腸道菌在心血管疾病所扮演的角色

吳偉愷

前言

心血管疾病是造成全球死亡的主要原因之一。根據世界衛生組織，每年有超過1700萬人死於心血管疾病1。儘管過去醫學在心血管疾病的預防與治療已有長足的進步，心血管疾病仍是造成人類死亡與健康負擔的重要疾病，因此，進一步了解心血管疾病的發生機制、找出延緩疾病進展的途徑非常重要。近年來，科學家們逐漸發現了腸道菌對健康的重要性，腸道菌不僅與腸道健康密切相關，還與全身健康有密切的聯繫，包括肥胖、糖尿病、血脂、血壓等傳統心血管疾病危險因子都與腸道菌的組成與功能有關2。此外，腸道菌除了參與食物的消化、代謝，還能調節免疫與慢性炎症的發展，近期有許多腸道菌所參與粥狀動脈硬化與血栓形成的機制被發現3，為心血管疾病過去仍未明的機轉開闢一條新的道路，腸道菌與心血管疾病相關的分子機制，亦逐漸成為發展新興預防與治療方法的重要標的4。

腸道菌與心血管疾病的關聯性

隨著次世代定序技術興起，過去已有一些心血管疾病與腸道菌相關性的文獻發表。然而，由於地域性與使用定序平台技術的差異，不同研究所發現與心血管疾病有關的腸道菌特徵亦有所差異5,6。目前已知心血管疾病病患的腸道菌特徵，比較一致性的發現為：腸桿菌科 (Enterobacteriaceae) 的菌種增加，如大腸桿菌 (Escherichia coli)，以及梭菌目(Clostridiales) 的菌種減少，如腸道羅斯式菌 (Roseburia intestinalis)、普拉梭糞桿菌 (Faecalibacteriumprausnitzii) 等 (表一)7-15。腸桿菌科涵蓋了多數人類腸道中的伺機病原菌，數量過多可能造成全身慢性發炎甚至增加感染風險。腸道羅斯式菌與普拉梭糞桿菌為可以產生短鏈脂肪酸 (short chain fatty acids) 的共生菌(commensal bacteria)，能將飲食中的膳食纖維代謝形成丁酸 (butyrate) 供人體使用4。Rey等人利用ApoE基因剔除無菌小鼠的實驗發現，腸道羅斯式菌能藉由生成丁酸來增強腸粘膜屏障、調節脂質代謝途徑與降低系統性發炎來改善動脈粥狀硬化16。Munukka等人也發現，普拉梭糞桿菌能增強胰島素敏感度、改善肝臟脂肪堆積、降低脂肪組織發炎並增加肌肉量與粒腺體呼吸作用17，這些機制研究直接或間接地支持腸道羅斯式菌與普拉梭糞桿菌可能對心血管疾病帶來潛在益處。除了腸道的細菌外，口腔內的微生物也與心血管疾病有密切的關聯性。事實上，過去流行病學已發現牙周病 (periodontitis) 會增加24%-30%罹患心血管疾病的風險，牙菌斑常見的Streptococcus sanguinis與Porphyromonas gingivalis過去也在動物實驗發現能促進動脈粥狀硬化斑塊的形成18,19。此外，動脈粥狀硬化斑塊的樣本中也多次發現來自口腔細菌的DNA20，顯示口腔微生物在心血管疾病的進展應扮演重要角色。Chhibber-Goel等人回顧過去研究發現，有23種口腔共生菌與動脈粥狀硬化斑塊有關，其中5種 (Campylobacter rectus, Porphyromonas gingivalis, Porphyromonas endodontalis, Prevotella intermedia, Prevotella nigrescens) 特別存在於冠狀動脈粥狀硬化斑塊中21。未來若能進一步釐清口腔菌相與心血管疾病病程的機制與角色，或許能幫助發展新的心血管疾病預防與治療方法。

表一 腸道菌與心血管疾病的相關性研究

心血管疾病	研究世代	定序平台	多樣性差異	腸道菌物種變化	參考文獻
冠狀動脈狹窄	中國 218位病人 187位對照組	Shotgun metagenome	β多樣性*	↑Escherichia coli, Klebsiella spp., Enterobacter aerogenes, Streptococcus spp., Lactobacillus salivarius,Solobacterium moorei, Atopobium parvulum, Ruminococcus gnavus, Eggerthella lenta, ↓Bacteroides, Parabacteroides,Roseburia intestinalis, Faecalibacteriumprausnitzii	Jie et al. Nat Commun2017.7
中國 70位病人 98位對照組	16S rDNA V4 amplicon	α多樣性↓ β多樣性*	↑Escherichia-Shigella, Enterococcus, ↓Faecalibacterium, Eubacterium rectale, Subdoligranulum, Roseburia, Clostridiales	Zhu et al. Physiol Genomics2018.8
西班牙 16位冠心病合併糖尿病病人 16位冠心病無糖尿病病人	16S rDNA V2-V3 amplicon	β多樣性	↑Enterobacteriaceae, Streptococcus, Desulfovibrio ↓Faecalibacterium prausnitzii, Bacteroides fragilis	Sanchez-Alcoholado et al. Front Microbiol2017.9
以色列 199位病人 473位對照組	Shotgun metagenome	NA	↑Odoribacter splanchnicus, Escherichia coli ↓Clostridium, Anaerostipes hadrus, Streptococcus thermophilus, Blautia, Clostridiaceae sp. SGB 4712	Talmor-Barkan et al.Nat Med2022.10
歐洲 372位缺血性心臟病人 372位已治療代謝匹配對照組 222位未治療代謝匹配對照組 275位健康人	Shotgun metagenome	α多樣性↓	↑Burkholderiales ↓Acinetobacter, Turcimonas, Acetobacter, Eubacterium siraeum, Clostridiales spp., Ruminococcus sp.	Fromentin et al. Nat Med2022.11
頸動脈狹窄	瑞典 12位病人 13位對照組	Shotgun metagenome	β多樣性*	↑Collinsella ↓Roseburia, Eubacterium	Karlsson et al. Nat Commun2012.12
腦中風	中國 141位病人 94位對照組	16S rDNA V4 amplicon	α多樣性↑ β多樣性*	↑Enterobacter, Megasphaera, Oscillibacter, Desulfovibrio ↓Bacteroides, Prevotella,, Faecalibacterium	Yin et al., J Am Heart Assoc 2015.13
中國 30位病人 30位對照組	16S rDNA V1-V2 amplicon	β多樣性	↑Odoribacter, Akkermansia,Ruminococcaceae_UCG_005, Victivallis ↓Anaerostipes, Ruminiclostridium_5	Li et al. BMC Microbiol 2019.14
荷蘭 349位病人 51位對照組	16S rDNA V3-V4 amplicon	α多樣性↓ β多樣性*	↑Escherichia/Shigella, Peptoniphilus, Ezakiella, Enterococcus ↓Anaerostipes, Ruminococcus,Subdoligranulum	Haak et al. Transl Stroke Res 2020.15

*：β多樣性具組間顯著差異

腸道菌與心血管疾病的機制

腸道菌是調控人體的代謝與免疫的動態器官，包含養分的吸收與利用、能量的消耗與儲存以及局部和系統性發炎的調節22。心血管疾病常見的危險因子，包含代謝症候群有關的肥胖、高血糖、高血壓與高血脂，都與腸道菌有關。過去研究發現，肥胖和罹患糖尿病的病人的腸道菌組成與功能，與健康人有明顯的不同，包括厚壁菌門/擬桿菌門比 (F/B ratio) 與腸桿菌科增加、嗜黏蛋白艾克曼氏菌 (Akkermansia muciniphila) 與普拉梭糞桿菌等物種的減少等2。科學家透過糞菌移植的研究進一步發現，這些腸道菌相的差異是造成宿主是否容易發生肥胖與胰島素阻抗的重要原因23,24。腸道菌亦可透過多種途徑來調控人體的血壓狀況，比方說腸道一種糞球菌(Coprococcus comes) 的脂酶 (esterase) 會降低ACEI類降血壓藥的生物吸收率25，影響藥物的療效。部分腸內菌則是能透過生成丙酸 (propionate) 來抑制Th17細胞活性，降低血管發炎與心肌纖維化達到調控血壓的效果26。此外，近期亦有研究發現，腸道內帶有ismA基因的細菌，能將來自食物與膽汁的膽固醇 (cholesterol) 轉化為糞甾烷醇 (coprostanol)，可減少來自腸道的膽固醇吸收並降低血中膽固醇濃度27。由此可知，腸道菌在心血管疾病已知危險因子中，均扮演不容忽視的因果性角色，如何透過調控腸道菌來減少心血管相關共病症的發生，將有機會進一步改善人類心血管健康情形。

腸道菌除了影響心血管疾病危險因子外，也能透過生成具生物活性的小分子代謝物，影響心血管疾病的病程28。這些代謝物能經由腸道吸收，進入血液循環中，調節不同階段動脈粥狀硬化斑塊形成的生物反應步驟。這些來自腸道菌所產生的代謝物包括短鏈脂肪酸、氧化三甲胺、膽酸以及尿毒素等，已被證實具有參與血管斑塊生成與血栓形成的角色 (圖一)4。

圖一：來自腸道菌所產生的代謝物參與心血管疾病不同階段的病生理機制4

短鏈脂肪酸

常見的短鏈脂肪酸包含乙酸 (acetate)、丙酸 (propionate) 與丁酸 (butyrate)，主要產生自腸道菌對膳食纖維的分解與發酵，其中丁酸可作為腸道上皮細胞的能量來源，幫助修復腸粘膜屏障並可透過與GPR41、GPR43、histone deacetylase等受體作用，降低局部和系統性發炎29。研究亦發現人類腸道中丁酸濃度與血糖耐受性和骨骼肌肉量均呈現正相關30,31，顯示丁酸在心血管疾病可能的正面角色。此外，丙酸在心血管疾病扮演的角色也逐漸明朗，Haghikia等人於動物實驗發現丙酸能透過刺激腸道Treg細胞活性與IL-10的分泌，抑制腸道吸收膽固醇的蛋白(Niemann-Pick C1-like 1) 表現，達到抑制動脈粥狀硬化的心血管保護效果，並以小規模人體試驗證實每日服用500毫克丙酸兩次，能顯著降低血中總膽固醇與低密度脂蛋白的含量32，顯示其轉譯應用的可能性。

氧化三甲胺

氧化三甲胺 (trimethylamine N-oxide, TMAO) 則主要由腸道菌代謝動物性食物所產生，如來自紅肉、奶、蛋的肉鹼 (carnitine) 與膽鹼 (choline)。研究顯示，血中的氧化三甲胺濃度，與心血管病患發生嚴重不良心血管事件(Major adverse cardiovascular event, MACE) 有顯著正相關性33,34，且已有許多氧化三甲胺導致心血管疾病發生與進展的機制被證實，包括促進膽固醇吸收、低密度脂蛋白氧化與泡沫細胞形成、增強血小板凝集活性等3,4,35,36。因此，若能有效減少人體內氧化三甲胺的生成，將可能改善心血管疾病的不良預後。近期研究發現腸道中少數帶有bbu基因的厭氧菌，能執行代謝肉鹼形成氧化三甲胺的關鍵步驟37,38，可能作為代表腸道菌代謝紅肉生成氧化三甲胺的生物活性標記。

膽酸

膽酸來自肝臟代謝膽固醇所形成，透過膽汁由糞便排出體外，是肝臟清除膽固醇的主要方式。膽酸除了能幫助脂質消化吸收，也有抑制病菌維持正常菌相的功能，此外，腸道菌還能對初級膽酸進行修飾，形成多種不同結構與作用的次級膽酸，影響人體的生理功能，包括心血管疾病的病生理機制4,39。膽酸主要透過與細胞膜上的TGR5(G-protein-coupled bile acid receptor 1) 與細胞核內的FXR (farnesoid X receptor) 受體結合產生訊息傳遞，包括腸道、肝臟、脂肪、血管、免疫細胞均有相關受體與膽酸結合，部分膽酸能透過刺激腸道分泌GLP-1、調節巨噬細胞發炎反應等作用來降低心血管疾病風險與抑制血管斑塊形成3,39,40。然而，來自不同細胞的TGR5/FXR受體與膽酸的親和力歧異4,40，加上膽酸種類複雜多元，因此若想利用膽酸來預防與治療心血管疾病，仍需進一步研究釐清其複雜機制。

尿毒素分子

硫酸吲哚酚 (indoxyl sulfate)、對硫甲酚 (p-cresol sulfate) 與苯乙酰谷氨酰胺(phenylacetylglutamine, PAGln) 是來自腸道菌利用來自食物中的色胺酸 (tryptophan), 酪胺酸 (tyrosine) 與苯丙胺酸 (phenylalanine) 所產生的胺基酸次級代謝物4。這些透過腸道菌生成而進入血液，經由腎臟排除的尿毒素分子，被認為與心血管疾病的嚴重程度有關41,42。硫酸吲哚酚與對硫甲酚已被發現多項引起心血管疾病惡化的機制，包括抑制血管內皮細胞生成NO導致功能失調、引發血管局部發炎刺激免疫細胞附著與活化、分泌組織因子 (tissue factor) 刺激血栓形成等4,43。血中的苯乙酰谷氨酰胺濃度是最近被發現與心血管疾病預後高度相關的尿毒素分子42,44，可透過血小板膜上的腎上腺素受體 (Adrenergic receptor) 刺激其活化形成血栓44，近年幾篇較大規模的多體學研究顯示，苯乙酰谷氨酰胺與心血管疾病具高度關聯性10,11，且腸道菌對血中苯乙酰谷氨酰胺具高解釋度45，顯示苯乙酰谷氨酰胺在腸道菌與心血管疾病的連結中，可能扮演重要角色。

結論

越來越多證據顯示，腸道菌在人體內的生理功能與作用機制，在心血管疾病發生與進展過程中，已存在不容忽視的重要性。腸道菌與心血管疾病的關聯性受到人種、飲食、文化、用藥等干擾因子的影響，與心血管疾病表型有關的微菌物種與基因特徵仍需進一步研究釐清。有許多與心血管疾病相關性高，但尚未培養分離的腸道菌種，亦需進一步研究發掘與驗證。此外，腸道菌的代謝功能及其所產生的活性分子，是切入腸道菌與心血管疾病轉譯研究的重要方向。簡而言之，腸道菌與心血管疾病的關聯性研究，正逐步透過因果性與致病機制的闡明走向臨床應用，相信在不久的將來，我們將能透過調節腸道菌相關機制，發展新穎的心血管疾病預防與治療方法。

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