腸道微生物—動脈粥樣硬化的新靶點

李晴，王浩，張秀秀，陳丁丁

(1.中國藥科大學(xué)，江蘇 南京 211198；2.濟(jì)南市婦幼保健院，山東 濟(jì)南 250000)

心血管疾病(cardiovascular diseases,CVD)在全球范圍內(nèi)具有較高的發(fā)病率和死亡率，據(jù)美國心臟協(xié)會報告：到2035年，美國將有45.1%的成年人患有某種形式的心血管疾病，心血管疾病的總費用預(yù)計將到1.1萬億美元[1]，嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量。腸道內(nèi)集結(jié)了人體70%～80%的免疫細(xì)胞，生存著超過1 000種的微生物[1]，而微生物群的組成影響腸黏膜屏障的通透性，與腸道炎癥及全身炎癥和代謝密切相關(guān)[3]。因此越來越多的證據(jù)表明腸道微生物群的生態(tài)失衡在心血管疾病的發(fā)展和維持中發(fā)揮重要作用。動脈粥樣硬化可以誘發(fā)高血壓、冠心病等，是引發(fā)心血管疾病的主要原因之一，因此受到眾多研究者的關(guān)注。

1 腸道微生物群

腸道微生物群落主要由擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)和疣微菌門(Verrucomicrobia)組成，其中擬桿菌門和厚壁菌門是主要的優(yōu)勢菌群。腸道微生物群組成的平衡維持著腸道免疫及全身炎癥和代謝，越來越多的研究表明腸道中擬桿菌門和厚壁菌門的比例可以作為潛在病理狀態(tài)的生物標(biāo)志物[4-5]。同時腸道微生物不僅可以消化營養(yǎng)物質(zhì)為宿主提供營養(yǎng)和能量，而且代謝產(chǎn)物可以調(diào)節(jié)宿主的炎癥和免疫。腸道微生物代謝含L-肉堿的化合物產(chǎn)生的三甲胺(TMA),被肝臟中黃酮類單加氧酶(FMO3)氧化為三甲胺-N-氧化物(TMAO)。2011年，代謝組學(xué)研究首次將人血漿中TMAO水平作為評估心血管風(fēng)險的因素[6]。短鏈脂肪酸(SCFA)由腸道微生物發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生，可以在腸道中與G蛋白偶聯(lián)受體GPR41和GPR43結(jié)合，調(diào)節(jié)宿主炎癥和免疫[7]。

2 動脈粥樣硬化的主要危險因素與腸道生態(tài)失衡

飲食、年齡和肥胖等是引發(fā)動脈粥樣硬化的危險因素，研究表明這些因素均會影響腸道生態(tài)平衡，介導(dǎo)機(jī)體病理狀態(tài)。一項對雙胞胎的宏基因組數(shù)據(jù)分析表明，飲食和生活環(huán)境對腸道微生物組成和功能的影響遠(yuǎn)超遺傳因素[8]，最近的研究表明[9]，移民到美國的亞裔人群腸道微生物的多樣性和功能降低。高脂飲食通過增加促炎級聯(lián)反應(yīng)直接增強(qiáng)腸道通透性，還可以增加屏障破壞細(xì)胞因子(TNF-α、IL-6和干擾素-γ) 和減少屏障形成細(xì)胞因子(IL-10、IL-17和IL-22)的產(chǎn)生間接增強(qiáng)腸道通透性；并且高脂飲食負(fù)向調(diào)節(jié)腸道黏液組成，富集具有腸道破壞作用的腸道微生物[10]。肥胖成人腸道微生物群多樣性降低，擬桿菌門與厚壁菌門比例降低[11]，并且隨著年齡增加，腸道微生物的多樣性也會降低，并且病原體微生物群增加，誘發(fā)炎癥反應(yīng)，促進(jìn)動脈粥樣硬化的發(fā)展[10]。

同樣腸道微生物參與動脈粥樣硬化的發(fā)生與發(fā)展。Ziganshina等[12]對動脈粥樣硬化患者頸動脈的硬化斑塊中細(xì)菌的多樣性和豐度進(jìn)行檢測，并結(jié)合一些臨床參數(shù)發(fā)現(xiàn)，一些細(xì)菌至少部分可能通過不同的機(jī)制參與動脈粥樣硬化的發(fā)展。無菌動物模型更是提供了腸道微生物與動脈粥樣硬化的關(guān)系的直接證據(jù)。傳統(tǒng)飲食飼養(yǎng)的小鼠較同樣飼養(yǎng)的無菌小鼠相比，主動脈病變覆蓋面積的百分比較小，血漿膽固醇水平較低[13]。另一項研究將高血壓患者糞便微生物移植到無菌小鼠體內(nèi)，與移植健康對照者糞便微生物的對照小鼠相比，在移植10周后，出現(xiàn)血壓升高，心跳加快[14]。由此推斷，健康的腸道微生物群對機(jī)體發(fā)揮一定的保護(hù)作用，而微生物群失衡促進(jìn)動脈粥樣硬化的發(fā)生。

3 腸道微生物代謝產(chǎn)物介導(dǎo)動脈粥樣硬化

腸道作為體內(nèi)最大的消化器官，腸道內(nèi)大量的微生物可以代謝營養(yǎng)物質(zhì)(肉類食物)、不可消化的碳水化合物(膳食纖維)和蛋白質(zhì)，產(chǎn)生TMAO和SCFAs(乙酸、丁酸、丙酸等)，將初級膽汁酸轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸，共同影響機(jī)體一系列的代謝途徑、炎癥和免疫反應(yīng)，在動脈粥樣硬化的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用。

3.1 TMAO 腸道微生物代謝膽堿、肉堿等營養(yǎng)物質(zhì)，產(chǎn)生TMA，后被FMO3氧化為TMAO，進(jìn)入血液循環(huán)。常規(guī)小鼠補(bǔ)充膳食膽堿或TMAO(相對于對照食物組)，血漿TMAO水平顯著增加，血栓形成潛力增強(qiáng)；相反，補(bǔ)充膽堿的無菌小鼠中不產(chǎn)生TMAO，血栓形成能力也沒有增強(qiáng)，而在無菌小鼠中提供膳食TMAO可以縮短血流停止時間，促進(jìn)血栓形成[15]，表明TMAO是腸道微生物影響血栓形成的重要因素。此外，另一項研究表明，喂食西方飲食(CVD的危險因素)的小鼠具有更高的血漿TMAO濃度并且發(fā)展為心臟功能障礙和心臟纖維化[16]。因此推測TMAO介導(dǎo)動脈粥樣硬化的發(fā)病機(jī)制。隨著對腸道微生物研究的深入，被發(fā)現(xiàn)的TMAO影響動脈粥樣硬化的途徑越來越多。

3.1.1 TMAO誘導(dǎo)炎癥反應(yīng) 除原發(fā)性的心血管疾病外，大多數(shù)的心血管疾病患者都存在長期的慢性炎癥，抗感染治療可以降低心血管疾病的風(fēng)險。因此有不少研究者認(rèn)為，TMAO影響CVD的發(fā)展是主要由于其誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)的結(jié)果。不少研究表明，TMAO可以通過不同的途徑激活NLRP3炎性小體而激活誘導(dǎo)血管炎癥反應(yīng)，從而促進(jìn)動脈粥樣硬化的發(fā)生。比如Chen等[17]的研究發(fā)現(xiàn)，TMAO誘導(dǎo)的部分NLRP3炎性小體激活是通過SIRT3-SOD2-mtROS信號途徑介導(dǎo)，而Sun等[18]的則研究了ROS的下游通路，發(fā)現(xiàn) TMAO通過ROS-TXNIP-NLRP3炎性體誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞炎癥。

3.1.2 TMAO可增強(qiáng)血小板的高反應(yīng)性和血栓形成風(fēng)險 血栓性心血管疾病主要是由于血管內(nèi)形成的由血小板、纖維蛋白和一些細(xì)胞組成的阻塞性血栓引發(fā)。TMAO不僅可以通過增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)儲存Ca2+的刺激依賴性釋放促進(jìn)血小板的高反應(yīng)性(尤其是對凝血酶和ADP)，而且可以直接增強(qiáng)人血小板對多種激動劑(凝血酶、ADP和膠原蛋白)的高反應(yīng)性，增強(qiáng)血栓形成風(fēng)險[14]。

3.1.3 調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝 血脂升高，動脈粥樣硬化和高血壓的風(fēng)險增加，加重心臟泵血負(fù)荷，心臟代償性增生，長此以往，誘發(fā)心血管疾病。產(chǎn)生TMAO的酶FMO3可減少膽固醇逆向轉(zhuǎn)運，改變組織膽固醇和甾醇代謝，因此FMO3/TMAO途徑可能是調(diào)節(jié)膽固醇水平和新陳代謝的關(guān)鍵因素，發(fā)揮致動脈粥樣硬化作用[19]。TMAO可以誘導(dǎo)泡沫細(xì)胞的形成，促進(jìn)脂質(zhì)的累積，可能與激活CD36/MAPK/JNK途徑有關(guān)[20]。

3.1.4 TMAO誘導(dǎo)血管內(nèi)皮功能障礙 血管內(nèi)皮依賴性舒張功能受損是多種心腦血管疾病的病理基礎(chǔ)，在動脈粥樣硬化的形成和發(fā)展中均有發(fā)生。一方面TMAO可以通過誘導(dǎo)NLRP3炎性小體激活誘導(dǎo)血管炎癥導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙[18,21]，此外還可以損害血管內(nèi)皮自我修復(fù)功能，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞中血管細(xì)胞黏附分子(VCAM-1)表達(dá)及單核細(xì)胞的粘附作用引起內(nèi)皮功能障礙[22]。

3.2 SCFA 人體內(nèi)絕大多數(shù)的短鏈脂肪酸是由結(jié)腸細(xì)菌發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生，主要包括乙酸、丙酸和丁酸等，不僅可以調(diào)節(jié)腸道內(nèi)的pH值，維持腸道通透性，而且進(jìn)入循環(huán)，與其受體結(jié)合，可以調(diào)節(jié)機(jī)體的能量穩(wěn)態(tài)、免疫和炎癥，影響心血管系統(tǒng)功能。隨著近幾年對腸道微生物與心血管系統(tǒng)關(guān)系的研究深入，越來越多的研究表明SCFAs通過調(diào)節(jié)血壓和脂質(zhì)水平、抗炎和抗氧化的作用在動脈粥樣硬化中發(fā)揮有益作用。

已知SCFAs調(diào)節(jié)體內(nèi)脂質(zhì)代謝，丁酸鹽可以激活GPR109A，從而抑制脂肪細(xì)胞中甘油三酯水解，而乙酸鹽和丙酸鹽可以激活GPR43從而抗脂肪分解并誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞趨化性[23]，從而降低動脈粥樣硬化的風(fēng)險。早期的研究已證實SCFAs可以通過降低膽固醇的合成降低血漿膽固醇的水平，近期的研究表明丁酸鹽膳食補(bǔ)充還可以通過降低膽固醇的吸收和腸細(xì)胞對膽固醇的排泄來減少高脂飲食喂食的無菌小鼠血管動脈粥樣硬化斑塊面積[24]。Aguilar等[25]研究發(fā)現(xiàn)給予ApoE-/-小鼠丁酸鹽可以減少iNOS、NADPH氧化酶和ROS的產(chǎn)生，減弱主動脈內(nèi)皮功能障礙和巨噬細(xì)胞的遷移與活化。

3.3 膽汁酸(bile acid，BA) 膽汁酸包括初級膽汁酸和次級膽汁酸，初級膽汁酸在肝臟內(nèi)由膽固醇合成，釋放至腸道，在腸道內(nèi)被水解為次級膽汁酸，二者均可以與內(nèi)源性BA受體結(jié)合調(diào)節(jié)血脂水平。已知BA可以激活G 蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體(TGR5)、核受體(FXR)[26]。INT-767(特異性TGR5和FXR激動劑)顯著降低Apoe-/-小鼠中的VLDL-TG(極低密度脂蛋白-甘油三酯)水平，抑制動脈粥樣硬化病變中的單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞浸潤和氧化應(yīng)激，從而抑制或逆轉(zhuǎn)動脈粥樣硬化的發(fā)展[27]。而TGR5和FXR雙重缺乏的LDL受體(LDLR)敲除小鼠通過NF-κB加劇動脈粥樣硬化的發(fā)展，而INT-767可以通過降低單一缺乏TGR5或FXR的小鼠主動脈細(xì)胞因子(IL-1β、IL-6和TNF-α)和趨化因子MCP-1阻斷動脈粥樣硬化的形成[28]。因此推斷膽汁酸與其受體結(jié)合不僅可以調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝，并且可能通過調(diào)節(jié)機(jī)體炎癥和氧化應(yīng)激影響動脈粥樣硬化的進(jìn)展。

4 腸道微生物為靶點的飲食干預(yù)和治療

腸道微生物群失調(diào)參與脂質(zhì)代謝和炎癥反應(yīng)，介導(dǎo)心血管疾病的發(fā)展。因此以腸道為靶點的干預(yù)與治療調(diào)節(jié)腸道微生物穩(wěn)態(tài)是目前治療的新方向。

4.1 飲食干預(yù) 前面已經(jīng)介紹過飲食習(xí)慣會影響機(jī)體腸道微生物組成，高脂飲食會改變腸道微生物組成，腸道通透性和炎癥反應(yīng)增加，促發(fā)心血管疾病。而膳食纖維可以增加體內(nèi)SCFAs水平，對心血管疾病發(fā)揮有益作用。近年的研究對6 137名男性和11 278名女性CVD患者隨訪數(shù)年，全因死亡率的數(shù)據(jù)表明堅持地中海飲食可以降低CVD患者的全因死亡率[29]。一項前瞻性研究表明，豆類、水果和蔬菜中的膳食纖維攝入量與CVD的風(fēng)險呈反向關(guān)系[30]。雖然飲食干預(yù)對心血管的有益作用已被多次證實，但是目前還沒有明確的飲食指導(dǎo)規(guī)范應(yīng)用于臨床。

4.2 益生菌、益生元、合生元 CVD患者體內(nèi)微生物組成發(fā)生變化，優(yōu)勢菌群改變，有益菌群減少。益生菌是居住在腸道中的有益微生物，益生元可以影響微生物群的非細(xì)菌食物成分，從而刺激益生菌增長或活性。合生元是益生菌和益生元的混合制劑，既具有益生菌的藥理作用，又可以促進(jìn)體內(nèi)益生菌的活性。Ataie-Jafari等[31]對輕度至重度高膽固醇血癥患者的血清膽固醇水平分析，發(fā)現(xiàn)使用益生菌酸奶較普通酸奶可降低患者血清膽固醇水平。一項Meta分析表明益生菌補(bǔ)充劑可用于高膽固醇血癥的一級預(yù)防，并可能導(dǎo)致心血管疾病危險因素的降低[32],Liu 等[33]的研究發(fā)現(xiàn)菊粉型果聚糖(益生元)可以改善患者高血脂水平。

因此益生菌、益生元和合生元與飲食干預(yù)措施一樣都可以作為預(yù)防心血管疾病的方法，而其對心血管疾病的作用或許可以作為臨床治療的輔助，達(dá)到更好的療效。

4.3 抗生素 抗生素是調(diào)節(jié)腸道微生物群的常用方法，也是目前常用的致病菌感染的治療方法，有動物實驗?zāi)Ｐ秃团R床研究表明感染在動脈粥樣硬化的發(fā)病過程中發(fā)揮作用[34]。雖然目前抗生素應(yīng)用于心血管疾病的臨床試驗得到了短期的療效，但并沒有證據(jù)表明抗生素能發(fā)揮長期的療效[35]。并且有實驗表明大環(huán)內(nèi)酯類抗生素會增加心血管疾病的風(fēng)險[36]，因此目前的結(jié)果并不支持抗生素應(yīng)用于CVD的治療。可能的原因是由于細(xì)菌的耐藥性和抗生素的無選擇性抑制微生物的生長，在抑制不利菌群的同時也抑制了有益菌的生長。

4.4 腸道菌群移植技術(shù)(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT) FMT是將健康患者的腸道菌群移植到患者體內(nèi)，改善患者腸道微生物組成，達(dá)到治療的效果。FMT對艱難梭菌感染的療效已被證實，隨著近些年研究的深入，F(xiàn)MT的應(yīng)用范圍也變得廣泛，臨床試驗也涉及了多種疾病，如腸易激綜合征、代謝性疾病等[37]。最近的一項隨機(jī)臨床試驗表明，F(xiàn)MT對潰瘍性結(jié)腸炎患者的8周緩解率較高[38]。Vrieze等[39]將瘦供體的腸道微生物灌注到患有代謝綜合征患者體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)接受移植的患者胰島素敏感性和腸道中產(chǎn)丁酸鹽的微生物水平增加，表明了FMT移植在代謝性疾病中的應(yīng)用前景。2016年《Cell》上發(fā)表的關(guān)于移植盲腸內(nèi)容物的研究，表明移植盲腸內(nèi)容物可以通過TMAO途徑影響血栓形成，降低動脈粥樣硬化形成風(fēng)險[14]。雖然FMT在治療艱難梭菌感染的治療已比較成熟，動物實驗也證明了FMT在心血管疾病的潛力，但由于FMT供體的選擇及是否會引入內(nèi)毒素或其他感染源還未可知。因此FMT臨床上應(yīng)用于心血管疾病的治療還存在風(fēng)險，需要更多地研究改善驗證。

4.5 抑制TMAO途徑 米屈肼作為心臟保護(hù)藥，近些年發(fā)現(xiàn)其為肉毒堿的結(jié)構(gòu)類似物，可以抑制左旋肉堿在腸道內(nèi)轉(zhuǎn)化為TMAO，從而發(fā)揮抗動脈粥樣硬化作用[40]。3,3-二甲基-1-丁醇(DMB)是膽堿結(jié)構(gòu)類似物，抑制TMAO前體TMA的生成，從而降低TMAO水平。Wang等[41]的研究發(fā)現(xiàn)DMB可以非致死性地抑制體外培養(yǎng)微生物中的TMA形成，并抑制生理多微生物培養(yǎng)物(腸內(nèi)容物、人類糞便)中的TMA產(chǎn)生。同時體內(nèi)實驗表明DMB可以降低小鼠TMAO水平和動脈粥樣硬化活性。證明了藥物靶向腸道微生物產(chǎn)生TMA可能是心血管疾病的潛在治療方法。

5 總結(jié)與展望

近些年，腸道微生物受到了國內(nèi)外研究者極大的關(guān)注，腸道微生物群的組成影響著機(jī)體的健康狀況，同時調(diào)節(jié)腸道上皮屏障系統(tǒng)，進(jìn)而引發(fā)機(jī)體一系列的炎癥反應(yīng)，而腸道微生物代謝產(chǎn)物更是直接參與心血管疾病的進(jìn)展。已有不少研究發(fā)現(xiàn)了腸道微生物群介導(dǎo)心血管疾病的分子機(jī)制，但還是需要更多的研究證實其確切機(jī)制。飲食干預(yù)、益生菌、益生元和合生元補(bǔ)充及抑制TMAO途徑的藥物在動脈粥樣硬化方面的有益作用已經(jīng)證實，然而飲食干預(yù)和益生菌、益生元和合生元補(bǔ)充的劑量與措施，以及臨床上與現(xiàn)有的治療藥物的聯(lián)合應(yīng)用都需要進(jìn)一步的研究探索。TMAO抑制劑的藥物除了現(xiàn)有的心臟保護(hù)藥米屈肼，還沒有同類型的藥物上市，還需要更多地研究者去發(fā)現(xiàn)。近些年腸道菌群移植技術(shù)逐漸深入，有不少研究體現(xiàn)了FMT的臨床應(yīng)用價值，然而真正的應(yīng)用于心血管疾病的臨床治療還需要大量的試驗完善如今的技術(shù)。