三甲胺-N-氧化物與心血管疾病研究進展

張再強 丁家望 汪心安

(三峽大學第一臨床醫(yī)學院 宜昌市中心人民醫(yī)院心內科，湖北 宜昌 443003)

研究表明腸道微生物代謝產物三甲胺-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〔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、魚及蛋類等)經(jīng)腸道微生物轉化生成三甲胺(TMA)，在肝酶和黃素單加氧酶(FMO)3的作用下生成〔5〕。本文就TMAO的生物學特性及其在心血管疾病中的作用進行綜述。

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TMA主要來源于直接攝入富含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)腸道微生物轉化生成TMA〔6〕。TMA是一種能夠透過腸壁的氣體，在腸道吸收后通過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代謝過程中的重要調控因子，生物體內FMO3的活性是FMO1的10倍，在小鼠體內過表達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，但是其相關性也存在很大的個體差異，這與腸道內微生物的組成有關。使用廣譜抗生素治療1 w后發(fā)現(xiàn)小鼠體內TMAO水平明顯降低〔11〕，說明TMAO的產生與腸道細菌的活性密切相關。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、滲透反應和靜水壓的調節(jié)，也可以調節(jié)各種酶和激素的活性〔12〕。有研究對哺乳動物血漿TMAO濃度進行評估，發(fā)現(xiàn)在人體內其濃度為3～40 mmol/L，而在小鼠體內低于 5 mmol/L〔5,13〕。

2 TMAO與心血管疾病

2.1TMAO與動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化是一種主要累積大中動脈的常見心血管疾病，嚴重危害人類健康。越來越多的證據(jù)表明炎癥、免疫反應、內皮功能障礙及代謝紊亂在動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展過程中起重要作用。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升高循環(huán)中的TMAO水平，促進動脈粥樣硬化的進展。進一步研究發(fā)現(xiàn)高水平的TMAO與動脈粥樣硬化負荷增加及冠脈病變復雜程度相關〔14〕。對1 020例患者進行橫斷面分析發(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)量呈劑量依賴相關性〔5〕。而在一項包括227例因冠狀動脈疾病、瓣膜性心臟病或主動脈疾病而行冠狀動脈手術的患者橫斷面研究中發(fā)現(xiàn)相對于低TMAO患者，高TMAO患者冠狀動脈梗死數(shù)量較多，面積較大〔15〕。研究發(fā)現(xiàn)FMO3在肝臟脂質代謝及炎癥反應的調節(jié)過程中至關重要〔16〕，進一步研究發(fā)現(xiàn)TMAO也可以調節(jié)脂質代謝，這些都會增加患心血管疾病的風險〔11〕。在Ldlr-/-小鼠中應用反義寡核苷酸來抑制FMO3可以導致循環(huán)中TMAO水平降低，抑制動脈粥樣硬化嚴重形成〔9〕。TMAO可以使糖耐量受損惡化、促進脂肪組織炎癥反應，這與冠心病的復雜性和動脈粥樣硬化嚴重程度有關〔9,17〕。在ApoE-/-小鼠模型中，TMAO可以促進泡沫細胞的形成，加速動脈粥樣硬化斑塊的進展〔5〕。所以TMAO促進動脈粥樣硬化是通過促進泡沫細胞的形成和干擾粥樣斑塊中膽固醇的逆向轉運來完成的。TMAO可以影響促動脈粥樣硬化形成的巨噬細胞表型產生、膽汁酸的合成，并且可以影響巨噬細胞、肝臟和腸道內膽固醇的代謝〔11〕。研究表明在體內TMAO可以與血小板相互作用，從而改變鈣信號，促進血小板高反應性及血栓表型〔18〕。另外，TMAO可以快速誘導主動脈內皮細胞炎癥相關基因表達，這說明TMAO可能通過另一種通路促進動脈粥樣硬化〔19〕。循環(huán)中TMAO水平可以誘導血管炎癥、氧化應激和內皮功能障礙。TMAO可以促進促炎細胞因子表達和超氧化物的生成，并且可以使主動脈內皮型一氧化氮合酶(eNOS)表達減少。這些都表明循環(huán)中的TMAO水平升高可以通過增高血管炎癥和氧化應激來減弱eNOS來源的NO的生物利用度，進一步加重年齡相關性內皮功能障礙，誘導動脈粥樣硬化的發(fā)生〔20〕。此外，在動物實驗和臨床研究中發(fā)現(xiàn)膳食中的TMAO可以上調與動脈粥樣硬化相關的多種巨噬細胞清道夫受體的表達，促進動脈粥樣硬化斑塊的形成〔2,5〕。研究發(fā)現(xiàn)TMAO可以誘導內皮細胞功能障礙，促使單核細胞黏附于動脈血管壁，促進動脈粥樣硬化進展〔21〕。Seldin等〔19〕發(fā)現(xiàn)TMAO可以通過絲裂原活化蛋白激酶途徑促進血管炎癥，這些都是早期泡沫細胞形成的標志。TMAO還可以誘導核轉錄因子(NF)-κB磷酸化，磷酸化的NF-κB可以轉運至核內，調節(jié)多種動脈粥樣硬化相關基因表達〔21〕。

2.2TMAO與心力衰竭 心力衰竭是包括動脈粥樣硬化性心臟病在內的多種心血管疾病的常見不良并發(fā)癥。表現(xiàn)為心肌缺血、血管功能障礙和心肌纖維化導致的進行性舒張功能不全或進行性心肌損害及心臟重塑導致收縮功能障礙。雖然近年來對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。有研究認為炎癥反應及代謝紊亂在其發(fā)展過程中發(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展密切相關〔23〕。研究發(fā)現(xiàn)TMAO水平與晚期左心室舒張功能障礙有關并且可以預測慢性收縮性心力衰竭不良的長期臨床結局〔24〕。一項大規(guī)模的隊列研究發(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，并且不依賴于心腎指數(shù)〔25〕。對于慢性收縮性心力衰竭，TMAO也有很強的預后價值。研究發(fā)現(xiàn)TMAO水平升高與心力衰竭患者的嚴重程度、缺血性病因及不良預后相關〔23〕。循環(huán)中的TMAO水平升高會加重心力衰竭患者的嚴重程度，表現(xiàn)為病理性左心室擴張，左室射血分數(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是心排量減少和體循環(huán)淤血，這些可能導致腸壁缺血和水腫，隨后就會出現(xiàn)腸道結構和功能改變，包括腸壁滲透性增高，微循環(huán)障礙及腸道微生物種類和數(shù)量的增加。研究還發(fā)現(xiàn)TMAO水平可以預測心力衰竭患者死亡風險并且優(yōu)于傳統(tǒng)的危險因素BNP和表皮生長因子受體(EGFR)〔25〕。而對于急性心力衰竭患者的研究也發(fā)現(xiàn)TMAO水平可以預測住院患者的死亡風險并且與1年內的不良預后及腎功能不全密切相關〔27〕。

2.3TMAO與高血壓 高血壓是不良心血管事件的獨立危險因素，發(fā)病機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，當無菌小鼠腸道內的細菌完全消除時，表現(xiàn)為相對較低的血壓〔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展，這說明腸道微生物及其代謝產物在血壓調節(jié)過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程及藥物治療上發(fā)揮重要作用〔30〕。Ang Ⅱ在哺乳動物體內可以通過自分泌和旁分泌作用發(fā)揮生理作用。Ufnal等〔31〕發(fā)現(xiàn)在給小鼠單獨輸入Ang Ⅱ后在第一個5天內血壓會顯著升高，隨后血壓恢復正常，但同時輸入Ang Ⅱ和TMAO后血壓會持續(xù)升高，這說明TMAO可以延長Ang Ⅱ的升壓效果。血管內皮細胞功能在血壓的調節(jié)過程也起重要作用。當血管內皮功能障礙時，伴隨著內皮細胞產生血管擴張物質和血管收縮物質的異常，主要表現(xiàn)在NO生物利用度的降低及環(huán)氧合酶來源的血管收縮物質產生增多〔32〕。研究發(fā)現(xiàn)TMAO可以損害血管內皮自我修復功能，促進內皮細胞中血管細胞黏附分子(VCAM)-1表達及單核細胞的黏附作用〔21〕。說明TMAO可以通過導致內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，它可以通過不同途徑來降低TMAO濃度〔33〕。米屈肼最開始是作為抗心肌缺血藥物運用于各種急慢性缺血性心臟病的治療。研究發(fā)現(xiàn)它可以通過抑制γ-丁基甜菜堿羥化酶來減少左旋肉堿的合成〔34〕。通過米屈肼的治療可以抑制腎臟左旋肉堿的重吸收同時促進TMAO的尿液排泄〔35〕。進一步研究也發(fā)現(xiàn)它可以抑制左旋肉堿通過腸道菌群依賴性方式合成TMAO〔36〕。在臨床研究〔37〕和動物實驗〔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是一種膽堿結構類似物。使用DMB可以抑制細菌源性TMA的生成，降低血漿TMAO水平，減少動脈粥樣硬化形成〔39〕。DMB可以抑制體內膽堿和左旋肉堿轉化為TMA，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、膽堿和其他促動脈粥樣硬化的危險因素，但是可以顯著降低TMAO濃度，減少巨噬細胞源性泡沫細胞形成和主動脈粥樣斑塊的進展〔40〕。除此之外，DMB還可以抑制TMA和TMAO形成相關性菌群的活性，維持相對正常的腸道菌群環(huán)境〔40〕。進一步的研究還發(fā)現(xiàn)DMB可以抑制促炎細胞因子的表達，減少超氧化物的形成，促進主動脈eNOS的產生〔20〕，起到保護血管內皮細胞的作用。

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

綜上，腸道微生物代謝產物TMAO與多種心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關。干預治療減少TMAO及其前體TMA的生成可以明顯降低心血管疾病的發(fā)生。在動物實驗中改善飲食結構、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。