心血管健康中，菌群产物的功与过（重磅推荐）

2018年5月，Protein & Cell 杂志特别为中国肠道大会推出了主题为“Microbiota and Human Health”的专刊，邀请于君、傅静远、马永慧、王军、张发明、赵方庆、陈峰、王则能、聂勇战等9位教授领衔发表了9篇综述和评论文章，并由刘志华教授撰写卷首语。 Protein & Cell 杂志是开放获取期刊，所有文章的pdf版本都是免费下载的，大家可以点击访问 http://www.protein-cell.org/archive/index-2018-5.html 获得该期专刊的英文版原文。 今天我们发出来自美国克利夫兰医学中心王则能教授综述的翻译稿，本文由王则能教授亲自译成中文，以飨读者。 王则能教授曾在2018年的中国肠道大会上系统讲解本综述，大会的付费参会者和演讲嘉宾可访问http://www.mr-gut.cn/videos/show/9061178814 观看演讲讲解视频。 肠道微生物参与合成的代谢产物与心血管健康、疾病 Gut microbiota derived metabolites in cardiovascular health and disease 作者：王则能，赵永忠 通讯作者：王则能，wangz2@ccf.org 关键词：肠道微生物，代谢物，心血管健康，心血管疾病 摘要 人类肠道寄宿数以万亿个微生物，不仅帮助宿主从食物获取营养与能量，还可产生大量的生物活性信号分子以维持健康或导致疾病，例如，心血管疾病。 心血管疾病是全世界首位死因。在本综述中，我们介绍肠道微生物参与合成与心血管健康、疾病相关的代谢产物，包括氧化三甲胺、尿毒素、短链脂肪酸、植物雌激素、花色素苷、胆汁酸与脂多糖等。 这些肠道微生物合成的代谢产物对于维持健康的心血管功能起关键作用：一旦失调，可引发心血管疾病。 深入了解肠道菌群代谢产物功能与动态变化，对发现机制性、预测性的生物标志物至关重要。 引言 单以人类基因组23, 000基因的编码能力难以解释人类的生理功能、行为、认知、逻辑思维 (Gonzaga-Jauregui et al., 2012)。 人类肠道内寄居了数以万亿记的微生物，主要是细菌与古生菌、真菌以及微真核生物(Wampach et al., 2017)。整个人类肠道菌群中共有1000万可编码基因，这大大增加了人类作为超级生物的编码能力。 肠道微生物对人体的健康是必需的，例如， 对于肠道屏障的训练，调节免疫功能，消化宿主不能消化的营养成分，合成维生素、激素以及预防致病菌定植 (Schuijt et al., 2016)。 对于一个健康的个体，肠道微生物平衡主要表现在对病原性微生物的控制。平衡一旦打破，也就是菌群失调，病原性微生物快速繁殖，继而引起肠道有关疾病。 比如炎性肠病、肥胖 、过敏紊乱、糖尿病、自闭症、结肠癌以及心血管疾病(DeGruttola et al., 2016; Yang et al., 2015; Battson et al., 2017)。 在动物模型中，粪菌移植可向无菌小鼠受体传递肥胖与动脉粥样硬化易感性，提示粪菌移植在治疗一系列复杂疾病方面有很大潜能（Gregory et al., 2015; Turnbaugh et al., 2006)。 另外，服用益生元与益生菌已显示可优化肠道菌群结构以及预防菌群失调(Hamilton et al., 2017; Anhe et al., 2015; Delgado et al., 2014; Kouchaki et al., 2017)。 肠道微生物与健康的关系已成为一个热门话题，这一领域进展迅速，归功于成熟的二代测序技术以及无菌小鼠的易于获得（Mardis, 2008; Bhattarai and Kashyap, 2016)。 肠道微生物参与一系列具有生物活性化合物的生物合成，与正常生理功能以及疾病的诱发有关（Fan et al., 2015; Wang et al., 2011）。 心血管疾病是世界范围内的首位死因，其与肠道菌群有关，实际上是由肠道微生物参与合成的代谢产物介导的 (Wang et al., 2011; Tang et al., 2013; Koeth et al., 2013)。 在本综述中，我们罗列了一系列肠道微生物参与合成的代谢产物，并阐述了其与心血管健康、疾病病理发生的关系。 氧化三甲胺 肠道微生物裂解多种含三甲胺基团的化合物以产生三甲胺（TMA），其可进一步被肝脏黄素单氧化酶（FMO）氧化为氧化三甲胺（TMAO）(Wang et al., 2011; Koeth et al., 2013)。 FMO3在肝脏中表达量最高。另外，FMO1与 FMO2 也催化TMA的氧化 (Bennett et al., 2013)。 鱼腥综合征，以自汗液与呼吸中释放TMA为特征，其分子遗传基础是FMO3的功能缺失突变（Dolphin et al., 1997; Ulman et al., 2014）。 可被肠道微生物产生的TMA前体分子包括TMAO、胆碱（choline）、磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine）、肉碱 （carnitine）、N,N,N-三甲基氨基丁酸、甜菜碱、N,N,N-三甲基氨基丁烯酸及甘油磷酸胆碱等，均广泛分布于动物膳食中。 从膳食-肠道微生物-肝脏到TMAO 的生物合成组成一条多机体通路（图1），包括胆碱-TMA裂解酶(cutC/D) (Craciun et al., 2014)，肉碱单氧化酶(cntA/B) (Zhu et al., 2014)， 甜菜碱还原酶(Andreesen, 1994)以及TMAO还原酶。 CutC/D蛋白质的晶体结构及其作用机制已经阐明。CutD，自由基S-腺苷甲硫氨酸激活酶，可活化CutC，并催化形成甘氨酰自由基。 活化的CutC中的甘氨酰自由基可从半胱氨酸中产生硫自由基，后者进一步从胆碱C1捕获氢原子，引发分子重排产生TMA(Craciun et al., 2014; Kalnins et al., 2015; Bodea et al., 2016)。 CntA/B是二组分的Rieske-类的氧化还原酶，肉碱首先被氧化然后裂解产生TMA与苹果酸半醛(Zhu et al., 2014)。 人体肠道预计有数百可表达cutC/D 、cntA/B、或yeaW/X的菌株（图2A，2B，2C，Table S1见原文链接）（Rath et al., 2017; Martinez-del Campo et al., 2015)。 奇异变形杆菌Proteus mirabilis在有氧与无氧条件下均可表达cutC/D，因此可做为筛查TMA裂解酶抑制剂的菌株模型(Wang et al., 2015)。 cutC的分子演化树与物种演化树不同，有时同一属中的两个种CutC差异比不同属中的两个种差异还要大些，如Klebselia（图2）。 小鼠Fmo3的表达可被雄激素抑制而被雌激素激活(Bennett et al., 2013)。 多方面的证据显示TMAO的致动脉粥样硬化特性。 循环血液中的TMAO水平与心血管疾病的发病率有关，是去除主要的传统心血管疾病风险因素与肾功能外的主要不良心血管事件（major adverse cardiac event， MACE）的预测因素 (Wang et al., 2011; Tang et al., 2013)。MACE包括心肌梗死、卒中及心血管事件相关的死亡。 虽然循环血液中的胆碱、甜菜碱以及肉碱的水平也与MACE有关，但依赖于血清的TMAO水平(Koeth et al., 2013; Wang et al., 2014)。 给ApoE-null小鼠食物添加TMAO，显示促进主动脉粥样硬化。更为重要的是，胆碱促进动脉损伤依赖于肠道微生物，提示TMAO可导致动脉粥样硬化(Wang et al., 2011)。 动物模型显示，TMAO可通过促进血小板凝集引起血栓形成(Zhu et al., 2016)。与此一致的是，口服补充胆碱可增加TMAO的空腹水平并增加血小板凝集(Zhu et al., 2017)。 关于TMAO如何导致动脉粥样硬化与血栓形成的分子机制已进行了广泛的研究。 TMAO 可激活血管平滑肌细胞与内皮细胞的MAPK, 核因子NF-κB信使通路，导致炎性基因表达与内皮细胞粘附白细胞(Seldin et al., 2016)。 同时，TMAO可激活炎症小体(Sun et al., 2016; Boini et al.,2017; Chen et al., 2017)。 活体动物实验中，TMAO可增加清道夫受体CD36 与 SR-A1的表达，导致巨噬细胞摄取修饰后低密度脂蛋白（LDL）而转变为泡沫细胞(Wang et al., 2011)。 从另一方面，TMAO可降低胆汁酸生物合成的两个关键酶CYP7A1 与CYP27的表达，还可降低肝脏多种胆汁酸转运酶（OATP1, OATP4, MRP2 and NTCP）的表达，进而减少胆汁酸库，导致反向胆固醇的转运下降(Koeth et al., 2013)。 更为重要的是，TMAO可导致血小板的内质网钙离子释放，进而导致血小板凝集与血栓形成。 TMAO与心血管疾病的关联已在世界范围内多个研究团队的不同病例队列研究中得到证实 (Troseid et al., 2015; Suzuki et al., 2016, 2017; Schuett et al., 2017)。 除心血管疾病外，TMAO与肾脏功能不全以及慢性肾病的致死风险、2型糖尿病、胰岛素抵抗、非酒精性脂肪性肝病以及结直肠癌有关（Tang et al., 2015; Shan et al., 2017; Oellgaard et al., 2017; Kummen et al., 2017)。 这些研究提示，循环TMAO水平的干预可能改善上述复杂疾病的进程。靶向多机体TMAO生物合成通路可通过多个步骤实现，包括抑制肠道微生物对TMA前体化合物的裂解酶抑制剂、控制摄入TMA前体丰富的膳食、抑制TMA氧化为TMAO。 如同预期的那样，对Ldlr-null小鼠注射反义寡核苷酸降低Fmo3表达，导致血清的TMAO水平下降，进而减少西方膳食喂养小鼠的主动脉斑块(Shih et al., 2015)。 但是，累积的TMA可导致小鼠表现出鱼腥综合征。另外，Fmo3基因敲除可加重肝脏内质网的应激与炎症 (Warrier et al., 2015)。 因此，研发抑制TMA形成的酶抑制剂更为现实。 一种胆碱类似物，3,3-二甲基-1-丁醇（3,3-dimethylbutanol，DMB），被发现对胆碱TMA裂解酶具有抑制效应，从而降低循环TMAO水平，进而终止胆碱对动脉粥样硬化的促进作用(Wang et al., 2015)。 DMB是一种天然化合物，存在于一些意大利香醋、红酒、冷压的特级初榨橄榄油以及葡萄籽油中。 尚未发现DMB的任何副作用，无肝肾损害反应，即便在小鼠饮水中浓度增加到1% 亦不表现出副反应。 最近，我们发现了更有效的抑制胆碱TMA裂解酶的几种胆碱结构类似物（Nature Medicine 2018，24：1407–1417）。但仍需要发现抑制其他几种裂解酶的抑制剂。 更为重要的是，一项研究表明，白藜芦醇（resveratrol），一种植物保卫素，可通过对ApoE−/− 小鼠肠道菌群的重组而降低其血清的TMAO水平及动脉粥样硬化，有关肠道菌群改变的特征是乳酸菌菌属与双歧杆菌属。 同时还发现，白藜芦醇可促进胆汁酸盐水解酶的活性，从而促进胆汁酸的新合成。这些发现提示，白藜芦醇可作为益生元(Chen et al., 2016)。 尿毒症毒素 一些毒素，例如，尿素与非对称型二甲基精氨酸，在慢性肾病（chronic kidney disease，CKD）的进程中可累积在血液中，与CKD的并发症特别是心力衰竭相关，是CKD的首位死因(Glassock 2008)。 更为严重的是，蛋白质结合的尿毒症毒素，例如硫酸吲哚酚、3-吲哚基-β-D-葡糖苷酸环已胺盐、吲哚-3-乙酸、硫酸吲哚酚、硫酸吲哚酚糖苷酸、硫酸苯酯、葡糖醛酸苯酚甙、苯基乙酸与苯甲酰氨基酯酸，在血透病人血清中浓度增加(Itoh et al., 2013)。 这些尿毒症毒素是氨基酸的肠道菌群衍生物(Devlin et al., 2016)。 蛋白质中的芳香类氨基酸包括苯丙氨酸、酪氨酸与色氨酸可被肠道菌群代谢(Nallu et al., 2017; Pereira-Fantini et al., 2017)。 其中肠道微生物与宿主肝脏参与了这些尿毒症毒素的合成（图3）(Devlin et al., 2016; Meyer and Hostetter 2012; Webster et al., 1976; Gryp et al., 2005)。 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。 更多的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（Yisireyili et al., 2013; Aoki et al., 2015)。 心房颤动是临床上最常见的心律失常，可引发心血管疾病以及充血性心力衰竭和卒中所致的死亡(Hung et al., 2017)。 机制上，硫酸吲哚酚可增加血小板活性，增加对胶原与凝集素的反应，导致血栓形成(Yang et al., 2017)。 血管平滑肌细胞的钙化与主要不可逆的心血管事件有关，而硫酸吲哚酚可促进血管平滑肌细胞的钙化(Zhang et al., 2018)。 硫酸吲哚酚激活NF-κB通路，导致内皮细胞ICAM-1与MCP-1的高表达(Tumur et al., 2010)。 内皮细胞ICAMs的高表达是动脉粥样硬化斑块形成的起始步骤(Moss and Ramji 2016)。 硫酸吲哚酚抑制一氧化氮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(Tumur and Niwa 2009)。 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。 对甲酚硫酸盐是非透析慢性肾脏疾病（CKD）病人的心血管事件与肾脏功能的独立预测生物标志物(Lin et al., 2014; Wu et al., 2012)。 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(Han et al., 2015)。 对甲酚硫酸盐可增加内皮细胞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(Jing et al., 2016)。 对甲酚硫酸盐与硫酸吲哚酚非常相似，不易从透析中去除(Gryp et al., 2005)，因此对生物合成通路的抑制将是最佳的干预途径。 短链脂肪酸 短链脂肪酸（Short chain fatty acids ，SCFAs）是指碳原子数目不大于6的脂肪酸，主要包括三类脂肪酸，即乙酸、丙酸与丁酸以及相对低含量的戊酸与己酸。 乙酸，作为结肠内最丰富的短链脂肪酸，占粪便内可检测到的一半以上，可由碳水化合物酵解以及由氢、二氧化碳以及甲酸通过Wood-Ljungdahl 通路合成（Miller and Wolin, 1996; Louis et al., 2014)。 产生丙酸有三种不同的通路，包括琥珀酸通路、丙烯酸通路与丙二醇通路(Reichardt et al., 2014)。 细菌产生丁酸，可通过两条通路，一是丁酰磷酸转移酶与丁酸激酶通路，可将丁酸辅酶A转化为丁酸（例如., 粪球菌种Coprococcus species) (Louis et al., 2004; Flint et al., 2015)。 另一是丁酸乙酰转移通路，其中丁酰辅酶A直接通过一步反应产生丁酸(例如，粪杆菌属Faecalibacterium、真杆菌属Eubacterium、罗斯拜瑞氏菌属Roseburia) (Louis et al., 2010)。 目前认为短链脂肪酸的生物合成是从葡萄糖到丙酮酸，再到乙酰辅酶A，最后到乙酸、丙酸以及丁酸。 有趣的是，氨基酸可作为短链脂肪酸的另类底物。但葡萄糖与氨基酸可在抵达结肠之前被吸收，因此微生物产生的短链脂肪酸主要来自膳食纤维。 果聚糖菊粉与瓜尔胶分布于众多植物中，均是膳食纤维 (den Besten et al., 2015, 2014; Boets et al., 2015)。 菊粉的益处包括增加结肠内钙的吸收，并减少食物的摄入量，进而降低体重(Abrams et al., 2007; Harrold et al., 2013; Liber and Szajewska 2013)。 大量的临床试验证实，菊粉可降低很多复杂疾病的风险，因此其被作为广泛应用的食物添加剂(Kaur and Gupta 2002)。 无菌小鼠中微量的短链脂肪酸可能来自膳食（Hoverstad et al., 1985; Hoverstad and Midtvedt 1986)。 可产生乙酸的细菌包括醋杆菌科Acetobacteraceae，有10 个菌属，其可在发酵过程中氧化糖类或乙醇。 目前已鉴定的至少有33个种与225个菌株，可通过发酵膳食纤维而分别产生丙酸与丁酸（Reichardt et al., 2014; Vital et al., 2014)。 有趣的是，膳食纤维可选择性增加产生短链脂肪酸的菌属(Zhao et al., 2018)。 短链脂肪酸对人类健康具有重要作用，饲喂结肠细胞，维持肠道屏障以及因酸性pH条件下抑制病原性微生物的增殖（Hashemi et al., 2017; Cherrington et al., 1991; Prohaszka et al., 1990; Duncan et al., 2009; Manrique Vergara and Gonzalez Sanchez, 2017)。 短链脂肪酸是组蛋白脱乙酰酶的抑制剂，可降低miR-106b的表达并升高p21的表达，导致人结肠癌细胞的凋亡(Chen et al., 2003)。 结肠内皮细胞表达三种短链脂肪酸受体：GPR43 (FFAR2)、GPR41 (FFAR3)以及 GPR109A (Karaki et al., 2008; Tazoe et al., 2009; Ahmed et al., 2009)。 这些受体的激活可促进肠降血糖素的分泌，从而增加葡萄糖的清除(den Besten et al., 2015; Tolhurst et al., 2012)。 GPR109A受体只能被丁酸激活而不能被乙酸与丙酸激活(Ahmed et al., 2009)。 与此同时， 表达在血管的OLFR78受体，可被乙酸与丙酸激活但不能被丁酸激活，参与了血压的调节(Pluznick et al., 2013; Pluznick 2014)。 另外，最近的研究表明，一系列短链脂肪酸受体表达在不同细胞类型上，例如胰岛素细胞的FFAR2 与FFAR3，神经细胞的FFA3，白细胞的FFA2 (Ahmed et al., 2009; Nilsson et al., 2003)。 因此，肠道微生物衍生的短链脂肪酸对大脑、肌肉、呼吸道、白脂肪组织、褐脂肪组织以及血管生理的功能，具有广泛的调节功能(Kasubuchi et al., 2015)。 双盲的随机安慰剂对照的交叉研究发现，在11个正常血压无原发性高血压家族史的个体中，给予富含辛酸与癸酸的食物添加剂，可降低舒张压(MacIver et al., 1990)。 此外，啮齿类动物模型的研究表明服用短链脂肪酸可降低舒张压，由表达在血管内皮细胞的GPR41介导，而且GPR41基因敲除的小鼠相对于野生型表现为舒张性高血压(Natarajan et al., 2016)。 Olfr78，在血管平滑肌细胞表达的G-蛋白偶联受体家族成员与血压有关，Olfr78功能缺失的小鼠表现为高血压。 因此，上述包括临床随机对照与啮齿动物模型的病因研究表明，短链脂肪酸对血压有关键调节作用。 植物雌激素 植物中的植物雌激素（phytoestrogen）可通过调节植物捕食者与脊椎食草动物的生育力从而保护植物本身(Hughes, 1988)。 植物雌激素与人雌激素在结构上很相似。植物雌激素主要有三类：类黄酮、鞣花单宁与木脂素(Gaya et al., 2018)。 在肠道内，植物雌激素可被进一步代谢为活性更高的分子，例如雌马酚、O-去甲基安哥拉紫檀素（O-desmethylangolensin，O-DMA)、二氢大豆甙元、二氢金雀异黄素、肠内酯与肠二醇等(图4) (Gaya et al., 2108; Axelson and Setchell 1981; Wang et al., 2005)。 肠内酯与肠二醇的生物合成途径在多种代谢木脂素的菌株中发现 (Vanharanta et al., 2003)。 松脂醇与落叶松树脂醇，肠内酯与肠二醇的前体，均是木质素分子结构的一部分。木质素广泛分布于地球(Vanharanta et al., 2003)，其可被肠道菌群代谢为木脂素(DeAngelis et al., 2011)。 雌马酚与O-去甲基安哥拉紫檀素可从黄豆甙元经肠道菌群代谢产生，包括下列肠道细菌：Adlercreutzia equolifaciens, Eggerthella sp. YY7918, Lactococcus garvieae, Slackia equolifaciens, Slackia isoflavoniconvertens, Slackia sp. NATTS (Braune and Blaut, 2018; Guadamuro et al., 2017; Matthies et al., 2012; Frankenfeld et al., 2014)。 已报道植物雌激素可减少绝经后妇女的乳腺癌发病率（Goodman et al., 2009)。 在动物模型中，预喂养植物雌激素丰富的野葛根茎粉，可降低9,10-二甲基-1,2-苯并蒽诱导的大鼠乳腺癌的发病率(Cherdshewasart et al., 2007)。 除乳腺癌外，植物雌激素还可对前列腺癌、肠癌、心血管病病、脑功能以及骨质疏松具有保护作用(Zhang et al., 2016; Ward and Kuhnle 2010; Arbabi et al., 2016; Menze et al., 2015; Trieu and Uckun 1999; Chiechi et al., 1999; Wang et al., 2011; Zhang et al., 2004; Lephart et al., 2001)。 但是，有几个研究提示植物雌激素可增加前列腺癌的发病风险，且并没有充分的证据支持其可降低心血管疾病风险(Ward et al., 2010; van der Schouw et al., 2005; Peterson et al., 2010)。 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(Vanharanta et al., 2003)。 更为重要的是，低血清的肠内酯与脂类过氧化的标志物F2-异前列腺素的浓度负相关(Vanharanta et al., 2002)。 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(Reger et al., 2017)。 植物雌激素可结合雌激素受体(Morito et al., 2001)，其可作为雌激素的类似物或拮抗剂(Fitzpatrick, 1999)。 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（Herrington, 2000)。 肠内酯与肠二醇可缓解因内毒素导致的淋巴细胞激活(Corsini et al., 2010)。这些淋巴细胞的激活导致抑制性-κB(I-κB)灭活而使NF-κB激活进而导致TNF-α的产生(Corsini et al., 2010)。 所以，肠内酯与肠二醇可能有促炎、抗炎双重作用。 花色素苷 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。 花青素(anthocyanidin)是具有不同官能基团共价连接到三环的黄酮。 花青素对肥胖与糖尿病有较好的控制作用，可预防心脏疾病与癌症，提高视力与大脑功能(Tsuda, 2012; Hannum, 2004)。 花青素的的作用机理包括其可在动脉粥样硬化中抗血小板，以及其他心脏病预防，诱导血管中一氧化氮的合成，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（ Gaiz et al., 2018; Stoclet et al., 1999; Hassellund et al., 2013; Isaak et al., 2017)。 更多的研究表明，花青素对动脉粥样硬化的有益防护主要由肠道代谢产物介导。 膳食中的花青素苷只有小部分被吸收，大部分进入结肠被肠道菌群降解为花青素与原儿茶酸（protocatechuic acid ，PCA)（图5）(Aura et al., 2005)。 花青素-3-糖甙可促进反向胆固醇的转运并由PCA介导。PCA可诱导巨噬细胞表达miR-10b，从而增加ABCA1 及ABCG1的表达(Wang et al., 2012)。 五倍子酸（gallic acid，GA），一种肠道花青素的代谢产物，可通过促进eNOS的磷酸化而增加NO的产出。 相对于卡托普利（captopri），GA更强抑制血管紧张素转化酶，从而降低自发性高血压大鼠的血压(Kang et al., 2015)。 这些研究成果提示从Spirogyra sp.分离的GA具有较大的潜力应用于心血管疾病的干预。 花青素可调节肠道菌群的群体结构。例如，锦葵色素-3-O-葡萄糖苷可增强一些有益菌群的生长，例如，双歧杆菌属与乳酸杆菌属(Hidalgo et al., 2012)。 另一方面，五倍子酸，一种肠道花青素的代谢产物，可减少潜在有害菌群的数目，例如Clostridium histolyticum，但对有益菌无负面影响(Hidalgo et al., 2012)。 有关心血管疾病病人与健康人的肠道菌群多样性的研究表明，心血管疾病病人菌群种类减少。因此，花青素可能可改变肠道菌群的种类，特别是在心血管疾病疾患的临床情况下效果更佳。 胆汁酸 胆汁酸在肝脏中由胆固醇合成。最初的产物是鹅脱氧胆酸chenodeoxycholic acid (CDCA)与胆酸cholic acid (CA) （图6），之后与甘氨酸或牛磺酸共价交联并储存在胆囊中(Wahlstrom et al., 2016; LaRusso et al., 1974)。 肝脏产生的胆汁酸称作初级胆汁酸。 胆汁酸释放到十二指肠并乳化食物脂肪与油类，以助消化，并帮助吸收脂溶性维生素(Danielsson, 1963; Hollander et al., 1977; Barnard and Heaton, 1973; Miettinen, 1971)。 在回肠内，结合型的胆汁酸重新被吸收，并通过门静脉进入肝脏(Wahlstrom et al., 2016)。 在回肠远端，结合型的胆汁酸被微生物胆汁酸盐水解酶水解，而去掉甘氨酸与牛磺酸，以避免被重新摄入，进而被细菌去羟基化而成为次级胆汁酸，包括脱氧胆酸与石胆酸（图6）(Wahlstrom et al., 2016; Chiang, 2009)。 胆汁酸可剂量依赖性的通过杀死一些细菌而调节肠道菌群组成(Yokota et al., 2012)。 胆汁酸与代谢性疾病、肥胖、腹泻、炎性肠病、结直肠癌以及肝癌相关(Joyce and Gahan, 2016)。 非结合型的胆汁酸是疏水的，可从粪便中分泌，这组成了反向胆固醇流出、从而降低循环血液中的胆固醇、而减轻动脉硬粥样硬化风险(Dawson and Karpen, 2015)。 胆汁酸可作为激素与法尼醇受体（farnesoid X receptor，FXR）与G蛋白偶联的膜受体5(TGR5)相互作用而降低甘油三酯的累积，促进脂肪酸的氧化，通过灭活NF-κB而降低主动脉细胞炎性细胞因子与化学因子的表达(Levi, 2016; Porez et al., 2012)。 肠道菌群可通过次级胆汁酸包括脱氧胆酸与石胆酸而影响心血管健康，该两种次级胆汁酸均是TGR5的配体(Fiorucci et al., 2010; Duboc et al., 2014)。 初级胆汁酸包括鹅脱氧胆酸与胆酸，以FXR为受体，对心脏健康的效应不同于次级胆汁酸(Fiorucci et al., 2010)。 与此一致的是，心血管病人相对于健康对照，其血清次级胆汁酸与初级胆汁酸的比率升高(Mayerhofer et al., 2017)。 脂多糖 与上面所讨论的肠道微生物衍生的代谢物不同，脂多糖（lipopolysaccharide LPS，也称为内毒素）是革兰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。 LPS自破碎的细菌细胞膜释放，可诱发系统性炎症与败血症 (Beutler and Rietschel, 2003)。 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。 牙周疾病患者的细菌可直接进入循环血液而增加循环LPS的水平(Fukui et al., 1991; Wang et al., 2015; de Punder and Pruimboom, 2015; Lakio et al., 2006) 。 LPS可诱导泡沫细胞的形成并促进胆固醇酯在低密度脂蛋白累积，提示LPS可促进动脉粥样硬化(Lakio et al., 2006; Funk et al.,1993)。 LPS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(An et al., 2017)。 LPS结合蛋白（LPS binding protein ，LBP）在肝脏内合成并释放到血液循环中(Schumann et al., 1990)。 血管造影确诊的冠状动脉粥样硬化性心脏病（CAD）患者的LBP显著高于非CAD患者，且是总死亡率与心血管致死率的独立预测生物标志物(Lepper et al., 2011)。 更为重要的是，高亲和力的LPS-LBP复合物结合到单核细胞与巨噬细胞，启动肿瘤坏死因子的分泌(Schumann et al., 1990)。 Toll样受体4(Toll-like receptor 4, TLR4) 是LPS的膜受体，一旦激活，启动NF-κB信号通路并产生炎性细胞因子（Lu et al., 2008）。 Caspase, 全称是含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase，caspase)，其中，caspase-4,-5,-11可直接结合LPS而启动细胞焦亡（pyroptosis）(Shi et al., 2015)。 内毒素血症的低血清硒或低水平硒蛋白SePP现象已被反复报道，而且纯化的SePP以及合成的多肽所富含的组氨酸序列可中和LPS (Zhao et al., 2016)。 最近，一项研究表明，在小鼠与人的巨噬细胞中，衣康酸盐是激活抗LPS炎症转录因子Nrf2 (也被称为NFE2L2)所必需的，该过程通过KEAP1的双羧基化修饰(Mills et al., 2018)。 总之，LPS是CAD的机制性生物标志物（Fukui et al., 1991; Wang et al., 2015; de Punder and Pruimboom, 2015; Lakio et al., 2006)。 展望 愈来愈多的肠道菌群衍生物已被发现会导致心血管疾病发作。 所以，对有关心血管疾病代谢产物的肠道微生物通路的更好理解，有助于促进心血管健康以及预防心血管疾病。 显然，为发现有效机制性生物标志物以管理心血管疾病，探索能导致疾病的肠道微生物代谢产物至关重要。 柯赫氏法则(Koch's Postulate)陈述了如何鉴定导致疾病的病原体，已演化到分子与微生态柯赫氏法则，亦涉及到与心血管疾病相关的病因机制（Vonaesch et al., 2018）。 因此，大量的正在进行的研究，聚焦于肠道微生物是否是导致心血管疾病的病因。 关键的方法学包括随机对照临床试验(Tang et al., 2013; Panigrahi et al., 2017), 孟德尔随机对照 (Mendelson et al., 2017)，益生菌动物模型 (Hibberd et al., 2017)。 既然膳食是决定肠道菌群动态变化的最重要因子(Rothschild et al., 2018)，有关膳食重塑微生物-宿主相互作用的综合研究，有望为心血管疾病的发病机制提供新视角。 在肠道菌群这一方面，与宿主生理与病理相关的微生物分类与功能的分子遗传机制仍有大发展。 特别注意的是，有关心血管疾病免疫机制的研究可允许我们连接关键肠道微生物与不同的免疫细胞与细胞因子群谱。 展望未来，优先发现预测性、机制性的心血管疾病微生物标志物，与研发益生元与益生菌，已成为未来预防、诊断、治疗心血管疾病的发展方向。 （翻译全文结束，参考文献请见pdf原文，下载地址：https://link.springer.com/article/10.1007/s13238-018-0549-0 。） 原创：热心肠小伙伴们 转自：热心肠先生 关注消化界，每天更精彩！