肠道菌群及其代谢产物对冠心病影响的研究进展

陈梦琪 刘正霞 鲁翔

CHD因其高发病率及高死亡率成为全球广泛关注的公共卫生问题，尤其是老年群体患CHD的比例日益增高。CHD不仅仅是一种慢性炎症性疾病，还是一种慢性代谢性疾病。近年来，许多研究发现肠道菌群及其代谢产物与CHD的发生发展有关[1]，因此，合理地调控机体肠道菌群及其代谢产物可能对CHD的防治具有重要意义。

1 肠道菌群简介

肠道菌群指肠道中寄居的大量细菌，是与宿主以共生关系存在于肠道内的复杂群落。人类和肠道菌群的共存始于数百万年前，经过不断的进化繁衍，肠道菌群与宿主之间逐渐形成了平衡，并在营养吸收、调节免疫及内分泌等方面起着重要作用。肠道菌群的细菌数量高达1014个，拟杆菌门和厚壁菌门占肠道细菌群落的90%以上，所以厚壁菌门与拟杆菌门的比值是反映肠道菌群紊乱的重要指标[2]。肠道菌群大约包含330万个基因，约为人类基因的150倍，现有的技术手段如指纹图谱分析技术、分子杂交技术、实时荧光定量PCR技术和高通量测序技术等在很大程度上打破了以往对菌群研究的局限，提高了菌群检测的丰度和多样性，极大地提高了我们对肠道菌群与宿主之间复杂关系的理解。肠道菌群作为人类“第二”器官，其通过能量吸收、物质代谢、免疫应答等途径参与人体生命活动。由于菌群受到多种因素影响而处于动态变化过程中，故不同生命阶段和不同环境下的菌群存在很大的差异性[3]。当肠道菌群稳态被打破后，可能会引发多种代谢性疾病、炎症性疾病甚至肿瘤等，严重威胁人类生命健康。

2 肠道菌群对CHD的影响

肠道菌群可以通过直接调节食物中能量的摄取而影响机体糖脂代谢；也可以间接改变肠道通透性影响机体循环中内毒素的水平和炎症反应，从而影响CHD的发生发展。有研究发现，CHD病人肠道菌群稳态被破坏，厚壁菌门/拟杆菌门的比值显著升高，表明该比值的升高可能是CHD发展的一个促成因素[4]。此外，Chan等[5]在高脂喂养的载脂蛋白E基因敲除小鼠中发现，外源性给予鼠李糖乳杆菌(益生菌)可以降低小鼠的血浆脂肪酸结合蛋白、胆固醇和TG水平，从而减少动脉粥样硬化斑块的形成。Malik等[6]发现CHD病人每天服用植物乳杆菌299v，6周可显著改善心脏血管内皮功能。上述研究结果提示，肠道菌群平衡失调，尤其是有害菌群比例升高可以促进CHD的发生发展，而益生菌可以有效控制CHD的危险因素,从而延缓CHD的进展。

3 肠道菌群代谢产物对CHD的影响

3.1 肠道菌群代谢产物阻碍CHD的进展

3.1.1 短链脂肪酸：肠道菌群通过发酵分解碳水化合物和蛋白质等饮食产生短链脂肪酸，主要包括醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐。这些以离子形式存在的脂肪酸可以进入门静脉循环系统激活G蛋白偶联受体等多种短链脂肪酸受体，通过抑制肿瘤坏死因子和NF-κB信号通路调节机体免疫应答，降低胆固醇水平和细胞间黏附分子表达，改善血管内皮功能，从而减缓动脉粥样硬化的发生发展。同时，短链脂肪酸对维持肠道上皮细胞屏障功能具有一定作用，可改善肠道通透性，从而减少机体炎性反应。目前短链脂肪酸在多种疾病中的有益作用已被广泛报道[7]。

3.1.2 次级胆汁酸：胆汁酸是由肝细胞合成，通过胆道途径释放到肠道中，然后在肠道菌群的作用下产生次级胆汁酸，促进肠道吸收脂质营养。游离的次级胆汁酸具有多效性和激素活性，是有效的抗炎分子。他们通过作用于法尼醇X受体(FXR)和G蛋白偶联胆汁酸受体(TGR5)进入门静脉循环，触发激素样信号，调节宿主全身脂质和葡萄糖代谢，同时维持肠道内屏障结构的完整性和通透性，减少促炎因子的释放[8]。一项临床研究发现，血清石胆酸(次级胆汁酸的一种)可能是冠状动脉粥样硬化的独立预测因子[9]。

上述证据表明，短链脂肪酸和次级胆汁酸对CHD的进展有明显阻碍作用，那么可以设想，通过改变饮食结构或者其他手段，外源性补充短链脂肪酸和次级胆汁酸以及这两种物质的前体，可能成为CHD防治的新靶点。

3.2 肠道菌群代谢产物促进CHD的进展

3.2.1 氧化三甲胺(trimetlylamine oxide，TMAO)：TMAO是一种具有生物活性的菌群相关代谢产物，先由富含磷脂酰胆碱、胆碱和左旋肉碱等肉类膳食通过肠道菌群代谢产生三甲胺，然后再被肝脏中的黄素单氧化酶迅速氧化为TMAO[10]。多项研究发现，TMAO可以降低肝脏中胆固醇7α-羟化酶的表达，从而抑制胆固醇的转运，导致细胞中胆固醇积聚，泡沫细胞形成增多；TMAO还能激活NLRP3炎性小体并增加细胞内钙离子的释放，增强血小板反应活性和血栓形成风险，造成血管内皮损伤并加速脂质斑块附着[11]。一项临床试验研究了2235例CHD病人空腹血浆TMAO水平与5年以上死亡率之间的关系，发现血浆TMAO水平较高的病人死亡风险增加了约4倍[12]。一项包含了17项临床研究共26 167例研究对象的荟萃分析显示，TMAO水平与心血管死亡率呈正相关，TMAO可以独立预测CHD病人的死亡风险，而不依赖于其他预测因子如BNP、IL-18和hs-CRP等[13]。由此推测，临床中加强对CHD高危人群血浆TMAO的定期监测，有助于CHD的进展甚至预后的判断。

3.2.2 苯乙酰谷氨酰胺(phenylacetylglutamine，PAGln):PAGln是人类肠道菌群通过代谢将膳食中的苯丙氨酸转化成苯乙酸，再与谷氨酰胺结合生成的代谢物质。Hazen团队将初始队列(n=1162)人群的血浆进行非靶向代谢组学分析，发现PAGln与主要心血管不良事件(MACE)相关。然后利用质谱靶向检测方法对独立的4000例受试者(验证队列)血浆进行分析，发现患有MACE的受试者血浆PAGln水平较高(与非MACE病人相比，P<0.0001)。此外，对传统心脏危险因素如hs-CRP等进行调整后，较高水平的PAGln仍然可以作为MACE发生的独立预测因子。在人全血、分离的血小板和小鼠颈动脉损伤模型中发现，PAGln通过肾上腺素能受体发挥作用，显著影响血小板的功能，增强血小板与胶原基质的黏附，促进钙离子水平升高，从而加速体内血小板的凝集和血栓的形成，导致血管内皮损伤，最终影响动脉粥样硬化的进展[14]。

3.2.3 其他代谢产物:脂多糖又称内毒素，是一种脂质和多糖的复合物，曾在革兰氏阴性菌细胞壁的外壁中被发现。肠道微生物来源的脂多糖可以穿过肠道黏膜进入系统循环，直接升高胞浆内的钙离子浓度，对细胞产生损伤；也可以与跨膜受体结合后激活免疫细胞释放炎症介质，增加微血管通透性，引起血小板与血管壁的黏附反应。脂多糖是天然免疫信号中有效的激活剂之一，他可以引发过敏、自身免疫反应和慢性炎症等疾病状态[15]。研究表明，脂多糖通过TLR4MyD88-NFB通路启动炎症因子转录，诱导IL-1、IL-6和TNF-α的释放，引发慢性低度炎症，对CHD的进展起着重要的促进作用[16]。

4 临床指导防治CHD的发生发展

4.1 调整饮食 肠道菌群及其代谢产物与宿主饮食息息相关。Marques等[17]通过给予小鼠高纤维饮食及补充短链脂肪酸来降低小鼠肠道菌群中厚壁菌门和拟杆菌门的比值，增加细菌的丰度，从而降低基础血压，减少心肌纤维化。目前，美国健康协会推荐的地中海饮食在降低心血管疾病风险和预防其他慢性炎症性疾病方面的作用已经被广泛地证明，尤其在老年人中效果更为显著[18]。地中海饮食结构中含有大量的蔬菜、新鲜水果、谷类食品、橄榄油和其他富含抗氧化剂的食物，其中水果蔬菜富含大量天然的儿茶素，可以降低全身血压，同时减少动脉粥样硬化、血小板活化和血栓形成[19]。富含膳食纤维的谷类和水果蔬菜经肠道消化后产生肠内酯，被认为是潜在的抗氧化剂，可以降低急性冠脉事件的风险。2017年的一项荟萃分析显示，肠内酯浓度升高，心血管疾病死亡风险可降低45%[20]。坚持类似地中海饮食结构可以减少血浆中LDL水平，促进抗氧化基因的表达，同时稳定肠道微生态，促进有益肠源性代谢产物的生成，是CHD有效的预防手段。

4.2 药物干预

4.2.1 益生菌：益生菌是一种活性微生物，能够选择性地促进宿主肠道中一种甚至多种有益菌的生长。动物实验显示，给高脂喂养的载脂蛋白E基因敲除小鼠喂食鼠李糖乳杆菌GG,可以降低小鼠血清TG和胆固醇水平，减轻肝脏、肠系膜和皮下脂肪组织的重量，缩小动脉粥样硬化斑块的面积[5]。此外有研究证明，嗜酸乳杆菌可剂量依赖性地降低载脂蛋白E基因敲除小鼠血清中的TNF-α和LDL的水平，提高IL-10的水平和超氧化物歧化酶的活性，降低小鼠炎症水平[21]。上述研究证实,适当补充益生菌可以稳定肠道菌群的结构和肠道屏障，激活免疫系统，控制炎症水平，调节糖脂代谢。因此，益生菌防治CHD是未来的发展方向，有待进一步研究。

4.2.2 抗生素：大量临床流行病学调查显示，细菌、病毒等病原微生物感染也可能是CHD的发病因素。抗生素可以降低因感染引起的趋化炎症因子的产生和表达，减少血管内皮细胞和平滑肌细胞的损伤。阿奇霉素能够降低肺炎衣原体感染的CHD病人的hs-CRP和IL-6等炎症标志物水平，从而减缓动脉粥样硬化的发展[22]。同时有研究证实，抗生素可以通过调节肠道菌群稳态，改变菌群的比例和丰度，作用于CHD的发生发展过程，从而预防治疗CHD。动物实验发现，氨苄西林能够降低血清胆固醇水平，通过减少LDL和极低密度脂蛋白的产生而缩小动脉粥样硬化病变区域[23]。但是应用抗生素治疗也存在不良反应，尤其是老年病人，抗生素的使用是否对CHD有保护作用仍然没有明确的答案。

4.2.3 其他干预手段：上述提到了TMAO的致动脉粥样硬化特性，其生物合成需要通过多个步骤实现。设想在其生物合成通路中加入三甲胺形成过程中生物合成酶的抑制剂，可以间接减少TMAO的产生，从而降低心血管疾病的风险。目前，研究已筛选出一种化合物3，3-二甲基-1-丁醇，该化合物对胆碱裂解酶具有抑制效应，可以减少三甲胺的形成，降低循环中的TMAO水平，进而终止其对动脉粥样硬化的促进作用[24]。还有研究发现产甲烷菌中的某些成员，可以甲基化胺作为生长基质，阻止三甲胺向TMAO转化，从而减少TMAO的产生[25]。基于上述原理筛选出的物质可能成为CHD防治中的新型干预手段。

4.3 粪菌移植 粪菌移植是将供体粪便中的功能菌群导入受体，帮助受体重建肠道菌群结构并保持微生物稳态的一种有效手段。粪菌移植在恢复肠道菌群方面可能比益生菌更长期有效。Gregory等[26]将产生TMAO丰度较高的粪菌移植到正常小鼠体内，发现小鼠发生动脉粥样硬化的风险升高，提示动脉粥样硬化易感性可以通过肠道菌群移植而传播，因此推测肠道菌群可能作为CHD的新型治疗靶点。然而，粪菌移植目前还存在许多风险和争议，供体粪菌中的有效成分在现有的技术手段下还不能完全明确，可能会转移危险代谢物质，尤其对于老年病人来说，会引起新的肠道并发症甚至更多更严重的不良反应。

5 讨论与展望

近年来，由于肠道菌群及其代谢产物在人类疾病中的参与度越来越高，基于目前所有研究，可以认为肠道菌群及其代谢产物是CHD发生发展中的重要环节，其中既有积极作用，也存在有害影响。值得注意的是，肠道菌群因其数量庞大、种类繁多、长期处于动态变化状态且容易受到各种环境因素的影响，导致模型建立困难，临床前研究还远远不够，肠道菌群影响CHD的具体作用机制在分子水平上无法明确阐述。因此，我们还需要进一步深入探究肠道菌群及其代谢产物与CHD之间的关系，精准靶向干预肠道菌群及其代谢产物，这将为CHD的预防、诊疗带来新的希望。