肠道微生物-动脉粥样硬化的新靶点

肠道微生物 动脉粥样硬化的新靶点

李晴１ꎬ王浩１ꎬ张秀秀２ꎬ陈丁丁１

(１.中国药科大学ꎬ江苏南京２１１１９８ꎻ２.济南市妇幼保健院ꎬ山东济南２５００００)

摘要:肠道作为机体最大的微生物群系统ꎬ肠道内微生物组成和丰度发生改变与机体的健康密切相关ꎮ动脉粥样硬化的危险因素(高龄㊁肥胖㊁饮食习惯等)诱导肠道生态失衡ꎻ肠道微生物代谢产物(短链脂肪酸㊁三甲胺－Ｎ－氧化物等)的改变ꎬ诱导动脉粥样硬化的发生和发展ꎮ本文就肠道微生物及其代谢产物在动脉粥样硬化中的作用和以肠道为靶点的治疗㊁干预的研究进展做一综述ꎮ

关键词:肠道微生物ꎻ动脉粥样硬化ꎻ短链脂肪酸ꎻ三甲胺－Ｎ－氧化物

中图分类号:Ｒ５４３.６㊀文献标识码:Ａ㊀文章编号:２０９５－５３７５(２０２０)０７－０４１１－００５

ｄｏｉ:１０.１３５０６/ｊ.ｃｎｋｉ.ｊｐｒ.２０２０.０７.０１０

Ｇｕｔｍｉｃｒｏｂｅｓ—ｎｅｗｔａｒｇｅｔｆｏｒａｔｈｅｒｏｓｃｌｅｒｏｓｉｓ

ＬＩＱｉｎｇ１ꎬＷＡＮＧＨａｏ１ꎬＺＨＡＮＧＸｉｕｘｉｕ２ꎬＣＨＥＮＤｉｎｇｄｉｎｇ１

(１.ＣｈｉｎａＰｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１１１９８ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＪｉｎａｎＭａｔｅｒｎａｌａｎｄＣｈｉｌｄＨｅａｌｔｈ

ＨｏｓｐｉｔａｌꎬＪｉｎａｎ２５００００ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｓｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｍｉｃｒｏｂｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｙｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｂｏｄｙꎬｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｍｉｃｒｏｂｉａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄａｂｕｎｄａｎｃｅｉｎｔｈｅｉｎｔｅｓｔｉｎａｌｔｒａｃｔａｒｅｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｈｅａｌｔｈｏｆｔｈｅｂｏｄｙ.Ｒｉｓｋｆａｃｔｏｒｓｆｏｒａｔｈｅｒｏｓｃｌｅｒｏｓｉｓ(ｏｌｄａｇｅꎬｏｂｅｓｉｔｙꎬｅａｔｉｎｇｈａｂｉｔｓꎬｅｔｃ.)ｉｎｄｕｃｅｉｎｔｅｓｔｉｎａｌｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｉｍｂａｌａｎｃｅ.Ａｎｄｃｈａｎｇｅｓｉｎｉｎｔｅｓｔｉｎａｌｍｉｃｒｏｂｉａｌｍｅｔａｂｏｌｉｔｅｓ(ｓｈｏｒｔ－ｃｈａｉｎｆａｔｔｙａｃｉｄｓꎬｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ－Ｎ－ｏｘｉｄｅꎬｅｔｃ.)ｉｎｄｕｃｅａｔｈｅｒｏｓｃｌｅｒｏｓｉｓｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ.Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｒｅｖｉｅｗｅｄｔｈｅｒｏｌｅｏｆｉｎｔｅｓｔｉｎａｌｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓａｎｄｔｈｅｉｒｍｅｔａｂｏｌｉｔｅｓｉｎａｔｈｅｒｏｓｃｌｅｒｏｓｉｓａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｉｎｔｅｓｔｉｎａｌｔａｒｇｅｔｅｄｔｈｅｒａｐｙａｎｄｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＩｎｔｅｓｔｉｎａｌｍｉｃｒｏｂｅｓꎻＡｔｈｅｒｏｓｃｌｅｒｏｓｉｓꎻＳｈｏｒｔ－ｃｈａｉｎｆａｔｔｙａｃｉｄｓꎻＴｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ－Ｎ－ｏｘｉｄｅ

㊀㊀心血管疾病(ｃａｒｄｉｏｖａｓｃｕｌａｒｄｉｓｅａｓｅｓꎬＣＶＤ)在全球范围内具有较高的发病率和死亡率ꎬ据美国心脏协会报告:到２０３５年ꎬ美国将有４５.１％的成年人患有某种形式的心血管疾病ꎬ心血管疾病的总费用预计将到１.１万亿美元[１]ꎬ严重影响人们的生活质量ꎮ肠道内集结了人体７０％~８０％的免疫细胞ꎬ生存着超过１０００种的微生物[１]ꎬ而微生物群的组成影响肠黏膜屏障的通透性ꎬ与肠道炎症及全身炎症和代谢密切相关[３]ꎮ因此越来越多的证据表明肠道微生物群的生态失衡在心血管疾病的发展和维持中发挥重要作用ꎮ动脉粥样硬化可以诱发高血压㊁冠心病等ꎬ是引发心血管疾病的主要原因之一ꎬ因此受到众多研究者的关注ꎮ

１㊀肠道微生物群

肠道微生物群落主要由拟杆菌门(Ｂａｃｔｅｒｏｉｄｅｔｅｓ)㊁厚壁菌门(Ｆｉｒｍｉｃｕｔｅｓ)㊁放线菌门(Ａｃｔｉｎｏｂａｃｔｅｒｉａ)㊁变形菌门(Ｐｒｏ￣ｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ)和疣微菌门(Ｖｅｒｒｕｃｏｍｉｃｒｏｂｉａ)组成ꎬ其中拟杆菌门和厚壁菌门是主要的优势菌群ꎮ肠道微生物群组成的平

衡维持着肠道免疫及全身炎症和代谢ꎬ越来越多的研究表明

肠道中拟杆菌门和厚壁菌门的比例可以作为潜在病理状态

的生物标志物[４－５]ꎮ同时肠道微生物不仅可以消化营养物质为宿主提供营养和能量ꎬ而且代谢产物可以调节宿主的炎

症和免疫ꎮ肠道微生物代谢含Ｌ－肉碱的化合物产生的三甲

胺(ＴＭＡ)ꎬ被肝脏中黄酮类单加氧酶(ＦＭＯ３)氧化为三甲胺－Ｎ－氧化物(ＴＭＡＯ)ꎮ２０１１年ꎬ代谢组学研究首次将人血浆中ＴＭＡＯ水平作为评估心血管风险的因素[６]ꎮ短链脂肪酸(ＳＣＦＡ)由肠道微生物发酵膳食纤维产生ꎬ可以在肠道中与Ｇ蛋白偶联受体ＧＰＲ４１和ＧＰＲ４３结合ꎬ调节宿主炎症和免疫[７]ꎮ

２㊀动脉粥样硬化的主要危险因素与肠道生态失衡

饮食㊁年龄和肥胖等是引发动脉粥样硬化的危险因素ꎬ

研究表明这些因素均会影响肠道生态平衡ꎬ介导机体病理状

㊀作者简介:李晴ꎬ女ꎬ研究方向:心脑血管药理学ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｌｉｑｉａｎｇｃｐｕ＠１２６.ｃｏｍ

㊀通信作者:陈丁丁ꎬ男ꎬ博士研究生ꎬ副教授ꎬ研究方向:生化药理ꎬTel:138****9968ꎬE－ｍａｉｌ:ｃｈｄｄ＠ｃｐｕ.ｅｄｕ.ｃｎ

态ꎮ一项对双胞胎的宏基因组数据分析表明ꎬ饮食和生活环境对肠道微生物组成和功能的影响远超遗传因素[８]ꎬ最近的研究表明[９]ꎬ移民到美国的亚裔人群肠道微生物的多样性和功能降低ꎮ高脂饮食通过增加促炎级联反应直接增强肠道通透性ꎬ还可以增加屏障破坏细胞因子(ＴＮＦ－α㊁ＩＬ－６和干扰素－γ)和减少屏障形成细胞因子(ＩＬ－１０㊁ＩＬ－１７和ＩＬ－２２)的产生间接增强肠道通透性ꎻ并且高脂饮食负向调节肠道黏液组成ꎬ富集具有肠道破坏作用的肠道微生物[１０]ꎮ肥胖成人肠道微生物群多样性降低ꎬ拟杆菌门与厚壁菌门比例降低[１１]ꎬ并且随着年龄增加ꎬ肠道微生物的多样性也会降低ꎬ并且病原体微生物群增加ꎬ诱发炎症反应ꎬ促进动脉粥样硬化的发展[１０]ꎮ

同样肠道微生物参与动脉粥样硬化的发生与发展ꎮＺｉ￣ｇａｎｓｈｉｎａ等[１２]对动脉粥样硬化患者颈动脉的硬化斑块中细菌的多样性和丰度进行检测ꎬ并结合一些临床参数发现ꎬ一些细菌至少部分可能通过不同的机制参与动脉粥样硬化的发展ꎮ无菌动物模型更是提供了肠道微生物与动脉粥样硬化的关系的直接证据ꎮ传统饮食饲养的小鼠较同样饲养的无菌小鼠相比ꎬ主动脉病变覆盖面积的百分比较小ꎬ血浆胆固醇水平较低[１３]ꎮ另一项研究将高血压患者粪便微生物移植到无菌小鼠体内ꎬ与移植健康对照者粪便微生物的对照小鼠相比ꎬ在移植１０周后ꎬ出现血压升高ꎬ心跳加快[１４]ꎮ由此推断ꎬ健康的肠道微生物群对机体发挥一定的保护作用ꎬ而微生物群失衡促进动脉粥样硬化的发生ꎮ

３　肠道微生物代谢产物介导动脉粥样硬化

肠道作为体内最大的消化器官ꎬ肠道内大量的微生物可以代谢营养物质(肉类食物)㊁不可消化的碳水化合物(膳食纤维)和蛋白质ꎬ产生ＴＭＡＯ和ＳＣＦＡｓ(乙酸㊁丁酸㊁丙酸等)ꎬ将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸ꎬ共同影响机体一系列的代谢途径㊁炎症和免疫反应ꎬ在动脉粥样硬化的发病机制中发挥重要作用ꎮ

３.１㊀ＴＭＡＯ㊀肠道微生物代谢胆碱㊁肉碱等营养物质ꎬ产生ＴＭＡꎬ后被ＦＭＯ３氧化为ＴＭＡＯꎬ进入血液循环ꎮ常规小鼠补充膳食胆碱或ＴＭＡＯ(相对于对照食物组)ꎬ血浆ＴＭＡＯ水平显著增加ꎬ血栓形成潜力增强ꎻ相反ꎬ补充胆碱的无菌小鼠中不产生ＴＭＡＯꎬ血栓形成能力也没有增强ꎬ而在无菌小鼠中提供膳食ＴＭＡＯ可以缩短血流停止时间ꎬ促进血栓形成[１５]ꎬ表明ＴＭＡＯ是肠道微生物影响血栓形成的重要因素ꎮ此外ꎬ另一项研究表明ꎬ喂食西方饮食(ＣＶＤ的危险因素)的小鼠具有更高的血浆ＴＭＡＯ浓度并且发展为心脏功能障碍和心脏纤维化[１６]ꎮ因此推测ＴＭＡＯ介导动脉粥样硬化的发病机制ꎮ随着对肠道微生物研究的深入ꎬ被发现的ＴＭＡＯ影响动脉粥样硬化的途径越来越多ꎮ

３.１.１㊀ＴＭＡＯ诱导炎症反应㊀除原发性的心血管疾病外ꎬ大多数的心血管疾病患者都存在长期的慢性炎症ꎬ抗感染治疗可以降低心血管疾病的风险ꎮ因此有不少研究者认为ꎬＴＭＡＯ影响ＣＶＤ的发展是主要由于其诱导炎症反应的结果ꎮ不少研究表明ꎬＴＭＡＯ可以通过不同的途径激活ＮＬＲＰ３炎性小体而激活诱导血管炎症反应ꎬ从而促进动脉粥样硬化的发生ꎮ比如Ｃｈｅｎ等[１７]的研究发现ꎬＴＭＡＯ诱导的部分ＮＬＲＰ３炎性小体激活是通过ＳＩＲＴ３－ＳＯＤ２－ｍｔＲＯＳ信号途径介导ꎬ而Ｓｕｎ等[１８]的则研究了ＲＯＳ的下游通路ꎬ发现ＴＭＡＯ通过ＲＯＳ－ＴＸＮＩＰ－ＮＬＲＰ３炎性体诱导内皮细胞炎症ꎮ

３.１.２㊀ＴＭＡＯ可增强血小板的高反应性和血栓形成风险㊀血栓性心血管疾病主要是由于血管内形成的由血小板㊁纤维蛋白和一些细胞组成的阻塞性血栓引发ꎮＴＭＡＯ不仅可以通过增强细胞内储存Ｃａ２＋的刺激依赖性释放促进血小板的高反应性(尤其是对凝血酶和ＡＤＰ)ꎬ而且可以直接增强人血小板对多种激动剂(凝血酶㊁ＡＤＰ和胶原蛋白)的高反应性ꎬ增强血栓形成风险[１４]ꎮ

３.１.３㊀调节脂质代谢㊀血脂升高ꎬ动脉粥样硬化和高血压的风险增加ꎬ加重心脏泵血负荷ꎬ心脏代偿性增生ꎬ长此以往ꎬ诱发心血管疾病ꎮ产生ＴＭＡＯ的酶ＦＭＯ３可减少胆固醇逆向转运ꎬ改变组织胆固醇和甾醇代谢ꎬ因此ＦＭＯ３/ＴＭＡＯ途径可能是调节胆固醇水平和新陈代谢的关键因素ꎬ发挥致动脉粥样硬化作用[１９]ꎮＴＭＡＯ可以诱导泡沫细胞的形成ꎬ促进脂质的累积ꎬ可能与激活ＣＤ３６/ＭＡＰＫ/ＪＮＫ途径有关[２０]ꎮ３.１.４㊀ＴＭＡＯ诱导血管内皮功能障碍㊀血管内皮依赖性舒张功能受损是多种心脑血管疾病的病理基础ꎬ在动脉粥样硬化的形成和发展中均有发生ꎮ一方面ＴＭＡＯ可以通过诱导ＮＬＲＰ３炎性小体激活诱导血管炎症导致内皮功能障碍[１８ꎬ２１]ꎬ此外还可以损害血管内皮自我修复功能ꎬ促进内皮细胞中血管细胞黏附分子(ＶＣＡＭ－１)表达及单核细胞的粘附作用引起内皮功能障碍[２２]ꎮ

３.２㊀ＳＣＦＡ㊀人体内绝大多数的短链脂肪酸是由结肠细菌发酵膳食纤维产生ꎬ主要包括乙酸㊁丙酸和丁酸等ꎬ不仅可以调节肠道内的ｐＨ值ꎬ维持肠道通透性ꎬ而且进入循环ꎬ与其受体结合ꎬ可以调节机体的能量稳态㊁免疫和炎症ꎬ影响心血管系统功能ꎮ随着近几年对肠道微生物与心血管系统关系的研究深入ꎬ越来越多的研究表明ＳＣＦＡｓ通过调节血压和脂质水平㊁抗炎和抗氧化的作用在动脉粥样硬化中发挥有益作用ꎮ

已知ＳＣＦＡｓ调节体内脂质代谢ꎬ丁酸盐可以激活ＧＰＲ１０９Ａꎬ从而抑制脂肪细胞中甘油三酯水解ꎬ而乙酸盐和丙酸盐可以激活ＧＰＲ４３从而抗脂肪分解并诱导中性粒细胞趋化性[２３]ꎬ从而降低动脉粥样硬化的风险ꎮ早期的研究已证实ＳＣＦＡｓ可以通过降低胆固醇的合成降低血浆胆固醇的水平ꎬ近期的研究表明丁酸盐膳食补充还可以通过降低胆固醇的吸收和肠细胞对胆固醇的排泄来减少高脂饮食喂食的无菌小鼠血管动脉粥样硬化斑块面积[２４]ꎮＡｇｕｉｌａｒ等[２５]研究发现给予ＡｐｏＥ－/－小鼠丁酸盐可以减少ｉＮＯＳ㊁ＮＡＤＰＨ氧化酶和ＲＯＳ的产生ꎬ减弱主动脉内皮功能障碍和巨噬细胞的迁移与活化ꎮ

３.３㊀胆汁酸(ｂｉｌｅａｃｉｄꎬＢＡ)㊀胆汁酸包括初级胆汁酸和次级胆汁酸ꎬ初级胆汁酸在肝脏内由胆固醇合成ꎬ释放至肠道ꎬ在肠道内被水解为次级胆汁酸ꎬ二者均可以与内源性ＢＡ受体