氧化三甲胺與心血管疾病研究進(jìn)展

吳箴言,劉美君,譚林琳,費運微,李 實，王智慧*

(1.吉林大學(xué)第二醫(yī)院 心血管內(nèi)科，吉林 長春130041；2.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院，吉林 長春130033)

氧化三甲胺(TMAO)是在人體攝入富含膽堿、左旋肉堿、卵磷脂等高脂營養(yǎng)物質(zhì)后經(jīng)腸道微生物轉(zhuǎn)化后生成三甲胺(TMA),而后在肝臟的作用下生成的一種小分子化合物[1]。有相關(guān)研究表明，心血管疾病及不良心血管事件的發(fā)生與TMAO的產(chǎn)生、代謝過程相關(guān)，因此TMAO或可作心血管疾病診斷及治療的潛在靶點[2,3]。本文就TMAO的生物學(xué)特性及其與心血管疾病的聯(lián)系進(jìn)行綜述。

1 TMAO 的合成、代謝及生物特性

人類攝入的食物中的富含磷脂脂、左旋肉堿 、膽堿等物質(zhì)，這些物質(zhì)會在腸道經(jīng)腸道微生物產(chǎn)生的膽堿三甲胺裂解酶的作用下生成TMA[4]。TMA通過門脈循環(huán)進(jìn)入肝臟后由肝臟生成的黃素單加氧酶(FMO )氧化成TMAO，最后主要經(jīng)過腎臟以尿液的形式排出體外。研究發(fā)現(xiàn)[5]，將TMA轉(zhuǎn)化為 TMAO 的FMO有多種分型，其中以FMO3活性最強(qiáng)，且男性體內(nèi)FMO3表達(dá)水平較女性顯著偏低。Shih等[6]發(fā)現(xiàn)FMO3是調(diào)控膽固醇及其它脂質(zhì)代謝過程中的重要影響因子，實驗鼠體內(nèi)過度表達(dá)FMO3可對TMAO的水平有明顯提高，而抑制FMO3可使TMAO的水平明顯降低。研究表明[7]，對實驗小鼠進(jìn)行為期1周的廣譜抗生素治療后發(fā)現(xiàn)小鼠體內(nèi)TMAO水平明顯降低，由此我們可以推斷出腸道細(xì)菌的活性與TMAO的產(chǎn)生密切相關(guān)。也有研究表明[8],血漿TMAO水平與腸道微生物活性、膽堿類食物攝入量以及FMO活性相關(guān)，其中以腸道菌群生物活性及攝入膽堿類食物量為主要因素，研究中也發(fā)現(xiàn)比起以肉食或雜食為主的生物，素食者血TMAO水平明顯更低，且TMAO水平與基因的關(guān)系不大。TMAO不僅是一種電子受體，可直接參與氧化反應(yīng)，它也是一種滲透物，可以參與調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外滲透壓，除此之外，它還可以促進(jìn)核酸、蛋白質(zhì)穩(wěn)定性，參與調(diào)節(jié)各種酶的活性和激素的反應(yīng)活性[9]。

2 TMAO與心血管疾病

2.1 TMAO與動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是一種常見的動脈硬化類型?？偨Y(jié)近些年相關(guān)研究來看，腸道菌群的種類及數(shù)量的變化與動脈粥樣硬化的進(jìn)程之間存在密切聯(lián)系。相關(guān)研究表明[10]，依據(jù)確診動脈粥樣硬化的患者體內(nèi)菌類數(shù)據(jù)統(tǒng)計，柯林斯菌屬等數(shù)量有明顯增加，而羅氏菌屬和優(yōu)桿菌屬的數(shù)量則明顯減少。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物代謝物TMA和TMAO均對小鼠和人發(fā)生動脈粥樣硬化呈促進(jìn)作用，并且甜菜堿和膽堿作為磷脂酰膽堿代謝物均與促進(jìn)小鼠動脈粥樣硬化和人類動脈粥樣硬化風(fēng)險呈明顯相關(guān)性[11-13]。臨床也做了大量探究來印證以上研究的真實性，有一臨床研究表明[14]，TMAO的水平增高使得急性心肌梗死、心源性休克和死亡的發(fā)生率升高并使得心血管疾病的發(fā)病風(fēng)險增加。也有臨床研究表明[15]，TMAO水平或可作為預(yù)測長期和短期惡性心血管病事件的一種重要指標(biāo)。此外，TMAO還可以對核轉(zhuǎn)錄因子(NF)-κB 磷酸化進(jìn)行誘導(dǎo)使其轉(zhuǎn)運至核內(nèi)，進(jìn)而對多種動脈粥樣硬化相關(guān)基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)節(jié)，影響動脈粥樣硬化的形成[16]。這些研究探索為我們?nèi)蘸筢槍用}粥樣硬化患者的診斷及治療提供新的思路。

2.2 TMAO與心力衰竭

心力衰竭主要由于心臟的收縮功能和(或)舒張功能發(fā)生障礙，導(dǎo)致靜脈系統(tǒng)血液淤積所致，它是臨床上多種心血管疾病的常見不良并發(fā)癥。近年來對于心力衰竭患者的診治手段已有明顯的提升，但其死亡率仍然很高。已有大量研究表明，TMAO與心力衰竭的發(fā)生及發(fā)展密切相關(guān)。在一項研究使用橫向主動脈弓縮窄模型來誘導(dǎo)HF大鼠的實驗中，實驗結(jié)果證明在引導(dǎo)左心泵血功能下降、加速心室重構(gòu)進(jìn)展、加快心肌間質(zhì)細(xì)胞和血管周圍纖維化以及血漿BNP 水平升高方面TMAO起到了明顯的促進(jìn)作用[17]。Koeth等[18]經(jīng)研究表明，TMAO可通過對膽固醇的轉(zhuǎn)運及代謝進(jìn)行干擾，使得動脈粥樣硬化的進(jìn)程明顯加快，誘發(fā)并加快心力衰竭等終末事件的出現(xiàn)。Sun等[19]研究者發(fā)現(xiàn)，若將TMAO水平提高，則會誘導(dǎo)腎臟氧化應(yīng)激反應(yīng)，同時加快腎間質(zhì)纖維化的進(jìn)程并引起水鈉潴留，最終導(dǎo)致腎臟功能衰退并加快心力衰竭的進(jìn)展。臨床方面對因急性心力衰竭入院的患者的研究也發(fā)現(xiàn)，TMAO水平的可以對住院患者的死亡風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測，研究也表明TMAO與腎功能不全及1年內(nèi)的不良預(yù)后呈明顯相關(guān)性[20]。針對心力衰竭患者我們在臨床上常用BNP/NT-proBNP等化驗項目來診斷心力衰竭并探究患者的治療及預(yù)后情況，但一項研究[21]表明相對于傳統(tǒng)的危險因素BNP和表皮生長因子受體(EGFR)，TMAO在預(yù)測心力衰竭患者死亡風(fēng)險方面更優(yōu)于前兩者，這為日后我們探究患者的預(yù)后提供了新的思路。

2.3 TMAO與高血壓

高血壓在全世界范圍內(nèi)都是常見的心血管疾病，它也是導(dǎo)致心腦血管意外事件的主要原因，其發(fā)病機(jī)制及治療一直是國內(nèi)外研究的熱點問題，目前認(rèn)為自主神經(jīng)系統(tǒng)、腎素-血管緊張素系統(tǒng)及腎臟系統(tǒng)功能是血壓平衡維持的主要機(jī)制。Santisteban 等學(xué)者[22]在建立高血壓模型后發(fā)現(xiàn)腸道生理功能如腸壁緊密連接蛋白、滲透性以及腸道菌群結(jié)構(gòu)失衡發(fā)生明顯改變且會導(dǎo)致與交感神經(jīng)功能失調(diào)，加快高血壓的發(fā)生和進(jìn)程，這印證了腸道微生物及其代謝產(chǎn)物與血壓調(diào)節(jié)存在密切聯(lián)系。Ufnal等[23]在一項研究中發(fā)現(xiàn)若給實驗鼠輸入AngⅡ在5天內(nèi)血壓會顯著升高，5天后血壓恢復(fù)正常，但同時輸入AngⅡ和TMAO的實驗鼠在之后的測量結(jié)果為血壓持續(xù)升高至實驗結(jié)束。有學(xué)者[24]針對上述實驗分析認(rèn)為，TMAO可加速蛋白質(zhì)的折疊加工及配體結(jié)合，會對某些受體及AngⅡ類似的肽類激素的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響進(jìn)而影響血壓，這印證了TMAO對AngⅡ升壓效果的延長作用，也說明了TMAO與高血壓之間密切聯(lián)系，但是具體的作用機(jī)制仍然需要進(jìn)一步的研究證實。

2.4 TMAO與心房顫動

心房顫動是臨床上常見的心律失常之一，目前普遍認(rèn)為在心房顫動的發(fā)生和維持中心臟自主神經(jīng)重構(gòu)及活性增高等方面發(fā)揮重要作用[25]。有研究者[26]發(fā)現(xiàn)，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物能對增強(qiáng)心臟自主神經(jīng)活性和腸道神經(jīng)生成方面呈增強(qiáng)作用，這預(yù)示著腸道菌群與心房顫動之間存在聯(lián)系。有研究表明[27]，TMAO或通過調(diào)節(jié)促炎細(xì)胞因子來誘導(dǎo)心房的電不穩(wěn)定性，使得自主神經(jīng)功能改變進(jìn)而誘導(dǎo)心房顫動的產(chǎn)生。有研究者[28]發(fā)現(xiàn)TMAO與cTnI、NT-proBNP、hs-CPR、左心房前后徑呈正相關(guān)聯(lián)系，且與射血分?jǐn)?shù)下降成正相關(guān)，并考慮TMAO通過參與心肌細(xì)胞炎癥反應(yīng)、心肌細(xì)胞凋亡、心房重構(gòu)等多個途徑誘發(fā)房顫的產(chǎn)生。

2.5 TMAO與急性冠脈綜合征

急性冠脈綜合征包括急性ST段抬高性心肌梗死、急性非ST段抬高性心肌梗死和不穩(wěn)定型心絞痛，隨著社會的進(jìn)一步發(fā)展和人們生活方式的改變，急性冠脈綜合征的發(fā)病率及病死率呈升高趨勢[29]。Li等[30]在以胸痛患者為基礎(chǔ)的隊列研究中對血漿高TMAO水平組患者在1個月、6個月、7年內(nèi)發(fā)生主要不良心血管事件風(fēng)險進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出的結(jié)果為其風(fēng)險水平分別是低水平組的6.3、5.65、1.81倍，根據(jù)結(jié)果我們可以推測血漿TMAO水平與死亡風(fēng)險呈正相關(guān)性。有研究表明[30]，TMAO與急性心肌梗死斑塊破裂相關(guān)。在一項新型研究[31]中通過腔內(nèi)影像學(xué)(OCT)角度來探究TMAO與冠脈血管斑塊聯(lián)系的研究中發(fā)現(xiàn)，TMAO與急性心肌梗死斑塊破裂人群罪犯斑塊炎癥有關(guān)。有一項探究急性心肌梗死PCI術(shù)后預(yù)后與TMAO相關(guān)性的研究[32]表明，血漿TMAO對急性心肌梗死患者不良預(yù)后預(yù)測的靈敏度、特異度分別為0.76、0.89，準(zhǔn)確度為0.85，這提示我們血漿TMAO對急性心肌梗死患者不良預(yù)后有較高的預(yù)測價值。這些研究為我們?nèi)蘸笤谔骄考毙怨诿}綜合征的預(yù)防、診斷、治療及預(yù)后等方面提供了新的思路。

3 TMAO在心血管疾病的應(yīng)用及展望

根據(jù)目前的研究表明，我們可以得出的結(jié)論是：血漿中TMAO的水平與心血管疾病的發(fā)生存在一定聯(lián)系，通過降低血漿中TMAO水平或干擾TMAO生成可能成為心血管疾病潛在治療靶點。

3.1 調(diào)節(jié)飲食

進(jìn)食可調(diào)節(jié)腸道菌群種類，進(jìn)而對微生物生成TMAO的能力產(chǎn)生明顯影響。TMAO主要來源于含有左旋肉堿、卵磷脂、膽堿和甜菜堿的食物，所以飲食結(jié)構(gòu)調(diào)整可能是一個合理的干預(yù)措施。有研究表明[33]，相對于雜食者，純素食者和素食者可對膳食中左旋肉堿合成TMA和TMAO的能力起到明顯降低的作用，在此項研究中研究者對糞便樣本行16s rRNA測序，得出的結(jié)論是相對于素食者和純素食者，雜食者芽孢菌和毛螺旋菌屬豐度較低，消化鏈球菌科和梭菌科中更豐富，這提示我們在研究過程中需要考慮菌群的影響。雖然左旋肉堿等物質(zhì)是TMAO形成的重要來源，且為減少TMAO的合成將左旋肉堿等從食物中清除是一個可探究的方法，但是膽堿作為人體必需營養(yǎng)素，將其全部從食物中完全清除是不可行的，這樣做到后果很有可能會導(dǎo)致其他疾病產(chǎn)生。有研究表明[34]左旋肉堿會使心絞痛的發(fā)生率減少40%且由急性心肌梗死引起的全因死亡率減少達(dá)27%。所以針對左旋肉堿等物質(zhì)的研究仍需要繼續(xù)深入，但增加蔬菜、粗糧攝入以及合理的調(diào)節(jié)飲食仍是我們?nèi)粘Ｉ钪行枰龅降氖虑椤?/p>

3.2 調(diào)整微生物代謝

調(diào)整微生物代謝也是調(diào)節(jié)體內(nèi)TMAO的重要方法。有研究[35]表明，適當(dāng)攝入益生元或益生菌，可通過調(diào)節(jié)腸道菌群的結(jié)構(gòu)和數(shù)目以達(dá)到減少合成TMA能力的目的，進(jìn)而對血漿TMAO的水平進(jìn)行控制。然而有研究[36]表明,對實驗鼠定時定量投喂益生元后，血漿中TMA和TMAO水平不減反增，所以針對益生元和益生菌對心血管疾病的影響我們?nèi)孕枥^續(xù)探究。有動物研究[37]表明抗生素使用初期可抑制TMAO的生成，但經(jīng)長達(dá)6個月使用單一抗生素(環(huán)丙沙星)的結(jié)果來看，抗生素失去了對TMAO的抑制作用。除此之外若長期應(yīng)用廣譜抗生素治療可能會出現(xiàn)一系列的并發(fā)癥如藥物耐受性等，因此考慮通過長期服用抗生素以達(dá)到減少生成TMAO的措施似乎不可行。有研究[35]表明，在腸道中存在著數(shù)目巨大且種類豐富的微生物酶，它們也許參與了TMA的生成，若將這些酶作為未來的治療靶點以達(dá)到限制TMAO生成的目的是一個可以考慮的途徑，這仍需我們不斷探索。

3.3 抑制TMA的生成

TMA是TMAO生成的前體，若抑制TMA則會抑制TMAO的生成。有研究表明[38]作為一種天然抑制劑，3,3-二甲基-1-丁醇(DMB)應(yīng)用在實驗鼠體內(nèi)可明顯抑制膽堿三甲胺裂解酶的作用，減少TMA的形成進(jìn)而降低TMAO的水平同時還能起到抑制動脈斑塊形成的作用。

3.4 抑制TMAO的生成

由于TMA經(jīng)FMO形式轉(zhuǎn)化形成TMAO，且FMO3的活性在生物體中是FMO1活性的10倍，若抑制FMO3可使TMAO的水平明顯降低。所以阻斷或降低FMO3的活性是一種干預(yù) TMAO生成的治療方式。Shih等[6]研究表明，若將實驗鼠的FMO3基因敲除，則血漿中TMAO濃度會出現(xiàn)明顯的下降同時會明顯減輕動脈粥樣硬化的負(fù)擔(dān)。也有研究表明[39]，作為一種常用的抗病毒藥物，無環(huán)核苷膦酸酯也可對FMO3的活性起到明顯的抑制作用。然而，考慮到抑制FMO3可引起肝臟損傷和三甲胺累積等不良反應(yīng)，并可能導(dǎo)致魚腥味綜合征等疾病，這項治療措施的施行性有待進(jìn)一步探究[35]。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，腸道微生物的代謝物TMAO與多種心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，血漿TMAO水平升高可明顯增加不良心血管事件發(fā)生風(fēng)險?，F(xiàn)如今通過大量的實驗研究表明通過改善飲食結(jié)構(gòu)、調(diào)整微生物代謝可使心血管疾病發(fā)生率下降，也表明干預(yù)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。但在臨床上由于生活習(xí)慣及飲食結(jié)構(gòu)的不同、藥物之間相互作用的隱患以及未進(jìn)行大規(guī)模臨床實驗證明等方面因素導(dǎo)致上述治療方法沒有大規(guī)模投入使用。但我們可期待的是，通過研究TMAO與心血管疾病的相關(guān)性，將會為心血管疾病的診斷及治療帶來嶄新的前景。