与心血管疾病相关的肠道菌群代谢产物或毒素

2021
05/19

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谷禾健康
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心血管疾病(CVD)已成为主要的健康问题,是导致发病率和死亡率高的主要原因,2型糖尿病(T2DM)患者发生CVD和重大心血管不良事件(MACE:心衰梗死、中风、死亡)风险更高,且预后较差。传统的CVD风险指标以及T2DM的血糖控制都不能很好地预测T2DM患者发生CVD的风险。


 CARDIOVASCULAR DISEASE

肠道菌群最近被认为是一种新型的内分泌器官,它通过产生生物活性代谢产物,在调节宿主的心脏代谢和肾脏功能中发挥关键作用。


肠道并不是第一个被用来研究心血管疾病病理生理学的器官。它不仅是处理食物消化吸收的器官,而且是体内最大的具有免疫活性的器官。


最近的研究表明,肠道菌群会产生并释放许多谢产物和毒素,其中一些代谢产物和毒素会吸收到宿主的体循环中,作为微生物影响宿主的媒介。


我们整理汇总了这篇综述调查来自数项临床和实验研究的证据,这些证据表明肠道微生物群来源的毒素CVD之间存在关联,包括脂多糖LPS氧化三甲胺TMAO苯乙酰谷氨酰胺PAGln。目前已经正在进行一些临床研究,旨在探索降低这些毒素水平以抑制心血管事件的有效性。


了解这些菌群相关代谢物是如何产生并如何影响心血管疾病有助于我们了解可能的风险和找到更好的生活方式来预防CVD。


缩略词:


01

脂多糖LPS


LPS的结构和特点


LPS,也称为内毒素,是革兰氏阴性细菌外膜的组成部分,主要存在于人体的肠道和口腔中。LPS的基本化学结构由亲水区和糖部分结合到疏水区组成,称为脂质A(下图A)。


LPS的亲水区域由内核和外部核以及O抗原(物种特异性重复寡糖亚基)组成,该区域对LPS的促炎活性影响最小(下图A)。


脂多糖(LPS)和脂质A的结构

Yamashita T, et al., Toxins, 2021


疏水区脂质A在各种革兰氏阴性细菌中在结构上是保守的,由磷酸化的二葡萄糖胺主链组成,该主链具有4至7条相连的酰基链(上图B)。脂质A是Toll样受体4(TLR4)的配体和LPS的最关键“毒素”部分,它激活先天免疫系统,包括单核细胞和巨噬细胞,并引起宿主的炎症反应


宿主血液中的 LPS 是从哪里来的?


——从肠道菌群中来


LPS是革兰氏阴性细菌外膜的主要成分,因此肠道微生物群可能是血液LPS的主要来源。人类胃肠道中存在数百万亿细菌,实际上,粪便LPS水平通常反映了肠道菌群衍生的LPS量,这个量因人的菌群构成和总量而异。


此外肠道通透性的提高增强肠道菌群来源的LPS从肠道到血液的渗透。高脂饮食增加肠道的通透性。


Akkermansia菌可以加强肠道的紧密连接并防止代谢性内毒素血症,此外肠道菌群产生的短链脂肪酸可以保护肠屏障功能。


——从食物中来


除了肠道菌群以外,食物也是LPS的天然来源,因为食物和水总是含有少量LPS。饮食模式反映了血液中LPS的水平。


具体来说,选择健康的饮食食物(包括鱼,新鲜蔬菜和水果)可能会带来积极的健康结果,因为它们有助于减少内毒素血症。




02

LPS与CVD的联系


CVD与几种传统的危险因素有关,例如高血压,血脂异常,糖尿病,吸烟和肥胖。


炎性过程已知在心血管病的发展中扮演至关重要的角色,而LPS是一种众所周知的炎症物质。LPS被认为是包括CVDs在内的炎性疾病的一种毒素,并参与CVDs发病和进展的病理生理过程。


由于LPS刺激TLR4诱导释放关键的促炎性细胞因子,而这些因子是激活有效免疫反应所必需的,大量的流行病学证据表明,内毒素血症的血液中LPS处于高水平,是动脉粥样硬化的重要危险因素,并且是LPS与动脉粥样硬化疾病之间联系的纽带。


不同的菌群,其LPS结构不同


虽然肠道菌群可以是粪便LPS的主要来源,但不同的菌群构成其LPS的炎症效应是不同的。LPS的脂质A部分的结构在不同菌群之间有所不同(上一小节图B)。这些结构差异可能是决定LPS活性的主要因素。


例如,已知拟杆菌属具有四酰基和五酰基酰化的脂质A部分,而大肠杆菌具有六酰化类脂A部分。通常,四和五酰化脂质A部分相比六酰化类脂A部分会减少TLR4反应。这表明如拟杆菌的LPS其诱导的促炎性细胞因子生成要远低于大肠杆菌的LPS。


因此肠道细菌组成和这些细菌所拥有的脂质A部分的类型可能是影响肠道微生物LPS与CVD之间关联的重要因素。


越来越多的证据表明,全身性内毒素血症和肠道菌群衍生LPS参与心血管病和许多其它流行疾病的发作和进展,如炎性肠疾病,肥胖和相关代谢性疾病,和非酒精性脂肪性肝炎。




03

三甲胺N-氧化物(TMAO)


2011年,Hazen博士和他的同事使用代谢组学方法在动脉粥样硬化研究中取得了显著发现,并揭示了肠道衍生的代谢产物TMAO是心血管疾病大型临床队列中心血管事件的独立预测因子


TMAO是心血管疾病的危险因素


TMAO在伴有冠状动脉疾病、血栓形成、慢性肾病和心力衰竭的CVD患者中升高,并与不良心血管事件和全因死亡率相关。


据报道,TMAO水平升高与慢性肾病患者的肾功能程度全身炎症增加密切相关,而TMAO可作为该组严重慢性肾病患者死亡率的独立预测因子。可以合理地得出结论,TMAO是肠道菌群来源的尿毒症或心血管毒素,可导致全身性炎症


TMAO的产生

Brown J M, et al., Nature Reviews Microbiology, 2018


磷脂酰胆碱是一种在食品中发现的饮食成分,例如奶酪,蛋黄,肉和贝类,在肠道中被转化为胆碱,随后利用肠道微生物酶TMA裂解酶代谢为三甲胺(TMA)。TMA从肠道吸收进入门脉循环,然后通过肝脏中含黄素的单加氧酶(宿主酶)转化为TMAO 。


他们还证明,饮食中的左旋肉碱是红肉中的一种丰富营养物质,含有类似于胆碱的三甲胺结构,会促进血浆TMAO水平的升高并加速动脉粥样硬化。


 肠道微生物衍生的TMAO代谢

Yamashita T, et al., Toxins, 2021


与TMA产生有关的三个关键的微生物功能基因簇是胆碱TMA裂解酶(cutC)及其激活物(cutD)(cutC/D),一种糖基自由基酶和一种糖基自由基激活蛋白;肉碱加氧酶A/B(cntA/B),是一种由两部分组成的Riesketype加氧酶/还原酶复合物;甜菜碱还原酶途径(上图A)。




04

苯乙酰谷氨酰胺(PAGln)


2020年Hazen团队通过代谢组学分析发现苯丙氨酸(Phe)与T2DM患者发生CVD风险升高有关,该物质被肠道微生物代谢生成苯乙酰谷氨酰胺(PAGln)。


对人群队列的代谢物检测发现,高PAGln水平MACE高风险显著相关,较高的PAGln水平仍是MACE风险的独立预测因子。


肠道菌群影响PAGln水平


通过检测基线(Pre-Abx)、7天广谱复合抗生素处理(Abx)和3周清除期菌群重塑(Post-Abx)的血浆PAGln水平,发现PAGln水平受肠道微生物影响


有研究表明,PAGln由苯乙酸(PAA)与谷氨酰胺(Gln)在肝酶的作用下形成,而PAA由苯丙氨酸(Phe)经菌群代谢产生。此外,PAA也可与甘氨酸(Gly)结合形成苯乙酰甘氨酸(PAGly)。


因此,在人类和小鼠体内,PAGln和PAGly都是通过肠道微生物群将饮食中的苯丙氨酸转化为PAA的元生物途径产生的,此时宿主与Gln(人类首选)或Gly(啮齿类动物首选)发生结合反应,分别产生PAGln和PAGly

Nemet et al. Cell , 2020


PAGln与血小板相互作用


根据人PAGln水平与血栓事件正相关性,提示PAGln可影响血小板功能和血管基质相互作用。研究结果显示,PAGln加速了胶原依赖性血小板粘附和扩散速度,并呈现剂量依赖性,表明PAGln可能与血小板直接相互作用,促进胞质内Ca2+浓度([Ca2+]i)呈现依赖性升高,并进行了相关验证。此外,在PAGly实验中也观察到类似结果。


因此,肠道菌群相关代谢产物PAGln和PAGly显著影响血小板功能,增强血小板与胶原基质的粘附,以及血小板刺激依赖性[Ca2+]i升高和对激动剂的聚集反应。


降低血栓形成


有研究报道Phe主要由生孢梭菌(Clostridium sporogenes)代谢为PAA(氧化途径)和苯丙酸(PPA)(还原途径),随后分别与Gln或Gly缩合形成PAGln或PAGly。其中参与反应的酶主要由porA或fldH基因编码。基因porA主要影响PAA产生,而fldH主要调节PPA产生,且敲除fldH会增加PAA水平继而影响PAGly水平从而显著降低血栓形成。


PAGln通过G蛋白偶联受体和ADRs介导细胞反应

Nemet et al. Cell , 2020


研究人员发现PAGln与儿茶酚胺结构相似(上图E),暗示PAGln通过肾上腺素能受体(ADRs)发挥作用。遗传和药理学方法的功能丧失和功能获得研究证实,PAGln可通过G蛋白偶联受体(包括α2A,α2B和β2-ADRs)介导细胞反应。而β受体阻滞剂(卡维地洛)可显著降低PAGln诱导的高血栓风险。




05

结 语


微生物代谢产物可以调节宿主的生理和病理生理过程,这一发现开启了多种可能性,特别是证明了许多微生物途径可以作为抑制心血管病的治疗靶点。


LPS和TMAO可用于开发有效的治疗策略,然而目前还不能证明这些毒素水平是如何在宿主体内被确定和调节的。因此,需要进一步研究阐明肠道微生物源毒素与心血管疾病之间的因果关系,进一步探索肠道微生物及其代谢产物,包括毒素之间的关系,以确定心血管疾病治疗干预的最佳方法及患者的预后。




主要参考文献:

Brown J M, Hazen S L. Microbial modulation of cardiovascular disease[J]. Nature Reviews Microbiology, 2018, 16(3): 171.

Yoshida, N.; Yamashita, T.; Kishino, S.; Watanabe, H.; Sasaki, K.; Sasaki, D.; Tabata, T.; Sugiyama, Y.; Kitamura, N.; Saito, Y.; et al. A possible beneficial effect of Bacteroides on faecal lipopolysaccharide activity and cardiovascular diseases. Sci. Rep. 2020, 10, 13009

Nemet et al. A Cardiovascular Disease-Linked Gut Microbial Metabolite Acts via Adrenergic Receptors. 2020, Cell 180, 862–877. 

Yamashita T, Yoshida N, Emoto T, et al. Two Gut Microbiota-Derived Toxins Are Closely Associated with Cardiovascular Diseases: A Review[J]. Toxins, 2021, 13(5): 297.

Cui, X.; Ye, L.; Li, J.; Jin, L.; Wang, W.; Li, S.; Bao, M.; Wu, S.; Li, L.; Geng, B.; et al. Metagenomic and metabolomic analyses unveil dysbiosis of gut microbiota in chronic heart failure patients. Sci. Rep. 2018, 8, 635

Guo, C.J., Allen, B.M., Hiam, K.J., Dodd, D., Van Treuren, W., Higginbottom, S., Nagashima, K., Fischer, C.R., Sonnenburg, J.L., Spitzer, M.H., and Fisch-bach, M.A. (2019). Depletion of microbiome-derived molecules in the host using Clostridium genetics. Science 366, eaav1282



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关键词:
代谢,肠道,毒素,心血管

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