综述 | Nature Reviews Microbiology：微生物对心血管疾病的调节作用（完整版）
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
在发达国家中，虽然有高效的降脂药物，但心血管疾病（CVD）仍然是死亡人数最多的原因之一，并且对于CVD的新的治疗靶点的识别仍然有待明确。研究报道称遗传因素在疾病的发病机制中有着很强的作用，但大规模的研究表明遗传因素导致CVD发生的比例仅仅占一小部分（<20%）。因此，环境因素在CVD发病机制中起着重要作用，长期以来，我们知道饮食是我们主要的环境要素，是导致心血管疾病发生的主要因素。肠道内定植的微生物群落是我们饮食摄入中的一个关键的“代谢过滤器”，因为它们可以将常见的营养物质转化为代谢物，其中一些代谢物与CVD的发生有一定的联系。事实上，流行病学和动物模型研究都为微生物和宿主之间的相互作用在动脉粥样硬化性心血管疾病中的作用提供了有力的支持。研究表明，慢性感染致病菌和肠道菌群失调都与CVD的发生有一定的联系。细菌分子模式可直接参与宿主肠道内和血管内的模式识别受体（PRRS），导致宿主的慢性炎症的发生。除了直接刺激宿主免疫力外，宿主微生物还可以产生各种各样的小分子代谢物，它们被宿主受体系统所感知，从而可以通过微生物-宿主直接的相互作用的方式影响CVD发病机制。事实上，最近有研究表明，动脉粥样硬化和血栓形成的易感性可通过小鼠中肠道微生物的移植而被治疗。在过去十年的研究里，我们发现了几种重要的微生物代谢产物，如氧化三甲胺（TMAO）、短链脂肪酸（SCFAS）和次级胆汁酸（BA），它们对CVD的发生有着独特的影响。在CVD的治疗中，虽然大量的抗生素干预试验均没有显示出明确的益处，但药物发现正在进入一个新的和令人兴奋的阶段，其中靶向肠道微生物代谢产物代表着一种新的治疗策略。
在这篇综述中，我们讨论了微生物群落以及可直接参与到CVD发病机制中的微生物群落相关的代谢产物。随着微生物分析方法和其他“组学分析”平台的技术的进步，我们通过研究并发现微生物和衍生的代谢产物以及其相关的CVD表型，旨在了解微生物影响人类疾病的相关机制。我们报道了影响CVD发病机制的因素，讨论了肠道微生物是如何靶向治疗CVD的，回顾了微生物驱动的通路，其可作为预防和/或治疗心血管疾病的新疗法。
1 微生物相关分子模式
现在我们都知道，不同的微生物群落可定植在肠道内，在皮肤表面，几乎定植在所有暴露于外环境的人体表面。虽然仍然有争议，但也有越来越多的文献表明，增加口腔和肠上皮屏障的渗透性能使一小部分细菌进入全身循环系统，在此它们最终可以进入宿主组织以导致疾病的发生。无论是定植或者暴露在表面上，或者当它们进入全身循环时，细菌都可以直接参与先天免疫系统，可调节宿主的代谢和与CVD相关的炎症通路。微生物与宿主的这种关系是由微生物相关分子模式（MAMPS）和宿主模式识别受体（PRRs）的直接相互作用所驱动的（图1）。现在就有许多例子将MAMP-PRR驱动的信号通路关联到心脏病上，其事实上是慢性感染。此外，研究表明某些细菌病原体与CVD风险增加有关。
最近几项研究分析了来自人体口腔、肠道和动脉粥样硬化斑块中的微生物群落，从已患有动脉粥样硬化的个体中发现CVD和细菌病原体之间存在一定的相关性，其中包括肺炎衣原体、牙龈卟啉单胞菌、幽门螺杆菌和放线杆菌。重要的是，这些细菌已经在肠道中被发现，正如预期的那样，而且也存在于动脉粥样硬化斑块内，这表明PRRS在高度不同的微环境中参与的可能性。在对动脉粥样硬化的宏基因组关联分析中，最近报道了科林斯拉菌富集在动脉粥样硬化患者中，而在健康对照组中，真细菌和蔷薇属更为丰富。这些关联是否与疾病的发病机制有因果关系，或是由疾病或疾病相关的合并症所驱动，仍有待确定。
最初在赫尔辛基心脏研究中，反复报道称常见的微生物病原体肺炎克雷伯与CVD相关。此外，肺炎克雷伯菌已被证明在体外可诱导细胞发生自主促炎作用，这些细胞可包括分离的巨噬细胞，内皮细胞和平滑肌细胞，这与动脉粥样硬化型的CVD一致。然而，在小鼠模型中，肺炎克雷伯菌的原发感染不稳定地改变了动脉粥样硬化表型，而在临床研究中，肺炎克雷伯菌中的抗生素治疗是无效的，因此，在疾病发病机制中，细菌的致病作用仍然存在争议。通过牙龈卟啉单胞菌病原体的研究，越来越多的研究表明细菌与CVD之间的相关性，这是因为牙周疾病与CVD风险之间确实存在一定的关联。在动物模型中，无论是口服还是全身感染牙龈卟啉单胞菌，都可加速动脉粥样硬化，部分是通过促进巨噬细胞泡沫细胞的形成和诱导血小板聚集。此外，幽门螺杆菌感染与CVD风险之间可能存在联系。然而，在动脉粥样硬化小鼠模型中的初次感染研究却产生了矛盾的结果。总的来说，大量研究表明致病菌与动脉粥样硬化性心血管疾病有着一定的相关性。然而，CVD是否可以被视为一种传染病仍然是一个激烈争论的问题，因为正如上面提到的，大量的、随机的、前瞻性的人类抗生素和抗病毒试验没有显示出任何治疗或预防心血管疾病的益处。
即使伴随着令人失望的大规模的抗生素试验的消息，也有越来越多的研究表明宿主模式识别受体（PRRS）是CVD发病的重要调节因子。例如，在宿主肽聚糖受体NOD1（核苷酸结合寡聚化结构域蛋白1）中的单核苷酸多态性（SNPs）与早发性冠状动脉疾病相关，NOD1-/-小鼠在载脂蛋白E缺失（APOE-/-）情况下能够免受动脉粥样硬化，这是一种常见的小鼠动脉粥样硬化模型，它是以循环残余脂蛋白的形式引起胆固醇水平的升高的。Toll样受体2（TLR2）和TLR6的异源二聚体是检测细菌双酰化和三酰化肽的核心。最近描述的在TLR6基因中的SNP与左心室壁增厚和炎症标志物有关，特别是当用合成的TLR2兴奋剂饲喂时，TLR2-/-小鼠能够显著降低动脉粥样硬化。此外，缺乏双链DNA受体TLR3的小鼠骨髓移植到Ldlr-/-小鼠中，这是通过升高低密度脂蛋白胆固醇水平引起的动脉粥样硬化的一种常用模型。在所有与CVD相关的MAMP-PRR通路中，脂多糖受体TLR4已被彻底研究。许多TLR4单核苷酸多态性已被报道，其中一些与CVD风险没有关联，一些关联增加，一些关联降低。然而，据报道，在Ldlr-/-或Apoe-/-小鼠中，TLR4的遗传缺陷可以减轻动脉粥样硬化。重要的是，许多非细菌内源性TLR4兴奋剂如氧化低密度脂蛋白、饱和脂肪酸和高迁移率组蛋白B1（HMGB1）已被证明能促进动脉粥样硬化发生。此外，TLR7中的SNP是单链RNA的受体，与缺血卒中有关；然而，有趣的是，Apoe-/-情况下的TLR7缺乏会加重动脉粥样硬化。同样地，在Apoe-/-情况下缺乏未甲基化CpG DNA受体TLR9的小鼠也加剧了动脉粥样硬化。总的来说，毫无疑问，一些宿主MAMP-PRR通路的激活会影响动脉粥样硬化的发生。然而，由于这些受体在先天免疫中的核心作用，激活或抑制PRRs是否是可行的选择仍然值得怀疑。
图1 模式识别受体直接参与微生物相关的分子模式驱动心血管疾病
2 心血管疾病中的微生物代谢产物
肠道微生物除了在共生的和致病菌上产生表面抗原（MAMPs）外，还能酶促地产生各种代谢产物，在肠道内发挥局部作用，并在健康和疾病状态下系统地影响宿主生理。事实上，我们的肠道菌群代表了我们饮食的一个重要过滤器。微生物本身或微生物分泌的产物，可以导致疾病或改善健康，这个想法在过去的十年中得到了极大的支持。近年来，在非靶向代谢组学的研究已被用于发现数种人类疾病相关的肠道微生物代谢产物，因为有良好特征的临床菌群，再加上动物模型机理研究。事实上，我们现在知道有大量的循环代谢产物是完全或部分地来自于饮食营养素的细菌代谢或饮食来源的异种生物。快速扩张的依赖微生物的代谢组包括甲基胺、多胺、多糖、SCFAs、次级胆汁酸、B族维生素、尿毒症毒素，对甲酚硫酸盐和吲哚基硫酸盐、4-乙基苯基硫酸盐和二氢二聚体，以及大量的异种衍生代谢产物。目前，有数种微生物代谢物已被识别，它们的水平与CVD相关的表型相关联，但由于关联不等于因果关系，这些代谢产物在CVD中参与的潜在机制仍不清楚。机制研究进展中一个主要的限制是许多循环的待选分析物还没有被定义。此外，即使对于那些结构上已被解析并可用于研究的，我们也几乎没有关于微生物代谢产物是如何被感知的信息，无论是通过专用的宿主受体系统，还是它们是否具有影响CVD发病的非受体介导机制（例如，作为变构修饰因子）。
目前，在人类或小鼠模型中，有三种主要的肠道微生物代谢产物与CVD发生的风险相关：包括氧化三甲胺（TMAO）、短链脂肪酸（SCFAs）和次级胆汁酸（BA)，我们目前关注的是这些肠道微生物代谢产物是如何向宿主发出信号并影响CVD发病机制。
2.1 肠道微生物代谢产物——氧化三甲胺
自从发现并首次报道了CVD的发病机制后，肠道微生物代谢产物氧化三甲胺TMAO迅速受到关注，作为人类CVD发生风险的生物标志物和动脉粥样硬化血栓形成疾病的启动子。事实上，大量的人类和小鼠研究表明，氧化三甲胺TMAO代谢通路是第一个以肠道微生物为核心的CVD药物治疗靶点之一。氧化三甲胺TMAO主要是通过摄入高脂食品中营养物质而产生的，包括磷脂酰胆碱、胆碱、左卡尼汀和其他富含三甲胺（TMA）的营养物质。这些物质可以通过几个不同的肠道微生物代谢酶复合物来生成最初的肠道微生物代谢产物三甲胺（TMA）。这些肠道微生物代谢酶复合物包括胆碱利用TMA裂解酶系统（CutC/D）和肉碱Rieske型加氧酶/还原酶系统（CntA/B and YeaW/X）。三甲胺（TMA）通过CutC/D和CntA/B and YeaW/X系统合成，它可以利用多个基质源。TMA进入门静脉循环，然后在肝脏中被宿主酶（被称为含黄酮的单氧酶（黄素单氧化酶（FMO3））进一步代谢，产生氧化三甲胺（TMAO）（图2）。最近的一些综述强调了氧化三甲胺TMAO通路在CVD中的临床意义和治疗潜力；因此，这里就不详细阐述。简单地说，大量的人和动物模型数据得出以下结论：肠道微生物代谢产物TMAO具有较强的临床预后价值，而膳食提供氧化三甲胺TMAO可以促进小鼠模型中的动脉粥样硬化和血栓性血管疾病。除了在动脉粥样硬化和血栓形成中的作用外，氧化三甲胺TMAO通路还与人类其他的心血管代谢疾病密切相关，包括心肌肥厚、心脏纤维化、慢性肾病、2-型糖尿病和肥胖症。
肠道微生物驱动代谢产物氧化三甲胺TMAO是一种有潜力的肠道微生物核心药物靶点。事实上，随着最近对微生物酶催化三甲胺TMA生产的重大发现，我们现在准备在肠道微生物酶学水平上对这一通路进行治疗性干预。然而，在这一点上，氧化三甲胺TMAO促进动脉粥样硬化、血栓形成、心力衰竭、肾功能障碍、胰岛素抵抗和肥胖的分子机制仍在研究中。这在很大程度上是由于缺乏对氧化三甲胺TMAO（即TMAO受体）分子传感器的理解。有研究表明氧化三甲胺TMAO能作为生物系统中重要的渗透因子发挥作用，最近的研究表明，氧化三甲胺TMAO能在几分钟内迅速地向细胞发出信号。在分离的血小板中，短暂地暴露于氧化三甲胺TMAO的生理水平可以促进血栓引起的钙释放。同样，氧化三甲胺TMAO治疗内皮细胞或平滑肌细胞，或直接注入体内，可迅速诱导增殖作用的激活蛋白激酶和核转录因子激活B细胞（NF-κB）或上调下游的主动脉内皮细胞粘附蛋白。这些氧化三甲胺TMAO诱导的信号反应的动力学研究表明，宿主细胞拥有一个专用的受体或传感器系统，可以将氧化三甲胺TMAO信号转化为适当的细胞反应（图2）。同样，氧化三甲胺TMAO水平升高与SMAD3蛋白磷酸化水平升高有关，这是一个转变的关键效应增长（TGFβ）信号。宿主氧化三甲胺TMAO受体的鉴定是非常可能的，因为结构上相似的三甲胺TMA已被证明是具有高亲和力的细胞表面G-蛋白偶联受体的兴奋剂，被称为微量胺相关受体5（TAAR5）。事实上，现在有许多来自肠道微生物的代谢产物专用宿主受体系统的例子。鉴于氧化三甲胺TMAO在人类疾病中的明确联系，鉴定一种专门的氧化三甲胺TMAO受体具有广泛的意义。推测氧化三甲胺TMAO受体拮抗剂可能是预防甚至是治疗CVD的有效策略。
图2 氧化三甲胺代谢途径是心血管疾病发生的一个驱动因素
随着氧化三甲胺TMAO通路药物发现工作的推进，我们有必要了解对负责TMA-TMAO通路调控的微生物菌群。例如，关于哪些物种或更广泛的群落是小鼠和人类生态系统中三甲胺TMA的主要生产者，我们知之甚少。在小鼠研究中，膳食营养来源氧化三甲胺TMAO被特别改变（例如，膳食提供胆碱、左卡尼汀或γ-丁酰甜菜碱），一个精细化的分类群已经与氧化三甲胺TMAO水平相关联，包括目水平上的RF39（r=0.49；FDR=0.04）；在科水平上的丹毒丝菌科（r=0.40；FDR=0.01），毛螺旋菌科（r=0.779；FDR=0.084）；在属水平上普氏菌属（r=0.44；FDR=0.001），厌氧支原体属（r=0.677；FDR=0.016），紫单胞菌属（r=0.581；FDR=0.052），和阿克曼属（r=0.634，FDR=0.009）。通过比较人类素食者和杂食者的研究表明，粪便微生物的几个类群与TMAO水平密切相关，包括普氏菌属、梭状芽孢杆菌属、消化链球菌科、梭状芽孢杆菌、梭杆菌、毛螺菌属和孢杆菌。这种细菌分类群与氧化三甲胺TMAO水平之间的联系只有在假设生成时才有用，但它们并没有在菌群和氧化三甲胺TMAO产生之间建立直接的联系。一种更有效的鉴别真正产生三甲胺TMA的细菌种类的方法是筛选参考基因组，以确定产生三甲胺TMA的遗传潜力（例如，编码CutC/D和CntA/B and YeaW/X的TMA裂解酶操作子的存在），然后进行功能研究。最近描述了一个很好的参考基因组挖掘的例子，支持遗传学在预测相关的代谢产物细菌类群的能力。然而，就代谢物的产生而言，最终证明可量化的生化潜能是关键。最近的一项研究将微生物培养与生物化学结合起来，对79种可培养的人类共生细菌进行了筛选，以寻找从体外胆碱中产生三甲胺TMA的可能性。这项重要的研究从胆碱中鉴定了八种不同的具有生化能力产生三甲胺TMA的细菌菌株，包括氢化球菌、芦笋梭菌、哈氏梭菌、梭状芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、灰霉病菌、大肠杆菌和雷氏杆菌。更重要的是，在缺乏三甲胺TMA裂解酶活性的核心群落（产气柯林斯菌、粪便拟杆菌、卵形拟杆菌、多形拟杆菌和直肠真杆菌）中，三甲胺TMA生产者（孢子芽孢杆菌）的低水平定植导致在小鼠体内产生三甲胺TMA和氧化三甲胺TMAO，并降低宿主体内的胆碱水平。另一项最近的研究发现，胆碱利用簇（Cut）广泛分布于人体粪便中许多肠道微生物门水平。除了人体的粪便宏基因组中，在口腔黏膜和舌上斑块中也可以发现类似簇的CutC，因此，我们很容易推测口腔三甲胺TMA的产生可能与牙周病和心血管疾病的风险有关。最后，最近的一项研究用多层筛选方法鉴定了具有胆碱三甲胺TMA裂解酶（CutC）和肉碱氧合酶（CntA）的人体肠道微生物分类群。因此，我们对周围哪些人类共体有能力从主要营养物质中产生三甲胺TMA的理解迅速增长。
除了产生三甲胺TMA的细菌外，也有越来越多的研究表明，某些微生物物种可以代谢氧化三甲胺TMAO和三甲胺TMA来维持结肠和海洋细菌生态系统的营养链，但是相关的微生物和操作子仍在研究中。促进氧化三甲胺TMAO分解代谢的途径之一是细菌torCAD操作子，它编码TMAO还原酶（TorA）、细胞色素C（TorC）和TorA特异性分子伴侣（TorD）。此外，海洋生态系统中的细菌也可以通过氧化三甲胺TMAO去甲基化酶（Tdm）降解TMAO。某些来自玫瑰杆菌科的海洋细菌可以同时使用三甲胺TMA和氧化三甲胺TMAO作为能量来源，通过ATP结合盒转运体TmoXWV输入这些代谢物，以实现随后的分解代谢。在人类结肠生态系统中存在的某些产甲烷细菌，如甲异位环菌发光，可以减少三甲胺TMA作为产甲烷的底物。这些细菌TMA-TMAO分解代谢途径可能是治疗干预的另一种潜在途径，可能是理想的益生菌策略。分解代谢三甲胺TMA的人类肠道共聚物的鉴定对潜在的益生菌具有特殊的意义。
尽管绝大多数的研究都支持氧化三甲胺TMAO代谢通路和CVD发生之间的机制联系，但需要注意的是，并不是所有的研究都表明，从饮食中摄取氧化三甲胺TMAO源营养素（胆碱或肉碱）与CVD风险之间存在明确的联系。最近的一项研究表明，膳食补充L-肉毒碱，适当的提高了氧化三甲胺TMAO水平，与动脉粥样硬化病变区15%的降低有关，而不改变Apoe-/-小鼠转基因表达人胆固醇酯转移蛋白的主动脉胆固醇含量。此外，在日本进行的一项大规模（n=29079）人口研究表明，通过半定量食品问卷调查，膳食胆碱和甜菜碱摄入量与心血管疾病死亡率无关。同样，在基于美国的大型社区动脉粥样硬化风险研究（ARIC）中，发现膳食胆碱摄入量与CVD没有显著相关性。荷兰的一项大型研究（n=16165）一致认为，从饮食中摄取胆碱或甜菜碱与心血管疾病的风险无关。不幸的是，这些大型的人口研究中没有一项研究检验了膳食胆碱、甜菜碱或肉碱摄入量与氧化三甲胺TMAO水平之间的关系。因此，还需要更多的研究来确定在这些大规模的人口研究中，氧化三甲胺TMAO本身是否与CVD风险相关。最近对CVD终点研究的大型（n=19256）荟萃分析表明，与氧化三甲胺TMAO的来源营养素（胆碱、甜菜碱和L-肉毒碱）相比，氧化三甲胺TMAO水平更能预测主要的不良心血管情况。虽然氧化三甲胺TMAO水平和主要的不良心血管情况之间的联系是高度可重复的，但一些研究表明，这种联系部分是由于肾功能受损所致。此外，最近的一项研究表明，氧化三甲胺TMAO水平可能与所有类型的心血管疾病不是密切相关，尤其是在大动脉缺血性中风和短暂性缺血发作的情况下。总的来说，尽管大多数研究表明氧化三甲胺TMAO水平与动脉粥样硬化性冠心病之间存在很强的关联，但最近的研究表明，需要做更多的工作来了解哪些患者人群会从降低氧化三甲胺TMAO的治疗策略中获益。
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。