肠道菌群与心血管疾病关系研究进展

人体内寄生着大量包括细菌、病毒、原生动物、古细菌和真菌在内的微生物，它们构成了以肠道为主要宿居场所的共生微生物群。千百年来，人类与这些微生物以互惠的方式共同进化，一方面，人类为肠道菌群提供了一个独一无二的居住环境，同时持续供应肠道菌群生长代谢所需的营养基质；而另一方面，人类受益于肠道菌群的生命活动，如：必需维生素（维生素B及维生素K）的产生、碳水化合物的消化分解、适应性免疫的调节及包括短链脂肪酸和次级胆汁酸在内的信号分子的产生。肠道菌群的基因组数量超过人类基因组数量100倍，肠道菌群可以影响宿主健康，同样宿主遗传、饮食、生活方式和卫生等外部因素也会影响肠道菌群组成。

我国心血管疾病的发病率和死亡率也逐年升高，是导致死亡和残疾的主要原因。因此，如何预防和治疗心血管疾病，并寻找药物治疗的有效靶点及作用部位，已成为研究重点。基因突变及遗传因素在多种疾病发病机制中发挥重要作用，然而在心血管疾病的大规模临床研究表明，遗传变异只占心血管疾病发病风险的一小部分（<20%），环境因素在心血管疾病的发病机制中发挥重要作用。饮食是我们最主要的环境暴露，是导致心血管疾病发病的主要因素。肠道中的常驻微生物能够将食物中的物质转化为代谢产物，是我们饮食的关键“代谢器官”，而其中的一些代谢产物与心血管疾病直接相关。所以，近年来人们对肠道菌群在心血管疾病和代谢紊乱综合征中的作用产生极大兴趣。本文主要总结肠道菌群及其代谢产物在多种心血管疾病中的作用，并讨论了将肠道菌群作为靶点，用于治疗或预防心血管疾病的前景。

1  肠道菌群与冠心病

 冠状动脉粥样硬化性心脏病（coronary artery disease，CAD）又称冠心病，是最主要的心血管疾病，无论是发达国家还是发展中国家，都是发病率和死亡率很高的疾病之一，给世界公共卫生带来极大负担。冠心病是由动脉粥样硬化或冠状动脉粥样硬化闭塞引起的心血管疾病，其病理基础是冠状动脉粥样硬化性斑块的形成，临床表现为稳定型心绞痛、不稳定型心绞痛、心肌梗死或心源性猝死，而动脉壁内斑块破裂所致的急性心肌梗死是导致死亡的主要原因之一。研究表明，肥胖、炎症及代谢紊乱性疾病如胰岛素抵抗、高胰岛素血症、血脂异常是导致CAD的主要危险因素，而肠道菌群组成结构比例变化及其代谢产物异常是以上危险因素发生的主要原因。

动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）被认为是一种慢性炎症性疾病，其发生过程主要表现为由多种病原体引起的血管壁和血管外感染，从而导致血管壁的炎症。血管内感染多是由肺炎衣原体、疱疹病毒、幽门螺杆菌等病原体引起，血管外感染则是由口腔牙周及支气管等病灶引发。

大量研究表明，肺炎衣原体导致的血管内炎症反应与AS的形成与发展密切相关。用肺炎衣原体感染家兔，能够观察到家兔动脉内膜增厚，诱导家兔AS形成。同时，肺炎衣原体能够在体外引起巨噬细胞、血管内皮细胞（vascular endothelial cells，VECs）和平滑肌细胞的自主促炎作用，并且在人动脉粥样硬化病灶处已经检测到肺炎衣原体的存在。除肠道菌群外，在人类动脉粥样硬化斑块中口腔微生物群落也被检测到，在一项超过12 000名参与者的大型研究中，已经证实了不良的口腔卫生与心血管疾病和低级别的炎症水平相关。同时，也有研究发现，有症状的动脉粥样硬化（心肌梗死或中风）患者口腔内厌氧球菌的相对丰度显著高于健康对照组。关于牙周疾病与心血管疾病的流行病学关系已经被证实，口腔微生物在心血管疾病病理生理学中发挥作用。此外，幽门螺杆菌感染与心血管疾病发生发展也可能存在联系。总的来说，众多研究表明，致病菌感染与CAD有关。然而，在许多大规模、前瞻性临床研究中，抗生素的使用未能显示出对CAD有效的治疗或预防作用，使得微生物在心血管疾病发生中的作用仍有争议。除肠道菌群组成改变所致慢性感染外，肠道菌群代谢物也被认为与AS的发生发展密切相关。为了与远端器官沟通，肠道菌群会产生代谢产物，一些代谢产物会穿过肠上皮细胞，进行级联传递，进而直接或间接影响宿主远端器官的代谢与生理过程。这些肠道菌群代谢物主要包括三甲胺-N-氧化物（trimethylamine-N-oxide，TMAO）、短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）、胆汁酸。

人摄入富含胆碱、甜菜碱及左旋肉碱的食物后，经肠道微生物转化生成三甲胺（trimethylamine，TMA），TMA在黄素单加氧酶家族（FMOx）氧化作用下，最终生成TMAO。TMAO作为AS和心脏代谢性疾病预测的风险因子，近年来受到广泛关注。研究表明，小鼠日粮中补充胆碱、TMAO或甜菜碱能够促进多种与动脉粥样硬化相关的巨噬细胞清除受体的上调，增加巨噬细胞胆固醇的积累和泡沫细胞形成，促进AS形成。无菌小鼠或使用抗生素短期消除肠道菌群，则能缓解AS形成，这同样说明了肠道菌群在人TMAO生成过程中扮演重要角色。对超过1 800名稳定型心脏病患者进行选择性冠状动脉造影的研究表明，TMAO相关代谢物包括胆碱、甜菜碱和左旋肉碱都与流行性心血管疾病的发生呈正相关，对4 007名接受选择性冠状动脉造影的心脏病患者进行随访，3年随访期内如果患者循环中TMAO水平升高，则患者发生重大不良心血管疾病的风险增加了2.5倍。使用动物模型的研究也发现，TMAO改变血小板钙信号转导，引起凝血酶原效应，增加血栓形成风险。TMA裂解酶作为TMAO合成过程的关键酶，在TMAO生成过程中发挥重要作用，所以，靶向TMA裂解酶，抑制TMA裂解酶活性，进而降低TMAO水平，改善心血管患者病程是可行的。最近一项研究中，研究者筛选得到一种胆碱的结构类似物DMB，DMB能够通过抑制TMA裂解酶活性，来减少循环中TMAO水平，抑制高胆碱/L-左旋肉碱饲喂小鼠AS的形成。同时，DMB能够抑制高胆碱饮食诱导的ApoE-/-小鼠泡沫细胞的形成。尽管许多临床观察结果已经证明血浆中TMAO水平与心血管疾病发生存在必然联系，但仍缺乏TMAO如何直接或间接影响心血管疾病的机制研究，靶向这一途径能否降低人类患心血管疾病风险并不清楚，但这仍是未来研究的一个重要领域。

越来越多的研究表明肠道菌群在AS的发病过程中发挥重要作用，肠道菌群可以通过激活免疫系统、改变宿主胆固醇代谢以及产生代谢产物来影响AS的发生发展。靶向肠道菌群能否成功治疗AS尚不清楚，但可以知道的是长期服用抗生素来改变肠道菌群这一方法是不可行的。与长期服用抗生素相比，膳食干预在防治AS的过程中可能更为实用。同时，调节在AS发病过程中有重要作用的肠道菌群代谢产物（如TMAO及其他小分子），也可能是治疗AS的新策略。

2  肠道菌群与高血压

高血压作为一种常见的慢性心血管疾病，能够使心脏和血管功能改变，导致卒中、CAD及肾脏疾病。目前全球高血压患者预计超过10亿人，每年导致约900万人死亡，为全球公共健康带来极大负担。高血压发病机制复杂，是遗传及环境等因素共同作用的结果。近年研究表明，一些肠道微生物相对丰度的变化可以引起相应代谢物的改变，这些代谢物与高血压发生发展密切相关。因此，调整饮食及生活方式、摄入有益菌来改变肠道菌群结构可能成为高血压治疗的潜在途径。

高血压发病机制复杂，诱因多样，是多种因素共同作用的结果，在人体和动物模型的研究表明，多种因素能够通过影响肠道微生物及其代谢物进而影响宿主血压水平。Tao等动物模型研究发现，原发性高血压大鼠的肠道菌群相对丰度和均匀性显著降低，厚壁菌门/拟杆菌门比值增加，同时伴随着产乙酸、丁酸细菌菌群减少，分泌乳酸细菌菌群增加。在慢性血管紧张素Ⅱ灌注大鼠高血压模型中，也观察到相似的结果，同时给予米诺环素治疗后，能够成功减缓大鼠血压的升高，并降低厚壁菌门/拟杆菌门比值，提示米诺环素能够通过降低厚壁菌门/拟杆菌门比值来重新平衡肠道菌群结构。在人体宿主研究中，Li等对41名健康对照者、56名高血压前期和99名原发性高血压患者进行了宏基因组测序和代谢组学测定，分析受试者体内肠道菌群的组成、功能及代谢物差异。结果显示，与健康对照组相比，高血压前期及原发性高血压组肠道菌群相对丰度及多样性显著降低。同时，高血压前期与原发性高血压组肠道菌群特征非常相似，普里沃菌属和克雷伯杆菌属在高血压两组中的比例过高。将肠道菌群移植到无菌小鼠上，观察到血压升高的现象可以通过肠道菌群传递，证明了肠道菌群对宿主血压的直接影响。关于高血压患者肠道菌群多样性改变的问题，却在另一项研究中得到了相反的结论，Mushtaq等收集50名Ⅲ期高血压患者和30名健康人的粪便样本，通过PCR-DGGE对肠道菌群结构进行测定，发现高血压患者的肠道菌群多样性要高于健康组。所以，肠道菌群结构在高血压发病中所扮演的角色，仍需进一步研究。维生素D缺乏可能在肠道菌群失调形成高血压的过程中发挥重要作用。除肠道菌群结构改变外，肠道菌群代谢物同样与血压调节有关。肠道菌群代谢物SCFAs主要通过与分布在肾脏及血管平滑肌中的嗅觉感受受体Olfr78和G蛋白偶联受体Gpr41相互作用，进而调节血压。丙酸盐能够在体外诱导血管扩张，在野生型小鼠中产生急性降血压反应，而这种降血压效应能够通过阻断Olfr78和Gpr41的表达被缓解。同时，抗生素治疗能够调节Olfr78敲除小鼠血压，表明肠道菌群代谢物能够通过与受体相互作用影响血压。

以上研究表明，肠道菌群及其代谢产物在维持机体生理平衡中发挥重要作用，肠道菌群很有可能具有直接的生理作用（如作用于宿主信号通路Gpr41和Olfr78）。口服抗生素来改变肠道菌群组成来治疗高血压是心血管领域的一个新发现，但目前口服抗生素调节血压尚缺乏有力的临床证据。有研究报道了一例应用3种抗生素联合治疗难治性高血压成功的临床案例，说明抗生素可能通过改善肠道菌群结构，调节血压。但这只是个例，具体机制仍需更多的临床和基础研究来证明。同时，改变饮食结构，进而改变肠道菌群组成和相对丰度，影响肠道菌群代谢产物来调控血压，也成为长期控制血压的新思路。

3  肠道菌群与心肌梗死

心肌梗死是全世界心脏性疾病猝死的主要原因，心肌梗死过程心脏伴随许多病理性改变，包括炎症、心肌细胞凋亡、左心室扩张，并最终导致心力衰竭。研究表明，肠道微生物群及其代谢产物在维持机体健康和疾病易感性过程中发挥重要作用。Lam等在2012年就首先强调了肠道微生物与心肌梗死机制之间的联系，他们发现在进行缺血损伤再灌注前，通过口服万古霉素可使血清瘦素水平降低38%，心肌梗死面积减少27%，并改善术后机械功能的恢复。使用益生菌也能使血清瘦素水平下降41%，心肌梗死面积减少29%，缺血后机械功能恢复的更好。在人体研究中，对49名健康对照者、50名稳定冠心病患者和100名ST段抬高型心肌梗死患者（STEMI）肠道菌群进行宏基因组分析，发现STEMI患者全身微生物群中更高的微生物丰富度和多样性及肠道菌群易位的显著增加与全身炎症和不良心血管预后相关。肠道菌群代谢物TMAO与心肌梗死的发病率也具有相关性，在1型糖尿病患者中，高浓度血浆TMAO与心血管疾病的死亡率及不良预后显著相关；在HIV携带患者中同样发现肠道菌群代谢物，包括胆碱、甜菜碱及TMAO与HIV携带者颈动脉内膜中层厚度、颈动脉内斑块和心肌梗死独立相关，表明肠道菌群在HIV相关心肌梗死中具有潜在作用。Gan等制作大鼠慢性冠状动脉结扎心肌梗死模型，在造模成功后，对不同组别大鼠用安慰剂或益生菌鼠李糖乳杆菌GR-1进行治疗，发现GR-1能够缓解大鼠左心室肥大，改善左心室收缩和舒张功能以及射血分数。后续越来越多的研究证明了动物模型心肌梗死的易感性与肠道菌群相关。在对心肌梗死的研究中，通过抗生素治疗消除了肠道菌群易位，减轻了心肌梗死小鼠的全身炎症和心肌细胞损伤。改变生活方式如增加体育锻炼也能改变肠道微生物组成及肠道代谢产物，进而影响心脏功能。Liu等用左前降支冠状动脉结扎建立小鼠心肌梗死模型，并通过跑步让小鼠运动4周，结果发现，运动训练可以抑制小鼠心肌梗死后心输出量和每搏输出量的下降，同时增加小鼠肠道菌群相对丰度，改善小鼠心脏功能。

目前临床心肌梗死的主要治疗目标是通过干预或手术治疗，使炎症、心肌细胞坏死及凋亡最小化增加梗死后心脏功能。通过膳食结构改变、抗生素或益生菌治疗，改变肠道微生物组成，减少特定菌群比例，改变肠道菌群代谢产物，最终改善心肌梗死临床症状和心脏功能。同时，增加运动也能够显著改变肠道菌群的组成，增加肠道菌群相对丰度，提高心肌梗死后心脏功能，从肠道菌群的角度表明了加强体育锻炼对心脏功能的好处。以上结果表明，肠道菌群在心肌梗死发病及病后恢复过程中发挥重要作用，所以通过多种方式调控肠道菌群来对人体进行“修饰”，提高心肌梗死患者心脏功能，是未来基础及临床研究的重点。

4  肠道菌群与心力衰竭

心力衰竭作为各类心血管疾病的终末期阶段，是导致心血管疾病死亡的主要原因。近年来，越来越多的研究表明肠道菌群及其代谢物在心力衰竭发生发展中发挥作用。长期慢性心力衰竭所伴随的血流动力学的改变如心输出量减少、内脏循环充血和肠道低灌注，能够改变肠道通透性及肠道菌群组成，导致肠道微循环障碍，增加循环内毒素水平，加剧心力衰竭宿主的炎症反应。Sandek等对65例心力衰竭患者和25例健康对照进行研究，其中有12例为严重心力衰竭，结果发现心力衰竭患者肠血流量减少，肠壁厚度变薄，同时血液中抗LPS-IgA浓度增加，这些改变与结肠黏膜的细菌生长情况相关，而与粪便菌群生长无关。另一项研究发现，慢性心力衰竭患者肠道内可能存在致病菌如假丝酵母菌、志贺菌的过度生长，肠壁通透性的增加可能与临床上患者疾病严重程度、静脉充血及炎症程度相关。但在慢性心力衰竭患者的粪便内，并未发现原发性肠道病原体如志贺菌、沙门菌等的过度生长。

肠道菌群组成改变后，肠道菌群的代谢产物同样会发生变化。研究发现，肠道菌群代谢物TMAO水平与心力衰竭患者的心力衰竭发展和不良预后相关。在一项对720例患者进行5年随访的研究中发现，心力衰竭患者的肠功能普遍发生改变，心衰患者血浆TMAO浓度高于对照组，且TMAO浓度与B型利钠肽（brain natriuretic peptide，BNP）水平之间存在显著相关性，血浆TMAO水平升高与死亡率增加相关。动物模型的研究发现，喂食TMAO或补充胆碱饮食的小鼠出现肺水肿和心脏肥大等症状，左室射血分数明显变差，心肌纤维化明显，表明TMAO通路可能直接导致不良心室重构和心衰发展。除TMAO外，肠道菌群产生的LPS也与心衰发生发展相关，慢性失代偿心衰患者小肠功能往往发生改变，活性载体介导的肠转运减少，LPS浓度升高，介导肠道炎症反应发生，表明慢性失代偿心衰患者肠壁水肿、肠道上皮功能障碍与异位LPS浓度相关。通过添加益生菌和微生物酶抑制剂或改变宿主饮食结构来调节肠道菌群结构，进而改变宿主心力衰竭进程成为研究热点。在一项小样本的双盲安慰剂对照研究中，发现了一些有趣的结果，将稳定心力衰竭患者随机分为安慰剂组和益生菌组，实验为期3个月，最终生理功能检测发现益生菌组心力衰竭患者的射血分数和左心房直径均有改善。能否通过改变肠道菌群结构或抑制如TMAO或LPS等肠道菌群代谢产物的产生来改善心衰患者病程，仍需后续深入研究。

在上述各研究中，心力衰竭与肠道菌群的相关性已被证实，但肠道菌群在心力衰竭病程发展中具体的调控机制尚不明确。通过改变饮食结构、使用抗生素及益生菌制剂或TMAO清除剂，能够显著缓解心力衰竭症状，改善心脏功能。在未来研究中，也可开发一些肠黏膜屏障保护剂，来防止心衰患者的肠道菌群易位，维持肠黏膜生理屏障和正常生理功能，来减轻患者肠道炎症及肠壁水肿状态，进而改善心衰患者心脏功能，这类肠黏膜屏障保护剂可作为以肠道菌群为靶点的心力衰竭治疗的辅助治疗。

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