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本文由佟天奇编译，董小橙、江舜尧编辑。 原创微文，欢迎转发转载。 高血压是心脏病和中风的主要危险因素，且发病机制较为复杂。其中生活方式如饮食等是导致这种疾病的重要原因。如今越来越多的证据表明肠道微生物菌群在血压调节过程中起作用，因此对于肠道微生物的研究尤为重要。只有对肠道微生物作用机制研究透彻，才有望开发肠道微生物对改善健康及预防疾病的潜力。  原名：Beyond gut feelings: how the gut microbiota regulates blood pressure 译名：超越直觉：肠道微生物群如何调节血压 期刊：NATURE REVIEWS IF：15.162 发表时间：2017年 通信作者： David M. Kaye 通信作者单位：Heart Failure Research Group, Baker Heart and Diabetes Institute, 75 Commercial Road, Melbourne, Victoria 3004, Australia. 高血压（BP）是一种受多因素条件影响的疾病，包括遗传和环境因素的影响。高水平摄入水果、蔬菜和纤维与降低血压水平有关。此外，通过肠道微生物群发酵纤维释放的短链脂肪酸，如醋酸盐和丙酸盐，亦与降低血压水平有关。目前越来越多的文献支持肠道微生物群在高血压水平的发展和维持中的作用。研究表明，肠道微生物群的操作可能是一种治疗高血压的新型治疗方法。本文还讨论了不断增长的代谢物感应G蛋白偶联受体（GPCR）家族的报告。此外，某些肠道微生物群代谢物也是宿主DNA的表观遗传修饰物，在确定肠道微生物群对血压调节作用的基础上增加了另一层复杂性。 1 肠道微生物群 1.1 饮食会改变肠道微生物群的数量 肠道微生物群的组成取决于多种因素，其中最重要的是饮食。研究已经证明短期和长期饮食习惯会影响人体肠道微生物群。基于动物和植物的饮食都可快速改变肠道中微生物群落。肠道微生物群的一个重要作用是通过消化膳食纤维为宿主收获营养和能量，一种称为抗性淀粉的纤维是益生元，这些纤维可传递到结肠，在那里它们被共生细菌代谢作为能量来源（图1）。因此，这些肠道细菌与宿主共生来提供能量、代谢物和维生素。 图1 饮食对肠道微生物群和血压的影响 摄入富含纤维的食物会增加产生短链脂肪酸（SCFAs）的肠道微生物群数量。乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐占肠道微生物群产生的SCFAs的80％。这些SCFAs由结肠中的细菌产生。例如，丁酸盐的浓度在结肠内容物中约为20mM，但在外周血中约为3μM。丁酸盐主要被结肠细胞利用，而剩余的SCFAs和较少的丁酸盐通过静脉输送至肝脏（图1）。丙酸盐被肝细胞代谢，而乙酸盐、较少的丙酸盐和丁酸盐被释放到体循环中。肠道中极高浓度的SCFAs影响局部肠粘膜，包括肠上皮完整性。 1.2 调节免疫途径 越来越多的证据支持免疫系统的作用和高血压患者的炎症反应有关。临床前模型表明，诸如T辅助细胞TH1、TH2、TH17和调节性T细胞的淋巴细胞亚群参与BP和终末器官损伤的调节。肠道微生物群似乎是免疫和炎症反应的重要调节剂。例如，无菌小鼠的TH7和Treg细胞比常规饲养的小鼠更少。有趣的是，由微生物菌群诱导的结肠中几乎一半的基因被定位到免疫系统。肠道微生物群与免疫系统之间的一个重要联系为SCFAs。SCFAs结合GPCR，如G蛋白偶联受体109A和GPR43在免疫细胞中高度表达，并且通过这些受体的信号传导影响这些细胞的生物学功能。 2 肠道微生物群和高血压 许多流行病学研究表明，大量摄入水果和蔬菜与降低心血管死亡率和降低血压有关。在一项前瞻性研究中，388122名参与者随访了大约9年，纤维摄入量（尤其是谷物摄入量）与心血管疾病和全因死亡风险降低相关。一项分析报告称纤维摄入量的增加与心血管疾病和冠心病风险降低有关。另外两项分析发现，增加膳食纤维总摄入量可显著降低高血压患者的收缩压和舒张压。鉴于这些纤维调节不同的病理生理机制，不同类型的膳食纤维可能对CVD产生不同的有益结果。到目前为止，还没有研究专门评估抗性淀粉的作用，这种淀粉是定植在人体结肠中的共生细菌底物的首选类型，用于预防CVD。 3 高血压的实验模型 在20世纪60年代和70年代进行了一些关于微生物群对心血管系统影响的开创性研究。这些研究发现，与对照大鼠相比，无菌大鼠的心输出量降低30％，对儿茶酚胺如去甲肾上腺素和血管加压素的微血管反应显著降低。1990年研究发现，无菌大鼠盲肠中生物活性和血管活性物质的含量是对照大鼠的5倍，这可能是心血管参数变化的原因，如心输出量减少、血容量减少和心脏重量减少。 3.1 Dahl盐敏感大鼠和SHR 研究高血压遗传的模型包括Dahl盐敏感大鼠和自发性高血压大鼠（SHR）。木霉与细菌类群的比例经常被用作肠道生态失调的标志物。据报道SHR中木霉与细菌类群的比例是Wistar Kyoto（WKY）大鼠的5倍。与WKY大鼠相比，来自放线菌门的细菌也在SHR中富集。此外，SHR的细菌负荷、丰富度、均匀度及多样性都较低。SHR中肠道微生物群的变化与产生乙酸盐和产丁酸盐的细菌数量减少以及产生乳酸的细菌数量增加一致。研究表明，给患有阻塞性睡眠呼吸暂停的正常血压大鼠喂食高脂肪食物后，正常大鼠出现高血压。高脂肪饮食还与细菌丰富度的降低和产生SCFA丁酸盐的细菌类型的有关。值得注意的是，4周的运动训练调节了SHR和WKY大鼠肠道细菌的组成和多样性，但在肥胖大鼠中没有。然而，与其他研究相反，SHR和WKY大鼠做基础运动后肠道微生物菌群没有差异。这种差异可能由于分析的样本量较小（每组n = 3）或使用不同来源的SHR子。 3.2 Ang II和DOCA盐小鼠 在另外两种高血压模型中，肠道微生物丰富度的降低亦很明显：血管紧张素II（Ang II）诱导的高血压小鼠和醋酸脱氧皮质酮（DOCA）盐小鼠。我们的研究小组已经证明，DOCA盐小鼠的拟杆菌属细菌水平低于假盐小鼠，但变形菌和蓝细菌的普遍率较高，尤其是来自YS2属的细菌。饲喂高纤维饮食的DOCA盐小鼠与喂食正常饮食的DOCA盐小鼠相比，厚壁菌与拟杆菌的比例显著降低，同时放线菌门和酸性拟杆菌增加。这些变化伴随着收缩压、舒张压、心脏重量指数及心脏纤维化等的减少。虽然我们没有用酸性拟杆菌治疗DOCA盐小鼠，但其他研究小组发现，用拟杆菌酸化剂治疗可改善胰岛素敏感性并预防小鼠肥胖。总之，这些研究表明肠道微生物与血压之间的复杂的相互作用。 3.3 肠道菌群失调 SHR和Ang II高血压小鼠都具有渗漏的肠屏障，渗透性、纤维化和炎症标志物增加，紧密连接蛋白改变，血流量减少。在SHR模型中，当用血管紧张素转换酶（ACE）抑制剂降低BP时，这种渗漏的肠屏障得以恢复。值得注意的是，与对照组相比，在高血压前期SHRs未出现肠道微生物群或木霉与细菌类群比率的变化，这支持了肠道菌群失调的发展与BP增加相一致的假设。与对照组相比，SHRs在小肠中内脏交感神经活性和酪氨酸羟化酶水平均得到提高。此外，在应用GFP标记的伪狂犬病病毒4天后，在SHR和Ang II处理的WKY大鼠中检测到下丘脑室旁核中GFP标记的神经元。表明肠道与下丘脑室旁核之间的交感神经元通讯增强。考虑到交感神经系统在高血压中的重要作用以及在其他几种疾病的背景下报道的肠道微生物菌群-脑轴，肠-交感神经系统轴可能参与BP的调节。然而，两个系统之间的因果关系仍不清楚。综合起来，这些研究均支持肠道微生物菌群和菌群失调对于高血压影响的至关重要性（图2），并且肠道菌群失调不仅仅是血压升高的结果，而且是血压升高的直接原因。然而，高血压是否会进一步加剧肠道失调仍有待探索。 图2 肠自主神经系统的机制调节血压的心肾轴 3.4 盐和肠道微生物群之间的联系 近端结肠是吸收钠的重要部位，可能在血压调节中起重要作用。事实上，已证明肠道钠氢交换器3可降低血压水平，并增加疾病模型中的钠排泄。除了其他激素如糖皮质激素外，肠源性激素如胰高血糖素样肽1和胃泌素也是如此。醛固酮参与肠道钠稳态并有助于调节血压。 4 高血压与肠道微生物群 在过去的两年中，肠道微生物群的失调对人类高血压发展的影响受到越来越多的关注。研究人员对7名高血压患者和10名对照者进行研究，16S基因分析显示高血压患者的肠道微生物群的多样性比健康人的低。然而，在这种情况下，对于健康人来说降血压药物和曾经患过高血压病的都可能是混淆因素。为了解决与小样本量和降血压药物使用相关的一些问题，研究人员对高血压前期患者、新诊断或未治疗原发性高血压患者及健康对照者的肠道微生物菌群组成进行研究。结果表明，高血压前期患者和高血压患者的肠道微生物群比健康对照的基因丰富度和α多样性低。因此确定了两种主要的肠型：高血压前期患者和高血压患者的肠道微生物菌群中普氏菌属细菌的肠道菌群百分比较高，而健康对照的肠道微生物群主要由富含来自拟杆菌属细菌的肠型组成。这一观察结果与我们在高血压DOCA盐小鼠模型中的发现一致。 5 SCFA：缺少的环节？ 早期研究表明，三种最常见的SCFAs-醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐-介导大鼠尾动脉和人结肠阻力动脉的浓度依赖性扩张。这些观察结果与最近的研究结果一致，即醋酸盐和丙酸盐可降低小鼠模型中的血压，并且两种独立的高血压小鼠即SHR和Ang II小鼠模型产生的SCFA细菌比血压正常的少（表1）。在我们的研究中，我们评估了假性和DOCA盐小鼠饮用水中慢性摄入醋酸盐的效果。与假小鼠相比，接受乙酸盐治疗的DOCA治疗小鼠收缩压、舒张压、心肾重量及纤维化程度均降低，心功能改善。令人惊讶的是，醋酸盐对心血管的有利作用甚至比富含抗性淀粉的饮食更为明显。然而，这种差异可能与药理学剂量有关，因为饮用水中的乙酸盐在小肠中被迅速吸收，可能允许更大程度的暴露于外周组织。在肾脏缺血再灌注损伤的模型中，腹膜内施用SCFAs乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐显著降低了炎症和组织损伤，并改善肾功能。SCFAs给药治疗人类高血压的疗效尚未探究。 表1 短链脂肪酸的受体及其对血压的影响 5.1 血压调节机制 迄今为止，已经鉴定出12种代谢物敏感的GPCR，但是其他GPCR可能随着GPCR家族中更多成员的去黑化而出现。所有代谢物敏感的GPCR可能对肠内稳态、代谢或免疫反应的调节很重要。我们通过一种或多种这些受体的信号传导不足可导致肠道完整性（肠道渗漏）受损、炎症失调以及脂多糖等物质进入血液和组织。饮食中过量的脂肪或糖可能有助于代谢物敏感性差的GPCR参与。已经显示至少三种代谢物感应GPCR结合SCFAs、GPR41（也称为游离脂肪酸受体3）、GPR43和GPR109A，并且这些GPCR控制肠内稳态、宿主代谢和免疫应答。 GPCR的嗅觉受体51E2（在小鼠中也称为Olfr78，或在人中称为OR51E2）也已鉴定是乙酸盐和丙酸盐的受体之一。Olfr定位于动脉平滑肌细胞、心脏和肠道中的自主神经以及肾脏肾小球旁复合体中。鉴于分泌的肾素也位于这些区域，因此Olfr可能参与肾素调节。实际上，当用丙酸盐处理时，与野生型小鼠相比，来自Olfr78-/-小鼠的离体肾脏肾小球旁细胞肾素释放较少，且血浆肾素水平及平均动脉压均略低于野生型小鼠。与野生型小鼠相比，用抗生素治疗使Olfr78-/-小鼠的血压适度增加，表明肠道微生物菌群依赖性效应。然而，Olfr78-/-小鼠在急性给予丙酸盐后仍显示血压下降，表明丙酸盐也通过其他受体起作用来调节血压。而在没有GPR41的情况下，丙酸盐给药不会降低血压水平。GPR41定位于血管内皮，对SCFA介导的血管舒张至关重要。总之，这些发现表明丙酸盐可通过Olfr78和GPR41产生相反的生理效应；丙酸盐可以通过Olfr78增加肾脏肾素的释放，但也可以介导依赖于GPR41的降血压作用（图2;表1）。 大多数代谢物敏感的GPCR，特别是SCFA受体，对其代谢物激动剂具有非常低的亲和力，表明它们的主要作用位点在肠道中。然而，这一观点与我们和其他人在动物模型中观察到的不一致，例如，GPR109a敲除小鼠模型。这需要进一步探索代谢物感染GPCR可能在肠道外的复杂影响。 5.2 SCFA介导的转录组改变。 研究表明，在怀孕期间饲喂高纤维或醋酸饮食的小鼠会产生免于发生哮喘的后代。虽然这些发现与高血压没有直接关系，但母体纤维和醋酸盐会导致CVD和心脏肥大有关的途径下调，包括血压调节有关的编码基因的差异表达。 我们通过RNA测序对小鼠喂饲标准纤维饮食、高纤维饮食或醋酸的3周的心电转录组进行评估。在诱导任何不利的心血管表型之前进行分析以排除与细胞群相关的差异。在肾脏中，77％因纤维摄入而差异表达的基因也随着醋酸盐的摄入而失调。这些基因包括Rasal1、Cyp4a14和Cck。同时BP调节途径相关的基因（例如RAAS）和调节昼夜节律的基因发生下调。编码早期生长反应蛋白1的基因是心血管病理学的主要调节因子，当纤维摄入或补充醋酸盐时在肾脏和心脏中发生下调。结合摄入纤维或醋酸盐后的心血管变化，这些转录组变化表明存在肠-心肾轴（图2）。 5.3 与SCFA无关的BP决定因素 虽然纤维含量的变化可能直接影响肠道微生物群及其代谢产物，导致如上所述的血压水平的变化，但其他研究者提出了饮食与高血压之间的替代关系。纤维含量低的饮食往往富含其他营养成分，如脂肪、蛋白质和糖，这些营养素也可能影响肠道微生物群。研究人员已经证明，饮食中的胆碱和磷脂酰胆碱的肠道代谢产物与动脉粥样硬化有关。随后将左旋肉碱描述为TMAO109的另一种来源。磷脂酰胆碱或左旋肉碱转化为TMAO需要完整的肠道微生物菌群。TMAO的血浆水平与急性冠状动脉综合征患者的不良心血管有关，并与死亡的短期（30天）和长期（6个月）风险相关。尽管TMAO似乎与动脉粥样硬化和主要心血管的发展高度相关，但TMAO对BP的贡献尚不清楚。 由于脂多糖对先天免疫系统和炎症的影响，也可能参与了高血压的发病机制。脂多糖是大多数革兰氏阴性（致病）细菌外膜的主要成分，有助于它们的结构完整性。在血液中，脂多糖被转移到白细胞表面的CD14分子上，这将脂多糖呈递给TLR4和淋巴细胞抗原96（MD-2）形成的复合物。这种复合物激活强烈的先天免疫反应，导致促炎细胞因子如IL-1和IL-18的释放。在实验模型中，脂多糖可加速不稳定斑块的形成，并与人类动脉粥样硬化有关。血液中的脂多糖水平与对地中海饮食的依从性呈负相关，但与高血压没有关联。然而，脂多糖和血压之间的关系可能很复杂，因为机体感染后高水平的脂多糖循环会导致感染性休克和低血压。但还需要进一步的研究来确定脂多糖是否确实在高血压中发挥作用，并确定不同脂多糖剂量对血压水平的影响 6 益生菌、乳肽和BP 益生菌可以选择性地用于引入和扩展新型微生物。摄入牛奶肽和不同菌株的乳杆菌在实验模型中可以降低血压，包括WKY大鼠和SHR。 图3 高血压是一种多因素疾病 7 肠道微生物群和抗高血压药物 大量研究表明，人肠道菌群可通过影响其功效和毒性直接和间接地影响已知药剂的代谢，如用于治疗癌症和CVD的那些药剂。虽然来自食物中蛋白质的精氨酸可以刺激大肠杆菌的生长，但精氨酸还通过降低强心苷还原酶操纵子基因的表达来阻止地高辛的失活。重要的是，这一发现强调了药物代谢可能受特定细菌菌株与宿主饮食之间相互作用的影响。 有关肠道菌群和抗高血压药物代谢影响的数据仍然非常初步。常用抗高血压药物如ACE抑制剂、β-受体阻滞剂和Ang II受体拮抗剂的代谢与人类肠道微生物菌群的个体差异有关。估计约有13.7％的高血压患者具有治疗抵抗力。 8 怀孕、肠道微生物群和BP 新生婴儿暴露于来自环境和母亲的各种微生物。阴道分娩的婴儿的微生物菌群与自己母亲的阴道微生物群类似，而通过剖腹产分娩的微生物群主要是在皮肤表面发现的细菌群落。一项初步研究报告说，剖腹产的新生婴儿在出生时暴露于母体阴道分泌物可能会影响婴儿的细菌群落。孕龄也似乎对新生儿微生物菌群的组成有深远的影响。 健康与疾病的发展起源（DOHaD）假说提出胎儿和早期生活中的环境条件决定了个体在生命后期对疾病的易感性，但是在怀孕期间肠道微生物菌群及其代谢物的影响仍有待阐明。高纤维饮食或在妊娠期间补充SCFA醋酸盐阻止了后代哮喘的发展（图2；表1）。 9 未来发展方向 鉴于许多研究的据支持肠道微生物群对高血压的发展和维持中的作用，我们建议未来全基因组关联研究应与肠道微生物菌群分析相结合。个性化风险的计算不仅应考虑肠道微生物群、遗传因素和环境（营养），还应考虑这些因素如何相互作用的（图3），因为肠道微生物群本身可能受遗传和环境因素的影响。然而，目前可获得基因组数据的研究队列中缺乏粪便样本数据，可能需要进行新的研究以包括营养和代谢物的信息（表2）。一个重要的问题仍然存在：宿主遗传与营养/抗生素使用对肠道微生物群的组成有多重要？ 与其他分子研究相似，人类研究也应该在独立的群组和群体中进行验证，因为生活在不同地理区域的个体的肠道微生物群会发生变化。由于降血压药物可能对肠道微生物群产生影响，因此需要根据所服用的药物进行治疗或分组。此外，需要对具有耐药性高血压的患者的肠道微生物群进行表征分析（表2）。 如果成功，这些研究可能会针对高血压的个性化肠道微生物群进行治疗，或改变微生物群组成以改善血压的益生元。展望未来，可以对可降低血压的细菌进行菌株鉴定降低，以及可恰当的在个性化益生菌补充剂中使用这些菌株。此外，在过去几年中，高血压肠道微生物菌群受到了很多关注，研究报道口腔微生物菌群对高血压产生作用，且值得进一步研究。如果营养和膳食纤维通过肠道微生物菌群确实解释了高血压和心血管疾病的产生因素，这些新知识是否会为人类消费更多的纤维提供动力呢？ 未来的研究还应该探索使用肠道微生物群或相关代谢物作为高血压和CVD发展的早期标志物。 表2 目前在高血压肠道微生物群领域的局限性和未来发展方向  目前的实验和临床研究强烈支持营养饮食、肠道微生物群及其代谢物与高血压之间的密切但复杂的相互关系。在人口水平上，这些发现进一步加强了饮食和生活方式改变的重要性，其可作为改善全球血压和心血管健康的手段。在更务实的层面，需要进一步的研究来确定与肠-心血管相互作用相关的精确细胞和分子机制。我们相信药用食品、肠道微生物群及其代谢产物提供了一种非常有前景且有效的方法来对抗高血压。 |
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