基于肠道菌群及胆汁酸代谢探讨动脉粥样硬化的发病机制

陈 嫚，刘洪涛，林相豪，邹小娟

(湖北中医药大学基础医学院，湖北 武汉 430065)

动脉粥样硬化(AS)是一种以脂质和复合糖类等血液成分的沉积为特征的血管退行性疾病。目前，AS引起的冠心病、脑梗死等众多中老年心脑血管疾病的发病率逐年增高，已成为目前人类致死、致残的主要原因[1]，严重威胁着人类的生命健康。在我国因动脉粥样硬化性心血管疾病所致的死亡人数约占总死亡人数的25%[2]，并且，其患病率仍在持续上升，据推算，我国心血管疾病现患病人数达2.9亿人，给社会经济带来了巨大负担，这表明AS已成为目前威胁人类健康的主要疾病之一。作为近年来的研究热点，肠道菌群在AS中的潜在作用受到高度关注[3]，伴随着肠道菌群与AS关系研究的深入，作为肠道菌群与宿主代谢产生的重要信号因子，胆汁酸亦成为医学各学科关注的焦点[4]。深入研究胆汁酸代谢与AS的关系，从不同的角度去探讨AS的发生机制，对积极探索AS的进程和新的防治方法具有重大意义。

1 动脉粥样硬化的发病机制

AS的发生是多方面因素共同作用的结果，其确切病因和危险因素尚不清楚。流行病学研究显示某些危险因素或习惯可能会加速AS的发生，包括年龄、性别、家族遗传等不可逆因素，吸烟、饮酒、久坐等不良生活习惯，肥胖、糖尿病、高血压、高血脂症等慢性疾病因素[5]。这些危险因素常导致AS的发生。

现代医学研究发现，AS的发生可以分为以下几个阶段[6]：第一阶段是血管内膜脂质(低密度脂蛋白)的沉积。血管内皮屏障可以控制血浆分子的扩散，调节血管张力和炎症，防止血栓形成，然而伴随内皮细胞功能的失调，这些特性将逐渐丧失。第二阶段是氧化低密度脂蛋白激活机体先天性免疫反应。通过诱导内皮细胞、平滑肌细胞等分泌血管细胞黏附分子、单核细胞趋化蛋白及其他细胞因子，血管平滑肌细胞和内膜层白细胞的聚集和增殖，被招募并附着在血管内皮上，下一步就会进入血管壁，并转化为巨噬细胞。第三阶段是巨噬细胞在血管壁吞噬沉积的胆固醇，使单核细胞和巨噬细胞及其他炎症细胞从内皮层进入内膜，同时在介导胆固醇逆向转运以加快清除的过程，并转化为泡沫细胞。在AS的早期，泡沫细胞的积累演变成脂肪条纹，当泡沫细胞释放生长因子和细胞因子，进一步刺激血管平滑肌细胞向内膜迁移，导致内膜分裂和胶原纤维增生，就会出现AS等心血管病变。第四阶段是巨噬细胞无法清除血管中积聚的胆固醇，它们就会发生凋亡，将胆固醇释放到血管壁进一步沉积，AS斑块最终形成。因此，胆固醇代谢受阻及慢性炎症反应贯穿AS发生的全过程，也是AS形成的直接原因。

AS的发病机制研究一直是医学界的热点，提出多种学说[7]，主要包括脂质浸润学说、炎症反应学说、氧化应激学说、血栓形成学说、细胞学说、免疫学说基因组和蛋白组学说等。目前普遍认为主要的发病机制为“脂质浸润学说”，其学说是1863年由德国病理学家Virchow 提出，认为AS主要是由于血浆中脂质水平增高所引起的。有研究表明，胆固醇和胆固醇酯则是构成粥样斑块的主要成分[8]。而作为近年来的研究热点，肠道菌群学说在AS发生中的潜在作用也已受到高度关注。

2 肠道菌群与胆汁酸的关系

肠道菌群在与宿主的共同进化中形成，数量巨大。据统计，人体肠道菌群的总数超过1 000亿，约1 000余种，其编码的基因数量是体细胞的150倍[9]。当肠道菌群的种类、数量和比例处于相对稳定时，不仅可以促进宿主的营养代谢，亦可以提高肠道的免疫与屏障功能。反之，肠道菌群失调则将导致肥胖、糖尿病、高血脂症及AS等多种代谢疾病的发生[10]。

近年来，胆汁酸作为肠道菌群与宿主代谢产生的重要信号因子，也越来越受到医学各学科的关注和重视。胆汁酸是胆汁的主要成分，在肝脏中合成的初级胆汁酸，通过胆管运输并以牛磺酸和甘氨酸共轭形式储存在胆囊中。在肝脏中合成的初级胆汁酸主要为胆酸(CA)和鹅脱氧胆酸(CDCA)，其中CA与甘氨酸或牛磺酸结合生成甘糖胆酸(GCA)和牛磺胆酸(TCA)，CDCA与甘氨酸或牛磺酸结合生成甘糖鹅脱氧胆酸(GCDCA)和牛磺鹅脱氧胆酸(TCDCA)[11]。进食后胆汁酸从胆囊释放到十二指肠，大约95%的胆汁酸在回肠中被重新吸收，少于5%排泄至粪便中。肠上皮细胞转运的胆汁酸经门静脉重吸收至肝脏，完成肠肝循环，通常每天可通过肠肝循环6次[12]。释放到肠道的共轭胆汁酸，被肠道菌群中的胆盐水解酶转化为次级胆汁酸[13]，主要包括脱氧胆酸(DCA)、石胆酸(LCA)和熊脱氧胆酸(UDCA)，进一步调节宿主的新陈代谢和肠道微生物的组成。

胆汁酸与肠道菌群之间存在复杂的相互作用。一方面，胆汁酸能抑制有害菌的生长，通过自身的生理作用及其所介导的信号通路来影响肠道菌群的数量和组成，维持肠道菌群稳态、防止细菌移位、增强黏膜屏障的防御作用。CA可以调节肠道菌群的组成，具体而言，CA诱导肠道菌群水平的改变，其中以厚壁菌门增加而拟杆菌门减少为主[14]。胆汁酸还可以通过法尼醇X受体(FXR)发挥间接抗菌作用，研究显示胆汁酸的核受体FXR，诱导参与肠保护的基因，并抑制由胆管结扎引起的回肠细菌过度生长和黏膜损伤；而缺乏FXR的小鼠回肠细菌水平增加，上皮屏障受损[15]。

另一方面，肠道菌群数量及组成的变化也会影响胆汁酸的组成；同时，肠道菌群还参与调节肝脏胆汁酸合成，而且可以激活胆汁酸相关信号通路调控胆汁酸代谢[16-17]。已知益生菌是改善肠道菌群组成、调节肠道菌群平衡的最有效的调节剂。Degirolamo等[18]研究发现，复合益生菌能够有效调节小鼠的肠道菌群的组成，小鼠肠道菌群厚壁菌门和放线菌属数量显著增加，拟杆菌属和变形杆菌属数量减少，进而导致肠道中FXR和成纤维细胞生长因子15(FGF15)表达下调，促进了回肠胆汁酸解耦联以及随后的粪便胆汁酸的排泄，调节肝脏中胆汁酸新合成的增加。有研究显示，肥胖、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝、AS等代谢性疾病，其真正的靶点可能位于肠道菌群-胆汁酸代谢轴[19]，应探索肠道菌群-胆汁酸代谢轴在以上疾病中的变化[20]，进一步研究靶向调节肠道菌群对于机体代谢的改善作用，从而为它们的治疗打开新的潜在途径。

3 肠道菌群与动脉粥样硬化的关系

在AS的形成过程中，不同种类的肠道菌群发挥的功能也大相径庭，有些菌群可促进AS的发生，而另一些菌群则可抑制AS的形成[21]。肠道菌群可通过多种途径影响AS的发生发展：肠道菌群失调导致炎症反应，加重AS斑块的发展或导致斑块破裂；肠道菌群通过调节宿主的胆固醇和脂质代谢影响AS斑块的发生发展；肠道菌群的代谢产物可对AS的发生起到有益[如短链脂肪酸(SCFAs)]或有害[如氧化三甲胺(TMAO)]的影响[22]。

研究发现，高脂高糖饮食将诱导肠道菌群功能失调，破坏肠道屏障功能，刺激肠道组织发生炎症反应，通过肠上皮细胞吸收入血，引发血管壁的炎症反应，导致AS的发生，这表明肠道菌群失调是肠道屏障功能受损、炎症反应发生及AS形成的重要推手[23]。Liu等[24]通过对161名冠心病患者及40名健康人进行多组学分析(16S rRNA基因V3-V4区域的序列和代谢组学)，发现肠道菌群和代谢物的组成均随冠心病的严重程度而发生显著变化。与健康对照组相比，冠心病患者的肠道菌群变化显著，如罗斯菌属(Roseburia)、克雷伯杆菌属(Klebsiella)、Ⅳ型梭菌(Clostridium Ⅳ)和瘤胃菌科(Ruminococcaceae)等,并通过影响宿主的代谢途径进一步影响患者AS的严重程度。

通过调节肠道菌群可以抑制AS的发生。TMAO被认为是一种通过抑制肝脏胆汁酸合成来影响胆固醇代谢，促进AS发生的危险因子。Chen等[20]通过TMAO诱导载脂蛋白E敲除(ApoE-/-)小鼠致AS，研究结果显示白藜芦醇通过重塑小鼠肠道菌群来抑制三甲胺(TMA)的产生，降低了TMAO的水平，改善了AS；此外，白藜芦醇还增加了乳酸杆菌和双歧杆菌的相对丰度，提高了胆盐水解酶的活性，从而增强ApoE-/-小鼠胆汁酸的合成及其排泄能力。Shimizu 等[25]研究发现次级胆汁酸DCA水平升高，通过上调氨基端激酶(JNK)和血小板源生长因子β受体引起高脂饮食诱导血管平滑肌细胞增殖和迁移，通过改变肠道菌群组成和增加产生的DCA肠道细菌，改变了胆汁酸池的组成。通过调节肠道菌群改变胆汁酸池的组成及大小，为预防AS的发生提供了潜在的治疗和预防策略。

4 胆汁酸代谢与动脉粥样硬化的关系

肝细胞受损时可引起胆汁酸合成及排泄障碍，肝细胞内胆固醇7α-羟化酶(CYP7A1)及12α-羟化酶(CYP8B1)活力降低，胆汁酸的合成减少，体内胆汁酸不足，影响脂类物质和脂溶性维生素的吸收和代谢。与胆汁酸代谢紊乱相关的疾病多是由于胆汁酸代谢途径中关键酶的活性下降或缺失, 胆汁酸合成减少，大量胆固醇或胆汁酸代谢中间产物在体内积聚所致[26]。AS形成的直接原因是由于胆固醇代谢受阻及慢性炎症反应，因此胆汁酸代谢异常与AS的发生密切相关。在长期高脂、高胆固醇食物饲养条件会出现AS，其机制可能是小鼠不能及时将过剩的胆固醇以胆汁酸的形式通过肠道排出体外，胆固醇转化为胆汁酸的代谢途径异常可导致高胆固醇血症，进而参与AS的发生、发展[27]。而在饮食条件相同的情况下，与健康对照组相比，冠心病患者的胆汁酸排泄能力明显降低，粪便中总胆汁酸的含量明显低于对照组，DCA和LCA更少，无法有效排泄胆汁酸会导致冠状动脉粥样硬化的进一步发展[28]。增加冠心病患者胆汁酸的排泄，对控制冠心病的发生发展有积极的作用。

胆汁酸作为重要的信号因子，主要通过FXR和G蛋白跨膜耦联受体5(TGR5)受体调节脂质、葡萄糖、能量代谢[29]，炎症反应和免疫应答[30-31]。 FXR又名胆汁酸受体，主要分布在肝脏和肠道系统中，参与脂质代谢的调节，尤其是三酰甘油的运输、合成和利用[32]。TGR5是G蛋白耦联受体类紫红质样超家族的一员，主要在胆囊、回肠和结肠中表达[33]，胆汁酸激活TGR5受体参与了生物体内各种过程的调节[19]。

胆汁酸通过激活FXR影响AS的发生。ApoE-/-小鼠是目前已被广泛应用于AS的小鼠模型，研究发现，法尼醇X受体和载脂蛋白 E同时敲除(FXR-/-ApoE-/-)小鼠在喂食高脂、高胆固醇食物后，导致更严重的AS[34]。FXR降低AS斑块形成的作用部分归因于脂质代谢，除了调控脂质代谢外；FXR还可以抑制炎症反应，降低AS的发展进程[35]。FXR还具有扩张血管的作用，FXR通过增加内皮一氧化氮合酶(eNOS)的表达和血管扩张剂一氧化氮(NO)的产生，同时降低血管收缩内皮素-1的表达来调节血管张力[36]。总的来说，激活FXR受体可以防止AS斑块的形成。胆汁酸也通过激活TGR5受体影响AS的发展，有研究显示TGR5具有抗AS作用，牛磺酸和甘氨酸结合的胆汁酸可以通过激活细胞表面的膜受体TGR5，降低核因子kappa-B(NF-κB)的转录活性，抑制促炎性细胞因子的产生，降低了低密度脂蛋白受体敲除(LDL-/-)小鼠的动脉粥样斑块内的炎症，抑制AS的发展进程与减少斑块内炎症和减少斑块巨噬细胞含量密切相关[37]。有研究表明FXR和TGR5双重缺乏加剧了AS的发展[38]，FXR和TGR5的双重激活是防治AS的一种潜在的有效策略。

5 小 结

胆固醇代谢受阻及慢性炎症反应是AS形成的直接原因，肠道菌群及其代谢产物与AS紧密相关，同时胆汁酸作为肠道菌群与宿主代谢产生的重要信号因子在AS的形成过程中也扮演着重要的角色。探索肠道菌群-胆汁酸代谢轴在AS中的变化，积极有效的防治AS的发生，一方面，通过调节肠道菌群；另一方面，通过激活胆汁酸受体FXR和TGR5调节脂质、代谢和炎症反应。因此，深入研究肠道菌群及胆汁酸代谢与AS的关系，从不同的角度去探讨AS的发病机制，以期为防治AS提供新的思路。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突。