肠道菌群和黏膜免疫与心血管疾病关系研究新进展①

赵乐恒 吕昌龙 孙洪涛

(内蒙古民族大学临床医学院，通辽028000)

心血管病是目前导致死亡的主要原因之一。致心血管疾病的常见危险因素(如肥胖、2型糖尿病和代谢综合征)日益增加。引起心血管疾病的主要发生机制是免疫性炎症。肠道菌群失调，致病菌侵入，诱发肠道免疫细胞活化，分泌前炎症细胞因子，免疫功能紊乱，免疫耐受遭到破坏，引起肠黏膜炎症，肠上皮层细胞间紧密连接程度降低，通透性增加，细菌代谢产物及死亡细菌的崩解产物进入血液循环，形成毒素血症，使血管内膜受到损伤，导致血管炎症，发生动脉粥样硬化，造成心血管疾病。本文就肠道菌群-黏膜免疫-心血管疾病间的作用关系研究新进展简要概述。

1 肠道菌群与黏膜免疫

正常人体的胃肠道内寄居着数量繁多的微生物，构成了一个巨大而复杂的生态系统。因以细菌为主，故也称肠道菌群。胃肠道内的菌群种类和数量从上到下逐渐增多，主要存在于结肠。据估计肠道菌群的种类超过1 000种，数量达1013～1014。肠道菌群含有需氧菌、兼性厌氧菌和厌氧菌，其中厌氧菌，特别是革兰氏阴性厌氧菌占绝大多数。主要细菌种类有梭菌、类杆菌、双歧杆菌、乳酸杆菌、肠杆菌、脱硫弧菌等菌属[1]。 肠道菌群在人体健康，包括生理、免疫和代谢等方面均发挥极其重要的作用。肠道菌群在黏膜免疫及全身免疫系统成熟发育，诱导食物抗原和自身抗原免疫耐受中具有重大效应[2]。

1.1肠道菌群与固有免疫细胞 肠道固有免疫细胞时刻监测肠腔内的外原性抗原，构成肠道防御功能之一。固有免疫细胞通过表达的模式识别受体(Pattern recognition receptor,PRR)同肠道栖息菌存在的保守分子病原相关分子模式(Pathogen associated molecular pattern,PAMP)相互作用。PRR家族成员主要有TLR和NLR。肠道栖息菌的PAMP与固有免疫细胞的PRR结合可诱导肠道黏膜的免疫耐受。固有免疫细胞的PRR同感染的病原菌PAMP结合启动炎症性免疫应答。栖息菌结合PRR不同，革兰氏阴性菌的LPS结合TLR-4，革兰氏阳性菌细胞壁的肽聚糖和其他成分结合TLR-2，刺激固有免疫细胞产生炎症或抗炎症免疫应答[3]。

固有层树突状细胞(Dendritic cell,DC)能够通过伸出伪足穿入肠腔摄取细菌等抗原物质，在其内质网内将抗原加工处理成小分子肽，与MHCⅡ类分子结合呈递给GALT内的T淋巴细胞产生应答，同时可诱导IgA的浆细胞分化。DC指挥淋巴细胞定位，还可决定免疫应答的性质：产生IL-2上调分泌IFN-γ的Th1应答；产生IL-1、IL-6和IL-23促Th17应答。与未成熟DC相互作用或有IL-10和TGF-β存在条件下能诱导具有抗炎症应答的调节性 T细胞(Treg)产生[3]。小鼠和人类，肠道菌群和黏膜功能正常的情况下，DC和巨噬细胞对病原相关分子模式产生低应答。黏膜上皮层出现破坏损伤，固有免疫细胞通过toll样受体、NOD样受体、可溶性维甲酸诱导基因I或黑色素瘤分化相关蛋白5识别病原菌，产生炎症级联反应、分泌前炎症细胞因子和适应性免疫应答激活[4]。

肠道菌群极大地影响固有免疫细胞的转录程序。去除正常菌群，固有淋巴样细胞(Intrinsic lymphoid cells,ILC)遗传表型和基因转录会受到影响，髓样细胞基因表达谱(如前炎症基因的表达)也会受到影响。肠道菌群与固有免疫细胞之间的通讯联系还特殊地依赖于菌群的代谢产物，如ILC依赖色氨酸代谢物，髓样细胞依赖短链脂肪酸。细菌代谢产物-固有免疫交叉作用产生于小儿出生之前，并经抗体介导转移到哺乳期[5]。

1.2肠道菌群与T细胞 栖息的菌群在调节肠道淋巴细胞亚群的发育与分化中起重要作用。肠道栖息的脆弱类杆菌影响Th1和Th2细胞间的平衡[5]。栖息菌SFB可诱导Th17细胞分化，激活产生IL-23、IL-22诱导B细胞产生免疫球蛋白类别变化防御细胞外病原菌感染[3]。Th17细胞通过产生前炎症细胞因子，如IL-17和IL-22，及募集中性粒细胞，在抵御细菌和真菌感染中起重要作用[4]。Th17细胞具有双向作用，参与自身免疫性炎症的发生和发展。

脆弱类杆菌分泌的多糖A能诱导CD4+T细胞成为Foxp3+Treg细胞。部分栖息的梭状芽孢杆菌也参与Treg 细胞的诱导[4]。细菌来源的SCFA是菌群诱导Treg效应的有力介导剂[5]。调节性T细胞(Treg)在肠道集聚，辅助维持肠道稳定。Treg控制异常表达抗栖息菌T细胞受体的CD4+T细胞增殖，抑制肠道炎症；分泌炎症抑制因子TGF-β和IL-10，介导肠黏膜免疫稳定性[4]；维持对食物抗原和肠道栖息菌群耐受性；保持对自身抗原的耐受和阻止自身免疫性应答[3]。

1.3肠道菌群与B细胞 肠道菌群与体液免疫应答间存在重要关系。影响肠道产生sIgA及其多样性的浆细胞集聚。 肠道菌群能刺激固有层树突状细胞产生B细胞活化因子和增殖诱导配体(称为APRIL)，诱导IgA+B细胞分化与增殖；指令固有层树突状细胞和滤泡树突状细胞诱导分泌IgA浆细胞产生。 受到肠道菌群作用的树突状细胞呈递蛋白质类抗原给Th细胞，提呈抗原信息给B细胞。B细胞可经Th细胞依赖性或非依赖性机制分化成浆细胞。在派氏集合淋巴结发生Th细胞依赖性应答，伴随免疫球蛋白同种型转换，诱导抗原高亲和性IgA分泌性浆细胞的分化，合成高亲和性分泌型IgA(sIgA)。Th细胞非依赖性的应答主要由B细胞直接接受多糖类抗原刺激，分化成抗原低亲和性多克隆分泌IgA浆细胞。sIgA具有屏障功能，与栖息菌共同作用抑制病原菌与肠上皮细胞结合侵入固有层，保护机体免于肠道感染[4]。 肠道菌群通过B细胞的MYD88信号转导途径限制血清IgE的水平和嗜碱性粒细胞的数量，抑制变态反应性炎症发生。反过来， sIgA调节肠道菌群的组成和功能。sIgA包被SFB和黏液螺旋菌(Mucispirillum spp)调控Th17所致的炎症性应答[5]。

2 肠道菌群失调和免疫与心血管疾病

2.1血管炎 以往揭示动脉粥样硬化的免疫性与炎症性应答机制主要聚焦于血管内膜，因为该部位是动脉粥样斑块定着部位。然而近年来研究证明免疫与炎症波及血管动脉壁全层，即内膜层、中膜层和外膜层。最近认为血管三层均受累致动脉粥样硬化发生。外膜层主要为免疫性炎症活动的温床，其内也存在多种免疫细胞。外膜层构建营养血管致斑块形成的微循环系统。器官化的末端淋巴样结构也位于外膜层内。树突状细胞巡查局部及其他部位的损伤性细胞抗原并呈递给T淋巴细胞，T细胞自身活化或辅助B细胞产生适应性免疫应答。外膜层内的肥大细胞也参与动脉炎的产生。外膜内的神经末梢分泌的介质调节血管功能[6]。在动脉瘤形成期间，炎症过程归因于细胞外基质降解，特别是弹性组织分解作用。在许多动脉瘤损伤部位发现的丰富微血管可能来自于外膜。祖细胞和髓样纤维母细胞栖息于外膜，提供参与损伤和修复血管应答的细胞来源[7]。外膜含有肥大细胞，影响动脉疾病的病理作用。自主与痛觉神经引入并围绕外膜，外膜影响神经体液微环境，沐浴血管和不同类型的免疫细胞。黏附分子和趋化因子调控各种炎性细胞进入动脉壁。免疫性炎症可以影响中层膜的各种功能，参与动脉炎性疾病。其机制解释为动脉平滑肌受到 Th1型细胞因子IFN-γ刺激，能诱导吲哚胺二氧酶产生，辅助限制内层炎症和免疫应答保护动脉的完整性。否则，会引起动脉瘤及相关炎症的病理学作用[8]。Th2细胞、Treg细胞 、Th17细胞、B细胞、单核-巨噬细胞、树突状细胞和中性粒细胞等多种免疫细胞均参与动脉炎性疾病发生与消退的复杂过程[6]。

2.2高血压 已有研究证明肠道菌群同高血压有密切联系，表现为双向作用。自发性高血压和输注血管紧张素Ⅱ诱发高血压大鼠模型和高血压患者，均显示肠道菌群数量和多样性存在失调，厚壁菌/拟杆菌比例增加[9,10]。肠道菌群消化食物纤维生成短链脂肪酸(Short chain fatty acid,SCFA)，主要包含乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，在机体生理方面及疾病敏感性方面具有广泛的影响。SCFA是肠上皮组织的能量来源，影响细胞的分化发育、肠道运动，维持黏膜上皮屏障完整性减少炎症，直接影响免疫细胞活性和减少交感神经兴奋性；SCFA与肾脏、心脏、交感神经节和血管的嗅觉受体gpr41、gpr43和olfO79结合调节血压[11]；刺激G-蛋白结合受体途径，影响肾素分泌和血压调节[12]；与芳香基烃受体结合增加IL-10R的转录，调节肠道免疫应答，减少回肠上皮的炎症，降低血压[13]。肥胖孕妇肠道丁酸盐产生菌减少造成丁酸盐产生量降低，致血压升高[14]。肠道菌群的代谢产物影响线粒体功能，脑脊髓液内的线粒体DNA片段可通过TGF-β介导的活化途径致神经炎症诱发高血压[13]。

2.3动脉粥样硬化 颈动脉粥样硬化和冠状动脉粥样硬化均表现为拟杆菌门减少。厚壁菌门/拟杆菌门比率增加。病情的严重性同益生菌，如拟杆菌属、普氏菌属和Faecalibacterium减少密切相关[15]。由于某种原因造成肠道菌群失调，致病菌及条件性致病菌均可侵入肠道黏膜，黏膜固有层的免疫细胞，如Th细胞、γδT细胞、树突状细胞等将对入侵的细菌产生应答。免疫细胞受到细菌及其代谢产物刺激活化，产生炎症反应杀伤细菌。死亡细菌释放的脂多糖(LPS)入血可引起内毒素血症；与吞噬细胞和血管内皮细胞表达的TLR4结合，激发细胞前炎症因子释放，导致血管内皮损伤和功能障碍；使低密度脂蛋白(LDL)氧化血栓产生，动脉粥样硬化斑块形成和脱落[16]。

通过对人肠道和动脉粥样硬化斑块中的细菌代谢产物进行分析发现，心血管病的发生与磷脂酰胆碱的代谢产物胆碱、肉碱和TMAO有关。胆碱是食物中的基本营养成分，缺乏会导致肌损伤和脂肪肝。食物中的胆碱经肠道菌群含有的三甲胺裂解酶代谢成TMA，吸收后通过门静脉运送到肝脏，经黄素单加氧酶(FMO)氧化生成TMAO[17]。动物实验也证明，将TMAO投给载脂蛋白E缺陷小鼠，发现在动脉壁和腹腔产生巨噬细胞泡沫细胞，促使动脉粥样硬化斑块发生[18]。左旋肉碱含有与胆碱类似的三甲胺结构，富含于红肉内。肠道菌群代谢肉碱使TMAO浓度升高，引起以菌群依赖方式提高动脉粥样硬化发生率。饮食结构直接影响肠道菌群的组成和数量，以素食为主或素食者体内TMAO产生水平显著低于食肉量较多者。 过量消费红肉会增加心血管病的发生[19]。

2.4心衰 肠道菌群失调与心衰的发生及病情加重密切相关。心衰患者结肠黏液内细菌量增多，甚至在粪便中可查出大量的病原菌，如弯曲杆菌、志贺菌和伤寒杆菌[20,21]。血浆TMAO水平升高增加心衰死亡、心肌梗死和中风的危险性[22]。肠道菌群还发酵食物中的色氨酸和酪氨酸生成尿毒症毒素硫酸吲哚酚和硫酸对甲酚。硫酸吲哚酚促心肌细胞过度增殖和纤维化，使得心肌肥大和弹性减弱[23]。心衰患者与全身其他部位一样，血流缓慢，肠管水肿，胶原物质堆积，肠道组织结构损伤和功能障碍[20]。心衰患者肠道缺血和黏膜通透性增加，中度以上充血性心衰患者肠黏膜通透性较正常人增加78%。心衰患者肝静脉内的LPS水平高于肺动脉和左心室，提示内毒素从肠道进入血流可加速心衰。LPS与脂多糖结合蛋白结合，启动信号级联反应，增加细胞因子产生，如TNF-α、IL-6等加重心衰的病程[24]。

3 肠道菌群失调的免疫治疗

3.1益生菌治疗 尽管肠道菌群调节免疫应答的确切机制尚不完全清楚，但已了解调整肠道菌群对于维持免疫系统的健康状态十分重要。益生菌乳酸杆菌和双歧杆菌利用食物中的非消化性碳水化合物增加SCFA和丁酸盐水平。SCFA可通过G-蛋白结合受体和表观遗传机制发挥抑制免疫性炎症作用[25,26]。丁酸盐：①抑制组蛋白去乙酰酶6和9，增高FOXP3启动子的乙酰化作用，促Treg增殖；②增加血浆中的抗炎症因子IL-10的水平；③抑制转录因子NF-κB表达，降低前炎症细胞因子(如 IL-6、IL-8、巨噬细胞趋化因子等)的分泌[27]。国内外已有多种益生菌制剂用于调节肠道菌群失调[28]和益生菌用于发酵中药提取有效成分治疗疾病的研究报道[29]。

3.2粪菌移植治疗 粪菌移植(FMT)临床治疗的研究日益增加并特殊地受到关注[30]。FMT在临床治疗艰难梭菌感染中已取得显著效果。近来FMT作为新兴措施也已试用于心脏代谢性疾病的治疗[31]。Akkermanciamuciniphila(A.muciniphila)可预防高脂肪和胆固醇食物诱导Apoe-/-小鼠发生的炎症，抑制动脉粥样硬化损伤的形成。分析其机制认为，A.muciniphila作为一种具有降解黏液素(mucin)能力的细菌，能诱导肠道紧密连接蛋白(如zonula occuldens-1 and occludin)的表达，维持肠黏膜完整性。动脉粥样硬化小鼠肠道A.muciniphila的减少，引起肠道屏障损伤，内毒素血症和血管炎症加重[32]。FMT使整个肠道菌种类和数量，特别是产丁酸盐菌，如罗氏菌属增加[33]。临床上是否也是如此尚需进一步研究。

4 展望

综上所述，肠道菌群与黏膜免疫相互作用，同心血管系统生理功能维持和疾病发生关系密切。肠道菌群失调会导致血管炎、高血压和动脉粥样硬化的发生及心衰的加重。深入了解肠道菌群、黏膜免疫和心血管疾病之间的相互作用机制，可为寻找心血管病的防治提供新的理论基础，也将有助于应用益生菌和免疫调节剂治疗心血管病开创新思路。