肠道菌群在心血管疾病中的作用及其机制研究进展

胡 娟，汪星辉，高 杉，孟祥云

(1. 合肥市第二人民医院(安徽医科大学附属合肥医院)药学部，安徽 合肥 230011; 2 .安徽医科大学基础医学院药理教研室,安徽 合肥 230032)

心血管疾病(cardiovascular diseases，CVDs)因具有发病率高，治愈率低，死亡率大的特点，现已严重威胁了人类的健康。最近的研究表明[1]，肠道菌群(gut microbiota，GM)在CVDs中起着至关重要的作用，且对于GM的研究一直呈上升趋势，研究发现，GM与多种疾病有关[2]，如肥胖、糖尿病、消化系统疾病和癌症等。婴儿出生之前，肠道里的微生物很少，出生后就开始不断受到外界的刺激，肠道内的微生物数量开始不断增加，逐渐形成肠道一个动态平衡的微生物群。当饮食习惯、环境因素、肠道感染、疾病或其他危险因素会导致成年人体内GM的种类和数量发生改变，导致GM失调，引起氧化应激反应、炎症反应和代谢紊乱，从而促进CVDs的发生和发展。

1 GM概述

GM是对大量依赖人类肠道微生物的总称,人体携带的细菌数量约为1014种，据估计，GM的基因约有300万个，是人类基因组的150倍, GM及其代谢物能够帮助人体完成多种生理生化功能。人体中胃肠道是细菌居住最多的地方,肠道不同解剖位置的GM组成无明显差异,主要由厚壁菌，拟杆菌，变形杆菌，放线菌，梭菌和疣微菌组成，其中大部分为厌氧微生物。在健康人体的GM中，厚壁菌和拟杆菌是主要的优势菌群，占比达到90%。生活在胃肠道不同区域的微生物数量不同，且相差很大[2]，升结肠的数量最高(1011cells·g-1),其次为回肠远端(107～108cells·g-1)，近端回肠、空肠含量较少，仅102～103cells·g-1。人体为GM提供适宜的环境和必需的营养，反之，GM参与调控人体的各种功能，如提供代谢营养、促进生长、调节免疫、消除病原微生物、保持肠道屏障的完整性和正常的稳态平衡[3]。

2 GM代谢物

2.1 氧化三甲胺 ( trimethylamine N-oxide，TMAO)TMAO是一种具有生物活性的分子，是慢性CVDs的启动子[4]。三甲胺主要来源于肉类、鸡蛋、乳制品和咸鱼等，通过胆碱、磷脂酰胆碱、左旋肉碱和甜菜碱代谢，产生一系列微生物酶，主要是三甲胺裂合酶，大部分三甲胺被血液吸收，然后被一种肝脏酶-含黄素的单氧化酶-3迅速氧化为TMAO。TMAO不仅影响脂质代谢，引起细胞内胆固醇积累，还直接影响血小板功能、促进炎症反应等，TMAO及其相关代谢物的水平与CVD的风险成正比。

2.2 短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)人体胃肠道每天一般产生SCFAs约为50～100 mmol，大部分来源于肠道细菌发酵未消化的碳水化合物，小部分来源于日常饮食和蛋白质代谢，肠道中SCFAs主要以离子形式存在，易被吸收到宿主的血液中，与宿主蛋白质相互作用而影响宿主的生理功能[5]。SCFAs主要由醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐组成，在结肠中的占比分别约为60%、25%和15%，三者占GM产生的总SCFAs的80% ，SCFAs除了作为结肠上皮细胞的重要燃料外，还通过G蛋白偶联受体调节不同的细胞信号转导过程，在糖和脂代谢中也发挥重要作用，SCFAs还可以通过减少免疫细胞的迁移和增殖，抑制炎症反应。因此，SCFA被认为具有抗炎作用。

2.3 胆汁酸胆汁酸是由肝脏中的胆固醇合成的两亲性分子，这一过程是消除人体胆固醇的重要途径。储存在胆囊中的胆汁酸被分泌到肠道中，促进乳化膳食脂肪，有助于肠道吸收脂质营养和脂溶性维生素。一方面, 胆汁酸可以自身调节代谢，主要通过法尼醇X受体，法尼醇X受体活化可以减少肠缺血/再灌注损伤，保持肠内结构完整性和通透性。此外，法尼醇X受体激动剂可以减少促炎细胞因子的释放[3]。另一方面GM也可以通过代谢胆汁酸来调节宿主的代谢，胆汁酸具有多效性和激素活性，可以调节脂质和葡萄糖代谢，控制炎症和纤维化，维持血管完整性，恢复肠道屏障，控制昼夜节律，延缓衰老[6]。

2.4 儿茶酸儿茶酸是花青素和原花青素等复杂多酚的主要代谢物之一，通常在洋葱、李子、醋栗和葡萄等蔬菜水果中高浓度存在。儿茶酸通过作用于不同的分子靶点，发挥不同的生物学作用。有学者认为儿茶酸通过IGF-I信号通路抑制血管平滑肌细胞增殖，提高巨噬细胞内源性抗氧化能力，促进细胞增殖和细胞存活[3]，儿茶酸可以改善心功能和心脏自主平衡，防止心肌线粒体功能障碍，增加抗凋亡蛋白的表达。儿茶酸还可以明显刺激骨骼肌糖代谢，调节血糖和脂质状态，减少促炎细胞因子的分泌。

2.5 其他代谢物肠道中的蛋白质被有害微生物代谢，产生有害的胺、酚、氨，引起不适和疾病，对人体的心血管系统有很大的影响。研究发现，对甲酚硫酸盐和苯乙酰谷氨酰胺在非冠心病患者中含量较低，而在冠心病患者中含量较高[7]。食物中的色氨酸被大肠杆菌代谢产生大量醌，在微生物氧化酶的作用下进一步氧化为吲哚酚。与TMAO类似，肝脏中的吲哚酚被磺化形成硫酸吲哚酚，硫酸吲哚酚过量积累导致心肌细胞氧化，诱导心肌细胞损伤，血管内皮细胞损伤，促进血管通路血栓形成。肠内酯主要由肠内消化富含纤维的食物产生。meta分析发现，血清中肠内酯水平较高的患者发生急性冠状动脉意外的风险较低，因此较低的肠内酯水平可能是冠心病的另一个危险因素[8]。此外，人类肠道中一些还原菌以硫酸盐为底物，产生大量的硫化氢，硫化氢在人体中起着气体发射器的作用，具有保护细胞、舒张血管、调节血压和降低心率等多种生理功能。

3 GM与CVDs

3.1 高血压高血压是一种最常见的心血管疾病，随着年龄的增长，发病率也逐渐增长，而且我国高血压的发病人群正趋于年轻化，其发病机制具有复杂性，影响因素多，寻找新的致病点，从而更有效地靶向治疗一直是医务工作者努力的方向，现已发现GM失调是高血压的致病因素之一[9],GM中厚壁菌和拟杆菌占GM的很大一部分，厚壁菌和拟杆菌的比值被认为是GM失调的生物标志物，无论在自发性高血压动物模型中，还是在临床高血压患者中，GM的多样性、丰度及均匀性都有所下降，而厚壁菌/拟杆菌比值增加，乙酸和丁酸盐细菌数量减少。众多致病性菌群，如克雷伯菌、链球菌和拟杆菌等参与高血压的病程发挥直接或间接作用，且与疾病严重程度相关，与其他GM代谢物相比，更多的研究表明，SCFAs通过与G蛋白偶联受体(GPR41、GPR43和GPR109A)和血管嗅觉受体78结合调节血压的生理功能，主要介导内分泌系统、神经系统、心血管系统、炎症和肠道稳态等发挥多种生物学效应。血管嗅觉受体78可升高肾素水平，引起血压升高，而GPR41表现为拮抗作用。但也有研究指出，GPR41和血管嗅觉受体78对丙酸盐反应后的血压调节有相反的作用[3]。因此，高血压与GM的多样性、丰富性和均匀性密切相关，并且受厚壁菌/拟杆菌比值的影响。SCFAs的高血压和低血压效应分别通过与血管嗅觉受体78和GRP41结合来介导。药物干预通过改变GM的种类和代谢产物来调节血压，这一发现可能为高血压的治疗提供新方向。

3.2 冠心病冠心病是临床最常见的CVDs之一，对人体健康有着极大的危害，GM的结构变化可作为冠心病的诊断指标。临床患者研究和实验动物研究均证实了GM在冠心病中具有一定的作用，有些GM被认为是冠心病发展的促进因素，有些GM则被认为可以保护冠心病。目前还不清楚人体内的微生物是如何驱动或启动冠心病的发展，也不清楚具体哪种菌群主导CVDs的发生与发展，其所涉及的具体机制需要进一步研究[2]。TMAO是CVDs的主要影响因素，血清中TMAO水平与动脉粥样硬化斑块面积呈正相关。这可能与TMAO诱导两个清除剂受体细胞的表达(分化细胞36和清除剂受体A)有关，从而抑制胆固醇的逆向转运和巨噬细胞胆固醇的积累。TMAO可以通过抑制胆汁酸合成来降低体内胆固醇，也可以通过减少胆固醇的再吸收，防止动脉粥样硬化的形成。Tang等[10]随访了4 000多名患者冠状动脉造影情况,结果表明,冠心病的风险与TMAO浓度呈正相关。在2235例冠心病患者中，高TMAO浓度(>6.5 mol·L-1)患者数是低水平(<2.5 mol·L-1)患者的3.9倍。同时，TMAO可以独立预测冠心病患者的死亡风险，而不依赖于传统的预测因子，如脑利钠肽，超敏C反应蛋白和过氧化物酶等。总的来说，目前对TMAO的研究较为深入，TMAO水平有望成为冠心病患者诊断和风险评估的标准。

3.3 心肌梗死与其他慢性CVDs不同，急性心肌梗死是一种严重的机体应激性损伤。在这种创伤下，GM及其代谢产物的结构会发生应激变化，心肌梗死患者会出现典型的GM紊乱，益生菌明显减少，致病菌大量繁殖，肠屏障功能受损、肠通透性增加等一系列变化。通过分析49例健康对照者、50例冠心病患者和100例心肌梗死患者的血菌群，发现心肌梗死患者血菌群的多样性和丰富度均有所增加，其中超过12%的血细菌来自GM[11]。动物实验表明[12]，心肌梗死大鼠肠道屏障损伤与假手术组比较，GM丰富度明显高于假手术组，心肌梗死会导致乳酸菌减少,而SCFA可以改善心肌梗死的状况，这说明GM及其代谢物对心肌梗死后心脏组织有明显的修复作用，因此，通过干预GM改善心肌梗死患者的临床预后可能是一种新的心肌梗死治疗方法。

3.4 心力衰竭心力衰竭是心肌梗死后的终极阶段，心脏结构和功能严重受损，目前手术和药物治疗可以一定程度延缓心力衰竭的进展，但死亡率仍然很高。近些年来，我们对心力衰竭病理生理机制的认识发生了很大变化，从血液动力学转变到神经体液免疫调节，如今GM在心力衰竭中的作用引起了人们广泛的关注。Pasini等[13]的研究结果表明，心力衰竭患者比对照组更易感染致病菌。念珠菌、弯曲杆菌和志贺菌与疾病的严重程度呈正相关。与健康对照组相比，78.3%的心力衰竭患者的肠道通透性增加。中度和重度心力衰竭患者的肠道通透性高于轻度心力衰竭患者。这些数据表明心力衰竭破坏了GM的平衡。两项纳入数百名参与者的队列研究表明，TMAO水平升高不仅预示着慢性心力衰竭患者的死亡风险，也预示着急性心力衰竭患者的死亡风险。TMAO含量可以为心衰的风险分级提供基础。Organ等[14]手术构建小鼠心力衰竭模型，与对照正常饮食的小鼠相比，发现喂食TMAO小鼠中表现出更严重的心力衰竭症状和体征。硫酸吲哚酚与心肌纤维化和心室重构有关，甲酚硫酸盐和苯乙酰谷氨酰胺也参与了心力衰竭的病程, 对甲酚硫酸盐水平已被证明可以预测老年血液透析患者的CVDs的死亡率，同样，高水平的苯乙酰谷氨酰胺被认为是CVDs独立的危险因素。

4 作用机制探讨

4.1 氧化应激氧化应激的产生不是由于生理过程(通过产生氧化应激酶)，就是由于与潜在的有害外源性因子的相互作用。大多数活性氧主要来源于线粒体，由细胞不同部位生理过程产生，其他来源的活性氧包括黄嘌呤和黄酮氧化酶，大肠杆菌产生黄嘌呤脱氢酶，是嘌呤氧化代谢的关键酶，GM参与嘌呤和尿酸的代谢[15]，且尿酸的分解活性与大肠杆菌的含量呈正相关，冠心病患者的大肠杆菌数量增加，血尿酸水平显著升高，而高浓度的尿酸则表现为预氧化。血尿酸水平升高可导致血液中亚硝酸盐/硝酸盐含量升高，一氧化氮生物利用度降低，氧化应激水平增加。此外，益生菌具有抗氧化作用，通过与金属离子螯合、调节信号通路和干预GM稳态而改善宿主的氧化还原状态[16]。氧化应激发生时，GM还可以介导非酶途径，通过还原硝酸盐，增加一氧化氮的水平，从而改善CVDs的现状，而GM的代谢物硫酸吲哚酚则通过诱导还原型辅酶Ⅱ，促进过氧亚硝酸盐和超氧化物的生成，抑制一氧化氮的生成及内皮细胞生长，引发内皮功能障碍而增加CVDs的风险[15]。因此，通过调节GM干预氧化应激作用，可以影响心血管疾病的进程。

4.2 炎症反应心血管疾病常常伴随有局部或全身的炎症反应，而干预GM可以直接或间接调节免疫平衡。GM通过与肠道黏膜、免疫细胞的黏液及上皮屏障的相互作用，直接控制宿主的炎症反应。益生菌和共生菌可以预防局部和全身炎症的发生，加强肠道屏障功能，阻止细菌代谢物脂多糖进入循环，增加抗菌素的分泌和粘液生产、加强肠道上皮细胞之间的紧密连接,抑制肠道上皮细胞的炎症反应[15]。此外，拟杆菌和梭状芽孢杆菌可增加T调节细胞活性，下调T辅助17细胞免疫功能，从而形成一种抗炎环境。发挥抗炎介质有SCFAs和一氧化氮，主要由乳酸菌、厚壁菌和拟杆菌产生。其中SCFAs可以抑制巨噬细胞释放肿瘤坏死因子-α和中性粒细胞释放白介素-8等炎症因子，其机制为抑制组蛋白去乙酰化酶, 减少核转录因子NF-κB活性。SCFAs还有益于内分泌调节, 刺激肠内分泌细胞产生抗炎的肠道激素。变形杆菌产生的硫化氢，是一种强大的抗炎气体信号分子，具有心脏保护作用。GM不仅能产生抗炎神经递质γ-氨基丁酸和乙酰胆碱，还能调节自主神经系统活性，其中乳酸菌还能诱导迷走神经，而迷走神经具有重要的抗炎作用。最新研究表明，TMAO能够激活NLRP3炎症小体[17]，增强血小板反应活性和血栓形成风险，促进血管炎症发生。因此，GM可通过干预炎症机制参与CVDs的发展。然而其核心机制仍有待进一步阐明。

4.3 代谢紊乱人体肠道内GM具有广泛的代谢功能，是形成饮食生化特征的一个关键因素，对人类的新陈代谢有重要的贡献，GM失调导致的代谢紊乱是心血管疾病的影响因素之一。丁酸盐是人类健康最重要的SCFAs，激活糖异生通过环磷酸腺苷途径维持体内葡萄糖和能量的平衡，而丙酸盐与葡萄糖直接发生肠内糖异生，减少产量促进能量平衡。GM还可以通过抑制磷酸腺苷，活化蛋白激酶，诱导脂肪细胞因子活性、调控过氧化物酶、活化受体γ、改变肠道通透性等方式影响人体脂和糖的代谢，增加CVDs风险。GM具有相当大的蛋白水解能力，将摄入的蛋白质分解成更短的肽、氨基酸、支链脂肪酸、产生氨、氢气和硫化氢等气体。主要的蛋白水解菌为丙酸杆菌、梭状芽孢杆菌、链球菌、葡萄球菌和芽孢杆菌等。胆汁酸在肝脏中由胆固醇合成，主要形成胆酸和去氧胆酸，在脂肪代谢中具有重要作用[15]，其功能为促进脂肪的消化和吸收，胆盐水解酶由双歧杆菌、乳酸杆菌产生，结合胆盐在胆盐水解酶作用下转变为游离胆盐，通过粪便排出体外而不易被重吸收进入肠肝循环，此时肝脏会重新利用胆固醇再次合成胆汁酸，消化更多的脂肪，达到降血脂目的。因此，宿主肠道中双歧杆菌和乳酸杆菌数量减少会降低胆固醇的转化利用率，从而升高血脂。此外，最新研究揭示GM与药物代谢也密切相关[18]。

5 基于GM的治疗方法

5.1 益生菌疗法益生菌是一种对宿主健康有益的活性微生物，大多数益生菌是存在于水果、蔬菜和谷类等天然产品,常见的益生菌包括乳酸菌、链球菌、双歧杆菌、肠球菌、和乳球菌，益生菌能够选择性地促进一种甚至多种有益菌的生长，从而对宿主产生有益的作用。适当补充益生菌可以干扰GM的功能和组成，从而激活免疫系统，控制炎症。研究表明，经布氏杆菌治疗3个月后，慢性心力衰竭患者肌酐值降低、左心房直径减小和左心室射血分数升高[19]。益生菌也可以直接吸收胆固醇从而降低胆固醇含量，然而，益生菌疗法仍有感染风险，其安全性需要进一步研究。

5.2 微生物移植法微生物群移植是将供体菌群或代谢物导入患病受体，提供营养，抑制致病菌的生长，调节宿主的免疫系统，纠正肠道微生态失衡，从而帮助患者重建肠道微生物群的正常功能。一项meta分析推测菌群移植在恢复GM方面可能比益生菌更有效，因为移植菌群可以克服益生菌的短期疗效，使菌群发生永久性的改变[20]。目前，微生物群移植治疗复发性或难治性严重梭菌感染已取得理想疗效，在治疗代谢性疾病中也有新发现，一项随机对照试验发现将较瘦的人的菌群移植到较胖人的体内，55%的参与者在6周后胰岛素抵抗有所改善[21]。最近，微生物群移植也被测试作为一种新兴的治疗手段来治疗CVDs，然而，微生物群移植的使用目前是有限的，因为它存在风险，可能会转移内毒素或其他危险药物，会导致新的胃肠并发症。虽然微生物群移植是一种很有前途的治疗CVDs方法，但仍需要进一步研究。

5.3 抗生素疗法抗生素治疗具有两面性[15]，万古霉素能够使厚壁菌和拟杆菌的数量明显减少，变形杆菌的数量明显增加，氨苄西林能够降低胆固醇的水平，通过降低低密度脂蛋白和极低密度脂蛋白而减少动脉粥样硬化病变区域。多粘菌素B和妥布霉素可以降低心衰患者体中内毒素含量和白介素-1β、白介素-6及肿瘤坏死-α的水平，然而，由于多粘菌素B的毒性，其临床应用受到限制。Galla等[22]给盐敏感大鼠和自发性高血压大鼠服用了三种口服抗生素(新霉素、米诺环素和万古霉素)，以研究血压的变化。他们发现，经米诺环素和万古霉素干预后，盐敏感大鼠体内GM发生改变，收缩压升高，自发性高血压大鼠收缩压降低，但新霉素干预没有变化，在临床患者试验中，抗生素的使用是否对CVD有保护作用仍然没有答案。抗生素使用不当会杀死体内有益的GM。因此，我们应该注意抗生素的副作用以及它们的临床效果。

5.4 饮食疗法饮食调节已被证明是降低CVDs风险的有效策略。日常饮食为谷物、鱼类，豆类，蔬菜和橄榄油等被证实可以预防CVDs，降低CVDs的死亡率，这即为著名的地中海饮食，不坚持这种地中海饮食的患者尿液中TMAO的水平有所上升。Bier等[23]研究了高盐饮食与微生物变异以及代谢产物水平之间的关系，高盐饮食小鼠肠道微生物群的组成与SCFAs出现改变，从而导致高血压。与对照组相比，高盐饮食组小鼠中的三个菌群(欧文氏菌、克里斯滕氏菌和棒状杆菌)显著增加，而在高盐饮食组小鼠中也观察到了厌氧菌数量有所减少。此外，高纤维饮食和醋酸可以降低厚壁菌/拟杆菌的比值，增加细菌的数量，减少高血压小鼠心肌纤维化，阻止高血压和心力衰竭的进展[24]。因此，对患者进行饮食调整以延缓CVD的进展是非常重要的。

5.5 其他疗法通过抑制微生物代谢过程产生的化学物质治疗CVDs已经进行了一些研究，研究表明，胆碱结构类似物(3,3-二甲基-1-丁醇)可阻断胆碱代谢，降低三甲胺的产生， 因三甲胺被肝含黄素的单氧化酶-3氧化成TMAO，所以研究潜在的含黄素的单氧化酶-3抑制剂来预防或治疗CVDs是一个新方向[25]。目前对肠道微生态制剂的研究大多处在临床试验阶段，开发新的微生态制剂，靶向治疗CVDs是非常有前景的。

6 小结

肠道微生态是以GM为代表的最大的微生物系统，GM与宿主共同维持着其微生态平衡。只要GM失衡，就会迅速导致包括CVDs在内的一系列病理生理变化。因此，进一步深入研究GM与CVDs之间的关系，精准靶向干预GM及其代谢物为CVDs的治疗开拓新思路，从而减轻心血管疾病患者痛苦，提高他们的生活质量。