腸道微生物與心力衰竭診治的研究進展

陳子俊，朱濱，楊春，楊玲*

腸道內含有超過兩千種、百萬億個微生物，其總數與人體細胞總數相當［1］。這些定植在腸道的微生物在機體的生理或病理過程中發揮了重要作用［2］，其可參與營養物質的代謝吸收，調節腸道上皮屏障功能及影響腸道局部或全身免疫炎性反應，腸道微生物的代謝產物入血尚可產生“類內分泌樣”效應［3］。腸道微生物廣泛的生理作用引起了研究人員的關注與重視，關于其在非胃腸疾病進程中作用機制的研究也日益增多。而心力衰竭是各種心臟疾病的發病終末階段，其患病率為1.5%～2.0%，5年內病死率高達50%，與惡性腫瘤相當［4］。在過去的十幾年中，研究人員對心力衰竭發病機制的理解逐漸從“神經-體液機制”向“神經-體液-免疫等多靶點調節”轉變［5］，其中，“心力衰竭腸道假說”逐漸為研究人員所認識［6］。該假說主張心力衰竭導致的血液再分配可引起腸壁水腫及腸上皮缺血損傷，進而造成腸道通透性增加及腸上皮屏障功能受損，從而使進入血液循環的腸道微生物及細菌內毒素增多，刺激機體產生腫瘤壞死因子α（tumour necrosis factor-α，TNF-α）、白介素6（interleukin-6，IL-6）等促炎性因子，并通過調節相關信號通路進一步加重心肌細胞損傷、影響心肌功能［7］。此外，尚有研究證實某些特定的腸道微生物及其代謝產物與心力衰竭之間存在相關關系，進一步證實了“心力衰竭腸道假說”的可能性［8-9］。本文將對心力衰竭時腸道微生物組成變化及其代謝產物在心力衰竭中的作用機制進行闡述，同時介紹通過干預腸道微生物治療心力衰竭的研究進展。

1 心力衰竭時腸道微生物組成變化

已有研究顯示，心力衰竭時腸道微生物組成存在特征性改變［8-11］。通過16S rRNA基因擴增測序檢測發現與健康受試者相比，心力衰竭患者便樣本中Eubacterium rectale、Faecalibacterium prausnitzii、Dorea longicatena及 SMB53明 顯減少，Ruminococcus gnavus、Streptococcu及Veillonella增加［8-10］，且該變化不受心力衰竭病因影響；LUEDDE等［11］亦在射血分數降低的心力衰竭患者中觀察到腸道微生物豐富度及核心菌群數量降低，如Blautia及Collinsella豐度下降。進一步的研究指出Collinsella的減少是心力衰竭時腸道微生物組成的標志性改變，當冠心病或糖尿病患者合并心力衰竭后，其原本表現為增多的Collinsella也將減少并低于健康人水平［11-13］。以上結果表明，心力衰竭患者存在某些特定的腸道微生物組成變化，該變化可能與心力衰竭的發生、發展密切相關。

2 心力衰竭時腸道微生物組成發生變化的可能機制

心力衰竭時腸道微生物的組成會發生特征性變化已得到廣泛證實，但其發生機制尚未明確，推測心力衰竭引起腸道微生物組成變化的機制可能為：（1）心力衰竭導致的血液再分配可引起腸壁水腫及腸上皮缺血損傷，進而引起腸道內pH值降低及腸道上皮細胞產生抗微生物蛋白減少，這些腸道內局部微環境的變化最終引起腸道微生物的組成改變［14-16］；（2）心力衰竭導致的腸上皮屏障功能受損使其隔離腸道微生物與腸道上皮的功能減弱，以致腸道微生物對腸道上皮細胞的刺激增強，進而引起腸道黏膜局部炎性反應，并對腸道微生物的組成產生影響［17］。目前心力衰竭相關腸道微生物組成的變化原因尚不明了，缺乏直接的試驗證據揭示其具體機制，有待進一步深入探討。

3 腸道微生物在心力衰竭發病機制中的作用

3.1 腸道微生物及其內毒素誘導促炎性因子產生 正常情況下，由于腸道黏膜屏障作用，腸道微生物及其產生的細菌內毒素即脂多糖不能隨意進入血液循環；而心力衰竭時心排血量、腸壁血管血流量減少，引起腸壁水腫及腸上皮缺血損傷，進而造成腸道通透性增加及腸上皮屏障功能受損，使進入血液循環的腸道微生物及脂多糖增多［18］。進入血液循環的脂多糖在脂多糖結合蛋白的催化作用下與巨噬細胞表面的Toll樣受體4/分化抗原14/髓樣分化蛋白2復合物結合，激活相關免疫反應使促炎性因子釋放，如TNF-α及IL-6等的釋放。這些促炎性因子將引起心肌細胞的線粒體受損及鈣穩態失衡，加重心肌細胞損傷及凋亡，最終導致心肌重構并引起心功能下降［7，19-20］。

本文創新點/局限性：

創新點：本文匯總并解讀了國內外腸道微生物與心力衰竭相關的最新及權威研究結果，分析了心力衰竭時腸道微生物的變化及其代謝產物在心力衰竭發生、發展中的作用機制，并對腸道微生物治療心力衰竭的進展及機制進行闡述。

局限性：已有較多研究發現腸道微生物及其活性代謝產物與心力衰竭的發生、發展相關，但識別這些引發生物效應的代謝產物以及探究其與機體的相關受體系統產生的具體信號通路，還需更多的進一步研究。

3.2 腸道微生物誘導免疫炎性反應 以往研究表明，心力衰竭時某些腸道微生物的變化與免疫炎性反應息息相關［21-22］，且其過程中產生的炎性因子水平與心力衰竭的嚴重程度之間存在相關關系［23］。KUMMEN等［21］發現心力衰竭患者腸道中Lachnospiraceae的數量與血液循環中可溶性T細胞激動劑（CD25）的水平呈負相關，且心力衰竭癥狀越嚴重的患者其相關性越明顯，表明腸道微生物的改變與心力衰竭時持續存在的慢性炎性反應有關，可能與心力衰竭的病情嚴重程度有關。隨后的研究也發現，心力衰竭患者腸道微生物中Faecalibacterium prausnitzii的減少和Ruminococcus gnavus的增加均可誘導機體免疫炎性反應過程［24-25］。Faecalibacterium prausnitzii具有減輕炎性反應作用，有證據表明，由該菌減少所導致的炎性反應亢進與老年心力衰竭患者的不良預后增加密切相關［26］。此外，Ruminococcus gnavus能通過γ-干擾素、白介素17（interleukin-17，IL-17）及白介素22（interleukin-22，IL-22）誘導輔助性T細胞1和輔助性T細胞17等免疫細胞的激活以發揮其促炎效應［22］，進而增加賴氨酰氧化酶活性，引起心肌膠原蛋白交聯及心肌重構［27］。鑒于以上研究結果，推測心力衰竭患者腸道內抗炎相關微生物的減少及促炎相關微生物的增多可使心力衰竭癥狀進一步加重。

3.3 腸道微生物影響心力衰竭的其他機制 心力衰竭患者血漿中的鞘氨醇-1-磷酸水平較正常人明顯升高，可加劇心肌細胞炎性反應，引起心肌重構及心功能障礙［28］，而CUI等［8］研究發現血漿鞘氨醇-1-磷酸水平升高與心力衰竭患者腸道中Veillonella、Coprobacillus、Streptococcus數量的增加密切相關；與此同時，腸道中Veillonella的數量還與煙酸、肉桂酸及乳清酸等抗炎相關心臟保護因子水平呈負相關。然而，目前關于心力衰竭時腸道微生物組成變化與傳統血液循環中影響心臟功能活性物質之間關系的研究較少，其具體機制仍有待進一步探討。

4 腸道微生物代謝產物在心力衰竭發病機制中的作用

研究指出腸道微生物相關代謝產物也在心力衰竭發病機制中發揮重要作用，其產生的有害性代謝產物增多而保護性代謝產物降低，如氧化三甲胺（trimethylamine N-oxide，TMAO）、色氨酸代謝產物增多而短鏈脂肪酸合成減少，將進一步加速心力衰竭患者的疾病進程（見圖1）［8］。

圖1 腸道微生物在心力衰竭中的致病作用Figure 1 Pathogenic role of intestinal microbiota in heart failure

4.1 TMAO 多項研究表明，心力衰竭患者循環血液中的TMAO水平升高［8，29-30］，其中CUI等［8］通過代謝組學分析心力衰竭患者的糞便和血漿樣品發現其三甲胺（TMA）裂解酶表達增強，相關腸道微生物合成TMAO明顯增多；此外，心力衰竭患者常因合并腎功能損害而導致血液中TMAO經腎清除減少，從而進一步導致血漿TMAO水平升高［30］。

血液循環中的高水平TMAO可引起心臟血管內皮損傷并對心肌產生直接損害作用［31］。在動物實驗中，用TMAO喂養的小鼠表現出轉化生長因子β-Smad3信號通路（一種促纖維化信號通路）激活增強，從而加劇心臟纖維化及減弱心室舒張功能；且在小鼠體內注射TMAO后，其血管緊張素的升壓效應明顯強化［32］，由此可推測TMAO可能還可以通過機體內神經體液遞質紊亂對心力衰竭產生不良影響，但其具體機制需進一步深入探討。此外，尚有研究表明TMAO水平與血漿B型鈉尿肽升高及紐約心臟協會心功能分級情況密切相關，干預TMAO有望成為心力衰竭治療的新靶點［33-34］。SUZUKI等［35］還認為血漿TMAO水平可以作為急性心力衰竭死亡風險的預測因子，將其納入急性心力衰竭患者的入院風險評分有利于提示臨床盡早進行必要干預從而改善心力衰竭患者預后。

4.2 組氨酸代謝產物 食物中的組氨酸經腸道微生物代謝后可生成吲哚氧基硫酸鹽及對甲酚硫酸鹽，這些經由腸道微生物生成的組氨酸代謝產物在心力衰竭的發病過程中發揮重要作用。吲哚氧基硫酸鹽和對甲酚硫酸鹽被認為是心腎綜合征發病機制中一個重要的啟動因素，并且有可能導致心臟及腎臟的加速衰竭惡化［36］。體外實驗表明，硫酸吲哚酚可以直接誘導培養心肌細胞的肥大及纖維化［37］；且將硫酸吲哚酚注射入小鼠腹腔8周后，小鼠心臟即可表現出明顯的纖維化改變及心室重構［38］。此外，SAVIRA等［39］還發現組氨酸代謝產物可以由凋亡信號調節激酶1（apoptosis signalregulating kinase 1，ASK-1）介導激活下游絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）及核轉錄因子κB（nuclear factor-kappa B，NF-κB），進而引起心肌肥厚及心腎纖維化改變。

4.3 短鏈脂肪酸 短鏈脂肪酸由腸道微生物酵解膳食纖維產生并分泌入血液循環，其中以乙酸、丁酸、丙酸最為豐富，其一直被認為是心血管系統的保護因子［40］。研究發現心力衰竭患者腸道微生物合成短鏈脂肪酸明顯減少，通過對其糞便和血漿樣品代謝組學分析可以觀察到，心力衰竭患者腸道內的短鏈脂肪酸合成酶如丁酸鹽、乙酸鹽輔酶A（coenzyme A，CoA）轉移酶表達明顯減弱［8］，且其腸道內Faecalibacterium prausnitzii及Lachnospiraceae等相關產短鏈脂肪酸菌群也減少，從而使其保護心力衰竭的有益作用不能得以充分發揮［8，11，21］。在小鼠實驗中，SCHNEEBERGER 等［41］發現丁酸鹽膳食可以減少血管緊張素Ⅱ誘導的腸道炎癥相關Akkermansia muciniphila的含量，從而抑制腸道炎癥，改善腸道屏障功能，且丁酸鹽還可以穩定腸道上皮緊密連接蛋白，增加缺氧誘導因子1的表達以維持腸道內低氧微環境，進而保護腸道屏障完整性［42］。短鏈脂肪酸還可以通過干預腸道內巨噬細胞功能、下調脂多糖誘導的IL-6、白介素2（IL-2）等促炎性因子生成及誘導調節性T細胞的分化從而減輕免疫炎性反應，減緩心力衰竭疾病進程［43-44］。此外，短鏈脂肪酸尚能調控心血管疾病相關基因的轉錄，其中包括具有預防心臟疾病作用的Tcap、Timp4等基因的表達上調［45-46］，以及與心臟疾病發病相關的Wnt信號通路、早期生長反應蛋白1（Egr1）等基因的表達下調［47-48］。與此同時，也有學者認為短鏈脂肪酸減少心肌纖維化及改善心肌肥大的功能是其降低血壓后產生的間接效應，對高血壓模型小鼠進行短鏈脂肪酸干預后，其血壓降低、心肌纖維化改善，但其體內炎性相關因子表達并無明顯差異，故短鏈脂肪酸參與心力衰竭疾病進展的具體機制還需進一步研究［49］。

5 通過干預腸道微生物治療心力衰竭的進展

盡管腸道微生物與心力衰竭之間的相關機制研究尚需進一步深入，但其用于心力衰竭治療的應用前景已受到廣泛關注，其中可能的干預措施包括通過飲食、抗生素、攝入益生菌等改善腸道微生物的組成以及調節腸道微生物相關代謝產物生理功能。

5.1 飲食 飲食是影響腸道微生物群的重要因素之一［50］，未來有望通過調整飲食結構改善腸道微生物的組成及功能來預防或延緩心力衰竭疾病病程。MARQUES等［47］發現通過給高血壓模型小鼠喂食高膳食纖維可以增加其腸道內產醋酸鹽相關微生物的數量，從而降低血壓、改善心肌肥大和纖維化。另外，血液中的TMAO水平很大程度上受飲食影響［6］，但在日本、荷蘭及美國的3項大型臨床研究中也均未發現增加TMAO源食物攝入與心功能下降之間具有相關性［51-53］，其可能影響機制期待未來更多的臨床及基礎研究來進一步深入探討。

5.2 抗生素 抗生素可通過改變腸道微生物的組成以降低心力衰竭患者血液中脂多糖及促炎性因子水平，從而改善血管內皮功能［54］，但需注意的是抗生素也會引起一些嚴重的不良反應，如菌群紊亂、耐藥菌的產生及艱難梭菌感染等［55］。因此通過抗生素改變腸道微生物組成從而達到改善心力衰竭患者病情的研究關鍵在于探索哪種特定的情況下運用相應抗生素可使心力衰竭患者從中真正獲益。

5.3 益生菌與益生元 增加益生菌攝入在改善心血管疾病病情中的益處已得到眾多動物實驗及臨床試驗證據支持。LIN等［56］發現給自發性高血壓鼠喂養益生菌發酵紫甘薯酸奶后，其Fas蛋白配體（Fas ligand，FasL）和線粒體依賴的凋亡信號通路活性下降，而抗凋亡相關胰島素樣生長因子-I受體（IGF-IR）/胞內磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（Akt）信號通路及B淋巴細胞因子-XL（B-cell lymphoma-XL，BCL-XL）信號通路活性上調，進而使心肌細胞凋亡減少；此外，增加Lactobacillus rhamnosus GR-1攝入利于維持小鼠心肌梗死后心肌細胞內?；撬崴剑M而延緩缺血性心力衰竭的發展［57］。在臨床試驗中，Saccharomyces boulardii近來被證實可以降低心力衰竭患者循環血液中TNF-α、IL-6等促炎性因子及C反應蛋白水平，降低血清肌酐水平，提高慢性收縮性心力衰竭患者的左心室射血分數及改善其心臟功能［55，58］。盡管有學者提出，過多攝入Saccharomyces boulardii有增加真菌血癥的風險［59］，但此不良反應發生概率較小，謹慎適量攝入Saccharomyces boulardii對改善心力衰竭病情仍有很大的應用前景［55］。益生元是食物中不易消化的分子，包括低聚糖、復雜多糖等，其可以促進腸道內益生菌的繁殖，抑制致病菌的生長［60］。有動物實驗表明增加益生元攝入有利于降低體脂、控制血糖，其可通過改善心血管疾病危險因素而延緩疾病進程［61-62］。不過目前尚未有臨床試驗證據支持攝入益生元在心力衰竭中的可能益處［63］，未來還需更多大規模臨床、基礎研究進一步探討。

5.4 調節腸道微生物相關代謝產物 有學者提出可通過口服不可吸收的AST-120等活性炭吸附劑以減少腸道內損害性代謝產物［64］。已有動物實驗證據表明，給予慢性腎衰竭及合并心力衰竭的小鼠模型一定量的AST-120能吸附腸道內的TMAO及吲哚硫酸酚，并降低這些代謝產物在血液中的水平，從而延緩小鼠心室肥大及心肌纖維化進程［64］，但上述研究結果尚未在臨床試驗中進行驗證。而通過膽堿類似物可逆性抑制TMAO合成酶進而有效減少循環血液中的TMAO含量從而輔助冠心病治療已得到證實，并有望進入臨床試驗成為治療冠心病的新藥物［33，65］。由于TMAO與心力衰竭發病機制之間的研究尚淺，目前暫未有關于TMAO合成酶抑制劑用于心力衰竭治療的研究。此外，亦有文獻表明，增加保護性代謝產物短鏈脂肪酸的水平可以改善高血壓、腎功能損害等傳統心力衰竭風險因素，但其作為心力衰竭治療的直接干預靶點并未得到實驗證據的有力支持［66-69］。

6 小結

“腸道-心臟軸”的概念逐漸為研究人員所認知，越來越多的證據表明，腸道微生物可以通過其代謝產物及調節免疫炎性反應等方式與包括心力衰竭在內的多種心血管疾病產生復雜的交互作用，進而影響疾病的發生、發展。盡管現有關于心力衰竭與腸道微生物的臨床類研究并不多，且腸道微生物和心力衰竭相互作用的內在具體機制也未完全明了，但微生物基因組學與代謝組學技術的快速發展也將促進腸道微生物在心力衰竭疾病進程中的相關作用機制的研究，并展示出其作為心力衰竭預防、診斷及治療新型靶點的廣闊應用前景。

本文文獻檢索策略：

以“microbiota”“heart failure”“trimethylamine N-oxide”“indoxyl sulfate”“short-chain fatty acid”為關鍵詞檢索PubMed、Web of Science、Google Scholar等數據庫，對于正在研究中的實驗通過臨床實驗注冊中心網站獲取。檢索時間截止為2018年10月。文獻納入標準：腸道微生物及其代謝產物與心力衰竭相關的實驗性文章及綜述；排除標準：非SCI論文。

作者貢獻：陳子俊進行文章的構思與設計，撰寫論文；朱濱、楊春、楊玲進行文章的可行性分析，論文的修訂，負責文章的質量控制及審校，對文章整體負責、監督管理。

本文無利益沖突。