肠道菌群与动脉粥样硬化研究进展*

2023-01-19牛苗苗

实验动物科学 2022年2期

牛苗苗陈华

(中国人民解放军总医院，北京 100853)

动脉粥样硬化(atherosclerosis，AS)引发的脑卒中、冠心病等心脑血管疾病是威胁人类健康的头号杀手[1]。AS发病机制复杂，目前尚未完全阐明，比较公认的学说有脂源性学说、炎症学说、损伤应答学说等。近年的研究发现，肠道菌群以及与宿主的共代谢物可直接或间接影响AS形成，在AS病变过程中发挥着重要作用[2-4]。肠道菌群及其代谢物已成为AS防治的重要靶点[5]。

1 肠道菌群概述

肠道菌群是由微生物组成的复杂生态系统，数量约1014个，种类多达上千种，以拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)等厌氧菌为主，其余有变形菌门(Profeobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)等[6]。肠道菌群的微生物组成与宿主的基因型、年龄、饮食习惯、健康状态等相关[7-8]。

肠道菌群通过直接参与食物的营养代谢影响机体的各种生理过程。肠道菌群分解膳食纤维类复杂的碳水化合物产生短链脂肪酸维持肠道正常的pH，减少有害菌的生长；双歧杆菌(Bificobacterium)、乳杆菌(Lactobacillus)等合成B族维生素、维生素K等多种人体生长发育所必需的维生素；肠道菌群还能合成天冬氨酸(ASP)、丙氨酸(Ala)等非必需氨基酸，为人体提供蛋白质。此外肠道菌群还具有生物屏障、免疫调节等作用。因而，肠道菌群也被认为是动物宿主的又一必需“器官”[9]。

肠道菌群与宿主共同进化而共生，通过宿主-肠道菌群之间相互作用衍生出短链脂肪酸、胆汁酸、吲哚等共代谢产物[10]。这些代谢产物作为化学信使，介导微生物和宿主之间的互作，在维持机体健康和各种疾病进程中发挥重要作用。

2017年开始，我国陆续启动了中科院微生物组计划、中国肠道宏基因组计划等重要研究计划，关注微生物与疾病之间的关系。肠道菌群及其代谢物在消化道疾病、代谢性疾病、肿瘤等疾病当中的重要作用逐渐被揭示，特别是对肥胖、糖尿病、AS等代谢性疾病的影响及防治研究已成为目前科学研究的热点之一[2-3, 11-12]。

2 肠道菌群与AS

2.1 AS相关的肠道菌群变化

研究显示，动脉粥样斑块中可检测到细菌DNA，以厚壁菌和变形菌门居多，其中以螺杆菌(Helicobacter)和奈瑟氏球菌科(Neisseriaceae)为代表，与斑块的形成或不稳定相关[13-16]。AS性心血管疾病患者肠道菌群中肠杆菌科丰度增加，其丰度与心肌指标正相关[17]。同时拟杆菌(Bacteroidesspp.)丰度显著降低，且厚壁菌/拟杆菌比值升高[18]。在心肌梗死或脑血管事件AS患者的粪便中，柯林斯氏菌属(Collinsella)明显富集，而健康对照组罗氏菌属(Roseburia)富集[19]。小鼠AS模型中的研究发现，肠道中以罗斯拜瑞氏菌(R.intestinalis)为代表的产丁酸菌丰度明显降低，并与斑块大小呈显著负相关[20]。拟杆菌、梭状菌、乳酸杆菌等肠道菌则被证明可以预测冠状动脉疾病[21]。

AS还与菌群来源的代谢物相关。研究显示，AS患者血液中脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)和氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide， TMAO)等菌群衍生的代谢产物增多[22]，可作为AS的重要生物标志物。超过3 000名颈AS患者数据分析显示，血浆中的TMAO、硫酸对甲苯、对甲苯葡糖苷酸、苯乙酰谷氨酰胺显著升高，并且TMAO及硫酸对甲苯可作为颈动脉斑块的显著独立预测因子[11]。AS病变程度及心脏并发症风险与血浆中犬尿氨酸和色氨酸浓度比值呈正相关[23]。

2.2 肠道菌群影响AS的机制

肠道菌群失调通过代谢非依赖性及代谢依赖性的途径参与AS的进展。代谢非依赖性途径是指局部或远处的感染引起的炎症反应，加剧斑块发展或触发斑块破裂；代谢依赖性途径主要包括两个方面，一是肠道菌群直接参与胆固醇和甘油三酯代谢，二是菌群代谢产物如胆汁酸、TMAO、丁酸盐等相关的信号通路可能会对AS产生不同的影响[2, 24]。同时，菌群还可通过影响肥胖、2型糖尿病、血压等AS风险因素，间接影响AS的发生和进展[12]。此外，肠道菌群还可以远程调控血管miRNA的表达引起内皮细胞功能受损，影响AS发生及进展[25]。

2.2.1免疫炎症反应：研究表明，AS是多种免疫细胞及炎症因子介导的全身免疫炎症反应[26]。失衡的肠道革兰氏阴性杆菌可以释放大量LPS，破坏肠壁屏障引起细菌外流；LPS能够结合巨噬细胞表面的Toll样受体4(TLR4)，促进低密度和极低密度脂蛋白受体表达增加，使脂质摄入增多[26]。颈动脉AS患者的斑块局部也可检测到LPS及TLR4表达升高，并与巨噬细胞活化及Nox2的表达上调相关[27]。同时，部分革兰氏阳性细菌的细胞壁肽聚糖(peptidoglycan，PGN)透过损伤的肠壁入血，刺激单核细胞、巨噬细胞和内皮细胞释放大量肿瘤坏死因子、白介素等细胞因子，增强炎症反应[28]。PGN的降解产物还能激活NF-κB 和MAPK信号通路，进一步增加炎性因子的释放，促进AS进展[29]。此外，肠道菌群能够调节肠道内T细胞的亚型分化和炎性因子分泌，影响AS进展[5, 30]。肠道菌群的代谢产物也能够被机体树突状细胞识别，如胆汁酸的代谢产物3β-羟基脱氧胆酸通过作用于树突状细胞，增加其抗炎表型的基因表达，减弱其免疫刺激特性，促进CD4阳性T细胞向外周Treg细胞分化，增加其外周分布[31]。丁酸和丙酸则通过降低树突状细胞的成熟，抑制AS的发展[32]。

2.2.2脂代谢紊乱：研究发现，无菌小鼠与正常小鼠采用相同饮食处理，无菌小鼠血脂水平高40%，提示肠道菌群在脂类代谢中发挥重要作用[33]。肠道菌群发酵碳水化合物产生的短链脂肪酸可通过抑制肝脏脂肪合成酶的活性调节血清甘油三酯水平，并通过平衡胆固醇在血与肝脏中的重分布调节血清胆固醇水平；肠道中的双歧杆菌、乳酸杆菌和肠球菌(Enterococcus)能促进血循环中的胆固醇转化，其丰度降低会造成血胆固醇升高[34-35]。胆固醇和甘油三酯代谢紊乱是AS的基础，因而肠道菌群失调是AS的重要促发因素。反过来，高脂饮食及高脂血症则通过减少肠道内养料来源、改变氧化还原状态、破坏菌群赖以生存的微环境来影响肠道菌群的构成。

2.2.3菌群代谢产物：肠道细菌发酵膳食纤维产生的丁酸盐、醋酸盐和丙酸盐等短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)，具有抗AS作用，如降低炎性因子分泌、促进糖脂代谢等[36]。梭状芽孢杆菌(Clostridium)等肠道菌群分解膳食中的胆碱、卵磷脂等，产生三甲胺(trimethylamine，TMA)和TMAO[37]。TMAO是菌群失调促进AS的一个重要机制[38]。TMAO可以激活MAPK和NF-κB通路引起血管炎症，促进泡沫细胞的形成[39]；TMAO减少胆汁酸分泌及胆固醇逆转运，增加胆固醇堆积[40]。肠道菌群分解食物中的色氨酸产生的吲哚类衍生物及精氨酸产生的多胺，均可以增强肠上皮的屏障功能，抑制肠道炎症[41]。结肠菌群分解花青素产生的原儿茶酸，促进巨噬细胞三磷酸腺苷结合转运，减少泡沫细胞的形成[42]。以上研究结果证明，肠道菌群代谢产物作为化学信使，介导菌群和宿主之间的相互作用，在AS发生和进展中发挥重要作用。

2.3 肠道菌群与AS治疗

研究显示，肠道菌群结构的改变可以降低AS风险。小鼠AS模型采用普通拟杆菌和多氏拟杆菌灌胃，可以降低肠道和全身炎症反应，减缓AS形成[43]。健康受试者服用动物双歧杆菌乳双歧亚种LKM512株12周后，肠道中梭状芽孢杆菌、梭菌目(Clostridiales)、毛螺菌科(Lachnospiraceae)的相对丰度及产TMA菌的丰度较安慰剂组降低，粪便三甲胺浓度、BMI指数、血清TNF-α水平也显著降低，提示LKM512通过降低肠道菌群产生的TMA，降低AS风险[44-45]。植物乳杆菌ZDY04可以通过调节ApoE基因敲除小鼠肠道毛螺菌科(Lachnospiraceae)、丹毒丝菌科(Erysipelotrichaceae)、拟杆菌科的相对丰度显著降低血清TMAO和盲肠TMA水平，抑制TMAO诱导的AS进展[46]。将产丁酸的罗斯拜瑞氏菌定植于ApoE基因敲除无菌小鼠也可降低肠道内和全身的内毒素和炎症反应，缓解AS进展[20]。

靶向菌群代谢物合成，也可以影响AS进展。小鼠饮食中补充胆碱、TMAO或甜菜碱可上调AS相关的巨噬细胞清除受体表达，促发AS。胆碱类似物3,3-二甲基-1-丁醇则可以靶向ApoE基因敲除小鼠肠道菌中的TMA裂解酶，抑制TMA生成，导致血浆TMAO水平降低，小鼠内源巨噬泡沫细胞形成减少，从而减弱胆碱引起的AS[47]。美国克利夫兰医学中心以菌群产生TMA的能力为靶，开发了一类新型药物，能在小鼠中显著降低TMA和TMAO水平、减少血栓形成[37]。高脂饮食喂养的ApoE基因敲除小鼠模型中，丁酸盐的摄入可上调巨噬细胞中ABCA1的表达，促进巨噬细胞胆固醇外排，改善AS[48]。