氧化三甲胺在老年常見腦血管疾病中的研究進展

李誕 王佳賀

作者單位：110004 遼寧省沈陽市，中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)院全科醫(yī)學科

腦-腸道-微生物群軸作為人體內的廣泛通信網絡，已被證明其相互作用對大腦的結構和功能以及生理和行為的多種特征等許多方面意義重大，腸道菌群的種類與分布也被認為與情緒和認知的發(fā)展息息相關。氧化三甲胺 (TMAO) 是一種由膽堿、甜菜堿和肉堿經由腸道微生物代謝產生的分子，其血漿水平由飲食、腸道微生物群、藥物使用和黃素單加氧酶活性等多種因素決定。目前的臨床研究證明，TMAO血漿水平升高與老年人主要不良腦血管事件風險增加之間存在正相關。本文將對TMAO與腦血管疾病發(fā)生風險的關系進行綜述。

1 腦血管疾病

腦血管疾病主要分為缺血性及出血性，臨床上一般表現(xiàn)為短暫性腦缺血發(fā)作(TIA)、腦卒中、腦動脈炎、認知障礙等。其中腦卒中引起的局灶性中樞神經系統(tǒng)損傷是發(fā)達國家成年人死亡和致殘的主要原因。而在我國，近年的流行病學研究表明，總體卒中終生發(fā)病風險為39.9%，位居全球首位，也是我國疾病所致壽命損失年的第一位病因[1]，其中40歲及以上居民標準化患病率已達2.19%[2]。在世界范圍內，人口老齡化態(tài)勢難以逆轉，腦血管疾病的預計發(fā)病率也必將隨之不斷增加。腦血管疾病的高致殘率造成了沉重的社會負擔，因此其臨床前期的防治刻不容緩。目前，影像學技術仍在急性腦血管疾病的診療中發(fā)揮著重要作用，但現(xiàn)有的預測模型對預后的評估效率不高，故尋找新的預后評估方式具有重大意義。近年來，基因測序技術的發(fā)展使我們認識到很多腸道菌群的代謝產物在腦血管疾病的進展中起著重要作用，但其在臨床中的應用還需要更進一步的探索。

2 TMAO

TMAO作為與血管疾病最相關的腸道微生物代謝產物之一，是一種由膽堿、甜菜堿和肉毒堿生成的氧化胺，其主要通過攝入富含膽堿、左旋肉堿和磷脂酰膽堿的食物而來。經由人類的腸道微生物群加工，這些膽堿、左旋肉堿和磷脂酰膽堿被轉化為三甲胺(TMA)，再經過門脈系統(tǒng)進入肝臟，被黃素單加氧酶3(FMO3)氧化為TMAO，隨后釋放入血液產生作用。此外，TMAO還能夠發(fā)揮保護作用，參與穩(wěn)定蛋白質結構和滲透壓的調節(jié)[3]。由于腸道菌群分布存在個體差異，TMAO的分泌也有所不同，其分泌水平與主要不良心腦血管事件的發(fā)生相關，這揭示了TMAO在預測腦血管疾病風險方面的價值。盡管TMAO被證實在動脈粥樣硬化、高血壓、2型糖尿病、腦卒中、認知障礙等多種心腦血管疾病的發(fā)生發(fā)展中水平升高[4]，但也有研究出現(xiàn)了一些相反的結果。Yin等[5]通過病例對照研究發(fā)現(xiàn)，大動脈粥樣硬化性缺血性腦卒中和TIA發(fā)作病人的腸道微生物群表現(xiàn)出明顯的失調，他們血液中的TMAO水平降低。

3 TMAO在腦血管疾病中的作用

雖然腦血管疾病通常表現(xiàn)為急性發(fā)作，但其具有長期的臨床前階段，這是各種病理改變相互作用并長期積累的結果。造成血管損傷的病理因素主要包括動脈粥樣硬化、炎癥反應以及血管內皮損傷。目前的臨床研究結果表明，TMAO或許在其發(fā)生發(fā)展的過程中發(fā)揮了重要作用。

3.1 TMAO與TIA TIA是一種由局灶性腦、脊髓或視網膜缺血引起的神經功能障礙的短暫發(fā)作。Yin等[5]發(fā)現(xiàn)TMAO在卒中和TIA病人中水平顯著降低。盡管無法確定這些變化是發(fā)生在卒中或TIA發(fā)作之前還是之后，但這種腸道菌群失調和TMAO水平變化對病人的長期影響顯然需要進一步研究。此外，他還發(fā)現(xiàn)卒中和TIA病人的腸道微生物群較健康對照組發(fā)生了顯著的變化，條件致病菌在腦卒中和TIA病人中富集，變形菌不但在卒中和TIA病人中更豐富，且與病情嚴重程度呈正相關。

3.2 TMAO與腦卒中 腦血管損傷的病理過程一般最終表現(xiàn)為缺血性或出血性腦卒中。缺血性腦卒中腦動脈血栓形成會導致受累血管供應的腦組織血流量嚴重減少，其核心區(qū)域損傷不可逆轉，大部分神經元會因壞死而迅速死亡；而腦動脈破裂引起的出血性腦卒中會導致血腫區(qū)域神經元壞死，周圍區(qū)域細胞凋亡延遲[6]。

3.2.1 TMAO引起高血壓致腦卒中發(fā)病：高血壓是缺血性腦卒中和出血性腦卒中的主要危險因素，卒中的發(fā)生率與收縮壓和舒張壓成正比已被證實。腸道菌群失調已經在高血壓病人和相關的動物模型中得到證實：其腸道菌群的豐富度及多樣性急劇下降[7]。TMAO在高血壓發(fā)生過程中起重要作用，主要可歸因于脂糖代謝和炎癥兩種途徑。TMAO能夠阻礙膽固醇的正常代謝。據報道，連續(xù)補充8周TMAO未改變ApoE-/-小鼠的體質量，其脂肪量卻明顯增加，TG、TC和LDL-C水平升高[8]。FMO3的表達可以被餐后胰島素抑制并被空腹胰高血糖素刺激[9]，從而影響TMAO的生成。TMAO能夠增強白細胞募集以及促炎性細胞因子IL-1β、IL-18、TNF-α的表達，降低抗炎性細胞因子IL-10的表達[10]?；诖罅咳巳旱腗eta分析表明，TMAO濃度與高血壓風險之間存在劑量依賴的正相關關系，高TMAO的個體更易罹患高血壓[11]。Nie等[12]通過病例對照研究發(fā)現(xiàn)高水平的TMAO與高血壓病人首次卒中發(fā)生的風險增加有關。Ufnal等[13]的研究證實，在血壓正常的大鼠中，TMAO能夠通過影響受體結構和血管緊張素Ⅱ (Ang Ⅱ)，延長AngⅡ升高血壓的作用。

3.2.2 TMAO引起動脈粥樣硬化致腦卒中發(fā)?。褐饕B內動脈粥樣硬化會導致血管管腔從輕微的管壁增厚發(fā)展到使血流動力學顯著改變的管腔狹窄，并且已被證明是世界范圍內卒中最常見的原因之一[14]。TMAO促進動脈粥樣硬化形成的主要機制有：TMAO可部分增加促動脈粥樣硬化清道夫受體CD36及A(SRA)在巨噬細胞內的表達，阻礙膽固醇轉運并促進巨噬細胞泡沫細胞形成，并在此基礎上通過絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和NF-κB信號通路促進內皮細胞炎性反應[15]。TMAO能夠減少膽固醇7α-羥化酶的生成，從而減少膽汁酸生成，造成膽固醇在細胞內的堆積；也能夠通過增加細胞黏附因子1(VCAM-1)的表達，促進單核細胞黏附，活化蛋白激酶 C (PKC) 和 p-NF-κB，進一步導致動脈粥樣斑塊的形成[16]。Stancu等[17]的研究證實，益生菌混合物(乳酸桿菌和動物雙歧桿菌)對高血脂倉鼠具有降血脂和抗氧化作用，從而影響動脈粥樣斑塊的形成。曾有隊列研究表明，動脈粥樣硬化不良結果數量的增加與TMAO的水平升高相關[18]。但也有研究表明，無癥狀動脈粥樣硬化病人的空腹血TMAO水平與健康對照組相比沒有明顯差異[11]。

3.2.3 TMAO引起高血糖致腦卒中發(fā)病：腦卒中病人的病例對照研究和前瞻性流行病學研究證實了高血糖對缺血性腦卒中的獨立影響，糖尿病病人罹患腦卒中的相對風險增加了1.8～6倍[19]。糖尿病會導致脂肪代謝紊亂，加速動脈粥樣硬化，使得血液黏度增加，還會導致體內血小板功能及抗凝作用變差，其引起的血液成分改變會引起缺血性腦卒中[20]。TMAO可以通過阻礙肝臟胰島素信號通路，導致高脂肪飲食小鼠脂肪組織中炎癥的發(fā)生，促進胰島素抵抗與2型糖尿病的發(fā)生。Heianza等[21]也證明了TMAO水平有助于調節(jié)葡萄糖代謝和胰島素敏感性。Shan等[22]的研究表明，血漿TMAO水平升高與2型糖尿病的發(fā)病風險增加有關。這提示我們，TMAO可以通過干擾代謝通路影響血糖水平，從而作用于腦卒中的發(fā)生與發(fā)展。

3.3 TMAO與腦動脈炎 侵犯中樞神經系統(tǒng)的炎癥被稱為中樞神經系統(tǒng)血管炎，它是一種因病原體感染、免疫變態(tài)反應及藥物作用所引起的，以肢體癱瘓、精神異常等為主要表現(xiàn)的腦血管損傷，其中感染性動脈炎更為多見[23]。無論是病毒、細菌還是寄生蟲均能夠通過各種機制刺激自身免疫反應的發(fā)生，從而造成免疫復合物介導的損傷，或者直接侵入血管壁，導致血管的炎癥反應，因此及時的抗菌治療對血管炎有效。而現(xiàn)今已有許多令人信服的證據表明TMAO與炎癥之間存在關聯(lián)。Chen等[10]的研究表明，TMAO能夠通過抑制去乙酰化酶3(SIRT3)-超氧化物歧化酶2(SOD2)-線粒體活性氧(ROS)信號通路顯著觸發(fā)氧化應激，激活NLRP3炎癥小體，從而促進血管炎癥導致內皮細胞功能障礙。Rohrmann等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，高水平TMAO病人的TNF-α、sTNF-R p55和sTNF-R p75血漿濃度高于低水平TMAO病人(P<0.05)。

3.4 TMAO與認知功能障礙 Li等[25]的研究證實，TMAO能夠通過抑制雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號通路增加突觸損傷，減少突觸可塑性相關蛋白的表達，在SAMR1與SAMP8小鼠中誘導并加重與衰老相關的認知功能障礙。腸道微生物與AD之間的關聯(lián)與炎癥在其病程中的核心作用有關。也有研究表明，TMAO作為有機滲透劑能夠在朊病毒疾病中發(fā)揮保護作用。TMAO能夠抑制癢病朊病毒蛋白 (PrPC) 轉化為致病亞型 (PrPSc)，后者與傳染性海綿狀腦病有關[26]。TMAO也被證實在固有無序蛋白 (IDP) 的構象中發(fā)揮作用。 IDP是不具有穩(wěn)定三維結構的蛋白質，其中一種IDP是α-突觸核蛋白，它可以聚集成有毒的原纖維，作為路易小體的主要成分之一，并且與帕金森病和其他神經退行性疾病有關[27]。

4 TMAO在腦血管疾病防治中的作用

4.1 腸道菌群調節(jié) 微生物對健康和疾病的影響越來越被證明是不能忽視的，利用益生菌來加強宿主與微生物之間的共生關系在防治心腦血管疾病、代謝、免疫甚至與應激相關的精神疾病方面具有巨大的潛力。已有研究證實,TMAO可以反映人體腸道微生物群情況，這提示我們可以通過腸道微生物群的調節(jié)來控制腦血管疾病的風險[28]。Leblhuber等[29]的研究表明，為AD病人補充益生菌會影響其腸道菌群的組成以及血清中色氨酸的代謝。Tenore等[30]的研究表明，口服乳酸發(fā)酵Annurca蘋果泥(lfAAP)的試驗組，其TMAO水平顯著降低。有研究表明心腦血管疾病的發(fā)生與病原體的作用有關，如螺旋桿菌、衣原體、肺炎衣原體及巨細胞病毒[31]。迄今為止，在人群中所進行的前瞻性隨機試驗未能證明抗生素的使用對心腦血管疾病的發(fā)生有保護作用。在環(huán)境因素作用仍存在爭議的情況下，動脈粥樣硬化易感性與腸道微生物之間的相關性獲得了學術界極大的關注。Tang等[32]的研究表明，服用廣譜抗生素抑制腸道菌群后，血漿TMAO水平顯著降低，而停藥之后又再次出現(xiàn)升高。需要注意的是，抗生素的長期服用可能會導致藥物耐藥性。因此，使用抗生素來降低TMAO的方法似乎還有待進一步商榷。

4.2 飲食調節(jié)與運動 微生物群是高度可塑的，可以隨著飲食的變化而迅速改變，因此隨著對心腦血管疾病中所涉及的特定細菌加以了解，或許可能通過應用飲食調節(jié)的方法來治療或預防心腦血管疾病。Koeth等[33]的研究表明,在通過微生物群依賴性機制攝入左旋肉堿后，雜食性受試者顯示出比純素食者/素食者更高水平的 TMAO，而人類糞便中的特定細菌分類群與血漿TMAO水平和飲食狀況有關。Cho等[28]的研究發(fā)現(xiàn)，食用魚類產生的TMAO代謝物的數量是雞蛋或牛肉的幾倍。當前也有研究發(fā)現(xiàn)，TMAO的水平與纖維攝入量呈負相關(P<0.05)[34]。因此通過飲食進行早期干預，限制高脂飲食，增加膳食纖維的攝入或許可以改變腸道菌群的種類與分布，從而干預TMAO的產生，降低腦血管疾病的發(fā)生。此外，運動也已被證明有助于改變腸道微生物群的分布以及多樣性，雖然有研究表明在適當熱量飲食組所進行的12周監(jiān)督運動未能顯著降低TMAO水平，這或許可通過個體差異來解釋，但該分組出現(xiàn)了許多有益的結果，如減輕體質量與改善腹型肥胖、提高外周胰島素敏感性以及降低TG與TC的水平。因此，運動仍是改善心腦血管及代謝疾病的有效治療方法[28]。

4.3 代謝通路靶向治療 TMAO的產生依賴于腸道微生物的代謝，這或許為靶向微生物組學的治療創(chuàng)造了機會。作為TMAO的前體物質，抑制TMA的產生能夠降低TMAO的生成。而膽堿的結構類似物3,3-二甲基-1-丁醇(DMB) 被證實可以通過抑制不同的微生物 TMA裂解酶，抑制培養(yǎng)微生物中TMA的形成，從而抑制動脈粥樣硬化的發(fā)生與發(fā)展[35]。Ryan等[36]的研究表明，植物甾醇酯 (PSE)能夠抑制TMA的產生，有效減少膽固醇的積累。FMO3能夠將TMA轉化為TMAO，可有研究表明，F(xiàn)MO3 敲除 (FMO3KO) 小鼠全身TMAO水平顯著降低，其體內血栓形成的可能性也大大下降[37]。由于代謝過程還存在許多盲區(qū)，采取以上這些中間作用物進行治療的措施仍存在各種各樣的不良反應，需要進行更深一步的研究證實。

5 展望

風險評估能夠作為改善人們生活方式與疾病治療的戰(zhàn)略性工具，因此研究者們仍在不斷地尋找可靠的診斷生物標志物。盡管臨床研究表明，血漿TMAO水平升高與TIA、腦卒中、認知障礙等疾病發(fā)生的風險之間存在相關性，但TMAO作為疾病的標志物仍有很大的局限性。首先其血漿濃度就存在很大的個體差異，而飲食作為TMAO前體的來源，也成為TMAO合成的影響因素，此外TMAO的血漿水平也受到腸道微生物組成的影響，而后者又存在年齡、種族和性別的差異[38]。腸血屏障對TMA的通透性也能夠影響TMAO的血漿水平，即TMAO血漿水平的升高可能是由于腸道-血液屏障損傷或者肝臟代謝活動增強。值得一提的是，TMAO的血漿水平也會受到腎臟TMAO排泄率的影響?，F(xiàn)有研究大多局限于單一時間點，且大多是在動物模型中得到的結果，缺乏在人群中有意義的前瞻性對照研究。綜上所述，TMAO成為腦血管疾病早期診斷、預后效果、治療靶點的生物標志物仍需要進一步更加具體、全面的探索與研究。