肠道微生物与心血管疾病的相关性研究进展

杨欣颖，晋梦迪，缪从良，周丹丹，丁晓颖，洪江,

(1.南京医科大学附属上海一院临床医学院，上海 200080； 2.上海交通大学附属第一人民医院 a.急诊危重病科，b.内分泌科，上海 200080)

心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)是全球范围内致死的最主要原因，2017年全球因CVD死亡人数达1 780万，其中缺血性心脏病居全球疾病负担的首位[1]。CVD公认的危险因素包括高血压、高血糖、血脂异常、肥胖、吸烟、不良饮食习惯、体力劳动不足等。但控制这些高危因素后，CVD的发病率和病死率仍逐年上升，因此科学家们致力于寻找防治CVD和降低死亡率的方法，近年来肠道微生物已成为预防和治疗各种心脏疾病的潜在靶标[2]。人体的胃肠道是一个巨大而多样的生态系统，拥有100万亿个分泌代谢产物的微生物群落，这些微生物在新陈代谢、消化吸收、免疫防御、神经调节等方面与宿主进行密切的信息交流，与宿主保持微妙的平衡[3]。研究表明，肠道微生物及其代谢产物与人类健康和各种疾病的发生密切相关[2]。肠道微生物的代谢产物包括三甲胺-N-氧化物(trimethylamine-N-oxide，TMAO)、胆汁酸、短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)、原儿茶酸和其他代谢物，如苯乙酰谷氨酰胺、硫酸吲哚、对甲酚硫酸酯、肠内酯和硫化氢[2]，其中TMAO和SCFAs与CVD密切相关，尤其是TMAO具有减少胆固醇代谢、诱导血小板活化和血栓形成、促进动脉粥样硬化的作用，被认为是影响CVD的重要危险因子之一[4]。现就肠道微生物及其主要代谢产物与CVD的相关性研究进展予以综述。

1 肠道微生物的主要代谢产物

1.1TMAO TMAO是肠道微生物群代谢膳食中磷脂酰胆碱的重要产物[5]。当人体摄入大量胆碱、L-肉碱和卵磷脂(主要来自红肉、蛋黄、乳制品和海鲜)时，特定的肠道菌群将其降解为前体三甲胺，肠道菌群在三甲胺裂解酶的作用下释放三甲胺，裂解摄入营养物质的碳氮键[6]。三甲胺裂解过程主要涉及两种微生物酶：Rieske型加氧酶/还原酶是肉碱转化为三甲胺所必需的[7]，而与甘氨酰自由基酶同族的胆碱三甲胺裂解酶则催化胆碱向三甲胺的厌氧转化[8]。三甲胺通过门静脉循环运输至肝脏，被肝黄素单加氧酶(flavin-containing monooxygenase，FMO)进一步氧化为TMAO，随后通过尿液排出[3]。FMO家族有5个成员(FMO1～5)。其中，FMO1、FMO2和FMO3相对较活跃，FMO3的活性较FMO1高约10倍[3]。此外，三甲胺还可以通过直接去甲基化转化为二甲胺和甲醛[9]。研究表明，TMAO与CVD风险存在关联，可能在CVD的治疗中发挥作用[10-11]。

1.2SCFAs SCFAs是肠道微生物群代谢膳食纤维的主要终产物，包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐[12]。SCFAs既可随粪便排泄，也可以通过肠上皮细胞摄取，参与各种生理过程。SCFAs的摄取涉及肠上皮细胞表达的阴离子转运蛋白，选择性较差，能够最大限度地吸收管腔中的SCFAs，尤其是丁酸盐，它是结肠细胞能量来源的首选，且为局部消耗[13]，其余重吸收的SCFAs则进入门静脉循环被肝脏代谢，或释放到体循环中与血管上皮或传入小动脉中的SCFAs受体结合，进而影响心脏代谢[12，14]。已有体外实验表明，SCFAs可能对心脏代谢有益，丁酸盐通过稳定特异性转录因子、组装紧密连接蛋白和分泌黏液蛋白来维持管腔内厌氧状态，在维持肠道屏障功能方面起关键作用[15-16]。通过加强肠道屏障，丁酸盐可阻断脂多糖转运，与炎症、代谢性内毒素血症、胰岛素抵抗和肥胖有关[17]。

2 肠道微生物与CVD

2.1肠道微生物与冠心病 研究表明，TMAO是冠心病患者动脉粥样硬化的独立危险因素[18-19]。目前已知的TMAO促进动脉粥样硬化的机制有：TMAO通过抑制胆固醇7α羟化酶(胆汁酸合成的限速酶)逆转胆固醇转运，从而促进动脉粥样硬化[4]。同时，TMAO可上调巨噬细胞清道夫受体的表达，促进胆固醇在巨噬细胞中沉积，并形成泡沫细胞[20]。此外，TMAO还可以通过激活核因子κB、蛋白激酶C和核苷酸结合寡聚化域样受体家族的吡喃结构域来诱导内皮功能障碍和单核细胞黏附，并增加血管内皮炎症因子的表达[21-22]。研究发现，胆碱饮食小鼠血浆TMAO水平是普通饮食小鼠的2倍，进一步对胆碱饮食小鼠进行盲肠微生物移植后，可测得其血浆TMAO水平较移植前增长10倍，且血小板对激动剂的反应和血栓形成潜力均明显增强，可能增加心血管血栓事件的发生风险[23]。

研究表明，TMAO有望成为冠心病患者诊断和预后的标准[2]。Yamashita等[24]报道，与对照组相比，冠心病患者的肠道微生物结构发生改变，同时血清TMAO水平升高，故认为肠道微生物可作为冠心病的诊断标志物。Tang等[25]对4 007例冠状动脉造影术后患者进行3年随访发现，血清TMAO水平与心血管终点事件呈正相关，TMAO>6.5 mol/L冠心病患者的全因死亡率是低水平(TMAO<2.5 mol/L)患者的3.9倍[25]。从代谢组学的角度来看，TMAO间接提示了肠道微生态对冠心病的临床预后价值。Senthong等[26]的研究显示，血清TMAO水平与冠心病患者的斑块狭窄程度呈正相关。Wang等[27]用高胆碱饮食喂养小鼠发现，小鼠血清TMAO水平与冠状动脉粥样硬化斑块面积呈正相关，再次提示TMAO对冠心病患者的长期生存预后具有重要预测价值。

急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)是起病急、进展快、死亡率高的一种冠心病类型。临床研究表明，AMI患者易出现肠道微生态失衡、益生菌减少、致病菌大量繁殖，患者体内将发生肠屏障功能受损和肠通透性增加等一系列变化[28]。Zhou等[28]通过对比AMI患者、稳定型冠心病患者和健康人群的血液菌群发现，AMI患者血液菌群的种类明显增多，其中12%以上的血液细菌来自肠道，表明血液中肠道菌群增多与AMI事件的发生相关。AMI与肠道微生物结构之间的关联也在动物实验中得到证实，Wu等[29]报道了大鼠AMI后第7天的肠道微生物丰富度明显增加。Gan等[30]发现，益生菌可延缓AMI后大鼠的心肌肥厚和心力衰竭。Lam等[31]通过进一步实验表明，抗生素可以减少AMI小鼠的心肌梗死面积，其机制可能与调节肠道微生物相关。Tang等[32]发现，在心肌梗死前，给予抗生素治疗小鼠补充益生菌有利于恢复心脏功能和延长存活时间，肠道微生物源性SCFAs在维持心肌梗死后宿主免疫成分和修复能力方面发挥了重要作用，提示调控肠道菌群可能为心肌梗死后康复提供机会，但能否预防冠状动脉粥样硬化并降低AMI的发生率尚不清楚。

2.2肠道微生物与心力衰竭 心力衰竭的发病率和死亡率极高，约有一半患者在诊断心力衰竭后5年内死亡[33]。在心力衰竭患者中，心排血量和血液再分配的减少导致肠灌注减少和肠屏障破坏，肠道微生物和内毒素进入血液循环，加重全身炎症反应，进而加重心力衰竭[34]。另有研究表明，肠道微生态的变化可以直接损害心肌细胞并导致心脏功能障碍。Organ等[35]发现，喂食胆碱或TMAO小鼠心力衰竭严重程度明显高于标准饮食小鼠，但肠道微生物和饮食胆碱→TMAO途径是否会增加心力衰竭易感性尚不清楚。Tang等[6]报道，TMAO、胆碱和甜菜碱的水平与左心室舒张功能障碍有关，同时他们还发现心力衰竭患者的TMAO水平与5年内死亡率呈正相关。Suzuki等[33]对972例急性心力衰竭患者的1年死亡率和心力衰竭再发率进行研究发现，血清TMAO和脑钠肽前体的联合应用对心力衰竭的1年预后有较好的预测价值。一项临床队列研究显示，慢性心力衰竭患者的血清TMAO水平升高，TMAO水平与心功能和生存率呈负相关[36]。与心力衰竭的传统危险因素、心肾指数和全身炎症标志物相比，TMAO的血浆水平对心力衰竭的严重程度和总体死亡率具有更好的预测价值[37]。因此，改善肠道微生物结构和降低TMAO水平可能成为治疗和改善心力衰竭预后的新方法，但关于TMAO与心力衰竭的具体机制有待进一步研究。

2.3肠道微生物与高血压 高血压是CVD可控的危险因子之一，研究表明肠道微生物与高血压之间存在关联[38]。试验表明，肠道微生物通过血管免疫细胞浸润和炎症反应，促进了血管紧张素Ⅱ诱导的血管功能障碍和高血压[38]。TMAO不会直接影响血压，但会延长血管紧张素Ⅱ的血流动力学效应。SCFAs已被证实与高血压的发生相关，其通过与肾脏、心脏、交感神经节和血管中G蛋白偶联受体41、G蛋白偶联受体43和嗅觉受体78的结合调节血压[39]。SCFAs可诱导嗅觉受体78介导的传入小动脉释放肾素，升高血压；G蛋白偶联受体41可刺激交感神经增加能量消耗，同时导致血压升高[2]。Yang等[40]报道，与普通大鼠相比，高血压大鼠的肠道微生物丰富度显著降低，而厚壁菌门/拟杆菌门比值增加。此外，临床高血压患者的肠道菌群也遵循类似的菌群失调模式[40]。Durgan等[41]通过动物研究验证了肠道微生物失调可能是阻塞性睡眠呼吸暂停综合征诱导的高血压的直接原因。研究表明，改善肠道微生态对治疗高血压存在有利作用[42]。Wilck等[42]报道高钠通过诱导辅助性T细胞17引起高血压，而乳酸杆菌可通过减少辅助性T细胞17的数量延缓钠敏感性高血压的恶化。另有文献报道，益生菌及其发酵产品可抑制巨噬细胞中氮氧化物的产生，减少活性氧种类，增加膳食钙吸收，从而降低血压[43]。因此，通过调节饮食恢复肠道微生态平衡可能是治疗高血压的一个新策略。

2.4肠道微生物与心房颤动 心房颤动是临床最常见的心律失常之一，与血栓栓塞事件风险增加相关。目前，关于肠道微生物与心房颤动之间的报道较少。Zuo等[44]通过对比心房颤动和对照人群的肠道微生物发现，心房颤动患者的肠道微生物群和代谢产物谱更紊乱。一项大型队列研究表明，TMAO与心房颤动发病呈正相关，并能预测心房颤动风险[45]。迄今为止，关于TMAO促进心房颤动的机制主要有两种：①通过神经节丛调节自主神经传导；②核因子κB介导的炎症信号通路的增强活化[46-47]。Hou等[47]在房性心动过速起搏诱发的心房颤动犬模型中发现，将TMAO直接应用于心房神经节丛可增加神经生长因子的表达和心房电重构，从而为心房颤动的发生提供基质。Yu等[46]报道，TMAO可能通过激活促炎性核因子κB-p65信号传导途径诱发炎症反应来促进心房颤动底物。Yao等[48]进一步证明，核因子κB-p65信号通路可能通过促进心房异位活动和缩短有效不应期影响心脏炎症小体信号转导，从而促进心房颤动发生。然而，由于饮食摄入或肠道微生物变化而导致的血清TMAO水平改变是否足以直接调节心脏的自主神经系统或激活心肌细胞中的炎症小体途径仍未知。此外，TMAO是否可以建立肠道微生物变化和心房颤动发生的病理联系尚未明确，需要进一步研究以确定TMAO作为生物标志物预测心房颤动发病的实用性。

3 肠道微生物在CVD治疗中的潜在应用

肠道微生物及其代谢产物正在成为CVD治疗的一个潜在靶点，靶向抑制产生TMAO的菌群和恢复肠道微生态平衡可能是一种新型的治疗策略，如益生菌、益生元、饮食调节、粪便菌群移植、窄谱抗生素和三甲胺抑制剂等。研究表明，益生菌和益生元在CVD的治疗中起重要作用[10]。动物实验表明，益生菌可减小心肌梗死面积、动脉粥样硬化斑块面积，并可降低心肌梗死后心肌肥厚和心力衰竭的发生率[10]。同时，益生菌也可减少心肌梗死后的瘦素，增加牛磺酸，从而减轻心脏重构、延迟心力衰竭发生、增加射血分数[11]。在一项随机双盲试验中，接受布拉酵母治疗3个月心力衰竭患者的心功能得到改善[49]。另一研究显示，益生菌乳杆菌可通过减少血管炎症和保护内皮功能来帮助控制血压[21]。荟萃分析表明，益生菌可通过减少胰岛素抵抗和调节肾素-血管紧张素系统来预防高血压或调节血压[40]。此外，益生元亦可以有效降低血糖和血脂，控制CVD的危险因素[40]。高纤维饮食可显著降低高血压患者的血压，改善心脏功能并减轻心肌纤维化[50]。粪便菌群移植是将肠道菌群从供体转移到受体肠道，可增加肠道菌群的丰富度，改善肠道微生态结构。动物实验表明，将粪便菌群从高血压小鼠移植到无菌小鼠后，高血压也随之发生转移[51]。然而，粪便菌群移植也不可避免地存在将未知细菌和病毒传播到受体的风险[51]，因此开发这种方法仍有诸多困难。米诺环素可增加肠道微生物群的多样性并减少沙门菌，从而逆转肠道菌群失衡，降低血压[3]。但是，长期使用抗生素也会导致耐药性，引起菌群失调[3]。

近期科学家们将目光聚焦到三甲胺抑制剂的研发中。研究表明，胆碱结构类似物(3，3-二甲基-1-丁醇)可通过阻断胆碱代谢途径减少三甲胺产生，从而在预防和治疗CVD中发挥作用[52]。另一项研究表明，白藜芦醇可通过刺激肠道有益菌的生长抑制TMAO的产生[53]。随着肠道微生物调节剂与CVD动物模型研究的日益增多，基础研究成果有望转化为临床干预手段，但是目前通过调节肠道微生物治疗CVD的疗效尚未得到证实。

4 小 结

肠道微生物及其主要代谢产物(TMAO、SCFAs)在冠心病、心力衰竭、高血压、心房颤动等CVD的发生发展中起重要作用。TMAO具有抑制胆固醇代谢、诱导血小板聚集和血栓形成、促进动脉粥样硬化的作用，直接或间接参与了CVD的发病过程，被认为是影响CVD发生甚至预后的重要危险因子。SCFAs在维持肠道屏障功能中发挥关键作用，对心脏代谢健康起积极作用。肠道微生态的变化可能导致心脏功能减退，造成多种心脏疾病的发生和恶化，并对不良心血管事件的预后有重要预测意义。因此，探索CVD患者肠道微生物的变化可能为CVD患者疾病严重程度的判断提供新的参考依据，并为CVD的分层治疗提供新的思路。然而，目前的研究大多仍处于基础实验阶段，具体机制尚未完全阐明，研究菌群种类有限，缺少大规模临床研究，有待进一步探索和完善。