腸道菌群代謝產(chǎn)物TMAO與冠狀動脈粥樣硬化性心臟病關(guān)系的研究進(jìn)展

蘇廣勝，王少君，龐文躍

中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院，沈陽110004

2017年全球疾病負(fù)擔(dān)國際合作研究報道，冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(簡稱冠心病)是全球第一大死亡原因，多發(fā)生于中老年人群，男性多于女性，以腦力勞動者居多。近年來，隨著我國居民生活水平提高和人口老齡化加劇，冠心病的發(fā)病率呈明顯上升趨勢[1]。目前，已經(jīng)形成了許多較為完善且有效的冠心病治療方案。但China PEACE研究顯示，2001—2011年急性心肌梗死患者住院率仍呈逐年上升趨勢；同時有研究報道，大部分冠心病患者因急性心肌梗死于院外死亡，即使院內(nèi)醫(yī)療水平進(jìn)一步提升并降低住院患者的病死率，其對冠心病總體病死率的影響仍然有限。因此，早預(yù)防、早診斷、早治療成為冠心病防治的重中之重。然而，即使在已證實(shí)的冠心病危險因素得到控制后，急性心血管事件的殘余風(fēng)險依然存在[2]。除了傳統(tǒng)的冠心病危險因素外，近年國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)，腸道菌群尤其是其代謝產(chǎn)物氧化三甲胺(TMAO)可能與冠心病的發(fā)生、發(fā)展有關(guān)[3-4]，有可能為冠心病的防治提供新的方向[5]。本文結(jié)合文獻(xiàn)就腸道菌群代謝產(chǎn)物TMAO與冠心病的關(guān)系作一綜述。

1 腸道菌群及其代謝產(chǎn)物TMAO

人腸道內(nèi)存在很多細(xì)菌，腸道內(nèi)定植的細(xì)菌總數(shù)達(dá)到100萬億個，是人體細(xì)胞總數(shù)的10倍。人腸道內(nèi)菌群種類有1 000余種，主要有厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、變形菌門、梭桿菌門等。這些細(xì)菌構(gòu)成了腸道微生態(tài)系統(tǒng)，能夠參與人體多項(xiàng)生理活動，如促進(jìn)食物消化、營養(yǎng)物質(zhì)吸收，還可影響機(jī)體免疫功能和代謝狀態(tài)。WU等[6]研究表明，特定的共生細(xì)菌種類構(gòu)成可以抑制特定免疫細(xì)胞聚集，如Foxp3陽性調(diào)節(jié)性T細(xì)胞；TURNBAUGH等[7]研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群可影響機(jī)體從食物中吸收能量的效率，將肥胖小鼠糞便中的細(xì)菌移植到無菌小鼠腸道后發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠出現(xiàn)了肥胖傾向，表明腸道菌群構(gòu)成變化可能是導(dǎo)致某些疾病發(fā)生的原因。腸道菌群作為近年來的研究熱點(diǎn)，已被證實(shí)與多種疾病的發(fā)生有關(guān)。如GARCIA-RIOS等[8]報道腸道菌群失調(diào)可能是誘發(fā)心血管疾病的原因之一。

腸道菌群失調(diào)可導(dǎo)致其代謝產(chǎn)物水平變化。TMAO是腸道菌群代謝產(chǎn)物之一，是一種小分子無色氧化胺。TMAO的生成對腸道菌群具有依賴性。研究表明，經(jīng)口進(jìn)食含膽堿、甜菜堿或肉毒堿的食物，腸道菌群分解代謝膽堿、甜菜堿或肉毒堿能夠產(chǎn)生三甲胺(TMA)，TMA吸收入血后經(jīng)肝臟黃素單氧化酶3(FMO3)代謝生成TMAO[9-11]。腸道菌群構(gòu)成、進(jìn)食食物種類、年齡等能夠影響TMAO產(chǎn)生。WU等[12]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠腸道菌群構(gòu)成經(jīng)抗生素改變后，可導(dǎo)致小鼠糞便中TMAO含量顯著增加；KOETH等[10]研究報道，長期進(jìn)食紅肉可改變腸道菌群構(gòu)成，同時可增加TMAO產(chǎn)量。血漿TMAO水平不僅受腸道菌群構(gòu)成和進(jìn)食食物種類的影響，近年研究發(fā)現(xiàn)，血漿TMAO水平還可隨著年齡增長而逐漸升高[13-14]。

2 TMAO與冠心病的關(guān)系

2.1 TMAO與動脈粥樣硬化的關(guān)系 動脈粥樣硬化是一種常見的動脈疾病，是導(dǎo)致心腦血管疾病的主要原因。目前認(rèn)為，動脈粥樣硬化是多種危險因素共同作用所致的，如高血壓、糖尿病、高脂血癥、吸煙等。近年研究發(fā)現(xiàn)，除了上述危險因素外，血漿TMAO水平升高與動脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。WANG等[15]研究發(fā)現(xiàn)，血漿TMAO水平升高能夠促進(jìn)小鼠動脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在載脂蛋白ApoE基因敲除的小鼠模型中，血漿TMAO水平升高與動脈粥樣硬化斑塊負(fù)荷增加呈正相關(guān)關(guān)系。

冠心病是冠狀動脈血管發(fā)生動脈粥樣硬化病變造成心肌缺血、缺氧或壞死而導(dǎo)致的一種心臟病。因此，血漿TMAO水平升高與冠心病的發(fā)生、發(fā)展有關(guān)，血漿TMAO水平與冠狀動脈粥樣硬化斑塊負(fù)荷存在明顯的量效關(guān)系。熊筱偉等[16]研究亦證實(shí)，血漿TMAO水平與冠心病的發(fā)生密切相關(guān)，是冠心病的獨(dú)立危險因素。血漿TMAO水平升高是引起冠心病的原因之一，在臨床研究中亦有報道。JIE等[17]在一項(xiàng)宏基因組關(guān)聯(lián)分析中，納入了218例冠心病患者和187例健康志愿者，結(jié)果發(fā)現(xiàn)冠心病患者腸道菌群參與TMA合成的菌群豐度明顯增加，血漿TMAO水平明顯升高。在一項(xiàng)為期3年的臨床研究中亦發(fā)現(xiàn)，主要不良心血管事件的發(fā)生率升高與血漿TMAO水平升高密切相關(guān)，血漿TMAO水平升高提示主要不良心血管事件的發(fā)生風(fēng)險增加[9]。因此，人體內(nèi)腸道菌群代謝產(chǎn)物TMAO水平升高與冠心病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。

2.2 TMAO導(dǎo)致動脈粥樣硬化的機(jī)制 目前認(rèn)為，TMAO能夠通過上調(diào)巨噬細(xì)胞清道夫受體表達(dá)、增加細(xì)胞熱休克蛋白(HSPs)和促炎癥細(xì)胞因子表達(dá)以及提高血漿膽固醇水平等促進(jìn)動脈粥樣硬化形成，從而參與冠心病的發(fā)生、發(fā)展。

2.2.1 上調(diào)巨噬細(xì)胞清道夫受體表達(dá) 巨噬細(xì)胞通過清道夫受體吞噬氧化型低密度脂蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)榕菽?xì)胞，從而形成最早的粥樣硬化病變脂質(zhì)條紋。機(jī)體TMAO水平升高可使巨噬細(xì)胞與動脈粥樣硬化相關(guān)的清道夫受體CD36、SR-A1表達(dá)上調(diào)，從而加強(qiáng)了其對氧化型低密度脂蛋白的吞噬，促進(jìn)了泡沫細(xì)胞形成和動脈粥樣硬化發(fā)生[15]。

2.2.2 增加細(xì)胞HSPs表達(dá) HSPs是一類遺傳上高度保守的蛋白，在原核生物和真核生物中普遍存在。HSPs根據(jù)同源程度和相對分子質(zhì)量大小分為HSP10、HSP40、HSP60、HSP70、HSP90和HSP110。HSPs是細(xì)胞內(nèi)重要的伴侶蛋白，能夠介導(dǎo)新合成的或可逆變性的蛋白質(zhì)正確折疊、裝配、轉(zhuǎn)運(yùn)等，從而發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)功能。另外，HSPs被分泌到細(xì)胞外可作為免疫調(diào)節(jié)劑，引起細(xì)胞因子產(chǎn)生或通過受體介導(dǎo)的相互作用將信號傳遞給其他細(xì)胞。有研究表明，導(dǎo)致動脈粥樣硬化的危險因素，如高血壓，可刺激巨噬細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞中HSPs表達(dá)增加并釋放到細(xì)胞外。巨噬細(xì)胞中HSPs表達(dá)增加可導(dǎo)致其異常激活以及清道夫受體SR-A1表達(dá)上調(diào)，從而促進(jìn)泡沫細(xì)胞形成。細(xì)胞外HSPs可與細(xì)胞表面受體(如Toll樣受體)相互作用，激活核因子κB，引起巨噬細(xì)胞中炎癥細(xì)胞因子產(chǎn)生和內(nèi)皮細(xì)胞中黏附分子合成，從而促進(jìn)了動脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展。MOHAMMADI等[18]研究表明，TMAO能夠誘導(dǎo)HSP70表達(dá)，而機(jī)體對HSP70的自身免疫反應(yīng)是動脈粥樣硬化的起始階段，高表達(dá)HSP70可導(dǎo)致巨噬細(xì)胞異?；罨龠M(jìn)巨噬細(xì)胞吞噬氧化型低密度脂蛋白，加速泡沫細(xì)胞形成和動脈粥樣硬化進(jìn)程。此外，HSP70還能促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞中黏附分子合成，同樣在動脈粥樣硬化進(jìn)展過程中發(fā)揮重要作用。

2.2.3 增加促炎癥細(xì)胞因子表達(dá) 動脈粥樣硬化是一種慢性炎癥性疾病。促炎癥細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β可促進(jìn)單核細(xì)胞、淋巴細(xì)胞遷移至內(nèi)膜下并轉(zhuǎn)化為巨噬細(xì)胞，從而促進(jìn)了動脈粥樣硬化形成。有研究表明，血漿TMAO水平升高可使促炎癥細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β水平升高，抗炎癥細(xì)胞因子IL-10水平降低，以及反映炎癥程度的高敏C反應(yīng)蛋白水平升高，與其他機(jī)制共同導(dǎo)致動脈粥樣硬化形成并促進(jìn)斑塊生長[19-20]。

2.2.4 提高血漿膽固醇水平 目前，高膽固醇血癥是公認(rèn)的動脈粥樣硬化的危險因素。在動脈粥樣硬化起始和進(jìn)展階段均有膽固醇參與，尤其是低密度脂蛋白膽固醇。研究發(fā)現(xiàn)，TMAO對脂質(zhì)代謝具有調(diào)節(jié)作用，在飲食中補(bǔ)充TMAO可引起血漿TMAO水平升高，能夠阻礙膽固醇的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)，使血漿膽固醇水平升高，導(dǎo)致動脈粥樣硬化形成和進(jìn)展[21]。

3 TMAO防治冠心病的作用途徑

降低TMAO水平可阻止或延緩動脈粥樣硬化形成和進(jìn)展，從而起到防治冠心病的目的，其機(jī)制可能是通過調(diào)節(jié)腸道菌群構(gòu)成、抑制TMA生成、抑制TMA轉(zhuǎn)化三種途徑實(shí)現(xiàn)的。

3.1 調(diào)節(jié)腸道菌群構(gòu)成 腸道菌群在TMAO代謝中的作用已被證實(shí)，這為通過調(diào)節(jié)腸道菌群構(gòu)成來降低TMAO水平提供了理論依據(jù)[4]。

使用廣譜抗生素能夠改變腸道菌群構(gòu)成，進(jìn)而降低TMAO水平。健康志愿者在接受磷脂酰膽堿刺激后，血漿TMAO水平呈時間依賴性升高，給予抗生素后血漿TMAO水平明顯降低，停藥后又升高[9]。因此，通過使用抗生素改變腸道菌群構(gòu)成從而降低血漿TMAO水平，是一個預(yù)防和阻止冠心病進(jìn)展的潛在方法。但目前導(dǎo)致TMAO生成增多的主要菌群還未確定，研究中使用的廣譜抗生素可抑制大部分細(xì)菌增殖，長期使用抗生素會產(chǎn)生不良后果，如耐抗生素菌株出現(xiàn)、誘導(dǎo)胰島素抵抗。因此，需要進(jìn)一步研究導(dǎo)致TMAO生成增多的主要菌群及抑制其繁殖的靶向抗生素。

口服益生菌及其功能性產(chǎn)品亦能夠改變腸道菌群構(gòu)成，進(jìn)而降低TMAO水平。動物研究表明，給予小鼠乳酸桿菌及產(chǎn)氣腸桿菌兩種益生菌制劑，小鼠盲腸內(nèi)膽堿源性TMA生成減少，血漿TMAO水平明顯下降；給予補(bǔ)充腸球菌制劑，小鼠血漿TMAO水平同樣減少[22]。臨床研究表明，口服益生菌功能性產(chǎn)品可有效控制血漿TMAO水平，如乳酸菌發(fā)酵的蘋果泥[23]。由此可見，補(bǔ)充益生菌制劑或進(jìn)食益生菌功能性產(chǎn)品亦可作為降低血漿TMAO水平的一種手段。

3.2 抑制TMA生成 TMA裂解酶是腸道菌群將食物中膽堿成分轉(zhuǎn)化為TMA的關(guān)鍵酶。因此，抑制TMA裂解酶的活性可降低TMA生成。2015年有學(xué)者證實(shí)，膽堿的結(jié)構(gòu)類似物3，3-二甲基-1-丁醇(DMB)作為一種非致死性的微生物酶抑制劑，能夠通過抑制不同微生物的TMA裂解酶來抑制TMA生成[24]。DMB還可降低產(chǎn)TMA特定細(xì)菌在腸道菌群中所占的比例。有研究發(fā)現(xiàn)，植物甾醇酯同樣可抑制微生物生成TMA，減少膽固醇積累[25]。因此，靶向抑制腸道微生物生成TMA的關(guān)鍵酶，可降低血漿TMAO水平。但目前能夠用于人體且安全有效的TMA裂解酶抑制劑有待于進(jìn)一步研發(fā)。

3.3 抑制TMA轉(zhuǎn)化 FMO3是TMA向TMAO轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶。有研究發(fā)現(xiàn)，肝臟FMO3表達(dá)下降時，血漿TMAO水平亦下降，而機(jī)體FMO3表達(dá)受抑或過表達(dá)都會直接影響血漿TMAO水平[26-27]。最近研究表明，一種提取于植物葫蘆巴的化合物葫蘆巴堿可抑制FMO3，進(jìn)而抑制TMA向TMAO轉(zhuǎn)化。體外研究表明，300 μg/mL葫蘆巴堿可達(dá)到最大抑制效果，能夠使TMAO生成減少85.3%。因此，通過靶向藥物抑制肝臟FMO3活性是降低血漿TMAO水平的另一途徑。但目前無明顯肝損害作用的FMO3抑制劑尚需進(jìn)一步研發(fā)。

總之，越來越多證據(jù)表明腸道菌群代謝產(chǎn)物TMAO與冠心病密切相關(guān)，TMAO能夠通過上調(diào)巨噬細(xì)胞清道夫受體表達(dá)、增加細(xì)胞HSPs和促炎癥細(xì)胞因子表達(dá)以及提高血漿膽固醇水平等促進(jìn)冠心病的發(fā)生、發(fā)展。因此，TMAO可作為防治冠心病的一個新靶標(biāo)。通過調(diào)節(jié)腸道菌群構(gòu)成、抑制TMA生成、抑制TMA轉(zhuǎn)化三種途徑降低TMAO水平，有可能實(shí)現(xiàn)對冠心病的防治目的。但真正實(shí)現(xiàn)以TMAO為靶標(biāo)來防治冠心病，還需要未來更深入的研究。