腸道菌群及其代謝產物氧化三甲胺在慢性腎臟疾病中的研究進展

周 嘉，李賓公

(南昌大學第一附屬醫(yī)院心血管內科，南昌 330006)

慢性腎臟病(CKD)作為一種嚴重且不可逆的全球性疾病，截至2016年底，約有300萬患者在維持透析[1]，造成社會負擔的加重及生命質量的下降，近年來越來越多的研究表明腸道微生物群及其代謝產物在維持人類健康方面起著重要作用。腸道菌群失調不僅參與許多代謝性疾病的發(fā)生、發(fā)展，如肥胖、2型糖尿病(T2DM)、非酒精性脂肪肝(NAFLD)等，也與心血管疾病(CVDs)、CKD等有關，甚至與某些類型的癌癥密切相關。其中CKD在全球疾病負擔中占比份額大，且會顯著增加心血管事件風險，本文就腸道菌群及其代謝產物氧化三甲胺在慢性腎臟疾病中的研究進展進行綜述。

1 氧化三甲胺的形成與代謝

氧化三甲胺(TMAO)是由肉堿、磷脂酰膽堿、甜菜堿、左旋肉堿等含量豐富的食物(如蛋黃、紅肉及某些海水魚類等)經腸道微生物的作用形成三甲胺(TMA)，一種具有腥臭氣味的小分子[2],再經肝臟黃素單加氧酶家族(FMOX)，主要是黃素單加氧酶3(FMO3)，氧化形成，并進入血液循環(huán)的胺類小分子化合物，總終通過呼吸、汗液、腎臟等途徑代謝清除。

最早TMAO作為一種食品保鮮劑被人們認識，具有特殊的鮮味，主要存在于深海魚類等水產品中，TMAO也被發(fā)現可以維持單核細胞、真菌以及哺乳動物細胞等的滲透壓[3]，保護細胞不被破壞，免受高濃度尿素產生的蛋白質變性作用，因此血漿中TMAO水平升高可能與尿素氮(BUN)循環(huán)濃度的影響有關。最近更多的研究發(fā)現TMAO與各種疾病間存在相關性，可作為疾病的預測、預后因子，甚至作為新的治療靶點。

2 腸道菌群與TMAO的關系

循環(huán)TMAO水平與飲食結構、腸道菌群的豐度、多樣性和均勻度以及腸黏膜通透性等相關。

2.1 腸道菌群

腸道微生物群是指胃腸道的細菌總集，與宿主為共生關系，大概有1014種，由5個門構成：類桿菌、厚壁菌、放線菌、蛋白菌和疣菌，其多樣性和平衡性保證著人體健康，其中90%以上為類桿菌和厚壁菌[4]，厚壁菌門與擬桿菌門的比值(F/B)是反應腸道菌群紊亂的重要指標。FENNEMA等[5]歸納了參與不同飲食前體代謝生成TMA的菌種。參與膽堿代謝的是厚壁菌門中的梭菌屬、腸球菌屬、鏈球菌屬，放線菌門中的動彎桿菌屬、歐陸森菌屬以及記憶蛋白菌門中的腸桿菌屬、愛德華菌屬、埃希菌屬、脫硫弧菌等。參與左旋肉堿轉化為TMA的是粘質沙雷氏菌和乙酸鈣不動桿菌[6]。而膽堿和肉堿可先轉化甜菜堿，再被放線菌門(梭菌屬、真細菌屬)代謝為TMA[5]。WANG等[7]對腸道菌群進行基因測序，并根據TMAO行相關分析，發(fā)現與TMAO形成呈正相關的菌群：梭菌屬、考拉桿菌屬、顫桿屬和類桿菌目，而厭氧桿菌屬與TMAO呈負相關。

2.2 飲食習慣

通過檢測不同飲食[8]習慣人群的糞便中微生物種類，發(fā)現素食主義者的腸道菌群發(fā)生了大幅變化。予肉堿干預后，素食組的TMAO水平無明顯變化，而雜食組的循環(huán)及尿液TMAO濃度均顯著升高，可能是由于長期素食的腸道中缺乏參與TMAO生成的菌群。小鼠長期飲食中添加左旋肉堿會改變其盲腸的微生物組成，顯著增強TMA和TMAO的合成，并增加動脈粥樣硬化(AS)風險，但是如果同時抑制腸道菌群則不會發(fā)生AS[9]。另一項試驗發(fā)現進食蛋類和牛肉可產生更多TMAO(尿液TMAO排泄增加≥20%)，且腸道菌群的生態(tài)多樣性減弱，F/B比值升高[10]。

2.3 腸道黏膜屏障

在自發(fā)性高血壓大鼠(SHR)模型中發(fā)現大鼠結腸黏膜的小動脈壁明顯增厚，而腸黏膜厚度及腸道血流量(IBF)明顯降低，這表明高血壓可導致腸血屏障功能受損，對腸道微生物代謝產物的滲透性增加[11]。慢性心力衰竭時，有效血容量下降，腸黏膜屏障功能下降，腸道菌群種類及比例亦發(fā)生改變，內毒素及TMAO等代謝產物更易通過受損的腸道黏膜屏障，進入血液循環(huán)[12]。腎衰狀態(tài)下，腸道微生物會由相對均勻分布的復合菌群變成單一，比如類桿菌門、厚壁菌門的某些細菌(特別是乳桿菌科、普雷沃菌科)減少[13]。但這種菌群改變對TMAO的影響還有待進一步研究。

3 TMAO與CKD的關系

隨著代謝組學研究的深入，發(fā)現相對于非CKD患者，CKD患者循環(huán)TMAO水平顯著高于非CKD患者，即使在腎小球濾過率(eGFR)輕度下降仍未診斷CKD的人群中，血清TMAO水平也與胱抑素C水平成正比，提示在腎功能明顯減退之前TMAO的蓄積可能已經發(fā)生了，且不論胱抑素C水平高低，TMAO水平升高均是預后不良因子[14]。在中重度CKD患者中，TMAO與炎癥生物標志物，如高敏C反應蛋白(hs-CRP)和IL-6成正比，是心血管(CV)事件死亡率的獨立預測因子[15]，這種相關性可能與TMAO介導氧化應激損傷、腎功能減退有關。如前所述CKD狀態(tài)下正常的腸道生態(tài)平衡、腸黏膜屏障被破壞，不僅導致產TMAO的菌群增加，腎臟的TMAO清除率也下降，會導致吲哚類、酚類等尿毒癥毒素以及TMAO蓄積[16]。TMAO不僅能作為早期篩查CKD的指標。TMAO還是一種腎毒性物質，大量動物實驗表明腸源性毒素TMAO和慢性腎臟疾病的炎癥狀態(tài)密切相關，在高脂[17]、TMAO/膽堿飲食[14]喂養(yǎng)的小鼠腎臟間質中可觀察到Smad3(腎臟纖維化的關鍵調節(jié)劑)發(fā)生磷酸化改變，腎臟損傷分子-1(KM-1)、NADPH氧化酶-4和促炎性細胞因子的表達顯著增加，導致腎臟纖維化，影響腎小球濾過率和腎功能[18]。飲食中加入三甲胺抑制劑3，3-二甲基-1-丁醇(DMB)可降低血漿TMAO水平，抑制上述分子和形態(tài)學改變[19]。在動物實驗中還發(fā)現性激素可調節(jié)FMO3，以及腎小管有機陽離子轉運體的基因表達，升高雌性小鼠的TMAO水平[20]。不僅是CKD，也有不少研究[21]發(fā)現腸道菌群及TMAO在急性腎損傷(AKI)中發(fā)揮不可或缺的作用。

4 治療前景

腸道菌群失調及以TMAO為代表的代謝產物在“腸-腎軸”中發(fā)揮了重要作用，因此調控腸道微生物及TMAO水平可能成為防治CKD的重要靶點(封三圖1)。

4.1 飲食調整

改變飲食結構，如采取地中海飲食：以蔬菜、水果、魚類、堅果、豆類、橄欖油為主，配以一定量的紅酒。通過減少TMA的前體物質的攝入，增加紅酒、橄欖油等含DMB的食物，抑制腸道菌群生成TMA，減少TMAO的產生[22]。長期堅持健康的飲食習慣，有利于改變腸道菌群的結構，抑制產生TMA或TMAO的腸道細菌，可能是一種合理的干預措施。

4.2 抗生素、益生菌與益生元

TMAO是由腸道菌群代謝產生TMA后經肝臟氧化形成，故腸道菌群也成為了調節(jié)TMAO生成的靶點之一，可以通過服用抗生素，益生元和益生菌或通過糞便移植進行改變。

4.2.1 抗生素

在發(fā)現腸道菌群的重要作用后，早期有使用抗生素抑制產TMAO的菌群的治療思路，但臨床試驗中發(fā)現長期使用抗生素將導致產生抗藥性腸道微生物群大量繁殖及菌群失調。

4.2.2 益生菌和益生元

長期服用益生元、益生菌可刺激并調整腸道菌群菌群，發(fā)揮疾病治療作用[23]。益生菌中乳酸桿菌、雙歧桿菌和衛(wèi)氏球菌使用較多；代表性的益生元有甘露寡糖(MOS)、菊粉型果聚糖(ITFs)、長鏈菊糖以及β-葡聚糖[24]。一項薈萃分析綜合相關研究[25]得出：益生菌有著改善慢性腎臟疾病病情，補充益生元以及低蛋白飲食可延緩CKD的進展[26]。

4.3 糞便微生物群移植

糞便微生物群移植(FMT)是近來備受關注的一種治療方法，主要是通過轉移“健康”的細菌達到治療目的[27]。在許多疾病中已經有深入的研究，在腸道微生物群移植實驗中，從對鹽不敏感的大鼠腸道獲微生物群的鹽敏感大鼠的血壓顯著升高[28]；從較瘦正常供者中獲得腸道微生物抑制的代謝綜合征受者的胰島素敏感性在移植后6周顯著增強。FMT可刺激產生丁酸的細菌的生成，發(fā)揮治療CVD的作用[29]。甚至已經在臨床上成功應用：FMT用于治療艱難梭菌感染和炎癥腸病[30]。但通過FMT治療疾病的同時，也有將內毒素或傳染病通過FMT傳染給受者的風險，使FMT在臨床上使用受限。

4.4 FMO3阻滯劑

經腸道菌群代謝產生的TMA需經肝臟FMOx家族氧化形成TMAO，其中活性最高的為FMO3，是TMAO形成的關鍵酶。在腎功能不全小鼠中發(fā)現FMO3活性增高，TMAO水平隨之增加[20]，通過抑制肝臟FMO3的活性，可降低血漿中TMAO水平[31]，FOM3除通過影響TMAO形成從而參與疾病的發(fā)生之外，還可直接影響FoxO1導致代謝綜合征以及動脈粥樣硬化等。FMO3阻滯劑一度被認為是治療靶點之一，但是隨著研究繼續(xù)深入，發(fā)現抑制FMO3會帶來代謝底物及TMA的升高，一種具有特殊氣味的小分子，蓄積之后會引起的體臭、口臭，即魚腥綜合征，影響生活質量[2]。且大量研究發(fā)現TMA也是心血管危險因素之一[32]，故FMO3阻滯劑作為治療靶點的思路已經擯棄。

4.5 增加DMB攝入

DMB作為一種膽堿類似物，可與膽堿競爭細菌的TMA裂解酶，減少TMA的生成，降低TMAO水平，地中海飲食中的紅酒、橄欖油以及茶多酚富含DMB。WANG等[33]研究高膽堿飲食喂養(yǎng)的小鼠，升高的血液TMAO濃度在予以DMB后明顯下降，且連續(xù)16周予以DMB沒有帶來副作用。通過補充DMB降低TMAO的方法并未帶來TMA升高等其他副作用，可能作為治療慢性腎臟疾病及心血管疾病的新思路。

5 總結

隨著對腸道菌群相關研究的激增，及DNA測序分析等技術的不斷進展，極大地改變了人們對腸道菌群的認識，及其對人類健康和疾病的影響。腸道菌群依賴性氧化三甲胺不僅可以作為慢性腎臟病的標志物，也是加重腎臟病變的危險因素，本文主要介紹了腸道微生物群及其代謝物氧化三甲胺，在慢性腎臟病中的作用，以期在疾病發(fā)生的上游進行干預，降低疾病風險。