|
本文由梁婷编译，董小橙、江舜尧编辑。 原创微文，欢迎转发转载。 饮食早已被认为能够导致心血管疾病（CVD）的发生，在过去十年的研究中揭示了营养摄入、肠道微生物代谢和宿主之间不可预料的相互作用，其改善了心血管疾病发生的风险。微生物相关分子模式可被宿主模式识别受体感应到，并已被表明其是驱动CVD的发病机制。此外，宿主微生物产生各种代谢产物，如氧化三甲胺（TMAO）、短链脂肪酸（SCFAs）和次级胆汁酸（BA），它们都可影响CVD的发病机制。最新研究表明宿主和微生物之间的相互作用可能对预防或治疗CVD有帮助。在这篇综述中，我们总结了目前有关于驱动CVD的肠道微生物机制方面的知识，特别强调介入治疗，并且我们突出强调了建立微生物代谢通路和CVD发病机制之间联系的必要性。  原名：Microbial modulation of cardiovascular disease 译名：微生物对心血管疾病的调节作用 期刊：Nature Reviews Microbiology IF：31.851 发表时间：2018年 通信作者： J. Mark Brown and Stanley L. Hazen 通信作者单位：Department of Cellular and Molecular Medicine, Cleveland Clinic Lerner Research Institute 在发达国家中，虽然有高效的降脂药物，但心血管疾病（CVD）仍然是死亡人数最多的原因之一，并且对于CVD的新的治疗靶点的识别仍然有待明确。研究报道称遗传因素在疾病的发病机制中有着很强的作用，但大规模的研究表明遗传因素导致CVD发生的比例仅仅占一小部分（<20%）。因此，环境因素在CVD发病机制中起着重要作用，长期以来，我们知道饮食是我们主要的环境要素，是导致心血管疾病发生的主要因素。肠道内定植的微生物群落是我们饮食摄入中的一个关键的“代谢过滤器”，因为它们可以将常见的营养物质转化为代谢物，其中一些代谢物与CVD的发生有一定的联系。事实上，流行病学和动物模型研究都为微生物和宿主之间的相互作用在动脉粥样硬化性心血管疾病中的作用提供了有力的支持。研究表明，慢性感染致病菌和肠道菌群失调都与CVD的发生有一定的联系。细菌分子模式可直接参与宿主肠道内和血管内的模式识别受体（PRRS），导致宿主的慢性炎症的发生。除了直接刺激宿主免疫力外，宿主微生物还可以产生各种各样的小分子代谢物，它们被宿主受体系统所感知，从而可以通过微生物-宿主直接的相互作用的方式影响CVD发病机制。事实上，最近有研究表明，动脉粥样硬化和血栓形成的易感性可通过小鼠中肠道微生物的移植而被治疗。在过去十年的研究里，我们发现了几种重要的微生物代谢产物，如氧化三甲胺（TMAO）、短链脂肪酸（SCFAS）和次级胆汁酸（BA），它们对CVD的发生有着独特的影响。在CVD的治疗中，虽然大量的抗生素干预试验均没有显示出明确的益处，但药物发现正在进入一个新的和令人兴奋的阶段，其中靶向肠道微生物代谢产物代表着一种新的治疗策略。 在这篇综述中，我们讨论了微生物群落以及可直接参与到CVD发病机制中的微生物群落相关的代谢产物。随着微生物分析方法和其他“组学分析”平台的技术的进步，我们通过研究并发现微生物和衍生的代谢产物以及其相关的CVD表型，旨在了解微生物影响人类疾病的相关机制。我们报道了影响CVD发病机制的因素，讨论了肠道微生物是如何靶向治疗CVD的，回顾了微生物驱动的通路，其可作为预防和/或治疗心血管疾病的新疗法。 1 微生物相关分子模式 现在我们都知道，不同的微生物群落可定植在肠道内，在皮肤表面，几乎定植在所有暴露于外环境的人体表面。虽然仍然有争议，但也有越来越多的文献表明，增加口腔和肠上皮屏障的渗透性能使一小部分细菌进入全身循环系统，在此它们最终可以进入宿主组织以导致疾病的发生。无论是定植或者暴露在表面上，或者当它们进入全身循环时，细菌都可以直接参与先天免疫系统，可调节宿主的代谢和与CVD相关的炎症通路。微生物与宿主的这种关系是由微生物相关分子模式（MAMPS）和宿主模式识别受体（PRRs）的直接相互作用所驱动的（图1）。现在就有许多例子将MAMP-PRR驱动的信号通路关联到心脏病上，其事实上是慢性感染。此外，研究表明某些细菌病原体与CVD风险增加有关。 最近几项研究分析了来自人体口腔、肠道和动脉粥样硬化斑块中的微生物群落，从已患有动脉粥样硬化的个体中发现CVD和细菌病原体之间存在一定的相关性，其中包括肺炎衣原体、牙龈卟啉单胞菌、幽门螺杆菌和放线杆菌。重要的是，这些细菌已经在肠道中被发现，正如预期的那样，而且也存在于动脉粥样硬化斑块内，这表明PRRS在高度不同的微环境中参与的可能性。在对动脉粥样硬化的宏基因组关联分析中，最近报道了科林斯拉菌富集在动脉粥样硬化患者中，而在健康对照组中，真细菌和蔷薇属更为丰富。这些关联是否与疾病的发病机制有因果关系，或是由疾病或疾病相关的合并症所驱动，仍有待确定。 最初在赫尔辛基心脏研究中，反复报道称常见的微生物病原体肺炎克雷伯与CVD相关。此外，肺炎克雷伯菌已被证明在体外可诱导细胞发生自主促炎作用，这些细胞可包括分离的巨噬细胞，内皮细胞和平滑肌细胞，这与动脉粥样硬化型的CVD一致。然而，在小鼠模型中，肺炎克雷伯菌的原发感染不稳定地改变了动脉粥样硬化表型，而在临床研究中，肺炎克雷伯菌中的抗生素治疗是无效的，因此，在疾病发病机制中，细菌的致病作用仍然存在争议。通过牙龈卟啉单胞菌病原体的研究，越来越多的研究表明细菌与CVD之间的相关性，这是因为牙周疾病与CVD风险之间确实存在一定的关联。在动物模型中，无论是口服还是全身感染牙龈卟啉单胞菌，都可加速动脉粥样硬化，部分是通过促进巨噬细胞泡沫细胞的形成和诱导血小板聚集。此外，幽门螺杆菌感染与CVD风险之间可能存在联系。然而，在动脉粥样硬化小鼠模型中的初次感染研究却产生了矛盾的结果。总的来说，大量研究表明致病菌与动脉粥样硬化性心血管疾病有着一定的相关性。然而，CVD是否可以被视为一种传染病仍然是一个激烈争论的问题，因为正如上面提到的，大量的、随机的、前瞻性的人类抗生素和抗病毒试验没有显示出任何治疗或预防心血管疾病的益处。 即使伴随着令人失望的大规模的抗生素试验的消息，也有越来越多的研究表明宿主模式识别受体（PRRS）是CVD发病的重要调节因子。例如，在宿主肽聚糖受体NOD1（核苷酸结合寡聚化结构域蛋白1）中的单核苷酸多态性（SNPs）与早发性冠状动脉疾病相关，NOD1-/-小鼠在载脂蛋白E缺失（APOE-/-）情况下能够免受动脉粥样硬化，这是一种常见的小鼠动脉粥样硬化模型，它是以循环残余脂蛋白的形式引起胆固醇水平的升高的。Toll样受体2（TLR2）和TLR6的异源二聚体是检测细菌双酰化和三酰化肽的核心。最近描述的在TLR6基因中的SNP与左心室壁增厚和炎症标志物有关，特别是当用合成的TLR2兴奋剂饲喂时，TLR2-/-小鼠能够显著降低动脉粥样硬化。此外，缺乏双链DNA受体TLR3的小鼠骨髓移植到Ldlr-/-小鼠中，这是通过升高低密度脂蛋白胆固醇水平引起的动脉粥样硬化的一种常用模型。在所有与CVD相关的MAMP-PRR通路中，脂多糖受体TLR4已被彻底研究。许多TLR4单核苷酸多态性已被报道，其中一些与CVD风险没有关联，一些关联增加，一些关联降低。然而，据报道，在Ldlr-/-或Apoe-/-小鼠中，TLR4的遗传缺陷可以减轻动脉粥样硬化。重要的是，许多非细菌内源性TLR4兴奋剂如氧化低密度脂蛋白、饱和脂肪酸和高迁移率组蛋白B1（HMGB1）已被证明能促进动脉粥样硬化发生。此外，TLR7中的SNP是单链RNA的受体，与缺血卒中有关；然而，有趣的是，Apoe-/-情况下的TLR7缺乏会加重动脉粥样硬化。同样地，在Apoe-/-情况下缺乏未甲基化CpG DNA受体TLR9的小鼠也加剧了动脉粥样硬化。总的来说，毫无疑问，一些宿主MAMP-PRR通路的激活会影响动脉粥样硬化的发生。然而，由于这些受体在先天免疫中的核心作用，激活或抑制PRRs是否是可行的选择仍然值得怀疑。 图1 模式识别受体直接参与微生物相关的分子模式驱动心血管疾病 2 心血管疾病中的微生物代谢产物 肠道微生物除了在共生的和致病菌上产生表面抗原（MAMPs）外，还能酶促地产生各种代谢产物，在肠道内发挥局部作用，并在健康和疾病状态下系统地影响宿主生理。事实上，我们的肠道菌群代表了我们饮食的一个重要过滤器。微生物本身或微生物分泌的产物，可以导致疾病或改善健康，这个想法在过去的十年中得到了极大的支持。近年来，在非靶向代谢组学的研究已被用于发现数种人类疾病相关的肠道微生物代谢产物，因为有良好特征的临床菌群，再加上动物模型机理研究。事实上，我们现在知道有大量的循环代谢产物是完全或部分地来自于饮食营养素的细菌代谢或饮食来源的异种生物。快速扩张的依赖微生物的代谢组包括甲基胺、多胺、多糖、SCFAs、次级胆汁酸、B族维生素、尿毒症毒素，对甲酚硫酸盐和吲哚基硫酸盐、4-乙基苯基硫酸盐和二氢二聚体，以及大量的异种衍生代谢产物。目前，有数种微生物代谢物已被识别，它们的水平与CVD相关的表型相关联，但由于关联不等于因果关系，这些代谢产物在CVD中参与的潜在机制仍不清楚。机制研究进展中一个主要的限制是许多循环的待选分析物还没有被定义。此外，即使对于那些结构上已被解析并可用于研究的，我们也几乎没有关于微生物代谢产物是如何被感知的信息，无论是通过专用的宿主受体系统，还是它们是否具有影响CVD发病的非受体介导机制（例如，作为变构修饰因子）。 目前，在人类或小鼠模型中，有三种主要的肠道微生物代谢产物与CVD发生的风险相关：包括氧化三甲胺（TMAO）、短链脂肪酸（SCFAs）和次级胆汁酸（BA)，我们目前关注的是这些肠道微生物代谢产物是如何向宿主发出信号并影响CVD发病机制。 2.1 肠道微生物代谢产物——氧化三甲胺 自从发现并首次报道了CVD的发病机制后，肠道微生物代谢产物氧化三甲胺TMAO迅速受到关注，作为人类CVD发生风险的生物标志物和动脉粥样硬化血栓形成疾病的启动子。事实上，大量的人类和小鼠研究表明，氧化三甲胺TMAO代谢通路是第一个以肠道微生物为核心的CVD药物治疗靶点之一。氧化三甲胺TMAO主要是通过摄入高脂食品中营养物质而产生的，包括磷脂酰胆碱、胆碱、左卡尼汀和其他富含三甲胺（TMA）的营养物质。这些物质可以通过几个不同的肠道微生物代谢酶复合物来生成最初的肠道微生物代谢产物三甲胺（TMA）。这些肠道微生物代谢酶复合物包括胆碱利用TMA裂解酶系统（CutC/D）和肉碱Rieske型加氧酶/还原酶系统（CntA/B and YeaW/X）。三甲胺（TMA）通过CutC/D和CntA/B and YeaW/X系统合成，它可以利用多个基质源。TMA进入门静脉循环，然后在肝脏中被宿主酶（被称为含黄酮的单氧酶（黄素单氧化酶（FMO3））进一步代谢，产生氧化三甲胺（TMAO）（图2）。最近的一些综述强调了氧化三甲胺TMAO通路在CVD中的临床意义和治疗潜力；因此，这里就不详细阐述。简单地说，大量的人和动物模型数据得出以下结论：肠道微生物代谢产物TMAO具有较强的临床预后价值，而膳食提供氧化三甲胺TMAO可以促进小鼠模型中的动脉粥样硬化和血栓性血管疾病。除了在动脉粥样硬化和血栓形成中的作用外，氧化三甲胺TMAO通路还与人类其他的心血管代谢疾病密切相关，包括心肌肥厚、心脏纤维化、慢性肾病、2-型糖尿病和肥胖症。 肠道微生物驱动代谢产物氧化三甲胺TMAO是一种有潜力的肠道微生物核心药物靶点。事实上，随着最近对微生物酶催化三甲胺TMA生产的重大发现，我们现在准备在肠道微生物酶学水平上对这一通路进行治疗性干预。然而，在这一点上，氧化三甲胺TMAO促进动脉粥样硬化、血栓形成、心力衰竭、肾功能障碍、胰岛素抵抗和肥胖的分子机制仍在研究中。这在很大程度上是由于缺乏对氧化三甲胺TMAO（即TMAO受体）分子传感器的理解。有研究表明氧化三甲胺TMAO能作为生物系统中重要的渗透因子发挥作用，最近的研究表明，氧化三甲胺TMAO能在几分钟内迅速地向细胞发出信号。在分离的血小板中，短暂地暴露于氧化三甲胺TMAO的生理水平可以促进血栓引起的钙释放。同样，氧化三甲胺TMAO治疗内皮细胞或平滑肌细胞，或直接注入体内，可迅速诱导增殖作用的激活蛋白激酶和核转录因子激活B细胞（NF-κB）或上调下游的主动脉内皮细胞粘附蛋白。这些氧化三甲胺TMAO诱导的信号反应的动力学研究表明，宿主细胞拥有一个专用的受体或传感器系统，可以将氧化三甲胺TMAO信号转化为适当的细胞反应（图2）。同样，氧化三甲胺TMAO水平升高与SMAD3蛋白磷酸化水平升高有关，这是一个转变的关键效应增长（TGFβ）信号。宿主氧化三甲胺TMAO受体的鉴定是非常可能的，因为结构上相似的三甲胺TMA已被证明是具有高亲和力的细胞表面G-蛋白偶联受体的兴奋剂，被称为微量胺相关受体5（TAAR5）。事实上，现在有许多来自肠道微生物的代谢产物专用宿主受体系统的例子。鉴于氧化三甲胺TMAO在人类疾病中的明确联系，鉴定一种专门的氧化三甲胺TMAO受体具有广泛的意义。推测氧化三甲胺TMAO受体拮抗剂可能是预防甚至是治疗CVD的有效策略。 图2 氧化三甲胺代谢途径是心血管疾病发生的一个驱动因素 随着氧化三甲胺TMAO通路药物发现工作的推进，我们有必要了解对负责TMA-TMAO通路调控的微生物菌群。例如，关于哪些物种或更广泛的群落是小鼠和人类生态系统中三甲胺TMA的主要生产者，我们知之甚少。在小鼠研究中，膳食营养来源氧化三甲胺TMAO被特别改变（例如，膳食提供胆碱、左卡尼汀或γ-丁酰甜菜碱），一个精细化的分类群已经与氧化三甲胺TMAO水平相关联，包括目水平上的RF39（r=0.49；FDR=0.04）；在科水平上的丹毒丝菌科（r=0.40；FDR=0.01），毛螺旋菌科（r=0.779；FDR=0.084）；在属水平上普氏菌属（r=0.44；FDR=0.001），厌氧支原体属（r=0.677；FDR=0.016），紫单胞菌属（r=0.581；FDR=0.052），和阿克曼属（r=0.634，FDR=0.009）。通过比较人类素食者和杂食者的研究表明，粪便微生物的几个类群与TMAO水平密切相关，包括普氏菌属、梭状芽孢杆菌属、消化链球菌科、梭状芽孢杆菌、梭杆菌、毛螺菌属和孢杆菌。这种细菌分类群与氧化三甲胺TMAO水平之间的联系只有在假设生成时才有用，但它们并没有在菌群和氧化三甲胺TMAO产生之间建立直接的联系。一种更有效的鉴别真正产生三甲胺TMA的细菌种类的方法是筛选参考基因组，以确定产生三甲胺TMA的遗传潜力（例如，编码CutC/D和CntA/B and YeaW/X的TMA裂解酶操作子的存在），然后进行功能研究。最近描述了一个很好的参考基因组挖掘的例子，支持遗传学在预测相关的代谢产物细菌类群的能力。然而，就代谢物的产生而言，最终证明可量化的生化潜能是关键。最近的一项研究将微生物培养与生物化学结合起来，对79种可培养的人类共生细菌进行了筛选，以寻找从体外胆碱中产生三甲胺TMA的可能性。这项重要的研究从胆碱中鉴定了八种不同的具有生化能力产生三甲胺TMA的细菌菌株，包括氢化球菌、芦笋梭菌、哈氏梭菌、梭状芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、灰霉病菌、大肠杆菌和雷氏杆菌。更重要的是，在缺乏三甲胺TMA裂解酶活性的核心群落（产气柯林斯菌、粪便拟杆菌、卵形拟杆菌、多形拟杆菌和直肠真杆菌）中，三甲胺TMA生产者（孢子芽孢杆菌）的低水平定植导致在小鼠体内产生三甲胺TMA和氧化三甲胺TMAO，并降低宿主体内的胆碱水平。另一项最近的研究发现，胆碱利用簇（Cut）广泛分布于人体粪便中许多肠道微生物门水平。除了人体的粪便宏基因组中，在口腔黏膜和舌上斑块中也可以发现类似簇的CutC，因此，我们很容易推测口腔三甲胺TMA的产生可能与牙周病和心血管疾病的风险有关。最后，最近的一项研究用多层筛选方法鉴定了具有胆碱三甲胺TMA裂解酶（CutC）和肉碱氧合酶（CntA）的人体肠道微生物分类群。因此，我们对周围哪些人类共体有能力从主要营养物质中产生三甲胺TMA的理解迅速增长。 除了产生三甲胺TMA的细菌外，也有越来越多的研究表明，某些微生物物种可以代谢氧化三甲胺TMAO和三甲胺TMA来维持结肠和海洋细菌生态系统的营养链，但是相关的微生物和操作子仍在研究中。促进氧化三甲胺TMAO分解代谢的途径之一是细菌torCAD操作子，它编码TMAO还原酶（TorA）、细胞色素C（TorC）和TorA特异性分子伴侣（TorD）。此外，海洋生态系统中的细菌也可以通过氧化三甲胺TMAO去甲基化酶（Tdm）降解TMAO。某些来自玫瑰杆菌科的海洋细菌可以同时使用三甲胺TMA和氧化三甲胺TMAO作为能量来源，通过ATP结合盒转运体TmoXWV输入这些代谢物，以实现随后的分解代谢。在人类结肠生态系统中存在的某些产甲烷细菌，如甲异位环菌发光，可以减少三甲胺TMA作为产甲烷的底物。这些细菌TMA-TMAO分解代谢途径可能是治疗干预的另一种潜在途径，可能是理想的益生菌策略。分解代谢三甲胺TMA的人类肠道共聚物的鉴定对潜在的益生菌具有特殊的意义。 尽管绝大多数的研究都支持氧化三甲胺TMAO代谢通路和CVD发生之间的机制联系，但需要注意的是，并不是所有的研究都表明，从饮食中摄取氧化三甲胺TMAO源营养素（胆碱或肉碱）与CVD风险之间存在明确的联系。最近的一项研究表明，膳食补充L-肉毒碱，适当的提高了氧化三甲胺TMAO水平，与动脉粥样硬化病变区15%的降低有关，而不改变Apoe-/-小鼠转基因表达人胆固醇酯转移蛋白的主动脉胆固醇含量。此外，在日本进行的一项大规模（n=29079）人口研究表明，通过半定量食品问卷调查，膳食胆碱和甜菜碱摄入量与心血管疾病死亡率无关。同样，在基于美国的大型社区动脉粥样硬化风险研究（ARIC）中，发现膳食胆碱摄入量与CVD没有显著相关性。荷兰的一项大型研究（n=16165）一致认为，从饮食中摄取胆碱或甜菜碱与心血管疾病的风险无关。不幸的是，这些大型的人口研究中没有一项研究检验了膳食胆碱、甜菜碱或肉碱摄入量与氧化三甲胺TMAO水平之间的关系。因此，还需要更多的研究来确定在这些大规模的人口研究中，氧化三甲胺TMAO本身是否与CVD风险相关。最近对CVD终点研究的大型（n=19256）荟萃分析表明，与氧化三甲胺TMAO的来源营养素（胆碱、甜菜碱和L-肉毒碱）相比，氧化三甲胺TMAO水平更能预测主要的不良心血管情况。虽然氧化三甲胺TMAO水平和主要的不良心血管情况之间的联系是高度可重复的，但一些研究表明，这种联系部分是由于肾功能受损所致。此外，最近的一项研究表明，氧化三甲胺TMAO水平可能与所有类型的心血管疾病不是密切相关，尤其是在大动脉缺血性中风和短暂性缺血发作的情况下。总的来说，尽管大多数研究表明氧化三甲胺TMAO水平与动脉粥样硬化性冠心病之间存在很强的关联，但最近的研究表明，需要做更多的工作来了解哪些患者人群会从降低氧化三甲胺TMAO的治疗策略中获益。 |
|
|
