氧化三甲胺與心血管疾病的相關(guān)研究進展

蒼海，李悅

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院心內(nèi)科，哈爾濱 150001)

人體由真核細(xì)胞與體內(nèi)共生的微生物群落共同組成，其中絕大多數(shù)微生物群落位于腸道內(nèi)，被稱為腸道菌群。腸道菌群不僅可以代謝機體無法自主代謝的物質(zhì)，還參與機體的代謝與機體形成共代謝關(guān)系，從而產(chǎn)生一系列代謝產(chǎn)物。近年來，腸道菌群相關(guān)代謝產(chǎn)物與疾病之間的關(guān)系受到研究者們的廣泛關(guān)注[1]。氧化三甲胺(trimethylamine oxide，TMAO)作為腸道菌群的重要代謝產(chǎn)物，可通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激、能量代謝和免疫反應(yīng)等生物學(xué)過程對人體健康狀態(tài)發(fā)揮重要調(diào)控作用[2]。近年來，TMAO與多種疾病(如心腦血管疾病、結(jié)締組織病、癌癥、慢性腎臟病)的相關(guān)性成為研究熱點[3-6]。目前，隨著人口老齡化的加劇以及傳染性疾病發(fā)病率的逐年下降，心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)已經(jīng)成為世界上最常見的死亡原因。盡管醫(yī)療水平不斷提升，但CVD的發(fā)病率和病死率仍居高不下，因此深入研究CVD的發(fā)病機制并探索新的治療手段意義重大。多項研究顯示，TMAO參與高血壓、心房顫動、冠心病、心力衰竭等多種CVD的發(fā)生發(fā)展過程，但其具體機制尚未完全闡明[7-9]。現(xiàn)就TMAO與CVD的相關(guān)研究進展予以綜述。

1 TMAO的生成與代謝

人體內(nèi)TMAO的來源十分廣泛，首先TMAO是大多數(shù)魚類體內(nèi)自然存在的內(nèi)源性物質(zhì)，因此人體內(nèi)部分TMAO是由進食魚類食品而直接吸收；另外，多種食物(如蛋類、乳制品、咸水魚及紅肉)中所富含的膽堿、肉堿及卵磷脂等含有三甲胺結(jié)構(gòu)的成分也是TMAO的潛在來源。機體小腸通過特定轉(zhuǎn)運蛋白吸收肉堿、膽堿及卵磷脂等營養(yǎng)成分，但吸收往往不完全，未被小腸完全吸收的膽堿、肉堿及卵磷脂等營養(yǎng)物質(zhì)將隨腸道蠕動到達(dá)大腸，并在腸道菌群產(chǎn)生的三甲胺裂解酶作用下生成三甲胺[10]。三甲胺是一種腥臭味氣體，可由腸道吸收入血，并經(jīng)門靜脈系統(tǒng)到達(dá)肝臟，在肝臟內(nèi)通過單加氧酶的氧化作用生成TMAO，最終TMAO經(jīng)血液循環(huán)分布于全身[11]。極少數(shù)人因基因突變導(dǎo)致體內(nèi)單胺氧化酶缺乏，導(dǎo)致三甲胺無法轉(zhuǎn)化為TMAO，使過多的三甲胺經(jīng)尿液及汗液排出體外，臨床稱為魚腥味綜合征[12]。三甲胺也是CVD的重要危險因素，Jaworska等[13]通過對健康人群和符合主動脈瓣置換術(shù)適應(yīng)證的CVD患者進行對比分析，發(fā)現(xiàn)三甲胺可導(dǎo)致乳酸脫氫酶和白蛋白結(jié)構(gòu)降解，進而降低心肌細(xì)胞活力，最終導(dǎo)致人體內(nèi)的TMAO主要經(jīng)腎臟隨尿液排出體外(近95%)，少部分隨糞便(約4%)和呼吸(約1%)排出體外。

2 TMAO與CVD的相關(guān)性

2.1TMAO與高血壓 高血壓的一級預(yù)防是防治工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，明確高血壓的危險因素并予以積極控制可有效降低高血壓的發(fā)病率，且對改善患者預(yù)后意義重大。TMAO與高血壓的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。最新薈萃分析(納入6 176例高血壓患者)顯示，血漿TMAO水平與高血壓患病率呈正相關(guān)(RR=1.12)，且血漿TMAO水平每增加10 μmol/L，高血壓的患病率增加20%[7]。但TMAO導(dǎo)致血壓升高的具體機制目前尚未完全明確，TMAO可能通過多種途徑引起機體血壓升高。有報道顯示，自發(fā)性高血壓大鼠血漿TMAO水平顯著升高，而升高的TMAO可導(dǎo)致血漿滲透壓升高，激活大鼠TMAO-精氨酸升壓素-水通道蛋白2軸，增強腎小管對水分的重吸收，導(dǎo)致血壓升高[14]。腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)激活是原發(fā)性高血壓的主要發(fā)病機制，血管緊張素Ⅱ是該系統(tǒng)的主要效應(yīng)物質(zhì)，可通過與血管緊張素Ⅱ受體結(jié)合引起小動脈平滑肌收縮以及促進醛固酮分泌等方式導(dǎo)致血壓升高，但一項動物實驗證實，TMAO可通過延長血管緊張素Ⅱ的升壓作用時間，促進高血壓的發(fā)生與維持[15]。與正常妊娠大鼠相比，子宮灌注壓降低的妊娠大鼠血漿TMAO水平顯著升高，且TMAO可通過促進血管炎癥、氧化應(yīng)激以及下調(diào)白細(xì)胞介素-10的表達(dá)等減少一氧化氮合酶介導(dǎo)的一氧化氮的產(chǎn)生，導(dǎo)致妊娠大鼠血管內(nèi)皮功能障礙及血壓升高[16]。有研究顯示，與健康成年大鼠相比，高血壓大鼠結(jié)腸對TMAO的前體物質(zhì)三甲胺的通透性增加，并伴有大鼠結(jié)腸的形態(tài)學(xué)和血流動力學(xué)改變[17]，提示體內(nèi)TMAO水平改變可能與高血壓的發(fā)生相關(guān)，但具體機制尚需進一步研究證實。

2.2TMAO與心房顫動 心房顫動是臨床常見的心律失常疾病，也是重要的公共健康問題，而血漿TMAO水平與心房顫動直接相關(guān)。一項前瞻性研究對3 793例疑似穩(wěn)定型心絞痛患者進行分析發(fā)現(xiàn)，血漿TMAO水平與心房顫動發(fā)生風(fēng)險呈正相關(guān)，且獨立于心房顫動的傳統(tǒng)危險因素[18]。血漿TMAO水平不僅可用于預(yù)測心房顫動發(fā)生的風(fēng)險，也可用于評估心房顫動的嚴(yán)重程度及預(yù)后。一項對160例心房顫動患者和120例健康人的回顧性研究發(fā)現(xiàn)，心房顫動組患者血漿TMAO水平顯著高于健康對照組，且亞組分析表明，永久性心房顫動組、持續(xù)性心房顫動組和陣發(fā)性心房顫動組患者血漿TMAO水平比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，永久性心房顫動亞組>持續(xù)性心房顫動亞組>陣發(fā)性心房顫動組[19]。另一項臨床研究納入了179例持續(xù)性心房顫動患者，其中68例患者合并缺血性腦卒中，結(jié)果顯示，持續(xù)性心房顫動合并缺血性腦卒中患者的血漿TMAO水平顯著高于普通心房顫動患者[(8.25±1.58) μmol/L比(2.22±0.09) μmol/L](P<0.01)，且TMAO預(yù)測心房顫動患者缺血性腦卒中的最佳臨界值為3.53 μmol/L，靈敏度為75.0%，特異度為92.8%(95%CI0.877～0.957)[20]。該研究首次提出了TMAO是預(yù)測心房顫動患者發(fā)生缺血性腦卒中的重要危險因素，且推測TMAO可能成為CVD新的治療靶點。

心房顫動的發(fā)生通常由小折返或肺靜脈旁心房肌袖內(nèi)的快速興奮灶啟動，而心房顫動的維持則大多依賴單個或多個折返區(qū)域，心房電生理和結(jié)構(gòu)異常共同促進了這一過程。Yu等[21]分別將TMAO和0.9%氯化鈉溶液局部注射到正常犬的神經(jīng)叢，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TMAO明顯激活了犬的心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)，增加了犬心房電不穩(wěn)定性，顯著提高了心房顫動的誘發(fā)率；同時，他們分別將TMAO和0.9%氯化鈉溶液注射到快速心房起搏心房顫動模型犬的心房神經(jīng)叢發(fā)現(xiàn)，TMAO通過促進犬心房自主神經(jīng)重構(gòu)，加重了心房急性電重構(gòu)，導(dǎo)致心房顫動持續(xù)存在；該研究同時提示“腦-腸-心軸”存在的可能性，且腸道菌群可通過其代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)并影響心血管系統(tǒng)。此外，心肌纖維化是心房顫動另一個重要促發(fā)因素，不僅可以導(dǎo)致心房結(jié)構(gòu)異常，還是發(fā)生持續(xù)性心房顫動的重要原因之一，且兩者互為因果，形成惡性循環(huán)。Li等[8]發(fā)現(xiàn)，TMAO可導(dǎo)致心肌細(xì)胞面積增加以及心肌細(xì)胞肥大標(biāo)志物(心鈉素和β-肌球蛋白重鏈)的表達(dá)增加，因此判斷TMAO在心肌肥大和心肌纖維化的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，在多柔比星誘導(dǎo)的小鼠心肌纖維化模型中，TMAO通過激活成纖維細(xì)胞核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3炎癥小體，加重了小鼠的心肌纖維化[22]。Yang等[23]的研究則顯示，TMAO可通過激活轉(zhuǎn)化生長因子-β受體1/Smad2途徑，加速成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化，最終導(dǎo)致小鼠心肌纖維化。目前，TMAO導(dǎo)致心房顫動的具體病理機制尚未完全闡明，有待進一步研究。

2.3TMAO與冠心病 冠心病是指由冠狀動脈粥樣硬化斑塊引起動脈管腔狹窄甚至閉塞，導(dǎo)致局部心肌缺血缺氧的一類最常見的心臟病。一項病例對照研究納入了275例冠心病患者和275例健康個體，結(jié)果顯示，在調(diào)整肥胖、飲食、生活方式和代謝性疾病等冠心病的危險因素后，尿液TMAO水平仍與冠心病發(fā)生風(fēng)險呈正相關(guān)(OR=1.75)[9]。另一項前瞻性研究納入了1 159例1型糖尿病患者，并隨訪15年，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在調(diào)整傳統(tǒng)CVD危險因素后，血漿TMAO水平與心血管不良事件(心肌梗死、經(jīng)皮冠狀動脈介入治療和心力衰竭住院)的發(fā)生率呈正相關(guān)[24]。此外，一項前瞻性研究還發(fā)現(xiàn)，血漿TMAO水平升高可作為冠狀動脈發(fā)生多支病變的獨立影響因素，該試驗納入了335例急性ST段抬高型心肌梗死患者，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，與冠狀動脈單支病變患者相比，冠狀動脈多支病變患者血漿TMAO水平顯著升高(OR=1.16，95%CI1.06～1.29；P=0.001)，再次提示血漿TMAO水平有助于判斷CVD的病情[25]。

目前，TMAO促進冠心病發(fā)生、發(fā)展的機制已成為研究熱點。在冠狀動脈粥樣硬化斑塊形成和發(fā)展過程中，動脈內(nèi)皮損傷和巨噬細(xì)胞通過清道夫受體吞噬低密度脂蛋白膽固醇轉(zhuǎn)變?yōu)榕菽?xì)胞的過程是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而TMAO對動脈內(nèi)皮損傷和泡沫細(xì)胞的形成均有影響。研究發(fā)現(xiàn)，TMAO可引起琥珀酸脫氫酶復(fù)合體B亞單位的表達(dá)上調(diào)，進而引發(fā)動脈內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)的線粒體損傷和活性氧類水平升高，從而導(dǎo)致血管內(nèi)皮損傷，促進動脈粥樣硬化斑塊的產(chǎn)生[26]。而此前TMAO也被證實可通過抑制膽固醇逆向轉(zhuǎn)運和誘導(dǎo)兩種清道夫受體(B類清道夫受體CD36和A1類清道夫受體)的表達(dá)促進泡沫細(xì)胞形成，加速動脈粥樣硬化斑塊的進展[27]。此外，在改善動脈硬化病變的多個治療靶點中，誘導(dǎo)膽汁酸合成以消除體內(nèi)過量的膽固醇是一種有效途徑，而TMAO與人體膽汁酸代謝關(guān)系密切。Ding等[28]用含有0.3%TMAO的飼料喂養(yǎng)apoE-/-小鼠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TMAO可通過激活核受體(小分子異源二聚體和法尼醇X受體)抑制肝臟內(nèi)膽汁酸合成，降低小鼠體內(nèi)膽固醇的清除率，進而加速動脈粥樣硬化斑塊的形成。目前更多進一步的實驗正在進行，以研究TMAO對冠狀動脈粥樣硬化病變的影響。

3 以TMAO為靶點的CVD防治手段

3.1飲食干預(yù) 世界衛(wèi)生組織曾指出，人體健康狀況60%取決于個人生活方式，只有40%取決于基因遺傳、醫(yī)療條件、社會環(huán)境等其他因素[1]。而飲食習(xí)慣又是個人生活方式的重要方面，因此若能以TMAO為靶點，為CVD患者及高危人群提供飲食干預(yù)指導(dǎo)，將對CVD的早期防治提供重要幫助。地中海飲食有益于人類心血管系統(tǒng)健康，首先，地中海飲食所用的食用油多為葡萄籽油和橄欖油，其搭配的酒類也多為葡萄酒，橄欖油中含有豐富的3，3-二甲基丁醇，葡萄籽油和葡萄酒中則含有白藜蘆醇，3，3-二甲基丁醇可以抑制腸道中三甲胺裂解酶的活性，白藜蘆醇則可以改變特定細(xì)菌在腸道菌群中所占的比例，兩者均可導(dǎo)致TMAO的前體物質(zhì)三甲胺的產(chǎn)生減少，從而降低血漿TMAO水平，延緩冠心病患者冠狀動脈粥樣硬化斑塊的進展[29-30]；其次，地中海飲食的制作經(jīng)常包含柑橘類和漿果類水果，而這兩類水果中所含有的黃酮類化合物可以顯著降低血漿TMAO水平，從而減輕血管炎癥反應(yīng)，防止血管內(nèi)皮受損[31]；此外，經(jīng)乳酸菌發(fā)酵的安諾爾卡蘋果漿也被證明可以降低血漿TMAO水平，并提高血漿高密度脂蛋白水平，從而對CVD起到預(yù)防作用[32]。歐洲的一項研究顯示，間歇性禁食可以降低血漿TMAO水平，雖然在恢復(fù)正常飲食后血漿TMAO水平迅速恢復(fù)到基線值，但可以幫助降低CVD發(fā)生風(fēng)險[33]。飲食干預(yù)可有效降低人體內(nèi)的TMAO水平，且具有簡單、有效、可行性強以及不良反應(yīng)小等優(yōu)點。

3.2藥物手段 除飲食干預(yù)外，一些藥物也可降低循環(huán)TMAO水平?？股乜梢詺缒c道內(nèi)產(chǎn)生三甲胺的微生物群，有效控制血漿TMAO水平，而廣譜抗生素(如環(huán)丙沙星和甲硝唑)幾乎可以完全抑制體內(nèi)TMAO生成。研究顯示，與空白對照組相比，給予混合抗生素(萬古霉素、新霉素、甲硝唑和氨芐青霉素)組的小鼠血漿TMAO水平顯著降低，同時巨噬細(xì)胞源性泡沫細(xì)胞的形成亦被抑制[27]。但抗生素在殺滅有害細(xì)菌的同時，也會殺傷腸道內(nèi)的益生菌，甚至?xí)?dǎo)致假膜性腸炎的發(fā)生，不良反應(yīng)較大。因此，應(yīng)用抗生素降低血漿TMAO水平的獲益仍存在較大爭議。此外，補充益生菌及益生元也可以改變腸道菌群的組成及功能，調(diào)節(jié)體內(nèi)TMAO產(chǎn)生。有研究發(fā)現(xiàn)，在高鹽飲食及慢性間歇性低氧誘導(dǎo)的高血壓大鼠模型中，高血壓大鼠血漿TMAO水平顯著升高，而鼠李唐乳桿菌治療可通過降低血漿TMAO水平，改善輔助性T細(xì)胞1/2細(xì)胞因子失衡，抑制胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2、蛋白激酶B和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白的磷酸化，從而降低大鼠的高血壓水平[34]。菊粉可以調(diào)節(jié)腸道菌群平衡，增強免疫功能，甚至對2型糖尿病的預(yù)防有積極作用，研究發(fā)現(xiàn)，與對照小鼠相比，喂食長鏈菊粉和富含低聚果糖菊粉的小鼠血漿TMAO水平顯著降低，且其動脈粥樣硬化斑塊分別縮小了35%和25%[35]。

3.3其他手段 糞便微生物群移植(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT)可以將健康個體的功能性細(xì)菌移植至患者胃腸道內(nèi)，從而達(dá)到抑制致病菌生長和調(diào)節(jié)宿主免疫的目的。TMAO前體物質(zhì)三甲胺的生成需要腸道內(nèi)特定細(xì)菌所產(chǎn)生的三甲胺裂解酶的參與，因此通過改變腸道菌群的構(gòu)成可達(dá)到調(diào)節(jié)體內(nèi)TMAO生成的目的。一項雙盲隨機對照試驗發(fā)現(xiàn)，代謝綜合征患者在接受純素食者的FMT后，腸道菌群構(gòu)成發(fā)生了顯著改變[36]。有研究顯示，無菌小鼠接受高血壓患者的FMT后，血壓顯著升高[37]。因此，移植健康個體糞菌有望成為降低循環(huán)TMAO水平和CVD發(fā)生風(fēng)險的有效措施。但目前相關(guān)研究還較少，且受倫理問題的限制，F(xiàn)MT應(yīng)用于臨床尚有距離。

4 小 結(jié)

隨著社會的發(fā)展，傳染病的流行逐漸消退，但CVD所造成的死亡人數(shù)卻逐年上升。雖然對CVD發(fā)病機制已進行了深入研究，但其確切機制仍不清楚，以致目前的防治手段也較為有限。TMAO與原發(fā)性高血壓、冠心病、心律失常及心力衰竭等多種CVD關(guān)系密切，且有望成為評估病情和預(yù)后的重要指標(biāo)。雖然有部分研究試圖尋找以TMAO為靶點的CVD的防治手段，但仍未廣泛應(yīng)用于臨床。因此，未來仍需更多的基礎(chǔ)和臨床研究來探索TMAO影響CVD發(fā)生、發(fā)展的具體機制，以為預(yù)防和治療CVD提供新策略。