氧化三甲胺與常見慢性疾病相關(guān)研究進(jìn)展

孫功鵬，高月蘭，魏家燕，陳天洪，金潔瑩 綜述，武軍駐 審校

(武漢大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，湖北武漢 430071)

冠心病、中風(fēng)和糖尿病等是近年來造成人類死亡的主要原因，而阿爾茲海默病(AD)則被認(rèn)為是造成老年人癡呆癥發(fā)生及死亡的常見原因[1]，因此對(duì)心腦血管疾病、糖尿病等慢性非傳染性疾病的預(yù)防、診斷、治療及預(yù)后評(píng)估的研究具有重要的臨床意義。人體腸道系統(tǒng)內(nèi)存在大量微生物群落，其代謝產(chǎn)物約占人體血液小分子的20%[2]，微生物群落及其代謝產(chǎn)物幾乎對(duì)人體所有器官的發(fā)育、代謝和功能均產(chǎn)生一定影響，因此腸道菌群與疾病的關(guān)系越來越被關(guān)注。氧化三甲胺(TMAO)作為人類腸道菌群的重要代謝產(chǎn)物之一，被認(rèn)為與心腦血管系統(tǒng)疾病、AD、慢性腎病和2型糖尿病等疾病相關(guān)[3]，本文主要就TMAO與人體常見慢性疾病發(fā)生、發(fā)展關(guān)系的研究進(jìn)展作一綜述，以期為臨床治療及科學(xué)研究提供參考。

1 人體內(nèi)TMAO的來源

早期研究發(fā)現(xiàn)，TMAO是一種天然存在于海洋魚類中的滲透物，通過改變細(xì)胞化學(xué)環(huán)境來穩(wěn)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而削弱尿素對(duì)蛋白質(zhì)的變性作用，以利于細(xì)胞在不利環(huán)境中存活[4-5]。雞蛋、乳制品、咸水魚及紅肉是人體內(nèi)的TMAO潛在來源[3]，腸道菌群可借由其專有的三甲胺裂解酶將食物來源的卵磷脂、膽堿和L-肉堿裂解產(chǎn)生三甲胺(TMA),TMA入血經(jīng)門脈系統(tǒng)進(jìn)入肝臟后被黃素單加氧酶家族(FMO)氧化形成TMAO，最終由腎臟、汗液和呼吸排出體外[6-7]。人體的TMAO水平個(gè)體差異較大，與遺傳、飲食習(xí)慣、肝臟FMO3含量、人體腸道菌群類別等因素相關(guān)[7],其中FMO3含量起主要的調(diào)控作用[6]。不同TMAO水平個(gè)體腸道菌群的整體組成無明顯差別，但個(gè)別菌屬與TMAO水平有關(guān)，普氏菌屬多的腸道菌群要比擬桿菌屬多的腸道菌群生成的TMAO量高[8]，厭氧球菌、梭狀芽孢桿菌、產(chǎn)孢梭菌、埃希氏菌、變形桿菌、馬氏志賀菌等通過調(diào)節(jié)膽堿消耗和TMA積累也可以影響人體內(nèi)TMAO的水平[9]。

2 TMAO在心腦血管系統(tǒng)疾病中的作用

2011年，TMAO首次被確認(rèn)與多種心腦血管系統(tǒng)疾病相關(guān)[7]，本部分就TMAO在心腦血管疾病的最新進(jìn)展作一綜述。

2.1TMAO與動(dòng)脈粥樣硬化(AS) AS是心肌梗死和腦卒中等多種心腦血管疾病發(fā)生、發(fā)展的基礎(chǔ)，目前仍是世界范圍內(nèi)人類死亡的重要原因[10]，其主要特征是內(nèi)皮功能障礙、炎癥細(xì)胞募集和泡沫細(xì)胞的形成。WANG等[11]最早證明了TMAO對(duì)AS的促進(jìn)作用。

研究發(fā)現(xiàn)，脂質(zhì)代謝和炎癥主要由TMA/FMO3/TMAO途徑調(diào)節(jié)，TMAO可通過抑制小鼠膽固醇的逆向轉(zhuǎn)運(yùn),使得肝臟中膽汁酸池縮小，從而導(dǎo)致膽固醇外排受阻并堆積于細(xì)胞內(nèi)，促進(jìn)AS的形成[12]。清除受體分化抗原36(CD36)的上調(diào)可以導(dǎo)致ox-LDL攝入過多而促進(jìn)AS的發(fā)展，而MAPK/JNK通路是CD36攝取ox-LDL的重要介質(zhì)，GENG等[10]發(fā)現(xiàn)TMAO誘導(dǎo)的AS至少部分由CD36/MAPK/JNK途徑介導(dǎo)。

AS也可由血管內(nèi)膜損傷后長期過度炎癥所致，NOD樣受體蛋白3(NLRP3)炎性體可通過上調(diào)白細(xì)胞介素(IL)-1β和IL-18導(dǎo)致炎癥和內(nèi)皮障礙，促進(jìn)AS的發(fā)展進(jìn)程[13]。TMAO可通過多種途徑激活NLRP3炎性體從而介導(dǎo)血管炎癥。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，TMAO可顯著觸發(fā)氧化應(yīng)激并活化ROS-TXNIP-NLRP3途徑從而誘導(dǎo)炎癥和內(nèi)皮功能障礙[14]。此外,CHEN等[15]研究發(fā)現(xiàn)，TMAO可通過SIRT3-SOD2信號(hào)通路上調(diào)線粒體活性氧水平，線粒體活性氧作為直接激活劑激活NLRP3炎性體而導(dǎo)致AS。該研究初步證明了SIRT3-SOD2是體外和體內(nèi)介導(dǎo)TMAO誘導(dǎo)的NLRP3炎性體激活和血管炎癥的主要信號(hào)通路。

AS后期斑塊出血破裂可導(dǎo)致血栓形成，而血小板高反應(yīng)性是心血管事件如心肌梗死和腦卒中的危險(xiǎn)因素[10]。研究表明，TMAO可作為細(xì)胞外信號(hào)濃度依賴性地激活肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3)，IP3通過刺激血小板內(nèi)鈣庫釋放Ca2+，從而激活血小板導(dǎo)致血小板高反應(yīng)性，促進(jìn)AS后期急性心肌梗死和腦卒中的形成[16-17]。

此外，LI等[18]首次證明TMAO是預(yù)測急性冠狀動(dòng)脈綜合征背景下傳統(tǒng)危險(xiǎn)因素和實(shí)驗(yàn)室檢測的近期和長期不良心血管事件的重要預(yù)后指標(biāo)。TMAO有助于急性心肌梗死住院治療的風(fēng)險(xiǎn)分層，其可預(yù)測2年內(nèi)心肌梗死患者的病死率，且優(yōu)于當(dāng)前生物標(biāo)志物。SUZUKI等[19]發(fā)現(xiàn)當(dāng)TMAO與GRACE評(píng)分一起用于計(jì)算急性心肌梗死6個(gè)月預(yù)后不良風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可在初始分類為較高風(fēng)險(xiǎn)組內(nèi)再次識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)較低的患者，表現(xiàn)出作為次要危險(xiǎn)分層生物標(biāo)志物的有效性,這驗(yàn)證了TMAO作為急性心肌梗死預(yù)后指標(biāo)的重要作用。

2.2TMAO與心力衰竭(HF) 研究發(fā)現(xiàn)HF患者血漿TMAO水平高于健康人群[20]。ORGAN等[21]發(fā)現(xiàn)與正常小鼠相比，喂食TMAO或膽堿補(bǔ)充飲食的小鼠心臟肥大、左心室射血分?jǐn)?shù)顯著降低、心肌纖維化顯著增強(qiáng)，HF嚴(yán)重程度顯著增強(qiáng)，表明TMAO在HF的發(fā)生中起顯著作用。SUZUKI等[22]驗(yàn)證了升高的TMAO水平可以對(duì)HF患者的預(yù)后不良進(jìn)行預(yù)測。然而，TANG等[23]發(fā)現(xiàn)TMAO不能很好地預(yù)測慢性收縮性HF的長期臨床結(jié)果。TMAO具有急性HF預(yù)后評(píng)估功能，然而TMAO與慢性HF的預(yù)后關(guān)系有待進(jìn)一步的研究。

3 TMAO與AD

DEL RIO等[24]首次證明了TMAO存在于人類腦脊液中。近年來，TMAO被證明與AD的發(fā)生發(fā)展相關(guān)。AD是癡呆癥發(fā)病和死亡最常見的原因之一[1]。TMAO和AD具有很強(qiáng)的正相關(guān)性[3]。Aβ肽和tau蛋白已被證明與AD的形成有關(guān)[25]。內(nèi)在變形蛋白(IDPs)是一類沒有穩(wěn)定天然結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，TMAO有利于穩(wěn)定IDPs的聚合過程[16]。Aβ肽和tau蛋白屬于IDPs，學(xué)者推測TMAO可能會(huì)加速二者寡聚化結(jié)構(gòu)而促進(jìn)AD的形成。ZHU等[16]觀察到TMAO可穩(wěn)定Aβ肽的結(jié)構(gòu)并加快Aβ肽聚集的速度,促進(jìn)AD的形成。R2/wt肽是一種tau片段，其在體外以與全長tau相似的方式聚集，LEVINE等[26]發(fā)現(xiàn)TMAO可以穩(wěn)定緊湊的R2/wt單體，同時(shí)顯著提高R2/wt聚集的速率并穩(wěn)定緊湊的二聚體結(jié)構(gòu)，而這些聚集體具有典型的tau纖維形態(tài)，因此他們認(rèn)為TMAO可促進(jìn)AD的形成。

然而在另一項(xiàng)研究中，TMAO卻在AD中起著保護(hù)作用。TSENG等[27]發(fā)現(xiàn)，TMAO促進(jìn)磷酸化的tau蛋白與微管結(jié)合，克服由磷酸化引起的功能缺陷，從而促進(jìn)神經(jīng)微管蛋白的組裝，可見TMAO可能具有保護(hù)作用。因此，TMAO在AD的具體作用機(jī)制仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)。

4 TMAO與慢性腎病(CKD)

JOHNSON等[28]發(fā)現(xiàn)CKD患者體內(nèi)TMAO水平顯著高于非CKD人群，這提示TMAO與CKD相關(guān)。小鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CKD小鼠肝臟中編碼生成TMAO的關(guān)鍵酶之一的FMO3基因表達(dá)量顯著增加，此外他們?cè)隗w外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)TMAO能抵消尿素的蛋白變性作用，這表明TMAO可能對(duì)CKD患者存在保護(hù)作用。但TANG等[29]發(fā)現(xiàn)CKD抵抗小鼠體內(nèi)早期腎損傷敏感指標(biāo)腎損傷分子-1(KIM-1)與血漿胱抑素C的水平均升高，同時(shí)伴有腎纖維化重要調(diào)節(jié)因子Smad3基因的磷酸化水平升高，這些結(jié)果則表明TMAO可能會(huì)直接導(dǎo)致進(jìn)行性腎纖維化和功能障礙。此外，TMAO可影響腎小球的濾過率[3]。GRUPPEN等[30]發(fā)現(xiàn)TMAO與任何程度的腎功能損傷患者的全因病死率相關(guān)，TANG等[29]則在臨床研究中發(fā)現(xiàn)體內(nèi)高TMAO水平的CKD患者5年的全因病死率比普通CKD患者增加了2.8倍，這表明TMAO可作為腎臟疾病預(yù)后評(píng)估指標(biāo)。關(guān)于TMAO導(dǎo)致CKD的機(jī)制目前尚未研究清楚，研究其機(jī)制可能會(huì)為CKD的預(yù)防、治療及預(yù)后的評(píng)估提供新的有效的方法。

5 TMAO與肥胖及糖尿病

肥胖常與腸道功能障礙或微生物生態(tài)失調(diào)相聯(lián)系[31]，其是糖尿病的危險(xiǎn)因素之一。SCHUGAR等[32]發(fā)現(xiàn)腸道微生物驅(qū)動(dòng)的TMA/FMO3/TMAO途徑與肥胖和能量代謝相關(guān)；HEIANZA等[33]進(jìn)一步驗(yàn)證血漿TMAO水平和TMA/FMO3/TMAO途徑可能有助于調(diào)節(jié)葡萄糖代謝和胰島素敏感性。KASSELMAN等[34]發(fā)現(xiàn)高脂飲食促進(jìn)革蘭陰性菌菌株增殖而增加脂多糖(LPS)產(chǎn)生；同時(shí)，高脂肪微生物組減弱宿主腸緊密連接蛋白(ZO-1)和閉合蛋白基因表達(dá)，從而增加腸道通透性，允許LPS吸收進(jìn)入血液。高水平LPS激活toll樣受體4，從而在脂肪細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中引發(fā)炎癥途徑如c-Jun 氨基端激酶和NF-kB的形成，c-Jun氨基端激酶阻礙骨骼肌胰島素信號(hào)的傳導(dǎo)而誘導(dǎo)胰島素抵抗和肥胖的發(fā)生。BOINI等[35]研究表明TMAO會(huì)下調(diào)ZO-1基因的表達(dá)以改變內(nèi)皮細(xì)胞的滲透性，筆者推斷高脂飲食可能通過上調(diào)TMAO而降低腸ZO-1基因的表達(dá)來促進(jìn)胰島素抵抗和肥胖的發(fā)生。

最近，SHAN等[36]發(fā)現(xiàn)2型糖尿病(T2DM)的發(fā)生與TMAO正相關(guān)。TMAO通過阻斷肝臟胰島素信號(hào)通路并在脂肪組織中引起炎癥而加劇葡萄糖耐量的降低和高血糖癥的發(fā)生,誘導(dǎo)IR和T2DM的形成[35]。胰島素主要通過PI3K/Akt途徑調(diào)節(jié)糖代謝,Akt可激活調(diào)節(jié)肝糖原的糖原合成酶(GYS2)及肝糖原轉(zhuǎn)運(yùn)載體(GLUT2)，促進(jìn)肝糖原的合成、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)[38]；另外，Akt活化會(huì)抑制叉頭轉(zhuǎn)錄因子O1(FOXO1)的活性，進(jìn)而抑制糖異生中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶葡萄糖6磷酸酶(G6Pase)和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPCK)[39]。GAO等[40]發(fā)現(xiàn)添加TMAO高脂飲食喂養(yǎng)小鼠的胰島素受體底物2(IRS2)，PI3Kr1，Akt2的mRNA水平下降，表明飲食TMAO可能加劇胰島素信號(hào)傳導(dǎo)途徑的阻斷；同時(shí)GYS2和GLUT2 mRNA表達(dá)降低，表明TMAO可能促使肝糖原合成受阻并削弱了肝糖原轉(zhuǎn)運(yùn)能力；此外，F(xiàn)OXO1、G6pase和PEPCK的mRNA水平增加，表明TMAO促進(jìn)糖異生。故膳食TMAO可能通過減弱胰島素信號(hào)傳導(dǎo)加劇高脂飲食喂養(yǎng)小鼠的葡萄糖耐量受損。TANG等[37]發(fā)現(xiàn)糖尿病患者的空腹血漿TMAO濃度較高，并預(yù)示較高的不良心臟事件和死亡風(fēng)險(xiǎn)，因此TMAO可能是T2DM不良預(yù)后的重要風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)志物，驗(yàn)證了TMAO在糖尿病中的作用。

TMAO或可直接或間接通過肥胖來誘導(dǎo)糖尿病的發(fā)生。但是也有研究發(fā)現(xiàn)，TMAO可通過促進(jìn)T2DM大鼠的正常蛋白質(zhì)折疊來抵消內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，這表明TMAO在糖尿病中具有潛在有益作用[41]。因此需進(jìn)一步研究以確認(rèn)TMAO與T2DM的關(guān)系。

7 展 望

TMAO作為腸道菌群的重要代謝產(chǎn)物，對(duì)人體血栓和血小板形成、炎癥、脂質(zhì)代謝、胰島素抵抗、糖代謝、癌癥的發(fā)生發(fā)展等方面都有一定的作用，因而影響相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展。目前除了心血管疾病以外，對(duì)其他疾病的研究較少，而且在各項(xiàng)研究中，對(duì)TMAO在各個(gè)疾病病因?qū)W中的作用研究甚少。TMAO有望成為上述疾病早期診斷、療效評(píng)價(jià)、預(yù)后效果的判斷指標(biāo)，并可能成為相關(guān)疾病的治療靶標(biāo)，進(jìn)一步對(duì)TMAO的作用進(jìn)行研究可能為相關(guān)疾病的診斷和病情監(jiān)測及臨床治療提供新的思路和方法。