Nature Reviews Microbiology：菌群对心血管疾病的调节作用

2018-12-27 11:59:26, Metabo-Profile 麦特绘谱生物科技(上海)有限公司

点击上方蓝字

关注“麦特绘谱”

长期以来，饮食结构的改变一直被认为是导致心血管疾病（CVD）的主要致病因素。近十几年的研究表明营养物摄入、肠道微生物代谢与宿主之间的相互作用会改变CVD的发病风险。微生物相关的分子模式可被宿主模式识别受体（PRRs）感知并驱动CVD发生发展。除此之外，宿主微生物群还会产生多种代谢物（如三甲胺-N-氧化物，短链脂肪酸和次级胆汁酸等），影响CVD发病机理。宿主与微生物之间相互作用对预防或治疗CVD具有良好的应用前景。美国克利夫兰医学中心的Stanley L Hazen教授系统总结了目前驱动CVD发病的肠道微生物机制、治疗干预措施，并强调了建立微生物和CVD发病机制之间因果关系的必要性。

菌群驱动心血管疾病的相关分子模式

最近，越来越多的研究发现口腔和肠道上皮屏障的通透性增加可使少量细菌进入循环系统，最终进入宿主组织并促进疾病发生。不管是寄生于宿主内部或者处于裸露表面，还是进入体循环时，细菌都会直接激活先天免疫系统，调控宿主代谢和CVD相关的炎症通路。微生物群落相关分子模式（MAMP）与宿主模式识别受体相互作用，参与促进CVD和慢性炎症过程（见Fig1.）。已有相关研究表明暴露于某些细菌病原体与CVD风险的增加存在相关性。例如，细菌性病原体包括肺炎衣原体、牙龈卟啉单胞菌、幽门螺杆菌、放线杆菌等和CVD之间的相关性在动脉粥样硬化患者的口腔、肠道和动脉粥样硬化斑块中可以重现；肺炎衣原体可在被分离的巨噬细胞、内皮细胞和平滑肌细胞中引起自主促炎效应，表明其与动脉粥样硬化CVD相关。尽管大型临床抗菌试验的结果令人失望，但越来越多的证据表明PRRs是CVD发病机制的重要调节剂。宿主MAMP-PRR途径的激活可影响动脉粥样硬化进展已几乎无疑。但由于这些受体在先天性免疫中的核心作用仍不明朗，是激活还是抑制PRRs仍值得深入探讨。

心血管疾病中的微生物代谢物

近年来，特征性临床队列非靶向代谢组学以及机制性的动物模型研究一起被用于发现与人类疾病相关的肠道微生物代谢物。肠道微生物群作为日常膳食的重要过滤器，通过微生物酶产生各种代谢产物，包括甲胺，多胺，多糖，短链脂肪酸（SCFAs），次级胆汁酸，B族维生素，尿毒症毒素（如对甲酚硫酸盐和吲哚酚硫酸盐，4-乙基苯基硫酸盐和二氢小茴香素）以及外源性物质的代谢物等。这些代谢物可以在肠道局部作用并全身性地流通并影响宿主生理状态。虽然研究仍存在一定局限性，如菌群相关候选代谢物如何定性分析、菌群代谢物生物学功能如何阐释，但目前在人类或小鼠模型的机制研究中已经发现，有三类主要的肠道微生物代谢物（三甲胺〈TMA〉，SCFAs和次级胆汁酸）向宿主发出信号并影响CVD。

三甲胺-N-氧化物（TMAO）途径驱动心血管疾病

自首次报道TMAO与CVD发病相关后，宿主-肠道微生物共代谢产物TMAO迅速在人类心血管疾病的生物标志物和动脉粥样硬化血栓性疾病启动子领域获得了大量关注。许多人类和小鼠研究都表明TMAO途径是第一个以微生物群为中心的CVD药物靶点。TMAO途径是一种细胞代谢途径，是指高脂饮食（富含磷脂酰胆碱，胆碱，L-肉碱，卵磷脂等）在几个不同肠道微生物酶复合物（CutC / D, CntA / B, YeaW /X）作用下代谢成TMA，而后TMA进入门脉循环，并被宿主肝脏酶（含黄素的单加氧酶，FMO3）进一步代谢产生TMAO。TMAO可以通过组织特异性或细胞类型特异性重编程来促进动脉粥样硬化，血栓形成，心力衰竭，胰岛素抵抗和肾脏疾病等。近期发表的几篇综述强调了TMAO途径在CVD中的临床意义和治疗潜力。肠道微生物组驱动的代谢物TMAO是有前景的以肠微生物群为中心的药物靶标（BOX 1）。因此挖掘通过TMA-TMAO途径负责调节通量的微生物分类群将是必要的，但究竟何种群落是小鼠和人类生态系统中TMA的主要生产者的研究报道较少，识别代谢TMA的人类肠道共生物对于益生菌策略将具有特殊的意义。

SCFAs等菌群发酵产物在心血管疾病发病中的作用

肠道微生物发酵产物是迄今为止研究最为深入的肠道微生物代谢产物，在维持肠道微生物生态学、微调宿主免疫和代谢疾病方面均具有关键作用。膳食纤维微生物发酵的主要产物是短链脂肪酸（SCFAs）。其中，乙酸、丙酸和丁酸最为丰富。绝大多数将肠道微生物群与人类疾病联系起来的研究指出SCFAs是肥胖、糖尿病、肠道免疫、高血压、肾脏疾病、癌症以及酒精性和非酒精性脂肪性肝病的潜在疾病预防或疾病缓解因素。事实上，SCFAs与CVD风险因素（如肥胖，糖尿病，高血压，肾功能不全和肝病）之间的相关性已在动物模型上建立，但临床上显示SCFAs与心血管疾病风险或人类死亡率之间明显相关的研究并不多。较早的一篇临床研究给予生理剂量的醋酸盐或丙酸盐或急性胃灌注SCFAs均显示对血糖无影响，但游离脂肪酸水平降低；但补充丙酸7周后的长期研究中发现，口服葡萄糖耐量试验期间，空腹血糖适度下降，葡萄糖刺激的胰岛素分泌改变；随访研究显示SCFAs给药可增加血清胰高血糖素水平，这可能间接改变循环游离脂肪酸的水平。但研究也显示SCFAs作为一种常量营养素能源和激素样信号分子进入门静脉循环，最终通过专-属宿主受体系统（游离脂肪酸受体〈FFAR2, FFAR3〉，丁酸盐受体〈GPR109A〉，乳酸盐受体〈GRP81〉，嗅觉受体〈Olfr78〉）发出信号调节先天免疫和宿主代谢。尽管SCFAs是研究得最充分的肠道微生物衍生代谢物，但SCFAs是否与人类疾病（尤其是CVD）的发展有确切因果关系仍有待阐明。

胆汁酸在心血管疾病中的作用

目前，胆汁酸被认为是调节宿主营养代谢和能量消耗的信号分子（Fig 3）。初级胆汁酸是在宿主肝脏中以胆固醇为原料被合成。初级胆汁盐和肠道产生的次级胆汁酸通过膜去污剂效应和诱导某些微生物群落的DNA损伤来调节微生物群落结构。耐受富含胆酸盐的结肠微环境的菌群可以将胆酸盐代谢成有生物活性的物质参与机体代谢。例如，胆汁盐水解酶（BSH）广泛存在于革兰氏阳性菌或革兰氏阴性菌中，其可以将甘氨酸结合或牛磺酸结合的胆汁盐水解成游离胆汁酸；肠道微生物还是7α-脱羟基酶和7β-脱羟基酶的唯一来源，其可以产生“次级”胆汁酸，但目前脱羟基酶相关的细菌属的研究还非常有限。

此外，消化道微生物还可以通过几种不同的羟基类固醇脱氢酶来氧化或差向异构化胆汁酸（HSDH）家族。HSDH活性已经在拟杆菌属，梭菌属，埃希氏菌属，真杆菌属，消化链球菌属和瘤胃球菌属等细菌中证实。肠道细菌如真杆菌和乳酸杆菌驱动胆汁酸形成乙酯和长链脂肪酸酯。肠道微生物（消化球菌，梭杆菌和假单胞菌）可以从3α-硫酸化或3β-硫酸化胆汁酸中去除硫酸盐。通过肠道微生物的解轭合，氧化，差向异构化，7α-脱羟基化，7β-脱羟基化，酯化和脱硫等使胆汁酸池的物质化学多样化后，次级胆汁酸进入门脉循环。一旦进入门脉血液中，尤其在餐后，菌群修饰胆汁酸作为内分泌样信号分子通过专用受体系统（法尼醇X激活受体〈FXR〉, G蛋白偶联胆汁酸受体1〈TGR5〉, 孕烷X受体〈PXR〉, 维生素D3受体〈VDR〉, 毒蕈碱乙酰胆碱受体M2和M3和鞘氨醇-1-磷酸受体2〈S1PR2〉）向宿主发出信号，从而对宿主生理和CVD等疾病易感性产生影响。

微生物来源的胆汁酸代谢物总体上代表了具有巨大治疗潜力的多种内分泌信号。事实上，2016年5月，FDA批准了半合成胆汁酸类似物Obeticholic acid（Ocaliva; InterceptPharmaceuticals，Inc.）用于治疗肝脏疾病。这是微生物代谢物-宿主受体相关研究成功应用于临床治疗的典型案例。

小结

心血管疾病（CVD）是发达国家人群的首要死亡原因。遗传变异因素仅占CVD发病机制一小部分（<20％），而饮食等环境因素是造成CVD风险的主要原因。肠道中寄居的微生物群落是饮食中关键的“代谢过滤器”，它们将普通营养物质转化为氧化三甲胺（TMAO），短链脂肪酸（SCFAs）和次级胆汁酸等代谢物影响CVD进程。流行病学和动物模型研究表明微生物与宿主之间的相互作用在动脉粥样硬化CVD中起重要作用。菌群分子模式不仅可以直接参与肠道中的宿主模式识别受体（PRR），也可以通过循环系统中参与宿主的慢性炎症过程。微生物分析方法和其他“组学”分析平台的技术进步，可以发现与CVD表型相关的候选微生物及其衍生代谢物，进而探究其如何影响人类疾病。

过去药物发现集中于靶向代谢酶方面，但现阶段药物开发正在进入一个新的微生物药理学时代，旨在调节微生物群结构来改善人类健康。上述几种肠道微生物代谢物与CVD风险明显相关。微生物代谢物-宿主受体层面的药物开发也已经取得一定成果，TMAO产生的非致死性小分子抑制剂已建立了临床前的概念验证。与此同时，研究者正在投入大量的精力开发益生元、益生菌和粪便移植策略以探讨CVD发病机制与微生物之间的关系。在探索微生物对人类疾病的发病和病程的影响时，必须摆脱传统的微生物群体分析方法，不能仅仅探讨有什么微生物发生变化，还需进一步鉴定具体的微生物产物。一旦确定了相关的微生物衍生物，必须采用内分泌学的经典方法来鉴定与疾病发病机理有关的宿主受体系统。来自肠道微生物共生体的代谢物非常多样，这为开发全新的用于心脏代谢疾病的药物提供了新的方向。

引用文章：

Brown J M, Hazen S L. Microbial modulation of cardiovascular disease.[J]. Nature Reviews Microbiology, 2018, 16(3).

微信公众号：麦特绘谱

Tel：400-867-2686

Email : admin@metaboprofile.com

Web: www.metaboprofile.com