肠道微生态与心脑血管疾病关系的研究进展

马艳庆， 兰咏梅，张子龙

(西北民族大学 医学部，甘肃 兰州 730030)

心脑血管疾病是全球高发病率和高死亡率的疾病，在我国心血管患病率也呈持续上升趋势.据2017年《中国心血管健康与疾病报告》显示农村心脑血管病死亡率为311.88/10万，城市心脑血管病死亡率为268.19/10万，全国的心脑血管疾病死亡率高于肿瘤及其他疾病的死亡率，位居我国疾病死亡率之首[1].2019年《中国心血管健康与疾病报告》中专家推算，现有心血管患病人数达3.3亿，其中脑卒中1 300万、冠心病1 100万、肺源性心脏病500万、心力衰竭890万、风湿性心脏病250万、先天性心脏病200万、高血压2.45亿[2].这些数据说明，心脑血管疾病的预防和诊疗仍然不容忽视.随着分子生物学和生物信息学的迅速发展，研究者发现心脑血管疾病的发生发展与人体肠道微生态相关，研究者试图从肠道微生态的研究中发现新的预防和治疗措施.

肠道微生态主要由肠道正常菌群及其所生存的环境共同构成.成年人的肠道微生物系统是一个约由39万亿个微生物细胞组成的高度多样化的动态生态系统[3-4].这个系统具有保护肠黏膜屏障、防止病原微生物进入体循环并摄取营养和调节代谢，促进免疫组织成熟等生理功能[5].当肠道微生态失衡时糖脂代谢紊乱、体循环炎症水平增高，从而逐渐促使高血压、动脉粥样硬化、冠心病、心肌梗死、心衰、脑卒中的发生[6-7].本文就肠道微生态与心脑血管疾病的研究进展进行综述，以期为心脑血管疾病的预防和治疗提供参考.

1 肠道菌群紊乱与心脑血管疾病

人体肠道内的微生物有细菌、真菌、原生动物、病毒和古细菌等，而人体肠道菌群主要由拟杆菌、厚壁菌、放线菌属、变形杆菌、疣微菌等组成[8].拟杆菌、厚壁菌是人体肠道菌群的优势菌，在健康成年人肠道中占90%.菌群的结构及比例的平衡是维护肠道微生态平稳的基础.肠道菌群结构和比例的改变会使肠道微生态失衡，导致机体内分泌系统、免疫反应和神经系统活动发生改变，从而引发疾病.研究者通过16s核糖体RNA测序和宏基因组学分析发现，肠道菌群紊乱与心脑血管疾病具有显著相关性.

1.1 高血压

血压水平与心脑血管疾病的发病和死亡风险之间存在着密切的关系.研究者在调查心脑血管疾病后推断，如果治疗所有高血压患者，每年会减少80.3万例心血管病的发生(脑卒中减少69.0万例，心肌梗死减少11.3万例)，获得120万健康生命年[2].所以有效控制血压水平是预防和治疗心脑血管疾病的重要措施.尽管有确定的高血压诊断方法和先进的抗高血压治疗方法，但高血压的发病率仍在增加，只有不到45%的高血压患者血压得到良好控制[7].针对原发性高血压前期及原发性高血压患者的肠道菌群研究发现，最显著的特点是微生物多样性及丰富度降低且分布不均匀，主要表现在厚壁菌门/拟杆菌门比值增加，益生菌降低，普氏菌和克雷伯氏菌产量升高[8-10].为了证实实验结果，研究者将来自于原发性高血压患者粪便移殖到小鼠体内，其血压明显升高[11].在原发性高血压大鼠粪便菌群变异研究中,提取高血压大鼠与正常大鼠的肠道菌群进行对照研究，高血压实验组大鼠的肠道微生物丰富度降低,厚壁菌门与抑杆菌门(F/B)比值增加了5倍，产生乙酸盐和丁酸盐的细菌减少，达尔盐敏感(S)和耐盐(R)的微生物组也存在显著差异[9-10,12].

Kim Seungbum[13]和Sun Shan[14]的研究发现，具有较高丰度的副拟杆菌、克雷伯氏菌、厌氧菌、真杆菌、二路普氏菌、胃瘤球菌属和finegoldi另枝菌属，多形杆菌和Paraprevotellaclara的丰度降低与收缩压显著相关，与拟杆菌属的丰富度和Shannon多样性呈负相关，与韦荣球菌属、厌氧菌属、梭菌属IV簇、颤杆菌、孢子杆菌、卡他菌、Robinsoniella和副孢杆菌呈阳性关联.

1.2 动脉粥样硬化

动脉粥样硬化(atherosclerosis，AS)是指由于脂质和复合糖类异常积聚于动脉内壁导致动脉硬化和继发病变的慢性代谢性疾病，是心脑血管疾病中心脑血管栓塞形成的病理学基础.Karlsson等[15]对AS患者和正常人群的肠道菌群对比发现，正常人群肠道中以富集罗斯伯里菌属(Roseburia)和真杆菌属(Eubacte)为主,而AS患者柯林斯菌属(Collinsella)丰度高于正常人群.近年来随着检测技术的不断发展，对肠道菌群与心脑血管疾病的研究更加深入.2017年Chacon等[16]研究发现，毛霉菌科和毛霉菌属接合菌门的相对丰度与Framingham风险评分(FraminghamRiskScore，FRS)和颈动脉内膜-介质厚度(carotidintima-mediathickness，cIMT)呈负相关，且与受检者的腰臀比、高密度脂蛋白、甘油三酯、空腹血糖有相同的影响，在动物实验中也得到了相同的结论.高脂饮食导致AS模型小鼠肠道菌群失衡，尤其是脱硫弧菌属(desulfovibrio spp)增加，损伤肠壁的屏障功能，导致循环中脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)水平增高，模型小鼠斑块数增多、斑块面积增大[17].有研究证实，肠道菌群的失衡，是导致动脉粥样硬化的重要因素之一.肠道菌群Akkermansia、疣微菌门、拟杆菌属、瘤胃菌科和理研菌科的变化与AS显著相关[18-19].

1.3 冠心病

冠心病(coronary artery disease，CAD)是临床上最常见的一种由动脉粥样硬化引发的慢性心脏病，也是我国高发病率、高死亡率疾病之一.研究表明,肥胖、高血脂、糖尿病、高血压、吸烟等均是CAD的高危因素，控制这些危险因素对CAD的进展有减缓效果，但其发病率和死亡率仍持续升高[20].近年来针对疾病与肠道菌群的研究表明，CAD患者的肠道菌群中放线菌门丰度显著增高，且在属水平的链球菌属、埃希氏菌属、考拉杆菌属的丰度均显著升高.此外，萨特氏菌属、粪厌氧棒状菌属和罗氏菌属的相对丰度显著降低[21-23].近期，科学家在CAD大鼠的研究中发现，大鼠肠道中放线菌(Actinobacteria)、脱硫弧菌(Desulfovibrio)、Aristipus和大肠杆菌(Escherichia coli)丰度的升高和双歧杆菌、乳酸菌等益生菌丰度的显著降低可能与糖脂代谢指标、炎症因子和脂联素水平升高有关[24].肠道菌群的改变可能是引起CAD炎症因子、糖脂代谢指标、脂联素发生明显变化的主要因素之一，也是CAD进行性加重的重要因素之一.

1.4 心肌梗死

心肌梗死(myocardial infarction MI)是最为常见的心血管疾病，其急性发作时发病急，预后差.随着人们生活水平的不断提高，MI的发病越来越年轻化，成为了威胁人类健康的杀手.近年来对急性心肌梗死(acute myocardial infarction AMI)的病人肠道菌群的研究发现，AMI的病人肠道屏障功能有损伤，肠道内的细菌和菌素通过损伤的肠道屏障进入血液，对心肌造成损伤，诱发心肌梗死[25].王丽君等[26]对AMI的患者进行多样性分析发现，AMI患者的肠道菌群多样性较正常人群低.AMI患者的优势菌群明显改变，肠杆菌及肠球菌占优势，而双歧杆菌属、乳酸杆菌属等细菌占比明显减少[27].2020年国内研究[28]显示，AMI患者肠道菌群结构在门水平的拟杆菌(Bacteroidetes)和疣微菌(Verrucomicobia)呈上升趋势,而变形杆菌(Proteobacteria)则呈下降趋势.经皮冠状动脉介入治疗(PCI)一周且入院后常规行AMI药物治疗对患者的微生物群落结构和多样性没有明显影响.这些研究充分证实了AMI与肠道菌群结构显著相关.就目前的AMI的治疗措施来说，还无法纠正肠道菌群结构的失衡现象，是AMI再发作的潜在危险因素之一.

1.5 心力衰竭

心力衰竭(heart failure HF)简称心衰，是指由于心脏的收缩功能或舒张功能发生障碍.此种障碍的症候群集中表现为肺淤血、腔静脉淤血.心力衰竭并不是一个独立的疾病，而是各种心血管疾病发展的终末阶段.近年来的研究表明[28-30]，HF患者肠道菌群结构特征是放线菌属、韦荣氏菌属、链球菌属增多，巨单胞菌属、普拉梭菌减少.在对慢性心力衰竭患者的研究中发现，慢性心力衰竭患者肠道中致病菌数量显著增加，且血浆中炎症水平增高.其可能的机制：一是机体的Toll样受体4(Toll-like recptor 4，TLR4)特异性识别致病菌细胞壁上的脂多糖后，激活下游免疫信号通路，诱导炎症产物广泛的表达[31,33]；二是心力衰竭患者心脏泵血功能降低，导致肠道动脉灌注不足，肠黏膜缺血，肠道屏障通透性增加[32,34].目前针对肠道菌群与心力衰竭的研究旨在运用菌群调节来缓解心力衰竭的症候群，延缓心衰速度.

1.6 脑卒中及脑梗

脑卒中是一种急性脑血管疾病，是由于各种原因导致的脑血管病变而引起的脑组织损伤，导致局灶性神经功能缺损或者中枢神经系统损伤的一组疾病，可分为缺血性脑卒中和出血性脑卒中.近10年的报道中，80%的脑卒中为缺血性脑卒中，是脑梗死的前兆.随着脑肠轴的研究发现，肠道菌群通过迷走神经途径、免疫系统途径、神经内分泌途径、神经递质途径、前额叶皮质髓鞘形成途径等对脑功能产生影响[35].

有研究发现，在脑卒中和短暂性脑缺血发作(transient ischemic attack，TIA)患者中拟杆菌属、普氏菌属以及粪肠球菌属明显减少.急性脑卒中患者在严重脑卒中3天后，物种的多样性显著降低，厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门中特定细菌属发生改变.脑梗死患者的肠道菌群发生显著的改变，肠道中机会致病菌(肠杆菌科、链球菌科和韦荣球菌科等)明显增加，而常驻菌(如拟杆菌属和普氏菌属等)明显减少.4周后其肠道菌群结构开始趋向于正常，但同时伴随菌群多样性的显著下降[36-38].Winek和Benakis等在动物实验中也证实了肠道菌群的紊乱与脑卒中及脑梗死的相关性[39].2020年12月在《欧洲医学和药理学评论》中的研究发现[40],脑梗死患者肠道菌群中红椿菌目、漫游球菌目、鞘脂杆菌目和安德克氏菌属丰度增加.这些研究说明,肠道菌群失调与缺血性脑卒中、脑梗死的相关性研究成为脑卒中及脑梗预防与治疗的关键.

2 肠道菌群代谢产物与心脑血管疾病

肠道菌群通过参与脂代谢、胆汁酸代谢及含胆碱食物、膳食纤维等营养物质代谢后的代谢产物有氧化三甲胺(TMAO)、短链脂肪酸(SCFAs)、次级脂肪酸、胆碱、胆汁酸、吲哚硫酸盐(IndS)等物质，这些物质与心脑血管疾病的发生发展密切相关.

2.1 短链脂肪酸

短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)，也称挥发性脂肪酸，是肠厌氧菌通过发酵复杂碳水化合物和纤维产生的具有免疫调节活性的细菌初级代谢产物，包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、异丁酸、丁异戊酸[41].SCFAs可通过肝静脉经肝肠循环进入循环系统.目前针对SCFAs的研究成果主要有丁酸和乙酸.通过近年来的研究发现，丁酸和乙酸能够改善脂代谢紊乱、动脉粥样硬化、调节机体血压水平[42-43].SCFAs可以通过G-蛋白偶联受体通路激活嗅觉受体78(Olfr78)、G蛋白偶联受体41(G-protein-coupledreceptors41，GPR41)等影响肾素分泌，从而改变机体的血压水平[44].在心脑血管疾病研究中发现，丁酸盐能减少炎性因子的增加，从而发挥抗炎作用；丁酸盐还能够降低TNF-α源性的血管细胞黏附分子的产生，减少巨噬细胞与血管内皮细胞之间的黏附作用，抑制泡沫细胞的生成，从而抑制动脉粥样斑块的进展[45]，降低心脑血管疾病的风险.2019年的一项研究发现，丙酸盐可以通过减轻免疫反应和炎症反应，使得心脏肥大和纤维化显著改善[46].因此针对短链脂肪酸的研究是肠道菌群代谢产物对心脑血管疾病预防与治疗的关键.

2.2 氧化三甲胺

氧化三甲胺(Trimetlylamine oxide，简称TMAO),是直接饮食摄入或间接生成的胆碱、甜菜碱、肉碱类.肠道中的部分菌群产生三甲胺裂解酶转化为TMA、DMA，再经门脉循环进入肝脏被黄素单加氧酶(FMOs)氧化生成TMAO.动物实验研究发现，大鼠的血清TMAO的浓度与动脉粥样硬化的斑块面积呈正相关关系.使用无菌小鼠的研究结果证实，通过肠道菌群能将磷脂酰胆碱的摄入与TMAO的生成相联系.在接受胆碱以及产生TMAO的肠道菌群的小鼠中，能够观察到巨噬细胞中的胆固醇升高以及泡沫细胞增加，抑制TMAO后动脉粥样硬化呈现下降的趋势[47-49].临床对冠心病患者血清TMAO的相关性研究发现，TMAO血清浓度水平是导致冠心病的原因之一，TMAO血清水平越高患冠心病的风险越大，冠心病患者症状越严重，死亡率亦越高[50-51].可能的机制是[52-53]TMAO通过抑制胆固醇的反向转运而刺激巨噬细胞募集.通过增加细胞表面CD36受体的表达和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-6(IL-6)和细胞间黏附分子-1(ICAM1)的表达来加剧巨噬细胞胆固醇的积聚.

多种研究表明，TMAO与心力衰竭密切相关，但是目前TMAO作用与心力衰竭的机制研究并不是确切的结果，其可能的机制：①TMAO通过抑制sirtuin 3的表达和超氧化物歧化酶2的活性，促使线粒体超氧化物聚集，进一步激活NLRP3炎性小体，分泌caspase-1、IL-1β与IL-18，最终导致内皮细胞炎症损伤[54-55]；②TMAO通过Smad3信号通路促进心肌肥厚与纤维化[56]；③TMAO通过改变JPH-2蛋白的再分配，造成了心肌细胞内的T小管重组及钙离子处理功能障碍，从而形成心衰并使其恶化[57].

此外，TMAO与其他心脑血管的相关性也有较多研究.TMAO能促使AngⅡ缩血管作用增强而致高血压[58]；TMAO使得心脏交感神经的张力显著增加、心室电理紊乱，导致室性心律失常[59-60]；TMAO可以通过促进心脏自主神经系统反应，激活一系列炎症通路，促使房颤发生[61].由此可见，TMAO是促进心脑血管疾病发生发展的危险因素.

2.3 胆汁酸

胆汁酸是胆汁的重要成分，分为初级胆汁酸和次级胆汁酸，在脂肪代谢中起着重要作用.初级胆汁在肝脏中由胆固醇直接生成.在胆汁酸与心脑血管疾病的研究中发现，高血压、冠心病、心肌梗死、心力衰竭以及脑卒中等心脑血管疾病患者血清中胆汁酸显著增高[62]，在脑卒中患者中血清胆汁酸亚组分牛磺脱氧胆酸越高脑卒中的危险系数越高[63]，并且胆汁酸的血清水平可以用来评判心功能[64].目前对其机制的研究尚不明确，可能的机制为肠道菌群将初级胆汁酸转变为次级胆汁酸，进而激活FXR和TGR5等一系列核受体，这些受体参与肝脏胆汁酸合成、肠道胆汁酸重吸收等过程，从而减少胆固醇在体内的堆积.肠道胆汁酸积聚能够抑制肝细胞X受体介导促进胆固醇转运蛋白ABCG5/G8受体的表达，抑制胆固醇的排出，导致胆固醇在体内的堆积，促进泡沫细胞的形成，最终促进动脉粥样硬化斑块的形成[65]，从而加速心脑血管疾病的进程，促使患者的风险增加.最新研究发现[66],胆汁酸作为调节免疫稳态的信号分子，包括CD4+T细胞分化为不同的T细胞亚群.胆酸代谢物异异醇胆酸(isoalloLCA)通过促进转录因子叉头盒P3(Foxp3)启动子区域，允许染色质结构的形成，增强抗炎调节性T细胞(Treg细胞)的分化，从而促进了炎性反应的发生，使得心脑血管疾病的患病风险显著增加.

3 针对心脑血管疾病的微生态治疗现状

目前，研究表明肠道菌群及其代谢产物对心脑血管疾病的发生发展具有重要的作用，因此针对心脑血管疾病的肠道微生态的治疗手段逐渐成为了科学家研究的重点.其主要治疗手段分为两种：一种是通过粪菌移植、口服益生元、改善饮食结构等方法调节肠道菌群的均衡；另一种是通过微生物代谢物抑制剂靶向性抑制有害物质生成，从而控制疾病的发展.QiY等在治疗难治性高血压患者时采用抗菌素联合用药抑制肠道菌群异常生长，结果发现其血压明显下降[67].WangZ等发现，使用胆碱类似物1，3-二甲基丁醇，降低TMA和TMAO水平，进而抑制血清浓度水平引起的动脉硬化，是预防和控制心脑血管疾病的重要措施[68].在对老年心脑血管疾病患者治疗中发现，采用益生菌合并药物治疗的患者其心脑血管风险显著降低[69].

4 总结与展望

综上，虽然肠道微生态与心脑血管疾病的相关性研究已日益成熟，但其导致心脑血管疾病发生发展的机制仍需要进一步的深入研究.从治疗方面来说，如何针对细菌酶的抑制剂(例如产生TMA裂解酶的TMA)来抑制有害微生物代谢产物的产量和作用的研究，是心脑血管疾病治疗研究的新方向.从预防角度来说，肠道菌群的细菌种类在其体内的丰富程度与遗传相关[70]，而心脑血管疾病与肠道菌群遗传的相关性研究，以及在孕期对胎儿进行早期菌群丰度的干预是否可以降低心脑血管疾病的发病率或减少疾病的风险将成为一个新的研究方向.