综述| Nature Reviews Microbiology：微生物对心血管疾病的调节作用（第二部分）
本文由梁婷编译，董小橙、江舜尧编辑。
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饮食早已被认为能够导致心血管疾病（CVD）的发生，在过去十年的研究中揭示了营养摄入、肠道微生物代谢和宿主之间不可预料的相互作用，其改善了心血管疾病发生的风险。微生物相关分子模式可被宿主模式识别受体感应到，并已被表明其是驱动CVD的发病机制。此外，宿主微生物产生各种代谢产物，如氧化三甲胺（TMAO）、短链脂肪酸（SCFAs）和次级胆汁酸（BA），它们都可影响CVD的发病机制。最新研究表明宿主和微生物之间的相互作用可能对预防或治疗CVD有帮助。在这篇综述中，我们总结了目前有关于驱动CVD的肠道微生物机制方面的知识，特别强调介入治疗，并且我们突出强调了建立微生物代谢通路和CVD发病机制之间联系的必要性。
原名：Microbial modulation of cardiovascular disease
译名：微生物对心血管疾病的调节作用
期刊：Nature Reviews Microbiology
IF：31.851
发表时间：2017年
通信作者： J. Mark Brown and Stanley L. Hazen
通信作者单位：Department of Cellular and Molecular Medicine, Cleveland Clinic Lerner Research Institute
2.2 SCFAS等发酵产物在心血管疾病发病机制中的作用
肠道微生物发酵产物是目前研究最充分的肠道微生物代谢产物，在维持肠道微生物生态和改善宿主免疫及代谢疾病方面具有重要作用。发酵膳食纤维的主要微生物代谢产物为短链脂肪酸SCFAs，其中乙酸、丁酸、丙酸为最丰富的代谢物。虽然还需要更多的研究来确定最丰富的人类共生生物的生产者，但是关于哪些菌群对大多数短链脂肪酸SCFA的产生负有责任的信息是可以获得的。乙酸是由大量肠道细菌产生的，其中主要有瘤胃球菌、普氏菌属、双歧杆菌、拟杆菌、粘菌、梭菌和链球菌。丙酸可以通过三种不同的生化途径产生，分别由芽孢杆菌、琥珀杆菌、唾液链球菌、葡萄球菌和大肠杆菌产生。丁酸可由粪球菌、卡特氏菌、嗜粪粪球菌、厌氧菌、大肠杆菌、嗜盐杆菌、普氏菌和氏菌属产生，以醋酸为底物。丁酸也可以由科水平的螺旋菌科、瘤胃球菌科和氨基酸球菌科通过碳水化合物发酵产生。人类和啮齿类动物肠道微生物中短链脂肪酸SCFA产生的主要驱动因素还没有完全被弄清楚，参考基因组预测，还有许多其他短链脂肪酸SCFA产生者尚未被发现。短链脂肪酸SCFAs可以作为大量营养素的能量来源和类似激素的信号分子进入门静脉循环，最终通过专用的宿主受体系统发出信号，以调节先天免疫和宿主代谢。目前鉴定的一些宿主短链脂肪酸SCFA受体包括G-蛋白偶联受体41（GPR41，又称游离脂肪酸受体3（FFAR3））；G-蛋白偶联受体43（GPR43，也被称为游离脂肪酸受体2（FFAR2））；G-蛋白偶联受体109A（GPR109A，也被称为羟基羧酸受体2（HCAR2））和嗅觉受体78（Olfr78）（见下文）。尽管短链脂肪酸SCFAs是研究最深入的肠道微生物代谢产物，但短链脂肪酸SCFAs是否与人类疾病尤其是心血管疾病的发展有因果关系尚不清楚，其调控疾病过程和易感性的作用仍在研究中。
绝大多数将肠道菌群与人类疾病联系起来的文献表明，短链脂肪酸SCFAs是肥胖症、糖尿病、肠道免疫、高血压、肾病、癌症以及酒精性和非酒精性脂肪肝疾病中潜在的预防或减轻疾病的因素。虽然有大量的文献将微生物代谢的短链脂肪酸SCFAs与CVD发生的风险因素联系在一起，但很少有研究表明短链脂肪酸SCFAs和CVD风险或人类的死亡率有明显的相关性。事实上，短链脂肪酸SCFAs与心血管疾病风险因素（如肥胖、糖尿病、高血压、肾功能损伤和肝病）之间的大部分联系已经在动物模型中建立。因此，与氧化三甲胺TMAO不同的是，短链脂肪酸SCFAs作为CVD治疗靶点的潜力并没有得到临床研究的有力支持。近年来，肠道微生物代谢产物短链脂肪酸SCFAs及其与动物模型中的代谢疾病的联系已被数篇优秀的期刊报道。因此，我们在下面仅强调几项短链脂肪酸SCFA干预的人类试验，并讨论最近使用动物模型的研究成果。
在人类首次直接给药研究中，使用了与生理相关的乙酸或丙酸来检测对新陈代谢的急性影响。这项研究发现对血糖或胰岛素水平没有影响，但两者都降低了游离脂肪酸的水平。此外，研究表明，虽然急性（3小时）胃灌短链脂肪酸SCFAs对血糖没有影响，但游离脂肪酸的水平降低了。后续研究表明，短链脂肪酸SCFA增加了血清胰高血糖素水平，这可能间接改变了游离脂肪酸的水平。在随后的长期研究中，丙酸被补充了7周，在口服葡萄糖耐量测试中，空腹血糖和葡萄糖刺激的胰岛素分泌略有下降。此外，提供膳食补充的不可消化多糖产生了矛盾的结果。然而，值得注意的是，尽管这些研究经常声称所观察到的代谢效应是由短链脂肪酸SCFAs水平的变化所驱动的，但富含纤维的饮食具有多方面的影响，其影响范围超出了短链脂肪酸SCFA的生物学效应。最近，首次进行了随机、双盲、安慰剂对照抗生素试验，检测了短链脂肪酸SCFAs的水平和一些代谢参数。如预期的那样，抗生素（万古霉素）治疗组表现出肠道微生物多样性和组成的药物选择性重组，这与短链脂肪酸SCFAs水平的显著降低有关。令人惊讶的是，即使对短链脂肪酸SCFAs的水平有很大的影响，在能量或葡萄糖稳态中也没有明显的改变，这表明在小鼠中看到的短链脂肪酸SCFAs的表型影响并不那么容易转化为人类中的。总的来说，这些研究强调应该进行更多的临床研究，以确定短链脂肪酸SCFAs的改变是否对CVD患者有益处。
尽管在人类身上出现了一些看似消极的结果，但仍有一些关于短链脂肪酸SCFAs和微生物发酵产品的新发现值得进一步研究。例如，最近的一份研究报道了短链脂肪酸SCFAs可参与肾脏中嗅觉受体78（Olfr78）和G-蛋白偶联受体41（GPR41）的代谢通路，从而调节肾素分泌和血压。此外，另一项研究表明，阻塞性睡眠呼吸暂停诱发的高血压可通过肠道微生物移植传播。除了短链脂肪酸SCFAs，肠道微生物发酵产物乳酸也被报道可激活宿主G-蛋白偶联受体81（GPR81，被称为羟酸受体1（HCAR1））以抑制脂肪组织的脂解作用。有趣的是，抑制乳酸受体GRP81可以保护小鼠的缺血脑损伤。如上所述，另一种新兴的具有生物活性的非短链脂肪酸SCFA细菌发酵产物琥珀酸。琥珀酸是哺乳动物细胞在柠檬酸循环过程中大量产生的，但它也可以由结肠微生物产生，包括普氏菌属。普氏菌属产生的琥珀酸被认为是对小鼠肠道葡萄糖的产生具有益影响。琥珀酸能激活宿主G-蛋白偶联受体91（GPR91，也被称为琥珀酸酯受体1（SUCNR1）），这表明产生了一种新的潜在的肠道微生物代谢产物。除丁酸受体GPR109A外，尚无研究显示短链脂肪酸SCFA、乳酸或琥珀酸受体敲除小鼠对动脉粥样硬化易感性的改变，因此，需要做更多的临床研究。
2.3 肠道微生物代谢产物胆汁酸在心血管疾病中的作用
肠道微生物代谢产物胆汁酸代表了一个更有意义的代谢共生的物质，通过产生必需的清洁剂来吸收宿主体内的脂肪，并提供宿主衍生的信号来维持微生物群落结构。胆汁酸现在被认为是多种信号分子，可以调节宿主的大量营养素代谢和能量消耗（图3）。胆酸盐一旦进入结肠微环境，就会在肠道微生物群落生态系统的某些器官中引起细胞毒性效应。虽然还不完全清楚，但人们认为，原发性胆盐和产生的二次胆酸可以通过充当膜清洁剂的作用，在微生物群落的某些器官中引起DNA损伤来调节微生物群落结构。某些细菌通过改变出水泵和改变膜脂质和蛋白质组成而进化出胆汁盐抗性机制。例如双歧杆菌subsp. longum BBMN68拥有一种溶血素样的蛋白质，可以对牛磺酸结合的胆汁酸盐进行选择性抵抗。有些细菌如弯曲杆菌和肠道沙门氏菌，可在胆囊胆汁中快速检测，且此位置胆汁酸浓度极高。胆汁盐和胆汁酸决定肠道微生物群落结构的能力可能在下游对宿主代谢的影响中起重要作用。
能够在富含胆汁的结肠微环境中存活下来的微生物，能成为许多生物活性物种，这些物种可以被宿主感知。研究最深入的微生物驱动的生物转化之一是酶法水解甘氨酸结合的或牛磺酸结合的胆汁酸的C24 N-酰基，通过胆汁盐水解酶（BSH）转化为游离胆汁酸。BSH活动广泛分布在革兰氏阳性和革兰氏阴性的物种中，包括梭状芽孢杆菌、双歧杆菌、肠球菌、乳酸菌、拟杆菌、甲烷杆菌、甲氧基虫、可能还有其他许多种。除了早期解离，肠道微生物是7α-脱羟基酶和7β-脱羟基酶活性的唯一来源，产生次级胆汁酸如脱氧胆酸，后胆酸、猪去氧胆酸、熊去氧胆酸。不幸的是，目前关于细菌属是否拥有7α-脱羟基酶和7β-脱羟基酶活性的信息是有限的，在这一领域还需要做更多的研究。事实上，绝大多数的遗传和生化研究主要集中在亚种梭状芽孢杆菌上，在这些亚种梭状芽孢杆菌中，耐酸诱导子具有很好的特征。除了早期解离和7α-脱羟基酶和7β-脱羟基酶反应外，肠道微生物可以通过羟基类固醇脱氢酶（HSDH）家族的几种不同的酶氧化或使胆汁酸异构化。HSDH的活性已被证实存在于多种细菌中，包括拟杆菌、梭状芽孢杆菌、大肠杆菌、埃希氏菌、蛋壳菌、真细菌、消化性链球菌和瘤胃球菌。肠道细菌可以驱动胆汁酸中生成乙基酯和长链脂肪酸酯，包括拟杆菌、真杆菌和乳酸菌。然而，负责这些酯化反应的细菌酶是未知的。最后，肠道微生物可以从3α-硫酸化或3β-硫酸化胆汁酸中去除硫酸盐，这种硫酸酯酶活性在梭状芽孢杆菌、胨球菌、梭杆菌和假单胞菌中都可见。通过解聚、氧化、异构化、7α-去羟基化、7β-去羟基化、酯化和脱硫，肠道微生物使胆汁酸化学多样性，然后次级胆汁酸进入门静脉循环，起到内分泌样信号分子的作用，该信号分子对宿主生理和疾病产生有效的影响。
一旦经过细菌修饰的胆汁酸进入门脉血液，它们就可以参与到越来越多的宿主胆汁酸受体中（见图3）。最常见的宿主胆汁酸受体是法尼酯X激活受体FXR (farnesoid X-activated receptor)，也被称为NR1H4），它主要调节胆汁酸生物合成的关键基因的转录。特别注意的是，FXR的多态性与高糖血症和循环游离脂肪酸水平有关，小鼠FXR的基因缺失改变了动脉粥样硬化的发生。最近的研究也表明，FXR是通过人类微生物移植启动的二次代谢所必需的。有趣的是，将人类微生物移植到普通小鼠中，可以通过降低FXR拮抗剂牛磺-β-鬼臼酸的水平来改变小鼠胆汁酸组成并诱导FXR激活。近年来受到关注的另一个宿主胆汁酸受体是G-蛋白偶联胆汁酸受体1（GPBAR1，也称为TGR5）。TGR5激活与能量消耗增加有关，TGR5敲除小鼠对动脉粥样硬化的发生具有保护作用。次级胆汁酸如胆酸可以激活核激素受体孕烷X受体（PXR，也被称为核受体亚科1组I成员2（NR1I2）），是一种众所周知的异种生物和脂质代谢的转录调控因子。小鼠的石胆酸受体PXR的基因缺失降低了动脉粥样硬化的发生。有趣的是，某些细菌修饰的胆汁酸（3-氧石胆酸和石胆酸）也能激活维生素D3受体（VDR），人类和老鼠的遗传学研究表明VDR在心血管相关疾病中起激活作用。牛磺酸结合胆汁酸已经被证明可以激活特定的肌红蛋白受体，而肌红蛋白乙酰胆碱受体M2亚型中的多态性最近与降低心率和心肌梗死相关。最后，所有结合的胆汁酸可以通过鞘氨醇-1-磷酸受体2（S1PR2）激活信号，并且S1PR2基因敲除的小鼠已被证明在载脂蛋白E缺乏的情况下具有降低动脉粥样硬化的作用。微生物代谢产物胆汁酸代表不同的内分泌信号，具有巨大的治疗潜力。事实上，在2016年5月，FDA批准了一种半合成的胆汁酸类似物，奥贝胆酸（Ocaliva，IncPutsPcInc.，Inc.），它用于治疗肝脏疾病。这个成功的案例很可能是微生物代谢产物宿主受体接口的众多事例之一。
图3 微生物代谢产物次级胆汁酸在心血管疾病中的作用
虽然药物发现的历史重点一直是针对人类酶，但我们正在进入一个微生物药理学的新时代，因为生物医学研究的目标是针对我们体内的微生物，以改善人类健康。CVD预防/治疗是成功的案例，研究表明有数种肠道微生物代谢产物与CVD风险有明显的相关性。目前，已经实现了在微生物代谢产物宿主受体界面上发现药物，临床前对氧化三甲胺TMAO生产的非致死小分子抑制剂也得到了证实。与此同时，也有大量的研究开发益生菌以及粪便移植策略，以阻断参与CVD发病的微生物通路。当我们确定微生物对人类疾病的起源和发展的贡献时，我们必须摆脱传统的微生物组分析方法，相反，我们需要知道致病微生物产品怎样可以被识别出来。一旦我们确定了相关的微生物来源的分子，我们就必须采用内分泌学的经典原则来识别与疾病发病机制相关的宿主受体系统。来自我们肠道微生物的化学物质和代谢产物的多样性令人震惊，为心血管疾病CVD的预防/治疗提供了尚未开发的新药物靶点。