楊 柳 綜述 王金泉 審校

近年來，腸道菌群在慢性疾病發(fā)生發(fā)展過程中的作用日益受到重視。腸道菌群代謝產(chǎn)物之一——飲食來源氧化三甲胺(TMAO)是充血性心力衰竭、慢性腎臟病、動脈粥樣硬化等疾病長期全因死亡率的獨立危險因素[1-3]。 TMAO分子量為75.1道爾頓，合成依賴于飲食中攝入的左旋肉堿、卵磷脂、膽堿等，95%以上以原型經(jīng)腎臟排出[4]。 進(jìn)食肉堿、甜菜堿、磷脂酰膽堿含量增加可導(dǎo)致血漿TMAO水平升高，口服環(huán)丙沙星、甲硝唑等廣譜抗生素可通過調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)使TMAO產(chǎn)生減少[3]。TMAO不僅參與造成腎臟纖維化，還通過促進(jìn)動脈粥樣硬化、高血壓、糖尿病、炎癥等病理過程,加重腎臟損害，是影響腎臟預(yù)后的重要尿毒癥毒素之一[2-3，5-6]。 本文擬針對TMAO的生物學(xué)特性、作用機制、對慢性腎臟病(CKD)及心血管事件的影響和抑制TMAO合成治療CKD的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

TMAO的代謝及作用機制

TMAO是腸道菌群依賴性代謝產(chǎn)物，其生物合成受飲食、肝酶代謝、腸道菌群等多因素影響。飲食中膽堿、左旋肉堿、甜菜堿、磷脂酰膽堿等均可經(jīng)腸道菌群代謝產(chǎn)生TMAO，其中膽堿是最重要來源。紅肉、肝臟、魚、貝、蛋、奶等食物均富含膽堿，其中以紅肉含量最高。進(jìn)食攝入富含膽堿、左旋肉堿、磷脂酰膽堿的食物后，腸道菌群將其代謝形成中間產(chǎn)物三甲胺(TMA)，TMA吸收入血并轉(zhuǎn)運至肝臟，被含黃素單氧酶(FMO)迅速氧化為TMAO[2]。雄激素、膽汁酸均可通過調(diào)節(jié)FMO表達(dá)影響TMAO水平[3]。研究表明多種腸菌參與代謝產(chǎn)生TMAO，如腸桿菌屬、埃希菌屬、愛德華菌屬、脫硫弧菌、梭菌屬、腸球菌屬、鏈球菌屬、放線菌屬、沙雷氏菌屬、不動桿菌等[7]。而飲食結(jié)構(gòu)亦參與調(diào)節(jié)腸道菌群組成，共同影響TMAO產(chǎn)生[3]。

正常情況下TMAO經(jīng)循環(huán)清除，主要依靠腎小球濾過排出，人體內(nèi)TMAO水平波動于2.4～6.2 μmol/L[8]。可見飲食成分、腸道菌群分布特點、肝臟及腎臟功能等因素均可影響TMAO血清濃度。與正常人相比，CKD患者腸道菌群分布存在明顯異常：十二指腸及空腸內(nèi)腸桿菌科、短狀桿菌屬、糞球菌屬、鹽單胞菌科等多種菌屬數(shù)量明顯增多，結(jié)腸需氧菌過度生長，導(dǎo)致TMAO產(chǎn)生增多[7，9]。伴隨腎小球濾過率下降，血清TMAO水平逐漸升高，終末期腎病(ESRD)患者體內(nèi)TMAO平均水平高達(dá)94.4 μmol/L，腎臟替代治療可以迅速有效清除TMAO[8，10]。

目前對于TMAO影響細(xì)胞代謝的詳細(xì)機制尚不清楚，相對明確的是TAMO誘導(dǎo)吞噬細(xì)胞在粥樣斑塊處聚集，上調(diào)清道夫受體及促炎因子表達(dá)，促進(jìn)膽固醇轉(zhuǎn)運，可通過調(diào)節(jié)CD36/MAPK/JNK通路加速動脈粥樣硬化發(fā)生發(fā)展[11]。 NLPR3炎性小體感受內(nèi)源性或外源性毒性物質(zhì)后，促進(jìn)促炎因子形成及分泌，影響動脈粥樣硬化發(fā)展。TMAO可誘導(dǎo)NLPR3炎性小體在動脈內(nèi)皮細(xì)胞形成并活化，影響內(nèi)皮細(xì)胞緊密連接，介導(dǎo)炎癥反應(yīng)，加重氧化應(yīng)激，導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙，減少循環(huán)內(nèi)皮細(xì)胞數(shù)量，與心血管事件危險因素有關(guān)[12-13]。

TMAO與CKD

腸道內(nèi)尿素經(jīng)細(xì)菌尿素酶代謝產(chǎn)生氨，后者導(dǎo)致腸黏膜屏障結(jié)構(gòu)廣泛破壞，造成腸源性尿毒癥毒素、抗原、內(nèi)毒素、腸道微生物組分及其產(chǎn)物等吸收入血。CKD患者腸道菌群細(xì)菌總量減少、菌種分布異?？芍铝蛩徇胚岱?、甲基吲哚酚、TMAO等尿毒癥毒素增加，上述毒素通過損傷腎小管上皮細(xì)胞，介導(dǎo)腎臟間質(zhì)纖維化相關(guān)基因表達(dá)，促進(jìn)CKD進(jìn)展，加重血管硬化、動脈鈣化、內(nèi)皮細(xì)胞氧化應(yīng)激，在CKD心血管事件中發(fā)揮重要作用[6，14](圖1)。

圖1 TMAO誘導(dǎo)單核細(xì)胞黏附的分子機制[15]TMAO：氧化三甲胺；PKC：蛋白激酶C；NF-κB：核因子κB；VCAM-1：細(xì)胞間黏附因子1；TMAO影響血管內(nèi)皮細(xì)胞，繼而激活PKC，促進(jìn)NF-κB磷酸化后入核，誘導(dǎo)VCAM-1表達(dá)和單核細(xì)胞向血管壁黏附

目前針對TMAO影響CKD的分子基礎(chǔ)研究十分有限。以TMAO處理C57BL/6J小鼠的實驗表明，高膽堿或富含TMAO飲食可造成小鼠腎小管損傷標(biāo)志物腎損傷分子1(KIM-1)水平升高，且血清TMAO水平升高與腎小管間質(zhì)纖維化加重、膠原沉積增多、Smad3磷酸化增加呈正相關(guān)，提示TMAO通過調(diào)節(jié)TGF-β/Smad3信號通路促進(jìn)腎間質(zhì)纖維化[2]。經(jīng)上述多重機制，TMAO蓄積最終導(dǎo)致CKD患者的人、腎存活率下降，全因死亡率升高[16]。

TMAO主要經(jīng)尿液清除，故腎小球濾過率下降者血清TMAO水平明顯升高。CKD患者血清TMAO濃度與白細(xì)胞介素6(IL-6)、纖維蛋白原、超敏C反應(yīng)蛋白等炎癥介質(zhì)水平具有正相關(guān)性，移植過程中缺血性腎臟損傷可導(dǎo)致血清TMAO水平異常升高，而腎移植后血清TMAO水平明顯下降[17]。動物研究顯示，將CKD患者糞便樣本植入已實行腸菌清潔的大鼠腸腔后，大鼠外周血TMAO水平明顯升高[18]。此外，CKD患者參與膽堿、左旋肉堿、TMA等代謝的8個基因出現(xiàn)異常，K07271、K01004、K00130、K00499、K00540等膽堿及左旋肉堿代謝相關(guān)基因和K07811、K07821、K03532等TMA代謝相關(guān)基因表達(dá)異常均可導(dǎo)致TMAO產(chǎn)生增多[18]。

Tang等[2]檢測521例CKD患者血清TMAO水平，分析其與5年全因死亡率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)CKD患者TMAO水平明顯高于非CKD患者，TMAO水平升高可直接導(dǎo)致死亡風(fēng)險增加2.8倍；且TAMO水平是獨立于C反應(yīng)蛋白、腎小球濾過率等傳統(tǒng)風(fēng)險因素的死亡預(yù)測指標(biāo)。綜上所述，TMAO對于CKD進(jìn)展及預(yù)后有直接影響，而腎功能不全進(jìn)展也會進(jìn)一步升高血清TMAO水平，形成惡性循環(huán)。

TMAO與CKD心血管事件

TMAO與動脈粥樣硬化、心功能不全、糖尿病、慢性炎癥等心血管事件高危因素密切相關(guān)，間接影響CKD發(fā)展和結(jié)局。目前已知的TMAO影響CKD心血管事件的分子機制包括：上調(diào)腫瘤壞死因子α(TNF-α)和IL-1β等促炎因子表達(dá)、下調(diào)抗炎因子IL-10表達(dá)；通過PKC/NF-κB通路促進(jìn)VCAM-1表達(dá)，造成內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙；通過MAPK/NF-κB通路促進(jìn)白細(xì)胞黏附；過表達(dá)超氧化產(chǎn)物，加重氧化應(yīng)激；下調(diào)膽固醇代謝限速酶—Cyp7a1和腸道膽固醇轉(zhuǎn)運蛋白(Npc1L1和Abcg5/8)表達(dá)，干擾脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)，促進(jìn)動脈粥樣硬化形成；增加巨噬細(xì)胞清道夫受體CD36和SR-A1表達(dá),促進(jìn)脂質(zhì)聚集和泡沫細(xì)胞形成[15，19]。

Senthong等[20]研究外周血管病患者TMAO水平與死亡風(fēng)險的關(guān)系，結(jié)果顯示血清TMAO水平最高組患者全因死亡率較TMAO水平最低組增加2.7倍，校正心血管病史、炎癥指標(biāo)、超敏C反應(yīng)蛋白、脂蛋白等傳統(tǒng)危險因素后，血清TMAO升高仍是5年全因死亡率的重要預(yù)測因子。除直接血管毒性外，TMAO與其他代謝因素存在復(fù)雜相互影響，血清TMAO和膽堿濃度與年齡、低密度脂蛋白膽固醇水平及血清肌酐數(shù)值呈正相關(guān)。TMAO水平高者磷脂濃度和甲基化水平更低，目前無法明確三者之間因果關(guān)系[21]。

紅肉、雞蛋等高膽堿飲食及高TMAO水平與心臟代謝性風(fēng)險因素增加有關(guān)。Wang等[22]發(fā)現(xiàn)膽堿或添加TMAO飲食可增加主動脈根部粥樣斑塊面積，血清TMAO水平與斑塊面積正相關(guān)，以廣譜抗生素清潔腸道后，膽堿則無法啟動動脈粥樣硬化形成。循環(huán)TMAO水平與冠狀動脈粥樣斑塊的發(fā)展速度呈正相關(guān)，與未發(fā)生斑塊破裂患者相比，斑塊破裂者血清TMAO升高2倍，提示TMAO可能成為冠狀動脈粥樣斑塊進(jìn)展的生物標(biāo)志物[23]。Stubbs等[9]觀察220例CKD患者，分析血清TMAO水平對冠狀動脈粥樣硬化病變的影響，以及基線TMAO水平與長期人存活率的關(guān)系，結(jié)果表明血清TMAO水平是CKD患者發(fā)生冠狀動脈粥樣硬化的獨立預(yù)測指標(biāo)，TMAO有望成為降低CKD心血管死亡率的治療靶點。

TMAO對于心功能不全、糖尿病等CKD心血管事件高危因素有明確影響。腸道缺血引起腸道菌群易位、代謝產(chǎn)物增加，促進(jìn)炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激，造成心功能不全。TMAO水平升高與心肌擴張功能障礙、患者生存率下降有關(guān)，可直接加重心功能不全[24-26]。動物實驗結(jié)果顯示，飲食中補充TMAO或富含膽堿飲食可導(dǎo)致循環(huán)TMAO水平升高，且飲食干預(yù)組小鼠腦鈉肽水平升高，心臟擴大、心室重構(gòu)、射血分?jǐn)?shù)下降、肺水腫等表現(xiàn)均較對照組加重[27]。 現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明隨著糖尿病病程進(jìn)展，患者循環(huán)TMAO水平漸進(jìn)性升高，但目前尚無針對血清TMAO與糖尿病發(fā)生發(fā)展因果關(guān)系的動物實驗研究結(jié)果。臨床研究顯示相比于健康個體，2型糖尿病患者進(jìn)食富含磷脂酰膽堿飲食后全因死亡率及心血管疾病死亡率明顯升高[28]。Dambrova等[29]檢測糖尿病db/db小鼠和非糖尿病db/L小鼠體內(nèi)TMAO水平，發(fā)現(xiàn)糖尿病小鼠較非糖尿病小鼠血清TMAO水平升高10倍，且與左旋肉堿濃度無關(guān)。臨床觀察結(jié)果提示TMAO與糖尿病獨立相關(guān)，不受左旋肉堿水平影響[29]。一項觀察性研究顯示TMAO水平升高是糖尿病患者全因死亡及心肌梗塞、心功能不全、不穩(wěn)定性心絞痛等心血管事件的有效預(yù)測因子[30]。TMAO對于糖尿病的影響有待深入探討。

抑制TMAO合成與CKD治療

干預(yù)飲食、限制膽堿或左旋肉堿攝入有助于減少TMAO生成。高纖維、低蛋白膳食使素食者循環(huán)TMAO、甲基吲哚酚、硫酸吲哚酚等毒素水平明顯低于正常飲食者[3]。近年來，研究發(fā)現(xiàn)靶向性抑制TMAO合成有助于治療CKD心血管疾病。

3,3-二甲基-1-丁醇(3,3-dimethyl-1-butanol,DMB)具有抑制多種微生物TMA裂解酶的功能，通過減少TMA合成降低血清TMAO水平。研究表明，DMB可抑制膽堿飲食所致內(nèi)源性巨噬泡沫細(xì)胞形成，減輕動脈粥樣硬化病變，提示DMB抑制腸道微生物產(chǎn)生TMAO，可以延緩代謝性疾病的心臟病變進(jìn)展[31]。Li等[32]證實隨年齡增加，循環(huán)TMAO水平升高，促進(jìn)前炎癥因子及超氧化物產(chǎn)生，造成衰老相關(guān)內(nèi)皮功能障礙，主動脈表達(dá)內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)減少，而飲食添加DMB則有助于改善內(nèi)皮功能，減輕血管炎癥及氧化應(yīng)激。含DMB飲食可以降低高糖高脂飲食導(dǎo)致的血清TMAO水平升高，降低心臟組織促炎因子TNF-α和IL-1β表達(dá)，增加抗炎因子IL-10表達(dá)，減輕心臟間質(zhì)纖維化和收縮舒張功能受損等[33]。在CKD模型鼠，eNOS絲氨酸1177和蘇氨酸495位點磷酸化異常，導(dǎo)致eNOS活性下降，經(jīng)DMB處理后，上述位點磷酸化恢復(fù)正常，eNOS活性改善，表明DMB可影響血管eNOS活性，改善一氧化氮生物利用度，有助于維持血管功能[34]。 高脂飲食誘導(dǎo)性肥胖小鼠腎組織煙酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化酶4(NOX-4)、TNF-α和IL-1β表達(dá)較低脂飲食小鼠明顯升高，DMB處理可下調(diào)高脂飲食組小鼠腎臟NOX-4和促炎因子表達(dá)，減輕腎臟間質(zhì)纖維化，改善腎功能[35]。 由此可見，低膽堿、低脂飲食有利于下調(diào)血清TMAO水平，對CKD患者心血管系統(tǒng)有保護(hù)作用，DMB有望成為CKD營養(yǎng)治療的新策略。

小結(jié):腸道菌群代謝產(chǎn)物TMAO是CKD的重要生物標(biāo)志物，參與CKD及其伴隨心血管事件的發(fā)生發(fā)展。TMAO是重要的CKD風(fēng)險預(yù)測因子，其合成抑制劑DMB可能成為CKD營養(yǎng)治療的新方法。