張?jiān)購(gòu)?qiáng) 丁家望 汪心安

(三峽大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院 宜昌市中心人民醫(yī)院心內(nèi)科，湖北 宜昌 443003)

研究表明腸道微生物代謝產(chǎn)物三甲胺-N-氧化物(TMAO)與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展〔1,2〕及不良心血管事件的發(fā)生密切相關(guān)〔3,4〕。TMAO是一種小分子化合物，主要是由富含膽堿、磷脂酰膽堿和左旋肉堿的食物(紅肉、家禽、魚(yú)及蛋類(lèi)等)經(jīng)腸道微生物轉(zhuǎn)化生成三甲胺(TMA)，在肝酶和黃素單加氧酶(FMO)3的作用下生成〔5〕。本文就TMAO的生物學(xué)特性及其在心血管疾病中的作用進(jìn)行綜述。

1 TMAO的合成與代謝

在人體中，TMAO是由TMA在腸道微生物的作用下生成的，而人體內(nèi)TMA主要來(lái)源于直接攝入富含TMA的食物，或者是攝入富含膽堿、磷脂酰膽堿和左旋肉堿的食物經(jīng)腸道微生物轉(zhuǎn)化生成TMA〔6〕。TMA是一種能夠透過(guò)腸壁的氣體，在腸道吸收后通過(guò)肝酶和黃素單加氧酶家族(FMOx)的氧化作用，最終生成TMAO〔7〕。FMOx包括FMO1和FMO3，并且FMOx的活性受到遺傳變異性的影響〔8〕。Shih等〔9〕發(fā)現(xiàn)在人體中FMO3是膽固醇及其他脂質(zhì)代謝過(guò)程中的重要調(diào)控因子，生物體內(nèi)FMO3的活性是FMO1的10倍，在小鼠體內(nèi)過(guò)表達(dá)FMO3可以顯著提高TMAO水平，抑制FMO3可以降低TMAO水平。人體循環(huán)中TMAO最終經(jīng)過(guò)尿液、汗液和呼吸作用排出體外〔10〕。血液中的TMAO水平與飲食中攝入其前體的量有關(guān)，但是其相關(guān)性也存在很大的個(gè)體差異，這與腸道內(nèi)微生物的組成有關(guān)。使用廣譜抗生素治療1 w后發(fā)現(xiàn)小鼠體內(nèi)TMAO水平明顯降低〔11〕，說(shuō)明TMAO的產(chǎn)生與腸道細(xì)菌的活性密切相關(guān)。因此，循環(huán)中TMAO的量主要取決于食物攝入、腸道微生物作用、肝腎功能及肺功能的相互作用。TMAO是一種滲透物，一種電子受體，并且還是一種蛋白穩(wěn)定劑，可以參與氧化反應(yīng)、滲透反應(yīng)和靜水壓的調(diào)節(jié)，也可以調(diào)節(jié)各種酶和激素的活性〔12〕。有研究對(duì)哺乳動(dòng)物血漿TMAO濃度進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)在人體內(nèi)其濃度為3～40 mmol/L，而在小鼠體內(nèi)低于 5 mmol/L〔5,13〕。

2 TMAO與心血管疾病

2.1TMAO與動(dòng)脈粥樣硬化 動(dòng)脈粥樣硬化是一種主要累積大中動(dòng)脈的常見(jiàn)心血管疾病，嚴(yán)重危害人類(lèi)健康。越來(lái)越多的證據(jù)表明炎癥、免疫反應(yīng)、內(nèi)皮功能障礙及代謝紊亂在動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中起重要作用。Koeth等〔11〕發(fā)現(xiàn)在小鼠每日飲食中添加膽堿或左旋肉堿會(huì)升高循環(huán)中的TMAO水平，促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化的進(jìn)展。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)高水平的TMAO與動(dòng)脈粥樣硬化負(fù)荷增加及冠脈病變復(fù)雜程度相關(guān)〔14〕。對(duì)1 020例患者進(jìn)行橫斷面分析發(fā)現(xiàn)血漿TMAO水平與冠脈造影發(fā)現(xiàn)狹窄面積大于50%的冠脈數(shù)量呈劑量依賴(lài)相關(guān)性〔5〕。而在一項(xiàng)包括227例因冠狀動(dòng)脈疾病、瓣膜性心臟病或主動(dòng)脈疾病而行冠狀動(dòng)脈手術(shù)的患者橫斷面研究中發(fā)現(xiàn)相對(duì)于低TMAO患者，高TMAO患者冠狀動(dòng)脈梗死數(shù)量較多，面積較大〔15〕。研究發(fā)現(xiàn)FMO3在肝臟脂質(zhì)代謝及炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)過(guò)程中至關(guān)重要〔16〕，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)TMAO也可以調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝，這些都會(huì)增加患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)〔11〕。在Ldlr-/-小鼠中應(yīng)用反義寡核苷酸來(lái)抑制FMO3可以導(dǎo)致循環(huán)中TMAO水平降低，抑制動(dòng)脈粥樣硬化嚴(yán)重形成〔9〕。TMAO可以使糖耐量受損惡化、促進(jìn)脂肪組織炎癥反應(yīng)，這與冠心病的復(fù)雜性和動(dòng)脈粥樣硬化嚴(yán)重程度有關(guān)〔9,17〕。在ApoE-/-小鼠模型中，TMAO可以促進(jìn)泡沫細(xì)胞的形成，加速動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的進(jìn)展〔5〕。所以TMAO促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化是通過(guò)促進(jìn)泡沫細(xì)胞的形成和干擾粥樣斑塊中膽固醇的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)完成的。TMAO可以影響促動(dòng)脈粥樣硬化形成的巨噬細(xì)胞表型產(chǎn)生、膽汁酸的合成，并且可以影響巨噬細(xì)胞、肝臟和腸道內(nèi)膽固醇的代謝〔11〕。研究表明在體內(nèi)TMAO可以與血小板相互作用，從而改變鈣信號(hào)，促進(jìn)血小板高反應(yīng)性及血栓表型〔18〕。另外，TMAO可以快速誘導(dǎo)主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞炎癥相關(guān)基因表達(dá)，這說(shuō)明TMAO可能通過(guò)另一種通路促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化〔19〕。循環(huán)中TMAO水平可以誘導(dǎo)血管炎癥、氧化應(yīng)激和內(nèi)皮功能障礙。TMAO可以促進(jìn)促炎細(xì)胞因子表達(dá)和超氧化物的生成，并且可以使主動(dòng)脈內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)表達(dá)減少。這些都表明循環(huán)中的TMAO水平升高可以通過(guò)增高血管炎癥和氧化應(yīng)激來(lái)減弱eNOS來(lái)源的NO的生物利用度，進(jìn)一步加重年齡相關(guān)性?xún)?nèi)皮功能障礙，誘導(dǎo)動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生〔20〕。此外，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床研究中發(fā)現(xiàn)膳食中的TMAO可以上調(diào)與動(dòng)脈粥樣硬化相關(guān)的多種巨噬細(xì)胞清道夫受體的表達(dá)，促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成〔2,5〕。研究發(fā)現(xiàn)TMAO可以誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，促使單核細(xì)胞黏附于動(dòng)脈血管壁，促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展〔21〕。Seldin等〔19〕發(fā)現(xiàn)TMAO可以通過(guò)絲裂原活化蛋白激酶途徑促進(jìn)血管炎癥，這些都是早期泡沫細(xì)胞形成的標(biāo)志。TMAO還可以誘導(dǎo)核轉(zhuǎn)錄因子(NF)-κB磷酸化，磷酸化的NF-κB可以轉(zhuǎn)運(yùn)至核內(nèi)，調(diào)節(jié)多種動(dòng)脈粥樣硬化相關(guān)基因表達(dá)〔21〕。

2.2TMAO與心力衰竭 心力衰竭是包括動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病在內(nèi)的多種心血管疾病的常見(jiàn)不良并發(fā)癥。表現(xiàn)為心肌缺血、血管功能障礙和心肌纖維化導(dǎo)致的進(jìn)行性舒張功能不全或進(jìn)行性心肌損害及心臟重塑導(dǎo)致收縮功能障礙。雖然近年來(lái)對(duì)于心力衰竭患者的管理已經(jīng)顯著改善，但其死亡率仍然很高。有研究認(rèn)為炎癥反應(yīng)及代謝紊亂在其發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮重要作用〔22〕。腸道微生物的組成和功能與心力衰竭患者的進(jìn)展密切相關(guān)〔23〕。研究發(fā)現(xiàn)TMAO水平與晚期左心室舒張功能障礙有關(guān)并且可以預(yù)測(cè)慢性收縮性心力衰竭不良的長(zhǎng)期臨床結(jié)局〔24〕。一項(xiàng)大規(guī)模的隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)既往有心力衰竭病史的患者TMAO水平升高與5年死亡率升高相關(guān)，并且不依賴(lài)于心腎指數(shù)〔25〕。對(duì)于慢性收縮性心力衰竭，TMAO也有很強(qiáng)的預(yù)后價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)TMAO水平升高與心力衰竭患者的嚴(yán)重程度、缺血性病因及不良預(yù)后相關(guān)〔23〕。循環(huán)中的TMAO水平升高會(huì)加重心力衰竭患者的嚴(yán)重程度，表現(xiàn)為病理性左心室擴(kuò)張，左室射血分?jǐn)?shù)降低，循環(huán)B型腦鈉肽(BNP)水平增加，肺水腫加重及心肌纖維化〔26〕。失代償性心力衰竭的特點(diǎn)是心排量減少和體循環(huán)淤血，這些可能導(dǎo)致腸壁缺血和水腫，隨后就會(huì)出現(xiàn)腸道結(jié)構(gòu)和功能改變，包括腸壁滲透性增高，微循環(huán)障礙及腸道微生物種類(lèi)和數(shù)量的增加。研究還發(fā)現(xiàn)TMAO水平可以預(yù)測(cè)心力衰竭患者死亡風(fēng)險(xiǎn)并且優(yōu)于傳統(tǒng)的危險(xiǎn)因素BNP和表皮生長(zhǎng)因子受體(EGFR)〔25〕。而對(duì)于急性心力衰竭患者的研究也發(fā)現(xiàn)TMAO水平可以預(yù)測(cè)住院患者的死亡風(fēng)險(xiǎn)并且與1年內(nèi)的不良預(yù)后及腎功能不全密切相關(guān)〔27〕。

2.3TMAO與高血壓 高血壓是不良心血管事件的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，發(fā)病機(jī)制取決于遺傳因素與環(huán)境因素的相互作用。相比于普通小鼠，當(dāng)無(wú)菌小鼠腸道內(nèi)的細(xì)菌完全消除時(shí)，表現(xiàn)為相對(duì)較低的血壓〔28〕。Li等〔29〕也發(fā)現(xiàn)異常的腸道菌群可能加重高血壓的進(jìn)展，這說(shuō)明腸道微生物及其代謝產(chǎn)物在血壓調(diào)節(jié)過(guò)程中起著重要的作用。既往研究還發(fā)現(xiàn)血管緊張素(Ang)Ⅱ在高血壓的病理生理過(guò)程及藥物治療上發(fā)揮重要作用〔30〕。Ang Ⅱ在哺乳動(dòng)物體內(nèi)可以通過(guò)自分泌和旁分泌作用發(fā)揮生理作用。Ufnal等〔31〕發(fā)現(xiàn)在給小鼠單獨(dú)輸入Ang Ⅱ后在第一個(gè)5天內(nèi)血壓會(huì)顯著升高，隨后血壓恢復(fù)正常，但同時(shí)輸入Ang Ⅱ和TMAO后血壓會(huì)持續(xù)升高，這說(shuō)明TMAO可以延長(zhǎng)Ang Ⅱ的升壓效果。血管內(nèi)皮細(xì)胞功能在血壓的調(diào)節(jié)過(guò)程也起重要作用。當(dāng)血管內(nèi)皮功能障礙時(shí)，伴隨著內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生血管擴(kuò)張物質(zhì)和血管收縮物質(zhì)的異常，主要表現(xiàn)在NO生物利用度的降低及環(huán)氧合酶來(lái)源的血管收縮物質(zhì)產(chǎn)生增多〔32〕。研究發(fā)現(xiàn)TMAO可以損害血管內(nèi)皮自我修復(fù)功能，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞中血管細(xì)胞黏附分子(VCAM)-1表達(dá)及單核細(xì)胞的黏附作用〔21〕。說(shuō)明TMAO可以通過(guò)導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙間接影響血壓變化。

3 TMAO抑制劑

3.1米屈肼 米屈肼是一種小分子藥物，它可以通過(guò)不同途徑來(lái)降低TMAO濃度〔33〕。米屈肼最開(kāi)始是作為抗心肌缺血藥物運(yùn)用于各種急慢性缺血性心臟病的治療。研究發(fā)現(xiàn)它可以通過(guò)抑制γ-丁基甜菜堿羥化酶來(lái)減少左旋肉堿的合成〔34〕。通過(guò)米屈肼的治療可以抑制腎臟左旋肉堿的重吸收同時(shí)促進(jìn)TMAO的尿液排泄〔35〕。進(jìn)一步研究也發(fā)現(xiàn)它可以抑制左旋肉堿通過(guò)腸道菌群依賴(lài)性方式合成TMAO〔36〕。在臨床研究〔37〕和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)〔38〕中發(fā)現(xiàn)米屈肼可以降低左旋肉堿和TMAO水平而起到抗動(dòng)脈粥樣硬化的作用。

3.23，3-二甲基-1-丁醇(DMB) DMB是一種膽堿結(jié)構(gòu)類(lèi)似物。使用DMB可以抑制細(xì)菌源性TMA的生成，降低血漿TMAO水平，減少動(dòng)脈粥樣硬化形成〔39〕。DMB可以抑制體內(nèi)膽堿和左旋肉堿轉(zhuǎn)化為T(mén)MA，最終降低TMAO水平。在Apo E-/-小鼠中發(fā)現(xiàn)DMB盡管不能顯著影響膽固醇、膽堿和其他促動(dòng)脈粥樣硬化的危險(xiǎn)因素，但是可以顯著降低TMAO濃度，減少巨噬細(xì)胞源性泡沫細(xì)胞形成和主動(dòng)脈粥樣斑塊的進(jìn)展〔40〕。除此之外，DMB還可以抑制TMA和TMAO形成相關(guān)性菌群的活性，維持相對(duì)正常的腸道菌群環(huán)境〔40〕。進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)DMB可以抑制促炎細(xì)胞因子的表達(dá)，減少超氧化物的形成，促進(jìn)主動(dòng)脈eNOS的產(chǎn)生〔20〕，起到保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞的作用。

3.3FMO抑制劑 FMOx在TMA轉(zhuǎn)化為T(mén)MAO的過(guò)程中起重要作用，所以FMO抑制劑也可以顯著降低TMAO水平。與對(duì)照組相比，給予反義寡核苷酸治療的小鼠，肝臟FMO3 mRNA表達(dá)水平下降超過(guò)90%，F(xiàn)MO3蛋白表達(dá)水平下降50%，血漿TMAO水平下降47%，而TMA水平升高超過(guò)2倍，動(dòng)脈粥樣硬化形成明顯減少〔8〕，但是由于其能導(dǎo)致肝炎等嚴(yán)重副作用〔9〕而沒(méi)有應(yīng)用于臨床。

綜上，腸道微生物代謝產(chǎn)物TMAO與多種心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。干預(yù)治療減少TMAO及其前體TMA的生成可以明顯降低心血管疾病的發(fā)生。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中改善飲食結(jié)構(gòu)、維持腸道菌群平衡及合理使用抗生素均可使心血管疾病發(fā)生率下降。