氧化三甲胺在心臟與腎臟纖維化中的作用及機(jī)制

謝舜昀，劉師辰，李 微，崔文鵬

(吉林大學(xué)第二醫(yī)院 腎病內(nèi)科，吉林 長春130041)

纖維化指各種有害刺激造成組織損傷后啟動(dòng)的修復(fù)機(jī)制，表現(xiàn)為過度、無序的間質(zhì)內(nèi)纖維結(jié)締組織大量增生、細(xì)胞外基質(zhì)增多、實(shí)質(zhì)細(xì)胞減少，嚴(yán)重可致器官結(jié)構(gòu)破壞和功能減退。探討纖維化的發(fā)生機(jī)制對于有效延緩器官功能減退至關(guān)重要。研究表明，腸道源性毒素氧化三甲胺(TMAO)在器官纖維化進(jìn)程中扮演著重要角色?；谀壳白钚卵芯浚疚木湍c道源性毒素TMAO與心肌纖維化、腎臟纖維化的關(guān)系及機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 TMAO的體內(nèi)代謝

TMAO是一種化學(xué)式為(CH3)3NO的無氣味小分子化合物，具有許多生物活性，如穩(wěn)定蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)滲透壓等[1-3]。在日常生活中，魚類、肉類、蛋類等富含膽堿、磷脂酰膽堿、左旋肉堿的食物是體內(nèi)TMAO的主要來源。研究表明，在大腸埃希菌、梭狀芽胞桿菌等多種細(xì)菌參與下[4,5]，以上物質(zhì)經(jīng)細(xì)菌體內(nèi)膽堿三甲胺(TMA)裂解酶[6]、Rieske型加氧酶及菌群之間復(fù)雜的相互作用下生成TMA[7,8]，后者通過腸黏膜吸收入血，隨后在肝臟黃素單加氧酶3(FMO3)氧化作用下產(chǎn)生TMAO[9]?？梢?，機(jī)體中TMAO的產(chǎn)生主要受飲食[10]、腸道微生物組成[11]、肝臟FMO3[12]和膽堿TMA裂解酶[13]活性的影響。

正常情況下，大部分TMAO以原型從腎小球?yàn)V過[14]。因此，腎功能異常也會(huì)影響其血清濃度。在慢性腎臟病(CKD)患者中血TMAO濃度隨腎小球?yàn)V過率下降而逐漸升高[15]，同肌酐和尿素氮等尿毒癥物質(zhì)一樣，腎移植及血液凈化治療可降低血TMAO濃度[14,16]。此外，腎臟髓質(zhì)早期缺血損傷可導(dǎo)致血液及尿液TMAO釋放增加[17]。

2 TMAO與心肌纖維化

隨著近年來學(xué)者們對TMAO在心血管疾病作用方面探索的增多，研究發(fā)現(xiàn)TMAO與心肌纖維化之間存在明顯的相關(guān)性。首先Organ 等人[18]發(fā)現(xiàn)在腹主動(dòng)脈橫縮術(shù)建立心力衰竭小鼠模型中，分別給予小鼠富含膽堿或TMAO的飲食喂養(yǎng)，循環(huán)中TMAO水平隨之升高，并且進(jìn)一步加重模型小鼠的心肌纖維化。在同樣的動(dòng)物模型中，Li等[19]觀察到了相同的結(jié)果，并且在給予抗生素抑制腸道菌群后，小鼠血TMAO水平下降的同時(shí)心肌纖維化程度也相應(yīng)減弱，進(jìn)一步證明TMAO具有促進(jìn)心肌纖維化的作用。在與上述實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒煌难芯恐?，Chen等[20]也觀察到類似結(jié)果。該研究在應(yīng)用高糖、高脂飲食誘導(dǎo)小鼠肥胖的過程中，與對照組小鼠相比，實(shí)驗(yàn)組小鼠的血TMAO水平增高，心臟出現(xiàn)明顯的纖維化改變，并且上述改變可以在給予小鼠3，3-二甲基-1-丁醇非致命性、競爭性的抑制TMA裂解酶后[13]，通過減少腸道TMA合成，降低血TMAO 水平來改善心肌纖維化程度。但上述研究結(jié)果僅表明血TMAO水平增加可促進(jìn)纖維化，其具體機(jī)制尚不明確。

為了進(jìn)一步探討TMAO促進(jìn)心肌纖維化的具體機(jī)制，Yang等[21]給予原代心肌成纖維細(xì)胞TMAO(300 μmol/L)刺激，結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化生長因子βI型受體(TGF-βRI)、α-平滑肌肌動(dòng)蛋白(α-SMA)、膠原蛋白I(Col I)的表達(dá)上調(diào)，并伴隨Smad2磷酸化明顯增加；而給予TGF-βRI阻斷劑(SB431542)后α-SMA和Col I的表達(dá)下降。該研究提示，TMAO可能通過激活TGF-β/Smad2信號通路促進(jìn)成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化，進(jìn)而促進(jìn)心肌纖維化。同樣，Li等[22]應(yīng)用不同濃度的TMAO(0 μmol/L-100 μmol/L)刺激小鼠原代成纖維細(xì)胞觀察到TMAO通過TGF-β/Smad3信號傳導(dǎo)以劑量依賴性方式促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖，遷移和膠原蛋白分泌。更進(jìn)一步表明，TMAO加重心肌纖維化可能與TGF-β/Smad信號通路有關(guān)。

炎癥反應(yīng)的激活也參與TMAO促進(jìn)心肌纖維化的過程。NOD樣受體蛋白3(NLRP3) 炎性小體是NOD受體家族的重要成員之一，由 NLRP3、凋亡相關(guān)微粒蛋白和半胱氨酸蛋白酶-1組成，與心肌纖維化密切相關(guān)[23,24]。Li等[22]在阿霉素誘導(dǎo)的心肌纖維化小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，TMAO可增加Toll樣受體4(TLR4)的表達(dá)，激活NLRP3炎性體，加重纖維化；而沉默NLRP3可降低TMAO在心臟成纖維細(xì)胞中引起的白介素-1β(IL-β)/pro-IL-1β，TGF-β，Col I和Col III水平的升高及α-SMA陽性細(xì)胞的數(shù)量。以往研究證實(shí)，NLRP3可以調(diào)控TGF-β/ Smad3信號通路[25]，而被TLR4激活[26]。因此，TMAO在成纖維細(xì)胞促進(jìn)心肌纖維化過程中可能涉及TLR4-NLRP3-TGF-β信號通路，但這一推測需要在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。另一個(gè)參與炎癥反應(yīng)的重要轉(zhuǎn)錄因子核因子κB(NF-κB)亦被證實(shí)與心肌纖維化相關(guān)[27]。Wang等[27]發(fā)現(xiàn)在心力衰竭小鼠模型中，小鼠血TMAO水平的升高與心室間質(zhì)纖維化面積、心肌纖維化標(biāo)志物及NF-κB的蛋白表達(dá)增加相一致，并且上述改變可通過減少 TMA 合成降低TMAO水平來改善。遺憾的是，該研究未能阻斷NF-κB信號通路進(jìn)而驗(yàn)證其在心肌纖維化過程中的關(guān)鍵作用。

此外，在探索TMAO與心肌纖維化的過程中，Huc 等人[28]提出了與上述研究相反的結(jié)果。該學(xué)者發(fā)現(xiàn)慢性、小劑量TMAO干預(yù)可減輕高血壓大鼠的心肌纖維化，這可能與該實(shí)驗(yàn)周期長，TMAO干預(yù)劑量低于前面的實(shí)驗(yàn)有關(guān)。

綜上所述，通過飲食干預(yù)、建立心力衰竭模型可顯著增加血TAMO水平促進(jìn)心肌纖維化，具體機(jī)制涉及TGF-β/Smad3信號通路及炎癥的激活。隨著TMAO與心肌纖維化的研究增多，進(jìn)一步闡明TMAO參與心肌纖維化的機(jī)制，對診斷、治療、預(yù)防TMAO相關(guān)的多種心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展都有重要意義。TMAO與心肌纖維化相關(guān)研究見表1。

表1 TMAO與心肌纖維化

3 TMAO與腎臟纖維化

目前TMAO在腎臟方面的研究主要是其在CKD患者體內(nèi)的異常增多與不良事件的發(fā)生相關(guān)，在促進(jìn)腎臟纖維化的研究較少。早期Tang等人發(fā)現(xiàn)[29]分別給予健康小鼠膽堿和TMAO飲食后，兩組小鼠體內(nèi)TMAO含量和腎小管損傷標(biāo)志物(腎損傷分子1)水平較對照組明顯增高。更重要的是，升高的TMAO水平與腎小管間質(zhì)纖維化、膠原沉積、Smad3磷酸化呈正相關(guān)。該研究首次表明TMAO可促進(jìn)腎纖維化和腎功能障礙，并存在劑量依賴性；同時(shí)，還提示在TMAO促進(jìn)腎臟纖維化過程中TGF-β/Smad3信號通路可能發(fā)揮作用。同樣遺憾的是，該研究無阻斷TGF-β/Smad3信號通路后觀察腎臟纖維化指標(biāo)的變化。近期以上結(jié)果得到來自美國的一項(xiàng)最新研究進(jìn)一步驗(yàn)證[30]，Gupta等提出給予小鼠膳食補(bǔ)充膽堿或TMAO可以加重慢性皮下注射異丙腎上腺素導(dǎo)致的腎功能損害和纖維化，并且給予膽堿TMA裂解酶抑制劑碘甲基膽堿降低TMAO含量后，腎臟纖維化明顯減輕。以上研究結(jié)果均表明，TMAO參與腎臟纖維化過程，但具體機(jī)制尚不明確。

在與上述不同的研究中，Sun等[31]發(fā)現(xiàn)與低脂飲食相比，高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠血TMAO 水平和腎間質(zhì)纖維化程度增加，分子水平上腎臟組織氧化應(yīng)激指標(biāo)(NADPH氧化酶-4)、炎性指標(biāo)(腫瘤壞死因子-α、IL-1)顯著增加，以上改變同樣也可以通過減少 TMA 合成降低TMAO水平來改善。該研究提示在肥胖相關(guān)性腎損害中，TAMO在促進(jìn)腎臟氧化應(yīng)激和炎癥導(dǎo)致腎間質(zhì)纖維化中發(fā)揮重要作用。

TMAO的促腎臟纖維化現(xiàn)象不僅在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)，在最近的臨床研究中亦被證實(shí)。El-Deeb 等[32]納入80例CKD2-4期患者和15例健康人，測定全血中Smad3、NLPR3的mRNA水平和血清TGF-β1、IL-1β、TMAO的蛋白質(zhì)含量。結(jié)果顯示，上述因子含量在健康人中低于CKD患者，并且隨腎小球?yàn)V過率下降呈階梯狀增高。該臨床研究表明，TMAO、TGF-β/Smad3、NLRP3炎性小體可以作為評估CKD進(jìn)展的生物標(biāo)志物，但是三者之間是否存在因果聯(lián)系還需要進(jìn)一步探索。TMAO與腎臟纖維化相關(guān)研究見表2。

表2 TMAO與腎臟纖維化

在人體內(nèi)，心臟、腎臟可以影響腸道血液循環(huán)造成腸道代謝紊亂，腸道代謝產(chǎn)物也可以對心臟、腎臟造成損傷，三者之間存在相互作用、相互影響的復(fù)雜關(guān)系。為此，有學(xué)者提出人體內(nèi)可能存在“腸道-腎臟-心臟軸”[33]。隨后，日本學(xué)者的研究證明了該軸在體內(nèi)的存在[34]，研究發(fā)現(xiàn)在緩瀉劑利那洛肽通過影響腸道菌群組成和代謝顯著降低慢性腎衰竭小鼠血TMAO水平的過程中，同時(shí)減輕腎衰竭小鼠的腎臟、心臟纖維化程度。機(jī)體內(nèi)腸道源性代謝產(chǎn)物TMAO正是體現(xiàn)這種復(fù)雜關(guān)系代表物質(zhì)之一，但其是否是參與組成“腸道-腎臟-心臟軸”尚無法明確。盡管如此，我們也應(yīng)該重視TMAO對組織器官造成損傷的作用。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，在心臟、腎臟纖維化及功能受損過程中，TMAO起著重要的促進(jìn)作用，并與器官纖維化程度呈現(xiàn)出一定劑量依賴性，TGF-β/Smad信號通路在該過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。此外，氧化應(yīng)激、NLRP3炎性小體、NF-κB也可能參與其中。盡管TMAO在心臟、腎臟纖維化方面的研究已經(jīng)取得了明顯的進(jìn)步，但還存在許多未知之處，需要我們將來進(jìn)一步研究探索。明確TMAO、器官纖維化和“腸道-腎臟-心臟軸”三者之間的關(guān)系，為臨床診斷、治療TMAO相關(guān)性疾病提供新的思路，延緩心臟、腎臟纖維化進(jìn)程。