肠道微生物—动脉粥样硬化的新靶点

李晴，王浩，张秀秀，陈丁丁

(1.中国药科大学，江苏 南京 211198；2.济南市妇幼保健院，山东 济南 250000)

心血管疾病(cardiovascular diseases,CVD)在全球范围内具有较高的发病率和死亡率，据美国心脏协会报告：到2035年，美国将有45.1%的成年人患有某种形式的心血管疾病，心血管疾病的总费用预计将到1.1万亿美元[1]，严重影响人们的生活质量。肠道内集结了人体70%～80%的免疫细胞，生存着超过1 000种的微生物[1]，而微生物群的组成影响肠黏膜屏障的通透性，与肠道炎症及全身炎症和代谢密切相关[3]。因此越来越多的证据表明肠道微生物群的生态失衡在心血管疾病的发展和维持中发挥重要作用。动脉粥样硬化可以诱发高血压、冠心病等，是引发心血管疾病的主要原因之一，因此受到众多研究者的关注。

1 肠道微生物群

肠道微生物群落主要由拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)和疣微菌门(Verrucomicrobia)组成，其中拟杆菌门和厚壁菌门是主要的优势菌群。肠道微生物群组成的平衡维持着肠道免疫及全身炎症和代谢，越来越多的研究表明肠道中拟杆菌门和厚壁菌门的比例可以作为潜在病理状态的生物标志物[4-5]。同时肠道微生物不仅可以消化营养物质为宿主提供营养和能量，而且代谢产物可以调节宿主的炎症和免疫。肠道微生物代谢含L-肉碱的化合物产生的三甲胺(TMA),被肝脏中黄酮类单加氧酶(FMO3)氧化为三甲胺-N-氧化物(TMAO)。2011年，代谢组学研究首次将人血浆中TMAO水平作为评估心血管风险的因素[6]。短链脂肪酸(SCFA)由肠道微生物发酵膳食纤维产生，可以在肠道中与G蛋白偶联受体GPR41和GPR43结合，调节宿主炎症和免疫[7]。

2 动脉粥样硬化的主要危险因素与肠道生态失衡

饮食、年龄和肥胖等是引发动脉粥样硬化的危险因素，研究表明这些因素均会影响肠道生态平衡，介导机体病理状态。一项对双胞胎的宏基因组数据分析表明，饮食和生活环境对肠道微生物组成和功能的影响远超遗传因素[8]，最近的研究表明[9]，移民到美国的亚裔人群肠道微生物的多样性和功能降低。高脂饮食通过增加促炎级联反应直接增强肠道通透性，还可以增加屏障破坏细胞因子(TNF-α、IL-6和干扰素-γ) 和减少屏障形成细胞因子(IL-10、IL-17和IL-22)的产生间接增强肠道通透性；并且高脂饮食负向调节肠道黏液组成，富集具有肠道破坏作用的肠道微生物[10]。肥胖成人肠道微生物群多样性降低，拟杆菌门与厚壁菌门比例降低[11]，并且随着年龄增加，肠道微生物的多样性也会降低，并且病原体微生物群增加，诱发炎症反应，促进动脉粥样硬化的发展[10]。

同样肠道微生物参与动脉粥样硬化的发生与发展。Ziganshina等[12]对动脉粥样硬化患者颈动脉的硬化斑块中细菌的多样性和丰度进行检测，并结合一些临床参数发现，一些细菌至少部分可能通过不同的机制参与动脉粥样硬化的发展。无菌动物模型更是提供了肠道微生物与动脉粥样硬化的关系的直接证据。传统饮食饲养的小鼠较同样饲养的无菌小鼠相比，主动脉病变覆盖面积的百分比较小，血浆胆固醇水平较低[13]。另一项研究将高血压患者粪便微生物移植到无菌小鼠体内，与移植健康对照者粪便微生物的对照小鼠相比，在移植10周后，出现血压升高，心跳加快[14]。由此推断，健康的肠道微生物群对机体发挥一定的保护作用，而微生物群失衡促进动脉粥样硬化的发生。

3 肠道微生物代谢产物介导动脉粥样硬化

肠道作为体内最大的消化器官，肠道内大量的微生物可以代谢营养物质(肉类食物)、不可消化的碳水化合物(膳食纤维)和蛋白质，产生TMAO和SCFAs(乙酸、丁酸、丙酸等)，将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸，共同影响机体一系列的代谢途径、炎症和免疫反应，在动脉粥样硬化的发病机制中发挥重要作用。

3.1 TMAO 肠道微生物代谢胆碱、肉碱等营养物质，产生TMA，后被FMO3氧化为TMAO，进入血液循环。常规小鼠补充膳食胆碱或TMAO(相对于对照食物组)，血浆TMAO水平显著增加，血栓形成潜力增强；相反，补充胆碱的无菌小鼠中不产生TMAO，血栓形成能力也没有增强，而在无菌小鼠中提供膳食TMAO可以缩短血流停止时间，促进血栓形成[15]，表明TMAO是肠道微生物影响血栓形成的重要因素。此外，另一项研究表明，喂食西方饮食(CVD的危险因素)的小鼠具有更高的血浆TMAO浓度并且发展为心脏功能障碍和心脏纤维化[16]。因此推测TMAO介导动脉粥样硬化的发病机制。随着对肠道微生物研究的深入，被发现的TMAO影响动脉粥样硬化的途径越来越多。

3.1.1 TMAO诱导炎症反应 除原发性的心血管疾病外，大多数的心血管疾病患者都存在长期的慢性炎症，抗感染治疗可以降低心血管疾病的风险。因此有不少研究者认为，TMAO影响CVD的发展是主要由于其诱导炎症反应的结果。不少研究表明，TMAO可以通过不同的途径激活NLRP3炎性小体而激活诱导血管炎症反应，从而促进动脉粥样硬化的发生。比如Chen等[17]的研究发现，TMAO诱导的部分NLRP3炎性小体激活是通过SIRT3-SOD2-mtROS信号途径介导，而Sun等[18]的则研究了ROS的下游通路，发现 TMAO通过ROS-TXNIP-NLRP3炎性体诱导内皮细胞炎症。

3.1.2 TMAO可增强血小板的高反应性和血栓形成风险 血栓性心血管疾病主要是由于血管内形成的由血小板、纤维蛋白和一些细胞组成的阻塞性血栓引发。TMAO不仅可以通过增强细胞内储存Ca2+的刺激依赖性释放促进血小板的高反应性(尤其是对凝血酶和ADP)，而且可以直接增强人血小板对多种激动剂(凝血酶、ADP和胶原蛋白)的高反应性，增强血栓形成风险[14]。

3.1.3 调节脂质代谢 血脂升高，动脉粥样硬化和高血压的风险增加，加重心脏泵血负荷，心脏代偿性增生，长此以往，诱发心血管疾病。产生TMAO的酶FMO3可减少胆固醇逆向转运，改变组织胆固醇和甾醇代谢，因此FMO3/TMAO途径可能是调节胆固醇水平和新陈代谢的关键因素，发挥致动脉粥样硬化作用[19]。TMAO可以诱导泡沫细胞的形成，促进脂质的累积，可能与激活CD36/MAPK/JNK途径有关[20]。

3.1.4 TMAO诱导血管内皮功能障碍 血管内皮依赖性舒张功能受损是多种心脑血管疾病的病理基础，在动脉粥样硬化的形成和发展中均有发生。一方面TMAO可以通过诱导NLRP3炎性小体激活诱导血管炎症导致内皮功能障碍[18,21]，此外还可以损害血管内皮自我修复功能，促进内皮细胞中血管细胞黏附分子(VCAM-1)表达及单核细胞的粘附作用引起内皮功能障碍[22]。

3.2 SCFA 人体内绝大多数的短链脂肪酸是由结肠细菌发酵膳食纤维产生，主要包括乙酸、丙酸和丁酸等，不仅可以调节肠道内的pH值，维持肠道通透性，而且进入循环，与其受体结合，可以调节机体的能量稳态、免疫和炎症，影响心血管系统功能。随着近几年对肠道微生物与心血管系统关系的研究深入，越来越多的研究表明SCFAs通过调节血压和脂质水平、抗炎和抗氧化的作用在动脉粥样硬化中发挥有益作用。

已知SCFAs调节体内脂质代谢，丁酸盐可以激活GPR109A，从而抑制脂肪细胞中甘油三酯水解，而乙酸盐和丙酸盐可以激活GPR43从而抗脂肪分解并诱导中性粒细胞趋化性[23]，从而降低动脉粥样硬化的风险。早期的研究已证实SCFAs可以通过降低胆固醇的合成降低血浆胆固醇的水平，近期的研究表明丁酸盐膳食补充还可以通过降低胆固醇的吸收和肠细胞对胆固醇的排泄来减少高脂饮食喂食的无菌小鼠血管动脉粥样硬化斑块面积[24]。Aguilar等[25]研究发现给予ApoE-/-小鼠丁酸盐可以减少iNOS、NADPH氧化酶和ROS的产生，减弱主动脉内皮功能障碍和巨噬细胞的迁移与活化。

3.3 胆汁酸(bile acid，BA) 胆汁酸包括初级胆汁酸和次级胆汁酸，初级胆汁酸在肝脏内由胆固醇合成，释放至肠道，在肠道内被水解为次级胆汁酸，二者均可以与内源性BA受体结合调节血脂水平。已知BA可以激活G 蛋白偶联胆汁酸受体(TGR5)、核受体(FXR)[26]。INT-767(特异性TGR5和FXR激动剂)显著降低Apoe-/-小鼠中的VLDL-TG(极低密度脂蛋白-甘油三酯)水平，抑制动脉粥样硬化病变中的单核细胞/巨噬细胞浸润和氧化应激，从而抑制或逆转动脉粥样硬化的发展[27]。而TGR5和FXR双重缺乏的LDL受体(LDLR)敲除小鼠通过NF-κB加剧动脉粥样硬化的发展，而INT-767可以通过降低单一缺乏TGR5或FXR的小鼠主动脉细胞因子(IL-1β、IL-6和TNF-α)和趋化因子MCP-1阻断动脉粥样硬化的形成[28]。因此推断胆汁酸与其受体结合不仅可以调节脂质代谢，并且可能通过调节机体炎症和氧化应激影响动脉粥样硬化的进展。

4 肠道微生物为靶点的饮食干预和治疗

肠道微生物群失调参与脂质代谢和炎症反应，介导心血管疾病的发展。因此以肠道为靶点的干预与治疗调节肠道微生物稳态是目前治疗的新方向。

4.1 饮食干预 前面已经介绍过饮食习惯会影响机体肠道微生物组成，高脂饮食会改变肠道微生物组成，肠道通透性和炎症反应增加，促发心血管疾病。而膳食纤维可以增加体内SCFAs水平，对心血管疾病发挥有益作用。近年的研究对6 137名男性和11 278名女性CVD患者随访数年，全因死亡率的数据表明坚持地中海饮食可以降低CVD患者的全因死亡率[29]。一项前瞻性研究表明，豆类、水果和蔬菜中的膳食纤维摄入量与CVD的风险呈反向关系[30]。虽然饮食干预对心血管的有益作用已被多次证实，但是目前还没有明确的饮食指导规范应用于临床。

4.2 益生菌、益生元、合生元 CVD患者体内微生物组成发生变化，优势菌群改变，有益菌群减少。益生菌是居住在肠道中的有益微生物，益生元可以影响微生物群的非细菌食物成分，从而刺激益生菌增长或活性。合生元是益生菌和益生元的混合制剂，既具有益生菌的药理作用，又可以促进体内益生菌的活性。Ataie-Jafari等[31]对轻度至重度高胆固醇血症患者的血清胆固醇水平分析，发现使用益生菌酸奶较普通酸奶可降低患者血清胆固醇水平。一项Meta分析表明益生菌补充剂可用于高胆固醇血症的一级预防，并可能导致心血管疾病危险因素的降低[32],Liu 等[33]的研究发现菊粉型果聚糖(益生元)可以改善患者高血脂水平。

因此益生菌、益生元和合生元与饮食干预措施一样都可以作为预防心血管疾病的方法，而其对心血管疾病的作用或许可以作为临床治疗的辅助，达到更好的疗效。

4.3 抗生素 抗生素是调节肠道微生物群的常用方法，也是目前常用的致病菌感染的治疗方法，有动物实验模型和临床研究表明感染在动脉粥样硬化的发病过程中发挥作用[34]。虽然目前抗生素应用于心血管疾病的临床试验得到了短期的疗效，但并没有证据表明抗生素能发挥长期的疗效[35]。并且有实验表明大环内酯类抗生素会增加心血管疾病的风险[36]，因此目前的结果并不支持抗生素应用于CVD的治疗。可能的原因是由于细菌的耐药性和抗生素的无选择性抑制微生物的生长，在抑制不利菌群的同时也抑制了有益菌的生长。

4.4 肠道菌群移植技术(fecal microbiota transplantation，FMT) FMT是将健康患者的肠道菌群移植到患者体内，改善患者肠道微生物组成，达到治疗的效果。FMT对艰难梭菌感染的疗效已被证实，随着近些年研究的深入，FMT的应用范围也变得广泛，临床试验也涉及了多种疾病，如肠易激综合征、代谢性疾病等[37]。最近的一项随机临床试验表明，FMT对溃疡性结肠炎患者的8周缓解率较高[38]。Vrieze等[39]将瘦供体的肠道微生物灌注到患有代谢综合征患者体内，发现接受移植的患者胰岛素敏感性和肠道中产丁酸盐的微生物水平增加，表明了FMT移植在代谢性疾病中的应用前景。2016年《Cell》上发表的关于移植盲肠内容物的研究，表明移植盲肠内容物可以通过TMAO途径影响血栓形成，降低动脉粥样硬化形成风险[14]。虽然FMT在治疗艰难梭菌感染的治疗已比较成熟，动物实验也证明了FMT在心血管疾病的潜力，但由于FMT供体的选择及是否会引入内毒素或其他感染源还未可知。因此FMT临床上应用于心血管疾病的治疗还存在风险，需要更多地研究改善验证。

4.5 抑制TMAO途径 米屈肼作为心脏保护药，近些年发现其为肉毒碱的结构类似物，可以抑制左旋肉碱在肠道内转化为TMAO，从而发挥抗动脉粥样硬化作用[40]。3,3-二甲基-1-丁醇(DMB)是胆碱结构类似物，抑制TMAO前体TMA的生成，从而降低TMAO水平。Wang等[41]的研究发现DMB可以非致死性地抑制体外培养微生物中的TMA形成，并抑制生理多微生物培养物(肠内容物、人类粪便)中的TMA产生。同时体内实验表明DMB可以降低小鼠TMAO水平和动脉粥样硬化活性。证明了药物靶向肠道微生物产生TMA可能是心血管疾病的潜在治疗方法。

5 总结与展望

近些年，肠道微生物受到了国内外研究者极大的关注，肠道微生物群的组成影响着机体的健康状况，同时调节肠道上皮屏障系统，进而引发机体一系列的炎症反应，而肠道微生物代谢产物更是直接参与心血管疾病的进展。已有不少研究发现了肠道微生物群介导心血管疾病的分子机制，但还是需要更多的研究证实其确切机制。饮食干预、益生菌、益生元和合生元补充及抑制TMAO途径的药物在动脉粥样硬化方面的有益作用已经证实，然而饮食干预和益生菌、益生元和合生元补充的剂量与措施，以及临床上与现有的治疗药物的联合应用都需要进一步的研究探索。TMAO抑制剂的药物除了现有的心脏保护药米屈肼，还没有同类型的药物上市，还需要更多地研究者去发现。近些年肠道菌群移植技术逐渐深入，有不少研究体现了FMT的临床应用价值，然而真正的应用于心血管疾病的临床治疗还需要大量的试验完善如今的技术。