血管钙化是心血管疾病高发病率和死亡率的主要原因，这与肠道微生物群密切相关。短链脂肪酸（SCFAs）来源于肠道微生物群并可以调节其稳态。然而，目前尚不清楚外源性补充丙酸是否可以通过调节肠道微生物群来改善血管钙化。

2022年11月，国内研究团队在Microbiome（IF=16.837）发表了题为“Beneficial effect of the short-chain fatty acid propionate on vascular calcification through intestinal microbiota remodelling”的文章。因此，本研究招募了92例患者作为观察队列，通过SCFAs含量的检测、16S、细胞因子检测等实验分析了SCFAs与血管钙化之间的关系。结果显示，血液和粪便样本中SCFAs（特别是丙酸）水平与钙化评分呈独立负相关。通过口服或直肠丙酸盐给药可以重塑了尼古丁（VDN）处理的大鼠肠道微生物群，使得SCFAs水平增加，并且改善了肠道屏障功能以及缓解炎症，最终改善了血管钙化。

研究思路

1. SCFAs水平与钙化评分的相关性分析

本研究共纳入92例胸痛患者，对其提供的血浆和粪便样本的基本人口统计学和临床特征进行相关性分析，作者发现血浆和粪便样品中的乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐水平与钙化评分呈负相关（图 1b–g）。logistic回归分析显示，丙酸盐和丁酸盐与钙化评分呈独立的负相关（图 1h）。该结果表明丙酸盐和丁酸盐是抑制血管钙化的独立保护因子。此外，作者还分析了SCFAs与其他临床指标之间的相关性，发现血浆和粪便样本中的SCFAs与各种临床指标呈不同程度的负相关，与中国优质膳食质量评分（CPDQS）呈正相关。这些结果表明，饮食对SCFA水平有一定的影响。

图1 SCFAs水平和钙化评分的相关性分析

2. SCFAs改善VND诱导的大鼠血管钙化和减少炎症

为了阐明丙酸钠（SP）对血管钙化的影响，作者通过对照组、尼古丁（VDN）诱导大鼠血管钙化组和口服或直肠SP给药组（VDN+SP）进行实验（图2a）。发现与VDN组相比，VDN+SP组大鼠血管中的钙盐沉积和钙含量明显下降（图 2b-e）。血浆促炎细胞因子水平显示，与VDN组相比，VDN + SP组血浆中的TNF-α（图 2f），IL-1β（图 2g）和 IL-6（图 2h）浓度显著降低。此外，血管壁中的巨噬细胞浸润减弱，TNF-α的表达降低。总之，以上结果表明，丙酸盐不仅可以改善VDN诱导的血管钙化，还可以减少炎症反应。

图2 口服丙酸盐改善VDN诱导的大鼠血管钙化和减少炎症

3. 口服和直肠给药丙酸盐调节肠道菌群的组成和SCFA的产生

作者进行了16S rRNA测序以分析口服和直肠丙酸盐给药对肠道微生物群组成和丰度的影响。细菌门水平的主坐标分析（PCoA）表明，三组之间的肠道微生物群存在结构差异（图 3a）。VDN处理的大鼠肠道微生物群的α多样性显着下降（图 3b-c）。而口服和直肠丙酸盐给药改善了α多样性和肠道微生物群丰度。LEfSe表明，Akkermansia和Muribaculaceae在VDN + SP组中共富集（图 3e）。相关性分析显示，Akkermansia和Muribaculaceae与血浆和粪便中的SCFAs呈不同程度的正相关，与血浆LPS呈负相关。通过实验，作者发现口服和直肠丙酸盐给药大大降低了血浆LPS水平，并增加了血浆和粪便中乙酸盐，丙酸盐和丁酸盐的产生（图 3g–m）。综上可知，口服和直肠丙酸盐给药改善了VDN诱导的大鼠血管钙化并促进了SCFA的产生，这表明肠道微生物群可能在缓解VDN诱导的大鼠血管钙化中发挥重要作用。

图3 口服丙酸盐改善大鼠肠道微生物群失衡

4. 丙酸盐给药缓解大鼠肠粘膜屏障损伤

作者通过结肠组织学以探索口服和直肠丙酸盐给药对VDN处理的大鼠肠道屏障完整性的影响。与对照组相比，VDN组大鼠显示出严重的结肠隐窝受损，肠壁变薄和杯状细胞数量的急剧减少（图 4a- d）。粘液蛋白2（MUC2）由杯状细胞分泌，是粘液层中表达最丰富的粘蛋白。免疫组织化学分析显示，与对照组相比，VDN组的MUC2阳性杯状细胞数量显着减少，D-乳酸和二胺氧化酶（肠漏的生物标志物）显着积累（图 4e-g）。而SP治疗后，肠道屏障的结构得到明显的改善。相关性分析显示，肠屏障相关参数与LPS含量呈负相关，与SCFA水平呈正相关，与D-乳酸和二胺氧化酶水平呈负相关（图 4h）。以上这些结果表明口服和直肠丙酸盐给药可能在保护肠粘膜屏障方面发挥作用。而口服和直肠丙酸盐给药可以缓解VDN诱导的大鼠血管钙化，这可能是通过肠道微生物群的重塑来增加SCFA的产生，改善肠道屏障功能并缓解炎症。

图4 口服丙酸盐给药减轻大鼠肠粘膜屏障损伤

5. 丙酸盐调节肠道菌群抑制VDN诱导的大鼠血管钙化和炎症反应

接下来，作者将对照组和VDN + SP组的大鼠粪便微生物群移植到VDN处理的大鼠中，去看丙酸盐调节的微生物群对大鼠血管钙化和肠道菌群组成等的影响（图 5a）。实验6周后，与VDN组相比，VDN+SP→VDN组大鼠血管中的钙盐沉积和钙含量明显下降（图 5b-e）。血浆促炎细胞因子水平显示，与VDN组相比，VDN+SP→VDN组血浆中的TNF-α（图 5f），IL-1β（图 5g）和 IL-6（图 5h）浓度显著降低。此外，血管壁中的巨噬细胞浸润减弱，TNF-α的表达降低。总之，这些结果表明，丙酸盐调节的肠道微生物群可以缓解VDN诱导的大鼠血管钙化并减少体内炎症。同时，还进行了16S rRNA测序和结肠组织学实验，综合数据显示，丙酸盐调节的肠道菌群可以依靠肠道菌群重塑来缓解血管壁中的钙盐沉积，从而增加肠道菌群的多样性，促进SCFAs的产生，缓解肠道屏障的损伤，减轻炎症反应。

图5 丙酸盐调节的肠道微生物群缓解VDN诱导的大鼠血管钙化

6. Akkermansia缓解VDN诱导的大鼠血管钙化

基于上述实验，作者发现Akkermansia在几个SP给药组中共富集， 其可以降低代谢内毒素水平，缓解炎症并改善肠道屏障功能，已被公认为下一代“益生菌”候选药物。因此，为了观察Akkermansia是否可以缓解血管钙化，在大鼠中诱导血管钙化，然后补充Akkermansia（图 6a）。作者发现，补充Akkermansia可以减轻血管钙化（图 6 b–e）并显着降低TNF-α、IL-1β和IL-6的血浆浓度（图 6f-h）。此外，免疫荧光分析显示血管壁中的巨噬细胞浸润减弱，TNF-α的表达降低。而在施用热灭活的Akkermansia的大鼠中没有观察到类似的效果（图 6 b–h）。同时，还进行了16S rRNA测序和结肠组织学实验进行分析，综合数据显示，通过调节肠道微生物群，Akkermansia可以增强肠道微生物群的多样性，促进SCFA的产生，减轻肠道屏障损伤，减少炎症，最终缓解VDN诱导的血管钙化。

图6 Akkermansia移植减轻VDN诱导的大鼠血管钙化

总结

本研究中，作者通过VDN诱导大鼠产生血管钙化，口服或直肠丙酸盐给药发现丙酸可以减轻VDN诱导的血管钙化。此外，它对肠道微生物群组成和代谢物的影响意味着饮食在塑造肠道微生物群中起着至关重要的作用。丙酸盐可以促进微生物群成分的富集，这些成分有助于SCFA的产生和维持健康的肠道屏障，减少炎症并最终缓解血管钙化。研究结果为丙酸盐介导的血管钙化缓解提供了新的见解，并为靶向改善肠道微生物群提供了理论依据。

参考文献

Yan J, Pan Y, Shao W, et al. Beneficial effect of the short-chain fatty acid propionate on vascular calcification through intestinal microbiota remodelling[J]. Microbiome, 2022, 10(1):195.