胆固醇与心血管疾病到底有什么关系?
2019-12-11 10:39

胆固醇与心血管疾病到底有什么关系?

本文来自微信公众号:返朴(ID:fanpu2019),原标题《胆固醇百年研究:它与心血管疾病到底有什么关系 | 117三人行》,作者:史隽,题图:Image by Marcel Gnauk from Pixabay 


人类头号杀手及其可控因素


大家知道现代社会造成人类死亡的最大原因是什么吗?


2016年,全球有5690万人死亡,超过一半(54%)都是由10个主要原因造成的。而在这排名前10 的致死原因中,不是意外事故,也不是癌症,心血管疾病才是导致人类死亡的第一大杀手。


心血管疾病(cardiovascular disease)是好多种疾病的总称,包括心脏病,中风,心脏衰竭,心律不齐和心脏瓣膜问题等等。


过去15年,心血管疾病都是造成全球人类死亡的主要原因:在美国,每4例死亡中就有一例是因为心血管疾病;在中国,超过40%的死亡归因于心血管疾病,而且人数有逐年增加的趋势[1]。每年女性因为心脏病死亡的人数超过所有形式的癌症的总和。



图1:中国2017年10大死亡原因和2007-2017年的变化 (%)。(来源  http://www.healthdata.org/china)


心血管疾病有许多风险因素。一些风险因素如遗传史,不能改变;而其他风险因素是可以通过药物或者生活方式的改变而修改的。任何年龄的人都应该慎重考虑怎样能更好地保护自己的心脏。


不是说有风险因素就一定会得心血管疾病。但是,一个人拥有的风险因素越多,得病的可能性就越大,除非能够采取措施改变这些风险因素并努力防止它们危害心脏健康。


可改变的风险因素包括:


  • 抽烟

  •  膳食

  •  血液里的胆固醇和脂肪

  •  缺乏锻炼

  •  肥胖

  •  高血压

  •  糖尿病

  •  不受控制的压力和愤怒


这些风险因素大家基本都听说过,且大部分不难理解。本文要讲的是近几年比较有争议的胆固醇,当然也会相应讲到膳食。


资料卡1:胆固醇≠脂肪


胆固醇(cholesterol)和脂肪(fat)都属于脂类(lipid)。脂类是一类能够溶解在有机溶剂(例如氯仿)但在水中溶解度较低的生物分子。


胆固醇只存在于动物体内,是动物组织中最丰富的固醇。许多人认为胆固醇是有害的,但其实它是每个细胞正常工作必需的:它是用来合成许多重要的类固醇激素(steroid)的前体分子;也是胆汁盐和胆汁酸的前体分子,在消化过程中必不可少。


图2:胆固醇的分子结构


脂肪是由脂肪酸(fatty acids)与甘油(glycerol)通过酯键连接形成的化合物。甘油最多可以和三个脂肪酸分子结合,叫做甘油三脂,是天然脂肪的最主要的成分。只有一个或者两个脂肪酸分子和甘油结合形成的分子叫做甘油单酯或者甘油二酯,大约只占天然脂肪的1%。


图3:三种甘油酯的结构


图4:英国著名报纸《卫报》(The Guardian)关于胆固醇争议的报道。

《胆固醇利于健康,不可盲目降脂》

《谈醇无需色变,胆固醇并非心脏病的“元凶”》


从人类研究胆固醇以来,科学家对胆固醇该不该吃,能不能吃,提出了多如牛毛的建议。在20世纪下半叶,人们对胆固醇基本是持否定态度的。不过,最近几年,全球主流媒体(不仅仅是新媒体)都常常能见到这类标题,宣扬胆固醇“无害”,这与过去数十年的经典医疗保健建议完全相反,引发了许多人的困惑:到底要不要避免胆固醇?蟹黄和蛋黄里面胆固醇含量高,还能吃么?


如果否认过去十多年“胆固醇对心血管有害”的理论,那就必须面对另一个随之而来的问题:那些降低血液胆固醇水平的药物(比如喜闻乐见的他汀类药物)还需要吃么?吃了真的有好处吗?


要严谨地回答这些问题,还是必须回到最源头的问题:为什么胆固醇和脂肪总是和心血管疾病联系在一起?


一、胆固醇的早期研究


古代就有关于糖尿病的记载,18世纪就有了首次血压的测量,但直到20世纪初,人类才展开胆固醇的研究。


1913年,一位名叫尼古拉·阿尼奇科夫(Nikolaj Nikolajewitsch Anitschkow)的年轻俄罗斯科学家偶然进行了一项可以说是最早的心血管疾病动物实验[4]。他给兔子喂食纯化的胆固醇,发现胆固醇的摄取量与动脉粥样硬化的程度成正比,而且只有胆固醇才会引起兔子动脉里的这些变化。 


图5:高胆固醇饮食诱导的兔主动脉粥样硬化病变 (H&E staining)(5)。


这里提到的动脉粥样硬化(atherosclerosis)与心血管疾病的许多问题有关。当一种称为斑块 (plaque) 的物质在动脉壁上积聚时就会发生动脉粥样硬化。这种积聚会导致动脉变窄,血液不能顺畅流通。这时候一旦有血凝块形成,就会阻止血液流动,可能导致心脏病发作或中风。而斑块的主要成分是胆固醇、脂肪、细胞废物、钙和纤维蛋白(fibrin)


图6:正常的和有斑块的动脉。


同年代(20世纪初)的科学家大多在研究蛋白含量高的饮食对健康的影响。阿尼奇科夫的研究在当时并没有引起重视,主要有两个原因:


1)  有些实验室试图在大鼠和狗身上重复阿尼奇科夫的研究结果,但都失败了。这很可能是因为狗等肉食动物消化代谢胆固醇的途径和兔子类的食草动物不一样[6]。这样一来,阿尼奇科夫的结果不为大众接受,理由是“兔子不是人类生理学的良好模型”——兔子不吃肉啊,“兔子身上的变化与人类疾病没有关联”。


然而,几十年后的研究却发现,兔子与人类的动脉粥样硬化非常相似,阿尼奇科夫使用的胆固醇喂养动脉粥样硬化的兔子也成为现代动脉粥样硬化研究中广泛使用的动物模型。


2)  当时,人们认为动脉粥样硬化是随着年纪变老而不可避免的过程;大多数人并不认为胆固醇会是重要的致病因素。


出于以上原因,胆固醇对心血管疾病影响的研究在之后的几十年里都停滞不前。


其实当时对阿尼奇科夫研究结果的批评也不是完全没有道理。即使在现代药物研发的过程中,我们也看到数不尽的基于动物模型的研究成果对于人类并不适用[7]业界有个很有道理的笑话:如果人是小鼠,现在所有的疾病都已经能治愈了,寿命也能延长一倍!


不适用的原因有很多。除了动物和人的生理结构差别很大以外,不可忽略的另一点是,实验动物的很多疾病是用非自然手段引入的——例如大量(远超于正常可能摄入的量)喂食某种成分 (例如胆固醇), 或修改基因——从而来模拟人的疾病,它并不是自然的致病过程,不完全等同于人类的疾病。


直到20世纪50年代( 近40年过去了……),一位美国科学家约翰·戈夫曼(John Gofman)才注意到了阿尼奇科夫的结果。与那个时代大多数其他科学家不同,他觉得这个结果很有意思,也认为胆固醇与动脉粥样硬化之间应该有关联[8],他开始思考胆固醇在血液里到底是怎样被携带运输的。通过使用新技术,他首次发现了血液中的胆固醇存在于不同形式的脂蛋白中,并且在1956年提出,不同形式的胆固醇对动脉粥样硬化的影响不同[9]


脂肪和胆固醇不能溶于水或血液,于是身体将脂肪和胆固醇包裹成微小的被蛋白质覆盖的颗粒,称为脂蛋白。脂蛋白可以很容易与血液混合并随之流动,从而运输大量的脂肪到身体各处。有好几种类型的脂蛋白,但与心脏健康最相关的两种是低密度脂蛋白(low-density lipoprotein,LDL)和高密度脂蛋白(high-density lipoprotein,HDL)


图7:携带胆固醇的不同形式的脂蛋白


图8:脂蛋白的结构


如何分离并且测量不同的脂蛋白里的胆固醇?围绕着戈夫曼的研究,争论主要集中在分离和测量的技术上。很多人认为,戈夫曼的胆固醇指数(Gofman’s Atherogenic Index)测量方法太复杂,相比于简单的测量总胆固醇的含量,不会有更多的附加价值,也很难在医院的实验室中可靠地完成。幸运的是,科学家们很快就大大地改善了测量技术,以测量血液中不同种类的胆固醇,关于胆固醇的大规模流行病学研究也因此变得可行。


同时,遗传学的研究也有新的进展。1938年,卡尔·穆勒(Carl Müller)对有家族性高胆固醇血症 (familiar hypercholesterolemia)的患者进行了遗传学研究,确定了这是一种遗传疾病,与19号染色体上的缺陷相关。(直到1970年,Michael Brown 和 Joseph Goldstein才分离出LDL的受体,证明19号染色体上缺失这一基因使得身体无法从血液中去除LDL胆固醇,这是造成一部分家族性高胆固醇血症的遗传原因。[10]Brown和Goldstein也因为对胆固醇代谢的调节机制的研究而获得1985年诺贝尔生理学奖。)卡尔发现,这些患者血液里的LDL胆固醇水平很高,同时心脏病发病率也很高[11]。由此得出结论:心脏病与胆固醇脱不了关系。


然而,争议点仍然存在:


1)  研究的对象是有基因突变的个体,并不代表普通人,这个结论不一定能推广到大众。


2)  更重要的是,根据现代的研究标准,这个发现只能说明血液里高水平的LDL胆固醇和较高的心脏病发病率有相关性。但不能证明因果关系:高水平的LDL胆固醇会导致心脏病。


图9:血液里胆固醇超标(左边)和正常(右边)人的血样。两管血样都被离心过,所以血清从血液中分离出来,在试管上层。正常的血清应该像在右边的试管中一样略带黄色。左边试管上层中乳白色的“东西”是血液里的胆固醇和甘油三酯(来自  https://talkgvmh.gvmh.org)


二、胆固醇的流行病学研(相关性研究)


1955年,美国明尼苏达大学的著名营养学家安塞尔·基斯(Ancel Keys)建议,尽管需要花费很多的研究经费和时间,我们还是应该展开大规模的流行病学研究,来考察饮食习惯对健康究竟有什么影响[12]



图10:1961年1月13日的《时代周刊》封面报道了安塞尔•基斯的研究,文章题目是"The Fat of the Land"


于是,围绕饮食对心血管健康影响的相关性研究如火如荼地展开了,其中就包括著名的“七国研究” (Seven Countries Study),由安塞尔·基斯主导,1958年启动。这项研究是同类研究中的领头羊,主要研究来自世界各国的男性中,生活方式、饮食习惯和心血管疾病率之间的关联。


这项研究关于胆固醇的结论在当时对整个社会的保健理念都产生了重大的影响:来自多样化的社会和文化背景的人群里,膳食里摄入大量的胆固醇与心血管疾病发病率有显著的关联[13]


按照今天的标准,这个研究存在很多设计缺陷。安塞尔·基斯也因此饱受争议和批评。然而争议点其实不是胆固醇,而是饱和脂肪(见资料卡2)七国研究最初包括很多国家,但是只在七个国家里,摄入大量饱和脂肪的人群患心血管疾病的风险增加了。现在很多专家认为,安塞尔·基斯极不严谨地、选择性地挑选了数据,不愿意承认饱和脂肪的摄入与心血管疾病无关的真相。


资料卡2:脂肪的分类


最常见的脂肪分类是根据组成脂肪的脂肪酸的种类来划分的,主要包括三大类:


1. 不饱和脂肪:组成的脂肪酸链中至少存在一个双键,主要存在于植物中,通常在室温下呈液态。


因为它们可以改善血液中的胆固醇水平,缓解炎症,稳定心律,并发挥其他一些有益的作用,被认为是有益的脂肪。不饱和脂肪还可以继续分为单不饱和脂肪和多不饱和脂肪。如果脂肪酸链含有一个双键,则它是单不饱和的,如果它含有一个以上的双键,则是多不饱和脂肪。


2. 饱和脂肪组成的脂肪酸链中没有一个双键,全部是单键。


饱和脂肪主要存在于动物性食物中,但少数植物性食物也富含饱和脂肪,如椰子油(coconut oil)和棕榈油(palm oil)。饱和脂肪和胆固醇的来源很相近,都是在动物来源中比较多。饱和脂肪的摄入也会增加体内胆固醇水平。(注:关于饱和脂肪最近也有争议。问题说起来也很复杂,可以参考《猪油是健康食物,真的假的?饱和脂肪到底对健康有害么》)


图11:脂肪酸的代表结构


3. 反式脂肪:这种脂肪对健康基本没有任何好处,应该尽量避免。


虽然天然的肉类和乳制品中也会有少量的反式脂肪,但是大多数反式脂肪是通过向植物油中添加氢的工业过程形成的。这种部分氢化的油在室温下是固体,不太容易变质,因此用它制成的食品具有更长的保质期。反式脂肪还可以承受反复加热而不会分解,是快餐店油炸食品最爱用的油。


反式脂肪可以说是最差的脂肪,因为它们会引起炎症[2],而炎症与心脏病,中风,糖尿病和其他慢性疾病的发生都有关,还会促进胰岛素抵抗 [3]。即使摄入少量也会对健康产生有害影响:每日摄入的卡路里中反式脂肪的量每增加2%,会增加23%患冠心病的风险。


和“七国研究”差不多时间开始的另一个著名的研究叫做“弗雷明汉市心脏研究”(Framingham Heart Study)。1948年,当时的美国国家心脏研究所(现改称为国家心肺和血液研究所,NHLBI)决定开始追踪居住在马萨诸塞州弗雷明汉市的30岁至62岁的人,看他们的生活习惯和心血管疾病发病率之间的关联。


这个研究现在还在继续,是最著名的、被引用最多的心血管疾病的风险因素研究。它提出的影响心血管疾病的风险因素(risk factor)包括胆固醇、高血压、吸烟、缺乏锻炼和肥胖[14]。事实上,“风险因素”就是这个项目创造的新词汇。


图12:弗雷明汉市心脏研究 (Framingham Heart Study)


三、两大经典假说:饮食-胆固醇-心血管到底什么关系


随着时间的推移,基于以上流行病学研究观察到的现象,科学家提出了两个关于心血管疾病的经典假说:


假说Ⅰ:   “胆固醇假说”(cholesterol hypothesis, 也叫lipid hypothesis)


血液中胆固醇水平高会引起心血管疾病; 


假说Ⅱ:  “膳食-心脏假说”(diet-heart hypothesis)


膳食里饱和脂肪和胆固醇的摄取,会导致血液里的胆固醇水平升高,从而增加心血管疾病的发病率。


这两个假说看着很相似,很容易被混淆,其实是一个包容的关系,用下面的图来解释就比较清楚。


图13:膳食-心脏假说和胆固醇假说的关系


用一句话简单地概括这两个假说:体内高胆固醇对心脏有害(假说Ⅰ),而吃进去的胆固醇越多,体内血液里的胆固醇也就越多(假说Ⅱ的前半部分)


目前所有的证据都发现了胆固醇和心血管疾病确实相关。但仅有相关性是不够的,我们最终还是需要证明二者具有因果关系,才能真正说明胆固醇对心血管有害。


怎样证明因果关系?要真正证明胆固醇会损害心血管,就得想办法改变体内胆固醇的水平(升高或者降低),然后来看这些变化对心血管疾病发病率的直接影响。


然而,改变体内胆固醇水平,并没有我们想象的那么简单。下一篇,我们来看看这两个假说究竟是怎样验证的。


参考文献

[1] W.-W. Chen et al., China cardiovascular diseasesreport 2015: a summary. J Geriatr Cardiol14, 1-10 (2017).

[2] D. Mozaffarian et al., Dietary intake of trans fattyacids and systemic inflammation in women. AmJ Clin Nutr 79, 606-612 (2004).

[3] U. Riserus, W. C.Willett, F. B. Hu, Dietary fats and prevention of type 2 diabetes. Prog Lipid Res 48, 44-51 (2009).

[4] G. Finking, H. Hanke,Nikolaj Nikolajewitsch Anitschkow (1885-1964) established the cholesterol-fedrabbit as a model for atherosclerosis research. Atherosclerosis 135, 1-7(1997).

[5] Z.-K. Zhang, J. Li,D.-X. Yan, W.-N. Leung, B.-T. Zhang, Icaritin Inhibits Collagen Degradation-RelatedFactors and Facilitates Collagen Accumulation in Atherosclerotic Lesions: APotential Action for Plaque Stabilization. InternationalJournal of Molecular Sciences 17,169 (2016).

[6] A. Steiner, F. E.Kendall, Atherosclerosis and arteriosclerosis in dogs following ingestion ofcholesterol and thiouracil. Arch Pathol(Chic) 42, 433-444 (1946).

[7] D. G. Hackam, D. A.Redelmeier, Translation of Research Evidence From Animals to Humans. JAMA 296, 1727-1732 (2006).

[8] J. W. Gofman, F.Lindgren, The role of lipids and lipoproteins in atherosclerosis. Science 111, 166-171 (1950).

[9] J. W. GOFMAN et al., Evaluation of Serum Lipoproteinand Cholesterol Measurements as Predictors of Clinical Complications ofAtherosclerosis. Circulation 14, 689-741 (1956).

[10] J. L. Goldstein, M.S. Brown, The LDL receptor. Arteriosclerosis,thrombosis, and vascular biology 29,431-438 (2009).

[11] C. MÜLLER, ANGINAPECTORIS IN HEREDITARY XANTHOMATOSIS. Archivesof Internal Medicine 64, 675-700(1939).

[12] F. Grande, J. T.Anderson, C. Chlouverakis, M. Proja, A. Keys, Effect of dietary cholesterol onman's serum lipids. J Nutr 87, 52-62 (1965).

[13] A. Keys et al., Coronary Heart Disease amongMinnesota Business and Professional Men Followed Fifteen Years. Circulation 28, 381-395 (1963).

[14] W. B. Kannel, T. R.Dawber, A. Kagan, N. Revotskie, J. Stokes, 3rd, Factors of risk in thedevelopment of coronary heart disease--six year follow-up experience. TheFramingham Study. Ann Intern Med 55, 33-50 (1961).


本文来自微信公众号:返朴(ID:fanpu2019),作者:史隽

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