第二节　肠道微生态和心血管疾病的关系

目前，心血管疾病患病率及死亡率均呈逐年上升趋势，已成为重大公共卫生问题。心血管疾病是由遗传因素、环境因素及两者共同作用的一系列疾病统称，但其具体发病机制仍未完全明了。近年来，肠道微生态与心血管疾病（CVD）的关系正逐渐引起人们的重视。心血管疾病与肠道微生态的关系，实际上是由肠道微生物参与合成的代谢产物介导的，而且肠道菌群失衡及其代谢产物的异常在引起心血管疾病的相关危险因素中发挥了重要的作用。

饮食经肠道菌群代谢形成的代谢产物，穿透肠上皮屏障或以其他方式进入体循环，进而激活一系列信号通路影响宿主生理过程。当肠道微生态失衡，导致菌群结构紊乱，扰乱宿主基础代谢过程，可诱导冠心病、高血压、心力衰竭等心血管疾病的发生发展。然而，明确特定细菌产生分子的种类以及调控分子改变健康的具体机制，仍然是个挑战。在本节中，我们主要论述肠道微生物参与合成的代谢产物，及其与心血管疾病发病的关系。

一、肠道微生物代谢产物

TMAO是一种小分子化合物，主要是由富含胆碱、磷脂酰胆碱和左旋肉碱的食物（红肉、家禽、鱼及蛋类等）经肠道菌群转化为三甲胺（TMA），TMA在肝脏经过含黄素单加氧酶（FMOx）作用氧化为TMAO。人体循环中的TMAO最终经过尿液、汗液和呼吸作用排出体外；而血液中的TMAO水平与饮食中摄入其前体的量有关，但是其相关性也存在很大的个体差异，这与肠道内微生物的组成有一定关系。TMAO作为一种渗透物，一种电子受体，并且还是一种蛋白稳定剂，可以参与氧化反应、渗透反应和静水压的调节，也可以调节各种酶和激素的活性。血浆TMAO水平与多种心血管疾病存在显著关联。

短链脂肪酸（SCFAs）是膳食纤维在结肠腔内经细菌发酵的产物，主要包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐等。SCFAs不仅是肠上皮细胞重要的能量来源，还可影响肠黏膜屏障，肠上皮细胞的通透性、氧化应激反应等，对结肠功能和健康具有重要的作用。SCFAs是肠道微生物发酵代谢产生的终产物，能够吸收进入体循环。SCFAs是G-蛋白偶联受体GPR43、GPR41以及GPR109A的配体，由特定的单羧转运蛋白通过肠黏膜上皮细胞输送到血液中。SCFAs与相应受体结合后可降低组蛋白脱乙酰酶（HDAC）的活性，增强G蛋白偶联受体（GPCR）信号，而GPCR在能量代谢、交感神经系统和免疫细胞功能的调节中得到广泛的表达和发挥作用。因此，肠道微生物衍生的SCFAs通过与相关受体结合对人对大脑、肌肉、血管等起到调节的功能。

胆汁酸在肝脏中由胆固醇合成，主要包括初级胆汁酸和次级胆汁酸。初级胆汁酸主要通过肝脏中胆固醇的氧化而合成的，并被分泌到肠道中以溶解脂质促进其吸收；在肠道细菌胆汁酸盐水解酶的作用下转化为次级胆汁酸。次级胆汁酸是水溶性分子，能够经肠道直接排出体外，减少胆固醇在体内的堆积。大约95%的BAs从肠道中被重新吸收用于循环，5%在粪便中丢失，这是排泄胆固醇的主要途径。当胆汁酸盐水解酶活性（BSH）降低时，过多的初级胆汁酸经肝肠循环激活法尼酯衍生物X受体，抑制胆汁酸盐合成酶Cyp7a1的活性进而减少胆固醇向胆汁酸的转化，则会造成胆固醇堆积。

与上面所讨论的肠道微生物衍生的代谢物不同，脂多糖（LPS，也称为内毒素）是革兰氏阴性菌外膜的组成成分，具有复杂的结构，由脂类与糖类组成。当肠道黏膜屏障被破坏时，肠道内细菌的易位进入血液循环，增加的LPS会引起轻度的炎症和胰岛素抵抗，最终引起肥胖和Ⅱ型糖尿病。

肠道菌群代谢物还包含有尿毒症毒素，主要是与蛋白质结合的尿毒症毒素，例如硫酸吲哚酚、3-吲哚基-β-D-葡糖苷酸环己胺盐、吲哚-3-乙酸、硫酸吲哚酚、硫酸吲哚酚糖苷酸、硫酸苯酯等，这些尿毒症毒素是氨基酸的肠道菌群衍生物；花色素苷，是糖基花青素，广泛分布于植物液泡中，具有酸碱度（pH）依赖性的颜色；还包含有植物雌激素等。

二、代谢产物与心血管疾病的联系

冠心病是常见的心血管疾病之一，其发病率呈逐年上升的趋势，其病理基础是冠状动脉粥样硬化性斑块的形成。研究表明，胰岛素抵抗、脂质代谢异常、炎症、肥胖是导致动脉粥样硬化性心脏病的主要危险因素。而多项研究表明，肠道菌群通过影响糖类、脂质及胆碱代谢、氧化应激、免疫炎症因子的释放等多途径影响动脉粥样硬化的进程，与心血管病发病率、心血管事件发生风险密切相关。近年来研究发现依赖菌群的代谢产物TMAO诱发AS的发生，并与主要不良心血管事件明显呈正相关。

通过进一步研究发现血清TMAO水平的增加与动脉粥样硬化性斑块的形成密切相关。TMAO具有疏水和亲水双重基团，可调节蛋白质活性和稳定性，增加泡沫细胞生成和抑制胆固醇逆向转运。首先TMAO促进泡沫细胞的形成。动物实验研究发现，给AS倾向的小鼠喂养富含胆碱或者TMAO的食物，加速了AS的形成且改变胆固醇的代谢。通过研究发现，TMAO促进AS发生的主要机制是损伤胆固醇的逆向转运及其分解代谢，一方面体内TMAO水平上升可以上调巨噬细胞ScR CD₃₆受体的表达，这种上调可促进ScR CD₃₆源性的氧化型低密度脂蛋白的重吸收，进而促进泡沫细胞的生成；另一方面，TMAO能降低肝脏胆汁酸合成酶（Cyp7a1、Cyp27a1）和胆汁酸转运蛋白（Oatp1、Oatp4、Mrp2和Ntcp）的表达水平，进而减少胆汁酸代谢，导致反向胆固醇的转运下降，而胆汁酸盐是体内胆固醇的主要代谢途径。最终，体内TMAO水平的增高导致胆固醇积累增加，促进冠状动脉粥样硬化斑块的产生。所以，肠道菌群依赖的脂质磷脂酰胆碱代谢物TMA通过肝脏中的FMO转化为TMAO释放入血，TMAO通过改变胆固醇和胆汁酸的代谢，增加巨噬细胞的活性等机制加速AS进程。

关于TMAO如何导致AS与血栓形成的分子机制已进行了广泛的研究。TMAO有直接促进血小板高反应性和增强血栓形成的潜能。当血小板直接暴露于高水平的TMAO中，细胞内贮存Ca2+释放，这增强了多种激动剂（凝血酶，二磷酸腺苷或胶原蛋白等）依赖的血小板活化能力，缩短血栓形成时间。而且在无菌小鼠中进行的粪便移植能够“转移”血栓形成的高风险，这一点也揭示了一个全新的冠心病患者发生血栓事件的机制。

生理水平TMAO注射诱导内皮细胞和血管平滑肌细胞相同的炎症标志物的基因表达；通过激活丝裂原活化蛋白激酶细胞外信号相关激酶和核因子NF-κ B，TMAO还能够招募白细胞黏附。虽然目前尚不清TMAO是否引起AS或仅是该病的生物学标志；但近年来多项研究更加证实了TMAO可能成为CVD的又一独立危险因素，并且可在通过传统危险因素和血液检测无法识别的人群中作为预测未来心脏病发作、卒中和死亡风险的一种准确筛查工具。

高血压是心脑血管疾病发生进展的首要危险因素，近年来国内外研究者密切关注高血压与肠道菌群之间的相关性。研究发现寄居于人体肠道的细菌可产生人体自身无法合成的物质，并通过物质代谢影响血压的水平。有学者指出肠道微生态改变可使宿主肝脏黄素单氧酶相关基因突变，表达能力增强，黄素单氧酶合成增加，导致高血压发病率升高。

肠道菌群代谢产物TMAO作为一种渗透物质，能加速蛋白质在体内折叠加工及与配体结合的速率等，增加罹患高血压的风险。TMAO对血压的影响主要表现在其增强AngⅡ的升压效果，单纯输注AngⅡ仅可使大鼠收缩压和舒张压显著升高5天左右，但是如果同时输注TMAO可使升压效果持续到实验结束。其作用机制可能是因为TMAO参与某些AngⅡ受体或AngⅡ类似的肽类激素的蛋白质加工，提高蛋白质的生成效率，从而延长AngⅡ的升压效应。

心力衰竭（HF）是全世界心血管发病率和死亡率的重要且越来越常见的原因。有研究提出炎症和代谢过程以及它们的相互作用在慢性HF的发展和进展中起重要作用，并指出肠道微生物群落提供了大量潜在的刺激物、炎症和代谢途径的抑制剂，所以肠道微生物群的变化不仅与肠道炎症有关，还与全身炎症和代谢紊乱有关。

近年来研究发现，TMAO可作为一种重要的介体在肠道微生物群与多种心血管疾病（包括心衰）之间形成了一种机械联系；心力衰竭引起肠道通透性增加，细菌易位增加，循环中内毒素增加，从而使心力衰竭患者发生潜在的炎症反应，引起肾功能受损，肾脏对其清除率减少导致了TMAO水平的升高。有学者通过饮食干预发现C57BL6/J雄性小鼠血清TMAO水平升高使心肌细胞损伤及纤维化、A型利钠肽水平增高和左心室病理性膨大，导致心力衰竭；进而推测TMAO水平升高增加心力衰竭的易感性。一项临床队列研究发现慢性心力衰竭（HF）患者血清TMAO水平也与心功能分级（NYHA）、缺血性病因、不良后果存在相关性。

Tang等学者首次证实TMAO水平升高和心力衰竭患者预后不良的关系，提出了心脏病病理生理的“肠道假说”，即心输出量减少和体循环的再分配可导致肠道缺血和淤血，使肠道菌群组成改变或过度增殖，最终破坏肠黏膜，进而可能导致心血管疾病。肠道是需血性器官，其血供较差，即使在微小血流改变时也易出现缺血，故在心力衰竭的情况下，它直接受灌注量变化的影响。所以目前认为“肠道假说”比较符合心力衰竭时TMAO升高的机制。这些都奠定了肠道微生态与心力衰竭相关的理论与实践基础，但仍需后续研究进一步考证。

SCFAs是肠道内膳食纤维经厌氧菌酵解、生成的小分子化合物，其中丁酸盐具有动脉粥样硬化保护作用，一方面丁酸盐能减少促炎因子，发挥抗炎作用；另一方面，丁酸盐能够降低TNF-α源性的血管细胞黏附分子的产生，减少巨噬细胞与血管内皮细胞之间的黏附作用，进而抑制泡沫细胞的生成。所以丁酸盐产生减少会导致其抗炎效果降低并增加巨噬细胞对血管内皮细胞的黏附，这种作用可促进动脉粥样斑块的进展。

肠道菌群代谢物SCFAs激活肾脏嗅觉受体78（Olfr78）和G蛋白偶联受体孤儿型Gpr41，抑制脂肪细胞释放胰岛素转导信号，肾脏释放肾素水平增加，前者激活肾素-血管紧张素系统并增强交感神经活性，导致高血压的发生；而激活G蛋白偶联受体Gpr41可降低血压。这两个受体犹如一对调控血压的对冲体系，前者升压而后者降压。结合基因、炎症及神经-内分泌系统等多重因素，肠道微生态改变可能成为探索高血压复杂发病机制的新靶点，但其降压机制目前尚未明了，有待进一步探索。

胆汁酸是一种两亲性分子，它在肝脏内由胆固醇合成，通过与胆汁酸受体结合来调节血脂水平，进而影响AS的发生和发展。细菌体内的胆汁盐水解酶（BSH）是胆汁酸在肠道内降解的关键酶。微生物BSH将初级胆汁酸分解为次级胆汁酸，通过肠道排泄，进而减少胆固醇在体内的堆积。胆汁酸在促进脂类消化吸收和胆固醇平衡调节中具有重要作用，肠道微生物衍生的次级胆汁酸通过激活多功能核受体，调节肝脏中成纤维细胞生长因子15和胆固醇7α-羟化酶（CYP7A1）的表达，抑制胆汁酸合成。而肠道胆汁酸积聚能够抑制肝细胞X受体介导促进胆固醇转运蛋白ABCG5/G8受体的表达，抑制胆固醇的排出，导致胆固醇在体内的堆积，促进泡沫细胞的形成，最终促进动脉粥样硬化斑块的形成。

胆汁酸不仅在脂类代谢，亦在各种生理过程发挥作用。肠道细菌参与胆汁酸的转化过程中，增加了人体宿主棕色脂肪组织（BAT）的燃烧、能量消耗和胰岛素敏感，从而抑制炎症的产生。其主要由farnesoid X受体（FXR）和胆汁酸G蛋白耦合受体-5（TGR5）受体介导而降低甘油三酯的累积，促进脂肪酸的氧化，通过灭活NF-κ B而降低主动脉细胞炎性细胞因子与化学因子的表达。所以提高BSH活性可以降低AS的危险因素，包括体重增加、血清胆固醇水平和肝脏三酰甘油水平。

近年来多数学者认为AS由内膜上炎症反应的结果导致，而炎症的发生受到细菌的影响；其致病机制为肠道细菌死亡后释放LPS和一些细菌碎片，转移到血液、血管壁、脂肪细胞和一些器官，从而干扰免疫系统，导致慢性低度炎症而引发动脉粥样硬化。LPS来自破碎的细菌细胞膜释放，可诱发系统性炎症与败血症。健康个体的肠道-血液屏障可阻止LPS进入血液循环。但因菌群失调导致的屏障渗漏可使细菌进入血流。LPS结合蛋白（LBP）在肝脏内合成并释放到血液循环中。如若激活LPS的膜受体Toll样受体（TLR4），则会启动NF-κ B信号通路并产生炎性细胞因子，直接促进内皮损伤，引起单核细胞迁移分化成巨噬细胞，诱导斑块形成。LPS亦可通过JNK1诱导巨噬细胞CD14与SR-AI的表达，导致氧化低密度脂蛋白（oxLDL）的摄入而形成泡沫细胞；进而促进胆固醇酯在低密度脂蛋白累积，可见LPS可促进动脉粥样硬化。所以定居于肠道的革兰氏阴性杆菌产生的LPS是一个连接炎症与高脂饮食诱导型代谢综合征的触发因素。LPS嵌入乳糜微粒，通过肠黏膜屏障进入淋巴系统后再进入血液，被脂蛋白和LBP分别转运至靶组织-脂肪组织、肝脏和血管内皮细胞。在血管内皮细胞中，LPS可导致动脉粥样硬化斑块形成和破裂，最终引发心血管事件。

硫酸吲哚酚是一种尿毒症毒素的一种，其产生亦依赖于肠道内的细菌。血清硫酸吲哚酚的水平与冠状动脉粥样硬化正相关，可能是冠状动脉粥样硬化严重程度的生物标志物。也有研究表明硫酸吲哚酚诱发心脏纤维化、心肌细胞肥大与心房纤维化。

硫酸吲哚酚抑制NO的生成并诱导活性氧信使通路自由基的形成，逐渐破坏内皮细胞层；通过激活NF-κ B通路，导致内皮细胞ICAM-1与MCP-1的高表达；而内皮细胞ICAMs的高表达又是AS形成的起始步骤。硫酸吲哚酚也可通过增加血小板活性，增加对胶原与凝集素的反应，导致血栓形成。总之，这些研究表明硫酸吲哚酚在分子与细胞水平上与心血管疾病关联。

尿毒症毒素中的对甲酚硫酸盐可诱导NADPH氧化酶的活性，并产生活性氧自由基，导致心肌细胞的凋亡以及随后的舒张功能障碍；亦可增加内皮细胞TNF-α、MCP-1、ICAM与VCAM的表达，因此机制性的促进动脉粥样硬化形成。对甲酚硫酸盐与硫酸吲哚酚非常相似，不易从透析中去除，因此对生物合成通路的抑制将是最佳的干预途径。

花青素是肠道菌群代谢物花色素苷的一种，具有不同官能基团共价连接到三环的黄酮。有研究显示花青素在动脉粥样硬化可抗血小板，以及其他心脏病的预防，以诱导血管中NO的合成，从而增加血管舒张，减少因氧化应激导致的细胞凋亡，以及增加HDL等作用。更多的研究表明，花青素对AS的有益防护主要由肠道代谢产物介导。其中花青素-3-糖苷可促进反向胆固醇的转运并由PCA介导，PCA亦可诱导巨噬细胞表达miR-10b，从而增加ABCA1及ABCG1的表达。

目前研究没有充分的证据支持植物雌激素可降低心血管疾病风险。但是植物雌激素在肠道内可被进一步代谢为活性更高的分子，例如肠内酯等。肠内酯是一种二酚，其具有抗氧化功能。研究表明高血清肠内脂的水平与降低心血管疾病致死率有关。另外，尿液中的总植物雌激素与单种植物雌激素，与血清C反应蛋白负相关。因此，植物雌激素的作用可以是双向的。例如，植物雌激素可增加血管舒张与氧化氮代谢而有益；也可有促炎性作用。所以，肠内酯可能有促炎、抗炎双重作用，在AS形成过程中起到了一定的作用。