腸道菌群與心血管健康：心腸密不可分

腸道菌群與心血管健康：心腸密不可分《中國(guó)心血管健康與疾病報(bào)告2021》顯示，在人口老齡化和代謝危險(xiǎn)因素流行的雙重壓力下，中國(guó)內(nèi)地心血管疾病總患病人數(shù)高達(dá)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(guò)各類疾病死亡總數(shù)的40%[1]。因此，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，從更廣泛的角度探討心血管疾病的發(fā)病機(jī)制、篩選具有代表性的心血管疾病生物標(biāo)志物、尋求新型保護(hù)策略，是維持心血管健康、減輕心血管疾病診療負(fù)擔(dān)至關(guān)重要的出路之一。人體腸道是一個(gè)巨大的微生物棲息地，成人腸道含有成百上千種細(xì)菌，總數(shù)達(dá)1014，幾乎是成人細(xì)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(jī)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(lái)，大量臨床、基礎(chǔ)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(lǐng)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(guò)代謝、免疫途徑對(duì)心血管疾病的影響，以及多種因素對(duì)腸道菌群的調(diào)控等方面進(jìn)行闡述。1腸道菌群與心血管疾病的關(guān)系1.1冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟?。–HD）以冠狀動(dòng)脈粥樣硬化為病理基礎(chǔ)，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(duì)照，菌群整體對(duì)單糖、氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)能力增強(qiáng)，而對(duì)四氫葉酸等維生素的合成能力下降[3]。腸道中的細(xì)菌并不是孤立存在的，一群細(xì)菌協(xié)同參與宿主生理代謝、在適應(yīng)不斷變化的環(huán)境中“共進(jìn)退”，被視為生態(tài)學(xué)中的“guild”。針對(duì)CHD不同亞型，筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)其共豐度改變的腸道菌群和血清代謝物特征進(jìn)行了進(jìn)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(yán)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(guò)調(diào)節(jié)膽汁酸、芳香類化合物的代謝活性，進(jìn)而影響動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展[4]。近期發(fā)表的兩項(xiàng)大規(guī)?！氨晨勘场标?duì)列研究亦表明，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（SCFAs）合成減少等[5-6]。1.2心力衰竭心力衰竭（下文簡(jiǎn)稱“心衰”）患者同樣存在腸道菌群紊亂。經(jīng)高通量測(cè)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(xué)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(guò)度生長(zhǎng)[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(jìn)而激發(fā)全身炎癥反應(yīng)，促進(jìn)心衰進(jìn)展[10]。近年來(lái)，在收縮性心衰患者和主動(dòng)脈結(jié)扎所致壓力超負(fù)荷的心衰動(dòng)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(xì)胞免疫激活相關(guān)[7,11]，但具體作用機(jī)制仍待進(jìn)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(shí)，糞便微生物移植（FMT）相關(guān)研究證實(shí)，高血壓患者的糞便菌群可使無(wú)菌小鼠的血壓升高，證示了菌群對(duì)血壓的直接影響[12]。不僅如此，某些腸道菌屬與高血壓的嚴(yán)重程度或血壓波動(dòng)相關(guān)，普雷沃氏菌屬和梭菌屬的相對(duì)豐度與血壓波動(dòng)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(duì)疾病表型的改變、FMT對(duì)疾病表型的轉(zhuǎn)移、特定菌株和微生物分子對(duì)疾病表型的影響等因果性研究形成了層層遞進(jìn)趨勢(shì)[14]。未來(lái)研究應(yīng)在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上更多關(guān)注微生物菌株作用及其下游功能的剖析，推進(jìn)腸道菌群相關(guān)療法在心血管疾病領(lǐng)域的應(yīng)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(jī)體直接相互作用通常認(rèn)為健康人體血液中無(wú)細(xì)菌存在，在心血管疾病領(lǐng)域，微生物僅在感染性心內(nèi)膜炎、心肌炎或風(fēng)濕性心臟病中發(fā)揮作用。然而，近年來(lái)的一些研究改變了這種看法，研究人員發(fā)現(xiàn)，即便在無(wú)感染跡象的心血管疾病患者中，也可在其血液中檢測(cè)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(xiàng)大規(guī)?？v向隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)，血液中變形菌門的相對(duì)豐度與心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)之間存在獨(dú)立于傳統(tǒng)心血管危險(xiǎn)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(guò)比對(duì)人體微生物組計(jì)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(guò)12%為腸道來(lái)源菌，如乳桿菌、擬桿菌（Bacteroides）、鏈球菌（Streptococcus）等[18]。除血液外，動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中也可檢測(cè)到多種細(xì)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(xì)菌的種類和變化與腸道菌群檢測(cè)結(jié)果一致，提示腸道來(lái)源可能[19]。研究表明，受損的腸道黏膜屏障是微生物進(jìn)入血液的重要途徑，菌群或菌群碎片成分可能通過(guò)損傷的“腸漏”進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。細(xì)菌進(jìn)入體循環(huán)后，可能作為病原體相關(guān)分子模式與機(jī)體的模式識(shí)別受體相互作用，并驅(qū)動(dòng)機(jī)體免疫系統(tǒng)激活。除細(xì)菌外，革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁成分脂多糖（LPS）也可引起機(jī)體低水平內(nèi)毒素血癥。重度心衰患者也會(huì)出現(xiàn)這種情況，即使通過(guò)左心室輔助裝置或心臟移植實(shí)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(dǎo)的內(nèi)毒素血癥可誘導(dǎo)動(dòng)脈壁炎癥，激活白細(xì)胞、血小板、內(nèi)皮細(xì)胞等多種細(xì)胞的Toll樣受體4（TLR4），促進(jìn)血栓和動(dòng)脈粥樣硬化斑塊形成，增加心血管事件的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[21]。總體而言，自腸道進(jìn)入血液循環(huán)中的細(xì)菌或細(xì)菌成分可能引起免疫刺激、內(nèi)毒素血癥、炎癥反應(yīng)和動(dòng)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(jī)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(duì)心血管健康的影響及影響程度，主要取決于機(jī)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（TMAO）：美國(guó)克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心的StanleyL.Hazen教授是腸道微生物與心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)研究領(lǐng)越的先驅(qū)，早在2011年，其即通過(guò)大樣本流行病學(xué)研究和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)在心血管疾病中發(fā)揮致病作用的細(xì)菌代謝物——TMAO[22-23]。西式飲食中的營(yíng)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（TMA），其進(jìn)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(xì)胞清道夫受體CD36、清道夫受體A的表達(dá)，造成細(xì)胞內(nèi)膽固醇堆積，降低細(xì)胞色素P450家族中的CYP7A1表達(dá)，從而抑制膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)、增加泡沫細(xì)胞形成沉積，從而引起動(dòng)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(xì)胞內(nèi)Ca2+依賴性釋放，從而誘導(dǎo)血小板的高反應(yīng)性、增加血栓形成風(fēng)險(xiǎn)[24]。StanleyL.Hazen教授團(tuán)隊(duì)將TMAO作為潛在靶點(diǎn)，應(yīng)用TMA裂解酶3，3-二甲基-1-丁醇(3，3-dimethyl-1-butanol,DMB），在不影響細(xì)菌生長(zhǎng)的情況下抑制腸道TMA生成，最終減輕動(dòng)脈粥樣硬化[25]。（2）三甲基-5-氨基戊酸（N，N，N-trimethyl-5-aminovalericacid，TMAVA）：除TMAO外，TMAO的前體三甲基賴氨酸（TML）也可提供近期、遠(yuǎn)期心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)價(jià)值[26-27]。不僅如此，腸道共生細(xì)菌代謝TML產(chǎn)生的活性代謝成分TMAVA也可通過(guò)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(yù)測(cè)心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)[28]。

2.2.2SCFAs多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在高血壓、心肌梗死、心衰患者及動(dòng)物模型的糞便中，細(xì)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(xì)菌豐度減少[29]。SCFAs是機(jī)體的一種能量來(lái)源。研究表明，心臟衰竭后，心肌細(xì)胞對(duì)于長(zhǎng)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(bǔ)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酰化酶活性，緩解心臟不良重塑[33]。此外，SCFAs對(duì)血壓也有調(diào)節(jié)作用，可通過(guò)G蛋白偶聯(lián)受體（GPR，如GPR41、GRP43）、嗅覺(jué)受體（如OR51E2）等識(shí)別并調(diào)節(jié)機(jī)體血壓[34-35]。SCFAs中的丙酸同樣可通過(guò)調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)，如減少脾臟Th17細(xì)胞數(shù)量，緩解系統(tǒng)炎癥反應(yīng)，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(jí)膽汁酸在腸道中，初級(jí)膽汁酸-膽酸、鵝去氧膽酸可被擬桿菌、梭菌等腸道細(xì)菌轉(zhuǎn)化為次級(jí)膽汁酸，進(jìn)而通過(guò)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(jí)膽汁酸水平普遍較正常人低，次級(jí)膽汁酸總量雖無(wú)明顯改變，但甘氨熊脫氧膽酸、甘氨石膽酸、牛磺石膽酸顯著增多[37]。因此，次級(jí)膽汁酸水平可能為人類心血管健康的重要生物標(biāo)志物。同時(shí)，隨著膽汁酸受體的發(fā)現(xiàn)，對(duì)膽汁酸生理功能的認(rèn)識(shí)不斷加深，尤其認(rèn)識(shí)到膽汁酸和膽汁酸受體構(gòu)成的信號(hào)通路可能是動(dòng)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（FXR）。FXR被認(rèn)為與動(dòng)脈粥樣硬化的形成密切相關(guān)。筆者團(tuán)隊(duì)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(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)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(lái)，吲哚衍生物與機(jī)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(guò)降低CD4+

T淋巴細(xì)胞向Th17方向極化等調(diào)節(jié)機(jī)體免疫反應(yīng)，從而改善鹽敏感性高血壓模型小鼠的血壓[39]。近日，國(guó)內(nèi)一項(xiàng)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(jìn)一步動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，吲哚-3-丙酸通過(guò)上調(diào)三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)體A1的表達(dá)，促進(jìn)巨噬細(xì)胞膽固醇反向轉(zhuǎn)運(yùn)，從而緩解動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展[40]。除上述有益效果外，進(jìn)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(jìn)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(yù)測(cè)指標(biāo)[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（PAGln）[42]。StanleyL.Hazen教授團(tuán)隊(duì)再一次通過(guò)大樣本人群的非靶向代謝組學(xué)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(jìn)一步機(jī)制探究發(fā)現(xiàn)其通過(guò)多種腎上腺素受體介導(dǎo)血小板活化、促進(jìn)血栓形成[43]。

（3）支鏈氨基酸（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（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(xué)調(diào)查和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，血漿BCAAs升高是心血管疾病的獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究顯示，糞副擬桿菌（Parabacteroidesmerdae）腸道定植可顯著改善ApoE-/-小鼠動(dòng)脈粥樣硬化癥狀，同時(shí)糞便、血液代謝物檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，糞副擬桿菌定植增強(qiáng)了BCAAs的分解代謝，BSCFAs也相應(yīng)增加[46]。研究團(tuán)隊(duì)將該菌基因組的BCAAs分解基因敲除后，糞副擬桿菌對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的改善作用消失，證實(shí)了該菌對(duì)BCAAs的分解代謝有助于減輕宿主動(dòng)脈粥樣硬化[46]。2.3腸道菌群可通過(guò)交叉免疫影響心血管疾病長(zhǎng)久以來(lái)宿主與共生菌共同進(jìn)化、互相適應(yīng)。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(dǎo)致的交叉免疫即是典型代表。化膿性鏈球菌的M蛋白由于在結(jié)構(gòu)上與人心肌肌球蛋白相似，導(dǎo)致自身抗體在抗化膿性鏈球菌的同時(shí)，也對(duì)心臟肌球蛋白產(chǎn)生交叉反應(yīng)，引起風(fēng)濕性心臟病[47]。這種情況并非個(gè)例，腸道常見(jiàn)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(xì)胞，并介導(dǎo)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(yīng)進(jìn)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(dǎo)致心肌病進(jìn)展[48]。針對(duì)此種情況，對(duì)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(xì)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(jìn)化、相互作用的特性。機(jī)體自身的遺傳因素、飲食、疾病、藥物、生活習(xí)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(yīng)環(huán)境變化，通過(guò)對(duì)自身的代謝和生理調(diào)節(jié)，改變環(huán)境對(duì)宿主的選擇性壓力，幫助宿主適應(yīng)相應(yīng)的外界改變[49]。鑒于菌群受復(fù)雜因素的影響，進(jìn)一步抽絲剝繭、觀察不同因素對(duì)微生物群和疾病的影響，將有助于更好地理解菌群與