冠心病与肠道菌群关系的研究进展

肖 珊，靳春荣，侯清濒

心血管疾病是威胁人类健康及生命的慢性非传染性疾病，全球范围内心血管疾病发病率和死亡率一直居高不下。我国心血管疾病发病形势严峻，是居民健康的重要杀手，2018年城乡居民死亡构成比中，心血管疾病死亡率居首位，高于肿瘤及其他疾病，其中冠状动脉性心脏病(简称冠心病)患病率和死亡率均居首位，且发病率呈年轻化趋势，引起了国内外学者及相关研究机构的广泛关注[1]。冠心病的二级预防多集中于动脉粥样硬化(atherosclerosis，AS)相关危险因素及心脏病本身的治疗，因此应积极寻找和探索可进一步治疗冠心病的方法和预测预后的指标，从而指导临床实践。有研究显示，肠道菌群与神经系统疾病、呼吸系统疾病、代谢疾病、肝脏疾病和心血管疾病均有关[2]。肠道菌群通过多种代谢途径调控人体健康，可能成为冠心病二级预防之外的新方向及预测冠心病进展的新方向[3]。现综述冠心病与肠道菌群代谢关系的研究进展，以期指导临床诊疗。

1 冠心病与肠道菌群

1.1 冠心病 冠心病是冠状动脉狭窄所致心肌缺血引起的，其中占比最大的是动脉粥样硬化性心血管疾病(ASCVD)，主要是由于AS不稳定斑块破裂或糜烂导致冠状动脉内血栓形成。目前AS病因尚未明确，相关危险因素主要包括高血压、高脂血症、糖尿病、肥胖、高尿酸、吸烟等[4]。目前我国经济水平大幅提高，人民生活水平发展，生活方式改变及三高(即高血脂、高血压、高血糖)人群基数逐年增加，导致ASCVD患病率持续升高，目前未得到有效控制，且呈年轻化趋势。2013年欧洲心脏病学会稳定性冠状动脉疾病治疗指南正式将微血管功能障碍列入冠心病临床类型[5]。2017年中华医学会心血管病学分会组织基础研究学组认为，微血管功能异常未涵盖冠状动脉微血管结构异常，因此，提出冠状动脉微血管障碍(coronary microvascular dysfunction，CMVD)是直径<500 μm的冠状动脉结构和(或)功能异常导致的心肌缺血临床综合征[6]，以正电子发射型计算机断层显像(positron emission computed tomography，PET)心肌灌注显像测量的冠状动脉血流储备(coronary flow reserve，CFR)<2作为判定标准[7]。CFR是指冠状动脉接近最大限度扩张时，冠状动脉血流量(coronary blood flow，CBF)或心肌血流量(myocardial blood flow，MBF)与静息状态下对应指标的比值，是测量整个冠状动脉系统储备功能的指标，冠状动脉管腔直径、管壁厚度、血压、微循环阻力等因素均可影响CFR，且CFR<2是不良心血管事件的独立预测因素，CFR降低可预测ASCVD发生。

1.2 肠道微生物 人类是一个超级有机体，与数万亿个共生细菌和真核细胞协调运作，存在于人体内和人体上的微生物群构成微生物群落[8]。多项研究显示，微生物群落主要定植于人体口腔、肠道、阴道和皮肤4个部位[7，9-11]。人类肠道元基因组(MetaHIT)的发现为微生物组研究开辟了新的视野，4个主要定植部位中肠道微生物区系因其临床意义受到微生物学家的广泛关注。人的肠道面积为200～300 m2，是1014种微生物细胞的“秘密花园”，统称为微生物区系，微生物区系较人体细胞丰富10倍，微生物区系的集体基因被称为“微生物组”，较人类基因组高150倍[8]。胎儿分娩后肠道菌群在人体肠道内逐渐形成体系[12-13]，分娩方式、胎龄、婴儿喂养方式、家庭结构、生活方式及遗传等环境因素、家族相关因素和遗传因素的组合构成了每个人肠道中独特的细菌群体。个体中占优势的菌群从温暖、营养丰富的肠道环境中受益，同时在人体免疫学、新陈代谢、结构、神经环境及个体身心健康中发挥一些基本功能[14]。

1.3 冠心病与肠道微生物的关系 冠心病发病机制有不同的学说，从不同角度阐明，主要包括脂质浸润学说、内皮损伤反应学说、血小板聚集和血栓形成学说、平滑肌细胞克隆学说等，其中脂质浸润学说被广泛接受[15]。高脂饮食与ASCVD的进展有关，主要治疗方式是减少胆固醇及饮食中的反式脂肪酸、饱和脂肪酸和三酰甘油摄入量。有研究表明，接受他汀类药物积极治疗的病人，即使低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)已达到标准(<1.8 mmol/L)，仍存在残余的心血管风险[16]。一项涉及26个国家1 315个地区的17 802名受试者的随机、双盲、安慰剂对照的多中心试验证实，积极降低LDL-C后有超过50%的残余心血管风险存在[17]。

肠道微生物与宿主形成复杂的网络，随着元基因组学和生物信息学发展，人类逐渐认识到其作为人体生物区系最大的群体，在多个代谢过程中(如AS、肿瘤、炎症、代谢性疾病等)发挥着重要作用。肠道微生物群吸收和消化食物可产生大量代谢产物，一些生物活性代谢物以类似于人类内分泌器官的方式作用于胃肠道外的靶器官[18]。肠道微生物群组成的平衡有助于维持人体健康，肠道微生物群改变可能导致肠道微生物群失调，胃肠道疾病及胃肠道外疾病。肠道微生物如拟杆菌、梭状芽孢杆菌和乳酸杆菌丰度已证实可预测冠状动脉疾病[19]。2013年12月—2018年11月梅奥诊所招募了213例接受心血管风险评估的病人，最终纳入106例病人，分别为晚期冠心病病人组(53例)和年龄、性别、种族和体质指数匹配的对照组(53例)，利用16S核糖体DNA微生物群分析方法从受试者粪便中提取了16S rDNA的V3-V5区的肠道菌群组成，结果显示，两组肠道菌群组成存在差异，晚期冠心病病人肠道菌群由不同的微生物群组成，肠道微生物群丰富度和均匀性降低[20]。一项纳入531例病人的队列研究显示，一些与心脏代谢相关的特征和代谢物(如肥胖、2型糖尿病、胰岛素抵抗、AS、心力衰竭等)是由肠道微生物群调节的[21]。

2 相关机制

AS被认为是一种代谢性疾病及炎症性疾病，斑块形成和进展与肠道菌群密切相关，肠道菌群紊乱和微生物代谢产物是导致ASCVD的重要因素，肠道微生物区系通过直接或间接方式经消化道促进ASCVD的发生发展。一项对12例AS病人(因轻度缺血性中风、短暂性脑缺血发作或黑蒙而接受颈动脉内膜切除术)及13名性别和年龄匹配的对照组(双侧颈动脉无大的斑块)粪便元基因组进行测序，同时参照国家生物信息中心(National Center for Biological Information，NCBI)和人类微生物组项目目录(human microbiome project catalog)确定了肠道微生物的组成，说明肠道元基因组功能与症状性AS相关[22]。

2.1 直接方式 肠道微生物直接参与泡沫细胞的形成，加速AS进程。Ott等[23]研究了试验组(38例病人)经冠状动脉导管检查获得的AS切除术标本及对照组(包括15个死亡后标本及11个心脏移植供体的正常冠状动脉)的冠状动脉材料，通过荧光原位杂交证实了试验组所有冠心病病人AS斑块中存在细菌DNA，对照组正常冠状动脉中均未发现细菌DNA。Koren等[24]应用聚合酶链式反应(polymerase chain reaction，PCR)对15例临床AS病人和15名与AS病人匹配的健康对照组AS斑块、口腔和粪便细菌群落进行了细菌16S rRNA基因扩增，结果显示，AS斑块中有细菌DNA存在，且AS斑块微生物群落定植于人体其他部位的微生物群落，独立于口腔及肠道微生物之外；AS的微生物群落包括一些与血浆胆固醇及载脂蛋白水平相关的类群，这些细菌DNA大多源自肠道菌群，通过促进泡沫细胞形成加重AS进程，进而导致ASCVD[25]。目前仅得到肠道菌群参与AS的发生与发展，但其是否为AS的始动因素有待进一步研究证实。

2.2 间接方式 肠道微生物作为人体独立的伪内分泌器官，代谢组学揭示其衍生的活性代谢物包括三甲胺氮氧化物(TMAO)、短链脂肪酸(SCFA)、苯乙酰谷胺酰胺(phenylacetylglutamine，PAGln)、胆汁酸(BAs)、脂多糖(LPS)、肽YY(PYY)和胰高血糖素样肽1(GLP-1)等[26-27]，肠道生态失调通过代谢依赖途径改变各种活性代谢物产生，发挥促AS作用。

2.2.1 TMAO TMAO是肠道微生物和ASCVD相关性研究最多的代谢物之一。有研究表明，血浆TMAO升高与AS发生发展有关[28]，为预防和治疗AS提供新的治疗方向。自然界中TAMO主要存在于水产品中[29]，人体内TMAO主要是由肠道微生物消化第三大脂类磷脂产生胆碱，胆碱在肠道微生物作用下生成三甲胺(trimethylamine，TMA)[30]，TMA经肠道黏膜吸收入血后经门静脉系统入肝，肝脏中黄素单加氧酶家族(flavin-dependent monooxygenases，FMOs)将TMA氧化生成TMAO。TMAO通过以下途径促进AS：内皮功能障碍是血管损伤的标志，认为是AS的起点，TMAO通过破坏内皮连接蛋白，增强血管炎症和氧化应激诱导内皮细胞功能障碍，开始AS进程[31]；TMAO可上调清道夫受体，增加巨噬细胞对氧化低密度胆固醇脂蛋白的识别，促进泡沫细胞形成，加速AS[32]；TMAO可抑制胆固醇逆向转运(reverse cholesterol transport，RCT)，RCT是一种通过血浆中脂蛋白将多余的细胞胆固醇转运到肝脏，通过粪便从体内排出，有研究显示这一过程有减弱AS的作用[33]；TMAO可缩小胆汁酸池，胆汁酸池扩大可加速RCT，促进细胞内多余胆固醇经粪便代谢，具有抑制AS进程的作用[34]；TMAO可增强血小板高反应，发挥促AS的作用[35]。

2.2.2 SCFA SCFA是肠道内膳食纤维经肠道微生物代谢的终产物，主要包括醋酸、丙酸、丁酸[36]。Kasselman等[37]研究显示，醋酸及丙酸主要由拟杆菌门产生，丁酸常由厚壁菌门产生。SCFA认为在几种疾病中有促进健康的作用[38]。SCFA通过激活G蛋白偶联细胞表面受体(G-protein coupled receptor，GPR)41和GPR43(也被称为游离脂肪酸受体3、游离脂肪酸受体2)影响肠道和宿主代谢[39]。醋酸作为外周循环中丰富的SCFA，可诱导小鼠肠道产生免疫球蛋白A(IgA)，维持免疫相对稳定[40-41]。相关研究显示，丙酸的作用依赖于调节性T细胞(regulatory T cells，Treg)，通过G蛋白偶联受体，抑制组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases，HDAC)，发挥减轻心肌肥厚、纤维化、血管功能障碍、高血压、炎症的作用，可保护高血压对心脏的损害，有效减少AS[42]。丁酸是维持肠道健康所需的主要能量来源，较少被吸收入血，是细菌平衡、肠道屏障功能和各种基因表达的重要调节者[43]；不仅可选择性抑制肿瘤生长[44]，还可有效控制AS。虽然丁酸在外周血中以低浓度存在，一项喂养含丁酸的高脂饮食的小鼠实验结果显示，少量的丁酸通过减少巨噬细胞黏附和迁移，可增加斑块稳定性，缓解AS进展，下调白细胞介素6(IL-6)，上调白细胞介素10(IL-10)，进而抑制炎症等，为支持丁酸作为AS保护剂的可能提供了证据[45-46]。有研究表明，丁酸具有调节RCT的作用[47]。目前关于SCFA的研究多数基于小鼠等动物实验，在人体中的具体代谢情况有待进一步研究。

2.2.3 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[48]。一项由4 000名稳定的心血管受试者组成的独立不重叠的队列研究进一步验证PAGln与心脏病发作、脑卒中、死亡等主要不良心脏事件(MACE)发生风险之间的关系，同时将肠道细菌种植于无菌小鼠进行研究，在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，增强血小板黏附，促进钙离子释放，加速血小板聚集和血栓形成，最终影响AS进展[49]。一项研究证实，血浆PAGln水平与ASCVD风险相关[50]。一项验证血浆PAGln水平与冠状动脉粥样硬化严重程度之间关系的研究显示，血浆PAGln水平高于中位数是疑似冠心病病人阻塞性冠心病存在的独立预测因子，高血浆PAGln可预测ASCVD存在，同时部分解释了血浆PAGln高水平与不良心血管事件高发生率之间的关系[51]。PAGln可能成为肠道菌群另一种潜在的药物作用靶点。

2.2.4 其他代谢产物 BAs是胆固醇在肝脏细胞经肝细胞色素代谢产生，肠道微生物群对胆汁酸的调节至关重要，胆汁酸池扩大可能加速RCT，促进多余的细胞胆固醇转运至肝脏，加速胆固醇从体内排泄，阻碍AS进程[52]。LPS是一种脂质和多糖的复合物，又称内毒素，肠道菌群失调引起肠道通透性增加，导致循环LPS水平增高，循环LPS通过Toll样受体4(TLR4)感知下游信号和髓系分化初级反应88(MyD88)转导，促进炎症和泡沫细胞形成[53]。TLRs感知到的信号导致脾脏B2细胞激活，从而改变免疫球蛋白G产生，促进AS发展[54]及ASCVD进展。

3 小 结

通过对血脂的严格调控，仍有诸多ASCVD病人存在心血管疾病危险因素，随着对肠道菌群的深入研究，人类已对这一庞大基因库有所了解。Marques等[55]研究表明，肠道微生物群是可遗传的。有研究显示，对肠道微生物群组成的调控可能影响宿主的心血管状况[3]。已有部分病人接受了针对肠道调控的治疗，是治疗ASCVD的新方法。通过改善饮食习惯和生活方式、调节肠道菌群分布可预防AS发生发展，同时通过监测入血的某些肠道菌群代谢产物预测已确诊ASCVD病人的预后及主要不良心血管事件发生率，从而明确ASCVD的发病机制，指导临床诊治工作，提高病人生活水平，降低冠心病发病率，减轻国家及人民经济负担。CFR<2是不良心血管事件的独立预测因素，CFR降低可预测ASCVD发生，肠道相关代谢产物与ASCVD有关，CFR、肠道代谢产物与ASCVD的关系有待进一步研究明确。