冠心病與腸道菌群關系的研究進展

肖 珊，靳春榮，侯清瀕

心血管疾病是威脅人類健康及生命的慢性非傳染性疾病，全球范圍內心血管疾病發病率和死亡率一直居高不下。我國心血管疾病發病形勢嚴峻，是居民健康的重要殺手，2018年城鄉居民死亡構成比中，心血管疾病死亡率居首位，高于腫瘤及其他疾病，其中冠狀動脈性心臟病(簡稱冠心病)患病率和死亡率均居首位，且發病率呈年輕化趨勢，引起了國內外學者及相關研究機構的廣泛關注[1]。冠心病的二級預防多集中于動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)相關危險因素及心臟病本身的治療，因此應積極尋找和探索可進一步治療冠心病的方法和預測預后的指標，從而指導臨床實踐。有研究顯示，腸道菌群與神經系統疾病、呼吸系統疾病、代謝疾病、肝臟疾病和心血管疾病均有關[2]。腸道菌群通過多種代謝途徑調控人體健康，可能成為冠心病二級預防之外的新方向及預測冠心病進展的新方向[3]。現綜述冠心病與腸道菌群代謝關系的研究進展，以期指導臨床診療。

1 冠心病與腸道菌群

1.1 冠心病 冠心病是冠狀動脈狹窄所致心肌缺血引起的，其中占比最大的是動脈粥樣硬化性心血管疾病(ASCVD)，主要是由于AS不穩定斑塊破裂或糜爛導致冠狀動脈內血栓形成。目前AS病因尚未明確，相關危險因素主要包括高血壓、高脂血癥、糖尿病、肥胖、高尿酸、吸煙等[4]。目前我國經濟水平大幅提高，人民生活水平發展，生活方式改變及三高(即高血脂、高血壓、高血糖)人群基數逐年增加，導致ASCVD患病率持續升高，目前未得到有效控制，且呈年輕化趨勢。2013年歐洲心臟病學會穩定性冠狀動脈疾病治療指南正式將微血管功能障礙列入冠心病臨床類型[5]。2017年中華醫學會心血管病學分會組織基礎研究學組認為，微血管功能異常未涵蓋冠狀動脈微血管結構異常，因此，提出冠狀動脈微血管障礙(coronary microvascular dysfunction，CMVD)是直徑<500 μm的冠狀動脈結構和(或)功能異常導致的心肌缺血臨床綜合征[6]，以正電子發射型計算機斷層顯像(positron emission computed tomography，PET)心肌灌注顯像測量的冠狀動脈血流儲備(coronary flow reserve，CFR)<2作為判定標準[7]。CFR是指冠狀動脈接近最大限度擴張時，冠狀動脈血流量(coronary blood flow，CBF)或心肌血流量(myocardial blood flow，MBF)與靜息狀態下對應指標的比值，是測量整個冠狀動脈系統儲備功能的指標，冠狀動脈管腔直徑、管壁厚度、血壓、微循環阻力等因素均可影響CFR，且CFR<2是不良心血管事件的獨立預測因素，CFR降低可預測ASCVD發生。

1.2 腸道微生物 人類是一個超級有機體，與數萬億個共生細菌和真核細胞協調運作，存在于人體內和人體上的微生物群構成微生物群落[8]。多項研究顯示，微生物群落主要定植于人體口腔、腸道、陰道和皮膚4個部位[7，9-11]。人類腸道元基因組(MetaHIT)的發現為微生物組研究開辟了新的視野，4個主要定植部位中腸道微生物區系因其臨床意義受到微生物學家的廣泛關注。人的腸道面積為200～300 m2，是1014種微生物細胞的“秘密花園”，統稱為微生物區系，微生物區系較人體細胞豐富10倍，微生物區系的集體基因被稱為“微生物組”，較人類基因組高150倍[8]。胎兒分娩后腸道菌群在人體腸道內逐漸形成體系[12-13]，分娩方式、胎齡、嬰兒喂養方式、家庭結構、生活方式及遺傳等環境因素、家族相關因素和遺傳因素的組合構成了每個人腸道中獨特的細菌群體。個體中占優勢的菌群從溫暖、營養豐富的腸道環境中受益，同時在人體免疫學、新陳代謝、結構、神經環境及個體身心健康中發揮一些基本功能[14]。

1.3 冠心病與腸道微生物的關系 冠心病發病機制有不同的學說，從不同角度闡明，主要包括脂質浸潤學說、內皮損傷反應學說、血小板聚集和血栓形成學說、平滑肌細胞克隆學說等，其中脂質浸潤學說被廣泛接受[15]。高脂飲食與ASCVD的進展有關，主要治療方式是減少膽固醇及飲食中的反式脂肪酸、飽和脂肪酸和三酰甘油攝入量。有研究表明，接受他汀類藥物積極治療的病人，即使低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)已達到標準(<1.8 mmol/L)，仍存在殘余的心血管風險[16]。一項涉及26個國家1 315個地區的17 802名受試者的隨機、雙盲、安慰劑對照的多中心試驗證實，積極降低LDL-C后有超過50%的殘余心血管風險存在[17]。

腸道微生物與宿主形成復雜的網絡，隨著元基因組學和生物信息學發展，人類逐漸認識到其作為人體生物區系最大的群體，在多個代謝過程中(如AS、腫瘤、炎癥、代謝性疾病等)發揮著重要作用。腸道微生物群吸收和消化食物可產生大量代謝產物，一些生物活性代謝物以類似于人類內分泌器官的方式作用于胃腸道外的靶器官[18]。腸道微生物群組成的平衡有助于維持人體健康，腸道微生物群改變可能導致腸道微生物群失調，胃腸道疾病及胃腸道外疾病。腸道微生物如擬桿菌、梭狀芽孢桿菌和乳酸桿菌豐度已證實可預測冠狀動脈疾病[19]。2013年12月—2018年11月梅奧診所招募了213例接受心血管風險評估的病人，最終納入106例病人，分別為晚期冠心病病人組(53例)和年齡、性別、種族和體質指數匹配的對照組(53例)，利用16S核糖體DNA微生物群分析方法從受試者糞便中提取了16S rDNA的V3-V5區的腸道菌群組成，結果顯示，兩組腸道菌群組成存在差異，晚期冠心病病人腸道菌群由不同的微生物群組成，腸道微生物群豐富度和均勻性降低[20]。一項納入531例病人的隊列研究顯示，一些與心臟代謝相關的特征和代謝物(如肥胖、2型糖尿病、胰島素抵抗、AS、心力衰竭等)是由腸道微生物群調節的[21]。

2 相關機制

AS被認為是一種代謝性疾病及炎癥性疾病，斑塊形成和進展與腸道菌群密切相關，腸道菌群紊亂和微生物代謝產物是導致ASCVD的重要因素，腸道微生物區系通過直接或間接方式經消化道促進ASCVD的發生發展。一項對12例AS病人(因輕度缺血性中風、短暫性腦缺血發作或黑蒙而接受頸動脈內膜切除術)及13名性別和年齡匹配的對照組(雙側頸動脈無大的斑塊)糞便元基因組進行測序，同時參照國家生物信息中心(National Center for Biological Information，NCBI)和人類微生物組項目目錄(human microbiome project catalog)確定了腸道微生物的組成，說明腸道元基因組功能與癥狀性AS相關[22]。

2.1 直接方式 腸道微生物直接參與泡沫細胞的形成，加速AS進程。Ott等[23]研究了試驗組(38例病人)經冠狀動脈導管檢查獲得的AS切除術標本及對照組(包括15個死亡后標本及11個心臟移植供體的正常冠狀動脈)的冠狀動脈材料，通過熒光原位雜交證實了試驗組所有冠心病病人AS斑塊中存在細菌DNA，對照組正常冠狀動脈中均未發現細菌DNA。Koren等[24]應用聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction，PCR)對15例臨床AS病人和15名與AS病人匹配的健康對照組AS斑塊、口腔和糞便細菌群落進行了細菌16S rRNA基因擴增，結果顯示，AS斑塊中有細菌DNA存在，且AS斑塊微生物群落定植于人體其他部位的微生物群落，獨立于口腔及腸道微生物之外；AS的微生物群落包括一些與血漿膽固醇及載脂蛋白水平相關的類群，這些細菌DNA大多源自腸道菌群，通過促進泡沫細胞形成加重AS進程，進而導致ASCVD[25]。目前僅得到腸道菌群參與AS的發生與發展，但其是否為AS的始動因素有待進一步研究證實。

2.2 間接方式 腸道微生物作為人體獨立的偽內分泌器官，代謝組學揭示其衍生的活性代謝物包括三甲胺氮氧化物(TMAO)、短鏈脂肪酸(SCFA)、苯乙酰谷胺酰胺(phenylacetylglutamine，PAGln)、膽汁酸(BAs)、脂多糖(LPS)、肽YY(PYY)和胰高血糖素樣肽1(GLP-1)等[26-27]，腸道生態失調通過代謝依賴途徑改變各種活性代謝物產生，發揮促AS作用。

2.2.1 TMAO TMAO是腸道微生物和ASCVD相關性研究最多的代謝物之一。有研究表明，血漿TMAO升高與AS發生發展有關[28]，為預防和治療AS提供新的治療方向。自然界中TAMO主要存在于水產品中[29]，人體內TMAO主要是由腸道微生物消化第三大脂類磷脂產生膽堿，膽堿在腸道微生物作用下生成三甲胺(trimethylamine，TMA)[30]，TMA經腸道黏膜吸收入血后經門靜脈系統入肝，肝臟中黃素單加氧酶家族(flavin-dependent monooxygenases，FMOs)將TMA氧化生成TMAO。TMAO通過以下途徑促進AS：內皮功能障礙是血管損傷的標志，認為是AS的起點，TMAO通過破壞內皮連接蛋白，增強血管炎癥和氧化應激誘導內皮細胞功能障礙，開始AS進程[31]；TMAO可上調清道夫受體，增加巨噬細胞對氧化低密度膽固醇脂蛋白的識別，促進泡沫細胞形成，加速AS[32]；TMAO可抑制膽固醇逆向轉運(reverse cholesterol transport，RCT)，RCT是一種通過血漿中脂蛋白將多余的細胞膽固醇轉運到肝臟，通過糞便從體內排出，有研究顯示這一過程有減弱AS的作用[33]；TMAO可縮小膽汁酸池，膽汁酸池擴大可加速RCT，促進細胞內多余膽固醇經糞便代謝，具有抑制AS進程的作用[34]；TMAO可增強血小板高反應，發揮促AS的作用[35]。

2.2.2 SCFA SCFA是腸道內膳食纖維經腸道微生物代謝的終產物，主要包括醋酸、丙酸、丁酸[36]。Kasselman等[37]研究顯示，醋酸及丙酸主要由擬桿菌門產生，丁酸常由厚壁菌門產生。SCFA認為在幾種疾病中有促進健康的作用[38]。SCFA通過激活G蛋白偶聯細胞表面受體(G-protein coupled receptor，GPR)41和GPR43(也被稱為游離脂肪酸受體3、游離脂肪酸受體2)影響腸道和宿主代謝[39]。醋酸作為外周循環中豐富的SCFA，可誘導小鼠腸道產生免疫球蛋白A(IgA)，維持免疫相對穩定[40-41]。相關研究顯示，丙酸的作用依賴于調節性T細胞(regulatory T cells，Treg)，通過G蛋白偶聯受體，抑制組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases，HDAC)，發揮減輕心肌肥厚、纖維化、血管功能障礙、高血壓、炎癥的作用，可保護高血壓對心臟的損害，有效減少AS[42]。丁酸是維持腸道健康所需的主要能量來源，較少被吸收入血，是細菌平衡、腸道屏障功能和各種基因表達的重要調節者[43]；不僅可選擇性抑制腫瘤生長[44]，還可有效控制AS。雖然丁酸在外周血中以低濃度存在，一項喂養含丁酸的高脂飲食的小鼠實驗結果顯示，少量的丁酸通過減少巨噬細胞黏附和遷移，可增加斑塊穩定性，緩解AS進展，下調白細胞介素6(IL-6)，上調白細胞介素10(IL-10)，進而抑制炎癥等，為支持丁酸作為AS保護劑的可能提供了證據[45-46]。有研究表明，丁酸具有調節RCT的作用[47]。目前關于SCFA的研究多數基于小鼠等動物實驗，在人體中的具體代謝情況有待進一步研究。

2.2.3 PAGln PAGln是人類腸道菌群通過代謝將膳食中的苯丙氨酸轉化成苯乙酸，再與谷氨酰胺結合生成的代謝物質[48]。一項由4 000名穩定的心血管受試者組成的獨立不重疊的隊列研究進一步驗證PAGln與心臟病發作、腦卒中、死亡等主要不良心臟事件(MACE)發生風險之間的關系，同時將腸道細菌種植于無菌小鼠進行研究，在小鼠頸動脈損傷模型中發現，PAGln通過腎上腺素能受體發揮作用，增強血小板黏附，促進鈣離子釋放，加速血小板聚集和血栓形成，最終影響AS進展[49]。一項研究證實，血漿PAGln水平與ASCVD風險相關[50]。一項驗證血漿PAGln水平與冠狀動脈粥樣硬化嚴重程度之間關系的研究顯示，血漿PAGln水平高于中位數是疑似冠心病病人阻塞性冠心病存在的獨立預測因子，高血漿PAGln可預測ASCVD存在，同時部分解釋了血漿PAGln高水平與不良心血管事件高發生率之間的關系[51]。PAGln可能成為腸道菌群另一種潛在的藥物作用靶點。

2.2.4 其他代謝產物 BAs是膽固醇在肝臟細胞經肝細胞色素代謝產生，腸道微生物群對膽汁酸的調節至關重要，膽汁酸池擴大可能加速RCT，促進多余的細胞膽固醇轉運至肝臟，加速膽固醇從體內排泄，阻礙AS進程[52]。LPS是一種脂質和多糖的復合物，又稱內毒素，腸道菌群失調引起腸道通透性增加，導致循環LPS水平增高，循環LPS通過Toll樣受體4(TLR4)感知下游信號和髓系分化初級反應88(MyD88)轉導，促進炎癥和泡沫細胞形成[53]。TLRs感知到的信號導致脾臟B2細胞激活，從而改變免疫球蛋白G產生，促進AS發展[54]及ASCVD進展。

3 小 結

通過對血脂的嚴格調控，仍有諸多ASCVD病人存在心血管疾病危險因素，隨著對腸道菌群的深入研究，人類已對這一龐大基因庫有所了解。Marques等[55]研究表明，腸道微生物群是可遺傳的。有研究顯示，對腸道微生物群組成的調控可能影響宿主的心血管狀況[3]。已有部分病人接受了針對腸道調控的治療，是治療ASCVD的新方法。通過改善飲食習慣和生活方式、調節腸道菌群分布可預防AS發生發展，同時通過監測入血的某些腸道菌群代謝產物預測已確診ASCVD病人的預后及主要不良心血管事件發生率，從而明確ASCVD的發病機制，指導臨床診治工作，提高病人生活水平，降低冠心病發病率，減輕國家及人民經濟負擔。CFR<2是不良心血管事件的獨立預測因素，CFR降低可預測ASCVD發生，腸道相關代謝產物與ASCVD有關，CFR、腸道代謝產物與ASCVD的關系有待進一步研究明確。