譚伍平 王猛 周曉亞

(武漢大學人民醫(yī)院心內(nèi)科 武漢大學心血管病研究所 心血管病湖北省重點實驗室 武漢大學心臟自主神經(jīng)研究中心，湖北 武漢 430060)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)已成為中國居民總死亡的最主要病因。其中不科學的飲食習慣、適量運動的缺乏以及吸煙飲酒等環(huán)境因素在CVD中發(fā)揮重要作用[1]。這些環(huán)境因素可能通過影響腸道菌群及其代謝產(chǎn)物促進CVD的發(fā)展[2]，最近研究提示腸道菌群失調(diào)可能通過影響腸-腦軸促進CVD的發(fā)生和發(fā)展[3]。

1 腸-腦軸

腸-腦軸主要由腸道菌群及其代謝產(chǎn)物與腸神經(jīng)系統(tǒng)、自主神經(jīng)的交感與迷走神經(jīng)分支、神經(jīng)免疫、內(nèi)分泌系統(tǒng)以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)構成[4]。(1)神經(jīng)解剖通路：來自結狀神經(jīng)節(jié)和背根神經(jīng)節(jié)的傳入神經(jīng)分別通過迷走神經(jīng)和脊髓感覺神經(jīng)將腸道信號傳遞到CNS[5]。具體胃腸道與CNS的神經(jīng)聯(lián)系可概括為四層通路：第一層，腸神經(jīng)系統(tǒng)(分布于腸肌層神經(jīng)節(jié)、腸黏膜下神經(jīng)節(jié)和腸神經(jīng)膠質(zhì)細胞)；第二層，調(diào)控外周內(nèi)臟神經(jīng)反射的椎前神經(jīng)節(jié)；第三層，脊髓內(nèi)自主神經(jīng)(起源于胸5～腰2的交感神經(jīng)以及骶2～骶4的副交感神經(jīng)、腦干孤束核與迷走神經(jīng)運動背核)；第四層，大腦皮層高級中樞。損傷任意一層都會影響腸-腦軸的功能[6]。作為腸-腦軸中重要組成部分的迷走神經(jīng)，其沿著胃腸道形成末端突觸結構(感受機械性和化學性刺激)感受胃腸道信號，傳入腦干孤束核，腦干孤束核表達谷氨酸能和天冬氨酸能等多種神經(jīng)肽受體，協(xié)調(diào)通過迷走神經(jīng)從腸道到大腦、從大腦到外周的相互感覺反饋的整合[5]。(2)下丘腦-垂體-腎上腺軸：通過迷走神經(jīng)通路、免疫介質(zhì)釋放、激活神經(jīng)的代謝產(chǎn)物及受體、合成內(nèi)分泌激素等方式參與下丘腦-垂體-腎上腺軸介導的腸、腦之間的信息傳遞。(3)胃腸道免疫系統(tǒng)：腸道菌群的成分(脂多糖等)或完整的細菌可通過全身循環(huán)進入大腦激活小膠質(zhì)細胞或神經(jīng)元上的Toll樣受體，觸發(fā)細胞因子的局部釋放并進入體循環(huán)[7]。(4)血腦屏障與腸黏膜屏障[8]。(5)代謝產(chǎn)物：腸源性激素、神經(jīng)遞質(zhì)、炎癥信號和免疫信號通過循環(huán)進入CNS，影響中樞自主神經(jīng)核團，參與神經(jīng)回路從而促進CVD的進展[5]。

2 腸-腦軸與CVD

2.1 腸-腦軸與高血壓

高血壓是導致多種心腦血管疾病死亡的主要原因[1]。其發(fā)病機制復雜，炎癥反應、氧化應激和腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)的過度激活、交感神經(jīng)過度激活以及內(nèi)皮細胞的功能紊亂等環(huán)境與遺傳共同影響高血壓的發(fā)生和發(fā)展。最近研究[9]顯示環(huán)境高壓性刺激影響神經(jīng)、內(nèi)分泌和免疫通路導致腸-腦軸失調(diào)，可能通過上述發(fā)病機制促進高血壓的發(fā)生和發(fā)展。

2.1.1 自主神經(jīng)失衡

有基礎研究[10-11]表明高血壓前期出現(xiàn)腸道菌群失調(diào)，常伴隨自主神經(jīng)失衡。(1)交感神經(jīng)過度激活：腸道菌群失調(diào)伴隨交感神經(jīng)過度激活，交感神經(jīng)活性的增加通過直接作用于上皮細胞來促進腸道滲漏，影響免疫系統(tǒng)的活動和腸道菌群，引起菌群失調(diào)。而菌群失調(diào)促進短鏈脂肪酸的轉移和腸道中的蓄積，引起腸道嗜鉻細胞產(chǎn)生5-羥色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)。局部5-HT結合5-HT3受體調(diào)節(jié)腸道迷走神經(jīng)傳入的活動，可抑制迷走神經(jīng)-中樞神經(jīng)軸，而進入循環(huán)中的5-HT可引起血管收縮。此外，循環(huán)中的5-HT可通過血液循環(huán)到達腦干孤束核，信息整合在下丘腦室旁核中，并傳遞到容納自主神經(jīng)元的腦干核團。(2)副交感神經(jīng)抑制：胃腸道傳入神經(jīng)纖維信號與壓力感受器和化學感受器的傳入信號共同傳入腦干孤束核，胃腸道的信號激活也會影響心肺感受器的功能[12]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，激活胃腸道迷走傳入神經(jīng)纖維能引起竇性心動過緩和血壓降低。推測腸道菌群失調(diào)及其代謝產(chǎn)物可能通過作用于腸嗜鉻細胞上G蛋白耦聯(lián)膽汁酸受體1或G蛋白耦聯(lián)受體(G-protein coupled receptor，GPCR)41增加5-HT分泌，作用于迷走神經(jīng)上5-HT3受體，潛在地抑制中樞自主神經(jīng)核團，導致自主神經(jīng)失衡[12]。 有間接證據(jù)表明，飲食誘導的實驗性肥胖鼠迷走神經(jīng)傳入興奮性降低，常伴有高血壓，可知迷走神經(jīng)活性受到抑制會影響高血壓的發(fā)生和發(fā)展[13]。

2.1.2 代謝產(chǎn)物

(1)短鏈脂肪酸：在外周，短鏈脂肪酸可通過結合腎臟OlfR78受體升高血壓以及結合GPCR41降低血壓。基礎實驗表明短鏈脂肪酸能通過表達在大腦心血管調(diào)節(jié)中樞下丘腦室旁核上短鏈脂肪酸受體GPCR41和GPCR43來調(diào)節(jié)血壓[12]。但最近一項臨床研究[14]顯示，高血壓組比正常對照組具有更高水平的乙酸和丁酸，研究者推測可能是另一種短鏈脂肪酸，也有可能是乙酰輔酶A上調(diào)的結果。未來需進一步明確短鏈脂肪酸的具體機制。(2)5-HT:交感神經(jīng)節(jié)上分布著5-HT3受體，在Zucker小鼠模型上，抑制交感神經(jīng)節(jié)受體可降低血壓。此外，5-HT與腸黏膜內(nèi)迷走神經(jīng)傳入纖維的5-HT3受體結合，改變迷走神經(jīng)傳入腦干孤束核發(fā)揮的調(diào)節(jié)血壓作用。此外，有研究[12，15]顯示，5-HT可通過腦干孤束核上表達的5-HT3受體，發(fā)揮調(diào)節(jié)血壓效應。

2.1.3 腸-腦-骨髓軸

飲食、血管緊張素Ⅱ、鹽以及壓力等刺激，增強了神經(jīng)元的活性，激活神經(jīng)炎癥通路，調(diào)節(jié)心臟的中樞核團，引起交感神經(jīng)興奮。過度激活的交感神經(jīng)能誘導骨髓造血干細胞的動員，刺激造血干細胞分化為炎癥細胞，這些細胞隨后可能游走到大腦，分為小膠質(zhì)/巨噬細胞，這些細胞移動到腸道，引起腸道炎癥。而腸道的交感神經(jīng)活性可能調(diào)節(jié)腸道運動和局部免疫反應。腸道的輕度炎癥以及腸道菌群失調(diào)可能會導致相關的代謝物進入血液循環(huán)，抑制神經(jīng)元和小膠質(zhì)細胞等免疫細胞的興奮性。菌群失調(diào)、下丘腦室旁核小膠質(zhì)細胞神經(jīng)炎癥、骨髓炎癥細胞遷移這種三角相互作用導致自主神經(jīng)失衡以及神經(jīng)炎癥，可能在維持高血壓的發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用[14，16]。

2.1.4 免疫球蛋白A與神經(jīng)炎癥

高壓性刺激激活小膠質(zhì)細胞，增加促炎分子，神經(jīng)炎癥在高血壓嚙齒動物的下丘腦室旁核尤為明顯，免疫球蛋白A和分泌免疫球蛋白A+的漿細胞在血液中循環(huán)，可靶向如肺、腎、血管和大腦等相關器官。有研究[9]表明胃腸道相關的分泌免疫球蛋白A+相關的漿細胞注射到中樞神經(jīng)系統(tǒng)可減輕神經(jīng)炎癥。

然而，Jackson等[17]一項納入2 737例研究對象的臨床隊列研究，分析了38種臨床常見疾病和51種藥物的腸道菌群相關性，顯示腸道微生物與高血壓缺乏明顯的相關性，可能與多種疾病、藥物和腸道微生物之間大量重疊有關。同時針對炎癥和腸道菌群的藥物更有可能降低高血壓患者的血壓，特別是患有難治性高血壓的患者，未來需研究進一步驗證。

2.2 腸-腦軸與心房顫動

心房顫動(房顫)是成年人最常見的快速心律失常之一，據(jù)估計成人房顫的發(fā)生率為2%～4%[18]。房顫的發(fā)生機制目前尚不完全明確，推測需要觸發(fā)與維持，其中觸發(fā)主要機制為炎癥、氧化應激、交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)失衡以及其他心律失常等誘發(fā)肺靜脈等異位興奮灶發(fā)放快速沖動導致房顫的發(fā)生。而維持機制可能為心房發(fā)生不同程度重構，不同狀態(tài)的初始波傳導分裂成子波，子波以不斷碰撞、融合或是繼續(xù)分裂的方式顫動樣傳導[19]。多項臨床研究[20-21]顯示，腸道重要代謝物如氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide，TMAO)吸收進入的循環(huán)濃度可預測不良心血管事件，獨立于傳統(tǒng)的房顫危險因素。最近有研究[22]顯示，房顫危險因素與糖尿病、肥胖、高血壓、冠心病、心力衰竭(心衰)和腸道菌群失調(diào)有關。

2.2.1 自主神經(jīng)失衡

房顫相關神經(jīng)節(jié)叢位于心外膜脂肪墊內(nèi)，其為心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)的整合中心。有研究[3]顯示刺激內(nèi)源性心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)能誘導房顫。本團隊首次發(fā)現(xiàn)TMAO通過腸-腦軸神經(jīng)回路首先激活CNS，促進心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)的活性增加，右前神經(jīng)節(jié)叢過度激活，縮短心房有效不應期，增加累計心房易損窗，增加房顫易感性[3]，但TAMO傳入到腦干孤束核的具體通路還未明確。

2.2.2 代謝產(chǎn)物

(1)TMAO: TMAO上調(diào)核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)的表達，增加神經(jīng)節(jié)叢中腫瘤壞死因子-α、白介素-1β和白介素-6等炎癥因子的含量，增加神經(jīng)生長因子的合成，從而激活心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)。TMAO還引起氧化應激，激活核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)炎性小體與NF-κB p65和TGF-β1/Smad3信號通路，促進心房肌細胞的炎癥和纖維化[23]。(2)初級膽汁酸：激活NADPH氧化酶，促進活性氧的形成，誘導腺苷三磷酸釋放，通過P2X7受體引起K+外流，導致NLRP3炎性小體激活。還能通過胱天蛋白酶(caspase)-9和caspase-3引起心肌細胞凋亡，并通過激活毒蕈堿型受體，減少環(huán)磷酸腺苷的產(chǎn)生，從而改變細胞內(nèi)Ca2+的穩(wěn)態(tài)。(3)脂多糖: 脂多糖強烈激活NLRP3，增加間隙連接蛋白43的表達和偏側化，下調(diào)L型鈣通道的表達。這些代謝產(chǎn)物能促進自主神經(jīng)失衡，促進炎癥，導致心房電重構與結構重構，增加房顫的易感性和維持房顫的能力[22]。

大多數(shù)關于腸道菌群與房顫的基礎研究與臨床研究只集中在細菌的鑒定上，而忽略了腸道微生物區(qū)系其他重要的非細菌成分，具體的腸-腦神經(jīng)通路也不十分清楚[24]。關于腸道菌群的異常是否僅是其他房顫危險因素的標志，還是房顫的獨立危險因素，還有待研究證實。

2.3 腸-腦軸與室性心律失常

室性心動過速和心室顫動在臨床中稱為惡性心律失常，臨床數(shù)據(jù)顯示惡性心律失常是心肌梗死和心衰后心臟性猝死最主要的死因[25]。自律性異常、觸發(fā)、折返及傳導阻滯為室性心律失常的發(fā)病機制。有研究[26-27]表明交感神經(jīng)過度激活是惡性心律失常的重要觸發(fā)因素，左側星狀神經(jīng)節(jié)作為心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)通路中的重要節(jié)點，左側交感神經(jīng)過度激活，刺激左側星狀神經(jīng)節(jié)能顯著提高室性心律失常的發(fā)生，消融或切除左側星狀神經(jīng)節(jié)能顯著抑制惡性心律失常的發(fā)生。

本團隊發(fā)現(xiàn)靜脈輸注TMAO可顯著上調(diào)下丘腦室旁核中酪氨酸羥化酶陽性神經(jīng)元的c-fos表達與N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR)的表達，而左側星狀神經(jīng)節(jié)局部應用TMAO效果不明顯。下丘腦室旁核交感神經(jīng)元的過度激活可進一步增加左側星狀神經(jīng)節(jié)的神經(jīng)活性，加重缺血后室性心律失常的程度，縮短心室有效不應期，促進心衰后惡性室性心律失常的發(fā)生，可能與上調(diào)NMDAR的表達，通過激活酪氨酸激酶增加NMDAR介導的Ca2+內(nèi)流有關[28]。然而具體腸-腦-心軸通路還有待進一步研究。

2.4 腸-腦軸與冠心病

冠心病是居民全因死亡的主要原因之一，既往數(shù)據(jù)顯示冠心病的危險因素如肥胖、血脂異常、糖尿病和高血壓與腸道菌群有關，最近有研究[29]表明腸道菌群及其代謝產(chǎn)物參與調(diào)節(jié)基礎代謝過程，如膽固醇代謝、氧化應激和炎癥反應，促進動脈粥樣硬化和冠心病的發(fā)生和發(fā)展。

2.4.1 腸道菌群失調(diào)

最近有一項臨床研究[30]表明冠心病患者成熟乳桿菌數(shù)量顯著增加，而類桿菌數(shù)量顯著減少，首次將腸道菌群定為冠心病的診斷標志。研究表明腸道菌群失調(diào)引起腸道滲漏，通過模式識別受體識別應激反應，并通過激活炎癥細胞因子及免疫系統(tǒng)NF-κB來激活炎癥caspase，增加炎癥細胞分子，促進相關的代謝物進入血液循環(huán)，引起全身炎癥反應，而慢性全身炎癥在動脈粥樣硬化的發(fā)生中起關鍵作用。

2.4.2 代謝產(chǎn)物

(1)TMAO：一系列研究表明，TAMO能促進不穩(wěn)定斑塊形成，動脈內(nèi)皮細胞活化與受損，促進炎癥發(fā)生，導致動脈發(fā)生粥樣硬化[31]。最近，一項納入760例女性的臨床研究[32]表明，10年內(nèi)TAMO水平與冠心病風險呈正相關，尤其兩次采血時高濃度TMAO的參與者冠心病發(fā)生的風險最高。具體機制目前還不清楚，可能與激活NLRP3信號通路、降低膽固醇逆向轉運以及促進血栓形成有關[33]。也有研究[34]對628例和587例受試者分別行冠狀動脈鈣化評分或頸動脈內(nèi)膜中層厚度與血漿TMAO水平相關性進行分析，表明血漿TMAO與動脈粥樣硬化程度無直接關系，進一步證明了TMAO血漿水平與動脈粥樣硬化斑塊不穩(wěn)定性密切相關。未來需進一步驗證。(2)短鏈脂肪酸：某些冠心病患者中產(chǎn)生短鏈脂肪酸的菌群比例下降，推測與激活GPCR41作用減弱、調(diào)節(jié)緊密連接蛋白的表達下降以及難以維持腸道屏障完整性有關[29]。短鏈脂肪酸降低也可促進高血壓的發(fā)展，間接影響冠心病的進展。

2.5 腸-腦軸與心衰

心衰是多種CVD的終末階段，也是最常見的致殘率和致死率高的疾病。其病理生理機制主要包括：血流動力學紊亂、神經(jīng)激素系統(tǒng)(腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)、交感神經(jīng)-腎上腺系統(tǒng)、血管加壓素和炎性因子等)、心臟重構和炎癥反應等。然而，盡管治療措施眾多，目前還未發(fā)現(xiàn)確切的發(fā)病機制。一項臨床研究[35]顯示慢性心衰患者可能存在菌群紊亂，常伴有靜脈充血和炎癥。此外有研究[36]表明心衰的相關病因如房顫、急性心肌梗死、高血壓以及糖尿病等都與腸-腦軸密切相關。

2.5.1 自主神經(jīng)失衡

心衰時，有效灌注量不足，腸黏膜受損，腸道滲透性增加，促進菌群的移位、菌群的失調(diào)與慢性炎癥[37]。腸道菌群失調(diào)常有交感神經(jīng)過度激活，而交感神經(jīng)過度激活在心衰進展中起重要作用，對應的臨床試驗使用β受體阻滯劑以及調(diào)節(jié)內(nèi)臟自主神經(jīng)有助于治療心衰[38]。

2.5.2 代謝產(chǎn)物

TMAO激活心肌細胞中TGF-β1/Smad3和NF-κB p65信號通路[39]，降低能量代謝，導致心肌細胞供氧不足，同時也能降低細胞內(nèi)鈣處理，降低心肌舒張能力。其次，TMAO能通過腸-腦軸增加交感神經(jīng)活性[28]。綜上所述，這些機制最終促進了心衰的發(fā)展。

3 展望

目前對腸-腦軸促進CVD機制的研究大部分來自動物實驗，缺乏相應的臨床研究支持，腦-腸軸從中樞如何影響CVD潛在的腦-心環(huán)路的分子機制的研究還有待完善。針對腸-腦軸的調(diào)控神經(jīng)治療方法如調(diào)節(jié)內(nèi)臟自主神經(jīng)、低強度迷走神經(jīng)刺激都有助于改善患者的疾病進展，然而腸道菌群受宿主和環(huán)境的影響，確切干預腸-腦軸治療CVD的臨床方案，有待進一步研究。