肠道菌群与冠状动脉粥样硬化性疾病

孔春灵 李静超 楚英杰

1郑州大学人民医院（郑州 450003）；2河南省人民医院（郑州 450003）

冠状动脉粥样硬化性心脏病（CHD）是威胁人类健康的主要疾病之一，尤其是冠状动脉粥样硬化斑块破裂所引发的急性心肌梗死（AMI），是目前全球导致死亡率的主要病因［1］。当前，使用有效的他汀类药物降低低密度脂蛋白和胆固醇并稳定冠脉粥样斑块，是降低心血管不良事件发生的主要手段之一；且随着急诊冠脉血运重建救治水平的提高，AMI的救治率明显提高。但是近年来，心血管疾病的发病率和死亡率却有逐年上升的趋势，这些数据警示我们，仅控制已知的危险因素和提高冠脉血运重建的水平对于冠心病的预防和救治是远远不够的；基于当前的医疗需求，关于可能导致冠心病的新的传导通路和代谢机制不断被发现。近年来，肠道菌群和慢性代谢性疾病的关系受到多领域学者的追捧，已有研究证实，肠道菌群结构的改变参与了高血压、糖尿病、自身免疫性疾病的发生和发展过程。肠道菌群参与机体冠心病进展相关的代谢和免疫通路，也成为当下心血管和微生物领域研究的热点。本文旨在讨论了目前肠道菌群及其代谢产物与冠心病关系的研究现状及其未来的研究方向和临床应用前景，可能为冠心病的诊治开辟新的治疗靶点。

1 冠心病患者肠道菌群结构特征

人体肠道细菌群的建立从自母体分娩时接触到母体阴道的菌群开始。胚胎在母体的子宫内处在一个无菌的环境，出生后第1天，肠杆菌、肠球菌、葡萄球菌和类杆菌开始在婴儿的肠道内定植，第6天后，肠道内双歧杆菌占优势，断奶后到成年，双歧杆菌和乳酸菌处于优势地位，到老年，双歧杆菌等有益菌群数量下降，有害菌种的比例升高。据估计，在我们人体的肠道中有大约1 000种细菌组成的100万亿细菌细胞，其基因含量超过宿主基因至少100倍［2］。这组庞大的基因群，被称为人体后天获得的“第二个基因组”。这数百万亿的群所产生的代谢产物，参与了机体多个分子学代谢通路。近年来，基因测序技术和生物信息学技术的发展，为我们研究人类肠道菌群结构和其携带的基因组提供了新的技术支持。

对于健康的成年人而言，肠道菌群结构相对稳定。目前的研究指出，肠道内菌群多数归属于厚壁菌门和拟杆菌门，少数归属于放线菌门、变形菌门、梭杆菌门和疣微菌门。其中，约99%的肠道细菌属于厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形菌门4种门类菌。鉴于肠道内的很多菌种不能在体外培养，肠道菌群的分类和确认变得复杂，单纯应用体外分析和培养尚难以确定健康成年人的肠道菌群组成。宏基因组技术应用后，将人类肠道优势菌群按3种优势菌群进行区分：Ⅰ型为拟杆菌属优势型，Ⅱ型为普氏菌属优势型，Ⅲ型为瘤胃球菌属优势型。Ⅲ型也可称之为拟杆菌属和普氏菌属劣势型［3］，虽此种分型方法尚未达成广泛共识，但将肠道菌群结构研究推向了菌属的水平。对于健康人而言，有益菌占多数，有害菌占少数，二者动态平衡维持机体健康状态。有益菌成为优势菌群，可形象的称之“大树菌“。当处于某些疾病状态时，肠道菌群会发生显著变化：有益菌减少，有害菌增多［5］。肠道菌群失调又进一步加重疾病状态，形成恶性循环。

2006年有研究报道：肥胖和肠道菌群变化相关［6］，肥胖患者肠道内厚壁菌门的增多及拟杆菌门的减少。TURNBAUGH等［7］通过将肥胖小鼠的粪菌移植到无菌小鼠肠道中，发现无菌小鼠变得肥胖；该研究提示肠道菌群变化导致肥胖的发生。2012年，KARLSSION等［8］应用全基因测序的方法探究肠道菌群结构变化和粥样硬化性心脏病是否有关联。研究结果表明，与健康人群相比，冠心病患者组柯林斯菌属增多，罗氏菌属和优杆菌属降低；采用宏基因组技术行进一步的功能分析，结果表明冠心病患者组肠道菌群基因组中编码肽聚糖合成的基因增多，编码八氢番茄红素脱氢酶（与降低血清中的β-胡萝卜素有关的基因减少。2016年，EMOTO等利用末端限制性片段长度多态性（T⁃RFLP）和16SRNA的方法研究冠心病患者和健康志愿者之间的肠道菌群结构差别；通过T⁃RFLP可将肠道菌群分为10组，分别为：普氏菌属、拟杆菌属、乳杆菌目、双歧杆菌属、梭菌属Ⅸ、梭菌属Ⅺ、梭菌属和其他菌属。研究结果提示：在冠心病患者组，成熟的乳酸杆菌目明显增多，拟杆菌门（拟杆菌属+普氏菌属）明显下降，且厚壁菌门/拟杆菌门的比例明显上升［9］。

肠道的细菌分类等级界定为界、门、纲、科、属、种，目前冠心病对于患者肠道菌群结构特征的研究虽然层出不穷，但多数停留在种属的层面。宏基因测序技术的诞生，可以将菌群的研究精确到菌株水平，菌株是由一独立分离的单细胞繁殖而成的纯遗传型群体及其一切后代，典型菌株、模式株。为将来肠道菌群的干预研究，提供更加精确的干预靶点。

2 肠道菌群及其代谢产物：胆汁酸和短链脂肪酸

肠道菌群被证实对胆汁酸的代谢有促进作用。初级胆汁酸主要是通过肝脏中胆固醇的氧化而合成的，并被分泌到肠道中以溶解脂质促进其吸收。微生物胆汁盐水解酶将初级胆汁酸分解为次级胆汁酸。大约95%的胆汁酸从肠道中被重新吸收用于循环，5%在粪便中丢失，这是排泄胆固醇的主要途径。最近研究发现，胆汁酸不仅在脂类代谢，亦在各种生理过程发挥作用。肠道细菌参与胆汁酸的转化过程中，增加了人体宿主棕色脂肪组织（BAT）的燃烧、能量消耗和胰岛素敏感，从而抑制炎症的产生。其主要由farnesoid X受体（FXR）和胆汁酸G蛋白耦合受体-5（TGR5）23、24）受体介导；具体机制目前正在研究中，而其功能和机制的澄清，可能会导致新的治疗方法的发展，不仅仅在CAD方面。

细菌分解碳水化合物后的主要产物是单糖，其发酵形成各种短链脂肪酸（SCFAs），如醋酸酯、丁酸酯、丙酸酯等。醋酸酯和丙酸酯主要是由门菌产生，而丁酸酯则是由门生菌产生。SCFAs是G-蛋白耦合受体GPR43和GPR41.27的配体，由特定的单羧转运蛋白通过肠黏膜上皮细胞输送到血液中。短链脂肪酸与相应受体结合后可降低组蛋白脱乙酰酶（HDAC）的活性，增强G蛋白偶联受体（GPCR）信号，而G-蛋白耦合受体在能量代谢、交感神经系统和免疫细胞功能的调节中得到广泛的表达和发挥作用。总的来说，肠道细菌的这些差异可能与SCFAs的数量有关，并影响了若干种疾病的发病率。

3 肠道菌群及其代谢产物对冠心病的影响

肠道菌群参与人体代谢与非代谢相关过程［10］。WANG等［11］应用代谢组学的方法明确了人类血浆中和心血管疾病风险相关的3种小分子肠道菌群代谢产物，分别是：胆碱、三甲胺氮氧化物（TMAO）和甜菜碱；其均来自食物中的脂质磷脂酰胆碱。肠道细菌将人体摄入的脂质磷脂酰胆碱转化为胆碱和L-肉毒碱［三甲胺（TMA）］，TMA在人体肝脏内黄素单氧酶（FMO）的催化下转化为三甲胺氮氧化物（TMAO）。

动物实验研究发现，给动脉粥样硬化倾向的小鼠喂养富含胆碱或者TMAO的食物，加速了动脉粥样硬化的形成且改变胆固醇的代谢［12］。然而，给使用抗生素或者无菌小鼠喂养同样的食物，结果显示食物中胆碱代谢产生的TMAO和动脉粥样硬化的加速现象均消失。不难发现，这种加速动脉粥样硬化的现象离不开肠道菌群的参与。综上所述，动物实验等基础研究明确了一条食物中脂质磷脂酰胆碱参与心血管疾病发生发展的新的代谢通路，即肠道菌群依赖的脂质磷脂酰胆碱代谢物TMA，TMA通过肝脏中的FMO转化为TMAO释放入血，TMAO通过改变固醇和胆汁酸的代谢，增加巨噬细胞的活性等机制加速动脉粥样硬化进程。

临床研究亦表明，TMAO增加了心血管疾病的风险［13］，使急性心肌梗死、心源性休克和死亡的发生率升高。2013年，TANG 等［14］的大样本量（n=4 007）研究表明血清中TMAO水平升高和恶性心血管事件相关。循环中TMAO含量在较高1/4的患者组其恶性心脏事件的发生率是较低1/4患者组的2.5倍；而且，TMAO的风险比值明显高于低密度脂蛋白；在校正了传统的影响因子和肾功能以后，TMAO水平升高依然是恶性心血管事件的独立预测因子。那么，血中的TMAO是通过何种机制参与冠脉粥样硬化的过程呢？有研究表明，TMAO影响胆固醇代谢、食物胆碱或TMAO的补充剂导致巨噬细胞表面清道夫受体（CD36和SR⁃A1）表达增加，促使泡沫细胞的形成，从而加速了动脉粥样硬化的形成。

另外，肠道菌群还通过非代谢相关的因素影响的冠心病的发生和发展，非代谢相关的作用包括肠道壁渗透性增高，细菌细胞壁产生脂多糖（LPS）和肽聚糖可通过肠壁入血。循环中这些物质的出现可激活巨噬细胞，从而影响脂质的转运，增加胰岛素抵抗，高脂血症和血管炎症［15］。综上所述，肠道细菌就像一个大的内分泌器官，从代谢依赖和非代谢依赖两个方面增加冠心病发生风险。

4 干预肠道菌群结构对AMI预后的影响

AMI是冠心病的继发性改变，也是其最严重的分型。与冠状动脉粥样硬化的慢性形成过程不同，急性心肌梗死对机体来说是急性的应激性创伤。在此创伤下，肠道菌群结构是否会发生应激性改变并且影响到其代谢产物的变化呢？我们推测，AMI可能导致肠道菌群结构急性的改变，肠道菌群结构的紊乱可能影响到AMI患者的预后。通过干预肠道菌群的结构来阻止冠状动脉粥样硬化的进展或者改善已发生AMI患者的预后，或许会为急性心肌梗死治疗提供新方向。

目前，针对肠道菌群和冠心病的干预性研究多停留在动物实验的阶段。2012年，LAM等［16］使用抗生素抑制肠道菌群，观察肠道菌群结构的改变对AMI小鼠预后的影响，分别给予实验组小鼠肠道含万古霉素（仅可微量通过肠道吸收）的饮用水，对照组小鼠给予无万古霉素的水；后使用外科结扎方式人为制造小鼠AMI模型。结果显示实验组小鼠较对照组小鼠梗死面积减少了27%。为证实万古霉素通过肠道菌群减轻了小鼠心梗面积，后直接在冠脉循环中给予实验组小鼠万古霉素，与对照组相比，实验组小鼠的心梗面积改变并无统计学意义。第三组仍给予实验组小鼠口服万古霉素的水，后将吸收入循环血中的万古霉素从循环中去除，结果显示实验组小鼠的心梗面积减少了27%。此实验证实，抗生素对小鼠AMI面积的影响主要是通过影响肠道而起作用。2016年，LAM等［17］使用不可吸收的万古霉素或者链霉素、新霉素、多粘菌素B和杆菌肽4种抗生素的混合物喂养小鼠7 d后，人为制造小鼠心梗模型，结果发现，两组小鼠和对照组相比，心梗面积分别下降了27%和29%。2014年，GAN等［18］在小鼠身上证实给予小鼠益生菌可以减轻心梗后心肌肥大。干预肠道菌群结构而改善急性心肌梗死临床预后，或许会成为AMI治疗的新方法。

然而，上述研究并未证实改善肠道菌群结构是否可预防冠状动脉粥样硬化及降低AMI的发生率；大样本的前瞻性的队列研究有待实施，进一步探究肠道菌群和冠心病之间是否为因果关系。

本文阐述肠道菌群和冠心病关系目前的研究现状，冠心病患者于健康人群肠道菌群结构存在差异已在本领域达成共识，但是对于冠心病人群肠道菌群的特征，各研究中心却各抒己见。宏基因测序技术的出现，有助于将肠道菌群研究精确的菌株水平，未来找出阻止冠心病发展的优势菌株，使其在肠道内大量繁殖，也许可能成为干预冠心病发生发展的关键靶点。目前，肠道菌群代谢产物TMAO被证实是冠心病的独立危险因素，但TMAO参与冠心病形成的具体机制还需要进一步证实。对于肠道菌群结构的干预性研究，目前仅停留在动物实验水平，找到合适又安全的干预方式，应用于人体，需要微生物学和临床心脏病学者的共同努力。

参考文献

［1］陈伟伟，高润霖，刘力生，等.《中国心血管病报告2016》概要.中国循环杂志，2017，32（6）:521-529.

［2］YAMASHITA T，EMOTO T，SASAKI N，et al.Gut Microbiota and Coronary Artery Disease［J］.Int Heart，2016，6（57）：663⁃671.

［3］ARUMUGAM M，RAES J，PELLETIER E，et al.Enterotypes of the human gutmicrobiome［J］.Nature，2011，473（7346）：17480.

［4］DING T，SCHLOSS P.Dynamics and associations of microbial community types across the human body［J］.Nature，2014，509（7500）：357⁃360.

［5］ECKBURG P，BIK E，BERNSTEIN C，et al.Diversity of the human intestinal microbial flora［J］.Science，2005，308（5728）：1635⁃1638.

［6］LEY R E，TURNBAUGH P J，KLEIN S，et al.Microbial ecol⁃ogy：human gut microbes associated with obesity［J］.Nature，2006，444（7122）：1022⁃1023.

［7］TURNBAUGH P J，LEY R E，MAHOWALD M A，et al.An obesity⁃associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest［J］.Nature，2006，444（7122）：1027⁃1031.

［8］KARLSSON F H，FAK F，NOOKAEW I，et al.Symptomatic atherosclerosis is associated with analtered gut metagenome［J］.NatCommun，2012，3：1245.

［9］EMOTO T，YAMASHITA T，KOBAYASHI T，et al.Character⁃ization of gut microbiota profiles in coronary artery disease pa⁃tients using data mining analysis of terminal restriction fragment length polymorphism：gut microbiota could be a diagnostic marker of coronary artery disease［J］.Heart Vessels，2017，32（1）：39⁃46.

［10］BROWN J M，HAZEN S L.The gut microbial endocrine or⁃gan：bacterially⁃derived signals driving cardiometabolic diseas⁃es［J］.Annu RevMed，2015，66：343⁃359.

［11］BENNETT B J，DE AGUIAR VALLIM T Q，WANG Z，et al.Trimethylamine⁃N⁃Oxide，a Metabolite Associated with Athero⁃sclerosis，Exhibits Complex Genetic and Dietary Regulation［J］.Cell Metab，2013，17（1）：49⁃60.

［12］WANG Z，KLIPFELL E，BENNETT B J，et al.Gut flora me⁃tabolism of phosphatidylcholine promotes cardiovascular disease［J］.Nature，2011，472（7341）：57⁃63.

［13］OTTO C M，RAHIMI K.The gut microbiota and heart failure［J］.Heart，2016，102（11）：811⁃812.

［14］TANG W H，WANG Z，LEVISON B S，et al.Intestinal microbial metabolism of phosphatidylcholine and cardiovascular risk［J］.N Engl Med，2013，368（17）：1575⁃1584.

［15］CHEN Y，YANG F，LU H，et al.Characterization of fecal mi⁃crobial communities in patients with livercirrhosis［J］.Hepatol⁃ogy，2011，54（2）：562⁃572.

［16］LAM V，SU J，KOPROWSKI S，et al.Intestinal microbiota determine severity of myocardial infarction in rats［J］.FASEB，2012，26（4）：1727⁃1735.

［17］LAM V，SU J，HSU A，et al.Intestinal microbial metabolites are linked to severity of myocardial infarction in rats［J］.PLoS One，2016，11（8）：e0160840.

［18］GAN X T，ETTINGER G，HUANG C X，et al.Probiotic ad⁃ministration attenuates myocardial hypertrophy and heart fail⁃ure after myocardial infarction in the rat［J］.Circ Heart Fail，2014，7（3）：491⁃499.