肠道微生物及其代谢产物与心力衰竭相关性研究进展

郝佳慧，尹德春综述 曲秀芬审校

心力衰竭(HF)对于全球公共卫生来说是一项艰巨的挑战，每年导致超过100万人住院，每月患者的再住院率高达25%[1]。HF是各种心脏结构或功能性疾病导致心室充盈和/或射血能力受损，器官、组织血液灌注不足，同时出现肺循环和/或体循环瘀血，临床表现主要为呼吸困难、体力活动受限和水肿。随着时间的推移，心力衰竭患者静脉淤血、炎性反应和氧化应激逐渐增加，血液中炎性标志物升高[2-5]，加重组织损伤并导致严重的临床后果。近年来研究发现，一些肠道微生物及其代谢产物与动脉粥样硬化、高血压、心力衰竭、慢性肾病、肥胖及2型糖尿病等疾病密切相关[6-7]。肠道微生物群作为一个独特的系统，产生的代谢产物作为信号分子参与机体代谢，在机体心血管疾病的发展进程中起到重要的调节作用[8]。肠道微生物与心力衰竭的发生发展密切相关，因此，肠道菌群有望成为心力衰竭干预的重要靶点。

人类的肠道在出生时是相对无菌的，当持续暴露在环境中，肠道就会迅速地被大量非致病菌占据。研究显示，每个个体约有40万亿个常驻微生物细胞，远远超过人类细胞总数量[9]。虽然大多数微生物存在于肠道，但也广泛分布于鼻咽、口腔、肺、皮肤及子宫颈等部位[10]。由于消化道各部位酸碱度的差异，其细菌含量及种类不尽相同。胃液的pH较低，其包含的微生物相对较少；小肠中存在大量的耐氧菌，主要是链球菌和乳杆菌；结肠的微生物密度更是达到1011～1012个/ml[11]。肠道微生物群与机体保持着一种“共生”关系，肠道微生物既促进维生素K合成和关键营养素的吸收，又作为潜在的病原体，如幽门螺杆菌和大肠杆菌等可致病。肠道微生物的组成处在动态变化之中，同一个体在不同时间、不同生理状态下，微生物的构成不同。最近的证据也表明，肠道菌群可能在维持人类健康和疾病中发挥重要作用。肠道微生物参与心血管系统炎性反应、氧化应激及纤维化，有可能为HF识别新的途径和治疗策略。

1 肠道微生物与心力衰竭

正常人肠道里有500多种不同的微生物菌种，以及更多的微生物菌株。人体有10万亿～100万亿个微生物(主要是肠道里的细菌)，数量远远超过人体细胞。人体肠道微生物群主要由厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、变形菌门等组成。其中厚壁菌门和拟杆菌门为优势菌群，约占肠道菌群总数的90%以上，其余菌群占肠道菌群总数的比例不足1%[12-13]。虽然一些肠道微生物菌群的结构及功能特征在妊娠时就“遗传”了，但肠道菌群的组成在个体之间存在很大差异，除了宿主基因外，个性化的环境暴露，包括饮食、外源性和药物治疗也发挥重要的作用。急性体液失衡、慢性肠道缺血缺氧、酸碱失衡、胃肠动力减弱、营养缺乏等因素都可能使肠道菌群发生改变。采用16 s rRNA基因扩增序列对粪便样本进行测序发现,急性失代偿性和射血分数下降的心力衰竭(HFrEF)患者，其肠道菌群丰富度明显下降。Pasini等[14]研究发现，与健康对照组相比，慢性心力衰竭患者肠道致病菌如念珠菌、弯曲杆菌、志贺氏菌、沙门氏菌等均有所增加。HF患者肠道细菌和真菌数量增加、肠道黏膜屏障破坏，肠壁通透性增加，导致细菌移位和体循环内毒素增加，导致心力衰竭患者发生潜在炎性反应，进一步加重心力衰竭。

2 肠道微生物及其代谢产物对心力衰竭的影响

越来越多的研究发现，肠道微生物及其代谢产物与心血管疾病密切相关。肠道微生物群通过糖代谢和氨基酸代谢产生大量氧化三甲胺(TMAO)、短链脂肪酸(SCFA)、胆汁酸、吲哚硫酸盐(IndS)等物质，其与心力衰竭的发生、发展密切相关。此外尿毒症患者中IndS的蓄积具有一定毒性，并且通过氧化应激损伤心脏[15]。

2.1 TMAO与心力衰竭 饮食和肠道菌群之间的相互作用可能通过共同或独立的机制导致动脉粥样硬化、急性冠状动脉综合征和心力衰竭。肉类食物中存在大量的左旋肉碱和胆碱，经肠道微生物代谢生成三甲胺(TMA)，进一步在肝脏中通过黄素单加氧酶(FMO)氧化为TMAO，多项研究表明TMAO对心血管系统产生有害影响。相关研究对比发生了心肌梗死、卒中或死亡的患者与未发生上述事件患者的代谢组学分析结果，发现TMAO与动脉粥样硬化性血栓性疾病发生显著相关。

Cui等[16]研究表明，当肠道菌群正常的小鼠被喂以富含胆碱的食物时，循环中的TMAO水平升高，导致泡沫细胞聚集，促进动脉粥样硬化斑块形成。研究发现，TMAO可以诱导主动脉缩窄大鼠模型发生心脏肥大和心肌纤维化，使心房利钠肽和β-myosin重链的表达增加[17]。此外,TMAO通过SIRT3-SOD2-mtROS途径激活NLRP3炎性受体，促进炎性反应基因的表达，导致血管炎性反应[18-19]。动物模型研究表明，TMAO途径可直接导致心肌对抗性重构和心力衰竭表型的发展。在主动脉弓缩窄模型致心力衰竭大鼠的实验中，TMAO可促进心肌细胞及血管纤维化，导致心室重塑，降低心脏泵血功能[20]。

Savi等[21]在体外实验中发现，TMAO的存在使心肌细胞收缩力明显恶化。Roberts等[22]研究发现，胆碱饮食小鼠的洗涤血小板本身反应性并未发生改变，当血浆中TMAO升高时导致血小板高反应性，Ca2+染色确定了TMAO介导胞内Ca2+激活物依赖性释放，导致血小板高反应性，增加血栓形成的风险。TMAO增加动脉粥样硬化和血栓形成，这两种疾病在病因中相互交织，从而导致心力衰竭的发展。慢性心力衰竭患者血浆TMAO水平明显高于健康人群，高血浆TMAO水平也是远期死亡的独立预测因素[23]。对于急性心力衰竭患者，其1年死亡/心力衰竭再入院风险随血浆TMAO的升高而增加，联合TMAO和N端B型利钠肽(NT-proBNP)能改善患者危险分层[24]。

2.2 SCFA与心力衰竭 一些膳食纤维、抗性淀粉及蛋白质不能在近端肠道消化吸收，通过远端肠道内的肠道微生物菌群进行发酵，产生1～6个碳的SCFA，这是结肠上皮细胞的主要营养来源。结肠中产生的SCFAs大部分是含2、3及4个碳原子的短链脂肪酸，主要包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，其通过G蛋白偶联受体(GPCRS)如GPR41、GPR43、GPR109A等及Olfr78受体进行信号的传递，是维持肠道稳态及肠道黏膜屏障的重要调节因子[25]。Tang等[26]的最近研究表明，产酸细菌可能是治疗高血压、心肌肥厚及纤维化的潜在性干预手段。在高血压小鼠模型中，高纤维及醋酸盐喂养可显著降低小鼠血压，减少心肌纤维化，改善心脏功能。

HF患者由于心输出量下降和交感神经兴奋，刺激外周及内脏血管收缩，导致肠道灌注下降及肠黏膜屏障受损，微生物群和内毒素移位进入血液循环，加剧全身炎性反应，进一步破坏黏膜屏障功能和加重心力衰竭。大量研究发现，SCFAs在机体免疫系统中发挥重要的作用，如丁酸盐通过抑制组蛋白去乙酰化酶(HDAC)调节基因表达，增加Treg细胞的数量，增强其功能，达到抗炎的目的[27]。此外，丁酸盐能促进肠上皮细胞的增殖和分化，修复受损肠黏膜，减少细菌等外源性物质及其代谢产物进入血液循环，降低炎性反应。SCFAs还可通过诱导梗死周围区CX3CR1+单核细胞浸润促进梗死后心脏修复[28]。综上所述，SCFAs可以通过多种机制对血压进行调控、抑制炎性反应，改善心肌纤维化，控制心力衰竭的发生发展。

2.3 胆汁酸与心力衰竭 胆汁酸由胆固醇在肝脏内合成初级胆汁酸，初级胆汁酸与甘氨酸和牛磺酸结合生成次级胆汁酸，每日经过“肠肝循环”分泌的胆汁酸被排出的不足5%。心力衰竭患者初级胆汁酸与次级胆汁酸的比例下降，在单因素分析中，这种关联往往与患者整体生存率降低有关，但在调整临床特征和NT-proBNP后，这种关联并不显著[29]。此外，TMAO能够降低胆汁酸合成关键酶，以及多个胆汁酸排泄相关转运体的排泄水平，动物实验发现TMAO饮食小鼠的胆汁酸池明显减少，提示TMAO能够抑制胆汁酸的合成和排泄过程，进而减少胆固醇通过胆汁酸途径的清除。

研究发现，胆汁酸通过与法尼酯X受体(FXR)结合，影响心血管内皮功能、心率及多种代谢途径。法尼酯X受体配体有2种:一种是WAY-362450，这是一种强有力的FXR激动剂，在预防高脂肪饮食诱导的动脉粥样硬化、减少斑块形成中具有重要作用，在载脂蛋白E缺乏小鼠模型中与心血管疾病进展相关的几个炎性标志物方面显示出了积极作用[30];另一种是G-蛋白偶联胆汁酸受体(TGR5)，其通过抑制核因子κB(NF-κB)来拮抗炎性反应，NF-κB信号转导可独立于高血压等过程而导致心肌肥大，这为FXR靶向治疗改善心力衰竭提供了间接证据。TGR5激动剂可诱导心肌细胞的应激改变，改善小鼠对生理性、变力性及血流动力学应激的反应[31]。因此，TGR5激动剂和FXR可能成为未来治疗心力衰竭的新靶点。

3 肠道微生物的干预

近年的研究发现，肠道菌群失调与HF的病理生理过程密切相关。降低肠道代谢水平或改变肠道菌群构成可能降低HF的发生风险。因此，通过对肠道微生物进行干预有望成为心力衰竭新的治疗靶点。(1)饮食干预：饮食主要以水果、蔬菜、全谷物和低脂奶制品为主，尽量避免红肉、鱼、家禽、坚果和添加脂肪；高纤维饮食可以促进产生醋酸盐的细菌生长，降低血压，抑制心肌肥厚和纤维化[32]。(2)益生菌疗法：益生菌主要包括双歧杆菌、酵母菌、乳酸菌等，可抑制炎性反应，保护和修复肠黏膜屏障，改善肠功能。研究表明，益生菌能减少高血压大鼠心肌细胞凋亡，改善心室重构。(3)TMA裂解酶抑制剂：利用胆碱类似物抑制TMA合成中的关键酶CutC/D，从而通过降低小鼠血浆氧化三甲胺水平来降低心血管疾病的风险[33]。(4)中草药干预。研究表明，小青龙汤可预防心肌细胞肥大和纤维化，通过调节肠道菌群组成改善肠黏膜组织学。虫草多糖可以改善肠道菌群和完整性，减少代谢性内毒素和炎性反应。火山石斛多糖可以通过刺激细胞因子的产生和免疫系统细胞的发育来调节肠道免疫屏障功能。黄芪通过抑制炎性细胞因子的表达，减轻肠黏膜损伤，促进组织修复[34]。

4 小结与展望

肠道微生物及其代谢产物与心力衰竭的发生发展密切相关。肠道微生物代谢产物TMAO、胆汁酸、SCFA、IndS等与菌群失调、肠道屏障破坏、肠道菌群移位而引起的慢性炎性反应及心肌纤维化的关系已经得到验证。但关于肠道微生物如何对心力衰竭及相关并发症的作用机制研究仍不足。因此，需要进一步了解肠道菌群在心力衰竭中的作用，以更好地促进心力衰竭诊断和治疗的发展。