牛苗苗 陳 華

(中國人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853)

動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)引發(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)，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(fā)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(tài)系統(tǒng)，數(shù)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(tài)等相關(guān)[7-8]。

腸道菌群通過直接參與食物的營養(yǎng)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(chǎn)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(fā)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(zhì)。此外腸道菌群還具有生物屏障、免疫調(diào)節(jié)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(chǎn)物[10]。這些代謝產(chǎn)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(fā)揮重要作用。

2017年開始，我國陸續(xù)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(guān)注微生物與疾病之間的關(guān)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(guān)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(wěn)定相關(guān)[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(guān)[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(fā)現(xiàn)，腸道中以羅斯拜瑞氏菌(R.intestinalis)為代表的產(chǎn)丁酸菌豐度明顯降低，并與斑塊大小呈顯著負相關(guān)[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(guān)。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(chǎn)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(shù)據(jù)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(fā)癥風險與血漿中犬尿氨酸和色氨酸濃度比值呈正相關(guān)[23]。

2.2 腸道菌群影響AS的機制

腸道菌群失調(diào)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(fā)展或觸發(fā)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(chǎn)物如膽汁酸、TMAO、丁酸鹽等相關(guān)的信號通路可能會對AS產(chǎn)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(fā)生和進展[12]。此外，腸道菌群還可以遠程調(diào)控血管miRNA的表達引起內(nèi)皮細胞功能受損，影響AS發(fā)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(jié)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(zhì)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(diào)相關(guān)[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(nèi)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(chǎn)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(diào)節(jié)腸道內(nèi)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(chǎn)物也能夠被機體樹突狀細胞識別，如膽汁酸的代謝產(chǎn)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(fā)展[32]。

2.2.2脂代謝紊亂：研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)揮重要作用[33]。腸道菌群發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可通過抑制肝臟脂肪合成酶的活性調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(huán)中的膽固醇轉(zhuǎn)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(chǔ)，因而腸道菌群失調(diào)是AS的重要促發(fā)因素。反過來，高脂飲食及高脂血癥則通過減少腸道內(nèi)養(yǎng)料來源、改變氧化還原狀態(tài)、破壞菌群賴以生存的微環(huán)境來影響腸道菌群的構(gòu)成。

2.2.3菌群代謝產(chǎn)物：腸道細菌發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)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(chǎn)生三甲胺(trimethylamine，TMA)和TMAO[37]。TMAO是菌群失調(diào)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(zhuǎn)運，增加膽固醇堆積[40]。腸道菌群分解食物中的色氨酸產(chǎn)生的吲哚類衍生物及精氨酸產(chǎn)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(jié)腸菌群分解花青素產(chǎn)生的原兒茶酸，促進巨噬細胞三磷酸腺苷結(jié)合轉(zhuǎn)運，減少泡沫細胞的形成[42]。以上研究結(jié)果證明，腸道菌群代謝產(chǎn)物作為化學信使，介導菌群和宿主之間的相互作用，在AS發(fā)生和進展中發(fā)揮重要作用。

2.3 腸道菌群與AS治療

研究顯示，腸道菌群結(jié)構(gòu)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(chǎn)TMA菌的豐度較安慰劑組降低，糞便三甲胺濃度、BMI指數(shù)、血清TNF-α水平也顯著降低，提示LKM512通過降低腸道菌群產(chǎn)生的TMA，降低AS風險[44-45]。植物乳桿菌ZDY04可以通過調(diào)節(jié)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(chǎn)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(nèi)和全身的內(nèi)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(diào)AS相關(guān)的巨噬細胞清除受體表達，促發(fā)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(nèi)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(yī)學中心以菌群產(chǎn)生TMA的能力為靶，開發(fā)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(yǎng)的ApoE基因敲除小鼠模型中，丁酸鹽的攝入可上調(diào)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(guān)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(zhuǎn)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(lián)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。