腸道菌群與心血管健康：心腸密不可分

趙心悅，胡曉敏，張抒揚

中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)院 1心內(nèi)科 2疑難重癥及罕見病國家重點實驗室 3醫(yī)學科學研究中心，北京 100730

《中國心血管健康與疾病報告2021》顯示，在人口老齡化和代謝危險因素流行的雙重壓力下，中國內(nèi)地心血管疾病總患病人數(shù)高達3.3億，占人口總數(shù)的1/5以上，心血管疾病死亡人數(shù)已超過各類疾病死亡總數(shù)的40%[1]。因此，在現(xiàn)有研究基礎上，從更廣泛的角度探討心血管疾病的發(fā)病機制、篩選具有代表性的心血管疾病生物標志物、尋求新型保護策略，是維持心血管健康、減輕心血管疾病診療負擔至關(guān)重要的出路之一。

人體腸道是一個巨大的微生物棲息地，成人腸道含有成百上千種細菌，總數(shù)達1014，幾乎是成人細胞數(shù)量的10倍，而其編碼基因總量是人體的100倍[2]。腸道菌群在維持機體健康中發(fā)揮重要作用，被視為一種特殊的“微生物器官”和人類的“第二基因組”。近10年來，大量臨床、基礎研究深刻揭示了“腸-心軸”在多種心血管疾病中扮演重要角色，腸道菌群與心血管健康相關(guān)研究已成為至關(guān)重要的研究領域。本文將從腸道菌群與心血管疾病的關(guān)系，腸道菌群通過代謝、免疫途徑對心血管疾病的影響，以及多種因素對腸道菌群的調(diào)控等方面進行闡述。

1 腸道菌群與心血管疾病的關(guān)系

1.1 冠狀動脈粥樣硬化性心臟病

冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(coronary atheroscle-rotic heart disease，CHD)以冠狀動脈粥樣硬化為病理基礎，是代謝性心血管疾病的重要代表。研究發(fā)現(xiàn)，CHD患者腸道中的腸桿菌科(Enterobacteriaceae)、鏈球菌屬(Streptococcus)豐度顯著高于健康對照，菌群整體對單糖、氨基酸的轉(zhuǎn)運能力增強，而對四氫葉酸等維生素的合成能力下降[3]。腸道中的細菌并不是孤立存在的，一群細菌協(xié)同參與宿主生理代謝、在適應不斷變化的環(huán)境中“共進退”，被視為生態(tài)學中的“guild”。針對CHD不同亞型，筆者團隊對其共豐度改變的腸道菌群和血清代謝物特征進行了進一步探討。研究表明，共豐度的腸道菌群和血清代謝物與CHD嚴重程度密切相關(guān)，腸道菌群如羅氏菌屬(Roseburia)、瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)和梭菌屬(ClostridiumclusterⅣ)可能通過調(diào)節(jié)膽汁酸、芳香類化合物的代謝活性，進而影響動脈粥樣硬化進展[4]。近期發(fā)表的兩項大規(guī)?！氨晨勘场标犃醒芯恳啾砻?，在尚未出現(xiàn)缺血性心臟病的臨床前階段，代謝異常人群的腸道菌群及其代謝物已發(fā)生改變，如菌群豐度、多樣性下降，菌群分解膳食纖維的產(chǎn)物短鏈脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)合成減少等[5-6]。

1.2 心力衰竭

心力衰竭(下文簡稱“心衰”)患者同樣存在腸道菌群紊亂。經(jīng)高通量測序發(fā)現(xiàn)，心衰患者腸道菌群特征主要表現(xiàn)為菌群多樣性、豐度下降，具有SCFAs產(chǎn)生潛力的共生菌豐度減少[7-8]。組學研究也印證了心衰患者的菌群失調(diào)，如彎曲桿菌(Campylobacter)、沙門氏菌(Salmonella)、志賀菌(Shigella)等潛在致病菌在慢性心衰患者腸道內(nèi)過度生長[9]。心衰是各種心臟疾病的終末階段，心臟與腸道功能的衰竭息息相關(guān)，慢性心衰患者的腸道黏膜慢性缺血、水腫，腸道屏障功能損傷，隨之繼發(fā)腸道通透性下降、菌群易位，進而激發(fā)全身炎癥反應，促進心衰進展[10]。近年來，在收縮性心衰患者和主動脈結(jié)扎所致壓力超負荷的心衰動物模型研究中發(fā)現(xiàn)，心衰引起的腸道菌群失調(diào)與持續(xù)的T細胞免疫激活相關(guān)[7,11]，但具體作用機制仍待進一步探索。

1.3 高血壓

與健康人群相比，高血壓前期和高血壓人群的腸道菌群結(jié)構(gòu)類似，腸道微生物豐度、多樣性下降，以普雷沃氏菌屬(Prevotella)顯著增多為主要特征[12]。同時，糞便微生物移植(fecal microbiota transplanta-tion，F(xiàn)MT)相關(guān)研究證實，高血壓患者的糞便菌群可使無菌小鼠的血壓升高，證示了菌群對血壓的直接影響[12]。不僅如此，某些腸道菌屬與高血壓的嚴重程度或血壓波動相關(guān)，普雷沃氏菌屬和梭菌屬的相對豐度與血壓波動呈正相關(guān)，而另枝菌屬(Alistipes)、乳桿菌屬(Lactobacillus)則具有相反效果[13]。

迄今為止，已有大量研究探討了腸道微生物組與人類心血管疾病的關(guān)系，但提供證據(jù)的角度、深度不盡相同：從發(fā)掘微生物與疾病表型關(guān)聯(lián)的相關(guān)性研究至移除菌群對疾病表型的改變、FMT對疾病表型的轉(zhuǎn)移、特定菌株和微生物分子對疾病表型的影響等因果性研究形成了層層遞進趨勢[14]。未來研究應在現(xiàn)有研究的基礎上更多關(guān)注微生物菌株作用及其下游功能的剖析，推進腸道菌群相關(guān)療法在心血管疾病領域的應用。

2 腸道菌群影響心血管健康的方式

2.1 腸道菌群及其成分與機體直接相互作用

通常認為健康人體血液中無細菌存在，在心血管疾病領域，微生物僅在感染性心內(nèi)膜炎、心肌炎或風濕性心臟病中發(fā)揮作用。然而，近年來的一些研究改變了這種看法，研究人員發(fā)現(xiàn)，即便在無感染跡象的心血管疾病患者中，也可在其血液中檢測到微生物存在[15]。與健康人群相比，心血管疾病患者血液中變形菌門(Proteobacteria)、假單胞菌科(Pseudomonadaceae)豐度升高[16]。歐洲的一項大規(guī)?？v向隊列研究發(fā)現(xiàn)，血液中變形菌門的相對豐度與心血管疾病風險之間存在獨立于傳統(tǒng)心血管危險因素的顯著正相關(guān)關(guān)系[17]。也有研究表明，相較于健康人群和穩(wěn)定型CHD患者，ST段抬高型心肌梗死患者的血液菌群多樣性明顯增加，通過比對人體微生物組計劃中腸道與口腔微生物基因組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)心肌梗死患者的血液菌群中超過12%為腸道來源菌，如乳桿菌、擬桿菌(Bacteroides)、鏈球菌(Streptococcus)等[18]。除血液外，動脈粥樣硬化斑塊中也可檢測到多種細菌DNA，如葡萄球菌(Staphylococcus)、變形桿菌(Proteus)、肺炎克雷伯菌(Klebsiellapneumoni-ae)等，且部分斑塊內(nèi)細菌的種類和變化與腸道菌群檢測結(jié)果一致，提示腸道來源可能[19]。研究表明，受損的腸道黏膜屏障是微生物進入血液的重要途徑，菌群或菌群碎片成分可能通過損傷的“腸漏”進入循環(huán)系統(tǒng)。細菌進入體循環(huán)后，可能作為病原體相關(guān)分子模式與機體的模式識別受體相互作用，并驅(qū)動機體免疫系統(tǒng)激活。

除細菌外，革蘭氏陰性菌的細胞壁成分脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)也可引起機體低水平內(nèi)毒素血癥。重度心衰患者也會出現(xiàn)這種情況，即使通過左心室輔助裝置或心臟移植實現(xiàn)了心功能改善，但內(nèi)毒素血癥仍然持續(xù)存在[20]。這種LPS誘導的內(nèi)毒素血癥可誘導動脈壁炎癥，激活白細胞、血小板、內(nèi)皮細胞等多種細胞的Toll樣受體4(Toll-like receptor 4，TLR4)，促進血栓和動脈粥樣硬化斑塊形成，增加心血管事件的發(fā)生風險[21]。

總體而言，自腸道進入血液循環(huán)中的細菌或細菌成分可能引起免疫刺激、內(nèi)毒素血癥、炎癥反應和動脈粥樣硬化等改變，并最終在心血管疾病中發(fā)揮作用。

2.2 腸道菌群經(jīng)代謝物影響心血管疾病

菌群自身合成或菌群與機體共同合成生物活性物質(zhì)是宿主-菌群相互作用的重要方式。菌群代謝物對心血管健康的影響及影響程度，主要取決于機體的代謝狀態(tài)、代謝物濃度及受影響的組織類型。

2.2.1 膽堿等代謝物

(1)氧化三甲胺(trimethylamine oxide，TMAO)：美國克利夫蘭醫(yī)學中心的Stanley L.Hazen教授是腸道微生物與心血管疾病風險研究領越的先驅(qū)，早在2011年，其即通過大樣本流行病學研究和動物實驗首次發(fā)現(xiàn)在心血管疾病中發(fā)揮致病作用的細菌代謝物——TMAO[22-23]。西式飲食中的營養(yǎng)物質(zhì)膽堿、甜菜堿、肉堿等物質(zhì)被腸道厭氧微生物代謝，產(chǎn)生三甲胺(trimethylamine，TMA)，其進一步被肝臟黃素單氧化酶轉(zhuǎn)化為TMAO[23]。研究表明，TMAO增加巨噬細胞清道夫受體CD36、清道夫受體A的表達，造成細胞內(nèi)膽固醇堆積，降低細胞色素P450家族中的CYP7A1表達，從而抑制膽固醇轉(zhuǎn)運、增加泡沫細胞形成沉積，從而引起動脈粥樣硬化的形成[23]。此外，血小板直接暴露于TMAO下可刺激細胞內(nèi)Ca2+依賴性釋放，從而誘導血小板的高反應性、增加血栓形成風險[24]。Stanley L.Hazen教授團隊將TMAO作為潛在靶點，應用TMA裂解酶3，3-二甲基-1-丁醇(3，3-dimethyl-1-butanol,DMB)，在不影響細菌生長的情況下抑制腸道TMA生成，最終減輕動脈粥樣硬化[25]。

(2)三甲基-5-氨基戊酸(N，N，N-trimethyl-5-aminovaleric acid，TMAVA)：除TMAO外，TMAO的前體三甲基賴氨酸(trimethyl-lysine，TML)也可提供近期、遠期心血管疾病風險預測價值[26-27]。不僅如此，腸道共生細菌代謝TML產(chǎn)生的活性代謝成分TMAVA也可通過抑制肉堿攝取、脂肪酸氧化，從而加重心臟脂質(zhì)沉積和功能障礙，可與TMAO、TML共同預測心血管疾病風險[28]。

2.2.2 SCFAs

多項研究發(fā)現(xiàn)，在高血壓、心肌梗死、心衰患者及動物模型的糞便中，細菌發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生的SCFAs含量減少或具備SCFAs產(chǎn)生潛力的細菌豐度減少[29]。SCFAs是機體的一種能量來源。研究表明，心臟衰竭后，心肌細胞對于長鏈脂肪酸、葡萄糖等能量代謝底物的利用受損，轉(zhuǎn)而利用酮體供能[30]。而近期研究表明，與酮體相比，SCFAs可為衰竭心臟提供更好的能量供給[31]。在缺血性心臟病方面，膳食補充SCFAs可改善心肌梗死模型小鼠的生理狀態(tài)和存活率[32-33]，SCFAs中的丁酸還可降低心肌梗死模型小鼠的組蛋白去乙?；富钚?，緩解心臟不良重塑[33]。此外，SCFAs對血壓也有調(diào)節(jié)作用，可通過G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor，GPR，如GPR41、GRP43)、嗅覺受體(如OR51E2)等識別并調(diào)節(jié)機體血壓[34-35]。SCFAs中的丙酸同樣可通過調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)，如減少脾臟Th17細胞數(shù)量，緩解系統(tǒng)炎癥反應，減輕高血壓模型小鼠的心血管疾患，如心臟肥大、纖維化、血管功能障礙和高血壓等[36]。

2.2.3 次級膽汁酸

在腸道中，初級膽汁酸-膽酸、鵝去氧膽酸可被擬桿菌、梭菌等腸道細菌轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸，進而通過腸肝循環(huán)被重吸收入血，完成正常膽汁酸循環(huán)。研究發(fā)現(xiàn)，心衰患者的血液中初級膽汁酸水平普遍較正常人低，次級膽汁酸總量雖無明顯改變，但甘氨熊脫氧膽酸、甘氨石膽酸、?；鞘懰犸@著增多[37]。因此，次級膽汁酸水平可能為人類心血管健康的重要生物標志物。同時，隨著膽汁酸受體的發(fā)現(xiàn)，對膽汁酸生理功能的認識不斷加深，尤其認識到膽汁酸和膽汁酸受體構(gòu)成的信號通路可能是動脈粥樣硬化產(chǎn)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中研究最為深入的是膽汁酸代表性受體之一——法尼醇受體(farnesoid X receptor，F(xiàn)XR)。FXR被認為與動脈粥樣硬化的形成密切相關(guān)。筆者團隊前期研究發(fā)現(xiàn)，腸道FXR缺乏或使用FXR拮抗劑可經(jīng)FXR-鞘磷脂磷酸二酯酶3軸，調(diào)控肝膽固醇分解和腸神經(jīng)酰胺的合成，從而延緩動脈粥樣硬化進程[38]。

2.2.4 氨基酸代謝物

(1)色氨酸代謝物：腸道菌群可直接利用色氨酸，將其代謝為吲哚、吲哚丙酮酸、吲哚乙醛、吲哚乳酸等。近年來，吲哚衍生物與機體心血管健康的關(guān)系受到重視。如色氨酸代謝物吲哚-3-乳酸通過降低CD4+T淋巴細胞向Th17方向極化等調(diào)節(jié)機體免疫反應，從而改善鹽敏感性高血壓模型小鼠的血壓[39]。近日，國內(nèi)一項研究關(guān)注到吲哚-3-丙酸水平在CHD患者腸道內(nèi)顯著下降；進一步動物實驗研究發(fā)現(xiàn)，吲哚-3-丙酸通過上調(diào)三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運體A1的表達，促進巨噬細胞膽固醇反向轉(zhuǎn)運，從而緩解動脈粥樣硬化進展[40]。除上述有益效果外，進入門靜脈循環(huán)的吲哚在肝臟中可被轉(zhuǎn)化為硫酸吲哚酚，進而損害心血管健康，而硫酸吲哚酚是一種尿毒素類有害成分，是腎功能不全患者主要心血管不良事件的預測指標[41]。

(2)苯丙氨酸代謝物：微生物的porA基因可將膳食中的苯丙氨酸轉(zhuǎn)化為苯乙酸，隨后在人體肝臟中被轉(zhuǎn)化為苯乙酰谷氨酰胺(phenylacetylglutamine，PAGln)[42]。Stanley L.Hazen教授團隊再一次通過大樣本人群的非靶向代謝組學數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，菌群與宿主的共代謝物PAGln與心血管疾病和主要心血管不良事件顯著相關(guān)，進一步機制探究發(fā)現(xiàn)其通過多種腎上腺素受體介導血小板活化、促進血栓形成[43]。

(3)支鏈氨基酸(branched-chain amino acids，BCAAs)代謝物：BCAAs包括亮氨酸、纈氨酸、異亮氨酸，共生菌可將其代謝為支鏈短鏈脂肪酸(branched short chain fatty acids，BSCFAs)，包括異丁酸、2-甲基丁酸、異戊酸和異己酸。大規(guī)模流行病學調(diào)查和基礎實驗數(shù)據(jù)顯示，血漿BCAAs升高是心血管疾病的獨立風險因素[44-45]，但BSCFAs如何影響宿主心血管健康目前尚不明確。近期一項實驗研究顯示，糞副擬桿菌(Parabacteroidesmerdae)腸道定植可顯著改善ApoE-/-小鼠動脈粥樣硬化癥狀，同時糞便、血液代謝物檢測發(fā)現(xiàn)，糞副擬桿菌定植增強了BCAAs的分解代謝，BSCFAs也相應增加[46]。研究團隊將該菌基因組的BCAAs分解基因敲除后，糞副擬桿菌對動脈粥樣硬化的改善作用消失，證實了該菌對BCAAs的分解代謝有助于減輕宿主動脈粥樣硬化[46]。

2.3 腸道菌群可通過交叉免疫影響心血管疾病

長久以來宿主與共生菌共同進化、互相適應。然而，這種免疫耐受在某些條件下可能被打破，如共生菌表面或分泌的蛋白導致的交叉免疫即是典型代表?；撔枣溓蚓腗蛋白由于在結(jié)構(gòu)上與人心肌肌球蛋白相似，導致自身抗體在抗化膿性鏈球菌的同時，也對心臟肌球蛋白產(chǎn)生交叉反應，引起風濕性心臟病[47]。這種情況并非個例，腸道常見共生菌多形擬桿菌(Bacteroidesthetaiotaomicron)也存在類似情況。多形擬桿菌分泌的一種肽類物質(zhì)可激活肌球蛋白特異性CD4+T細胞，并介導IgA、IgG產(chǎn)生，這種抗原模擬打破了免疫耐受，腸道局部形成的Th17免疫反應進而遷移至心臟，誘發(fā)炎癥性心肌病。遺傳背景、初始的心血管損傷和共生菌的免疫模仿三者可共同導致心肌病進展[48]。針對此種情況，對于有遺傳易感性的心肌損傷患者予以抗生素或噬菌體靶向抑制細菌治療，可能為阻止患者心臟病惡化的可靠方式。

3 腸道菌群在多種因素的影響下調(diào)節(jié)心血管健康

腸道菌群具有與宿主協(xié)同進化、相互作用的特性。機體自身的遺傳因素、飲食、疾病、藥物、生活習慣和外界因素(如氣候、海拔)可招募具有特定功能的微生物，而菌群快速響應環(huán)境變化，通過對自身的代謝和生理調(diào)節(jié)，改變環(huán)境對宿主的選擇性壓力，幫助宿主適應相應的外界改變[49]。鑒于菌群受復雜因素的影響，進一步抽絲剝繭、觀察不同因素對微生物群和疾病的影響，將有助于更好地理解菌群與疾病的聯(lián)系。

自20世紀70年代發(fā)現(xiàn)柳氮磺胺吡啶可被腸道菌群代謝后，藥物對于人體和菌群的影響引起了廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，藥物對菌群的影響甚至大于疾病[50]。Nature發(fā)表的一項研究顯示，心血管疾病的常用藥物——他汀類藥物，與代表腸道菌群失調(diào)的腸型(擬桿菌屬占比較高、糞桿菌屬占比較低，微生物密度較小)呈明顯負相關(guān)[51]。筆者團隊同樣觀察到他汀類藥物對于腸道菌群穩(wěn)態(tài)的重建作用，服用他汀類藥物的急性冠脈綜合征(acute coronary syndrome，ACS)患者腸道中的潛在致病菌減少、疾病預后較好，可能為他汀類藥物通過調(diào)節(jié)腸道菌群組成和功能進而使ACS患者受益?？梢詷酚^推測，量化心血管代謝疾病中單藥或多藥協(xié)同作用對于機體的影響，將為藥物-宿主-腸道菌群的相互作用提供新思路。此外，筆者團隊發(fā)現(xiàn)，吸煙、飲酒、合并2型糖尿病或非酒精性脂肪肝等疾病對CHD患者的腸道菌群結(jié)構(gòu)、血清代謝物特征和疾病預后亦有明顯影響[52-55]。

當然，腸道微生態(tài)的結(jié)構(gòu)和功能受多元、復雜的干擾因素影響。精細的亞組分析有助于厘清各種因素對菌群及疾病的影響。需明確的是，上述研究是針對特定人群的相關(guān)性研究，如將結(jié)果推而廣之進行驗證，則需大規(guī)模的隊列研究和機制研究進一步解釋。

4 小結(jié)

綜上，越來越多的研究數(shù)據(jù)表明了腸道微生物群與心血管疾病之間的重要聯(lián)系。但目前的研究發(fā)現(xiàn)可能僅是“腸-心對話”的冰山一角，更多解讀仍在路上。在精準醫(yī)學時代，以豐富的多組學大數(shù)據(jù)為依托，進一步揭示腸道菌群與心血管健康之間的復雜因果關(guān)系，實現(xiàn)從基礎向臨床轉(zhuǎn)化，為心血管疾病提供有效的治療策略。

作者貢獻：趙心悅負責查閱文獻、起草并修訂論文；胡曉敏負責設計論文框架、修訂論文；張抒揚提出研究思路、指導并審校論文。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突