说。有研究纳入19例稳定性慢性心力衰竭患者（NYHA分级Ⅱ～Ⅳ级，左室射血分数≤40%或左室射血分数＞40%且既往曾因心力衰竭住院），并以20例健康者及25例行骨髓移植就诊患者分别作为对照组，使用（51）Cr-EDTA吸收试验测定受试者的肠壁通透性。结果显示，与2组对照相比，慢性心力衰竭患者的肠壁通透性均无显著改变，慢性心力衰竭患者组[（1.82±1.96）%]，健康对照组 [（1.54±0.59）%，P=0.4]，骨髓移植患者对照组[（1.90±0.90）%，P=0.7][9]。须要注意的是，该阴性结果也可能与样本量较小有关。并且，不同研究采取的测定肠壁通透性的方法不同，也可能是上述结论不一致的原因。

1.3 慢性心力衰竭患者的内毒素水平及炎症状态 既往多项研究表明，慢性心力衰竭患者处于低水平系统性炎症状态，其TNF-α、可溶性肿瘤坏死因子受体-1、IL-6及IL-1等多种促炎性细胞因子的水平升高，并且与心力衰竭严重程度、再住院率以及2年死亡率升高相关[10-12]。并且，较之健康对照及无水肿的慢性心力衰竭患者，近期新发外周水肿的慢性心力衰竭患者的平均内毒素浓度及TNF-α等多种细胞因子水平也存在进一步升高[13]。

此外，有研究发现脂多糖反应性与慢性心力衰竭患者的死亡风险相关[14]。该研究纳入了122例慢性心力衰竭患者[NYHA分级（2.5±0.8）级，左室射血分数（33.5±12.5）%]及27例对照。取受试者全血并加入递增剂量的脂多糖后测量其TNF-α浓度。同时根据反应性TNF-α分泌的变化程度将慢性心力衰竭患者分为良好反应性及差反应性亚组。结果显示，反应性TNF-α的变化程度取1522 pg/ml为界值时，其预测死亡的敏感度为49.3%（95%CI：37.2%～61.4%）、特异度为81.5%（95%CI：61.9%～93.6%）；经过多变量校正后，脂多糖反应性仍可作为死亡预测因素（良好反应性 vs. 差反应性的风险比为0.09，95%CI：0.01 ～ 0.67，P ＜ 0.05）[14]。

结合上述研究发现，慢性心力衰竭患者可能存在“肠道内病原菌增加-肠壁血流减低、形态改变并通透性增加-内毒素移位并刺激机体炎症反应-患者死亡风险增加”这样一病理过程。而鉴于健康的肠道菌群的重要作用之一即为抵抗病原微生物的定植，慢性心力衰竭患者肠道内病原菌的增加可能继发于其肠道菌群紊乱[15]。

2 肠道相关代谢产物与慢性心力衰竭

2.1 氧化三甲胺 肉类、蛋黄及高脂肪含量乳制品中富含包括胆碱、卵磷脂和肉碱在内的三甲胺丰富的物质，为饮食源性的氧化三甲胺前体。多项队列研究及动物实验报道氧化三甲胺可以促进动脉粥样硬化的发生发展、促进血小板高反应性及增加血栓风险。而其生成过程需要肠道内细菌的参与，上述营养物质进入肠道后，先在肠道细菌的作用下生成三甲胺，继而吸收入血在宿主肝黄素单氧化酶的作用下氧化生成氧化三甲胺[16-19]。

一项研究显示稳定性心力衰竭患者外周血中氧化三甲胺水平升高，且高氧化三甲胺水平对远期死亡率升高有独立预测价值[20]。该研究纳入了720例稳定性心力衰竭患者，测定其空腹血浆氧化三甲胺水平并进行了为期5年的随访研究。与无心力衰竭者相比，心力衰竭患者的氧化三甲胺水平显著升高（P＜0.001），其中心力衰竭患者氧化三甲胺水平中位数为5.0 μmol/L，无心力衰竭者氧化三甲胺水平中位数为3.5 μmol/L。更为重要的是，高氧化三甲胺水平与死亡风险增加3.4倍相关。校正经典危险因素及脑利钠肽（brain natriuretic peptide, BNP）水平后，高氧化三甲胺水平对5年死亡风险仍有预测价值（风险比为2.20，95%CI：1.42～3.43，P＜0.001）；在此基础上进一步校正肾小球滤过率估算值水平后，其仍存在预测价值（风险比为1.75，95%CI：1.07～2.86，P ＜ 0.001）[20]。

该研究团队进一步使用动物实验证实了氧化三甲胺与心力衰竭易感性之间存在因果关系，而不仅仅是相关性[21]。该研究发现心力衰竭模型小鼠中，与术前予正常饮食喂养的对照组相比，造模（基于主动脉弓缩窄术）前予添加胆碱或肠道微生物依赖的胆碱代谢物氧化三甲胺的饮食喂养组的小鼠心力衰竭程度更为严重，其肺水肿及心脏扩大程度均显著增加（P＜0.05），左室射血分数则均显著降低（P＜0.05），心肌纤维化程度亦均显著增加（P＜0.01）。该结果提示，饮食源性胆碱-氧化三甲胺通路可能增加心力衰竭易感性[21]。

2.2 硫酸对甲酚 硫酸对甲酚是一种肠道来源的尿毒症毒素，其产生依赖于肠道内的细菌[22-23]。与营养充足的小鼠相比，营养不良的小鼠恢复充足喂养后尽管体重和身长恢复，但其肠道菌群及包括硫酸对甲酚在内的肠道细菌代谢物仍不能恢复正常[24]。

心力衰竭相关的代谢组学研究显示，硫酸对甲酚对心力衰竭患者的心力衰竭相关事件具有预测价值[25]。较之对照组，心力衰竭患者血浆中硫酸对甲酚水平存在显著升高（P=0.003）；多因素分析显示，硫酸对甲酚水平对心力衰竭患者发生包括死亡在内的心力衰竭相关事件具有独立预测价值 [风险比为 1.06（每 10 μmol/L），95%CI：1.01～1.11，P=0.02]；Kaplan-Meier生存分析显示，较之低硫酸对甲酚水平组（＜50 μmol/L），高硫酸对甲酚水平组（≥50 μmol/L）与复合心力衰竭相关事件发生显著相关（对数秩=5.11，P=0.024；风险比为 2.13，95%CI：1.09～4.16，P=0.02）[25]。

2.3 硫酸吲哚酚 硫酸吲哚酚也是一种尿毒症毒素，其产生亦依赖于肠道内的细菌[22-23]。一项研究从一组肠道中共生的拟杆菌属中鉴定出了广泛分布的色氨酸酶，通过体外实验证明敲除该酶的基因可以消除或极大地抑制吲哚的生成；并且通过改变拟杆菌属的色氨酸酶的状态及丰度，可以调节硫酸吲哚酚的水平[26]。

射血分数保留的心力衰竭患者与射血分数降低的心力衰竭患者生存率相当，舒张功能障碍的心力衰竭患者亦存在高风险[27-28]。而有研究显示，较之高硫酸吲哚酚水平组，低硫酸吲哚酚水平组（≤1.0 μg/ml）中左室舒张功能障碍患者的比例更低，其中低硫酸吲哚酚水平组38例（29%），高硫酸吲哚酚水平组37例（51%）（P＜0.001）[29]。另一项研究亦支持血清硫酸吲哚酚水平与心功能异常相关，并且认为其或可作为评估肾功能正常或轻至中度异常的扩张型心肌病患者预后的生物标志物[30]。以中位数为界值分组，较之低硫酸吲哚酚水平组（＜0.9 μg/ml），高硫酸吲哚酚水平组（≥0.9 μg/ml）BNP与左室射血分数虽无显著差异，但是用以评价舒张功能的舒张早期二尖瓣血流速度（E）/舒张早期二尖瓣环运速度（e’）显著升高。校正了BNP水平后，高硫酸吲哚酚水平组发生心脏事件风险显著增加（P=0.014）[30]。

2.4 氨 肠道细菌可以提供内源性的氮代谢，降解尿素生成氨[31]。而肠道细菌也可能通过此过程，参与机体病理生理过程，如一种高产氨的细菌Clostridium aminophilum与肥胖相关[32]。而血氨水平可以作为预测失代偿性心力衰竭患者预后的标志物，与心脏不良事件有关[33]。一项关于失代偿性心力衰竭的临床研究显示，以患者血氨水平作为预测其心脏复合不良事件（心源性死亡、紧急心脏移植术、机械循环支持治疗）发生的标志物，其AUC为0.603，以≥130 μg/dl作为界值时，敏感度为37.0%，特异度为84.1%；作为对于肾脏替代治疗需求的标志物时，其AUC为0.683，以≥130 μg/dl为界值，敏感度为55.6%，特异度为81.5%[33]。

2.5 胆汁酸 胆汁酸在肝脏可通过经典的细胞色素氧化酶P7A1途径和替代的细胞色素氧化酶P27A1途径代谢胆固醇而生成，并且在生理状态下每天进行4～12次循环，最终只有＜5%的胆汁酸被排泄出体外[34]。而在此过程中，多种肠道细菌可显著地调节胆汁酸代谢，影响其再循环的效率，并且可以基于胆汁酸生成多种信号分子进而影响宿主，也使得胆汁酸成为肠道微生物与宿主相互作用中的重要纽带[35-38]。

研究显示，慢性心力衰竭患者初级胆汁酸水平减少而次级胆汁酸水平增加（P＜0.01），单因素分析发现该现象与总生存率降低相关[39]。该研究基于次级胆汁酸/初级胆汁酸比值四分位分组中，上四分位组中近40%的患者在5.6年的随访中死亡，与更低的四分位组相比，其风险比为1.93（95%CI：1.01～3.68）。然而，经过多因素分析校正后，不再呈显著性相关[39]。此外，一项单中心随机双盲安慰剂对照交叉研究显示，熊去氧胆酸——一种可以调节内源性胆汁酸分泌和重吸收的药物，可增加慢性心力衰竭患者外周血流灌注，基于压力测量体积描记术测量的缺血后手臂外周血流峰值也增加18%（P=0.038）。但是，受试者的6分钟步行试验、NYHA分级、TNF-α及IL-6水平并无明显改变[40]。这些结果提示，胆汁酸在肠道微生物与宿主之间的作用，以及对于慢性心力衰竭病理生理过程的影响与可能的干预手段有待进一步研究。

3 利用基因测序技术揭示慢性心力衰竭的肠道菌群紊乱

目前，仍有高达80%的肠道细菌尚无法用传统细菌培养的方法培养出来[41]。而上述肠道细菌相关的代谢物水平的改变并非慢性心力衰竭患者肠道菌群紊乱的直接证据。近两年来，有研究通过16S rDNA测序及宏基因组测序的方法更为直接与全面地揭示了慢性心力衰竭患者的肠道菌群紊乱状态。在本课题组的研究中，通过对纳入的53例慢性心力衰竭受试者（缺血性心肌病29例，扩张型心肌病24例）及41例对照的粪便样本中的肠道菌群进行宏基因组测序分析，发现慢性心力衰竭患者存在显著的肠道菌群紊乱。慢性心力衰竭患者组的肠道菌群β多样性存在显著改变（F=5.660，P=0.003，R2=0.058），而不同的病因（扩张型心肌病与缺血性心肌病）所引发的慢性心力衰竭患者之间的肠道菌群β多样性则无显著性差异（F=2.010，P=0.101，R2=0.038）[42]。此外，本课题组还发现，普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）减少而活泼胃瘤球菌（Ruminococcus gnavus）增加是慢性心力衰竭患者肠道菌群的最重要的特征[42]。通过宏基因组的功能学注释，我们同时发现慢性心力衰竭患者的肠道菌群存在多种重要的功能学改变。例如，氧化三甲胺合成过程的关键酶——三甲胺裂解酶的细菌基因在慢性心力衰竭患者的肠道菌群中的水平显著高于对照组。并且通过联合代谢组学分析，发现特定代谢物改变与肠道细菌改变之间存在显著性关联[42]。

同时，有日本学者通过对12例心力衰竭患者及12例健康对照的粪便样本进行16S rDNA测序，也证明了心力衰竭患者存在显著的肠道菌群紊乱；并且，通过比较12例＜60岁与10例≥60岁的心力衰竭患者的肠道菌群发现，后者的肠道菌群中Faecalibacterium菌属的丰度进一步降低[43]。另一项关于射血分数降低的非缺血性心力衰竭患者肠道菌群的研究，亦通过16S rDNA测序的方法进一步证实其肠道菌群β多样性存在显著改变，并且发现该类型心力衰竭患者的肠道菌群中SMB53菌属的丰度显著减少[44]。通过使用基因测序技术从而突破当前细菌培养方法的限制，这些研究结果均表明慢性心力衰竭患者存在肠道菌群紊乱，为进一步探究肠道菌群的改变在慢性心力衰竭病理生理机制中的角色以及潜在干预靶点提供了研究基础。

4 影响肠道微生物的干预手段与慢性心力衰竭

4.1 胃肠道手术对慢性心力衰竭的影响 既往研究发现，行Roux-en-Y胃转流术的患者术后可出现体质量减轻、血压降低、肥胖相关肾小球超过滤改善的现象[45]。一项基于1996—2014年的丹麦国家患者注册研究的队列研究显示，结肠切除术后高血压病风险降低，但是包括心力衰竭在内的多种心血管疾病风险并未降低[46]。利用Cox比例风险模型发现，与对照组相比，结肠切除组发生复合心血管事件（高血压病、急性缺血性心脏病、慢性缺血性心脏病、心律失常、心力衰竭、脑血管疾病及其他动脉疾病）风险虽有降低趋势，但是呈非显著性（风险比为0.94，95%CI：0.85～1.04，P=0.22）；心力衰竭亚组分析显示增加趋势但亦无显著性差异（风险比为1.10，95%CI：0.84～ 1.44，P=0.48）[46]。胃肠道手术是否可以通过影响肠道菌群参与机体的病理生理过程，并进而影响慢性心力衰竭等心血管疾病的预后，目前尚缺乏直接证据。

4.2 抗生素及益生菌的应用与慢性心力衰竭 既往多项研究表明，抗生素的应用可以影响肠道菌群结构和功能，并可参与多种疾病的病理机制[47-49]。一项基于瑞士多中心随机对照研究的二次分析研究将233例受试者中具有低降钙素原水平（＜0.25 μg/L）的110例（47.2%）随机分为2组：基于降钙素原测定的抗生素管理（50例）与基于当前最先进指南的抗生素管理[40例（对照组）]。结果显示，较之对照组，基于降钙素原测定的抗生素管理组抗生素使用时间显著减低（差异-2.8 d，95%CI：-4.4～-1.2，P＜0.01），30 d不良事件发生率（死亡、ICU再住院）亦显著减低（绝对差异-16.0%，95%CI：-28.4%～-3.6%，P=0.01）[50]。该研究结果同时提示，在非必要使用抗生素时，减少抗生素暴露或许可改善慢性心力衰竭患者预后。但是，该效应是否与抗生素暴露减少从而使相应的抗生素对肠道菌群的不良影响减少相关，尚有待于进一步研究。

目前益生菌在治疗包括肠易激综合征、炎症性肠病以及结肠癌等疾病中的作用已经有所认知[51-53]。有研究显示补充益生菌亦可缓解心力衰竭。较之安慰剂对照组，饮水中补充Lactobacillus rhamnosus GR-1的心力衰竭大鼠尽管无显著GR-1定植或肠道菌群结构改变，但是存在显著的心肌肥厚及BNP基因表达的改善，且反映左室收缩功能及舒张功能的相关血流动力学参数均显著改善；研究者同时发现其可能的机制为GR-1缓解了心力衰竭大鼠造模（基于冠状动脉夹闭术）后的血浆中瘦素/脂联素比值的升高[54]。该结果提示，益生菌或可作为慢性心力衰竭的又一干预手段。

4.3 饮食干预与慢性心力衰竭 饮食是否可以通过影响肠道菌群从而影响心血管疾病也引起了研究者的关注。一项研究显示，高纤维饮食可以改变肠道菌群结构，对于心血管疾病的发展起保护作用，该获益与乙酸盐的产生和分布相关[55]。不论是盐皮质激素过量高血压模型小鼠还是假手术对照小鼠，较之正常饮食组，高纤维饮食组肠道菌群的β多样性均显著改变（P=0.001），产乙酸盐细菌的丰度呈显著增加（P＜0.0001）。高纤维饮食组和补充乙酸盐组的肠道菌群失衡（以厚壁菌门/拟杆菌门比值为标志）显著缓解，Bacteroides acidifaciens菌比例增加。盐皮质激素过量高血压模型小鼠，与正常饮食组相比，高纤维饮食组和乙酸盐补充饮食组小鼠血压均显著降低，左心室壁增厚程度均显著减低，乙酸盐补充饮食组左室舒张末径接近正常水平，高纤维饮食组和乙酸盐补充饮食组心脏转录组中，具有心脏保护性作用的titin-cap（Tcap）和组织基质金属蛋白酶抑制物-4的表达上调，而心脏病理过程中的重要调节蛋白早期生长应答因子-1的表达下调[55]。该结果表明，饮食或可通过影响肠道菌群从而影响高血压至慢性心力衰竭的发展过程，并提示了在传统药物治疗基础上，合理的饮食干预对于慢性心力衰竭等心血管疾病防治具有重要价值。

5 小 结

综上所述，目前的研究证据表明慢性心力衰竭患者肠道中病原菌数量增加，肠壁血流及形态学改变、通透性增加，并存在血内毒素水平升高和系统性炎症状态；肠道内细菌相关代谢物如氧化三甲胺、硫酸对甲酚、硫酸吲哚酚、氨以及胆汁酸可能影响慢性心力衰竭的发生发展；基于基因测序的技术16S rDNA测序及宏基因组学测序分析更为直接而全面地揭示了慢性心力衰竭的肠道菌群紊乱；影响肠道菌群的干预手段如抗生素、益生菌以及饮食可能影响慢性心力衰竭的严重程度或与其预后存在关联。在上述研究的基础上，仍需要有进一步研究去深入探讨肠道菌群与慢性心力衰竭的相互作用机制，探索出更为精准有效的干预手段。