益生菌对心室重构的影响

潘柔百， 宗 枭， 陶 蓉

（上海交通大学医学院附属瑞金医院心脏内科，上海 200025）

早在人类出生前，微生物就已定植于人类肠道中，并随着人体发育而不断成熟，约3 岁后结构逐渐稳定[1]。 微生物数量达到1013，是人体有核细胞总数的10 倍，总质量约0.2 kg，种类超过500 种，基因组包含基因数量是人类基因数量的至少100 倍以上[2]。 肠道菌群广泛分布于肠道系统各个部位，在胃部极端的环境下也有菌属定殖，小肠因其具有转运、消化的结构功能特性，细菌分布具有动态性，而对比前两者，大肠分布密度以及多样性更高[3-5]。 肠道菌群与宿主之间存在共生关系，其多样性受到宿主遗传或饮食、药物使用等行为影响，并在宿主生理过程中发挥作用，如物质能量代谢、肠道免疫系统调节、神经系统塑造等，同时与阿尔茨海默病、肥胖、2 型糖尿病、心血管疾病等相关[6-11]。

心力衰竭是由多种因素造成心脏受损，心脏生理性代偿与病理性代偿之间失衡， 最终心泵功能发生障碍的病理过程。 病理性心室重构是慢性失代偿过程的基础[12]，宏观上表现为心室舒张末期容积、 心室质量和心室壁厚度的改变[13]，微观上包括心肌细胞中钙调控、能量代谢、凋亡、自噬的改变和胞外基质积累等一系列病理生理过程[14]。心室重构是心脏为适应血流动力学变化而产生的心肌细胞内转录、 信号传导、结构功能、电生理改变等事件的共同结果，也涉及成纤维细胞、血管平滑肌细胞、血管内皮细胞、免疫细胞等非心肌细胞的参与[15]。 越来越多的证据表明，心室重构与肠道功能紊乱之间形成恶性循环，导致心功能恶化。 肠道菌群作为许多肠道功能的直接执行者或间接调节者， 在这一循环中扮演着重要角色。

益生菌是一种被认为对宿主健康有益的活性微生物，广泛存在于发酵食物、保健产品、化妆品中。 常见益生菌菌种有乳杆菌（Lactobacillus, L）、双歧杆菌（Bifidobacterium），一些真菌如布拉迪酵母菌（Saccharomyces boulardii）也被视为益生菌。 以往认为益生菌通过定殖于人类肠道，调节肠道内菌群平衡对宿主健康起到调节作用。 而越来越多证据提示，益生菌可调节免疫系统、 改变短链脂肪酸 （short-chain fatty acid，SCFA）构成[7]。 本文将益生菌对各种心肌损伤心室重构的影响机制作一阐述。

益生菌对心室重构的影响

一、益生菌对缺血引起心室重构的影响

缺血性心脏病是心力衰竭的主要病因之一[16]，其引起氧供需平衡失调，导致心肌损伤。 损伤心肌继而被炎症细胞浸润，其介导的损伤-修复过程使心肌细胞进入瘢痕形成期，促使心室重构发生[17]。 Sadeghzadeh 等[18]的研究显示，益生菌抑制肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-alpha，TNF-α）介导的炎症反应，减轻氧化应激所致的心肌组织坏死，改善心肌梗死小鼠的心室功能。在Lam 等[19]的试验中，植物乳杆菌（L.plantarum）299v 处理组的心肌梗死面积减少近29%，减轻梗死后的心室重构程度，心肌相关激素分析结果显示，血浆中瘦素水平下降——该激素可导致心肌细胞肥大， 这提示益生菌通过恢复心肌组织的瘦素敏感性起保护作用[20]。 Gan等[21]的研究中，鼠李糖乳杆菌（lactobacillus rhamnosus,L.rhamnosus）GR-1 逆转心肌梗死小鼠模型中血浆瘦素浓度，同时检测到心肌中牛磺酸含量增加， 后者可以减轻心肌梗死后的心室重构[22]。 后续相关机制探究认为，L.rhamnosus GR-1 抑制α1 肾上腺受体激动剂介导的心肌肥大[23]。 Wang等[24]的研究显示，灭活乳杆菌抑制缺血再灌注模型中核因子κB 信号通路和一氧化氮合酶活性， 增强超氧化物歧化酶活性，对心肌起到保护作用。

关注益生菌对缺血心室重构影响的临床试验显示，益生菌通过影响肠道菌群代谢产物、减轻系统炎症、抑制纤维化等方式参与心室重构。 一项为期2 个月探究L.rhamnosus G和菊粉治疗作用的研究， 试验组患者血清炎症指标TNF-α、高 敏C 反 应 蛋 白 （high-sensitivity C-reactive protein，hs-CRP）、脂 多 糖（lipopolysaccharide，LPS）较 对 照 组 均 显 著 下降。另一项联合热量限制和L.rhamnosus G 应用为期12 周的临床试验中， 试验组同样出现诸如白介素（interleukin，IL）-1β、IL-10、Toll 样受体4（toll-likereceptor-4，TLR-4）等炎症指标下调[25-26]。 持续性炎症反应的严重程度被认为影响心肌缺血后的不良心室重构[27]。 与动物模型上观察到的结果相似，在人体内，益生菌打破炎症反应-心室重构之间的反应链。 一项为期3 个月、探究L.rhamnosus G 对因心肌梗死行经皮冠状动脉介入患者心室重构影响的临床试验，相较于服用菊粉的对照组，试验组中与心功能相关的心脏超声指标无显著差异， 但转化生长因子-β （transforming growth factor-β,TGF-β）及氧化三甲胺（trimethylamine N-oxide,TMAO）水平有所下降[28]。 TMAO 为一种重要肠道菌群的产物，通过TGF-β/Smad3 信号通路，引发心肌肥大与纤维化。 该指标作为心血管危险标志物， 与冠状动脉心脏病等心血管疾病的预后具有关联性[29-30]。 一项为期6 周、探究L.plantarum 299v对稳定冠状动脉疾病影响的临床研究中，除IL-8、IL-12 等炎症指标下降，SCFA 浓度也产生变化——乙酸盐（acetic acid）浓度下降，丙酸盐（propionic acid）浓度升高[31]。在菌群失调的心肌缺血动物模型中，SCFA 调节宿主免疫，维持髓细胞的数量，恢复其对梗死区域的浸润修复能力，从而减轻心室不良重构[32]。

二、益生菌对胰岛素抵抗引起心室重构的影响

肥胖、2 型糖尿病等以胰岛素抵抗为特征的疾病是心力衰竭重要的危险因素[33]。 在心力衰竭早期阶段，循环高胰岛素使胰岛素受体底物1（insulin receptor substrate 1，IRS1）和Akt1 通路激活， 导致心脏病理性肥大， 造成线粒体功能障碍、细胞自噬功能减退；而在心力衰竭进展阶段，胰岛素信号通路失敏，使Akt1 信号的细胞保护作用消失，叉头框O1（forkhead box O1, FoxO1）蛋白转录活性增强，介导肌球蛋白亚型胚系基因表达， 激活心肌自噬和萎缩途径， 增强脂毒性，造成不良心肌重构[34-35]。 在Tunapong 等[36]的试验中，副干酪乳杆菌 （L.paracasei）STII01 HP4 改善胰岛素敏感性和血脂谱，减轻肥胖小鼠的胰岛素抵抗，通过维持心肌细胞线粒体结构完整性，减轻肥胖导致心脏功能障碍。Lai 等[37]的试验结果显示，L.rhamnosus、乳酸片球菌（Pediococcusacidilactici）、青春双歧杆菌 （Bifidobacterium adolescentis） 抑制肥胖小鼠TGF-β 介导心肌纤维化、心肌肥大以及心肌细胞自噬，减轻不良心室重构。 关于罗伊氏乳杆菌（L.reuteri）GMNL-263 研究显示， 其减轻肥胖小鼠心肌细胞炎症， 抑制心肌细胞凋亡、纤维化，促进心肌细胞存活[38]。 Sefidgari-Abrasi 等[39]的研究中，L. plantarum ATCC 8014 和菊粉联合运用可调节糖尿病小鼠心脏5-羟色胺、脑源性神经营养因子，激活磷脂酰肌醇3 激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）-Akt，抑制心肌细胞凋亡。

三、益生菌对高血压引起心室重构的影响

高血压增加心室所受的机械应力， 伴随交感神经系统、肾素-血管紧张素-醛固酮系统等神经-体液系统的激活，促进心室重构的发生[40]。 Lin 等[41]的研究显示，嗜酸乳杆菌（L.acidophilus）BCRC14065、德氏乳杆菌乳酸亚种（L.delbrueckii subsp.lactis）BCRC12256 和加氏乳杆菌（L.gasseri）BCRC14619发酵的紫薯酸奶抑制与心肌肥大相关的胰岛素样生长因子-Ⅱ受体和IL-6 信号通路， 减轻高血压引起的室壁增厚与心腔半径扩大， 维持心脏正常结构， 该过程也涉及TGF-β 与TLR-4 通路。 Gómez-Guzmán 等[42]的研究显示，棒状乳杆菌（L.coryniformis）CECT5711 和L.gasseri CECT5714 减轻高血压大鼠的血管炎症、 氧化应激， 保留其受损血管内皮的功能，抑制心室肥大。Silva-Cutini 等[43]的研究显示，益生菌饮料开菲尔（Kefir）可恢复高血压小鼠心肌钙调蛋白活性和交感神经兴奋性，减轻心脏肥大。 Robles-Vera 等[44]的试验显示，短双歧杆菌 （Bifidobacteriumbreve） CECT7263 和发酵乳杆菌（L.fermentum）CECT5716 可能通过改善肠道菌群失调，影响SCFA 构成进而减轻高血压所致的心脏肥大。 SCFA 可与内皮细胞上的游离脂肪酸受体3 （free fatty acid receptor 3，FFAR 3）结合，介导血管舒张，调节血压，影响心室重构[45]。

讨论

目前针对肠道菌群的治疗手段包括饮食干预、益生菌与益生元、粪便菌群移植、细菌酶抑制剂、宿主酶抑制剂、抗菌药物等[46]。 随着对肠道菌群作用机制的探究不断深入，目前倾向于认为，肠道菌群如同一个具有内分泌功能的器官，产生具备生物活性的代谢产物如TMAO、SCFA、次级胆汁酸等，参与心室重构[47]。 肠道菌群代谢物在益生菌与肠道菌群之间起桥梁作用，研究益生菌-肠道菌群代谢物-心室重构三者关系，将进一步揭示益生菌的治疗作用。 益生菌与宿主表观遗传的关系是目前的研究热点，如肠道菌群失调引起半胱氨甲硫胺酸β-合成酶启动子异常甲基化，导致高同型半胱氨酸血症，而益生菌能减轻其介导的心室重构和心功能障碍[48-49]。

研究显示， 益生菌干预可改善宿主代谢而影响心室重构，但将其转化为有效临床证据存在障碍。 原因之一归咎于研究本身，多数研究对象为细胞、动物，仅少部分是人体。 观测指标通常是炎症因子等缺乏特异性的指标， 同时实验菌株的种类、剂量与配伍之间存在明显差异。 与此同时，益生菌与人体内部环境之间相互作用起效，本身会受到如饮食、年龄、遗传背景、肠道菌群构成特点等诸多因素影响，这使得人体试验通常难以得到一致结果。 一些关于益生菌的试验由从事益生菌生产的商业机构或与之存在利益关系的机构开展、资助，虽然不一定削弱试验的可信度，但依旧需要客观中立的科学、医疗机构参与研究当中。

益生菌的安全性与适应证是值得进一步探讨的问题。免疫抑制、结构性心脏病、早产儿、肠壁功能受损被认为是益生菌菌血症的危险因素。 益生菌可能会引起这些患者产生败血症、心内膜炎、脑膜炎等系统或局部性感染[50]。一项来自美国波士顿儿童医院ICU 观察研究显示， 在522 例接受过鼠李糖乳杆菌GG 株治疗的患者中1.1%出现乳杆菌血症，通过基因组测序证实益生菌透过肠道屏障进入患者血液中，但这些患者并不存在严重免疫抑制等危险因素[51]。因此，在临床实践中益生菌的使用应受到严格监视， 对于疑似益生菌引起机会性感染， 患者需用分子测试明确相关菌株[52]。目前16s RNA 测序、 宏基因组测序已广泛应用于关于微生物的基础研究中，推动其在临床实践中的运用，识别需要干预的患者，将进一步推动益生菌治疗手段的实践和发展。

目前的研究显示益生菌通过调节免疫炎症、氧化应激、细胞代谢、自噬、凋亡等不同的细胞病理生理过程对心室重构具有保护作用，其过程涉及多种信号通路。 在临床实践方面，益生菌补充对心室重构可能具有一定的改善作用，不过该结论仍需要大规模、多中心、长时间的随机临床试验进一步证实。