211166452_肠道微生物细胞外囊泡对心血管系统影响的研究进展

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2024年4月20日发(作者:最好用的bt种子搜索引擎)

心血管病学进展2023年4月第44卷第4期 AdvCardiovascDis,April2023,Vol.44,No.4

肠道微生物细胞外囊泡对心血管系统影响的研究进展

黄露霈

 成泽东

(1.辽宁中医药大学研究生学院,辽宁沈阳110000;2.辽宁中医药大学科技处,辽宁沈阳110000)

【摘要】心血管疾病(CVD)在中国发病率居高不下,动脉粥样硬化是多数心血管疾病的主要病理因素,但其发病机制仍不明

确。近年来国内外学者逐步意识到肠道菌群在CVD中发挥不可替代的作用,而肠道微生物分泌的细胞外囊泡(EVs)与自体细胞来

源的EVs类似,在细胞间通信、增殖、分化和炎症等过程中起重要作用。目前国内外关于EVs在CVD的研究集中于宿主细胞来源的

EVs,然而肠道细菌来源的EVs在炎症反应、脂质摄取和血管功能障碍方面的作用同样不可忽视,同时肠道来源的EVs因其特性或

能成为药物载体和治疗靶点,有望通过疫苗接种实现对CVD的防治。现就肠道菌群的EVs对心血管系统的作用进行阐述,以期为

CVD的发病机制和治疗价值提供理论依据。

【关键词】肠道菌群;细胞外囊泡;心血管疾病

【DOI】1016806/j.cnki.issn.10043934202304015

EffectofIntestinalMicrobialExtracellularVesiclesonCardiovascularSystem

12

HUANGLupei,CHENGZedong

(1.GraduateSchool,LiaoningUniversityofTraditionalChineseMedicine,Shenyang110000,Liaoning,China;

2.DepartmentofScienceandTechnology,LiaoningUniversityofTraditionalChineseMedicine,Shenyang110000,

Liaoning,China)

【Abstract】Theincidenceofcardiovasculardisease(CVD)isstillhighinChina,andatherosclerosisisthemainpathologicalbasisfor

mostcardiovasculardisease,howeverthepathogenesisofatherosclerosishasn’tbeenfiguredoutyet.Recentyears,researchersathomeand

abroadhaverecognizedthatintestinalfloraplaysanirreplaceableroleinCVD,andtheextracellularvesicles(EVs)fromintestinalflorais

similartothosefromhostcellsthattheyalsohaveahugeinfluenceonintercellularcommunication,proliferation,differentiationand

inflammation.ThecurrentstudiesabouttheEVsofCVDaremainlyfocusonhostcells,whiletheEVsfromintestinalmicrofloraalsohasa

,lipiduptake,vasculardysfunctionofatherosclerosis.Meanwhile,becauseofthecharacteristic,EVsfromgutpotentialroleintheinflammation

maybecomedrugcarrierandtargetsfortreatment,andtheseEVsareexpectedtoachievethepreventionandtreatmentofCVDbyvaccination.

ThispaperexpoundsthefunctionofEVsderivedfromintestinalfloraandtheroleofitinthepathogenesisofcardiovascularsystem,inorderto

providetheoreticalbasisforthepathogenesisandtherapeuticvalueofCVD.

【Keywords】Intestinalflora;Extracellularvesicles;Cardiovasculardisease

  心血管疾病(cardiovasculardisease,CVD)已成为

世界范围内导致死亡和残疾的主要原因,而动脉粥样

硬化(atherosclerosis,AS)是心肌梗死、卒中和不稳定

1]

型心绞痛等CVD的主要病理因素

。AS是一种慢性

中的功能成为疾病机制研究的新热点。

目前在CVD中研究最多的是宿主细胞(内皮细

胞、巨噬细胞、树突状细胞等)来源的EVs,与炎症、血

1]

管功能障碍密切相关

。而肠道来源的EVs携带多

VD的始动阶段,其发病机

炎性动脉疾病,是大部分

制尚不清楚,与炎症、氧化应激、免疫反应和感染密切

2]

相关

,而肠道微生物区系作为炎症反应的刺激点之

VD中起

种蛋白、遗传物质、酶和代谢产物等,同样在

着不可忽视的作用。现主要对EVs的主要功能及其

影响心血管系统的作用机制进行阐述,以期为CVD的

诊断与治疗提供理论依据。

1 肠道微生物区系和AS

人体是一个超有机体,微生物通常与宿主为共生

一,在AS和CVD的发生和发展中有重要作用,微生物

extracellularvesicles,EVs)及其在来源的细胞外囊泡(

细胞内和细胞间的沟通、携带物呈递和宿主免疫调节

基金项目:国家自然科学基金面上项目(81674078);辽宁省应用基础研究计划项目(2022JH2/101300043);辽宁中医药大学自然科学类重点项

目(2021LZY037)

通信作者:成泽东,Email:893554622@qq.com

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3]9,13]

与其生存能力正相关

和互利的关系

。而肠道中的万亿细菌、病毒等构成。

肠道微生物区系,肠道微生物区系通过释放代谢产

3]

物,激活先天受体来影响宿主

。肠道微生物区系主

BEVs是细菌的“远程武器”。BEVs携带的黏附

14]

;BEVs的微生物/病分子可帮助细菌入侵宿主细胞

要由两个细菌门组成,即拟杆菌门和厚壁菌门,占人

类肠道菌群的90%以上。

近十年的研究证明了肠道微生物群与CVD之间

4]

。肠道菌群作为炎症的扳机点,脂质代的因果联系

原体相关分子模式也可与宿主来源的宿主模式识别

受体接触,引起宿主免疫耐受或免疫反应。此外,

BEVs含有多种毒力因子,可抑制其他细菌生长、截获

养分、损害其功能和防御能力以帮助亲本细菌成功定

14]

。植生态位

谢和糖代谢的关键阶段,在心血管系统中的调节作用

不容忽视。

2 肠道细菌来源的EVs的结构与功能

EVs是一种由原核生物、真核生物和古生物释放

的双层膜结构囊泡状小体,直径为30~1000nm,拥有

5]

与亲本细胞相似的细胞膜

,本质上是一种普遍的、

6]

可远距离运输的细胞间通信媒介

7]

1965年Bishop等

首次发现了细菌的细胞外囊

3 肠道来源的EVs对心血管系统的作用

肠道屏障受损和内毒素血症是CVD发展过程中

Vs到达体循环的途径主的关键介质,而如今微生物E

15]

要是基于肠道渗漏理论。已有研究

证明BEVs可

从肠道转移到不同哺乳动物的单个细胞中,而BEVs

的转移不仅可在肠道上皮细胞内诱导短期效应,而且

还通过靶向肠道干细胞而产生遗传变化。肠屏障破

坏后,有毒物质(如BEVs)进入血液引起炎症,而这又

1617]

进一步破坏肠道通透性

,这会引起血清连蛋白

bacteriaextracellularvesicles,BEVs),它是由细菌泡(

释放的纳米级的脂质球形双层膜结构,大小为20~

400nm,密度为1.133~1.201g/mL,携带了如肽、蛋

白质(周质、细胞质、外膜蛋白等)、核酸、毒素、脂多糖

(lipopolysaccharide,LPS)、磷脂、离子代谢物及信号分

8]

子等物质

,可与宿主和其他细菌进行长距离的信息

Zonulin)和含LPS的BEVs水平升高。在稳定状态(

下,少量BEVs仍可通过肠上皮的跨细胞作用逃逸到

18]

。黏膜下通过血液传播

动脉硬化和炎症反应常贯穿CVD始终,而肠道菌

19]

群与二者有显著的相互作用关系。Ziganshina等

传递。不同种类的BEVs在结构、大小、密度和分子量

9]

,而BEVs的功能与结构和其携带组成上是不同的

AS斑块中发现了细菌的DNA,这些细菌主要来源于

肠道,如金黄色葡萄球菌、牙龈卟啉单胞菌等。在肠

道中,柯林斯菌属和乳酸杆菌属在AS患者中高表达,

4]

而罗氏菌属和拟杆菌属减少

。革兰氏阴性菌广泛

物有密切联系。革兰氏阴性菌产生的3种BEVs中,

以外膜囊泡(outermembranevesicles,OMVs)最为常

见,大小为50~250nm。革兰氏阳性菌主要通过内溶

素触发的细胞死亡产生细胞质膜囊泡,它们通过脂磷

oll样受体2激活免疫壁酸与细胞质膜连接,依赖T

8]

细胞

存在于胃肠道中,细菌丰度的变化引起BEVs释放增

BEVs的携带物质或许会激发机体慢性炎症,促进加,

血管损伤和脂质摄取,已报道的BEVs影响动脉粥样

[2031]

硬化的相关机制见表1。

BEVs释放是普遍存在的,在多种肠道共生菌和

宿主通信不涉及直病原菌中都能观察到,双向的细菌

接细胞接触,微生物和宿主来源的EVs都是这种域间

10]

串扰的关键因素

,这是肠道微生物介导病原体宿

11]

主相互作用的功能单元

31 幽门螺杆菌

幽门螺杆菌常定植于胃肠道,大部分存在于黏膜

层,其OMVs通常被肠上皮细胞通过内吞作用摄取,目

32]

前无进入血液循环的证据

。幽门螺杆菌OMVs的

BEVs是独立的0分泌系统(type0secretion

system,T0SS)。分泌系统是通过细胞膜输出生物分子

帮助细菌定植的工具,这些大分子结构能将蛋白质和

12]

DNA运送到细胞外或靶细胞中

,具有以下作用:

细胞毒素相关基因A(cytotoxinassociatedgeneA,

CagA)和LPS通过活性氧(reactiveoxygenspecies,

ROS)/核因子B(nuclearfactorB,NFB)信号通路

κκκ

33]

促使内皮损伤,加速AS斑块的形成

。幽门螺杆菌

(1)致病作用;(2)协同作用;(3)拮抗作用。因此

BEVs能改善细菌的适应性,并促进菌群之间以及宿

0SS。主和微生物之间的相互作用,被称为T

BEVs是细菌的“防御工程”。BEVs是应激反应

的体现,不同菌株的BEVs产生速率是不同的,当细菌

受到外界因素(如温度、氧气、铁、抗生素等)刺激时会

大量释放,BEVs是一种保护机制,它的产生量和速率

EVs还可通过miR25/KLF2轴调节NFB信号通路

κ

靶向调控人脐静脉内皮细胞,使人脐静脉内皮细胞内

的NFB活性增强,血管细胞黏附分子1(vascular

κ

celladhesionmolecule1,VCAM1)、细胞间黏附分子1

(intercelluaradhesionmolecule1,ICAM1)、白细胞介

6(interleukin6,IL6)、单核细胞趋化蛋白1水平显素

20]

著升高

,引起血栓形成和血管炎症反应。此外,幽

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门螺杆菌感染通过宿主细胞外切体来损害患者和小

21]

鼠的内皮功能

表1 肠道微生物EVs对AS作用机制

BEVs来源

幽门螺杆菌

机制

CagA阳性幽门螺杆菌OMVs可通过激活ROS/NFB信号通路引起内皮损伤,进而加速AS斑块的

κ

形成;CagA阳性幽门螺杆菌OMVs提高了胆固醇水平;幽门螺杆菌OMVs能引起人脐静脉内皮细

胞的增殖抑制和凋亡

脆弱拟杆菌和多形拟杆菌MVs均显著增加人体肠道Caco2细胞中NPC1L1的表达,引起肠道胆固醇吸收增加和脂质两种O

堆积;增加动脉内中膜厚度、VCAM1和ICAM1的含量

嗜黏蛋白阿克曼菌可减轻体重和脂肪重量,减少脂肪组织;改善机体炎症,降低血糖和胆固醇水平;通过影响相关基因

PAR,以减少泡沫细胞和炎症反应减轻肥胖;激活P

大肠杆菌

致病性古菌

牙龈卟啉单胞菌

使心肌细胞受损,心壁厚度增加,心率加快;引起血管钙化;使血液中肌钙蛋白显著增加

MP9释放以增加AS斑块不稳定性增加自由基形成,促使M

MVs促进血管平滑肌细胞钙化;引起血栓形成,增加血管通透性,诱发血管炎症牙龈假单胞菌O

2728][

[29]

[3031]

[2426]

2223][

参考文献

[2021]

  注:CagA,细胞毒素相关基因A;ROS,活性氧;NFB,核因子B;VCAM1,血管细胞黏附分子1;ICAM1,细胞间黏附分子1;NPC1L1,尼曼匹克

κκ

C1型类似蛋白1;PPAR,过氧化物酶体增殖物激活受体;MMP9,基质金属蛋白酶9。

32 拟杆菌

高胆固醇血症是CVD的主要致病因素之一,革兰

氏阴性菌OMVs不仅能通过破坏肠道屏障来影响

CVD患者脂质代谢,加速脂质堆积和AS斑块的形成。

尼曼匹克C1型类似蛋白1(NiemannPickC1like1,

NPC1L1)位于小肠黏膜上皮细胞中,是肠道胆固醇转

运入血的关键蛋白,脆弱拟杆菌和多形拟杆菌的

OMVs通过提高NPC1L1水平,引起肠道胆固醇吸收

增加,这与胆固醇运输、脂类稳态和胆固醇稳态密切

22]

相关

。此外,高水平的NPC1L1也与血管内皮功能

障碍相关,增加动脉内中膜厚度、VCAM1和ICAM1

23]

的含量

33 嗜黏蛋白阿克曼菌

嗜黏蛋白阿克曼菌是一种黏蛋白降解菌,是人类

肠道微生物中含量最丰富的单一物种之一,近年关于

24]

其对肥胖的机制研究

较多,肥胖是CVD的危险因

素之一,可导致血脂异常及胰岛素抵抗。嗜黏蛋白阿

克曼菌与其EVs作用相近,其EVs并未直接影响AS

的症状或临床指标,而是通过增加紧密连接蛋白的表

达,改善由高脂血症引起的肠道屏障通透性,显著减

少高脂小鼠体重和脂肪重量,明显降低血糖、胆固醇

水平和代谢性炎症反应以此间接地改善心血管系

25]

。此外,普拉梭菌和嗜黏蛋白阿克曼菌EVs均能

使过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome

,PPAR)激活,以降低血脂proliferatoractivatedreceptor

26]

水平和炎症反应,提高斑块的稳定性

34 大肠杆菌

大肠杆菌是人类肠道中的机会致病菌,在CVD患

者体内该菌种数量显著增加,且在人类AS斑块中发

[34]27]

现了来自大肠杆菌的LPS。一项研究

表明,大肠

MVs可诱导心肌细胞出现不规则钙振荡,血液杆菌O

中肌钙蛋白显著增加,心壁厚度增加,心率加快;此外

OMVs还能引起血管钙化,能提高促炎细胞因子肿瘤

坏死因子、IL6等的表达,促进CVD发生和发展,损

α

伤心肌细胞和心功能。来自尿路致病性大肠杆菌、铜

绿假单胞菌和淋球菌的OMVs能诱导依赖B细胞淋巴

瘤因子2家族成员促凋亡蛋白(BCL2antagonist/

killer,BAK)途径和非依赖BAK途径的线粒体凋亡,使

OD样受体热蛋白结构域相关蛋白3巨噬细胞激活N

(NODlikereceptorpyrindomaincontaining3,NLRP3)

28]

炎症小体介导的免疫反应

,NLRP3炎症小体是驱动

血管炎症反应的关键因素。虽然目前无大肠杆菌、铜

MVs通过线粒体凋亡影响心血绿假单胞菌和淋球菌O

管系统的直接证据,但线粒体凋亡与AS、心肌梗死和

心房颤动等CVD关系密切,在CVD发病机制研究方

面有重大潜力。

35 古菌

古菌病毒也是肠道微生物区系中的重要组成部

分,经检测共有56个古菌种存在于肠道,其中以产甲

[35]

古菌的存在与AS的加重呈正烷古菌属最为丰富,

36]29]

相关

。Moreno等

在重症急性心肌梗死患者血清

中检测到大量具有高负电荷的古菌微泡

(microvesicles,MVs)。古菌MVs数量与AS严重程度

成正比,而在重症患者的不稳定斑块中,肺炎支原体

和古菌的共生会加剧外周血中这两种病原体MVs的

释放,引起血清基质金属蛋白酶9(matrix

metalloproteinase9,MMP9)水平显著升高,MMP9引起

的氧化应激与斑块破裂和血栓形成密切相关。

36 牙龈卟啉单胞菌

牙龈卟啉单胞菌属于口腔菌群,但CVD与口腔菌

群间的联系已得到证实,同时口腔菌群与肠道菌群存

37]

。牙龈假单在相互作用,口腔细菌仍可定植于肠道

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38]

胞菌及其OMVs可聚集血小板促使AS血栓形成

,5 展望

牙龈卟啉单胞菌OMVs还能直接损伤血管内皮细胞,

3031]

还可引起血管平滑肌细胞钙化

。此外,其OMVs

目前肠道菌群与CVD的相关研究还局限于有限

宿主之间的相互作用,胃肠道细菌EVs数量的病原体

对CVD、AS、心肌梗死等作用机制研究仍处于初级阶

段。由于革兰氏阳性菌的研究相对缺乏,本文主要聚

Vs对CVD的影响,但革兰氏阳性焦于革兰氏阴性菌E

Vs又会对CVD加重或缓解产生什么作用,不同来菌E

EVs如何参与CVD的发生和源、种类和产生途径的B

VD中是否存在共同的致病BEVs,目发展,在不同的C

前相关的研究与信息相对较少,这将给基于肠道菌群

探讨CVD的发病机制和治疗方案提供不一样的视角。

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能通过裂解血小板内皮细胞黏附分子1来破坏血管

内皮通透性,这有助于免疫细胞通过内皮向动脉内膜

31]

迁移来诱导血管炎症

4 肠道来源的BEVs在CVD中的临床价值

41 药物载体与治疗靶点

EVs具有独特的低免疫原性、高稳定性及高特异

3940]

性等特点,在CVD的治疗中有较大应用潜力

。天

然的或生物改造过的BEVs同样可作为药物载体,利

用其表面的配体受体识别、基因和表面修饰与宿主细

13]

胞靶向结合

,将药物精确地输送到细胞内,起到特

异性、高效的治疗作用。天然的BEVs在生物修饰后

一定程度上能增强其稳定性、生物活性以及呈递、细

胞内转运和靶向结合能力

[41]

。如产酶溶杆菌C3的外

42]

膜OMVs可将抗生素输送到靶真菌生物体

。此外,

EVs高特异性靶向结合能力使其能成为治疗靶由于B

43]

点。Roufaiel等

提出,用LPS刺激模式识别受体后,

D11c活化蛋白C,可在主动脉内皮细胞表面检测到C

能有效清除内膜中的衣原体而不会引起局部炎症反

21]

应。Xia等

证明中性鞘磷脂酶抑制剂GW4869抑制

外切体分泌,可有效保护幽门螺杆菌感染小鼠的内皮

功能。

42 疫苗制备

由于BEVs外膜成分能诱导免疫反应,且具有低

免疫原性和稳定性,因此还可制备疫苗来防治CVD,

EVs注射到患者体内将成为一或许将健康人群肠道B

44]

种新方式

。目前已有将OMVs疫苗运用到脑膜炎、

淋病、肿瘤等疾病的研究报道

[4546]

。近年来有不少关

S的报道,如肺炎链球菌、于用细菌来源的疫苗治疗A

4748]

牙龈卟啉单胞菌等

,用牙龈卟啉单胞菌从鼻腔进

/

行接种,显著减少了ApoE小鼠的AS斑块大小,治疗

效果可达到他汀类药物组水平;间隔6个月接受2次

13价肺炎链球菌多糖疫苗接种,可使患者抗氧化低密

度脂蛋白IgG和IgM抗体显著增加,有效缓解因氧化

MVs能更有效地低密度脂蛋白导致的免疫反应。而O

诱导体液免疫反应,OMVs疫苗不仅能作为异种抗原

49]

载体,还具有跨属保护的潜力

。但BEVs来源的疫

46]

OMVs能引起严重毒性反应

;由于苗也有局限性,

目前技术的缺陷,BEVs产量低,不足以形成规模;易

被其他细胞蛋白质污染;去污剂可能破坏其膜成分会

影响其特异性或呈递功能;BEVs在不同产生途径下

所携带的物质不同,激发的免疫反应是不同的,如何

进行BEVs筛选和剂量确定也是亟待解决的问题。

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收稿日期:20220803

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