氧化三甲胺與心力衰竭關系的研究進展

閆思雨，馬麗紅

隨著人口的老齡化和各類心血管疾病診治水平的提高，心力衰竭已成為我國重大的公共衛(wèi)生問題[1]，應全面防控危險因素，進而降低死亡率。多種病理因素均參與心力衰竭的發(fā)生發(fā)展，目前越來越多研究支持腸道菌群及其代謝產(chǎn)物在心力衰竭發(fā)病機制中的作用，即“心力衰竭的腸道假說”。這一假說表明，心排血量減少和全身充血增加導致腸道黏膜缺血及水腫，腸道通透性增加，從而增加細菌易位和循環(huán)內毒素，引起多種機制導致心力衰竭病理進展，從而影響病人預后[2-3]。氧化三甲胺是腸道菌群代謝物三甲胺的肝臟氧化產(chǎn)物[4]。既往研究證實，氧化三甲胺介導動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展，循環(huán)氧化三甲胺水平升高與心肌梗死、腦卒中發(fā)生風險密切相關[4-5]。有研究證實，高水平氧化三甲胺與心力衰竭不良預后具有相關性[6]，與相關研究結果[7]不一致，因此，氧化三甲胺預測心力衰竭預后的作用存在一定爭議。目前研究結果僅說明氧化三甲胺與心力衰竭不良預后有一定的相關性而非因果性，氧化三甲胺參與心力衰竭進展的確切機制尚未明確?，F(xiàn)綜述氧化三甲胺在心力衰竭進程中的可能作用及研究進展，以期為心力衰竭的腸道假說提供依據(jù)。

1 氧化三甲胺概述

磷脂酰膽堿是人類膳食中獲得膽堿的主要來源[8]，如蛋類、奶類、紅肉、魚類等，此外少量磷脂酰膽堿是在人體內源性形成，并由膽汁排出[9]。磷脂酰膽堿可在小腸被胰磷脂酶D消化產(chǎn)生游離膽堿，含有胰磷脂酶D的腸道菌群參與這一過程[10]。生成的膽堿在三甲胺裂解酶催化下裂解產(chǎn)生三甲胺[11]。三甲胺的產(chǎn)生除了通過三甲胺裂解酶催化膽堿分解之外，還通過其他酶與相應底物發(fā)生反應而產(chǎn)生，如肉堿單氧合酶、甜菜堿還原酶、氧化三甲胺還原酶。三甲胺形成后被血液吸收，通過門脈循環(huán)進入肝臟，并在肝臟中經(jīng)過黃素單氧化酶氧化形成氧化三甲胺，多種黃素單氧化酶催化這一過程，包括黃素單氧化酶1、黃素單氧化酶2、黃素單氧化酶3，其中黃素單氧化酶3數(shù)量較多且活性較強，是這一反應的主要催化劑[12]。

Wang等[13]首次發(fā)現(xiàn)氧化三甲胺在心血管疾病中的作用，他們對健康人群和心血管疾病人群血漿代謝產(chǎn)物進行區(qū)分，以質譜及液相色譜為基礎的代謝組學方法明確了預測心血管疾病發(fā)生風險的相關物質，其中3種小分子物質呈明顯相關性，經(jīng)研究確定的是膽堿、甜菜堿和氧化三甲胺。相關動物實驗以灌胃或腹腔注射方式給予無菌小鼠氧化三甲胺前體物質，分析氧化三甲胺來源，結果證實膽堿代謝和腸道菌群在氧化三甲胺形成、巨噬細胞膽固醇增加及泡沫細胞形成等過程中至關重要[5]。已有臨床研究證實，氧化三甲胺在心血管疾病方面具有預測作用，如動脈粥樣硬化[4-5]、心力衰竭[6，14-17]等；動物實驗和體外研究一定程度解釋了氧化三甲胺促進動脈粥樣硬化[5]、引起心臟增大和心肌纖維化[18]、抑制心肌能量代謝[19]、引起鈣離子處理功能障礙[20]、加重炎癥反應[21]等機制。是否通過干預腸道菌群或相關酶，改變氧化三甲胺水平，進而影響病人心血管疾病預后已成為目前的研究熱點。

2 氧化三甲胺對心力衰竭病人臨床預后的預測作用

2.1 高水平氧化三甲胺與心力衰竭病人不良預后相關 心力衰竭病人預后較差，有研究表明，心力衰竭病人循環(huán)氧化三甲胺水平高于非心力衰竭病人，且血清高水平氧化三甲胺與心力衰竭病人不良預后相關[6，14-17]。一項隊列研究納入720例接受冠狀動脈造影并隨訪5年的穩(wěn)定性心力衰竭病人并進行評估，結果顯示循環(huán)氧化三甲胺高水平提示具有較高的長期死亡風險[15]。Suzuki等[6]研究表明，更低的氧化三甲胺水平與慢性心力衰竭病人較好的預后相關，該研究證明兩者相關性不受慢性心力衰竭治療藥物的影響。一項納入1 208例心肌梗死后心力衰竭病人的前瞻性隊列研究得到相似的結論，結果表明氧化三甲胺是預測心肌梗死后慢性心力衰竭病人發(fā)生主要不良心血管事件(major adverse cardiovascular events，MACE)的有效指標[14]。一項關于氧化三甲胺與高齡心力衰竭病人心功能相關性的臨床研究顯示，較高水平的氧化三甲胺老年慢性心力衰竭病人心功能較差，氧化三甲胺可能作為評估老年慢性心力衰竭病人心功能的一項重要標志物[17]。

氧化三甲胺是否介導心力衰竭的發(fā)生發(fā)展有待進一步研究，相關證據(jù)表明兩者相關性，不能排除氧化三甲胺是反映其他介導心力衰竭進展風險因子的標志[22]。有研究提示，循環(huán)氧化三甲胺水平增高可能是腎小球濾過率(glomerular filtration rate，GFR)降低的表現(xiàn)[7]，也可能是腸道菌群組成或功能改變的表現(xiàn)[22]，上述因素介導心力衰竭的進展，而氧化三甲胺僅作為隨之改變的一個標志性因素。Suzuki等[7]研究顯示，氧化三甲胺可預測急性心力衰竭住院病人死亡分層，但校正腎功能混雜因素后，氧化三甲胺不是病人死亡的獨立預測因子。一項Meta分析表明，調整腎小球濾過率因素后，氧化三甲胺水平與心力衰竭病人MACE具有顯著相關性[23]。近期將估算腎小球濾過率(estimated glomerular filtration rate，eGFR)作為傳統(tǒng)風險因子進行調整后的臨床研究顯示，氧化三甲胺與慢性心力衰竭預后具有顯著的相關性[6，14]。上述研究結果存在矛盾的主要原因可能是納入病人的標準不同，Suzuki等[7]入選人群為急性心力衰竭病人，而近期研究納入人群為慢性心力衰竭病人，Meta分析未對心力衰竭類型進行細致劃分。由于研究進行的時間不同，臨床診療條件進步可能混雜于結果差異之中。一項橫斷面研究表明，氧化三甲胺可作為射血分數(shù)保留心力衰竭和腎功能的診斷生物標志物[24]。有研究結果表明，氧化三甲胺與心力衰竭預后關系密切，但氧化三甲胺與不同類型心力衰竭病人預后的關系仍需較多前瞻性臨床研究進一步驗證。心力衰竭病人氧化三甲胺高水平與較差預后之間的相關性雖不完全由腎功能介導，但氧化三甲胺、心力衰竭及腎功能損傷的關系值得進一步深入探討。

2.2 氧化三甲胺對不同心力衰竭病人的預測價值 在探討氧化三甲胺水平與心力衰竭病人預后相關性的基礎上，部分研究對心力衰竭病人進行分層，進一步細化氧化三甲胺水平對不同分級疾病或不同地域、不同種族病人的預測作用。有研究表明，氧化三甲胺水平是心力衰竭的獨立預測因子，且我國北方病人氧化三甲胺水平與心力衰竭分級高度相關[25]。一項針對不同地區(qū)心力衰竭病人氧化三甲胺水平的研究表明，不同地區(qū)心力衰竭病人氧化三甲胺水平不同，且與預后關系密切[16]。有研究探討種族是否影響氧化三甲胺水平和心力衰竭預后，結果顯示，雖然不同人種之間氧化三甲胺水平存在差異，但死亡率和/或再住院率與循環(huán)氧化三甲胺水平存在相關性[26]。白種人病人氧化三甲胺水平升高與不良結果相關性增加，但非白種人病人無這種趨勢。

2.3 調節(jié)氧化三甲胺水平改善心力衰竭病人預后 通過控制飲食、使用益生菌調節(jié)腸道菌群組成和功能，從而降低氧化三甲胺水平并改善心力衰竭病人預后，且以氧化三甲胺為明確干預靶點的臨床研究較少，主要原因可能是氧化三甲胺水平、腸道菌群、心力衰竭三者之間的相互作用機制尚未明確。一項隨機對照試驗表明，補充益生菌可減輕心肌梗死后重構，這一過程中觀察到氧化三甲胺水平降低，由此推測干預腸道菌群可能降低氧化三甲胺水平，從而減輕心臟重構[27]。另一項研究在干預腸道菌群過程中觀察氧化三甲胺水平變化，其結果可能為這一思路提供新的有力證據(jù)干預[28]。

3 氧化三甲胺促進心力衰竭進展的病理生理機制

3.1 心肌肥厚與纖維化 Organ等[18]研究喂食膽堿或氧化三甲胺對主動脈收縮后小鼠心肌肥厚和心力衰竭的影響，證實喂食膽堿或氧化三甲胺的小鼠左室射血分數(shù)顯著降低，肺水腫、心臟增大和心肌纖維化程度顯著增加，表明喂食膽堿或氧化三甲胺可加劇小鼠心力衰竭嚴重程度。一項使用膽堿或氧化三甲胺飲食的動物模型研究揭示了另一個終末器官——腎臟纖維化程度增強，可能提示氧化三甲胺水平升高對促進纖維化表型具有一定的普遍性[29]。Organ等[30]進一步研究證實，飲食中取消氧化三甲胺可減輕不良心室重構，改善心功能；通過三甲胺分解酶抑制劑阻斷膽堿向三甲胺和氧化三甲胺的轉化，減少膽堿對心功能的損傷。Chen等[31]使用三甲胺合成抑制劑3，3-二甲基-1-丁醇治療，降低了小鼠血漿氧化三甲胺水平，具有較高水平氧化三甲胺的對照組小鼠表現(xiàn)出較強的心臟炎癥和纖維化，從而導致心功能障礙。研究者們在此基礎上對氧化三甲胺參與的相關通路進行分析。Li等[32]通過大鼠體內和體外心肌細胞實驗證實，氧化三甲胺通過Smad3信號通路刺激心肌肥厚和心肌纖維化，而以SIS3抑制Smad3通路，可減輕氧化三甲胺誘導的心肌肥厚。Wang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，3，3-二甲基-1-丁醇可能是通過調節(jié)轉化生長因子-β1(TGF-β1)/Smad3和p65核轉錄因子-κB(NF-κB)信號通路，降低氧化三甲胺水平，從而預防心肌肥厚和心肌纖維化。

3.2 心肌能量代謝與鈣離子處理功能障礙 能量代謝損傷是心力衰竭進展的主要機制之一[19]。有研究發(fā)現(xiàn)氧化三甲胺水平增加損害心臟線粒體中丙酮酸和脂肪酸氧化，進而導致心肌能量代謝紊亂[34]。說明氧化三甲胺可能通過損傷心肌能量代謝促進心力衰竭進展。有研究對正常成年大鼠心臟分離的心室肌細胞進行細胞力學分析，同時進行超微結構分析，結果顯示氧化三甲胺加劇心肌細胞力學障礙，同時經(jīng)氧化三甲胺處理的心肌細胞表現(xiàn)為糖原積累、較多的線粒體和類脂質色素沉積[35]。證實氧化三甲胺對心肌細胞功能的直接負面作用，而尿嘧啶B-葡萄糖醛酸乙酯(Uro B-gluc)對這些不利影響具有抵消作用。另一個可能解釋氧化三甲胺與心力衰竭進展的機制是氧化三甲胺與微管聚合及鈣離子處理功能障礙的關系。早期研究表明，氧化三甲胺可促進微管聚合[36]。微管是普遍存在的，由α和β微管蛋白二聚體聚合而成的細胞骨架纖維，調節(jié)廣泛的細胞過程，包括維持細胞形狀、有絲分裂和細胞內蛋白質運輸。微管聚合導致跨越橫小管和肌漿網(wǎng)膜親聯(lián)蛋白2(junctophilin-2，JPH2)重新分配，從而在T小管重塑和心肌細胞鈣離子紊亂[37]中發(fā)揮重要作用。Jin等[20]體外研究表明，氧化三甲胺可誘導微管蛋白致密化、JPH2易位，隨之引起T小管重塑及鈣離子處理功能障礙，這可能解釋氧化三甲胺與心力衰竭進展關系的新機制。

3.3 氧化三甲胺間接促進心力衰竭進展的其他機制 氧化三甲胺促進炎癥機制多解釋其致動脈粥樣硬化的原因，較少研究通過氧化三甲胺與炎癥相關機制闡述其對心力衰竭不良預后的影響。炎癥是導致心血管疾病不良預后的重要機制之一，炎癥標志物升高也是慢性心力衰竭的一個顯著特征[38]。炎癥反應可能通過影響心肌收縮力、促進細胞凋亡、心室重構等導致心力衰竭進展。多項研究證實，氧化三甲胺通過激活NF-κB信號[21]、激活NLRP3炎癥小體[39]等方式促進炎癥反應，從而加重動脈粥樣硬化，一定程度對心力衰竭造成間接影響。這一結論有待相關研究進一步驗證。

氧化三甲胺可能導致心力衰竭進展的間接機制是其與腎功能的關系。氧化三甲胺在心臟和腎臟蓄積，主要由腎臟排出體外，因此，腎臟在氧化三甲胺的排泄過程中發(fā)揮重要作用[40]。因此，腎功能損傷與血漿氧化三甲胺水平升高密切相關。腎功能損傷進一步加重心力衰竭發(fā)展。弗雷明漢心臟研究數(shù)據(jù)顯示，氧化三甲胺水平升高直接導致腎間質纖維化和功能障礙，促進水鈉潴留[41]。這一機制表明，氧化三甲胺升高造成的腎功能損傷可能進一步加重心力衰竭進展，從而使整體的病理生理機制陷入一種惡性循環(huán)。

4 小 結

既往研究已證明高水平氧化三甲胺與心力衰竭不良預后顯著相關，但氧化三甲胺與心力衰竭之間的因果關系尚不明確，氧化三甲胺是作為心力衰竭進展中的標志還是介導參與這一過程？心力衰竭進展是否對氧化三甲胺具有反向調節(jié)的作用？這些問題尚無確切答案。目前研究結果并非完全一致，少數(shù)研究結果與常見結論相互矛盾，如調整病人腎功能水平后，氧化三甲胺預測急性心力衰竭預后作用不顯著[7]；高水平氧化三甲胺對心血管具有一定的保護作用[42]；相較于安慰劑組，氧化三甲胺組合并高血壓心力衰竭大鼠預后更好[43-44]。差異性結論提示關于氧化三甲胺的作用機制需審慎對待，探討氧化三甲胺與心力衰竭進展關系時需結合心力衰竭類型及合并癥等進一步劃分，以明確其可能存在的多方面作用。

心力衰竭進展過程中發(fā)揮負性調節(jié)作用的是氧化三甲胺還是其前體物質(包括三甲胺、膽堿等)，眾多物質參與膽堿代謝途徑，其中真正介導心力衰竭進展的病理產(chǎn)物不能肯定是否為氧化三甲胺。雖然部分動物研究同時給予三甲胺轉換為氧化三甲胺的抑制劑作為對照，在一定程度上將焦點集中于氧化三甲胺；體外實驗排除體內復雜反應基礎上提供了這一過程的機制，但基礎研究仍缺乏對膽堿代謝途徑中多個物質變化的關注和對比。

雖然少數(shù)研究以干預腸道菌群為切入點，試圖尋找改善心力衰竭的新手段，同時觀察氧化三甲胺水平，但靶向氧化三甲胺的干預策略有待確定。因此，氧化三甲胺與心力衰竭之間的相互關系需要進一步探討，今后研究以氧化三甲胺出發(fā)點，進一步補充和完善心力衰竭病理機制，從而尋找心力衰竭診斷分層的有效因子或治療靶點。