Cardiovasc Res | 千文综述！医学一区，心脏和心血管系统顶刊，当组学遇见功能-微生物与心血管疾病

2022-11-01 02:54:06, 多层组学定制服务上海欧易生物医学科技有限公司

前言

共生微生物群在心血管疾病 (CVD)风险中的作用逐渐被重视，这些微生物群位于身体内，包括皮肤、口腔和肠道，由细菌、病毒、和真菌组成。据估计，人体中超过 70% 的微生物存在于结肠中，包括细菌、噬菌体、真菌、古细菌和单细胞真核生物。高度多样化动态相互依存的复杂生态群落，称为肠道微生物群。健康的肠道微生物群取决于宿主的能量需求，并通过营养、改善屏障功能、塑造宿主免疫系统和预防包括心血管疾病在内的疾病来提供一系列健康益处。

肠道微生物群并不是唯一与 CVD 风险相关的共生群落。还有证据表明，口腔微生物群也与心血管疾病有关。来自大型流行病学研究的数据表明，口腔卫生差与心血管疾病风险增加有关，尚不清楚的是，口腔微生物群与 CVD 之间的关联是否表明导致疾病增加的特定机制或代谢特征，尚需进一步的工作来确定口腔微生物与 CVD 关联的潜在机制。

2022年02月，加州大学戴维斯分校研究团队在Cardiovascular Research期刊发表了题为“Sequence meets function—microbiota and cardiovascular disease”的综述，综述系统回顾了肠道微生物群与各种心血管疾病 (CVD) 之间的关联，包括动脉粥样硬化、冠状动脉疾病和血压。探讨微生物与 CVD 关联的潜在机制。

研究思路

1.简介

微生物群的综合复杂性开始受到重视。母体传播、饮食、宿主遗传、衰老、和性别都会影响微生物群的组成。最近的大规模测序工作已经确定了微生物群中巨大的个体间变异。在这篇综述中，作者关注微生物群与 CVD，特别是冠状动脉疾病 (CAD) 和高血压之间的关联。作者建立因果关系的步骤，然后讨论了肠道微生物群可能影响 CVD 的潜在机制。最后，作者使用肠道微生物群和微生物代谢物研究了 CVD 的潜在治疗方法。

2.微生物和心血管疾病风险

50 多年来，包括细菌和病毒在内的传染性微生物作为 CVD 潜在危险因素已通过大量流行病学研究得到认可。感染和随后的炎症过程被认为会诱导动脉粥样硬化斑块发生进展和破裂。感染加重动脉粥样硬化的机制是直接细胞侵袭，通过局部作用加速斑块生长，或间接全身产生炎症细胞因子，促进动脉粥样硬化的发展。与动脉粥样硬化相关的代表性传染原包括肺炎衣原体、幽门螺杆菌、牙龈卟啉单胞菌和甲型流感病毒。肺炎衣原体是第一个提出的引起 CVD 患者血管壁炎症的 CVD 病因细菌。此外，针对肺炎衣原体的抗生素被认为具有抗炎作用，并可能有助于动脉粥样硬化斑块的稳定性。然而，有一些病原菌可能对 CVD 产生直接影响的例子。作者现在讨论微生物群的共生细菌如何影响 CVD 风险？

3.微生物群和 CVD 关联

CVD 包括许多病理和疾病，例如心力衰竭、中风、外周动脉疾病、主动脉瓣疾病、动脉粥样硬化和高血压，但作者将讨论限制在 CAD 和高血压。在许多病例对照研究中，已经在 CVD 患者的粪便样本中发现了微生物组成的明显变化。目前尚不完全清楚这些微生物群落是否是 CVD 的原因。在这一节中，作者总结了一些最近报道的肠道微生物群与 CAD 或高血压之间的关联。

4.肠道菌群和 CAD

微生态失调是指人体内微生物群落的不平衡。与心血管疾病风险相关的肠道微生物群组成改变一直是大多数微生物群研究的重点。事实上，识别与 CVD 易感性相关的微生物群的特定组成模式有助于理解疾病的发病机制。最重要的是，许多队列报告了几个一致的结果（表 1）。例如，链球菌属在肠道菌群失调中表现出致病性，在各种 CVD 患者的粪便样本中显示出丰度增加。最后更深入的测序方法还发现了 CVD 患者肠道微生物组宏基因组谱的变化。在健康人群富含八氢番茄红素脱氢酶基因，这些数据表明编码肽聚糖生物合成的基因富集显著富集。因此，不仅 CVD 中微生物群的组成发生改变，而且微生物群的潜在功能能力也可能改变。

5. 肠道菌群与高血压

与 CAD 类似，人们越来越关注肠道微生物群如何影响血压和高血压的发展？对输注血管紧张素 II 的小鼠、自发性高血压大鼠和高血压患者的研究发现，与对照组相比，肠道微生物群具有独特的微生物组成，包括微生物丰度、多样性和肠道上皮完整性降低。对小鼠进行广泛的抗生素治疗可减少输注血管紧张素 II 的小鼠的肠道菌群失调和高血压。此外，与传统饲养的小鼠相比，无菌小鼠中血管紧张素 II 诱导的高血压得到缓解，这表明肠道微生物群对高血压的发展很重要。对人类的研究清楚地表明，α-多样性的测量值与高血压之间存在负相关。除了多样性减少外，高血压患者中的机会性致病菌群如克雷伯菌属和链球菌属也增加了，而一些菌群与高血压有关（见表 1）并可能影响肠道细胞炎症。在一个纵向队列中，确定了与高血压呈正相关的细菌特征略有不同。相反，许多研究已确定微拟杆菌与高血压和健康受试者的血压降低有关。尽管高血压受试者和健康人群之间的这些差异并不表明存在因果关系，但它们确实表明肠道微生物群的组成和多样性与高血压的临床特征有关。重要的是，在纵向队列中评估微生物群允许流行病学家根据当前的微生物群组成评估发生高血压（或 CAD）的风险，从而评估这些数据在预测疾病方面的临床效用。

6.基于关联的微生物群研究和心血管疾病风险的局限性

大多数基于微生物组的研究利用细菌 16S rRNA 进行分析。16S rRNA 研究提供了对与 CVD 相关的特定细菌的深刻见解，不可否认性改变了我们对疾病风险的理解，但也存在局限性。常用的 16S rRNA 基因测序技术往往达不到物种或亚种水平的分辨率，并且分析通常会排除不太丰富的微生物类群。因此，主要关注丰度的研究忽略了导致疾病风险的微生物的功能途径，尽管疾病可以由代表微生物群落的一小部分的微生物驱动。但许多旨在纵向评估 CVD 风险的详细描述的队列并未常规收集粪便样本。

首先，从样本中获得的 DNA 质量会因样本采集方法（样本类型、采集时间或处理方法）、存储和处理技术（DNA 提取、文库构建、测序深度或质量过滤器）的不同而不同。其次，从技术角度来看，扩增偏差、不适当或没有内部测序控制、污染可能导致微生物组成发生变化，而与实际微生物变化无关。最后，这些分析的结果通常表示为每克样本中微生物的比例而不是绝对数量，并且样本中特定微生物类群的比例可能与疾病风险无关。最近，利用称为“宏基因组学”的微生物群样本的全基因组测序，以提供更好的分类分辨率，直至物种或菌株水平。虽然宏基因组学提供了微生物群落的完整视图，但它价格昂贵，而且分析方法计算复杂且耗时。

7.对 CVD 中微生物群的功能和机制的理解

尽管微生物群很复杂，但有许多方法可以确定微生物群和特定细菌导致 CVD 的因果关系和推断机制（图 1）。特别是，在模型生物中利用微生物移植的研究可以证明肠道微生物类群在 CVD 风险中的直接作用。具体来说，可以使用抗生素混合物或无菌动物从模型生物体（如小鼠）中消融微生物群。

对 CVD 中微生物群的功能和机制的理解。从关联到因果关系的示例。( A ) 微生物组方法的例子包括向传统小鼠提供一种干扰微生物群的试剂（扩大特定分类群或抑制途径）。( B ) 正向微生物组方法的示例包括比较对照组和人类队列中的 CVD 受试者之间的肠道微生物组。然后将这些粪便微生物群样本移植到无菌或抗生素处理的动物体内，以确定肠道微生物群落对血压的影响。( C ) 饮食、特定的细菌酶抑制剂或工程微生物群可以引入动物模型以建立因果关系。

利用无菌动物的研究对于进一步了解微生物群在疾病易感性中的功能作用至关重要。无菌小鼠还可以从病例/对照研究中收集的样本中接受粪便微生物群转移。例如，与接受健康供体样本的小鼠相比，接受高血压患者粪便移植的无菌小鼠的血压升高。在传统的小鼠模型中也观察到 FMT 后的血压升高。这些研究提供证据表明肠道微生物群可以影响高血压的发展。值得注意的是，微生物群的复杂性会产生意想不到的结果，表明微生物群与宿主生物学之间的关系比简单地将微生物群归类为“好”或“坏”更为复杂。

特定细菌在 CVD 中的作用也逐渐出现。例如，无菌的ApoE 缺陷 (ApoE -/- ) 小鼠定植于从人类分离的Roseburia gutis 会降低炎症标志物和动脉粥样硬化的水平，这提供了Roseburia gutis在 CVD 中的致病作用的证据。随着类似研究文献的扩展，可能会发现新的途径和治疗靶点。作者概述了利用这些功能性方法为微生物群如何影响 CVD 风险提供潜在机制的研究。作者特别关注宿主：微生物对免疫系统、肠道通透性和微生物衍生代谢物的影响。值得注意的是，肠道菌群本质上是一个多样化的群落，因此其对 CVD 的影响可能有多种机制。

8.肠道菌群通过调节免疫功能对心血管健康的影响

肠道微生物群是宿主免疫的强调节剂，宿主免疫反应在包括 CVD 在内的广泛病理学中起着关键作用。例如，动脉粥样硬化被认为是一种慢性炎症性疾病，涉及先天免疫和适应性免疫。据报道，几种肠道细菌会影响不同的免疫细胞，并且有迹象表明 T 细胞在这些过程中很重要。这些适应性免疫的系统性改变如何影响特定微生物群和 CAD 或高血压仍有待充分阐明？

在小鼠中，越来越多的证据表明肠道菌群可以影响动脉粥样硬化和炎症通路。例如，与接受来自 LDLR 微生物群的小鼠相比，微生物群从易发生炎症失调（Caspase 1 -/-）的小鼠转移到易患动脉粥样硬化的低密度脂蛋白受体缺陷（LDLR -/- ）小鼠中，实际上确实增加了动脉粥样硬化斑块的形成。这种效应的一个可能机制是肠道微生物群升高全身炎症细胞因子。另一方面，用普通拟杆菌和多雷拟杆菌移植减轻动脉粥样硬化病变和降低血浆肿瘤坏死因子-α（TNFα）水平。同样，植物乳杆菌ATCC 14917 补充剂通过降低主动脉中LDL、TNFα 和 IL-1β 的产生来抑制动脉粥样硬化病变的形成。较高丰度的Roseburia和Blautia等与小鼠动脉粥样硬化病变减少和血浆总胆固醇、TNFα 和 IL-1β 浓度降低有关。

同样，高血压与炎症和免疫系统的许多改变有关。在高血压人群中，与血压正常的人群相比，在分离的外周血单核细胞中观察到产生丁酸盐的Roseburia和Faecalibacterium的相对丰度降低，同时 TNFα：IFN-γ 比率、TNFα 和 IL-6 的产生增加。此外，高盐饮食诱发的高血压与肠道乳酸杆菌丰度减少、IFN-γ + CD4 T 细胞和血清 IFN-γ 水平升高、TGF-β1 + CD4 T 细胞和血清 TGF-β1 浓度降低有关。这些发现确实表明调节肠道微生物群的疗法可能同时影响炎症过程和随后的心血管疾病。

9.肠道通透性和肠屏障功能障碍

肠道细胞是肠道中细菌的关键屏障，该功能通过上皮细胞、粘液和粘膜免疫之间的紧密连接来维持。当肠道屏障受损时，源自革兰氏阴性菌的脂多糖 (LPS) 可进入宿主循环，导致内毒素血症。内毒素血症是早期动脉粥样硬化形成的重要危险因素并且循环中的 LPS 可以与宿主的 Toll 样受体 (TLR) 结合，导致宿主发生炎症反应。与正常人相比，CVD 患者血液中的内毒素水平更高。有证据表明，特定的细菌可能会改变肠道通透性和内毒素血症。给予活的A. muciniphila 可降低 ApoE -/-小鼠的肠道通透性、循环内毒素和主动脉粥样硬化。最近在人中进行的一项研究发现，施用巴氏杀菌的A. muciniphila 3 个月可降低肥胖患者的循环 LPS。

10.微生物代谢物和 CVD

研究表明，肠道微生物群实际上可能产生整体健康或 CVD 发病机制的代谢物。作者开始意识到许多肠道衍生的代谢物可以通过门静脉循环作用于肝脏等器官，并被宿主酶代谢。微生物代谢物还有助于我们了解肠道细菌类群可能影响宿主生物学进而影响健康和疾病的潜在机制（表 2；图 2）。在这篇综述中，作者将简要讨论三甲胺 N-氧化物 (TMAO) 与 CVD 之间的关系，并重点关注其他微生物代谢物，如短链脂肪酸 (SCFA)、色氨酸代谢物和胆汁酸代谢物。

图2 | 微生物代谢物和 CVD发病机制的代谢途径

11.三甲胺氧化物

许多研究调查与 CVD 发病机制相关的代谢物，迄今为止研究最多的代谢物之一是 TMAO。作者简要报告了 TMAO 和 CVD 之间的关联，已知膳食胆碱和左旋肉碱可通过特定肠道微生物群基因组中的微生物酶（TMA 裂解酶）转化为三甲胺 (TMA)。然后 TMA 在肠道中被吸收，通过门静脉输送到肝脏，然后被肝黄素单加氧酶 3 (FMO3) 转化为 TMAO。随后的研究中，结合来自 4000 多名接受冠状动脉造影的受试者的数据，TMAO 升高与 3 年期间的死亡、心肌梗死和中风有关。

尽管 TMAO 水平与各种 CAD 事件之间的关联已在许多研究中重现，但也有研究表明 TMAO 与 CAD 无关。一项小型临床试验检查了低 TMAO 生产纯素供体对有 CVD 风险的受试者的 FMT，但未能观察到 TMAO 水平显著降低。了解微生物群或饮食的任何差异在这些不同的结果中起什么作用仍有待确定。

支持 TMAO 在高血压发展中作用的证据尚不清楚。临床前研究表明，实验性高血压大鼠在结肠组织中具有更高的肠道通透性和门静脉血 TMA 水平，在 8 项涉及 11 750 名个体和 6176 例高血压病例的研究中，通过系统评价在人类中建立了证据，表明高 TMAO 血浆水平与高血压风险相关。然而，本系统评价中纳入的研究招募的大多数参与者来自美国。预计进一步的大规模前瞻性队列将表征这种关联，特别是一般人群中的因果关系。

12.短链脂肪酸

膳食纤维微生物酶反应的主要产物是SCFAs，如醋酸盐、丁酸盐和丙酸盐。人体结肠中主要的丁酸盐生产者是厚壁菌门（门），其中毛螺菌科（科）和瘤胃球菌科（科）是两个最丰富的组。在利用乳酸的细菌中存在一条额外的途径，其中乳酸和乙酸转化为丁酸。许多其他门产生丁酸，这种生产的效率可能反映了特定基因的表达，例如丁酰辅酶A 转移酶、丁酰辅酶A 脱氢酶和丁酸激酶。有两个物种在 SCFA 生产方面得到了很好的表征：双歧杆菌物种生产醋酸盐和乳酸，而Akkermansia muciniphila生产醋酸盐和丙酸盐。

众所周知，SFCA 调节 CVD 风险的最直接途径是调节血压。最初的临床干预研究表明，纤维摄入降低了血压，并且 SCFA 参与了血压控制。SCFA 代谢物通过在体外和体内调节 SCFA 结合 G 蛋白偶联受体 (GPR)或嗅觉受体来降低血压。在饮食中补充 SCFA 可以防止高血压的发展，并且涉及 SCFA 受体 GPR43/GPR109A，它还调节小鼠中 Treg 细胞的丰度。因此，SCFAs 可以通过激活心血管系统细胞中的受体来调节心血管稳态。支持这些机制研究的是来自一项对照试验的数据，该试验表明丁酸盐（600 毫克/天）显著降低了 15 名 2 型糖尿病患者在休息 10 分钟后测量的舒张压。尽管 SCFA 是最常发表的肠道微生物衍生代谢物之一，但仍需要更多的临床试验和机制研究来验证 SCFA 对 CVD 及其风险因素的影响。

13.其他微生物代谢物

鉴定影响宿主生理的微生物衍生代谢物是一个活跃的研究领域。人们对源自膳食色氨酸的小分子特别感兴趣。在肠道中，色氨酸通过与几类肠道细菌相关的多种途径分解代谢，包括乳酸杆菌、拟杆菌属、双歧杆菌和梭状芽孢杆菌，以产生许多代谢物，例如色胺、吲哚、吲哚乳酸 (ILA)、吲哚丙酸酸 (IPA)、吲哚乙酸 (IAA)、吲哚醛 (IAld) 和代谢物 3-甲基吲哚 (skatole)。这些色氨酸代谢物具有多种生物学作用，包括增强肠上皮屏障、刺激胃肠蠕动、帮助肠道激素分泌、在体循环中发挥抗炎和抗氧化作用以及调节肠道微生物组成。其中一些影响可能是通过芳烃受体 (AHR)，从而以配体特异性方式改变先天性和适应性免疫反应，从而调节 CVD 风险。并非所有色氨酸代谢物都与对肠道健康或心血管疾病风险的有益影响有关。特别是，硫酸吲哚酚与主动脉钙化有关，增加颈动脉内膜中层厚度，增加血管细胞中细胞因子的表达。进一步了解微生物群的组成差异或特定细菌是否调节色氨酸或其他营养物质的代谢，可能会进一步阐明微生物群影响 CVD 风险的潜在机制。

14.调节微生物群对 CVD 风险的治疗潜力

上述 CVD 患者肠道微生物群组成的改变、微生物代谢物的产生和 CVD 风险之间的关联表明，肠道微生物群可能是 CVD 的重要调节剂，它们之间的关系已成为新疗法的潜在目标（图 3）。作者回顾了一些潜在的策略来模拟微生物群和 CVD 风险，包括饮食、微生物途径的抑制和粪便微生物群移植。

图3 | 微生物群对 CVD 风险的治疗潜力

15.CVD-微生物群轴中的饮食和益生元

饮食被认为是肠道菌群组成的最直接驱动因素。在许多情况下，饮食是调节 CAD、高血压和肠道微生物群的因素。流行病学、临床和实验研究表明，饮食和营养在预防 CVD 中起着核心作用。现在已知其中一些具体建议会影响微生物群。

其中一个例子是建议减少盐摄入量，因为某些人和模式生物对高盐饮食很敏感。作者现在认识到高盐摄入会影响啮齿动物和人类的肠道微生物多样性。高盐摄入改变了微生物群的多样性，增加了小鼠欧文氏菌属和棒状杆菌科的丰度，并耗尽了人类鼠乳杆菌的丰度。从机制上讲，在人类和动物研究中，高盐饮食通过增加促炎细胞因子和增加肠道通透性来促进局部和全身组织炎症。膳食盐的一些影响可能归因于特定细菌，例如脆弱拟杆菌，它们通过多种中间代谢作用最终激活盐皮质激素受体并增加血压。

除了影响 CVD 风险和微生物群的特定饮食成分外，有证据表明饮食模式也起作用。例如，在 CVD 研究中研究最多的饮食之一是地中海饮食 (MeD)。流行病学研究发现，与西方饮食相比，MeD 具有心脏保护作用。同样，另一项研究报告说，更紧密地坚持地中海饮食模式和更多地消耗植物性营养素（如植物蛋白和多糖）与较低的厚壁菌门：拟杆菌门和链球菌门比例相关；最近的一项研究发现，使用含有长双歧杆菌和鼠李糖乳杆菌的益生菌进行治疗增加肠道微生物多样性和降低拟杆菌与硬壁菌的比例，以及其他健康益处，包括改善 BMI、空腹血糖和体内平衡，这在单独的 MeD 中并未完全观察到，这表明 MeD 的至少部分健康益处取决于肠道微生物组成。

在肠道微生物群和心血管疾病的背景下，膳食纤维是一种重要的常量营养素。基于人群的大型观察性研究发现，含有高膳食纤维的饮食与降低 CVD 风险相关。越来越多的证据表明，益生元补充剂通过控制肠道微生物群来减少 CVD，特别是血压和动脉粥样硬化，这支持益生元干预以预防或治疗 CVD。益生元是一种不易消化的食物成分，通过选择性地刺激已经存在于结肠中的一种或有限数量的细菌种类的生长和活性来对宿主产生有益的影响。

16.使用小分子靶向微生物群影响 CVD

操纵肠道微生物群落及其代谢途径的方法尚未达到临床实践，但一些研究显示出有希望的结果。靶向将胆碱或肉碱等营养物质转化为 TMA 的微生物酶（TMA 裂解酶）可调节 TMAO 水平，并且实验研究发现了几种可以触发对 CVD 的调节作用的化合物。一个例子是 3,3-二甲基-1-丁醇 (DMB)，它是一种存在于橄榄油等天然产品中的 TMA 裂解酶抑制剂，它可以降低血浆 TMAO 水平，而不会干扰体内小鼠模型中的微生物细胞活力。已显示接受 DMB 的小鼠减少了动脉粥样硬化病变，减弱了泡沫细胞的形成，并减轻了 CVD 的进展。

17.粪便微生物群移植

粪便微生物群移植 (FMT) 已被用作艰难梭菌感染和溃疡性结肠炎患者的治疗方法。该过程包括收集从健康供体或受体本身（自身 FMT）收集的粪便，然后将其施用于患有疾病或相关生态失调的患者的肠道。这些研究很复杂，迄今为止尚未就 CVD 终点进行广泛研究。

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许多研究证实了肠道微生物群与心血管疾病之间联系，这项工作的一个令人兴奋的方面与代谢组学有关。从某种意义上说，肠道微生物群是饮食（环境因素）和 CVD 风险（临床特征）之间的中间特征，会产生代谢物，其中一些在 CVD 的发病机制中起重要作用。

有迹象表明，随着我们向精准医学模型迈进，获得微生物群数据可能会进一步表征患者。例如，将机器学习应用于包含肠道微生物群、遗传学和饮食的数据集预测更好的餐后血浆 TG、葡萄糖和胰岛素反应。因此，微生物群仍然是个性化医疗运动的关键部分。最终利用经过审查与临床相关的微生物群数据实际上可能会改进我们的风险预测和治疗干预措施。