肠道菌群与心血管疾病及非酒精性脂肪肝的研究进展

2021-01-03宋丹丹邓志华

中西医结合心脑血管病杂志 2021年10期

宋丹丹，邓志华

肠道菌群约有数万亿微生物，细菌种类超过100种，主要分为6门，包括厚壁菌门、拟杆菌门、变形杆菌门、放线菌门、疣微菌门、梭杆菌门，其中厚壁菌门(如梭状芽孢杆菌、肠球菌、乳酸菌和瘤胃球菌)占肠道菌群的60%，拟杆菌门(如拟杆菌和普氏菌)占15%，其他菌种所占比例较小，肠道菌群因宿主基因型和环境因素不同，表现出个体差异性[1-2]。一方面，肠道菌群随着人类发展而变化，受饮食习惯、健康状况、药物等因素的影响[2]；另一方面，肠道菌群可以影响碳水化合物、脂质和氧化三甲胺(trimethylamine oxide，TMAO)代谢，从而影响多种代谢性疾病，同时也会影响免疫信号传导导致低级别、持续性、全身性炎症，造成动脉粥样硬化(atherosclerosis，AS)、高血压、非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)、肥胖和糖尿病等多种疾病[1]。因此，未来肠道菌群可能作为一种生物标志物，为临床研究NAFLD、心血管疾病的发病机制提供新方向。

1 肠道菌群与宿主代谢

1.1 碳水化合物不同类型饮食中的碳水化合物可以影响肠道菌群的组成和功能，Fava等[3]研究发现给予24周低脂、高碳水化合物饮食可以增加粪便中拟杆菌、双歧杆菌丰度，考虑拟杆菌属是肠道内碳水化合物主要的降解细菌，因此，拟杆菌、双歧杆菌可能与改善身体能量调节、降低代谢综合征的风险有关。而高脂、高糖饮食可以降低拟杆菌和梭菌属Ⅳ簇丰度、增加肠杆菌的相对丰度[4]。同样，肠道菌群也可通过在新陈代谢中的作用影响碳水化合物分解，由于碳水化合物代谢与肥胖和糖尿病直接相关，所以肠道菌群在这些疾病中也起着重要的作用[1]。Ley等[5]发现，相对于偏瘦小鼠，肥胖小鼠的拟杆菌门的丰度降低了50%，厚壁菌门丰度相对增加，且厚壁菌门与拟杆菌门的比例增加使肥胖小鼠获取能量的能力增加，进一步导致肥胖，增加NAFLD、心血管疾病发生风险。

1.2 脂质不同的脂肪类型对肠道菌群的影响也是不同的[6]。Muralidharan等[7]报道了坚果、花生、杏仁、玉米油、椰子油、橄榄油、芝麻油、大豆油、地中海式饮食等各种脂肪可以不同程度地调节肠道菌群组成，发现坚果和其他植物脂肪可以提高机体代谢，增加双歧杆菌属、罗斯氏菌属和粪杆菌属的丰度；而牛奶脂肪和玉米油可以增加小鼠肠道微生物的Alpha多样性[8]。此外，Mani等[9]发现来源不同的脂肪可以通过改变肠道菌群组成进一步影响肠黏膜屏障渗透性，如鱼肝油、鱼油(不饱和脂肪酸)可以降低肠黏膜通透性，而椰子油(饱和脂肪酸)可增加肠道通透性。饮食习惯可以改变肠道菌群，肠道菌群通过影响食物的能量吸收、储存来调节宿主的脂质代谢能力。Backhed等[10]将传统饲养动物粪菌移植给无菌C57BL/6小鼠，同样低能量饮食的情况下，与无菌小鼠相比，传统饲养小鼠14 d内体内脂肪含量和胰岛素抵抗增加，且诱导肝内脂肪生成和能量储存。对高胆固醇血症病人的粪便微生物、血脂研究发现，厌氧菌和嗜血杆菌丰度与胆固醇、三酰甘油水平呈负相关，与高密度脂蛋白呈正相关[11]。

1.3 短链脂肪酸短链脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)是肠道菌群在结肠发酵膳食纤维产生，主要有丁酸盐、醋酸盐、丙酸盐等，生成丙酸盐的细菌主要为厌氧的梭状芽孢杆菌，生成乙酸盐和丁酸盐的细菌种类较为多样[12]。动物实验表明，给肥胖小鼠口服丁酸盐可以使能量消耗和脂质氧化增加，导致体重下降，这种作用与产热相关基因(过氧化物酶增殖物激活受体共激活因子1α、解偶联蛋白1)在棕色脂肪组织表达上调有关[13]；其次，丁酸盐还可以通过上调紧密连接蛋白和肠黏膜上皮黏液表达增加，提高肠黏膜屏障功能，防止乙醇、促炎细胞因子等向肝脏迁徙，对维持肠黏膜屏障完整性具有重要作用[14]。此外，Kim等[15]发现，高血压病人中产丁酸细菌丰度减少，在高血压诱导心肌肥厚的情况下，补充丁酸盐可以逆转小鼠血管收缩和舒张功能障碍，不仅能增加冠状动脉血流量，减慢心率，还能减轻氧化应激和血管炎症状态。因此，微生物相关代谢物在心血管疾病发展和治疗中发挥重要作用。

2 肠道菌群与心血管疾病

2.1 细菌与炎症反应肠道菌群与多种心血管疾病密切相关。高血压病人存在肠道菌群失调，表现为厚壁菌属、拟杆菌属丰度增加[15]；慢性心力衰竭病人存在肠道菌群过度繁殖，如肠杆菌属、志贺菌属、克雷伯菌和梭杆菌丰度显著增加；肠道菌群过度生长可以促进循环中炎性细胞因子[肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白细胞介素-6(IL-6)]分泌，从而抑制心肌细胞功能[16]。革兰阴性菌细胞壁分解生成的脂多糖作用于Toll样受体4(Toll-like receptor 4，TLR4)上调脂肪细胞表达、激活巨噬细胞中的c-Jun N-末端激酶和核因子-κB(NF-κB)，其中c-Jun N-末端激酶激活导致应激反应基因上调，与心脏不良事件相关，NF-κB激活导致炎性细胞因子和下游分子(如细胞因子、诱导型一氧化氮合酶和白细胞黏附分子)与动脉内皮结合，促进心血管疾病的发生发展[17]。细菌的鞭毛蛋白可以通过Toll样受体5(TLR5)信号通路激活IL-6及单核细胞趋化蛋白-1，单核细胞趋化蛋白-1能够促进单核巨噬细胞向动脉迁徙和浸润，IL-6参与血管炎症的级联反应，二者均为动脉粥样硬化的危险因素[17]。随着动脉粥样硬化的进展，免疫激活和局部炎症反应会促进已形成的动脉粥样斑块的不稳定性增加，导致心肌梗死或者缺血性中风而危及生命[18]。

2.2 肠道菌群衍生物肠道菌群中的变形杆菌、厚壁菌属可以通过三甲胺裂解酶的作用，分解膳食中富含的甲胺、胆碱、磷脂酰胆碱和肉碱等营养物质产生三甲胺(trimethylamine，TMA)，TMA通过门静脉转移到肝脏被黄素单加氧酶转化为氧化三甲胺，氧化三甲胺可以促进活化的白细胞向人体内皮细胞聚集导致内皮功能障碍，显著增加动脉粥样硬化和心血管疾病的发生风险[12]。古细菌中的部分菌株可以将肠道中的TMA转化为甲烷。Ramezani等[19]将产甲烷古细菌移植到C57BL/6小鼠体内可显著降低肠道中的TMA浓度，从而减少肝脏产生氧化三甲胺，降低小鼠动脉粥样硬化风险。Ottosson等[20]证实肠道菌群代谢生成的苯乙酰谷氨酰胺(phenylacetyl glutamine，PAG)是独立于其他传统心血管疾病风险(血脂、血糖、血压、遗传等)的另一种高危因素，进一步研究发现PAG可能通过G蛋白偶联受体增加血小板活化，增强血小板对胶原基质的黏附诱发血栓形成，导致心脏不良事件及死亡风险增加。

3 肠道菌群与NAFLD

NAFLD是世界上最常见的慢性肝病之一，包括一系列的肝脏病变，从简单的脂肪变性到非酒精性脂肪性肝炎、肝硬化和肝细胞癌，NAFLD的发生、发展与脂质代谢异常、胰岛素抵抗、氧化应激、炎症细胞因子产生、免疫细胞的激活和环境因素密切相关[21]。有研究表明NAFLD病人存在肠道菌群失调，变形杆菌、肠杆菌属丰度增多及胃瘤球菌属、厚壁菌属丰度减少，且随着NAFLD疾病进展至晚期肝纤维化，革兰阴性菌数量增加，尤以变形杆菌增加明显[22]。Mouries等[23]进一步研究发现肠道菌群失调造成的肠上皮屏障破坏是非酒精性脂肪肝炎发展的首要条件，给予高脂饮食喂养C57BL/6J小鼠1周后发现其肠道细菌过度生长，且有害菌可以干扰Wnt/β-连环蛋白信号通路传导，使肠上皮中的紧密连接蛋白ZO-1、血管内皮细胞表达下调造成肠黏膜屏障破坏，细菌及其产物移位进入肝脏，使肝内脂肪含量增加、炎性细胞因子激活、内毒素聚集。此外，将高脂饮食喂养小鼠的粪便微生物移植到无菌小鼠中也会发现无菌小鼠肠黏膜屏障损伤和附睾脂肪组织增加；奥贝胆酸是一种法尼醇受体激动剂，可以通过激活WNT/β-连环蛋白信号通路并上调紧密连接蛋白及内皮细胞表达，抑制有害菌及其代谢物移位，对NAFLD及其相关的代谢综合征具有明显的预防作用[23]。宿主免疫细胞可以通过模式识别受体识别病原微生物，如脂多糖可通过TLR4/髓样分化因子88(myeloid differentiation factor，MyD88)通路增加肠黏膜通透性，影响免疫信号介导的炎症反应，促进NAFLD的发生、发展。此外，TLR4的缺失可以显著降低MyD88和TNF-α的水平，减少高脂饮食引起的NF-κB激活和全身炎症反应，从而提高胰岛素敏感性，降低肝脂肪变性[18]。NLRP3炎性小体也被证实在代谢综合征和NAFLD疾病进展中发挥关键作用，与野生小鼠相比，高糖饮食的NLRP3缺陷小鼠可观察到肠道通透性增加和细菌移位，上调脂肪酸摄取和新生脂肪形成，发展为更严重的NAFLD[22]。因此，通过调节肠道菌群影响易感宿主代谢及免疫信号传导可能是治疗代谢综合征及NAFLD的潜在靶点。

4 肠道菌群靶向调节

4.1 饮食特定的饮食干预措施可通过调节肠肝轴来对NAFLD进行治疗，如地中海饮食可以改善宿主能量代谢和减轻体重[22]。和单纯的低脂饮食相比，联合地中海饮食和低碳水化合物饮食可更大程度地降低肝脏的脂肪含量和心血管代谢风险参数[24]。研究表明，地中海饮食可以将肠道菌群调节为更健康的状态，如大肠杆菌丰度降低、双歧杆菌和普沃氏菌丰度增加[25]。地中海饮食包括全谷物和单不饱和脂肪酸，全谷物中的纤维、多酚可以减少能量摄入，并增加肠道中的双歧杆菌、乳酸杆菌、梭菌属，使肠道中丁酸增加改善NAFLD、降低胰岛素抵抗，且丁酸具有抗炎作用[22]。因此，合理规划饮食结构及伴随生活方式的改变可以改善肠道菌群组成，降低NAFLD和心血管疾病风险。

4.2 粪菌移植粪菌移植(fecal microbiota transplantation，FMT)是通过灌肠、口服胶囊或内镜等方式从健康供体向患有相关疾病受者的治疗性给药，以恢复受者肠道微生物的正常多样性和功能[26]。在我国古代葛洪首次对粪菌移植进行描述，口服健康人的粪便悬浮液可以治疗食物中毒和腹泻[27]。有研究表明，粪菌移植可用于治疗艰难梭菌感染的病人，有效率约为90%[28]。对患有代谢综合征的病人进行研究发现[29]，使用常规饮食小鼠粪菌对高脂高糖饮食小鼠进行粪菌移植可显著降低高脂高糖饮食小鼠的肝脏三酰甘油含量，缓解肝脏组织学进展，此外，粪菌移植还可以部分纠正高脂高糖小鼠的肠道菌群失调，增加粪便中丁酸盐的浓度。但目前仍缺少关于粪菌移植对人类代谢综合征、NAFLD及心血管疾病作用的研究。虽然已经对粪菌移植的粪便供体和样品进行了各种潜在致病性细菌、病毒、寄生虫和其他微生物的检测，仍不能确定要移植样品的完整微生物组成，因此，仍然有不少学者提出关于粪菌移植安全性方面的担忧。

4.3 其他肠道菌群失调可以促进动脉粥样硬化、慢性肝病等多种疾病的发生发展。Chen等[30]发现口服可选择性修饰细菌生长的小分子环状D，L-α-肽，可以精准调节小鼠肠道微生物群、降低血浆总胆固醇水平和减少动脉粥样硬化斑块形成，抑制动脉粥样硬化的疾病进展；这些“环肽”可以靶向与肠道有害菌外膜相互作用、抑制有害菌生长，通过提取小鼠的肠道菌群样本，并对每个样本加入不同“环肽”分子后进行细菌DNA测序，发现有两种环肽可显著抑制肠道有害菌生长，同时，抑制促炎细胞因子[如IL-6、TNF-α和白细胞介素-1β(IL-1β)]产生，促进短链脂肪酸、胆汁酸代谢平衡，改善肠黏膜屏障的完整性并促进肠道内调节性T细胞增殖。噬菌体疗法主要用于治疗肠道、泌尿系统等部位的细菌感染，与传统抗生素相比，利用靶向噬菌体治疗细菌感染几乎不影响肠道菌群组成和丰度。Duan等[31]鉴定出粪肠球菌所分泌的细菌毒素是加剧酒精性肝病的关键细菌，通过噬菌体疗法降低肠道中粪肠球菌丰度，显著缓解了肝脏损伤程度。因此，将来通过噬菌体疗法来精准调控肠道致病菌治疗疾病可能是一种有效的新理念。