肠道微生物群参与动脉粥样硬化相关机制的研究进展

王 雪 王凯华 王 荔 杨嘉敏 莫云云 王亚南

1）广西中医药大学研究生院，广西 南宁 530000 2）广西中医药大学附属国际壮医医院，广西 南宁 530000

人体胃肠道被包括细菌、真菌和病毒在内的不同微生物群体定植［1］。细菌是肠道微生物中最大的群体，包括500～1 000 种不同的物种［1-2］。肠道微生物群及其周围的肠道环境统称为肠道微生态系统，其功能是维持人和动物正常状态下内环境的稳态。动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）是全球心脑血管疾病和病死率的主要原因。肠道微生物群组成的改变，即肠道微生态失调。越来越多的研究［3］提示，肠道微生物群与AS 等心脑血管疾病的发生发展密切相关，并有望成为疾病治疗的新靶点。

1 肠道微生物群与动脉粥样硬化的概述

动脉粥样硬化是导致心脑血管病的主要致病原因之一，它是由各种原因而导致的一种慢性炎症性病变，主要发生在大、中动脉，主要特征为脂类的积累和复合糖类等血液成分异常沉积，使血管壁变硬增厚及管腔狭窄，最终导致心脑器官血管血流减少或完全闭塞。AS及其并发症仍是全球发病率和病死率的主要原因之一，其主要归因于脂质代谢异常、炎症反应和内皮损伤［4］，尽可能减少AS的发生及发展，仍是当前研究热点之一。

肠道微生物群大约包括1.5万～3.6万种细菌，健康的肠道主要由共生细菌门：放线菌门（Actinobacte⁃ria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）和变形菌门（Proteobacteria）组成，厚壁菌门（Fir⁃micutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）是两种主要的肠道微生物，占92%［5］。除细菌、古细菌和真核生物外，还有病毒和噬菌体［6］。肠道微生物群不仅可以调节宿主的代谢，还可以调节肠道的免疫功能和生物屏障功能［7］；具有维持宿主健康状态的作用［8］。构成肠道微生物群的细菌数量和种类受环境［9］、饮食［10］、药物和遗传等多种因素影响。

当专性厌氧厚壁菌门（Firmicutes）和放线菌门（Actinobacteria）的双歧杆菌科占主导地位时，肠道稳态得以实现，而兼性厌氧变形菌门（Proteobacteria）的肠杆菌科（Enbacteria）增多时则通常表明肠道微生物群失调。最近研究成果指出，肠道微生物群落结构的改变及功能紊乱，在AS的形成过程中具有至关重要的作用［11-12］。

MENNI 等［13］收集617 名中年女性的粪便和血液，评估了测量血管硬度的颈动脉-股动脉脉搏波传导速度（pulse wave velocity，PWV）与肠道微生物群组成之间的相关性，结果显示肠道微生物群多样性与女性动脉僵硬度呈负相关，疣微菌科（Ruminococ⁃caceae）、理研菌科、梭菌科、放线菌产气柯林斯菌属、梭菌科等均与PWV 呈负相关，其中疣微菌科尤为突出，其多样性越低，血管硬化程度越高。

KARLSSON等［14］通过对12例症状性动脉粥样硬化斑块患者和健康对照组的粪便宏基因组测序发现，在健康对照组中含有大量真细菌（Eubacte-rium）和罗斯菌属（Roseburia），而在症状性动脉粥样硬化斑块患者的肠道中含有大量柯林斯菌属（Collinsel⁃la），柯林斯菌属通过减少肝脏中的糖异生、改变肠道中胆固醇的吸收和增加甘油三酯的合成影响宿主的代谢。AS患者的肠道微生物群合成肽聚糖的能力增加，这可能有助于动脉粥样硬化动脉壁的慢性炎症。

杜剑强等［15］通过收集50例动脉粥样硬化患者和健康对照组的粪便和血液，比较两组糖脂代谢水平与肠道菌群数量的关系中发现：动脉粥样硬化患者肠道中乳酸菌（Lactobacillus）、双歧杆菌（Bifidobacte⁃rium）和大肠杆菌（Colon bacillus）数量较健康对照组减少；糖脂代谢指标与乳酸菌、双歧杆菌呈正相关，与大肠杆菌呈负相关，临床治疗中可通过增加肠道中的乳酸菌和双歧杆菌的数量，减少大肠杆菌数量，改善动脉粥样硬化患者的糖脂代谢水平及预后。

尽管肠道菌群在个体间存在差异，但核心肠道菌如厚壁菌门和双歧杆菌科的稳定存在似乎是肠道功能正常所必需的。上述研究发现肠道微生物群的失衡与动脉粥样硬化之间具有密切关联，且大量研究显示很可能与肠道微生物群及其代谢产物影响机体的炎症反应、免疫、脂质代谢等机制有关。

2 肠道微生物群促进动脉粥样硬化形成的可能机制

研究表明肠道微生物群可能通过［13］三种不同的方式影响动脉粥样硬化：（1）通过对微生物的局部或全部的感染并产生炎症反应，又或者通过对各种免疫细胞的影响激活免疫系统［16-18］，促进动脉粥样硬化的发展，并形成易损斑块［19］。（2）通过调节脂质代谢，从而加速动脉粥样硬化斑块的形成［20］。（3）由肠道微生物群产生的一些重要代谢产物，如氧化三甲胺（trimetlylamine oxide，TMAO），血小板的活性被其激活后，促进动脉粥样硬化的形成［21-22］。

2.1 肠道微生物群通过炎症感染，免疫系统影响动脉粥样硬化当血管壁细胞受到直接感染或远处感染影响时，也可能会促进动脉粥样硬化的进展，并形成易损部位，激活免疫系统从而增加全身炎症的状态［23-24］。其中的一条通路和Toll 样受体（Toll-like re⁃ceptors，TLRs）有关，在塑造肠道微生物群中发挥重要作用。TLRs 可能被认为是肠上皮屏障、微生物群和免疫系统之间的界面，可抵御入侵的病原体［25-26］。动脉粥样硬化期间血管炎症的潜在关键来源是致病菌的成分，尤其是脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）。TLR-4受体参与识别细菌LPS 的不同炎症细胞的表达，已被确认具有普遍存在的突变。这种突变与动脉粥样硬化风险降低有关。此外，流行病学调查表明，LPS 是动脉粥样硬化发展的危险因素。革兰阴性菌是个体血清中LPS 的主要来源，可能在亚临床感染期间产生。参与动脉粥样硬化发病机制炎症细胞上的主要细胞受体，如巨噬细胞、单核细胞、树突状细胞、LPS 结合蛋白（lipopolysaccharide-binding protein，LBP）。这些炎症受体被归咎于LPS 识别后通过失调激活而发生动脉粥样硬化［26］。

2.2 肠道微生物群通过脂质代谢影响动脉粥样硬化2.2.1微生物对脂质代谢的调节：脂质代谢是动脉粥样硬化［27］的重要危险因素和药物靶点。动脉粥样硬化的患者存在脂质代谢异常，血浆相关胆固醇水平与口腔、胃肠微生物群有关［28］。此外，细菌丰富度和特定类群与体重指数（body mass index，BMI）、甘油三酯（triglyceride，TG）和高密度脂蛋白（high-densi⁃ty lipoprotein，HDL）水平相关，而与总胆固醇（total cholesterol，TC）和低密度脂蛋白（low-density lipopro⁃tein，LDL）水平无关［29］。与常规饲养小鼠相比，无菌（germ-free,GF）小鼠的脂肪含量和肝脏甘油三酯水平降低，并且对饮食诱导的肥胖具有抵抗作用，甘油三酯水平在CONV-R 小鼠血清中较低，但在脂肪组织和肝脏中较高［30］。这些发现表明肠道微生物组成与血浆胆固醇和血脂水平之间的关系。

2.2.2 胆汁酸与动脉粥样硬化：肠道微生物群参与机体的脂类代谢活动，并主要产生胆汁酸和法尼醇X受体（Farnesoid X receptor，FXR），而胆酸汁则主要吸收饮食的脂肪质和脂溶性维生素，胆酸汁最先从肝细胞中产生，并储存在胆囊内，最后被食用后进入小肠［31］。肝脏从食物中的胆固醇及自己所产生的胆固醇中形成初级胆汁酸，初级胆汁酸进入十二指肠后，被重吸收到回肠末端，在肠道定植菌的作用下解离形成次级胆汁酸［32］。而胆酸汁也具备信息传递作用，影响肠道细菌群的组成和机体的正常代谢，同时也与G 蛋白偶联胆汁酸受体-1（GPBAR-1，又称TGR5）和核受体超家族中的胆汁酸-X受体α（FXRa，NR1H4）这两种受体相互作用；而胆酸汁又成为结合FXR的关键信息物质，主要负责对葡萄糖、脂类代谢途径的调控，二者相互作用通过降低TG来降低血浆脂质浓度，同时增加HDL、TC［33］的量。总之，FXR 失活在预防肝脏脂肪变性和血脂异常方面的作用降低了心脑血管疾病发生的机会。目前尚不能完全明确动脉粥样硬化发生发展中，肠道微生物群对胆汁酸和FXR 的调节机制，FXR 确实是治疗动脉粥样硬化的新靶点，基于FXR 的靶向治疗动脉粥样硬化大多为动物研究，还需要更多的临床证据。

2.3 肠道微生物群通过饮食及代谢产物TMAO 影响动脉粥样硬化

2.3.1 引起动脉粥样硬化的饮食：每个人都可以根据自己的生活方式在肠道中呈现各种各样的微生物［34］。由于个体间微生物的多样性，营养状况在肠道微生物建模中具有重要影响［35］，特定的饮食，如高脂肪或高糖的饮食可能导致微生物种群的变化，最终可能促进疾病发展［36］。与常规饲养的ApoE -/-小鼠相比，无菌（GF）小鼠的动脉粥样硬化病变形成显著减轻［37］。与野生型小鼠相比，常规饲养的Tlr2 -/-小鼠的血栓形成能力降低，而颈动脉损伤后GF模型的血栓形成无差异［38］。另一方面，平衡的肠道共生菌群对动脉粥样硬化的发展起保护作用。据报道，常规饲养的小鼠在正常饮食喂养的情况下，动脉粥样硬化斑块比无菌小鼠明显减少［39］。因此，肠道微生物群的失衡状态，即所谓的微生物群失调，已被认为是动脉粥样硬化发展的危险因素，与吸烟、血脂异常、糖尿病、高血压等传统危险因素无关。

2.3.2 微生物群代谢产物TMAO 与动脉粥样硬化的关系：饮食中的胆碱和肠道主要代谢产物融合，形成TMAO，TMAO以血小板激活剂依赖的方式促进细胞外钙离子的释放，从而介导血小板的高反应性，增加血栓形成的风险［40］。在一项转基因表达人ApoELeiden 和人胆固醇酯转移蛋白的高脂血症小鼠研究中，血清TMAO 水平与动脉粥样硬化呈正相关［41］。其他研究报道了同时抑制肠道菌群和TMAO诱导的动脉粥样硬化与TMAO促进动脉粥样硬化的前提一致，当ApoE -/-小鼠接受来自产生高水平TMAO小鼠的微生物移植时，主动脉粥样硬化病变增加［21］。微生物代谢产生三甲胺（trimethylamine，TMA）的能力对动脉粥样硬化的发展十分重要。此外，也有研究表明TMAO影响动脉粥样硬化的风险，TANG等［42］对4007位患者开展了3 a的长期跟踪研究，并探讨血浆TMAO 含量与心脑血管发生危险的关联，结果表明TMAO与血栓生成风险之间有一定剂量的正向关联，且这种作用独立于传统心脑血管发病的危险因素。

3 利用益生菌防治动脉粥样硬化

肠道微生物群的有害菌可促进动脉粥样硬化的形成，同时大量的有益菌改善AS的发生发展，起到缓解和防治作用。鉴于肠道微生物群在TMAO诱导的AS 发病机制中的作用，肠道微生物群为预防和治疗AS提供了潜在的治疗靶点。摄入减少TMAO生成的膳食成分可能是预防AS的一种有前景的策略。随着越来越多的证据表明肠道微生物群与慢性疾病的关系，益生菌作为干预靶点受到越来越多的关注。研究表明，双歧杆菌与血浆TMAO 和TMA 呈负相关［43］。BOUTAGY等［44］报道，补充含有双歧杆菌的多菌株益生菌VSL#3 可降低高脂饮食诱导的TMAO 浓度。有效降低血浆TMAO、血浆TMA 和盲肠TMA 浓度的益生菌可能为预防AS 和降低TMA 引起的毒性提供有效安全的途径。

益生菌是对人体有益的活体微生物，具有重塑肠道菌群结构的巨大潜力，其可通过不同的作用机制［45］影响肠道菌群结构及其与微生物群落的相互作用和宿主健康。这些作用是由益生菌的直接或间接作用介导的，可能涉及免疫系统的调节，也可能涉及大脑和肝脏等远端器官的调节，因为最终在这些器官中产生代谢产物。已有研究表明，阿克曼菌（Akkermansia muciniphila，AKK）是微生物群中的有益菌，对保护肠道屏障具有重要作用，通过给西方饮食的Apoe（-/-）小鼠每日补充AKK，可以恢复肠道屏障改善代谢性内毒素血症引起的炎症，从而减轻动脉粥样硬化病变［46］。动物研究的数据结果可能会因不同菌属、不同饲料的影响而有很大差异。益生菌治疗动脉硬化性患者的可能机制还需要大规模的临床研究。改变细菌组成或通过特定饮食成分调节微生物代谢产物的形成以改善动脉粥样硬化需要长期的效果，短期治疗可能没有临床效果。

4 结语

动脉粥样硬化的发生是一个复杂、多步骤的过程，其潜在机制尚未完全阐明。微生物是促进人类健康必不可少的免疫调节剂，微生物群可能通过激活免疫系统诱导的炎症反应、调节脂类代谢及其产生的代谢物（如TMAO）从而加重动脉粥样硬化的发展。微生物群失调与动脉粥样硬化之间的强相关性进一步表明，通过调控部分肠道菌群成为治疗动脉粥样硬化的潜在选择之一。目前的策略包括使用抗菌药物、细菌酶抑制剂、益生菌、宿主酶抑制剂等，但这些药物的治疗方案在现今研究中尚未显示出对动脉粥样硬化的明显效果。

随着技术的不断更新，未来动脉粥样硬化治疗的方向应包括抑制肠道细菌代谢相关酶、宏基因组、微生物移植等。通过深入分析肠道菌群的具体结构，探索不同微生物群在宿主体内究竟发挥着怎样的作用，以及如何充分利用微生物的不同特性改善人类健康问题，应成为今后研究的重点方向。