综述 |肠道微生物群研究，从“心”开始（第五期文献包投票选出的文章，推荐阅读）
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原名：Gut Microbiota in Cardiovascular Health and Disease
译名：心血管健康和疾病中的肠道微生物群
期刊：Circulation Research
IF：15.211
发表时间：2018年
通信作者：W.H. Wilson Tang
通信作者单位：Department of Cellular and Molecular Medicine, Lerner Research Institute, Cleveland Clinic, Cleveland OH, US
引言
近来，人类肠道微生物在心血管疾病（CVD）和代谢紊乱中的作用正不断引起广泛关注。越来越多的证据表明，调节肠道微生物群的构成可以影响宿主代谢。而肠道微生物群产生的代谢产物，其中的一些具有生物学活性，可被吸收进入血液循环；而另一些经过宿主体内酶消化后，作为微生物的调控因子影响宿主。因此，肠道卫生群作为一个虚拟的内分泌系统，通过代谢依赖途径与远端器官发生关联。本文综述了肠道微生物群在正常生理过程中的作用、与疾病背景的关系及其作为新治疗靶点的潜力，尤其是肠道微生物群及其代谢产物与CVD的关系。
1 肠道微生物群在宿主生理中的作用
肠道微生物群通过参与糖的分解和蛋白质的分解两种主要的代谢途径参与食物消化。肠道微生物分解糖分，产生大量短链脂肪酸（SCFA），而发酵蛋白质也会形成SCFA，但同时产生各种胺类、硫醇、酚类和吲哚。这些代谢产物中的一些具有潜在毒性的，主要经肾脏代谢。
除此之外，肠道微生物群还构成并调节肠道黏膜屏障、调控营养成分的摄取和代谢、协助免疫组织的成熟，并能防止病原微生物的传播。生理条件下，肠道微生物群不断刺激免疫系统，本身就是一种快速而有效的病原防御机制。总的来说，肠道微生物群对机体的免疫和新陈代谢有着根本性的影响，而健康的肠道微生物群在很大程度上影响着宿主的健康。
2 肠道微生物群及其代谢产物在心血管代谢疾病中的致病机制
2.1 肠道微生物群构成的改变
肠道微生物群一般只有5门（拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门、变形杆菌门以及疣微菌门），但在物种水平上具有多样性，数量也众多。个体间肠道微生物群的差异主要由宿主基因决定，也受诸如抗生素使用、生活方式、卫生习惯和饮食等环境因素影响。最近，基因组测序技术以及生物信息学的发展使得人们可以详细地鉴定和分析这些微生物及其种群构成，及其在心脏代谢紊乱中的潜在作用。
2.2 肠道微生物群产生的信号分子
肠道微生物群可以通过多种途径影响宿主。为了和远端器官关联，肠道微生物群需要释放信号分子，某些情况下，这些信号分子是微生物的组成部分，如脂多糖（LPS）和肽聚糖，它们通常通过模式识别受体（PRP）与宿主粘膜表面细胞相互作用。PRP识别病原体相关分子模式（PAMPs）可以刺激和引导宿主免疫应答。因此，LPS和肽聚糖可以通过受体途径引发宿主上皮细胞及血管内的众多信号通路，尤其当肠道屏障功能受损时。肠道微生物群也能通过具有生物活性的代谢产物影响远端器官并直接或间接地影响宿主。肠道微生物群通过多种通路与宿主发生交互作用，包括三甲胺（TMA）/三甲胺N-氧化物（TMAO）途径、SCFAs途径以及初级和次级胆汁酸（BAs）途径。涉及分子可以与其他内分泌激素相互作用或刺激交感神经系统，从而影响体内葡萄糖平衡及其他和代谢综合征的发展相关的代谢过程。
3 动脉粥样硬化、冠心病与心肌梗死
动脉粥样硬化板块中含有细菌DNA，而其内观察到的细菌类群也存在于同一个体的肠道中。这提示，胃肠道微生物群可能是斑块中细菌的来源，并可能会影响心血管斑块的稳定与CVD的发展。此外，在人类动脉粥样硬化斑块中还检测到了口腔微生物类群的特征，也有人研究了口腔微生物群在CVD病理生理学中的作用。粪便微生物的宏基因组测序数据表明，斑块不稳定的患者体内微生物群构成相对于斑块稳定的患者发生了改变，而且可以产生更多的促炎因子和更少的抗炎因子。
最近，有研究发现了大鼠中肠道微生物群与心肌梗死严重程度之间的关联。广谱抗生素的应用可以影响瘦素的水平以及芳香基氨基酸的分解代谢过程中的产物，这些都与心肌梗死的面积减少有关。此外，动物模型中，益生菌的使用与心肌梗死后梗死面积的显著减少和左心室功能的改变、实验性心肌梗死后左心室肥厚减轻、心力衰竭减轻相关。这些观察结果表明，益生菌与常规药物的联合使用对于心力衰竭患者具有更多优势。
除了肠道微生物群构成的变化，肠道微生物群的代谢作用已被确定为心血管疾病的发展的重要因素。特别是TMAO，被作为一种潜在的动脉粥样硬化和心血管疾病促进因素引起关注。仅当饲喂富含胆碱的饮食并具备完整的肠道微生物群时，ApoE-/-C57BL/6J小鼠血浆TMAO含量、巨噬细胞泡沫化以及主动脉粥样斑块的形成才会增多，反之则减弱。这一现象不仅存在于胆碱或卵磷脂中，其他可以产生TMAO的膳食营养物也有相似作用。相比杂食动物，素食动物产生TMA和TMAO的能力较差，其肠道微生物群构成和功能也有明显差别。采用同位素标记技术发现，人类肠道微生物群在TMAO的产生过程中具有重要作用。
TMAO水平和不良临床事件具有关联，所有TMAO相关的代谢物都与CVD及心血管事件的发生正相关，循环TMAO水平与动脉粥样硬化斑块大小、主要心血管事件（MACE），包括死亡、心肌梗死和中风风险的增加相关，而且TMAO的危险比HR远高于传统危险因素。机制研究揭示，TMAO改变血小板钙离子信号，诱发体内促血栓作用。不仅如此，TMAO还是心肌梗死风险增加的直接参与者，空腹血浆TMAO水平与更高的全因死亡率相关。但关于TMAO的致病机制及其如何直接或间接促进CVD的机制联系仍有待研究。使用小分子抑制剂抑制微生物产生TMA和TMAO，可以抑制巨噬细胞泡沫细胞的形成以及动脉粥样硬化的形成。在人类中，针对TMA和TMAO途径是否可以降低CVD风险仍然未知，是未来重要研究领域。
4 高血压
肠道微生物群与血压控制有直接联系。有研究比较了原发性高血压大鼠和慢性血管紧张素Ⅱ输注的高血压模型大鼠的粪便微生物变化，观察到了显著的微生物群失调，而且肠道微生物群参与了血管紧张素II诱导的血管功能障碍和高血压。使用抗生素联合治疗的难治性高血压患者中，血压降低效果显著。产丁酸盐菌种含量升高与超重人群和肥胖孕妇中的血压降低有关。这些数据表明肠道微生物群失调和高血压病理之间具有较强关联。
SCFAs也是肠道微生物群产生的重要信号因子，最近被证明可以调节血压。SCFAs可起到刺激宿主G蛋白偶联受体（GPR）通路的作用，从而影响肾素分泌和血压调节。使用基因敲除小鼠的研究支持这些受体在血压控制中的作用。肠神经系统和中枢神经系统之间的交流也同样成为影响血压的潜在因素。
已有研究报道了益生菌在血压调节中的有益作用。此外，荟萃分析显示，用益生菌治疗的患者血压显著降低。
5 心衰
越来越多的研究支持肠道在心衰发病中的作用，即所谓的“心衰的肠道假说”。假说指出，心输出量的减少和全身性充血的增加可能导致肠道肌肉缺血和/或水肿，导致细菌易位增加、循环内毒素增加。外周水肿的心衰患者经短期利尿剂治疗后，血清内毒素水平升高，但细胞因子水平降低。而肠血流量较低的心衰患者体内血清免疫球蛋白A -抗脂多糖的浓度较高，而这又与结肠粘膜活检所得微生物群增多相关。在这些受试者中，细菌微生物群的构成似乎也与对照组不同。与健康对照相比，慢性心衰患者的肠道通透性增加，粪便细菌和真菌数量也相应增加。这些数据意味着，肠道屏障功能的评估可能有助于理解肠道定向的心衰治疗作用。
除了与动脉粥样硬化、CVD风险之间关系明确外，TMAO也与心衰的发展和不良预后有关。心衰患者的循环TMAO水平更高，对传统危险因素，心肾指数和全身炎症标志物具有预测作用，但其中机制仍有待确定。
TMAO途径还可能直接导致不良心室重塑和心衰表型。高胆碱饮食的心衰小鼠TMAO水平更高，心室重构速度更快，还观察到了壁变薄和短轴缩短率减少，纤维化显著增加等现象，而且原发性纤维化的TGF-β磷酸-SMAD3通路明显活跃。是否可以通过调控肠道微生物群的TMAO途径减轻心衰样表型的发展或改善长期疗效，仍然有待确定。
6 肥胖和2型糖尿病（T2DM）
有研究发现肥胖和厚壁菌门与拟杆菌门比率升高的关联。低脂和低碳水化合物饮食时，体重减轻与厚壁菌门对拟杆菌门比率的降低有关。宏基因组学分析进一步支持了肥胖和T2DM中肠道微生物群组成的改变。
T2DM与产丁酸盐细菌丰度的减少、乳酸杆菌的增多有关。肥胖者的粪便宏基因组学研究发现，产生SCFAs的微生物相关通路活跃，体内SCFA水平升高。基于肠道宏基因组的计算模型能够预测糖耐量受损患者的T2DM相关表型。此外，万古霉素治疗使得产丁酸盐细菌的丰度降低，从而导致胰岛素敏感性降低。粪便微生物群移植可以改善胰岛素敏感性，并与产丁酸盐细菌的增加相关。
SCFA可直接激活GPR41和GPR43等G-蛋白偶联受体，影响炎症和肠内分泌调节等重要过程。SCFAs与GPR41的结合通过GPR41诱导肠上皮L细胞中的肠内分泌激素PYY的表达，从而导致从饮食中获取能量的增加。另一方面，SCFAs也可以抑制胰岛素介导的脂肪蓄积，并通过小鼠白脂肪组织中的GPR43刺激肝脏和肌肉的能量消耗。SCFAs还可通过GPR41和GPR43触发肠道L-细胞分泌GLP-1，这对胰腺功能和胰岛素释放有显著影响。丙酸盐可以显著增加餐后GLP-1和PYY，同时减少机体的卡路里摄入量，从而控制体重增加。SCFAs及其受体、靶点的作用还需要进一步研究。
胆汁酸（BAs）是另一组对人体健康有深远影响的代谢物，一些菌种被认为是激活核受体实现能量代谢的调节器。
例如， BA相关肠道微生物群的代谢减轻了FXR抑制并增强其信号转导，而FXR在肠道中的激活诱导了成纤维细胞生长因子15的表达，抑制肝脏中胆固醇7α-羟化酶的表达，后者是一种影响BA池大小和组成的重要肝酶。BAs也可以影响大鼠盲肠微生物群构成，而且体外研究发现了BAs的直接抗菌作用。因此，BAs的肠道微生物群代谢与BAs对微生物群构成和功能的影响存在复杂的相互关系。微生物酶，特定的Bas以及宿主受体-信号分子组成了复杂的生物信号通路，它们如何协调肠道微生物群参与人体生理过程和疾病易感性，这个问题有必要弄清。
减肥手术与微生物群的改变有关，而且术后的初级和次级BAs循环水平增加。GLP-1增减和葡萄糖及甘油三酯水平下降也与减肥手术有关。虽然机制尚未充分阐明，但促进饱腹感的胃肠激素释放，BA代谢的变化，以及FXR相关通路活跃可能都参与其中。相比来自肥胖人群的微生物群移植，无菌小鼠接受了10年前进行过减肥手术的人的粪便移植，会获得更少的脂肪。减肥手术的有益效果可能经由BAs相关微生物群的代谢改变而介导。虽然BAs的直接抗菌作用已在体外被证实，但尚不清楚BA介导的微生物改变是否是BAs对细菌的直接影响，或是否涉及其与肠黏膜的交互作用。
7 血脂异常
肠道微生物可以影响宿主血脂水平，循环甘油三酯、高密度脂蛋白胆固醇与肠道微生物群之间存在关联。虽然潜在生物学机制尚未完全阐明，但由肠道微生物群产生的次级胆汁酸已被发现可以调节肝脏和/或全身脂质代谢以及葡萄糖代谢。此外，TMAO致动脉粥样硬化的作用与胆固醇逆向转运的减少、组织胆固醇和固醇代谢的改变以及肝脏和肠道中BA构成、BA池大小和运输的变化有关。
8 慢性肾脏疾病（CKD）
众所周知，CKD患者中肠道微生物群的组成发生显著改变，导致循环尿素和其他尿毒症毒素进入肠腔。在肠道内，尿素的代谢产物，氨和氢氧化铵可以破坏肠上皮紧密连接，使得肠道细菌DNA和尿毒症毒素易位至全身循环，导致全身炎症。最近有研究在慢性血液透析的CKD患者的血浆中检测到了肠道微生物DNA，而且细菌DNA水平与血浆炎症标志物水平升高相关。蛋白结合尿毒症毒素与尿毒症患者的心血管不良结局相关，这些毒素在肾功能不全的情况下不能有效地清除。调节含有色氨酸酶的肠道微生物含量影响体内吲哚硫酸盐，后者和其他尿毒症毒素的水平已被证明与冠状动脉粥样硬化的严重程度相关。总的来说，结合透析技术尿毒症毒素，肠道可以是治疗CKD的靶点之一。
TMAO已经被证实在CKD患者的血浆中积聚，与较高的死亡率和逐渐丧失的肾功能相关，并可以预测CKD的发展。进一步的研究将有助于认识CKD中TMAO升高的原因
9 治疗干预
目前，饮食调制是临床实践中影响慢性代谢疾病的主要治疗工具，而这种生活方式的作用明显影响肠道微生物群落的结构和功能，但很少有研究探讨饮食干预人体内的肠道微生物群。调控肠道微生物群的新方法也在研究中，包括益生元、益生菌和作用于微生物酶途径的小分子抑制剂。
10 粪便微生物移植
最近，粪便微生物移植（FMT）也被作为一种新兴的治疗心脏代谢紊乱的疗法进行了测试。FMT可以分别提高肝脏和外周胰岛素敏感性达119%和176%，这种代谢改善与任何体重变化无关。
但由于相关风险，包括内毒素或感染性物质的转移、导致新的胃肠道并发症的可能，FMT的应用仍然受限。还需要进一步的研究来检验FMT是否可以延伸到心脏代谢紊乱等其他领域。相比于粪便移植，只移植特定微生物群可能是FMT的合理选择。
11 饮食干预
膳食营养干预在心血管疾病中已被证明是一种有效的策略。饮食决定的餐后血糖水平与个体肠道微生物构成相关，虽然后者在个体中经常变化，但是饮食干预引起的某些营养物改变可以影响微生物构成。据报道，高纤维饮食增加了产醋酸盐的微生物种群，降低了血压并减少了心肌肥大和纤维化。全谷物、中草药食品和益生元的饮食干预导致胰岛素敏感性和血脂水平的提高。此外，细菌发酵可溶性纤维产生SCFA，被认为发挥包括改善潜在CVD危险因素的有益作用。
通过饮食干预调节肠道微生物组成是一个很有前景的治疗靶点。然而，相关机制仍有待阐明。目前已有算法可以预测肠道微生物组构成、代谢产物的产生及其与个体饮食之间的相互作用。
12 益生菌、益生元和抗生素干预
益生菌的使用可以改变肠道微生物生态学并保护小鼠免于肥胖，并能促进肥胖葡萄糖耐量受试者的胰岛素分泌，而且和CKD患者小肠中毒素减少，颈动脉粥样硬化患者结肠中特定SCFA的水平改变显著相关。工程益生菌经基因改造可以增强其潜在的有益效果。然而，这些微生物影响人类的心血管代谢风险的机制尚未确定。
调节肠道微生物群的另一种策略是使用益生元，其与血糖控制的改善和血脂谱相关联。肥胖症患者中，补充三个月低聚果糖与体重减轻和糖耐量改善有关。使用抗生素或益生元可以逆转小鼠体内与糖尿病相关的微生物群落，从而改善肠通透性，减少代谢性内毒素血症，降低炎症，并改善葡萄糖不耐受。但肥胖症女性患者的益生元治疗没有显示出类似的强烈效果，这就使得必须谨慎将小鼠体内的研究结论外推人类。而且并不是所有的人对饮食变化都能做出相似反应，对纤维丰富或减肥饮食的无反应，与干预前肠道细菌较强的多样性相关。
一般的共识是，用抗生素这种非特异性的抗微生物方法调节肠道微生物群可能弊大于利。婴儿前六个月的抗生素使用情况与儿童时期的肥胖有关，亚治疗剂量的抗生素使用可以增加幼鼠的肥胖。小鼠饲喂标准低胆固醇饮食并保持在无菌状态下，竟然发展出更严重的动脉粥样硬化。这些结果表明，肠道微生物构成的治疗性改变应集中维持有益微生物群的保留。基于微生物的个体化治疗方案可以为心脏代谢紊乱提供新的治疗策略。
13 小分子抗菌酶治疗学
TMAO途径与不良心血管疾病联系紧密，选择性地靶向产生TMA的微生物合成酶可能是一种潜在的治疗策略。使用胆碱结构类似物可以抑制微生物生成TMA，并能在高胆碱饮食中抑制小鼠血浆TMA和TMAO水平，抑制饮食诱导的巨噬细胞泡沫化以及主动脉根部动脉粥样硬化的发展。因此，微生物酶抑制剂因为具有潜在的治疗功能，在未来具有较大发展潜力。
14 认知差距
很少有研究阐明肠道微生物群直接参与动脉粥样硬化发展或其不良并发症的因果证据以及机制。使用抗生素或FMT的研究虽然表明肠道微生物可能有所参与，但不能明确特定的微生物群或其产物有助于疾病的发生和/或进展。为了解肠道微生物是否（或哪种）与人类宿主代谢存在因果联系，还需要结合机制研究和前瞻性队列研究的结果。微生物之间的相互作用，微生物-宿主的相互作用，以及这些作用与疾病易感性相关联的潜在机制还需进一步阐明，以此开发相关治疗干预策略。
15 结论与未来展望
越来越多的动物和人类研究的证据支持肠道微生物能够影响宿主健康和疾病。此外，细菌代谢产物可以调节宿主生理过程，拓展了经由微生物途径治疗心脏代谢疾病和确定潜在药理靶点的思路。肠道微生物如何将饮食和内源性分子转化为与宿主外周器官和组织相联系的代谢产物的机制仍需研究。虽然下一代高通量测序技术和生物信息学的出现将有助于分析候选微生物酶的作用机制，但该途径的终点，代谢物及其识别受体，将是这一领域未来的研究方向。
通过饮食、益生元、益生菌和具有靶向作用的非致死性抗菌酶抑制剂调节肠道微生物群的组成和功能，可以使宿主代谢谱在有利方向上发生长期改变。未来可能会通过监测血液中微生物产生的具有生物活性的代谢物的水平来调整干预策略，使得更加个性化的治疗干预成为可能。随着对整个调控系统的了解，微生物代谢物可以作为无数过程的综合传感器，影响整个肠道微生物的构成和功能、宿主基因组和环境因素，并最终作用于宿主。
这篇综述首先详细讲述了肠道微生物群在宿主生理过程中的作用，然后又从微生物群构成改变、信号分子两个方面汇总了肠道微生物群及其代谢产物在心血管代谢性疾病中的致病机制。随后，文章从动脉粥样硬化、冠心病、心肌梗死、高血压、心衰、肥胖、2型糖尿病、血脂异常、慢性肾脏疾病等疾病，治疗干预、粪便微生物移植、饮食干预、益生菌、益生元、抗生素干预、小分子抗菌酶治疗等治疗手段以及认知差距、未来展望等角度全面系统地介绍了肠道微生物群与心血管健康和疾病地复杂关系。该综述非常详细，其中不乏有价值的科研思路，对于研究肠道微生物或心血管相关疾病的科研人员来说会很有帮助。小编能力有限，如有不足之处，还请指出，大家多多交流。感兴趣的朋友可通过查看原文了解更多。