宋昱 周京敏

摘 要 心力衰竭是大多數心臟疾病的終末期轉歸。近年來的基礎和臨床研究顯示，腸道菌群組成及其代謝產物的改變與慢性心力衰竭的發(fā)生、發(fā)展相關。因此，目前正在進行針對腸道菌群的干預措施的研究，包括調節(jié)飲食、給予益生菌或抗生素治療、進行糞便菌群移植、使用能減少氧化三甲胺產生的藥物等，以考察它們對心力衰竭不良預后的改善作用。

關鍵詞 心力衰竭 腸道菌群 腸道菌群代謝產物 氧化三甲胺

中圖分類號：R541.6； R363.21 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1533（2019）15-0011-05

Relationship between gut microbiota and its metabolites and heart failure

SONG Yu1， 2， ZHOU Jingmin1， 2*

（1. Department of Cardiology， Zhongshan Hospital， Fudan University， Shanghai 200032， China； 2. Shanghai Institute of Cardiovascular Diseases， Shanghai 200032， China）

ABSTRACT Heart failure is the end-stage of cardiovascular disease. Recent basic and clinical studies have shown that changes in intestinal flora composition and metabolites are associated with the occurrence and development of chronic heart failure. Therefore， interventions for intestinal flora are currently being studied， including dietary regulation， probiotic or antibiotic treatment， fecal flora transplantation， and the drugs that reduce trimethylamine-N-oxide production so as to investigate their improvement effects on the poor prognosis of heart failure.

KEy WORDS heart failure； gut microbiota； gut microbiota metabolites； trimethylamine-N-oxide

心力衰竭是大多數心臟疾病的終末期轉歸，腸道菌群已被認為與心血管疾病、尤其是心力衰竭的發(fā)生和發(fā)展有密切關聯(lián)。既往研究認為，心力衰竭患者由于心輸出量不足和外周循環(huán)血流的重新分配，導致其胃腸道組織血流灌注不足、腸黏膜缺血、毛細血管擴張、腸壁水腫及通透性增加，進而引起腸道菌群發(fā)生位移，腸道內的多種細菌和毒素通過受損的小腸黏膜屏障進入血液循環(huán)，誘發(fā)系統(tǒng)性的炎癥反應和免疫反應，這與心力衰竭進展、患者營養(yǎng)不良及疾病晚期出現(xiàn)的惡病質等不良預后密切相關[1]。近年來，隨著微生物代謝組學和宏基因組學的發(fā)展，腸道菌群組成及其代謝產物的改變與心力衰竭的關聯(lián)得到了更深入的揭示。這些改變對宿主心血管系統(tǒng)的影響方式是多種多樣的，既關系到宿主對疾病的易感性、預后風險，又涉及到心肌和血管的炎癥、纖維化、功能失調等。本文概要介紹近年來有關腸道菌群及其代謝產物與心力衰竭關聯(lián)的基礎和臨床研究進展。

1 腸道菌群組成改變與心力衰竭

健康人體的腸道中存在著數以萬億計的微生物，其中絕大多數可被歸類為厚壁菌門和擬桿菌門[2]。在生理狀態(tài)下，這些細菌參與維持人體眾多的生物學功能，包括宿主代謝、神經發(fā)育、能量平衡、免疫調節(jié)、維生素的合成和降解以及維持腸道黏膜屏障的正常功能[3-4]。近年宏基因組學研究發(fā)現(xiàn)，健康人群的腸道菌群組成可分為以下3種優(yōu)勢菌群類型，即擬桿菌型、普氏菌型和瘤胃球菌型[2]，而飲食、環(huán)境暴露、藥物和疾病均可導致腸道菌群組成發(fā)生改變。

德國學者通過16S rRNA高通量測序技術檢測心力衰竭患者的排泄物后發(fā)現(xiàn)，與健康人群相比，心力衰竭患者腸道菌群的多樣性顯著減少，同時腸道中的布勞特菌屬、柯林斯菌屬、紅蝽桿菌科、丹毒絲菌科和瘤胃球菌科等菌群的豐度顯著降低，而腸桿菌科菌群的豐度卻增高[5]。日本學者也通過此技術發(fā)現(xiàn)，心力衰竭患者直腸中真桿菌屬和Dorea longicatena屬（一種梭菌科）菌群的豐度很低，且與年輕患者相比，高齡患者腸道菌群中的擬桿菌門菌群占比降低而變形菌門菌群占比增高[6]。Pasini等[7]的研究亦發(fā)現(xiàn)，在心力衰竭患者的糞便中，彎曲桿菌、志賀菌、沙門菌和耶爾森菌等致病性菌群的豐度較健康人群大大增高，且這種差異在嚴重和輕中度心功能不全患者間同樣存在。這些研究結果表明，在心力衰竭的病程中始終伴有腸道菌群失衡的現(xiàn)象，腸道菌群組成改變或許參與了心力衰竭的進展。

2 腸道菌群代謝產物與心力衰竭

近年來，腸道菌群代謝產物對心血管疾病的影響受到關注。這些代謝產物包括：①腸道菌群代謝含膽堿類食物后產生的氧化三甲胺；②短鏈脂肪酸；③膽汁酸；④硫化氫、氫和甲烷等小分子氣體等。

2.1 氧化三甲胺

氧化三甲胺是食物中的膽堿、磷脂酰膽堿和L-肉毒堿等經腸道菌群酵解為三甲胺，后者進入腸-肝循環(huán)并在肝臟黃素單加氧酶-3的催化作用下產生的。既往研究發(fā)現(xiàn)，在生理狀態(tài)下，氧化三甲胺參與維持細胞的滲透壓平衡[8]，且還能防止蛋白質的錯誤折疊。氧化三甲胺對心血管疾病的影響已得到廣泛研究。臨床研究表明，高血漿氧化三甲胺水平預示急性冠脈綜合征、糖尿病和慢性腎臟病患者發(fā)生不良預后的風險高，且這種高風險獨立于傳統(tǒng)的心血管危險因素[9-11]。Tang等[12]進行的一項共納入720例穩(wěn)定性心力衰竭患者的隊列研究發(fā)現(xiàn)，心力衰竭患者的空腹血漿氧化三甲胺水平顯著高于健康對照者（分別為5.0和3.5 μmol/L， P<0.001），且血漿氧化三甲胺水平高的患者的血漿腦利鈉肽水平也可能更高（相關系數=0.23，P<0.01）。隨訪5年后還發(fā)現(xiàn)，血漿氧化三甲胺水平高的患者的全因死亡風險為氧化三甲胺水平低的患者的3.42倍（風險比=3.42， 95% CI： 2.24 ～ 5.23； P<0.001），且此風險經傳統(tǒng)危險因素及腦利鈉肽、估算的腎小球濾過率等校正后仍達1.75倍（風險比=1.75， 95% CI： 1.07 ～ 2.86； P<0.05）。另一項關于氧化三甲胺與慢性心力衰竭關聯(lián)的隊列研究發(fā)現(xiàn)，心功能越差的心力衰竭患者的血漿氧化三甲胺水平越高，且缺血性心力衰竭患者的血漿氧化三甲胺水平高于穩(wěn)定性冠心病和非缺血性心力衰竭患者[13]。Cox風險比例模型分析發(fā)現(xiàn)，約50%的高血漿氧化三甲胺水平心力衰竭患者在5.2年的隨訪期中發(fā)生了死亡或心臟移植等不良預后事件（風險比=2.24， 95% CI： 1.28 ～ 3.92； P<0.005）。最近一項對急性心力衰竭患者的研究也發(fā)現(xiàn)，高血漿氧化三甲胺水平（>5.6 μmol/L）患者1年內發(fā)生不良預后事件的風險高于低血漿氧化三甲胺水平（<5.6 μmol/L）患者（比值比=1.61， 95% CI： 1.17 ～ 2.20； P=0.004），且血漿氧化三甲胺水平可作為一種獨立預測因子預測患者1年內發(fā)生全因死亡或再住院的風險[14]。

關于氧化三甲胺對心力衰竭影響的機制也正趨明確。體外研究顯示，給予氧化三甲胺刺激后，內皮細胞的增殖、遷移能力均受損，細胞衰老現(xiàn)象加重；氧化三甲胺可通過刺激內皮細胞分泌NLRP3炎癥小體，激活絲裂原活化的蛋白激酶-核因子κB信號傳導通路，促進白細胞介素-6、α-腫瘤壞死因子等炎性因子的分泌，并誘導巨噬細胞黏附于內皮細胞上等，由此加重血管的炎癥反應[15-18]。內皮功能的紊亂會導致重要舒血管因子如一氧化氮的釋放減少、血管阻力增加，這是心力衰竭發(fā)生的重要病理學機制之一[19]。氧化三甲胺還可通過影響細胞內的鈣調控而使心肌收縮功能受損，并出現(xiàn)糖原和脂褐素沉積等代謝失調的典型表現(xiàn)[20]。動物模型研究觀察到，膽堿或氧化三甲胺喂養(yǎng)會加重主動脈縮窄術后大鼠的心功能不全，且與正常飲食喂養(yǎng)的主動脈縮窄術后大鼠相比，這些大鼠的左心室射血分數（left ventricular ejection fractions， LVEF）更低，而血漿腦利鈉肽水平更高，心肌纖維化程度更嚴重[21]。氧化三甲胺還可促進心肌分泌α-腫瘤壞死因子、白細胞介素-1β和白細胞介素-10等炎性因子，并能減弱運動相關的心肌保護作用[22-23]。不過，盡管關于氧化三甲胺的研究越來越多，但迄今尚無其受體的研究報告。因此，找到氧化三甲胺的受體是未來腸道菌群相關研究的一個重要方向。

2.2 短鏈脂肪酸和膽汁酸

短鏈脂肪酸主要由食物中的纖維素、抗性淀粉和低聚糖等碳水化合物經腸道菌群酵解所產生，除可直接作為腸黏膜細胞的能量來源外，近年研究還發(fā)現(xiàn)能抑制腸道的炎癥反應[24-25]。既往研究顯示，短鏈脂肪酸可通過與G蛋白偶聯(lián)受體作用來影響腎素的分泌和血壓調控，而自發(fā)性高血壓大鼠模型存在腸道菌群組成改變現(xiàn)象，尤其是產短鏈脂肪酸的菌群占比降低[26-27]。另有研究顯示，短鏈脂肪酸還可提高胰島素的敏感性，調節(jié)脂肪和肌肉的能量代謝，在糖尿病、肥胖的發(fā)展過程中起著重要作用[28]，而控制好高血壓、糖尿病、肥胖這三大高危因素，心力衰竭的發(fā)生風險將大大降低。

膽固醇在肝臟被代謝為膽汁酸，后者會經腸-肝循環(huán)進入腸道，通過減少特定菌群的數量來改變腸道菌群的組成[29]。膽汁酸的受體為法尼醇X受體和G蛋白偶聯(lián)受體-5，它們在調控脂肪酸氧化、抑制炎性因子分泌方面起著重要作用[30]。關于膽汁酸對心力衰竭影響的研究較少。一項研究顯示，慢性心力衰竭患者血漿中的初級膽汁酸水平降低，而某些次級膽汁酸水平升高[31]。有些膽汁酸已被證實能降低心肌收縮力，即具有心肌毒性作用[32]。

2.3 硫化氫、氫和甲烷

人體內的硫化氫由腸道中的硫酸鹽還原菌和厭氧菌群所產生。近年研究發(fā)現(xiàn)，硫化氫參與調控循環(huán)系統(tǒng)的多種生理功能。對高血壓大鼠模型，給予硫化氫干預可降低大鼠的平均動脈壓和心率[33]。對心力衰竭小鼠模型的研究發(fā)現(xiàn)，心力衰竭小鼠血液中的硫化氫水平顯著低于非心力衰竭小鼠，但給予外源性硫化氫治療則可通過激活內皮型一氧化氮合酶-一氧化氮信號傳導通路而減輕氧化應激和線粒體功能紊亂，并誘導血管內皮生長因子、成纖維細胞生長因子的分泌來促進血管新生，減輕心肌纖維化，具有心功能保護作用[34-35]。Zhou等[36]進行的體外研究發(fā)現(xiàn)，硫化氫可通過激活血管內皮生長因子受體-2-哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號傳導通路來促進血管新生。

氫是腸道內的主要氣體組分，主要來源于食物的酵解，而人體內的甲烷來源于腸道中的產甲烷菌，其可利用氫作為供電子體來還原二氧化碳并產生甲烷。呼氣試驗發(fā)現(xiàn)，30% ～ 60%的健康人體會產生甲烷。既往研究認為，呼氣試驗測得的氫和甲烷的豐度與便秘、腹瀉和腸易激綜合征等消化道疾病相關，并可用來判斷患者是否存在小腸細菌過度生長（small intestinal bacterial overgrowth， SIBO）現(xiàn)象[37-38]。一項最新研究顯示，SIBO與慢性心力衰竭患者的不良預后相關，且伴有SIBO的心力衰竭患者的血清白細胞介素-1β、白細胞介素-10和α-腫瘤壞死因子等炎性因子水平也顯著增高，表明心力衰竭患者的SIBO可能與炎癥激活相關[39]。有研究顯示，體內產甲烷菌增多與糖尿病、肥胖的發(fā)生和發(fā)展相關[40]；但另有研究報告，甲烷可減輕缺血再灌注動物模型的氧化應激和炎癥反應[41]。也有研究顯示，氫可通過減輕內質網應激、減少細胞自噬等機制對藥物損傷和缺血再灌注的心肌產生保護作用[42]?？偟膩碚f，關于硫化氫、氫和甲烷對心力衰竭的影響，還有待進行更多的基礎和臨床研究來予以明確。

3 腸道菌群組成及其代謝產物的檢測方法

目前主要通過采集糞便來檢測心力衰竭患者的腸道菌群組成，即先提取糞便溶液上清液中的RNA或DNA，然后應用以聚合酶鏈式反應為基礎的微生物組學技術、特別是16S rRNA/DNA測序和宏基因組學測序技術進行檢測。16S rRNA/DNA在微生物中有很高的保守性和特異性，通過16S rRNA/DNA測序可簡便、快速地了解樣本中菌群組成的差異和多樣性情況[43]，而心力衰竭患者往往存在腸道菌群多樣性減少、有害菌群豐度增高的現(xiàn)象[5， 7]。宏基因組學測序是一種先提取環(huán)境中所有微生物的DNA、然后進行高通量測序和生物信息學分析的測序方法，對了解微生物群落組成及其代謝功能、發(fā)現(xiàn)新的微生物種屬和基因具有重要價值。一項研究提示，聯(lián)合應用微生物組學和代謝組學技術分析有助于更深入地了解心血管疾病的病理學機制[44]。Cui等[45]應用宏基因組學和代謝組學技術分析、比較了慢性心力衰竭患者與健康對照者糞便和血漿中的菌群及其代謝產物組成，發(fā)現(xiàn)心力衰竭患者糞便中的普拉梭菌減少而活潑瘤胃球菌增多、保護性代謝產物丁酸鹽減少而有害性代謝產物氧化三甲胺增多，這些改變與心力衰竭患者的腸道菌群失衡有關。

SIBO是指遠端腸道內的菌群移位進入小腸，導致小腸內的厭氧菌過度生長、菌群組成發(fā)生改變，臨床表現(xiàn)主要包括腹痛、腹脹和腹瀉或便秘等。SIBO診斷的金標準是在內鏡下吸取空腸近段的小腸液進行細菌培養(yǎng)，以菌落計數>1×105 CFU/ml為SIBO陽性，但這是一種有創(chuàng)檢查。近年來，檢測氫和甲烷的呼氣試驗以其無創(chuàng)、簡便的特點，開始在臨床上被用于SIBO診斷[46]。根據最新研究結果，在進行檢測氫的呼氣試驗中，若患者空腹氫豐度基礎值≥0.002%或90 min內氫豐度較基礎值升高≥0.002個百分點，判斷試驗結果為陽性；在進行檢測甲烷的呼氣試驗中，若任意檢測時間點患者的甲烷豐度≥0.001%，判斷試驗結果為陽性。患者的檢測氫或甲烷的呼氣試驗結果為陽性，即可診斷其為SIBO陽性。呼氣試驗可用于診斷SIBO和腸道菌群失衡，臨床應用漸趨廣泛[46-47]。

4 針對腸道菌群的干預措施

越來越多的研究顯示，改變腸道菌群組成及其代謝模式有助于降低心力衰竭患者發(fā)生不良預后的風險。不過，由于腸道菌群的多樣性和個體差異，針對腸道菌群進行有效干預實際非常困難，具體措施可主要分為如下兩個方面：

1）通過飲食干預，抗生素、益生菌治療或糞便菌群移植來改變腸道菌群組成 飲食是人體的最大環(huán)境暴露因素，短時間內的飲食結構改變即能影響腸道菌群組成及其代謝模式。Marques等[48]的研究發(fā)現(xiàn)，給予富含纖維的飲食并補充乙酸鹽可改善心力衰竭大鼠模型腸道內的菌群組成，使之產乙酸菌群增加，同時心肌肥大和纖維化程度減輕、血壓降低，心功能獲得改善?？股刂委熆芍苯痈淖兡c道菌群組成，但因可能存在對腸道菌群的非特異性影響，臨床應用受到限制。一項動物研究發(fā)現(xiàn)，萬古霉素治療后的大鼠的心肌梗死面積較小[49]。與抗生素治療相比，適當服用益生菌可僅增加特定菌群的數量而改變腸道菌群組成，進而對宿主產生有益影響。一項隨機、對照臨床研究顯示，與安慰劑組患者相比，慢性收縮性心力衰竭患者服用布拉酵母治療3個月后，LVEF等心功能指標值獲得顯著改善，且血清高敏C-反應蛋白、膽固醇和尿酸等水平也均有不同程度的降低[50]。對心力衰竭大鼠模型的研究亦發(fā)現(xiàn)，給予鼠李糖乳桿菌GR-1干預可顯著改善LVEF、減輕心肌肥大程度[51]。這些研究結果均顯示，益生菌有輔助治療心力衰竭的潛力，但能否改善患者的遠期預后，尚需得到更多臨床研究的確認。糞便菌群移植可恢復腸道菌群的平衡及其功能，已被用于肥胖和一些腸道疾病的治療。在心力衰竭治療方面，若移植產氧化三甲胺能力低的腸道菌群來改變心力衰竭患者腸道菌群的組成，就可降低其體內的氧化三甲胺水平，進而改善患者的預后。不過，該方法存在內毒素和感染轉移風險。對此，有研究者指出，只移植有益菌群而非簡單地移植糞便菌群或許更為合理[52]。

2）通過改變腸道菌群的代謝模式來減少氧化三甲胺等有害代謝產物的產生 3，3-二甲基-1-丁醇（3，3-dimethyl-1-butanol， DMB）是一種存在于橄欖油、葡萄籽油中的天然化合物，其能特異性地抑制腸道中產三甲胺菌群，從而減少三甲胺產生，降低體內氧化三甲胺水平。一項動物研究顯示，DMB治療可減輕心力衰竭小鼠的心肌纖維化程度，并有保護心功能作用[22， 53]。Chen等[54]的研究顯示，葡萄酒中含有的一種抗氧化劑白藜蘆醇能重塑腸道菌群組成，由此減少三甲胺和氧化三甲胺的產生。這或許也可解釋為何習慣地中海飲食方式（橄欖油、水果、魚和紅葡萄酒的飲食量較多，而紅肉等富含膽堿、肉堿類食物的攝食量較少）的人群體內氧化三甲胺水平和心血管疾病發(fā)病率均較低的現(xiàn)象[55]。

5 結語

腸道菌群及其代謝產物對心力衰竭的影響方式主要有兩種：一種是過去認為的心力衰竭會導致腸道充血、水腫，使得腸壁通透性增加、細菌內毒素等進入血流循環(huán)，最終引發(fā)系統(tǒng)性的炎癥和免疫反應；另一種是近年來發(fā)現(xiàn)的腸道菌群組成及其代謝產物的改變所引發(fā)的系統(tǒng)性炎癥和神經激素系統(tǒng)失衡。針對腸道菌群的心力衰竭治療策略具有一定的研究價值。對腸道菌群及其代謝產物與心力衰竭關聯(lián)的深入認識可為心力衰竭治療提供更多的思路。

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