腸道菌群與動脈粥樣硬化研究進展*

牛苗苗 陳 華

(中國人民解放軍總醫院，北京 100853)

動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)引發的腦卒中、冠心病等心腦血管疾病是威脅人類健康的頭號殺手[1]。AS發病機制復雜，目前尚未完全闡明，比較公認的學說有脂源性學說、炎癥學說、損傷應答學說等。近年的研究發現，腸道菌群以及與宿主的共代謝物可直接或間接影響AS形成，在AS病變過程中發揮著重要作用[2-4]。腸道菌群及其代謝物已成為AS防治的重要靶點[5]。

1 腸道菌群概述

腸道菌群是由微生物組成的復雜生態系統，數量約1014個，種類多達上千種，以擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes)等厭氧菌為主，其余有變形菌門(Profeobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)等[6]。腸道菌群的微生物組成與宿主的基因型、年齡、飲食習慣、健康狀態等相關[7-8]。

腸道菌群通過直接參與食物的營養代謝影響機體的各種生理過程。腸道菌群分解膳食纖維類復雜的碳水化合物產生短鏈脂肪酸維持腸道正常的pH，減少有害菌的生長；雙歧桿菌(Bificobacterium)、乳桿菌(Lactobacillus)等合成B族維生素、維生素K等多種人體生長發育所必需的維生素；腸道菌群還能合成天冬氨酸(ASP)、丙氨酸(Ala)等非必需氨基酸，為人體提供蛋白質。此外腸道菌群還具有生物屏障、免疫調節等作用。因而，腸道菌群也被認為是動物宿主的又一必需“器官”[9]。

腸道菌群與宿主共同進化而共生，通過宿主-腸道菌群之間相互作用衍生出短鏈脂肪酸、膽汁酸、吲哚等共代謝產物[10]。這些代謝產物作為化學信使，介導微生物和宿主之間的互作，在維持機體健康和各種疾病進程中發揮重要作用。

2017年開始，我國陸續啟動了中科院微生物組計劃、中國腸道宏基因組計劃等重要研究計劃，關注微生物與疾病之間的關系。腸道菌群及其代謝物在消化道疾病、代謝性疾病、腫瘤等疾病當中的重要作用逐漸被揭示，特別是對肥胖、糖尿病、AS等代謝性疾病的影響及防治研究已成為目前科學研究的熱點之一[2-3, 11-12]。

2 腸道菌群與AS

2.1 AS相關的腸道菌群變化

研究顯示，動脈粥樣斑塊中可檢測到細菌DNA，以厚壁菌和變形菌門居多，其中以螺桿菌(Helicobacter)和奈瑟氏球菌科(Neisseriaceae)為代表，與斑塊的形成或不穩定相關[13-16]。AS性心血管疾病患者腸道菌群中腸桿菌科豐度增加，其豐度與心肌指標正相關[17]。同時擬桿菌(Bacteroidesspp.)豐度顯著降低，且厚壁菌/擬桿菌比值升高[18]。在心肌梗死或腦血管事件AS患者的糞便中，柯林斯氏菌屬(Collinsella)明顯富集，而健康對照組羅氏菌屬(Roseburia)富集[19]。小鼠AS模型中的研究發現，腸道中以羅斯拜瑞氏菌(R.intestinalis)為代表的產丁酸菌豐度明顯降低，并與斑塊大小呈顯著負相關[20]。擬桿菌、梭狀菌、乳酸桿菌等腸道菌則被證明可以預測冠狀動脈疾病[21]。

AS還與菌群來源的代謝物相關。研究顯示，AS患者血液中脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)和氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide， TMAO)等菌群衍生的代謝產物增多[22]，可作為AS的重要生物標志物。超過3 000名頸AS患者數據分析顯示，血漿中的TMAO、硫酸對甲苯、對甲苯葡糖苷酸、苯乙酰谷氨酰胺顯著升高，并且TMAO及硫酸對甲苯可作為頸動脈斑塊的顯著獨立預測因子[11]。AS病變程度及心臟并發癥風險與血漿中犬尿氨酸和色氨酸濃度比值呈正相關[23]。

2.2 腸道菌群影響AS的機制

腸道菌群失調通過代謝非依賴性及代謝依賴性的途徑參與AS的進展。代謝非依賴性途徑是指局部或遠處的感染引起的炎癥反應，加劇斑塊發展或觸發斑塊破裂；代謝依賴性途徑主要包括兩個方面，一是腸道菌群直接參與膽固醇和甘油三酯代謝，二是菌群代謝產物如膽汁酸、TMAO、丁酸鹽等相關的信號通路可能會對AS產生不同的影響[2, 24]。同時，菌群還可通過影響肥胖、2型糖尿病、血壓等AS風險因素，間接影響AS的發生和進展[12]。此外，腸道菌群還可以遠程調控血管miRNA的表達引起內皮細胞功能受損，影響AS發生及進展[25]。

2.2.1免疫炎癥反應：研究表明，AS是多種免疫細胞及炎癥因子介導的全身免疫炎癥反應[26]。失衡的腸道革蘭氏陰性桿菌可以釋放大量LPS，破壞腸壁屏障引起細菌外流；LPS能夠結合巨噬細胞表面的Toll樣受體4(TLR4)，促進低密度和極低密度脂蛋白受體表達增加，使脂質攝入增多[26]。頸動脈AS患者的斑塊局部也可檢測到LPS及TLR4表達升高，并與巨噬細胞活化及Nox2的表達上調相關[27]。同時，部分革蘭氏陽性細菌的細胞壁肽聚糖(peptidoglycan，PGN)透過損傷的腸壁入血，刺激單核細胞、巨噬細胞和內皮細胞釋放大量腫瘤壞死因子、白介素等細胞因子，增強炎癥反應[28]。PGN的降解產物還能激活NF-κB 和MAPK信號通路，進一步增加炎性因子的釋放，促進AS進展[29]。此外，腸道菌群能夠調節腸道內T細胞的亞型分化和炎性因子分泌，影響AS進展[5, 30]。腸道菌群的代謝產物也能夠被機體樹突狀細胞識別，如膽汁酸的代謝產物3β-羥基脫氧膽酸通過作用于樹突狀細胞，增加其抗炎表型的基因表達，減弱其免疫刺激特性，促進CD4陽性T細胞向外周Treg細胞分化，增加其外周分布[31]。丁酸和丙酸則通過降低樹突狀細胞的成熟，抑制AS的發展[32]。

2.2.2脂代謝紊亂：研究發現，無菌小鼠與正常小鼠采用相同飲食處理，無菌小鼠血脂水平高40%，提示腸道菌群在脂類代謝中發揮重要作用[33]。腸道菌群發酵碳水化合物產生的短鏈脂肪酸可通過抑制肝臟脂肪合成酶的活性調節血清甘油三酯水平，并通過平衡膽固醇在血與肝臟中的重分布調節血清膽固醇水平；腸道中的雙歧桿菌、乳酸桿菌和腸球菌(Enterococcus)能促進血循環中的膽固醇轉化，其豐度降低會造成血膽固醇升高[34-35]。膽固醇和甘油三酯代謝紊亂是AS的基礎，因而腸道菌群失調是AS的重要促發因素。反過來，高脂飲食及高脂血癥則通過減少腸道內養料來源、改變氧化還原狀態、破壞菌群賴以生存的微環境來影響腸道菌群的構成。

2.2.3菌群代謝產物：腸道細菌發酵膳食纖維產生的丁酸鹽、醋酸鹽和丙酸鹽等短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)，具有抗AS作用，如降低炎性因子分泌、促進糖脂代謝等[36]。梭狀芽孢桿菌(Clostridium)等腸道菌群分解膳食中的膽堿、卵磷脂等，產生三甲胺(trimethylamine，TMA)和TMAO[37]。TMAO是菌群失調促進AS的一個重要機制[38]。TMAO可以激活MAPK和NF-κB通路引起血管炎癥，促進泡沫細胞的形成[39]；TMAO減少膽汁酸分泌及膽固醇逆轉運，增加膽固醇堆積[40]。腸道菌群分解食物中的色氨酸產生的吲哚類衍生物及精氨酸產生的多胺，均可以增強腸上皮的屏障功能，抑制腸道炎癥[41]。結腸菌群分解花青素產生的原兒茶酸，促進巨噬細胞三磷酸腺苷結合轉運，減少泡沫細胞的形成[42]。以上研究結果證明，腸道菌群代謝產物作為化學信使，介導菌群和宿主之間的相互作用，在AS發生和進展中發揮重要作用。

2.3 腸道菌群與AS治療

研究顯示，腸道菌群結構的改變可以降低AS風險。小鼠AS模型采用普通擬桿菌和多氏擬桿菌灌胃，可以降低腸道和全身炎癥反應，減緩AS形成[43]。健康受試者服用動物雙歧桿菌乳雙歧亞種LKM512株12周后，腸道中梭狀芽孢桿菌、梭菌目(Clostridiales)、毛螺菌科(Lachnospiraceae)的相對豐度及產TMA菌的豐度較安慰劑組降低，糞便三甲胺濃度、BMI指數、血清TNF-α水平也顯著降低，提示LKM512通過降低腸道菌群產生的TMA，降低AS風險[44-45]。植物乳桿菌ZDY04可以通過調節ApoE基因敲除小鼠腸道毛螺菌科(Lachnospiraceae)、丹毒絲菌科(Erysipelotrichaceae)、擬桿菌科的相對豐度顯著降低血清TMAO和盲腸TMA水平，抑制TMAO誘導的AS進展[46]。將產丁酸的羅斯拜瑞氏菌定植于ApoE基因敲除無菌小鼠也可降低腸道內和全身的內毒素和炎癥反應，緩解AS進展[20]。

靶向菌群代謝物合成，也可以影響AS進展。小鼠飲食中補充膽堿、TMAO或甜菜堿可上調AS相關的巨噬細胞清除受體表達，促發AS。膽堿類似物3,3-二甲基-1-丁醇則可以靶向ApoE基因敲除小鼠腸道菌中的TMA裂解酶，抑制TMA生成，導致血漿TMAO水平降低，小鼠內源巨噬泡沫細胞形成減少，從而減弱膽堿引起的AS[47]。美國克利夫蘭醫學中心以菌群產生TMA的能力為靶，開發了一類新型藥物，能在小鼠中顯著降低TMA和TMAO水平、減少血栓形成[37]。高脂飲食喂養的ApoE基因敲除小鼠模型中，丁酸鹽的攝入可上調巨噬細胞中ABCA1的表達，促進巨噬細胞膽固醇外排，改善AS[48]。

3 前景展望

腸道菌群與代謝性疾病的關系是近年來的研究熱點，目前腸道菌群與AS防治已取得了一定的研究進展，然而距離其臨床轉化還有很多問題亟需解決。隨著動物模型的進一步完善以及多組學手段的聯合應用，腸道菌群及其代謝物一定會迎來更加良好的應用前景。