肠道菌群代谢物在心血管疾病和代谢疾病中的作用

随着人们生活水平的提高，心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)和一系列代谢疾病的患病数量、速度都在逐年急剧增加。CVD已成为非传染性疾病中首要威胁人类健康的疾病，对个人和社会造成的负担日益加重[1]。针对这些疾病研发的药物越来越多，但是这些药物存在副作用大，具有个体差异性等缺点[2]。近年来研究发现，人体肠道菌群及其代谢产物与心血管疾病和代谢疾病存在密切的联系[3]。肠道菌群是一个复杂的共生微生物系统[4]，它产生的代谢物为机体提供必需营养物质，并有助于调节机体免疫系统，从而促进哺乳动物宿主生物学功能[5]。本文对几种主要肠道菌群代谢物在心血管疾病和代谢紊乱疾病中的作用进行总结，以期为心血管疾病和代谢疾病的治疗提供新思路。

1 肠道菌群及其代谢物

人体肠道定殖着数目庞大、结构复杂的菌群[6]。肠道细菌有1 000种以上， 数量达到1014左右， 是人体细胞总数的10倍, 共包含100多万个基因, 被称为“人体的第二基因组”[7] 。拟杆菌门(bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)被认为是肠道菌群的两个优势菌门。在种属水平上，拟杆菌(Bbacteroides)、柔嫩梭菌(Clostridium tende)、乳酸菌(Lactobacillus)以及双歧杆菌(Bifidobacterium)是四类与人体健康密切相关的优势菌[8]。各类细菌在肠道内保持共生或拮抗关系，共同形成一个动态平衡的微生物系统，肠道菌群与其代谢产物共同参与调控机体生理功能[9-10]。肠道菌群可产生多种多样的代谢产物，代谢物对人体既有积极作用也有不利影响，例如通过分解代谢蛋白质可产生人体必需的氨基酸和脂类等，也会产生对人体有害的胺类物质[11]。

2 主要肠道菌群代谢物与心血管疾病和代谢疾病

2.1 短链脂肪酸

短链脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)是一种具有脂肪族末端羧酸的有机酸，主要由盲肠和近端结肠中的厌氧细菌(如：琥珀酸纤维杆菌、拟杆菌门、梭菌Ⅸ、ⅩⅣa、Ⅳ类群和丙酸菌属等)通过膳食纤维的发酵产生，少部分由分解蛋白质和肽产生[12-13]。SCFAs是肠黏膜细胞的能量来源，也可充当有机体循环系统中的信号分子产生重要的能量[14]。95%的SCFAs由丁酸盐、乙酸盐和丙酸盐组成[15]，它们各自具有特定的作用，丁酸盐是作为肠黏膜细胞的主要能量来源[16]；丙酸盐可通过不同的机制激活肠道糖异生[17]；而乙酸盐是胆固醇合成的前体[18]。产生的SCFAs的类型和数量取决于可用于微生物菌群消化的底物数量和微生物菌群本身的组成[19]。

SCFAs在能量稳态、胰岛素敏感性以及葡萄糖和脂质代谢中均具有调节作用，研究者普遍认为可以利用SCFAs的这些调节作用降低心血管和代谢疾病的风险[20]。在葡萄糖耐量和胰岛素敏感性异常大鼠的研究中发现，给予大鼠富含丁酸盐或丙酸盐的饮食治疗后，大鼠的葡萄糖耐量和胰岛素敏感性均有显著改善[21]。另外，利用HFD诱导的大鼠，在饮食中添加丁酸盐，发现大鼠体重明显下降、葡萄糖耐受量及胰岛素敏感性同样得到改善，而且肝脏及腹部脂肪有所减少[22-23]。SCFAs不仅对代谢疾病有影响，许多研究表明，在心血管疾病中SCFAs同样发挥着作用。在对人体的实验研究中发现，SCFAs的升高有助于降低血压和改善血管表型[24]。两项独立的随机对照实验分析结果表明，益生菌诱导的SCFAs增加可有效降低高血压患者的血压[25]。在小鼠体内静脉注射丙酸盐可降低血压[26]。喂食富含纤维或补充乙酸盐饮食的小鼠体内醋酸脱氧皮质酮(DOCA)显著降低，从而治疗小鼠的高血压、心脏纤维化和左心室肥厚[27]。长期输注血管紧张素II的小鼠，腹腔注射丁酸盐能够显著降低血压[28]。

2.2 甲胺

在对人类和啮齿动物模型中胆碱和甲胺代谢的广泛研究中，肠道菌群代谢物在心血管和代谢疾病中的重要作用引起研究者的高度关注[29]。三甲胺(Trimethylamine，TMA)是肠道菌群(主要是双歧杆菌、乳杆菌、产气荚膜梭菌等)通过分解L-肉毒碱、卵磷脂和胆碱等生成的一种代谢物[13]。TMA在肝脏中被黄素单氧酶3(FMO3)氧化成三甲胺-N-氧化物(TMAO)，TMAO进入体循环，最终被肾清除[30]。另外有研究发现肠道中某些细菌(主要为肠杆菌科细菌)可以把TMAO转化为TMA，TMA又可以被氧化成TMAO[31]。

目前对于TMAO与心血管疾病之间的联系大多是基于一些推论，因此相关的研究仍存在争议[32]。有学者研究发现，在表达胆固醇酯转移蛋白(CEPT)的ApoE基因敲除小鼠中，利用L-肉毒碱处理后，血浆中TMAO水平升高，TMAO的升高导致主动脉瓣病变减少，但是血浆脂质和脂蛋白水平并没有得到改善[33]。然而，Zhu等和Koeth等在各自的小鼠实验中有不一样的结果，他们发现TMAO增多反而会导致主动脉粥样硬化斑块病变增加、颈动脉血栓形成增加、胆汁酸代谢紊乱、胆固醇转运反应基因表达下调[34-35]。Schugar等[36]也发现血浆TMAO水平升高会增加2型糖尿病、心脑血管等疾病的风险。另外有研究表明，TMAO通过增加细胞内Ca2+释放和刺激肌醇-1,4,5-三磷酸信号传导来增强人血小板的功能和增加血小板黏附[34]。胆碱可被肠道菌群代谢为TMA，在脂肪代谢中发挥重要的作用。研究发现，HFD诱导的小鼠中胆碱代谢被破坏，表现为磷脂酰胆碱水平降低，尿液中TMA和TMAO增加[37]。

2.3 支链氨基酸

支链氨基酸(Branched-chain amino acids，BCAAs)、亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸是肠道细菌合成的9种必需氨基酸中的4种[38]。它们的结构特征在于均具有“支链”(中心的1个碳与3个或更多个碳原子连接)，肠道中很多菌群都可产生，主要由肠道中的肠球菌、肠杆菌、双歧杆菌、肉毒梭菌等产生[13]。利用BCAAs作为心脏代谢疾病的生物标志物已在多个独立的患者和人群研究中得到证明[39]。Katagiri 等[40]在研究糖尿病患者和非糖尿病个体中，证实了BCAAs和脂肪因子水平之间存在联系。瑞典糖尿病女性患者和正常个体的对照研究中发现，所有糖尿病患者血浆中BCAAs的浓度均显著增加[41]，INTERMAP研究中尿液BCAAs水平与体重指数有关[42]。

另外，遗传学研究中提出BCAAs在人类糖尿病中发挥重要作用。对血糖正常个体进行12年随访研究表明，BCAAs可以单独或联合预测出2型糖尿病的发生[43]。在一项大规模的全基因组关联研究(GWAS)中，通过对5个独立基因组区域的遗传多态性进行荟萃分析证实了2型糖尿病风险增加与BCAAs高含量之间具有直接关系[44]。

2.4 胆汁酸

胆汁酸有初级胆汁酸和次级胆汁酸，初级胆汁酸由肝脏直接合成，主要是胆酸、鹅脱氧胆酸等[45]。次级胆汁酸主要包括脱氧胆酸、石胆酸、甘氨脱氧胆酸、牛磺脱氧胆酸、甘氨石胆酸、牛黄石胆酸等。肠道菌群将肝细胞合成的初级胆汁酸转化为次级胆汁酸和非结合型胆汁酸，并且影响着胆汁酸池的大小和成分[46]，参与胆汁酸合成的肠道微生物主要有真杆菌和梭菌[47]。

肠道菌群与胆汁酸稳态之间的联系在无菌小鼠实验中首次证实，胆汁酸在人体脂类代谢和胆固醇平衡过程中具有重要意义[46]。胆汁酸对宿主代谢的影响是通过调节胆固醇7-α羟化酶(CYP7A1)、法尼醇X受体(FXR，NR1H4)和G蛋白偶联受体(TGR5，GPBAR1)介导的[48]。研究发现胆汁酸的升高对心血管和代谢疾病是有利的，将心房纤维性颤动患者血清中胆汁酸与健康人群对比之后，发现胆汁酸浓度和组成均有明显差异[49]。目前的减肥手术(胃旁路手术、袖状胃切除术)其实就是利用胆汁酸代谢来影响脂肪的减少，进而达到减肥的效果[50]。

2.5 多酚及其吲哚衍生物

多酚是由羟基化酚环形成的植物代谢物。通过肠道微生物群(如：肠杆菌、双歧杆菌、梭菌)发酵膳食多酚(主要是羟基肉桂酸和类固醇)产生由酚酸组成的生物活性化合物，可被肠道吸收[51]。

膳食中摄入的氨基酸通过肠道菌群代谢产生酚类化合物和吲哚，不同的氨基酸可被代谢为不同的酚类化合物[52]。4-甲酚(对甲酚，4-甲基苯酚)是由肠道细菌利用酪氨酸代谢生成的酚，许多食物和饮料(西红柿、芦笋、红茶和葡萄酒)中就天然存在4-甲酚[53]。目前对4-甲酚硫酸盐与代谢疾病的研究较多，4-甲酚硫酸盐是一种在慢性肾病中众所周知的蛋白质结合毒素，由肠道黏膜和肝脏中4-甲酚硫酸化产生的[54]。研究表明，高浓度的4-甲酚(100～200 μmol/L)能抑制3T3-L1前脂肪细胞分化为成熟脂肪细胞，可以诱导细胞凋亡，降低葡萄糖摄取[55]。另外，肠道菌群通过代谢饮食中的色氨酸生成吲哚酚，吲哚酚通过磺化反应进一步生成硫酸吲哚酚。研究发现，心肾患者的血液中硫酸吲哚酚含量高于健康人，而且硫酸吲哚酚可能与初次心力衰竭的发生相关，硫酸吲哚酚的过度积累可以造成心肌细胞的损伤、增加血栓的形成[56]。

2.6 其他代谢物

肠道菌群代谢物的种类非常多，而目前所研究的只是其中少数。苯甲酸是结肠微生物通过代谢膳食芳香化合物合成的芳香羧酸，在肝脏中与甘氨酸结合产生马尿酸，马尿酸随着尿液排出体外[47]。在遗传学研究中发现，多基因2型糖尿病的Goto-Kakizaki大鼠模型中血浆苯甲酸水平升高，它的升高是由尿苷二磷酸葡糖醛酸基转移酶基因的缺失造成的，该研究首次证明宿主基因对肠道菌群代谢产物具有调控作用[57]。Elliott 等[42]研究表明尿液中马尿酸的含量与高血压和体重之间存在负相关。琥珀酸盐是肠道细菌合成丙酸盐的中间体，也是微生物代谢的丰富产物，用作肠道糖异生的底物[58]。人的代谢组关联研究表明尿液中琥珀酸水平与体重指数具有联系[59]。小鼠膳食补充琥珀酸可改善葡萄糖耐量、胰岛素敏感性和能量代谢，并减少体重的增加[60]。

3 心血管疾病和代谢疾病对肠道菌群的影响

心血管疾病及代谢疾病和肠道菌群之间有着紧密的联系，不仅肠道菌群及其代谢产物的异常会影响心血管疾病和代谢疾病，心血管疾病和代谢疾病反过来也影响着肠道菌群。研究发现，心力衰竭导致组织灌注不足和胃肠充血等血液动力学的变化，会改变患者肠道形态、渗透性、功能和肠道菌群的丰度及组成，进而损害肠屏障功能[61]。另外，研究通过高通量测序法对冠心病患者和正常人粪便中的菌群种类进行分析发现，在冠心病患者粪便中拟杆菌门细菌含量高于健康对照者；而在健康对照者粪便中厚壁菌门细菌含量较高[62]。通过对41例健康对照者、56例高血压前期患者和99例原发性高血压患者的肠道菌群，利用宏基因组学和代谢组学方法进行分析，发现高血压前期和原发性高血压患者与健康对照者之间，肠道菌群的丰度和多样性、宏基因组组成和特定肠型都有显著差别[63]。

4 展 望

目前研究已经表明，肠道微生物及其代谢物在心血管和代谢疾病中发挥着重要的作用，但其中详细的作用机制还不是很清楚，仍需要进一步深入研究。越来越多的研究表明，肠道菌群代谢物可作为心血管代谢疾病病理生理学特征的生物标志物，在精准医学的疾病诊断和预后中得到应用。目前也有许多利用肠道微生物及其代谢物对疾病进行治疗的策略，如饮食干预、益生菌添加、粪菌移植等[64]。随着科学技术的快速发展，各种科研技术(质谱分析、高通量测序和生物信息学分析技术)的发展，可以利用代谢组学和蛋白组学等方法对心血管及代谢疾病和肠道菌群代谢物之间作用机制进行探究，为今后的医学治疗提供科学依据。