肠道微生物代谢产物参与动脉粥样硬化的研究进展

李海霞 综述，魏静 ，哈小琴 审校

1. 兰州大学公共卫生学院营养与食品卫生研究所，甘肃 兰州 730000；2. 人民解放军联勤保障部队第九四〇医院检验科，甘肃 兰州 730050；3. 甘肃中医药大学临床医学院，甘肃兰州730030

动脉粥样硬化是动脉的一种慢性炎症状态，作为心血管疾病的主要病理基础，多年来一直是全世界人类死亡的主要原因［1］。动脉粥样硬化的显著特征是大动脉内膜脂质积累和炎症的生成［2］。早期脂质在内膜积累，伴随内皮功能丧失，从而导致低密度脂蛋白颗粒进一步渗透并积累在细胞外基质；然后暴露于内皮细胞的黏附分子以及循环单核细胞被募集并附着到血管内皮细胞上。一旦附着，它们会迁移到内皮下转化为巨噬细胞。此外，功能失调的内皮细胞分泌趋化因子和生长因子，刺激血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells，VSMCs）和内膜层白细胞的迁移、积累和增殖，促进斑块进展［3］。细胞外基质中氧化型低密度脂蛋白（oxidized low density lipoprotein，OX-LDL）可通过不同的介质使单核细胞和其他炎症细胞向内膜活化、募集和迁移，从而增强一系列促炎反应。巨噬细胞过度吸收OX-LDL 后可转化为泡沫细胞。动脉内膜中泡沫细胞的积累是动脉粥样硬化发生的细胞标志。泡沫细胞释放生长因子和细胞因子，进一步刺激VSMCs 迁移到内膜，加重动脉粥样硬化的进程［4］。

人类胃肠道可被当作一个巨大且多样的生态系统，其容纳了数以万亿计的微生物种类。肠道微生物参与多种代谢途径的调节，形成了与肠道、肝脏和脑功能相关的免疫炎症轴［5］。除此之外，肠道微生物还能产生多种酶和生物活性代谢产物，这些代谢物在宿主血液中积累，影响宿主的生理。目前，已有300 多种微生物宿主代谢产物通过非靶向和靶向代谢组学分析被鉴定，包括三甲胺N-氧化物（trimethylamine N-oxide，TMAO）、胆汁酸（bile acid）、短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）、氨基酸、苯甲酰和苯基衍生物、肼衍生物、脂类、胆碱、维生素、激素以及多胺等［6］。此外，几种有益的生物活性物质如多酚类化合物（原儿茶酸、槲皮素、花青素、没食子酸和卵磷脂）在被肠道微生物分解后才能被宿主吸收［7-9］。肠道微生物可将机体摄入的营养物质转化为宿主细胞的代谢物。代谢物作为肠道微生物与宿主细胞之间信号的传递者，对宿主本身健康具有很大的影响。最近的多项研究集中在肠道微生物代谢组学与动脉粥样硬化之间的相互作用上。代谢组学越来越被认为是一种很有前途的技术，可识别代谢物的特征，以区分动脉粥样硬化发展的不同阶段。本文对 TMAO、Bile acid、SCFAs、尿毒症毒素（uremic toxin）以及多酚（polyphenol）这几种肠道微生物代谢产物的生成以及它们在动脉粥样硬化中的作用作一综述，为肠道微生物参与动脉粥样硬化的调节机制提供理论依据。

1 TMAO 与动脉粥样硬化

肠道微生物能代谢一些饮食营养物质，如膳食胆碱、甜菜碱、磷脂酰胆碱、卵磷脂和L-肉碱作为底物，最终生成TMAO，这是一种具有生物活性的肠道微生物衍生代谢物［10-12］。某些类型的食物，如红肉、鱼、家禽是TMAO 的重要来源。TMAO 作为一种促动脉粥样硬化的因子，积极参与动脉粥样硬化的发展和进展。主动脉粥样硬化斑块的大小也与血浆TMAO 的水平呈正相关。临床研究表明［10］，TMAO促进动脉粥样硬化的机制可能有以下几方面：①抑制巨噬细胞的反向胆固醇转运（revere cholesterol transport，RCT），影响胆固醇的分解和排泄；②上调巨噬细胞清道夫受体CD36 和清道夫受体A1（scavenger receptor A1，SR-A1）的表达，增加巨噬细胞内胆固醇的沉积，促进泡沫细胞的形成，泡沫细胞从最初的病变形成到斑块破裂均有促动脉粥样硬化的作用［11］；③下调胆固醇吸收靶点ABCG5／8 和NPC1基因的表达，从而影响胆固醇代谢；④降低细胞色素P450 酶（cytochrome P450，CYP450）的基因 CYP7A1和CYP27A1 在肝脏中的表达，从而减少胆汁酸的转运和胆固醇的清除，以此来加速动脉粥样硬化的进程［10］。

动脉粥样硬化常伴有内皮功能障碍和炎症反应，TMAO 能激活血管平滑肌细胞有丝分裂原激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）和核因子-κB（nuclearfactor-κB，NF-κB）信号，促进白细胞对血管内皮细胞的黏附以及炎症反应［13］。此外，MA 等［14］发现，TMAO 能激活 PKC ／ NF-κB 信号，上调血管细胞黏附分子1（vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1）的表达，促进单核细胞的黏附，从而促使内皮功能障碍。最重要的是，TMAO 能通过激活细胞内硫氧还蛋白互作蛋白（thioredoxin-interacting protein，TXNIP）作用的NLRP3 炎症体来影响机体的免疫系统，导致炎症标志物肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor，TNF-α）、白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、白细胞介素-18（interleukin-18，IL-18）和白细胞介素-1B（interleukin-1B，IL-1B）表达增加［15-17］，促进动脉斑块的发展，最终导致心血管事件的发生。研究发现，TMAO 能增强细胞内储存的Ca2+释放，刺激血小板活化，直接促进血小板高反应性和血栓的形成［15］，加速动脉斑块的形成。队列研究中表明，TMAO 水平升高与同一组人群随访3 年后主要不良心血管事件（包括中风、心肌梗死和死亡）发生率呈正相关［18］。并且TMAO 的水平可稳定预测冠状动脉疾病患者的 5 年死亡率［19］，TMAO 每增加 10 μmol／L，全因死亡风险增加7. 6%［20］。因此，可以得出，肠道微生物代谢产物TMAO 可通过脂质代谢、内皮功能障碍以及炎症反应对动脉粥样硬化产生间接影响，而且TMAO 升高会显著增加心血管疾病的风险。因此，从改善肠道微生物代谢物的角度来预防和治疗动脉粥样硬化为理想的方向。

2 Bile acid 与动脉粥样硬化

肠道微生物作用于肝脏胆固醇代谢，从而影响全身胆固醇水平［21］。Bile acid 由限速酶胆酯醇7-α-羟化酶（cholesterol 7-alpha hydroxy-lase，CYP7A1）形成［22］，是肝脏中胆固醇主要的代谢产物。机体的胆汁酸可分为初级胆汁酸和次级胆汁酸。肠胆汁酸一直被认为是调节脂质和葡萄糖代谢的重要因素。除此之外，Bile acid 还能影响血管炎症和动脉粥样硬化。

Bile acid 作为重要的信号分子，能激活许多核受体，包括法尼醇 X 受体（farnesoid X receptor，FXR）、前甘烷 X 受体（preganane X receptor）、维生素 D 受体（vitamin D receptor）和 G 蛋白偶联受体（takeda G protein-coupled receptor 5，TGR5）以及肝脏细胞信号通路，从而调节其自身生物合成和能量代谢［23］。初级胆汁酸是肝脏从膳食胆固醇或肝脏自身合成的胆固醇中产生的，主要功能是帮助膳食脂类和脂溶性营养素的吸收［24］。人体中每天有200 ~ 800 mg 的Bile acid 逸出肠肝循环，进入结肠，被肠道微生物代谢为次生胆汁酸。

在小鼠中，通过细菌胆盐水解酶（bile salt hydrolase，BSH）作用产生的次级胆汁酸已被证明可通过调节肝脏或小肠的特定基因来调节脂质代谢［23］。研究表明，初级和次级胆汁酸可通过FXR 和TGR5受体抑制NF-κB 依赖的促炎细胞因子，抑制炎症反应［25］。据报道，TGR5 激活还能防止脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）引起的炎症和动脉粥样硬化［26-27］。因此，Bile acid 似乎是动脉粥样硬化的保护因子。但YAMADA 等［28］利用微型猪研究发现，胆汁酸可通过刺激氧化应激信号通路和巨噬细胞动员而加重猪内脏动脉粥样硬化的进程。临床研究表明，血清胆汁酸升高与心脏功能障碍有关，如致命性心律失常、心肌肥厚、心肌细胞凋亡和心脏血流动力学异常［28］。患有冠心病（coronary artery disease，CAD）的人群粪便胆汁酸排泄较无CAD 的人群低。但很少有研究者关注血清总胆汁酸（total bile acid，TBA）在 CAD 进展中的作用。我国的一项队列研究揭示了CAD 患者比正常人群的空腹血清TBA 水平高［29］。此外，空腹血清TBA 与CAD 的存在和严重程度独立相关。因此，TBA 可能作为临床上有效和低成本的生物标志物，有助于预测CAD 的严重程度，并可能为CAD 的临床治疗提供指导。一些体外研究也证明了Bile acid 可通过氧化应激和促炎反应促进内皮细胞损伤，从而促进动脉粥样硬化［30］。因此，胆汁酸在动脉粥样硬化中的机制尚有待阐明。

3 SCFAs 与动脉粥样硬化

SCFAs 是细菌发酵未消化的碳水化合物产生的代谢物，主要由乳酸菌和双歧杆菌进行。另外，氨基酸也可用于SCFAs 的生物合成。葡萄糖和氨基酸在小肠中分别以淀粉和蛋白质的形式被消化形成，并迅速被吸收到血液循环中。细菌从葡萄糖的糖酵解到丙酮酸、乙酰辅酶A，最后再到乙酸、丙酸和丁酸，依次合成SCFAs。乙酸、丁酸（butyric acid）和丙酸在结肠中的总浓度分别为 3 ∶1 ∶1［23］。SCFAs 是对血管有益的代谢物，作为结肠上皮能量的主要来源。研究发现，SCFAs 可通过阻断胆固醇合成或将其转移到肝脏来降低血脂水平［31］。

目前关于SCFAs 研究最多的是Butyric acid。研究证明，Butyric acid 在诱导抗炎和减少单核细胞在内皮中的黏附方面发挥重要作用。Butyric acid 可抑制NF-kB 的易位，从而降低促炎细胞因子的表达和TNF-α 诱导的VCAM-1 的表达，导致单核细胞与内皮的黏附减少，阻碍泡沫细胞的形成［32］。多项研究已证明了Butyric acid 对动脉粥样硬化形成的直接影响。AGUILAR 等［33］发现，补充含 1% Butyric acid的饮食可使APOE-／-小鼠主动脉病变面积减少50%。而且Butyric acid 介导的主动脉病变区域的减少伴随着超氧物和硝基酪氨酸的减少，表明氧化应激的减少可能有助于介导Butyric acid 的抗动脉粥样硬化作用［34］。因此，Butyric acid 被认为是动脉粥样硬化的保护元件。

4 Uremic Toxins

Uremic Toxins 是由肠道微生物代谢氨基酸而产生的代谢物。蛋白质中的芳香氨基酸（酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸）可由肠道微生物［35-36］和宿主肝脏［37］代谢为毒素，如硫酸吲哚酚（indoxyl sulfate，IS）、葡萄糖醛酸（indoxyl glucuronide）、吲哚乙酸（indoleacetic acid）、硫酸对甲酚（p-cresyl sulfate）、对甲酚（pcresol）和马尿酸（hippuric acid）。

血小板和血管成分均易受尿毒症毒素的影响。其中，IS 是由肠道微生物代谢色氨酸酶产生，可将饮食中的色氨酸转化为吲哚，再在肝脏中通过CYP450和硫基转移酶 1A1（sulfotransferase，SULT1A1）的作用转化为吲哚和硫酸吲哚。在尿毒症毒素中，IS 被认为与心血管死亡高度相关。其能导致血管功能障碍，归因于其诱导凋亡和炎症的能力［38］。在使用IS处理小鼠主动脉内皮细胞时发现，主动脉内皮细胞凋亡增加。IS 可通过芳基烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AhR）、MAPK、NF-κB 诱导炎症反应。在巨噬细胞中，IS 可激活 NF-κB ／ MAPK 信号通路，诱导细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）、p38 丝裂原活化蛋白激酶（p38 mitogenactivated protein kinase，p38）和 c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）的磷酸化，加重巨噬细胞的炎症反应。同时诱导活性氧和促炎细胞因子的产生，并抑制胆固醇的外流［39-40］。在内皮细胞中，IS 可激活 NF-κB 信号，上调 ICAM-1 和单核细胞趋化蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1）的表达［41］，并抑制一氧化氮（nitric oxide，NO）的合成，上调活性氧，从而加重内皮功能障碍［42］。而且IS可上调内皮细胞上的黏附分子，诱导血管平滑肌细胞的增殖，加速内皮损伤［43］。此外，IS 被证明可激活血小板，增加凝血酶和胶原的聚集［44］，加速动脉粥样斑块的形成。因此，在临床上，血清中IS 被认为是动脉粥样硬化的预测生物标志物［45］。综上所述，IS 可通过介导凋亡、炎症反应以及氧化反应损害内皮细胞的功能。

5 Polyphenols

Polyphenols 是主要分布在植物界的酚类化合物，从结构上可分为类黄酮化合物和非类黄酮化合物。许多天然产物含有大量的Polyphenols，Polyphenols具有保护心血管系统和减轻炎症反应的功能［46-47］。虽然Polyphenols 对心血管疾病有很多益处，但它们中的大多数不能直接被小肠吸收。宿主对Polyphenols 类化合物的生物利用度主要取决于肠道微生物的功能［48］。目前常见的Polyphenols 类化合物包括花青素（anthocyanins）、槲皮素（quercetin）、卵磷脂（urolithins）和雌马酚（equol）等。

5. 1 Anthocyanins 及其他代谢产物 Anthocyanins作为黄酮类化合物，具有抗炎和抗氧化作用。机体摄入的膳食Anthocyanins 只有少部分被机体吸收，大量的Anthocyanins 通过微生物降解进入结肠，释放衍生物氰基-3-O-β-葡萄糖苷（cyanidin-3-O-β-glucoside，Cy-3-G）［49］。研究证明，Anthocyanins 对心血管健康的积极作用包括抗血小板活性、通过一氧化氮合成酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）上调 NO的合成促使血管舒张、保护心肌细胞免受氧化应激诱导的细胞凋亡等［50-52］。CHANBERS 等［53］对高脂饮食喂养的ApoE-／-小鼠同时喂养含Anthocyanins的浆果，可增加小鼠CYP7A1 的表达，以此降低动脉粥样硬化斑块和甘油三酯浓度。

Cy-3-G 作为Anthocyanins 的代谢产物，可通过抗氧化、抗单核细胞浸润、升高血浆HDL-C 水平以及促进巨噬细胞RCT 等多种机制抑制早期动脉粥样硬化的形成［54］。研究发现，给2 型糖尿病小鼠喂养含Cy-3-G 的麦芽糖后，小鼠肝脏中CYP7A1 mRNA的表达增加，血清胆固醇、肝脏胆固醇和甘油三酯表达下降，从而减轻了动脉粥样硬化［53］。

研究表明，Cy-3-G 经过肠道微生物的作用可转化为原儿茶酸（protocatechuic acid，PCA）。PCA 可通过抑制miR-10b 表达、增加胆固醇反转运蛋白三磷酸腺苷结合盒转运体A1（ATP binding cassette transporter A1，ABCA1）和三磷酸腺苷结合盒转运体G1（ATP binding cassette transporter G1，ABCG1）的表达，从而使巨噬细胞吞噬的LDL 胆固醇外流增加，进而减轻 ApoE-／-小鼠的动脉粥样硬化［54］。另外，PCA已被证明可抑制ICAM1 和VCAM-1 依赖的单核细胞和内皮细胞的黏附，以及CCL2 介导的单核细胞迁移，对动脉粥样硬化具有保护作用［55］。PCA 还被证明可激活AMPK，并通过将A7r5 平滑肌细胞株阻滞于 G0／ G1细胞期，对VSMCs 的增殖产生抑制作用［56］。因此，PCA 可作为一种潜在的新分子用于动脉粥样硬化的预防和治疗。

没食子酸（Gllaic acid，GA）是 Anthocyanins 的次生代谢产物，GA 及其衍生物已被证明具有多种潜在健康保护作用。尤其是其通过舒张血管和降压来改善动脉粥样硬化。研究发现，自发性高血压大鼠中，GA 可通过磷酸化eNOS［57］和抑制血管紧张素转换酶来增加NO 水平，显著降低大鼠的血压［58］。

5. 2 Quercetin Quercetin 是黄酮类化合物的一个常见成员，广泛存在于植物界。Quercetin 可作为超氧化物清除剂、羟基自由基清除剂以及脂质过氧化物抑制剂［59］。近来研究发现，Quercetin 参与调节胆固醇的代谢。原因是Quercetin 能显著提高肝脏中CYP7A1 的活性，促进胆固醇对胆汁酸转化；同时，增加肝脏中ABCG1 的表达，以此调节肝脏胆固醇外流［59］。给大鼠喂养含Quercetin 的食物后，发现大鼠肝脏、心脏、肾脏和小肠中的胆固醇显著降低［60］。

炎症反应被认为是动脉粥样硬化发生和发展的重要途径。Quercetin 能灭活人单核细胞中活化的NF-KB 因子，从而抑制促炎细胞因子、趋化因子、黏附分子和生长因子的释放，抑制炎症反应的发生。在人肥大细胞中，Quercetin 通过阻止 NF-κB p50 和p65亚基的核易位，以及巨噬细胞中IκB 激酶（inhibitors kappa B，IκB）α 蛋白的磷酸化，从而减少炎性因子TNF-α、IL-1β、IL-6 和 IL-8 的释放，减轻炎症反应［61］。此外，Quercetin 对动脉粥样硬化的保护作用还包括以下几点［1］：①抑制烟酰胺-腺苷二核苷酸磷酸（nico-tinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶提高内皮细胞一氧化氮合酶的活性和血红素加氧酶-1（heme oxygenase-1，HO-1）的表达，从而调节血管内皮功能障碍；②阻断氧化酶，抑制活性氧（reactive oxygen species，ROS）的形成，减轻氧化应激；③下调基质金属蛋白酶-1（matrix metalloproteinase-1，MMP-1），稳定动脉粥样硬化斑块。综上所述，Quercetin 对心血管系统的保护功能包括调节脂质代谢、抑制炎症反应、抑制氧化应激以及减轻血管内皮功能障碍。

膳食类Quercetin 的代谢产物在动脉损伤中表现出潜在的抗动脉粥样硬化作用。槲皮素-3-葡萄糖醛酸（Quercetin-3-glucuronide，Q3GA）是 Quercetin 的代谢产物，在几乎所有蔬菜和水果中均广泛发现［62］。据报道，其通过抑制ISR-A1 和CD36 在RAW 264. 7细胞中的表达来抑制巨噬细胞泡沫细胞的形成［63］。在PC12 细胞中，Q3GA 可明显抑制活性氧的形成，抑制动脉粥样硬化进展中可能的危险因素，保护动脉粥样硬化的发生和发展［64］。

5. 3 Urolithins Urolithins 是肠道微生物代谢多酚的产物，据报道，Urolithins 对动脉粥样硬化的发展具有重要影响。Urolithins 可分为UrolithinA 和UrolithinB，一方面，UrolithinA 可通过调节miR-27 表达和ERK ／ PPA R-γ 途径减轻 OX-LDL 诱导的内皮功能障碍［65］，而且 UrolithinA 还通过激活 B 类清道夫受体Ⅰ（scavenger receptor class B typeⅠ，SR-BⅠ）和Nef2（negative regulation factor 2）信号通路在Wistar 大鼠中表现出抗动脉粥样硬化的活性［66］。另一方面，UrolithinB 可减少脂质斑块的沉积，同时，UrolithinB和UrolithinB 硫酸盐不仅负责增加SR-BI 和ABCA1的表达，还负责提高HDL 介导的胆固醇巨噬细胞外排能力［67］，因此，Urolithins 是动脉粥样硬化的保护因素。

5. 4 Equol Equol 是肠道细菌通过大豆苷元代谢产生的手性分子，属于异黄酮类。据报道，其可预防动脉粥样硬化和心血管疾病［68］。研究发现，Equol 可通过激活核因子E2 相关因子2（nuclear factor erythroid 2-realated factor 2，Nrf2）信号通路来减少HFD喂养的APOE-／-小鼠主动脉粥样硬化病变。血浆脂质分析显示，Equol 的干预降低了小鼠甘油三酯、总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇，并同时增加了高密度脂蛋白-胆固醇［69］。此外，服用Equol 还可减少肝脏中的脂质积累。因此，大豆苷元肠道微生物代谢物Equol 应用于心血管健康和疾病预防具有重要的发展前景。

6 其 他

2，4，5-三甲氧基肉桂酸（2，4，5-trimethoxycinnamic acid）是α-沙酮主要的无毒代谢物，其能调节血脂、降低总胆固醇水平。研究发现，其能降低大鼠的高密度脂蛋白胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平［70-71］。因此，该化合物作为潜在的低胆固醇和心血管保护因子，需进一步研究。

7 小结与展望

综上所述，微生物代谢产物不仅可通过调节巨噬细胞的炎症反应和脂质代谢途径参与动脉粥样硬化的进展，也可以通过调节血管内皮细胞功能以及氧化应激作用于动脉粥样硬化的发展。研究发现，动脉粥样硬化是通过两种失调途径—代谢无关途径和代谢物依赖途径发展起来的［72］。内毒素血症在代谢无关途径中促进动脉粥样硬化的炎症状态；代谢物依赖机制通过一些代谢产物，如TMAO、IS 的升高来促进动脉粥样硬化的发生。通过上述研究可以得出 ，Butyric acid、Anthocyanins、PCA、GA、Quercetin、Q3GA、Equol 和 2，4，5-trimethoxycinnamic acid 可作为粥样硬化的保护因子，这些代谢物有望进一步研究开发。目前，代谢组学的发展使研究者可通过定量和定性来分析这些代谢物，但同时应结合利用无菌小鼠、体外共培养系统和肠道器官技术等方法来更进一步地了解肠道微生物代谢产物作用于机体的机制。现今对于肠道微生物的研究，如益生菌治疗和粪便移植的应用仍非常有限，仅处于实验阶段。因此，必须建立一种特定的治疗方法来调节肠道微生物代谢物，最重要的是能在大型患者队列中得到验证。进一步确定这些代谢物的降解或半衰期，及其如何以剂量依赖性的方式影响宿主细胞。更全面地了解微生物群及其代谢物的作用，及其作用于疾病的机制，才能制定先进的诊断策略和潜在的治疗干预措施，以迎合未来个性化患者的临床诊疗服务。