缺血性心臟病相關(guān)腸道微生物及菌群代謝物研究進(jìn)展
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綜 述
● 原文鏈接DOI: https://doi.org/10.1002/imt2.94
● 2023年2月26日，寧波大學(xué)附屬第一醫(yī)院崔翰斌團(tuán)隊、浙江省動脈粥樣硬化疾病精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究重點實驗室范勇團(tuán)隊在 iMeta 在線發(fā)表了題為“Microbiota-related metabolites fueling the understanding of ischemic heart disease ”的文章。
● 本研究重點闡述了IHD發(fā)病相關(guān)的腸道微生物群結(jié)構(gòu)改變及其相應(yīng)的代謝產(chǎn)物特征，以及針對腸道微生物紊亂的相應(yīng)干預(yù)策略等。此外，對腸道病毒組在人類IHD等非傳染性疾病的發(fā)生發(fā)展中所起的作用及其研究前景進(jìn)行展望。
● 第一作者：范勇、應(yīng)嘉駿
● 通訊作者：崔翰斌 (hbcui_nbdyyy@outlook.com)
● 合作作者：馬洪闖
● 主要單位：浙江省動脈粥樣硬化疾病精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究重點實驗室、寧波大學(xué)附屬第一醫(yī)院心血管內(nèi)科、寧波市心血管疾病臨床研究中心
亮 點
● 回顧總結(jié)缺血性心臟病相關(guān)的腸道微生物異常改變
● 闡述腸道微生物紊亂及其代謝物改變與缺血性心臟病間的聯(lián)系
● 展望基于腸道微生態(tài)調(diào)控的缺血性心臟病防治策略
摘 要
缺血性心臟?。↖HD）是全球范圍內(nèi)人類死亡的首要原因。近年來研究表明，人體腸道菌群通過影響氧化三甲胺（TMAO）、苯乙酰谷氨酰胺（PAGln）、三甲基-5-氨基戊酸等相關(guān)代謝產(chǎn)物來促進(jìn)IHD的發(fā)生和發(fā)展。隨著腸道病毒組學(xué)研究的進(jìn)展，腸道病毒組及其與細(xì)菌的互作機制進(jìn)一步豐富了對IHD的病理機制的理解?；贗HD患者腸道微生物組和代謝組研究的前期進(jìn)展，有理由認(rèn)為針對腸道微生物的靶向干預(yù)可為預(yù)防和治療IHD提供潛在策略。在本文中，我們總結(jié)了這個領(lǐng)域內(nèi)的最新進(jìn)展，重點闡述了IHD發(fā)病相關(guān)的腸道微生物群結(jié)構(gòu)改變及其相應(yīng)的代謝產(chǎn)物特征，以及針對腸道微生物紊亂的相應(yīng)干預(yù)策略等。此外，我們對腸道病毒組在人類IHD等非傳染性疾病的發(fā)生發(fā)展中所起的作用及其研究前景進(jìn)行展望。
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引 言
流行病學(xué)研究顯示，缺血性心臟?。↖HD）已成為全世界人類健康的首要威脅。IHD最重要和最常見的病因為冠狀動脈疾病，故也被稱為冠心病（CHD）或冠狀動脈疾?。–AD），其特征是由于冠狀動脈的狹窄或閉塞導(dǎo)致心肌血液灌注減少，并產(chǎn)生一系列臨床缺血性癥狀。IHD通常分兩類，即慢性穩(wěn)定型和急性不穩(wěn)定型（即急性冠狀動脈綜合征，ACS）。IHD在臨床發(fā)病之前往往合并有肥胖、2型糖尿病和代謝綜合征等危險因素，從而IHD發(fā)病與上述危險因素之間存在共性機制和病理交叉，這為探討IHD固有發(fā)病機制包括腸道微生物特征等帶來一定的挑戰(zhàn)。
流行病學(xué)、生理學(xué)、多組學(xué)和動物研究等表明，IHD發(fā)病與腸道微生物密切相關(guān)。腸道細(xì)菌基因龐大而復(fù)雜，人類腸道細(xì)菌總量超過1014 種，而腸道病毒的數(shù)量比細(xì)菌還要高出若干數(shù)量級。腸道微生物包括細(xì)菌、病毒、真菌和古菌，可以共同提供一個表征IHD發(fā)展的信息庫。同時腸道微生物編碼的各種酶參與多種代謝物的產(chǎn)生，這些代謝產(chǎn)物通過血液循環(huán)影響血管疾病和心肌代謝。
過去二十年，測序技術(shù)和生物信息學(xué)快速發(fā)展，使我們對腸道微生物結(jié)構(gòu)、功能及其與宿主表型之間的關(guān)系有了更深入的了解，從而大大推動了從隊列到個性化特征的理解進(jìn)程。然而，從基礎(chǔ)研究到臨床轉(zhuǎn)化之路還很長。譬如，目前仍缺乏精確診斷IHD的特定微生物種群，微生物組結(jié)構(gòu)改變與IHD的因果關(guān)系仍不明確，而且基于腸道微生物組的靶向治療并沒有產(chǎn)生令人滿意的臨床效果?？傊谌巳旱年犃醒芯?、動物實驗研究，以及微生物相關(guān)代謝產(chǎn)物對宿主表型改變的影響等，仍將對闡述腸道微生物群在IHD發(fā)展中的作用具有重要意義。
在這篇綜述中，我們總結(jié)了與IHD相關(guān)的腸道微生態(tài)研究的最新進(jìn)展，包括微生物種群特征改變（圖1），和影響IHD的發(fā)生及進(jìn)展的微生物群相關(guān)代謝產(chǎn)物（圖2）。我們還介紹了基于微生物組的IHD的治療現(xiàn)況和前景（圖3）。特別需要強調(diào)的是，腸道病毒/噬菌體作為干預(yù)腸道細(xì)菌結(jié)構(gòu)或功能的一種新的手段，將來亦有望成為IHD的一種補充治療策略 （圖2）。
IHD相關(guān)腸道微生物組特征
IHD患者往往存在腸道微生態(tài)失調(diào)（圖1）。由于動脈粥樣硬化在臨床無癥狀階段就已經(jīng)普遍存在代謝異常，而且大多數(shù)IHD患者共病有肥胖、2型糖尿病，以及相應(yīng)的藥物治療，因此要定義IHD所特有的腸道微生物改變將非常有挑戰(zhàn)性。2017年，Cui等發(fā)現(xiàn)IHD患者腸道擬桿菌門（Bacteroidetes）和變形桿菌門（Proteobacteria）的豐度低于對照組；相反，厚壁菌門（Firmicutes）和梭桿菌門（Fusobacteria）豐度升高。然而該研究未對合并用藥及共病因素進(jìn)行校正；在腸道微生物的科水平，2019年，Liu等報道，IHD患者鉤端螺旋菌科（Lachnospiraceae）和瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）顯著減少。且對疾病亞組分析提示，IHD越嚴(yán)重其腸道鏈球菌屬（Streptococcus）、嗜血桿菌屬（Haemophilus）和顆粒鏈菌屬（Granulicatella）豐度越高。此外，一些革蘭氏陰性菌（CAG17）的豐度亦隨著IHD的嚴(yán)重程度增加而增加，包括維洛內(nèi)拉菌（Veillonella）、克雷伯菌（Klebsiella）等。既往曾有研究顯示，這些細(xì)菌通過產(chǎn)生脂多糖（LPS）而激發(fā)固有免疫及炎癥反應(yīng)；在微生物屬水平，Jie等發(fā)現(xiàn)動脈粥樣硬化性心血管疾?。ˋCVD）患者腸道擬桿菌屬（Bacteroides）和普氏菌屬（Prevotella）相對減少，而鏈球菌屬（Streptococcus）和大腸桿菌屬（Escherichia）相對富集。ACVD患者的腸桿菌（Enterobacteriaceae）和口腔中常見的細(xì)菌，如Streptococcus spp.，Lactobacillus salivarius， Solobacterium moorei以及Atopobium parvulum的豐度也高于健康對照組。相反，在ACVD腸道菌群中，丁酸產(chǎn)生菌（包括Roseburia intestinalis和Faecalibacterium prausnitzii）發(fā)生衰減。值得注意的是，腸道微生物群落中的互作關(guān)系在ACVD患者和健康個體之間也存在明顯差異。例如，在ACVD共生擬桿菌屬（commensals Bacteroides spp.）和需氧鏈球菌屬（aerobes Streptococcus spp.）兩者的豐度存在顯著負(fù)相關(guān)，而健康人群則無此現(xiàn)象。從而表明，ACVD患者腸道微生物的組成和種間關(guān)系存在嚴(yán)重失衡。
近年來，一些混雜因素對IHD微生物組分析的影響引起了學(xué)者們的關(guān)注，如合并癥和多重用藥等。其中一項研究重點調(diào)查了藥物和生活方式對IHD不同階段（發(fā)生和進(jìn)展）的腸道微生物的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在IHD的出現(xiàn)臨床癥狀之前，就已經(jīng)呈現(xiàn)出腸道微生物及其相關(guān)代謝物的改變，并通過機器學(xué)習(xí)方法去除混雜影響因素后，揭示了IHD所特定的腸道微生物組和代謝組特征，這比傳統(tǒng)分析方法具有更好的辨別效能。IHD特有的微生物特征包括Acinetobacter, Turcimonas，Acetobacter在內(nèi)的23種腸道菌群衰減，以及8種菌群的富集，后者包含2種伯克氏菌目（Burkholderiales），這兩種細(xì)菌亦可能是感染性心內(nèi)膜炎的病原菌。Yeela等通過以色列的人群隊列發(fā)現(xiàn)，在去除混雜因素（包括臨床特征和多種藥物）的影響后，20種細(xì)菌在急性冠狀動脈綜合癥（ACS）或?qū)φ罩酗@著富集，ACS患者丁酸產(chǎn)生菌（Clostridium, Anaerostipes hadrus, Streptococcus thermophilus, Blautia）顯著減少，而Odoribacter splanchnicus，Escherichia Coli等豐度增加。研究者還首次報道梭狀芽胞桿菌（Clostridiaceae）在ACS患者中呈現(xiàn)衰減趨勢。上述兩項研究都發(fā)現(xiàn)IHD患者體內(nèi)丁酸鹽產(chǎn)生菌豐度下降，這可能IHD患者體內(nèi)短鏈脂肪酸（SCFAs）降低的重要原因。Han等通過對30名住院的急性心肌梗死（AMI）患者研究，發(fā)現(xiàn)放線菌門（Actinobacteria）、藍(lán)細(xì)菌門（Cyanobacteria）、變形菌門（Proteobacteria）和疣微菌門（Verrucomicrobia）的細(xì)菌在AMI患者的腸道微生物組中呈現(xiàn)富集，而梭桿菌門（Fusobacteria）和軟壁菌門（Tenericutes）則減少。此外，他們還報道不同血管床病變引起的急性心肌梗死的腸道微生物群落特征，如前降支病變患者富含Ruminantium，Comamonadaceae，Comamonas，和一些MollicutesRF9目的未知菌種，這為我們解釋腸道微生物參與IHD發(fā)病方面提供了新的認(rèn)識視角。然而不足之處在于其樣本量少，且未排除藥物和生活方式的混雜影響。
圖1. IHD相關(guān)腸道微生物系譜樹
該系譜樹呈現(xiàn)了IHD相關(guān)的腸道菌群。內(nèi)圈的背景色表示屬于同一門的所有物種，外圈表示IHD病例中每種細(xì)菌富集狀態(tài)（與健康人群比較），其中橙色表示豐度增加，而綠色表示豐度減少。
腸道微生物的代謝物與IHD
大量研究表明，腸道微生物群的結(jié)構(gòu)異常是IHD患者的共有特征。然而，腸道微生物推進(jìn)IHD病理過程的具體機制仍未清楚。由于腸道微生物組作為一個基因庫，是一個巨大的工廠，可以合成且釋放大量的化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)是腸道共生體和宿主之間交流的主要介質(zhì)。下面我們將重點圍繞幾種腸道細(xì)菌代謝物闡述其在IHD病理生理方面的影響（圖2）。
圖2. 腸心軸：腸道微生物的代謝物與IHD
本圖概述了IHD發(fā)病相關(guān)的腸道微生物的代謝物。腸道微生物分解代謝膳食中的L-肉堿，產(chǎn)生三甲胺（TMA），后者被單加氧酶（FMO）氧化，產(chǎn)生三甲胺N-氧化物（TMAO）。TMAO是被公認(rèn)為的動脈粥樣硬化危險因素。腸道微生物亦可促進(jìn)初級膽汁酸合成次級膽汁酸（BAs），后者通過FXR和TGR5介導(dǎo)其抗炎作用，并抑制動脈粥樣硬化。腸道微生物產(chǎn)生的SCFAs作用于G蛋白受體（GPR41/43），并調(diào)節(jié)系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)。LPS為促炎因子，通過誘導(dǎo)激活Toll樣受體而促進(jìn)動脈粥樣硬化病變。腸道微生物所產(chǎn)生的苯乙酰谷氨酰胺（PAGln）通過其靶點腎上腺素能受體（ADRs）激活血小板，并導(dǎo)致血管異常改變。此外，由腸道微生物來源的兩種尿毒癥毒素（對甲酚硫酸鹽和吲哚基硫酸鹽）通過芳烴受體（AHRs）引起動脈粥樣硬化病變。
注：VCAM-1, 血管細(xì)胞黏附分子-1; TXNIP, 硫氧還蛋白相互作用蛋白; NLRP3, NLR家族Pyrin域蛋白3; IL,白細(xì)胞介素; TNF-α, 腫瘤壞死因子-α。
氧化三甲胺
氧化三甲胺（TMAO）是一種腸道細(xì)菌特異的代謝物。TMAO主要來源于飲食攝入的膽堿和肉堿，如雞蛋、魚、紅肉等。三甲胺（TMA）作為TMAO的前體，由腸道微生物從含有左旋肉堿或磷脂酰膽堿的營養(yǎng)素中合成。腸道微生物合成的TMA可以進(jìn)入宿主血液循環(huán)并到達(dá)肝細(xì)胞。在肝臟、腎臟和其他組織中，TMA通過含黃素單氧化酶（FMO）的代謝而生成TMAO。2013年，Hazen等首先報道TMAO可作為預(yù)測IHD的獨立危險因素。后來相繼有大量研究證實這一觀點。TMAO的生物學(xué)作用有以下幾方面：首先TMAO可以抑制膽汁酸的合成，進(jìn)一步影響脂質(zhì)代謝，并降低膽固醇清除率。這可能是TMAO通過誘導(dǎo)細(xì)胞膜蛋白（CD36和清道夫受體A）的表達(dá)，進(jìn)而抑制膽固醇的逆向轉(zhuǎn)運，導(dǎo)致巨噬細(xì)胞中膽固醇的累積。TMAO還可誘導(dǎo)鈣釋放和血小板高反應(yīng)性，從而促進(jìn)血栓性病變。此外，TMAO還可以通過激活TXNIP-NLRP3，從而上調(diào)炎癥因子表達(dá)，如TNF-α，IL-6、IL-18等。TMAO亦可促進(jìn)血管細(xì)胞粘附分子1（VCAM-1）和單核細(xì)胞粘附分子的表達(dá)，從而導(dǎo)致炎癥反應(yīng)和斑塊的形成。
腸道微生物是影響TMAO合成的主要因素。Gwen等鑒定了TMA代謝相關(guān)的36個物種的102個基因組，這些物種多來源于厚壁菌門、變形菌門和放線菌門。另一項研究報道，來自厚壁菌門和變形桿菌門的6個屬和8個種的細(xì)菌可消耗培養(yǎng)基中60%以上的膽堿，并導(dǎo)致TMA大量合成。另有研究表明瘤胃球菌屬也參與TMA的代謝。關(guān)于產(chǎn)生TMA的腸道細(xì)菌種類、生物合成基因和基因簇（BGC）等機制已基本明確。TMA合成主要通過兩個通路：1) 以膽堿為底物，通過膽堿TMA裂解酶CutC及其激活劑CutD進(jìn)行生物合成; 2) 通過雙組分Rieske型加氧酶/還原酶（CntA/B）作用于肉堿。此外，酶復(fù)合物YeaW/X也被證明參與了TMA的合成。γ-丁酸（γBB）特異性BGC是由一個酰基CoA脫氫酶（gbuA）、兩個酰基CoB轉(zhuǎn)移酶（gbuB、gbuC）、泛醌氧化還原酶（gbuD）、甜菜堿/肉堿/膽堿轉(zhuǎn)運蛋白（gbuE）和一個酰基-CoA硫酯水解酶（gbuF）等六個相鄰基因所組成，其中四個基因被認(rèn)為是在非天然大腸桿菌宿主中產(chǎn)生TMA所必需的：gbuA、gbuB、gbuC和gbuE。
除TMAO外，最近也報道了其他的腸道微生物的代謝物作為IHD的獨立危險因素。三甲基賴氨酸（TML）作為肉堿合成的前體，代謝產(chǎn)生TMA，也是IHD事件的強預(yù)測因子。一項臨床隊列研究中發(fā)現(xiàn)（n=2918），γBB是IHD風(fēng)險因素，而γBB是肉堿向TMA轉(zhuǎn)化的中間體。另一項針對前瞻性心力衰竭的隊列研究發(fā)現(xiàn)（n=1647），TML被腸道微生物代謝后產(chǎn)生N，N，N-三甲基-5-氨基戊酸（TMAVA），后者明顯升高心源性死亡風(fēng)險。Zhao等發(fā)現(xiàn)，高血壓患者血液TMAVA顯著增加。動物實驗顯示，TMAVA干預(yù)組小鼠的心臟重量較對照組顯著增加，從而提示TMAVA可能促進(jìn)心臟肥大和功能障礙，并導(dǎo)致心肌脂質(zhì)積聚，血漿和心肌中的肉堿減少，這些改變可能是通過γBB羥化酶（BBOX）來發(fā)揮作用?？傊琓MAO及其合成代謝中的其它前體物質(zhì)在IHD的發(fā)生和發(fā)展中具有重要作用，但其確切的致病機制仍有待進(jìn)一步探索。
短鏈脂肪酸（SCFAs）的合成
SCFAs包括乙酸、丙酸和丁酸，它們由單糖發(fā)酵而成，是細(xì)菌代謝的主要產(chǎn)物。乙酸和丙酸主要由擬桿菌門合成，而丁酸主要由擬桿菌門和厚壁菌門合成。Jie等研究發(fā)現(xiàn)，IHD患者腸道玫瑰菌（Roseburia）和真桿菌（Eubacterium）豐度減少，這兩種菌均明確為丁酸生成菌，提示IHD患者丁酸產(chǎn)生潛力下降。SCFAs具有許多有益作用，包括調(diào)節(jié)腸道pH值、降低體重、改善胰島素敏感性和促進(jìn)腸道蠕動等。SCFAs還可減少膽固醇合成，并促進(jìn)膽固醇逆向轉(zhuǎn)移從而降低血脂水平。SCFAs通過特定的單羧酸轉(zhuǎn)運體從腸道進(jìn)入血液循環(huán)，并通過G蛋白偶聯(lián)受體（GPR43和GPR41）發(fā)揮生理作用。這兩種受體在調(diào)節(jié)能量消耗以及免疫應(yīng)答中有重要作用。另有研究顯示，丁酸生成基因表達(dá)與C-反應(yīng)蛋白（CRP）水平之間存在強烈的負(fù)相關(guān)，而CRP被普遍認(rèn)為與IHD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。
在IHD和高血壓患者中，產(chǎn)生SCFAs的腸道細(xì)菌豐度降低。且SCFAs及其產(chǎn)生相關(guān)的腸道細(xì)菌都被認(rèn)為是IHD的保護(hù)因素。因此，增加SCFAs的含量或提高其相關(guān)產(chǎn)生菌的豐度都可能是IHD 的潛在治療手段。
膽汁酸調(diào)節(jié)
腸道微生物是調(diào)節(jié)膽汁酸（BAs）循環(huán)的重要參與者。初級BAs由肝臟中的膽固醇氧化合成，以?；撬峄蚋拾彼峁曹椥问椒置诘侥c道，并在限速酶膽固醇7- α -羥化酶(CYP7A1)作用下，將脂質(zhì)溶解吸收。初級BAs（膽酸和鵝去氧膽酸）通過微生物的脫羥基作用轉(zhuǎn)化為次級BAs，包括脫氧膽酸（DCA）、石膽酸（LCA）和熊去氧膽酸（UDCA）等。除LCA和UDCA外，約95%的BAs從腸道重新吸收。BAs可以作為配體激活核受體FXR和Takeda G蛋白偶聯(lián)受體5（TGR5）。BAs主要通過激活上述兩種受體發(fā)揮降低血清膽固醇的作用。此外，通過激活TGR5，BAs還可以抑制脂多糖（LPS）誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。Mayerhofer等研究提示，BAs可以通過調(diào)節(jié)通道傳導(dǎo)性和鈣動力特性來降低心率和調(diào)節(jié)血管張力。此外，初級與次級BAs的比率與心力衰竭和IHD患者的循環(huán)膽固醇水平呈正相關(guān)。雖然大多數(shù)研究側(cè)重于腸道微生物和循環(huán)BAs之間的生物學(xué)關(guān)聯(lián)，但對腸道微生物群中負(fù)責(zé)BAs代謝的相關(guān)菌種的深入研究很少。Wang等人證明了腸道細(xì)菌基因結(jié)構(gòu)變異（SVs）顯著影響了BAs的代謝。研究者通過1437名受試者組成的隊列，系統(tǒng)地描述了人類腸道微生物組中兩種SVs，即缺失型和變異型，發(fā)現(xiàn)SVs特征與循環(huán)BAs水平有關(guān)，并進(jìn)一步鑒定特定細(xì)菌基因組中負(fù)責(zé)BAs調(diào)節(jié)的遺傳區(qū)域。更有趣的是，通過這種策略還有助于推定編碼BAs的代謝酶，但由于分離攜帶該基因區(qū)域的細(xì)菌菌株存在巨大挑戰(zhàn)，因此該假設(shè)仍待進(jìn)一步實驗證實。據(jù)此認(rèn)為，腸道微生物特征包括菌群種類、潛在功能及結(jié)構(gòu)變異等與BAs的代謝有關(guān)。菌群出現(xiàn)紊亂則可導(dǎo)致IHD的發(fā)生。因此，需要更進(jìn)一步探索BAs相關(guān)的菌群、受體及相關(guān)通路，并作為IHD的重要干預(yù)靶點。
脂多糖與免疫調(diào)節(jié)
丁酸產(chǎn)生菌的減少亦可導(dǎo)致腸粘膜屏障功能障礙，從而促進(jìn)有關(guān)微生物毒素（如LPS等）被動入血，并誘發(fā)炎癥反應(yīng)。最近，Awoyemi等報道LPS結(jié)合蛋白水平的增加可升高IHD風(fēng)險。此外，研究發(fā)現(xiàn)促進(jìn)系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)的主要是六?；疞PS，而非五?；疞PS。因此，六酰化LPS亦可能成為潛在的IHD治療靶點。
腸道微生物可以通過免疫機制促進(jìn)IHD。研究認(rèn)為，IHD是一種慢性炎癥性疾病，而AMI則系急性炎癥反應(yīng)病變。氧化低密度脂蛋白（oxLDL）可以通過激活內(nèi)皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和T細(xì)胞來促進(jìn)動脈粥樣硬化和炎癥。巨噬細(xì)胞通過吞噬oxLDL，促進(jìn)炎癥因子（TNF-α，IL-6，IL-18，IL-37等）釋放，從而引起IHD。腸道微生物亦能夠顯著影響人體的免疫系統(tǒng)。Mikelsaar M等研究發(fā)現(xiàn)，腸道中存在的羅伊氏乳桿菌（Lactobacillus reuteri）數(shù)量與白細(xì)胞升高相關(guān)。彎曲桿菌（Oscillibacter）、糞桿菌（Faecalibacterium）和瘤胃球菌（Ruminococcus）的豐度降低伴隨血液CRP水平升高。通過無菌（GF）小鼠的模型研究顯示，T細(xì)胞的發(fā)育與腸道微生物關(guān)系密切，尤其是T輔助細(xì)胞17（Th17）的分化。Gil-Cruz C等研究報道心肌炎與源自腸道微生物的特異性Th17細(xì)胞有關(guān)。他們還發(fā)現(xiàn)多形擬桿菌（Bacteroides thetaiotaomicron）和糞桿菌（Bacteroides faecis）可促進(jìn)炎性心肌病。此外，腸道細(xì)菌產(chǎn)生的丁酸促進(jìn)誘導(dǎo)生成Foxp3+ 調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Treg），并通過GPR43和GPR41以影響機體免疫系統(tǒng)。
苯乙酰谷氨酰胺
苯乙酰谷氨酰胺 (PAGln)，由膳食中的苯丙氨酸經(jīng)過腸道微生物發(fā)酵，并與谷氨酰胺偶聯(lián)而成。據(jù)報道，PAGIn是IHD及其它主要不良心血管事件的獨立預(yù)測因素。研究發(fā)現(xiàn)，在頸動脈斑塊呈現(xiàn)穩(wěn)定型患者中，血漿PAGln水平顯著低于其他斑塊更嚴(yán)重的患者，故較低的PAGln可能有助于維持頸動脈粥樣硬化斑塊的穩(wěn)定。針對IHD患者，Liu等研究顯示，血漿PAGln水平與冠狀動脈斑塊負(fù)荷相關(guān)。PAGln水平較高的患者發(fā)生阻塞性IHD的風(fēng)險較高，其冠狀動脈病變的復(fù)雜性也較高。通過基因工程和糞菌移植研究提示，PAGln可加速血小板聚集、鈣離子釋放以及血栓形成。通過相應(yīng)的遺傳和藥理學(xué)研究工具，揭示了PAGln與G蛋白偶聯(lián)受體之間相互作用，尤其是腎上腺素能受體（ADRs）包括α2A、α2B和β2-ADRs，這些受體在血小板表面大量表達(dá)。ADRs在調(diào)節(jié)血管功能、血小板活性及心血管事件方面具有重要作用。選擇性ADRs抑制劑可降低PAGln誘導(dǎo)的血小板高反應(yīng)性，以及血栓形成速率。與TMAO類似，PAGln以及合成PAGln的腸道微生物亦有望成為未來治療IHD的潛在靶標(biāo)。
其他腸道微生物相關(guān)代謝物
在已明確的微生物相關(guān)代謝物中，兩種蛋白結(jié)合的尿毒癥毒素包括對甲酚硫酸鹽（PCS）和硫酸吲哚酚（IS），與慢性腎臟病（CKD）患者的心血管事件和動脈硬化有關(guān)。事實上，CKD患者本身的心血管疾病事件發(fā)生率會顯著增加。通過大鼠的CKD模型研究發(fā)現(xiàn)，PCS和IS可能通過促進(jìn)凝血和炎癥反應(yīng)而導(dǎo)致血管鈣化的發(fā)生和發(fā)展。然而，在接受血液透析的患者中，PCS、IS與心血管結(jié)局之間卻缺乏相關(guān)性。因此，關(guān)于PCS和IS與IHD之間的病因關(guān)系仍需謹(jǐn)慎看待。
基于腸道微生物的IHD治療策略
針對腸道微生物的治療
IHD危害極大，在腸道微生物領(lǐng)域的研究成果若能及時臨床轉(zhuǎn)化，將對IHD的防治具有重要意義。越來越多的證據(jù)表明，腸道微生物在IHD的發(fā)生發(fā)展中至關(guān)重要，故針對腸道微生物調(diào)控的治療策略備受關(guān)注。本文中我們將重點介紹以下幾種腸道微生物干預(yù)調(diào)控策略，及其對IHD的治療潛力 （圖3）。
圖3. 基于腸道微生物組的IHD干預(yù)策略
針對IHD患者的腸道微生物結(jié)構(gòu)和功能失衡，有五種干預(yù)措施：異體或自體方式進(jìn)行糞便微生物群移植、抗生素治療、飲食調(diào)控、補充益生菌或益生元，以及個性化的醫(yī)療策略等。
糞菌移植
糞菌移植（FMT）可通過富集或耗竭宿主微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，從而抑制致病菌的生長，并通過將健康供體的功能性細(xì)菌群落移植到患者的胃腸道中，以重塑受體的腸道群落結(jié)構(gòu)，并調(diào)節(jié)宿主的免疫功能。FMT是干預(yù)腸道微生物的根本措施，被視為治療復(fù)發(fā)性艱難梭菌感染的公認(rèn)方法。有研究表明，肥胖人群接受偏瘦人群的糞菌移植后胰島素敏感性增強，同時其它代謝相關(guān)的表型特征得到相應(yīng)改善。然而，不同研究其結(jié)果存在較大差異。例如，從純素食供體向代謝綜合征患者移植糞菌，盡管并未觀察到所期待的TMAO水平變化，但受體的腸道微生物結(jié)構(gòu)組成向純素食者的腸道微生物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，因此需要更大的樣本量并延長FMT后隨訪時間以獲得預(yù)期效果。此外，最近一項研究報道了移植耐藥大腸桿菌導(dǎo)致患者死亡，從而增加了后續(xù)臨床使用FMT的安全風(fēng)險。因此目前臨床應(yīng)用FMT仍存在挑戰(zhàn)，包括對供體糞便厭氧處理的最佳條件、受體和供體菌群間的相容性、以及供體菌群在受體腸道中的存活和再定植的不穩(wěn)定性等諸多問題。
抗生素
2004年Conraads等研究發(fā)現(xiàn)，廣譜抗生素可降低心力衰竭患者系統(tǒng)性炎癥標(biāo)志物水平，但這項研究并未關(guān)注患者臨床結(jié)局。在另一項研究中，Galla等發(fā)現(xiàn)，米諾環(huán)素和萬古霉素的干預(yù)顯著增加了鹽敏感大鼠的收縮壓，并降低了自發(fā)性高血壓大鼠的舒張壓。Rune等研究報道，對于ApoE敲除小鼠模型，使用氨芐青霉素干預(yù)可以降低血液循環(huán)中的低密度脂蛋白（LDL）和極低密度脂（VLDL）水平。最近關(guān)于心肌梗死小鼠模型的研究顯示，口服廣譜抗生素增加了心梗小鼠的死亡率。然而，這項研究結(jié)果與之前的報道相反。此前有研究認(rèn)為，口服萬古霉素、鏈霉素、新霉素、多粘菌素和桿菌肽的混合物可以減少小鼠的心肌梗死面積并改善心臟功能。另外在人體試驗中，各項研究的結(jié)果也并不統(tǒng)一。部分研究表明抗生素對IHD有益，部分認(rèn)為有害。Claricor研究通過10年的隨訪發(fā)現(xiàn)，克拉霉素治療后可使穩(wěn)定型冠心病患者的心血管死亡風(fēng)險增加。故抗生素治療IHD仍存在很大爭議。鑒于安全性考慮，以及相關(guān)證據(jù)的可靠性，在未來重塑IHD腸道微生物組的研究中，抗生素的使用仍需十分謹(jǐn)慎。
益生菌與益生元
益生菌可調(diào)節(jié)腸道微生物的結(jié)構(gòu)與功能，并激活免疫系統(tǒng)。目前廣泛應(yīng)用的益生菌主要有乳桿菌（Lactobacillus）和雙歧桿菌（Bifidobacterium）。益生元則是宿主微生物的營養(yǎng)底物，它可以增加益生菌的活性和功能，大多數(shù)益生元是碳水化合物。有報道認(rèn)為益生元可升高SCFAs，并改善代謝機能。有動物試驗表明，益生菌和益生元，如乳桿菌（Lactobacilli）和菊粉（inulin），可以延緩動脈粥樣硬化發(fā)病。另一項實驗發(fā)現(xiàn)，在冠狀動脈結(jié)扎前用植物乳桿菌299v（Lactobacillus plantarum 299v）處理的大鼠心肌梗死面積減少，心臟功能亦相應(yīng)改善。Mohania D等發(fā)現(xiàn)，在規(guī)律喂食益生元Dahi的大鼠，肝臟和主動脈的膽固醇沉積顯著減少。另一項研究發(fā)現(xiàn)，與服用纖維素的肥胖志愿者相比，每天服用20克菊粉丙酸酯（inulin-propionate）的肥胖志愿者血液IL-8水平顯著降低，但其余全身炎癥標(biāo)志物沒有受到影響。這些研究表明，益生菌和益生元可降低血脂和飲食相關(guān)高膽固醇血癥。在一項關(guān)于慢性收縮性心力衰竭的隊列研究中，持續(xù)3個月每天口服1g布拉酵母菌（Saccharomyces boulardii）可改善干預(yù)組的左心室射血分?jǐn)?shù)，并減少左心房直徑。因此，益生菌及益生元是預(yù)防IHD及其相關(guān)并發(fā)癥的一種有希望的治療措施。
藥物及飲食
遺傳因素和環(huán)境因素均對腸道微生物組有重要影響。在目前已發(fā)表的研究中，受試者人群的飲食情況通常缺乏記錄或被忽視。一方面由于人群隊列飲食譜獲取困難，而且飲食情況呈現(xiàn)高度個性化。最新一項研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物的組成與紅酒以及鹽攝入量顯著相關(guān)。飲酒頻率影響腸道微生物群落如厚壁菌和放線菌等的豐度，飲用酒的品種如習(xí)慣飲用葡萄酒、啤酒或果酒等，也會導(dǎo)致不同的腸道微生物群落特征。近期有研究在高鹽飲食（HSD）小鼠模型中探究了飲食對腸道菌群和疾病的影響。HSD小鼠腸道微生物的結(jié)構(gòu)與對照組相比發(fā)生了顯著變化。在HSD小鼠中，歐文氏菌（Erwinia）、克里斯滕森菌科（Christensenellacea）和棒桿菌（Corynebacteriaceae）增加。相反地，在HSD小鼠中厭氧棒桿菌（Anaerostipes）的數(shù)量減少。隨后 Bier等研究發(fā)現(xiàn)了7個與血壓變化顯著相關(guān)的獨特菌群分類。此外，他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)HSD小鼠和正常飲食小鼠的糞便中的乙酸、丙酸和異丁酸含量存在顯著差異，這表明飲食攝入也會在一定程度上影響 SCFAs的合成。因此，飲食控制是調(diào)整腸道微生物群的一種非常實用的方法。例如，減少紅肉攝入量可有效降低TMAO，短期高纖維飲食可以顯著改變腸道微生物組并減少便秘。
藥物對腸道微生物結(jié)構(gòu)和功能有顯著性影響。有研究表明，19種藥物及其相關(guān)代謝物與腸道微生物組的結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)。降糖藥物二甲雙胍在在多水平角度重塑腸道微生物結(jié)構(gòu)，并改變其微生物功能（如重塑編碼金屬蛋白或金屬轉(zhuǎn)運蛋白的微生物基因），以維持人體葡萄糖穩(wěn)態(tài)代謝。他汀類藥物在臨床上與阿司匹林廣泛聯(lián)合，尤其對于心血管高風(fēng)險人群。有報道認(rèn)為，他汀類藥物可降低Bact2腸型微生物的豐度，而Bact2腸型被認(rèn)為是促炎癥性腸病的主要病原菌。遺憾的是，此項研究未考慮其他潛在混雜因素的影響，也未推斷其內(nèi)在因果關(guān)系。因此，盡管已有研究表明他汀類藥物可能是潛在的腸道微生物調(diào)節(jié)手段，但仍需排除混雜因素干擾，并通過前瞻性、隨機雙盲對照研究來進(jìn)一步證實。當(dāng)然，這種研究策略也適用于其他橫斷面隊列研究所獲得的結(jié)論。
腸道病毒組—理解和治療IHD的一顆“新星”
既往研究表明，IHD與病毒感染有關(guān)，如肝炎病毒，人類免疫缺陷病毒、巨細(xì)胞病毒和EB病毒等。作為腸道微生物組的重要組成部分，病毒組的功能近年來受到越來越多的關(guān)注。腸道病毒組可否影響IHD的發(fā)生發(fā)展，亦成為新熱點。人類腸道病毒組也被稱為噬菌體組，因為噬菌體占絕大多數(shù)。粗略估計，每克糞便中有 109個病毒樣顆粒（VLPs），這比其細(xì)菌總數(shù)還高出許多。盡管測序技術(shù)使我們進(jìn)一步獲得了腸道病毒的相關(guān)基因序列，但病毒組學(xué)研究仍存在許多挑戰(zhàn)。首先，腸道病毒具有高度特異性和動態(tài)變化，健康受試者之間的腸道病毒幾乎沒有重疊。其次，由于噬菌體以細(xì)菌作為宿主，常規(guī)實驗室方法很難對腸道病毒群進(jìn)行評估，除非高通量分離單個噬菌體物種/菌株，這些都非常耗時耗力。因此，目前分析腸道病毒組的主流策略是VLPs DNA測序或全基因組測序（WCMS），后者仍需要非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和計算資源，而目前的病毒基因組數(shù)據(jù)庫僅覆蓋人類腸道中一小部分病毒，而在高精度描繪腸道病毒組圖譜之前，首先需解決這些問題與挑戰(zhàn)。
近年來，盡管對腸道病毒組的研究存在一定技術(shù)挑戰(zhàn)，但對IHD相關(guān)特定的腸道噬菌體的研究初露端倪。有研究提示，Virgiviridae和Microviridae是IHD患者腸道病毒組中的兩種主要病毒類型。與健康組相比，IHD患者的腸道病毒組中Virgivirida顯著富集，相反，Microviridae豐度減少。然而，病毒豐度改變與IHD發(fā)生發(fā)展的潛在機制仍不明確。Jie等還報道了一組在ACVD患者特異性改變的噬菌體，同時另外研究證明這類噬菌體在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、2型糖尿病和肥胖癥患者中卻未見明顯改變。令人感興趣的是，ACVD特異性噬菌體的已知宿主在科水平上由腸桿菌科（Enterobacteriaceae）主導(dǎo)，而在屬水平上為鏈球菌（Streptococcus）主導(dǎo)。在一項針對高血壓患者的研究顯示，一個由32種病毒組成的基因組在區(qū)分高血壓與健康個體方面要比腸道細(xì)菌組具有更高的辨識力。
目前，從遺傳學(xué)角度對腸道病毒體的功能了解較少，而從進(jìn)化角度對腸道病毒組的重要性已得到更清晰的認(rèn)識。細(xì)菌-噬菌體二者協(xié)同進(jìn)化，即細(xì)菌宿主和共生噬菌體之間的相互進(jìn)化，是微生物群落生態(tài)平衡和進(jìn)化的重要驅(qū)動因素。來自實驗室和自然種群的越來越多的證據(jù)表明，共同進(jìn)化可以保持表型和遺傳多樣性，加快進(jìn)化與分化的速度，影響群落結(jié)構(gòu)，并塑造與生態(tài)環(huán)境高度相關(guān)的細(xì)菌特性的進(jìn)化。在跨物種相互作用中，細(xì)菌和噬菌體之間的互作方式改變可以迅速反映在宿主免疫和感染表型中。這個過程直接或間接地促進(jìn)了基因和表型之間的分化、競爭和合作。事實上，通過在高血壓患者腸道病毒組和細(xì)菌組的互作分析發(fā)現(xiàn)，相對于健康對照組和高血壓前期受試者而言，高血壓組的病毒和細(xì)菌之間的聯(lián)系相關(guān)性更強。由于病毒與細(xì)菌間的緊密聯(lián)系，腸道噬菌體也被認(rèn)為是潛在的臨床治療靶點。Yi等通過使用人源化小鼠探討了噬菌體的治療效果，通過將酒精性肝炎患者糞便中的細(xì)菌定植于小鼠，發(fā)現(xiàn)這些噬菌體減少了人源化小鼠肝臟中的細(xì)胞溶素（cytolysin），并減少了乙醇誘發(fā)的肝臟損傷。在另一項小鼠模型的研究中，Torben等發(fā)現(xiàn)接受糞便病毒移植的小鼠體重下降明顯。他們認(rèn)為糞便病毒移植可能通過改變腸道菌群結(jié)構(gòu)，從而具有改善肥胖和糖尿病的治療潛力。由于IHD與感染和免疫密切相關(guān)，腸道病毒亦可能發(fā)揮重要作用。然而，噬菌體是否可以通過感染IHD患者富含的特異性病原菌而發(fā)揮防治作用，仍有待進(jìn)一步探索。
展 望
盡管認(rèn)為IHD患者腸道微生物的構(gòu)成和功能發(fā)生了巨大改變，但現(xiàn)有的研究結(jié)果仍多屬于觀察性，且特異性不夠強。近年來，研究的重點逐漸聚焦于腸道微生物對IHD整體功能的影響，包括發(fā)現(xiàn)并注釋各種微生物相關(guān)代謝組中新的化學(xué)物質(zhì)，并確定其產(chǎn)生機制（宿主、微生物、飲食或聯(lián)合來源）。由于大多數(shù)研究都是基于橫斷面隊列，關(guān)于IHD中腸道微生物動態(tài)變化研究甚少，因此我們需要相關(guān)的生物信息學(xué)技術(shù)來預(yù)測腸道微生態(tài)的短期或長期動態(tài)改變，或者需要縱向研究來填補這一空白。最后，從基礎(chǔ)研究到臨床實踐的成功驗證較少，且缺乏有效的基于腸道微生物組的IHD靶向治療策略。未來，隨著測序技術(shù)的發(fā)展及微生物文庫的進(jìn)一步完善，同時我們需要對腸道細(xì)菌與病毒間的互作機制做更進(jìn)一步的探索，這將更有助于我們對腸道微生物的整體功能更深刻的理解。
結(jié) 論
綜上所述，腸道微生物主要通過一系列代謝物來介導(dǎo)IHD的發(fā)生和發(fā)展。在這篇綜述中，我們不僅總結(jié)了IHD發(fā)病不同階段相關(guān)的腸道微生物類群，還展望了微生物相關(guān)代謝產(chǎn)物的最新研究進(jìn)展，及其在IHD發(fā)病中的作用。最后，腸道病毒組作為未來腸道微生物研究領(lǐng)域的一顆新星，在IHD發(fā)病機制和防治策略方面亦將具有重要的影響，本文亦進(jìn)行了相應(yīng)的回顧和展望。
引文格式：
Yong Fan, Jiajun Ying, Hongchuang Ma, and Hanbin Cui. 2023. “Microbiota‐related metabolites fueling the understanding of ischemic heart disease.” iMeta.e94. https://doi.org/10.1002/imt2.94
作者簡介
范勇（第一作者）
● 浙江省動脈粥樣硬化疾病精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究重點實驗室客座研究員，丹麥哥本哈根大學(xué)助理教授，歐盟“瑪麗居里學(xué)者”
● 現(xiàn)主要研究方向為人類腸道微生物組與代謝穩(wěn)態(tài)。以第一作者在Nature Microbiology、Nature Reviews Microbiology、 Journal of American College of Cardiology、Genome Medicine、iMeta等期刊發(fā)表多篇研究論文
應(yīng)嘉駿（第一作者）
● 2022年獲得浙江大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)碩士
● 目前研究方向為腸道微生物在心血管疾病發(fā)病中的作用及其相關(guān)機制研究，發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)成果于iMeta、Frontiers in Immunology、 Nutrition Metabolism and Cardiovascular Diseases等期刊
崔翰斌（通訊作者）
● 醫(yī)學(xué)博士，主任醫(yī)師，教授。博士生導(dǎo)師。浙江省動脈粥樣硬化疾病精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究重點實驗室主任，寧波市心血管疾病臨床研究中心主任，寧波市第一醫(yī)院心血管內(nèi)科主任。寧波市醫(yī)學(xué)會心血管分會副主任委員，浙江省醫(yī)師協(xié)會心血管分會委員，浙江省醫(yī)學(xué)會血栓與止血委員會委員。浙江省“新世紀(jì)151人才”高層次人才
● 主要研究方向為動脈粥樣硬化的發(fā)病機制及其防治策略研究。主持浙江省重點研發(fā)、寧波市2025“揭榜掛帥”、省部共建等重點項目3項，發(fā)表SCI論文50余篇
