楊芾 王淙玉 王琳 王軍奎 劉富強 姬新才

心力衰竭(HF)作為心血管疾病終末階段的病理狀態(tài)，其高患病率及高死亡率威脅著人類健康。隨著HF病理生理機制的深入探討，治療模式也由“水鈉潴留”模式轉變?yōu)椤吧窠?jīng)內分泌異常激活”模式。盡管目前各類新型藥物的治療較有成效，但我國心血管疾病仍占居民疾病死亡原因構成的40%以上，且住院費用高昂。腸道黏膜損失引起細菌易位、腸道代謝產(chǎn)物等經(jīng)典學說為HF的病理生理機制研究及治療策略提供了新的視角，同時與傳統(tǒng)細菌培養(yǎng)技術相比，16S rRNA擴增子測序技術及代謝組學方法的推廣使用為腸道菌群紊亂提供了直接證據(jù)。本文將對HF與腸道菌群失調的研究進展進行闡述。

一、生理情況下腸道菌群的特點及作用

腸道作為抵御“外來侵略”的人體長城，有著雙重屏障，一是機械屏障，由腸道黏膜上皮細胞及細胞間緊密連接的完整性發(fā)揮主要作用；二是免疫屏障，主要包括腸道相關淋巴組織與巨噬細胞，腸道中豐富的巨噬細胞通過分泌細胞因子控制腸道中促炎及抗炎反應來誘導天然免疫應答，炎癥效應使得固有層巨噬細胞對共生細菌反應減弱，從而維持對腸道微生物的耐受性，腸道免疫系統(tǒng)在共生菌的耐受性和致病菌的免疫力之間產(chǎn)生微妙的平衡[1]。腸道中細菌種類達1 000余種，基因組成高達100萬億，為人類基因的100余倍，故腸道菌群被形象地稱為“第二個基因組”[2]。腸道菌群對內外環(huán)境變化非常敏感，在機體體液失衡、電解質紊亂、供血不足、營養(yǎng)因素缺乏等內源性因素的影響下，菌群結構可發(fā)生變化。

二、HF時腸道菌群的變化特點

應用16S rRNA擴增子測序及宏基因組測序方法研究顯示，慢性HF患者的腸道菌群紊亂狀態(tài)表現(xiàn)為以下幾點：(1)HF患者糞便中菌群結構發(fā)生改變，乳酸桿菌、雙歧桿菌、類桿菌等益生菌數(shù)量減少，而彎曲桿菌、志賀桿菌、沙門菌、耶氏森菌和假絲酵母菌等腸道上皮細胞病原菌數(shù)量增多；(2)腸道菌群組成結構發(fā)生變化，由腸道細菌介導下的腸道代謝產(chǎn)物含量比例也隨之發(fā)生相應的變化；(3)HF患者血清免疫球蛋白A-抗脂多糖濃度較高，這與結腸黏膜活檢獲得細菌增多有關[3]。腸道細菌移位與腸道黏膜屏障受損通透性增高相關，相關實驗中三氯蔗糖排泄法為腸道黏膜通透性變化的測量提供直接證據(jù)，實驗結果顯示，與正常人相比，HF患者腸道三氯蔗糖排泄率增加2.1倍[4]。HF癥狀和體征的嚴重程度與腸道通透性及細菌種類、數(shù)量密切相關。

三、腸道菌群改變對HF的影響及其可能機制

1.腸道菌群改變介導的炎癥反應與HF

HF患者腸道血流灌注減少，引起腸道上皮細胞脫落壞死、通透性增高，細菌產(chǎn)生的內毒素(LPS)入血，與脂多糖結合蛋白(LBP)受體結合后啟動信號級聯(lián)炎癥反應，同時在內源性刺激作用下腸道相關淋巴組織釋放細胞因子和炎癥介質，如腫瘤壞死因子(TNF)-α、白細胞介素(IL)-6和IL-1等，導致心肌細胞凋亡增加、內皮功能障礙，進而引起心肌重構，加重HF癥狀[5]。研究表明周圍組織水腫的HF患者血漿內毒素和炎性細胞因子濃度高于無水腫者，短期利尿劑治療后，血清內毒素濃度下降，提示內毒素可能與HF引起的胃腸道系統(tǒng)水腫有關[6]。

2.腸道菌群代謝產(chǎn)物與HF

(1)三甲胺N-氧化物代謝與HF

腸道菌群參與食物的消化代謝，血液中的TMAO水平與飲食中磷脂酰膽堿、膽堿和肉堿的攝入量有關，腸道菌群將攝入磷脂酰膽堿(卵磷脂)的膽堿轉化成三甲胺(TMA)，在肝臟黃素單加氧酶(FMO)的作用下轉換成TMAO[3]。用同位腸道素標記的TMAO喂食小鼠，可在其血漿中檢測到被同位素標記的TMA，同位素追蹤法驗證了TMAO與TMA的逆轉學說，且該逆轉反應可被廣譜抗生素所抑制，考慮代謝逆轉反應可能在腸道微生物的介導下完成，也推測出TMAO并非僅為腸道微生物代謝產(chǎn)物，也可經(jīng)腸道直接攝取所得[7]。

腎臟清除率、腸道菌群成分的變化及性激素水平均可影響血漿中TMAO的代謝：①TMAO通過腎臟排泄，慢性腎臟病患者的腎小球濾過率降低可引起TMAO的累積，可見腎功能下降能引起血漿TMAO濃度增加，在研究TMAO變化程度時需排除腎小球濾過率等混雜因素[8]；②在使用廣譜抗生素治療1周后發(fā)現(xiàn)ApoE基因敲除小鼠體內TMAO水平明顯降低，說明抗菌治療后腸道菌群的變化與TMAO水平密切相關[9]；③實驗結果表明，性激素可作為誘導劑調控關鍵酶肝臟黃素單加氧酶3(FMO3)的相關基因，從而使雌性小鼠TMA向TMAO的轉化效率較雄性小鼠升高，即雌激素對TMAO的合成起促進作用，相反睪酮對其合成起抑制作用[10]。有研究結果顯示，女性月經(jīng)后尿液中TMA含量較月經(jīng)前增加，間接說明由TMA向TMAO轉化減少，可能與月經(jīng)周期中性激素變化有一定相關性[11]。

大量研究已證實TMAO可導致冠狀動脈粥樣硬化斑塊的形成，TMAO可作為預測心血管事件的獨立危險因素。TMAO引起缺血性心肌病患者HF的原因暫無明確定論。研究表明，缺血性HF患者TMAO水平不僅明顯高于非缺血性心肌病患者，與穩(wěn)定型心絞痛患者相比也有顯著差異[12]，表明除了缺血性病因導致TMAO升高外，其他潛在機制也可能增加TMAO水平升高HF患者的死亡風險[12]。

有研究在對小鼠行主動脈弓縮窄術(TAC)后，分別對對照組、喂食膽堿組和喂食TMAO組小鼠建立3組實驗模型，12周后利用3組小鼠冠狀動脈周圍組織制作病理切片，后行組織學染色結果表明：與對照組相比，喂食TMAO組小鼠冠狀動脈周圍組織中定量的Pmicrosirius紅染色增加，表明心臟纖維化程度增加[13]。喂食TMAO的HF小鼠心臟纖維化增加，最終導致左心室僵硬，失去順應性，從而損害心臟收縮和舒張功能，與心功能不良預后指標變化相一致?？梢娧褐械腡MAO水平升高會導致左心室擴張、左心室射血分數(shù)(LVEF)降低、腦尿鈉肽(BNP)水平增加、肺水腫加重及心肌纖維化等。同時發(fā)現(xiàn)促炎細胞因子TNF-α、IL-1升高及抗炎細胞因子IL-10減少[14]。

對于HF進展與腸道菌群失調相關機制的研究尚未明確，有學者認為血液中TMAO可調節(jié)促炎介質與抗炎介質的動態(tài)平衡,即上調促炎細胞因子和下調抗炎細胞因子，最終導致心肌纖維化和心功能障礙[25]。研究表明血液中TMAO水平與LVEF及心肌成纖維細胞標志物波形顯著相關[15]。除TMAO對于心肌細胞影響的炎癥學說外，相關在能量代謝方面的研究也得到了新的見解，TMAO可抑制丙酮酸脫氫酶(PDH)和心肌線粒體丙酮酸氧化反應的發(fā)生，從而減少ATP生成。透射電子顯微鏡(TEM)可視下心肌細胞中糖原積累及脂褐素的出現(xiàn)均為細胞氧化和線粒體功能障礙提供了可靠證據(jù)[16]。

關于TMAO對HF患者預后關系的研究表明血清中TMAO對慢性HF產(chǎn)生的影響較急性HF更強，引起這一差異的潛在機制尚未明確，在排除TMAO對冠狀動脈粥樣硬化的影響因素后，考慮與TMAO引起腎臟纖維化，繼而導致腎功能下降，循環(huán)中TMAO累積進一步加重其對心功能的下降有關[17]。

(2)短鏈脂肪酸(SCFA)代謝與HF

腸道的另一代謝產(chǎn)物丁酸鹽SCFA(乙酸、丙酸和丁酸等)是膳食纖維在厭氧菌作用下的代謝產(chǎn)物，不僅可作為宿主的能量來源[18]，而且還可以通過防止致病菌及有害物質侵入來維持腸道屏障。SCFA可表現(xiàn)出多重效應[17]，其對于巨噬細胞可發(fā)揮抗炎及促炎作用，通過激活腸道巨噬細胞來誘導一氧化氮(NO)、IL-6、IL-12等炎癥介質的釋放，從而防止心肌肥大及纖維化的發(fā)生[19]。有研究表明，膳食纖維和乙酸酯可通過調節(jié)關鍵通路和基因而改善心臟和腎臟功能，包括轉錄因子Egr1。轉錄因子Egr1是心臟和腎臟發(fā)生纖維化及炎癥而導致心血管疾病的主要調節(jié)因子，同時SCFA可通過抵御腸道革蘭陰性菌生長、增加產(chǎn)醋酸菌群數(shù)量來糾正腸道菌群失調[20]。

HF與腸道菌群變化之間相互作用，HF患者腸道淤血引起菌群移位，繼而引起內毒素入血、激活細胞因子，細胞因子的產(chǎn)生反過來又引起炎癥、纖維化、微血管和心肌功能的改變。因此腸道菌群結構發(fā)生變化所引發(fā)的炎癥介質及TMAO增多等多重因素共同影響HF的進程。

四、干預腸道菌群失調治療HF的展望

隨著我國居民生活水平的不斷提高，雞蛋、肝臟、瘦肉、家禽和魚等富含膽堿食物的攝入增加為心血管疾病的發(fā)生帶來隱患，因此對于代謝產(chǎn)物TMAO、SCFA與HF的相關性研究有一定的必要性。通過調節(jié)菌群平衡、調控TMAO等代謝途徑為基礎進行研究，可能成為HF與腸道菌群失調領域新的突破口。

抗生素可通過消除微生物來抑制腸道菌群活性，降低TMAO的轉化。廣譜抗生素如環(huán)丙沙星和甲硝唑的使用幾乎完全抑制了TMAO的轉化，但只能起短期抑制作用，且抗生素對細菌的抑制作用難以精確定位靶點，長期使用抗生素治療可導致細菌耐藥，影響有益的細菌繁植，也可引起抗生素相關性腸病[21]。

選擇性消化道去污(SDD)采用粘菌素B/布霉素等非吸收抗生素來降低慢性HF患者腸道革蘭陰性桿菌的負荷，同時顯著降低血液及糞便中內毒素的產(chǎn)量，抑制免疫激活的發(fā)生，降低IL-1和IL-6等炎癥介質水平，抑制炎癥因子途徑在HF進展中的作用[22]。

膳食結構的調整成為改變腸道菌群構成的有效途徑，與傳統(tǒng)飼養(yǎng)的小鼠相比，無菌小鼠血漿和糞便中膳食纖維代謝產(chǎn)物乙酸、丙酸和丁酸的含量可忽略不計，表明腸道微生物是宿主產(chǎn)生這些CSFA的主要原因。部分研究顯示16S rRNA擴增子測序技術可以檢測到腸道菌群中產(chǎn)SCFA細菌的豐度與腸道菌群結構有相關性，代謝產(chǎn)物SCFA可促進有益腸道微生物生長并抑制機會病菌的生長。慢性HF患者糞便中產(chǎn)SCFA細菌及其編碼基因減少，SCFA含量的變化也可作為反映腸道菌群結構變化的生物標志物[19]。

益生素這一生物活性物質可作為調節(jié)腸道菌群失衡的補充劑，參與調節(jié)腸道內pH、生成抗菌產(chǎn)物、直接抑制病原菌，同時也刺激了有益細菌的生長。在慢性HF小鼠模型中，與安慰組相比，經(jīng)益生菌治療組小鼠中肌酐、尿酸、超敏C反應蛋白(hs-CRP)等生化指標水平下降，心臟超聲檢查結果顯示左心房內徑、LVEF均較前有所改善[23-24]。

五、總結

腸道菌群失調在心血管疾病發(fā)展進程中起重要作用，細菌移位可引發(fā)炎癥介質及免疫功能變化，細菌代謝產(chǎn)物TMAO及SCFA等均參與其中。探索腸道菌群HF的關系，為認識和干預HF提供了新的視角及策略。