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文獻分享丨Nat Rev Cardiol腸道菌群與心衰
近年來，腸道菌群對人類疾病和健康影響越來越受關(guān)注。心衰與內(nèi)臟循環(huán)充血有關(guān)，導致腸壁水腫和腸道屏障功能受損，這種情況被認為會通過增加全身血液循環(huán)中細菌易位和細菌產(chǎn)物來加劇全身炎癥狀態(tài)。腸道微生物通過飲食代謝所產(chǎn)生的代謝物與動脈粥樣硬化、高血壓、心衰、慢性腎病、肥胖和2型糖尿病等病理相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)表明腸道菌群像一個內(nèi)分泌器官一樣通過產(chǎn)生生物活性代謝物來直接或者間接影響宿主的生理功能。來自Cleveland Clinic的研究人員2018年在Nature Reviews Cardiology發(fā)表綜述文章“Dietary metabolism, the gut microbiome, and heart failure”，對最近發(fā)現(xiàn)的腸道細菌代謝通路，包括三甲胺、氧化三甲胺、短鏈脂肪酸和次級膽汁酸的產(chǎn)生進行了討論。有證據(jù)表明這些代謝途徑有可能參與心血管疾病包括心衰的發(fā)生和發(fā)展。另外，作者還討論了腸道菌群作為一種新的治療靶點用于心血管疾病治療，以及潛在的靶向腸道微生物過程的策略。
腸道屏障功能與炎癥
健康的腸道微生物群落可以幫助維持腸道屏障功能，包括粘膜緊密連接的完整性和正常的粘膜免疫功能。目前有關(guān)心衰的腸漏假說認為心衰時導致的腸壁水腫和屏障功能障礙使腸道菌群成分易位進入宿主循環(huán)系統(tǒng)，形成內(nèi)毒素血癥，最后加重全身性炎癥。心衰導致的灌注減少對小腸粘膜的絨毛結(jié)構(gòu)影響特別大，因為其對缺血更為敏感，大約一半的心衰失代償患者會出現(xiàn)粘膜內(nèi)酸中毒。粘膜壁的膠原蛋白含量也與心衰的嚴重程度正相關(guān)，腸壁增厚與血液循環(huán)中的C反應蛋白、白細胞和腸通透性增加直接相關(guān)。因此，腸道結(jié)構(gòu)和功能的改變直接導致腸細胞狀態(tài)惡化，最終破壞了腸道屏障的完整性。
腸道屏障的破壞會使內(nèi)毒素（也稱為脂多糖）進入血液。脂多糖是革蘭氏陰性菌的外膜組成成分，是經(jīng)典的病原體相關(guān)模式分子，可以通過模式識別受體Toll樣受體4（TLR4）來誘導多種炎癥因子的表達。心衰病人的血液內(nèi)毒素水平會升高。有證據(jù)表明腸道吸收內(nèi)毒素是心衰時產(chǎn)生全身性炎癥因子的一種重要刺激因素。心衰患者血液循環(huán)中細胞因子（比如TNF、IL-1和IL-6）與臨床癥狀和預后相關(guān)。很多臨床前證據(jù)表明炎癥介質(zhì)參與心臟細胞凋亡、心肌肥厚和纖維化。
血液中高濃度的TNF、IL-1β和IL-6是腸道通透性的誘導劑。腸道通透性增加進一步加重了血液循環(huán)中的內(nèi)毒素效應，形成了一個惡性的前反饋循環(huán)路來增加內(nèi)毒素易位和血液中炎癥因子的積累。然而，臨床研究表明結(jié)果并非如假設(shè)的這么簡單，很多結(jié)果是陰性的，甚至在治療組心血管事件發(fā)生率反而上升。雖然不是心衰的隊列研究，但是CANTOS試驗中首次發(fā)現(xiàn)針對IL-1β的單克隆抗體canakinumab可以抑制炎癥通路降低惡性心血管事件的發(fā)生率，這一結(jié)果與降脂效應無關(guān)。除了抗炎，抑制IL-1β受體信號還可以降低上皮細胞緊密連接的通透性，進而通過調(diào)控腸道菌群使心血管疾病患者受益。
圖1連接飲食代謝、腸道菌群和疾病的微生物-宿主途徑
關(guān)于心衰的腸道假說，目前主要研究都集中在炎癥是如何引起心衰和其他相關(guān)并發(fā)癥。大量臨床研究發(fā)現(xiàn)靶向炎癥過程治療心衰的結(jié)果并不一致。這些研究進一步表明應該更加深研究內(nèi)毒素誘導的炎癥和腸道菌群在心衰病理機制中的功能。
心衰中的生態(tài)失調(diào)
腸道的獨特之處在于其持續(xù)暴露在數(shù)萬億的微生物抗原，這導致腸道屏障的正常功能時刻受到不利影響。腸道菌群也可以直接改變腸道屏障功能。因此，更好地理解腸道菌群將有助于確定對心衰的有益凈效應。
腸道菌群的特定群落構(gòu)成比例在多種疾病中發(fā)生變化。動物模型研究表明腸道微生物環(huán)境可以影響從食物中獲取能量的效率，影響肥胖。現(xiàn)在的研究已經(jīng)進一步通過腸道菌群移植證明了腸道菌群與疾病易感性傳播的內(nèi)在機制。在心血管疾病方面，包括動脈粥樣硬化和血小板激活增加可以通過腸道菌群移植傳播，與氧化三甲胺升高有關(guān)。此外，一些研究也證明腸道微生物可以將血管張力和血壓的變化傳給其他人。腸道菌群可以通過產(chǎn)生短鏈脂肪酸作用于GPCR和FFAR3受體來調(diào)節(jié)血壓。因此，糞便菌群移植有可能用于治療心血管疾病，已經(jīng)有研究表明益生菌治療可以降低大鼠血液中瘦素水平，改善左前冠狀動脈降支結(jié)扎后的心室功能，但是有關(guān)腸道菌群在心衰中的功能研究還非常少。
腸道菌群組成的改變
有小的隊列研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)心衰病人的腸道菌群會發(fā)生變化。心衰病人的糞便中含有更多的病原性微生物，并且與心衰的嚴重程度相關(guān)。16S rRNA測序是目前鑒定腸道菌群構(gòu)成比例的標準方法，但是這樣的分析仍不能有效鑒定單個菌種。宏基因組和深度測序可以更好的對菌群進行分類。菌群測序發(fā)現(xiàn)心衰病人的體內(nèi)腸道菌群的分類多樣性下降，而個體間的多樣性可以用來區(qū)分心衰患者和對照組。在心衰病人中，研究人員發(fā)現(xiàn)腸道微生物編碼參與脂多糖合成和促進動脈粥樣硬化的代謝物氧化三甲胺產(chǎn)生的基因會富集。老年充血性心衰病人的腸道菌群中產(chǎn)生丁酸的主要細菌普拉梭菌含量下降。這一發(fā)現(xiàn)再次凸顯了在疾病中腸道微生物通過產(chǎn)生短鏈脂肪酸調(diào)控炎癥反應的重要性。雖然腸道菌群在心血管疾病中的作用研究已經(jīng)邁出了重要的一步，但是心衰病人腸道菌群的多樣性研究才剛剛起步，不同研究中鑒定的主要細菌組成存在很多分歧。隨著腸道菌群分類方法的標準化，將來的研究必須保證其可重復性。
環(huán)境和處理因素
目前研究的一個不足之處就是如何將特定菌群與疾病狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。環(huán)境因素，比如飲食，藥物和腸道微環(huán)境對腸道微生物組都有重要的影響。心衰病人的內(nèi)在病理生理以及病因的多樣性也因引起重視。
腸道菌群和心臟代謝
短鏈脂肪酸
腸道遠端的菌群發(fā)酵過程通常會產(chǎn)生短鏈脂肪酸，短鏈脂肪酸是結(jié)腸上皮細胞的主要營養(yǎng)來源。這些脂肪酸通常含有1-6個碳，是結(jié)腸發(fā)酵的重要終產(chǎn)物，主要來自膳食纖維、抗性淀粉和上消化道未消化的糖和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)素。結(jié)腸中產(chǎn)生的絕大多數(shù)短鏈脂肪酸是乙酸、丙酸和丁酸，比例大概分別為60%、20%和20%。大多數(shù)產(chǎn)生的短鏈脂肪酸被腸道吸收。吸收的短鏈脂肪酸可以通過與特定的宿主受體結(jié)合來影響高血壓的發(fā)展。
圖2腸道菌群產(chǎn)生的短鏈脂肪酸在心血管系統(tǒng)中的下游效應
產(chǎn)生乙酸的細菌在臨床前研究中被認為對治療高血壓、心肌肥厚和纖維化具有潛在的保護作用。由于轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)短鏈脂肪酸受體在心肌細胞中表達并不穩(wěn)定，因此短鏈脂肪酸如何影響心臟功能仍有待深入研究。此外，短鏈脂肪酸的藥代動力學在人和小鼠之間的差異很大，這也限制了將動物模型的試驗結(jié)果外推于人類疾病。
膽汁酸
膽汁酸傳統(tǒng)上被認為是脂肪和脂溶性維生素的乳化劑，幫助腸道吸收。初級膽汁酸，如膽酸和脫氧膽酸（CDCA）是在肝臟中通過氧化膽固醇合成的。超過95%的初級膽汁酸被重吸收。結(jié)腸中腸道菌群可以代謝沒被吸收的初級膽汁酸產(chǎn)生次級膽汁酸，比如去氧膽酸（DCA）、石膽酸（LCA）、熊去氧膽酸（UDCA）和大量其他次級膽汁酸。大腸內(nèi)幾乎所有膽汁酸都是次級膽汁酸，濃度約為1000
μmol/l。次級膽汁酸也進入肝腸循環(huán)，少量從糞便排出體外。
研究表明膽汁酸的總量及構(gòu)成比在心衰病人中都會發(fā)生改變。心衰病人的初級膽汁酸與次級膽汁酸的比例下降，主要由初級膽汁酸水平下降導致。毫無疑問，膽汁酸和腸道菌群緊密相關(guān)，因為腸道菌群可以對初級膽汁酸進行化學修飾，膽汁酸組成的改變可以反過來影響腸道菌群的穩(wěn)態(tài)。我們對膽汁酸生理的認識隨著膽汁酸響應受體，如膽汁酸受體（FXR）和各種GPCR的發(fā)現(xiàn)而大大提高了。在眾多受體中，F(xiàn)XR作為膽汁酸信號受體來調(diào)節(jié)代謝和炎癥被研究的最為深入。CDCA是最強的內(nèi)源性FXR激活劑，接著是DCA和LCA。FXR也可以通過升高回腸中成纖維細胞生長因子15的水平介導負反饋調(diào)控膽汁酸合成。FXR在動脈粥樣硬化中的作用已有研究，F(xiàn)XR激活配體可以抑制NFκB起到抗炎作用。由于NFκB信號導致心臟肥大，這些結(jié)果為靶向FXR治療心衰提供了間接證據(jù)。然而，相反的結(jié)果也有報道，拮抗FXR可以改善心臟功能。由于膽汁酸與心血管疾病相關(guān)過程有內(nèi)在聯(lián)系，各種研究膽汁酸潛在的臨床應用已經(jīng)開展，但是最終結(jié)果仍然是喜憂參半。綜合來看，這些結(jié)果不僅表明需要額外的驗證現(xiàn)有的通路來加速膽汁酸治療進程，而且提示我們對膽汁酸的理解還十分有限。
三甲胺（TMA）和氧化三甲胺（TMAO）
TMA-TMAO途徑是飲食、腸道菌群與動脈粥樣硬化和血栓形成危險因素的一個新的交匯點。TMAO由含有TMA基團的食物，如磷脂酰膽堿、膽堿和肉堿等產(chǎn)生。這些營養(yǎng)物質(zhì)通過多種微生物酶代謝產(chǎn)生TMA，TMA在肝臟中主要由FMO3代謝產(chǎn)生TMAO。
使用非靶向代謝組學作為發(fā)現(xiàn)平臺，血漿中小分子代謝物水平的增加，包括TMAO,被證明可以預測擇期手術(shù)的穩(wěn)定患者心血管疾病風險增加。飲食中直接補充TMAO或者其前體物質(zhì)均可以導致Apoe-/-小鼠主動脈根部巨噬細胞泡沫細胞形成和動脈粥樣硬化斑塊發(fā)展。血漿中升高的TMAO與心肌梗死、中風的相關(guān)性也在隊列研究中得到驗證。腸道微生物移植研究證實TMAO生成增加、血小板反應性增強和血栓形成都可以有供體傳遞給受體。
通常討論的TMAO假設(shè)的混雜因素是飲食攝入的魚類和左旋肉堿。盡管有對這一因素的評論，但是很少有研究直接研究魚肉、TMAO和心血管疾病之間的關(guān)系。并不是所有的魚肉都含有高濃度的TMAO，一般深海冷水里的魚類含量較高。對于腎功能正常的人來說，吃魚只會導致一過性尿液中TMAO升高。一項研究表明，與大豆或者酪蛋白飼料相比，在西方飲食中添加魚蛋白使Apoe-/-小鼠動脈粥樣硬化增加。需要引起注意的是，魚肉中的魚油有可能抵消TMAO的有害效應。
圖3腸道菌群分解進食產(chǎn)生的TMA和TMAO
左旋肉堿是一種常用的食品添加劑，其可以改善血脂代謝。一項研究表明左旋肉堿可以導致TMAO水平升高，但是卻可以降低動脈粥樣硬化負擔。但是這項研究使用的是雄性小鼠，雄性小鼠的Fmo3本底表達水平非常低，要比雌性低100倍，升高的TMAO如果換算成絕對濃度，仍然是非常低的，不足以導致任何疾病�？偟膩碚f，在微生物代謝物的討論中，TMAO很可能只是冰山一角。非靶向代謝組分析已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多其他未知代謝物與惡性心血管事件相關(guān)，因此大概率還存在與心衰和心臟代謝疾病相關(guān)的其他的微生物代謝物。
TMA-TMAO途徑
自從第一個研究證明TMA-TMAO微生物-人代謝途徑可以產(chǎn)生疾病相關(guān)代謝物促進動脈粥樣硬化形成，很多病理生理效應都與TMAO相關(guān)。血漿TMAO水平與血栓形成事件相關(guān)，因為TMAO可以通過刺激鈣依賴性信號增強血小板反應性。盡管有大量的臨床和動物模型數(shù)據(jù)支撐TMAO與心血管疾病之間的聯(lián)系，但是仍然還有很多問題沒有解決。比如是否存在TMAO受體蛋白。TMAO可以作為改變蛋白質(zhì)構(gòu)象的小分子伴侶來發(fā)揮功能，因此，TMAO可能通過變構(gòu)修飾而不是經(jīng)典的配體-受體相互作用來影響信號通路。
動物實驗表明，給小鼠喂食膽堿或者TMAO導致全身TMAO水平升高，心肌纖維化加重，血流動力學惡化。此外，去除飲食中的TMAO可以改善小鼠經(jīng)主動脈縮窄后的心肌恢復。抑制TMA和TMAO的產(chǎn)生可以顯著改善不利的心室重塑和血流動力學參數(shù)。
除了動物模型，在心衰病人中也同樣發(fā)現(xiàn)TMAO水平升高，并且患者血漿TMAO水平與慢性心衰患者的長期生存率降低相關(guān)。因此，了解TMAO水平為什么在心衰病人中升高可能為深入了解腸道菌群對心衰進展的影響提供有價值的信息。多項研究表明在慢性情況下，TMAO通過增加心肌纖維化和舒張功能不全影響心衰易感性和事件發(fā)生的風險。
圖4 慢性心衰患者血漿中TMAO水平與5年死亡風險之間的關(guān)系
約40-50%的心衰病人有不同程度的腎功能障礙。因此，適當?shù)男乃ス芾硪残枰芮嘘P(guān)注任何潛在的腎功能障礙。腎功能和TMAO水平的強相關(guān)性已經(jīng)在多項大鼠研究中得到確認，超過95%的TMAO由腎臟排出。慢性腎病CKD患者TMAO水平升高與死亡風險增加顯著相關(guān)。小鼠研究也表明FMO3表達升高與腎功能降低成正相關(guān)。
心衰的腸道菌群干預
益生元和益生菌療法
益生元是不可消化的食物，其可以改變腸道微生物的組成和功能，誘導特定微生物的生長。而益生菌是活的微生物。補充益生元和益生菌可以改善腸道菌群平衡。一些初步證據(jù)表明服用特定的益生菌可以保護心臟。瘦素減少被認為是益生菌有益效應的潛在機制。然而，16S rRNA測序在GR-1研究中表明，益生菌干預似乎并沒有定值成功，也沒有改變腸道菌群的結(jié)構(gòu)。有意思的是，一項隨機對照試驗表明博拉酵母干預對心衰病人在一定程度上有益，但是這些發(fā)現(xiàn)都是非常初步的。雖然益生菌有極好的安全記錄，但是缺乏對其調(diào)控可能會提高引起潛在的益生菌易位進入血液和相關(guān)膿毒癥的風險。
飲食干預
飲食干預可以改變心衰的進展，主要集中在低鹽飲食預防高血壓和維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)。美國心臟病協(xié)會指南推薦的高血壓病人食譜（DASH飲食）富含水果、蔬菜、全谷物和低脂制品，包括肉、魚、家禽、堅果和豆類。要減少含糖食物和飲料，紅肉和脂肪的攝入。有研究表明上述飲食可以降低心衰的發(fā)病率。除了DASH飲食，有關(guān)額外的飲食干預作為最終治療心衰的方案還未有報道。適當?shù)臓I養(yǎng)，如地中海飲食，當然可以幫助預防心血管疾病以及隨后發(fā)生的心衰。
微生物TMA裂解酶抑制劑
血漿TMAO水平升高與心衰有很強的相關(guān)性，靶向TMAO生成有可能是潛在的腸道菌群干預靶點。不同的微生物酶系統(tǒng)參與TMAO前體物質(zhì)TMA的形成。膽堿利用基因簇編碼催化和調(diào)節(jié)多肽，膽堿TMA裂解酶（CutC）和膽堿TMA裂解酶激活酶（CutD）似乎是人體腸道菌群將膽堿轉(zhuǎn)化成TMA的主要微生物分解酶系統(tǒng)。其他對TMA生成有貢獻的微生物酶系統(tǒng)是肉堿單加氧酶（CntA/CntB和YeaW/YeaX），其可以將肉堿轉(zhuǎn)化為TMA。
DMB作為一種CutC競爭性抑制劑來降低TMAO的生成。這種抑制劑被發(fā)現(xiàn)對含有CutC的人類腸道菌群不是致命的，但是可以抑制TMA的生成，并且降低實驗小鼠血液中TMAO水平。更重要的是，DMB可以降低Apoe-/-小鼠的動脈粥樣硬化進展，沒有明顯的毒性。
圖5 作為潛在藥物靶點的腸道菌群代謝途徑
未來研究方向
認識到腸道菌群對健康和疾病易感性的影響為我們研究疾病和治療方法提供了新的視角。未來的研究方向包括研究腸道菌群影響心衰和心血管疾病的分子機制，微生物之間以及微生物和宿主之間是如何相互作用的。要理解宿主受體是如何傳遞信號并導致宿主生理變化仍然還有很長的路要走。此外，需要對可能影響個人對疾病易感性的特定遺傳因素進行研究，來探索其和營養(yǎng)與腸道菌群功能的關(guān)系。最后，以微生物為中心的轉(zhuǎn)化研究很有必要是精心設(shè)計的、前瞻性的和縱向的研究。
雖然腸道微生物基因組測序在研究中變得越來越普遍，但是這種方法如何應用于臨床還不清楚。除了昂貴的元基因組分析，測序信息不能用于估計微生物組的表型模式，只是基于存在基因的推測得到可能發(fā)生的表型。相反，測量血液和尿液的代謝輪廓來指導適當?shù)娘嬍辰ㄗh，提供有針對性的干預將會使發(fā)現(xiàn)的結(jié)果更具有轉(zhuǎn)化潛力。
未來干預可以有多種形式。除了飲食干預，螯合劑或者結(jié)合樹脂抑制微生物代謝物的吸收也是一種可行的方法。膽汁酸螯合劑是第一批降脂藥，所以類似方法對于腸腔內(nèi)的代謝物已有先例。另一個可能的方法是非致死性微生物抑制劑，如TMAO生成抑制劑DMB。其他更有效的TMA裂解酶抑制劑正在研發(fā)之中，并且使用這種抑制劑理論上不會導致細菌耐藥性。最后，利用益生元或益生菌進行干預腸道菌群的結(jié)構(gòu)和功能來實現(xiàn)微生物代謝物變化是另一種選擇。
結(jié)論
毫無疑問，腸道菌群和心血管系統(tǒng)存在復雜的關(guān)系，這種關(guān)系可以影響甚至決定心血管疾病。其他疾病、抗生素、飲食和益生菌可以徹底改變腸道菌群的組成，從而影響我們的健康。未來的研究必須闡明這些復雜關(guān)聯(lián)背后的機制來確定腸道菌群與心衰之間是否存在因果關(guān)系。因為腸道菌群是一個全新藥理靶點，我們需要對背后的機制有一個全面的認識從而為心衰的靶向治療鋪平道路。
